9、抛光夹具12及法兰10采用一体制造，从而减少装配表面间隙及装配误 差所引起的功率损耗。超声波换能器8由压电陶瓷组和前后盖板构成，并通过预紧力螺栓 对压电陶瓷进行预紧。变幅杆9大端与超声波换能器8相连，小端与抛光夹具12相连。抛 光夹具12为模式转换圆盘，抛光夹具12圆心部分与变幅杆9小端相连，抛光夹具12四周 开有空槽用以安装光纤阵列组件。法兰盘10位于变幅杆中振动节点位置。
[0027] 法兰10通过螺栓连接固定在支撑平台11上，支撑平台11与导轨立柱5之间采用 滑块4连接，滑块4嵌装在导轨立柱的导轨上，形成竖直方向的导轨移动副，支撑平台11及 抛光台横梁6之间采用精密弹簧7连接，导轨立柱5固定在抛光台底座16上。与支撑平台 11连接后的抛光夹具12与抛光垫15之间应当留有一定间隙用于光纤阵列组件的安装，抛 光液由抛光液箱1经流量计3流入抛光垫15和抛光夹具12之间。
[0028] 抛光垫15安装在抛光台底座16上，抛光垫15与抛光夹具12同轴布置，由电机17 带动抛光垫15转动，电机轴线与抛光垫轴线采用偏心传动的连接方式，以避免抛光时工件 总与抛光垫同一位置接触，减小对抛光垫的损伤，也可采用抛光夹具12与抛光垫15之间偏 心设置的方式。
[0029] 结合参见图3,在超声波发生器14产生的超声交变电流作用下，超声波换能器8中 的压电陶瓷产生于电场方向相同的周期性伸缩振动，从而使得整个超声波换能器8产生竖 直纵向的超声振动，纵向超声振动通过变幅杆9大端传入变幅杆中，由于变幅杆9的直径由 大变小，能量密度逐渐增大，变幅杆9小端的输出振动幅度将大于输入大端，放大倍数随变 幅杆大、小端端面面积比值决定。纵向超声振动通过变幅杆9的放大之后传导到圆盘状的 抛光夹具12圆心位置，即弯曲振动圆盘中心。在圆盘中心部位产生的轴向振动不断沿径向 向圆盘外围装夹工件的位置传递，从而在圆盘上各点产生弯曲振动，而装夹工件的圆盘周 边位置，在轴向和径向两个方向的超声振动作用下产生椭圆超声振动。
[0030] 在化学机械抛光加工中，电机17带动抛光垫15旋转时，工件18与抛光垫15产生 下相对运动，在摩擦力作用下，抛光夹具12带动工件绕夹具中心轴自转。本实施例在其中 加入了双向椭圆超声振动辅助抛光加工过程，加入超声振动之后，增加了抛光垫与工件之 间的相对速度，使得材料去除率显著增加，并且由于椭圆超声振动的加入所产生的空化效 应，使得抛光液进出工件和抛光垫之间的间隙速度增加，有效工作的抛光粒子数量增多，对 工件表面冲击速度变大，因此材料去除率及加工表面精度同时得到提高。
[0031] 超声波换能器8、超声波变幅杆9及抛光夹具12采用同一设计频率进行设计，当三 者同时处于谐振频率时，系统的损耗最小。超声振动频率选择范围一般为20kHz-60kHz， 超声波换能器8、变幅杆9长度均为相应制作材料内设计超声波频率下超声波波长的1/2长 度。抛光夹具12中心部位与变幅杆9小端相连，其结构为一平板型圆盘，平板厚度、直径及 设计频率三者存在一定相关性。为使弯曲振动的功率损耗不至于过大，板厚不应取值过大， 圆盘弯曲振动阶次也不应太高，圆心、圆周位置为弯曲振动波峰位置。为保证弯曲振动圆盘 保持薄板振动模式，圆盘的直径/厚度比值应取较大值。综上，将谐振频率取值范围设置为 20kHz至60kHz之间，圆盘厚度设置为4mm至8mm之间，取圆盘二阶及三阶弯曲振动模态，计 算得到圆盘厚度取值如下表所示：
[0032]
[0033] 上述为本发明的优选实施方式，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附 权利说明书所限定的本发明的精神和范围内，在形式和细节上对本发明所作出的各种变 化，都属于本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种超声振动辅助的光纤阵列端面抛光装置，包括可转动的抛光垫（15)以及置于 抛光垫（15)上的抛光夹具（12)，工件（18)装夹在抛光夹具上，工件待抛光的端面在重力作 用下与抛光垫（15)接触，所述抛光垫（15)上通入抛光液； 其特征在于：所述抛光夹具（12)竖直端与超声波换能器（8)连接，所述超声波换能器 (8)与超声波发生器（14)通过导线连接。2. 根据权利要求1所述的一种超声振动辅助的光纤阵列端面抛光装置，所述超声波换 能器（8)通过变幅杆（9)与抛光夹具（12)连接，所述变幅杆（9)的大端连接超声波换能器 (8)，小端连接抛光夹具（12)。3. 根据权利要求2所述的一种超声振动辅助的光纤阵列端面抛光装置，所述抛光夹具 (12)通过一竖直方向弹性设置的支撑平台（11)置于抛光垫上。4. 根据权利要求3所述的一种超声振动辅助的光纤阵列端面抛光装置，所述支撑平台 (11)通过滑块（4)滑动设置在一竖直设置的导轨立柱（5)上，所述导轨立柱（5)顶部具有 一横梁（6)，所述支撑平台（11)通过精密弹簧（7)与横梁（6)连接。5. 根据权利要求3所述的一种超声振动辅助的光纤阵列端面抛光装置，所述超声波换 能器（8)、变幅杆（9)和抛光夹具（12)固连成一体，通过法兰（10)固定在支撑平台（11) 上。6. 根据权利要求5所述的一种超声振动辅助的光纤阵列端面抛光装置，所述超声波换 能器（8)、变幅杆（9)的长度均为超声波频率范围下超声波波长的1/2。7. 根据权利要求1所述的一种超声振动辅助的光纤阵列端面抛光装置，所述抛光垫 (15)转动设置在抛光台底座（16)上，底部与电机（17)连接。8. 根据权利要求7所述的一种超声振动辅助的光纤阵列端面抛光装置，所述抛光垫 (15)采用偏心传动或者抛光夹具（12)与抛光垫（15)之间偏心设置。9. 根据权利要求1所述的一种超声振动辅助的光纤阵列端面抛光装置，还包括抛光液 箱（1)，所述抛光液箱（1)通过导管（2)将抛光液输送至抛光垫上方，所述导管（2)上设有 流量计（3)。10. 根据权利要求1-9中任一项所述的一种超声振动辅助的光纤阵列端面抛光装置， 所述抛光夹具（12)为圆盘状，所述超声波换能器（8)设置在抛光夹具（12)的竖直轴线上， 超声振动频率为20kHz -60kHz，圆盘厚度在之间。
【专利摘要】本发明公开了一种超声振动辅助的光纤阵列端面抛光装置，包括可转动的抛光垫以及置于抛光垫上的抛光夹具，工件(光纤阵列组件)装夹在抛光夹具上，工件待抛光的端面在重力作用下与抛光垫接触，所述抛光垫上通入抛光液；所述抛光夹具通过一竖直方向弹性设置的支撑平台置于抛光垫上，所述抛光夹具竖直端通过变幅杆与超声波换能器连接，所述超声波换能器与超声波发生器通过导线连接。本发明通过超声振动辅助光纤阵列端面的化学机械抛光，可提高抛光液的抛光磨削效率，降低抛光液的使用量，节省生产成本，并且减轻了对抛光液对环境的影响，同时还可有效提升抛光的效果，可在实际生产中广泛引用。
【IPC分类】B24B1/04, B24B37/34
【公开号】CN104942662
【申请号】CN201510404473
【发明人】刘德福, 佘亦曦, 严日明
【申请人】中南大学
【公开日】2015年9月30日
【申请日】2015年7月10日