|
Реферат: Технология изготовления волоконнооптических световодов для передачи изображения (Технология)
1. Введение
Волоконная оптика - раздел оптики, рассматривающий распространение
электромагнитных волн оптического диапазона по световодам - оптическим
волокнам. Конструкция отдельно взятого оптического волокна достаточно
проста. Сердечник из оптически более плотного материала окружен оболочкой с
меньшим коэффициентом преломления и все это покрыто защитной оболочкой
(рис.1). Оптическое волокно - типичный диэлектрический волновод
электромагнитных волн.
Когда поток света пересекает границу раздела двух сред с показателями
преломления n1 и n2 то, как известно, наблюдаются два явления: преломление
и отражение. Если световой поток пересекает границу раздела со стороны
оптически более плотной среды, то угол преломления больше угла падения. С
ростом угла падения преломленный луч будет прижиматься к границе раздела.
И, наконец, при определенном угле падения, называемом критическим,
преломленный луч начнет скользить вдоль поверхности раздела. При углах
падения, больших критического, преломленный световой поток отсутствует (в
идеализированном случае), поверхность раздела приобретает свойства зеркала
- вся переносимая лучом энергия остается в отраженном потоке. Это явление
носит название полного внутреннего отражения (рис.2). На эффекте полного
внутреннего отражения построены все оптические волокна. Условно оптическим
волокном называют световоды, диаметр которых менее 0.5 мм.
Традиционные проводные линии, коаксиальные кабели, СВЧ волноводы -
все они требуют дорогих и дефицитных материалов, по меньшей мере, меди. Для
изготовления стекловолокна нужны окислы кремния - самые распространенные на
Земле вещества. Волокна из прозрачных пластиков также почти не нуждаются в
редких материалах. Таким образом, источники сырья для производства
световолокон практически не ограничены. К этому следует добавить, что по
диаметру оптические кабели существенно меньше металлических. Материалы
оптических кабелей не подвержены коррозии и экологически безопасны.
Волоконно-оптические кабели не восприимчивы к помехам со стороны
электромагнитных полей радиодиапазонов, и сами не создают таких помех.
Поэтому в плане электромагнитной совместимости - это идеальные средства
передачи информации. Столь же совершенны они и по электробезопасности,
поскольку переносимые в них мощности очень малы.
Для того чтобы передать свет на некоторое расстояние необходимо
сохранить его мощность. Снизить потери при его передаче можно, во-первых,
обеспечив достаточно оптически прозрачную среду распространения, тем самым,
сведя к минимуму поглощение волны, и, во-вторых, обеспечить правильную
траекторию движения луча. Первая задача в настоящее время решается с
помощью применения высокотехнологичных материалов, таких как чистое
кварцевое стекло. Вторая задача решается с помощью закона оптики,
описанного выше.
И сердцевина, и оболочка изготавливаются из стекла или пластика.
Наиболее часто (вследствие лучших характеристик) используется оптоволокно
типа "стекло-стекло", когда сердцевина и оболочка изготавливаются из
особого кварцевого стекла. Понятно, что стекло, используемое для оболочки,
должно иметь меньший показатель преломления, чем для сердцевины. Показатель
преломления стекла регулируется с помощью легирующих добавок. В оптических
волокнах показатели преломления сердцевины и оболочки различаются на
величину порядка 1%.
Затухание в световоде, то есть потеря мощности светового сигнала
происходит, в основном, по двум причинам: поглощение и рассеивание.
Поглощение связано с возбуждением в материале световода электронных
переходов и резонансов. В результате этого увеличивается тепловая энергия,
накапливаемая в оптическом волокне. Поглощение зависит как от свойств
материала, из которого изготавливается оптоволокно, так и от длины волны
источника света.
Рассеивание меньше зависит от свойств материала и, в основном,
определяется нарушением геометрической формы оптического волокна.
Следствием этих нарушений является то, что часть лучей покидает
оптоволокно. Интенсивность рассеивания зависит не только от качества
материала, из которого изготавливается сердцевина волокна, но и от качества
оболочки, так как часть сигнала, вопреки геометрической оптики,
распространяется в ней (это явление связано с квантовой природой света).
Бороться с этим можно за счет нанесения на оболочку поглощающего покрытия.
Гибкие жгуты волокон используются для передачи изображения и света по
протяженному каналу. Область применения - медицинские и технические
эндоскопы, предназначенные для визуального наблюдения внутренних органов
человека и животного, а также при осмотре деталей конструкций, находящихся
в труднодоступных местах (например, двигатели самолетов и автомобилей).
Жгуты для передачи изображения имеют (ориентировочно) следующие размеры:
|Диаметр жгута, мм |5-100 |
|Диаметр единичного волокна, мкм |2-500 |
|Длина жгута, мм |100-5000 |
Принципиальная схема передачи изображения весьма проста: свет,
отраженный от предмета, попадает на вход светопроводящего жгута,
распространяется по нему и выходит с противоположного конца к приемнику
излучения (например, глазу человека) (рис .3).
Диаметр волоконной жилы может быть весьма мал, т.к. явление
прохождения света через стержень принципиально не меняется до тех пор, пока
диаметр не станет сравнимым с длинной световой волны - в таком случае
законы геометрической оптики теряют силу, и в значительной мере начинают
проявляться волновые свойства света (дифракция). Проходя через оптоволокно
диаметром 50 микрон, свет может претерпевать от 3000 до 20000 отражений на
метр, следовательно, для обеспечения высокого светопропускания необходима
гладкая поверхность и высокая прозрачность среды световода, а так же
прилегающей к нему среды.
Для передачи изображения необходима плотная укладка волокон в жгуты.
Если при этом два соседних волокна расположены на расстоянии менее
полуволны проходящего света, то свет может просачиваться из одного волокна
в соседнее (рис. 4).
Плотно расположенные в жгуте волокна соприкасаются друг с другом, и
просачивание света наблюдается не только на самой линии контакта волокон,
но и в области, где расстояние между ними меньше половины волны.
Просачивание света значительно ухудшает контраст изображения и понижает
разрешающую силу световода и прибора в целом. Для предупреждения
просачивания света волокна необходимо изолировать друг от друга тонкой
оболочкой из прозрачного материала с меньшим показателем преломления, чем у
волокон (именно с этой целью на жилу волокна наносится оболочка с близким
значением показателя преломления). Такая оболочка должна обеспечить
гладкость и чистоту поверхности светопроводящей сердцевины волокна,
необходимые для исключения световых потерь при полном внутреннем отражении.
Изолированные волокна можно вытягивать из цилиндрической заготовки с
сердцевиной из стекла с высоким показателем преломления и оболочкой
толщиной 1-2 микрона из стекла с низким показателем преломления. Так же для
предотвращения просачивания на волокно можно нанести тонкий слой металла.
В многожильных световодах удобно применять стеклянные волокна,
изолированные друг от друга специально подобранной пластической изоляцией.
Многожильные волокна обладают хорошими механическими свойствами (гибкость,
прочность). С помощью таких многожильных светопроводящих кабелей
достигается большая разрешающая сила:100-200 и более линий на миллиметр.
Светопропускание современных оптических волокон составляет не менее
90% на метр, а поглощение не боле 0.1% на метр. Число светопроводящих жил
световода зависит от требуемой разрешающей силы прибора. Необходимо так же
отметить, что в жгутах хорошего качества свет, вошедший через боковые
поверхности, может уйти только через поверхности, параллельные оси волокна,
т.е. свет, вошедший не со стороны входного торца световода, не может
покинуть световод через наблюдаемый (выходной) торец. Такой свет не создаёт
дымку рассеянного света на выходе, которая ухудшает полученное изображение.
Приведенный факт не относится к жгутам с шероховатой поверхностью волокон,
жгутов, торцы которых не перпендикулярны волокнам и для конических жгутов.
Борьба с рассеянным светом не является основной проблемой при создании
волоконных систем для передачи изображения (тем более, что от внешнего
рассеянного света жгут предохраняет непрозрачное покрытие ).
2. Общая схема технологического процесса.
Первым этапом в процессе изготовления световодов является определение
подходящих по ряду параметров материалов, из которых в дальнейшем будет
изготовлен световод. Для любых типов световодов необходимы материалы
высокой степени однородности с максимально гладкой поверхностью раздела
сердцевины и оболочки. Материал оболочки должен хорошо прилипать к
сердцевине волокна. Эти два требования предотвратят чрезмерные потери света
при рассеивании и при выходе света за пределы волокна. Прозрачные пластики
вследствие наличия структуры рассеивают свет, что делает их не вполне
пригодными для световодов большой длины, которая, правда, не характерна для
волокон, передающих изображение. Хорошим материалом для оболочки и
сердцевины является стекло, имеющее одно очень важное преимущество перед
другими материалами - возможность широко выбора показателя преломления при
помощи легирования стекла на стадии выплавки. Длина пути света в световоде
больше, чем в оптических приборах, следовательно, необходимо стекло высокой
прозрачности без вкраплений инородных материалов и пузырей воздуха. Высокая
прозрачность стекла не всегда совместима с высоким показателем преломления:
в последнем случае стекло носит желтоватый оттенок. В видимой области
спектра, а именно этот диапазон оптического излучения рассматривается при
переносе изображения по световоду, стеклянное волокно длиной 2 метра
пропускает около 50 % света, падающего на торец жгута или около 80 %
света, прошедшего в световод. Разность этих величин обусловлена
экранированием части сечения жгута изолирующими оболочками волокон и
отражением света от торца жгута. Последняя проблема может быть решена
нанесением на входной торец жгута просветляющей пленки, аналогичной той,
что используют при просветлении оптики. Первая же проблема решается путем
уменьшения толщины внешней оболочки отдельного волокна (на толщину
распространяется полуволновое ограничение).
Основными материалами являются кристаллический кварц и кварцевое
стекло - различные формы оксида кремния (SiO2). В кварцевом стекле оксид
кремния находится в аморфной форме и поэтому он не растрескивается при
резком перепаде температур, как кристаллический кварц, имеет чрезвычайно
низкий коэффициент температурного расширения и теплопроводности. В отличие
от обычного стекла, которое состоит из смеси различных компонент, кварцевое
стекло состоит только из оксида кремния, а количество примесей других
химических элементов чрезвычайно мало. Это приводит к тому, что кварцевое
стекло обладает широким спектром пропускания (через стёкла из кварца можно
даже загорать), малым поглощением света (обычное оконное стекло поглощает
столько же света, сколько и кварцевое стекло толщиной в 100 метров),
высокой оптической гомогенностью (однородностью), стойкостью к ионизирующим
излучениям и лазерному излучению высокой интенсивности, низким
коэффициентом температурного расширения (примерно в 20 раз меньше по
сравнению с обычным стеклом), высокой рабочей температурой (более 1200 оС,
что в 4 раза больше, чем для обычного стекла). Спектр оптического
пропускания синтетического кварцевого стекла Suprasil 300, оптического
стекла BK 7 и обычного стекла представлены на рис.5. Спектр видимого света
лежит примерно в пределах от 380 нм до 760 нм.
рис.5 Всё это обуславливает широкое применение
кварцевого стекла в оптике.
Вторым этапом производства оптоволокна является определение метода
изготовления световода из выбранных материалов. Технологический процесс
изготовления световодов на основе кварцевого стекла делится на два этапа.
Первый этап - получение заготовки, которая представляет собой стеклянный
стержень длиной порядка метра и диаметром около 10-20 мм. Второй –
вытягивание световода из заготовки. Для этого существует несколько
способов, каждый из них имеет свои преимущества и недостатки. Способы
позволяют получить различный профиль показателя преломления. Волокна для
передачи изображения передают не дискретные импульсы, по этой причине
следует выбрать метод, позволяющий получить ступенчатый показатель
преломления (рис.6). Наиболее простой и хорошо отработанный путь –
вытягивание волокон по методу двойного тигля, который подробно рассмотрен
ниже. Вытянутое волокно наматывается на барабан, затем производится
перемотка, в процессе которой волокно укладывается определенным образом в
световодный жгут. На каждом отдельном этапе производится контроль
параметров заготовки.
Особым образом обстоит дело с проверкой прочности световодов.
Рассчитаны определенные стандартные усилия, при которых волокно не должно
рваться. Казалось бы, достаточно просто перемотать волокно под нагрузкой,
взятой с запасом. Порвалось - плохое, не порвалось - хорошее, можно
использовать при меньших нагрузках. Однако не все так просто. Дело в том,
что те дефекты, например трещины, которые до испытания не привели бы к
порче волокна, могли развиться при тестировании, и при следующем приложении
даже меньшей нагрузки волокно может порваться. Прогнозировать рост трещин
весьма непросто, так как он зависит от среды, в которой находится волокно,
и от механических нагрузок (в частности изгибов). Так что стопроцентную
гарантию на волокно дать невозможно. Вообще, прямые испытания устойчивости
свойств и надежности волокна провести трудно. Невозможно, например, оценить
самопроизвольные изменения прозрачности, если характерный период таких
изменений составляет порядка десяти лет. Чтобы решить эту проблему,
световоды выдерживают при повышенной температуре, ускоряя старение.
Пристального внимания требует чувствительность незащищенного волокна к
водяному пару. Это критическое свойство было обнаружено очень скоро после
налаживания выпуска оптического волокна, но было также обнаружено и
противодействие ему: непосредственное покрытие световода защитной пленкой
толщиной несколько микрометров непосредственно в процессе вытягивания
волокна. Эта защитная оболочка, в основном состоящая из полимера, полностью
защищает световод. Она повышает также механическую прочность световода и
его упругость. Кроме того, обеспечивается постоянство параметров при
неблагоприятных окружающих условиях; без защитной оболочки они снижаются
через несколько часов или дней.
Необходимо, конечно, принимать меры защиты в тех случаях, когда
несколько световодов объединяются в одном кабеле, который в дальнейшем
будет изгибаться и скручиваться. Это случается при намотке на барабан и при
укладке. Конструкция кабеля должна быть такой, чтобы устранить механические
перегрузки световода. Но опасно не только разрушение волокна, но и
микроизгибы. Они возникают, когда светопроводящие волокна лежат на
шероховатой поверхности при наличии растягивающей силы, и могут вызывать
дополнительные световые потери. Это явление можно наблюдать в
демонстрационном опыте, когда к светопроводящему волокну, туго, виток к
витку намотанному на барабан, подводится видимый свет, например от He—Ne
лазера. Весь барабан при этом излучает яркий красный свет, что указывает на
световые потери, вызванные микро изгибами. Чтобы уменьшить механические
нагрузки на волокна, был опробован ряд решений. Отдельные проводники
свободно укладываются в поперечном сечении кабеля; в процессе изготовления
кабеля следят за тем, чтобы волокна были несколько длиннее, чем кабель. При
этом световоды лежат свободно в тонких гибких трубках или на них
накладывается пористая изоляция. Слабым местом является оболочка волокон со
ступенчатым показателем преломления. Ее показатель преломления, который
лишь ненамного меньше показателя преломления сердечника, может в
неблагоприятных случаях увеличиться при низких температурах, что вызовет
нарушение условия полного внутреннего отражения и соответственно появятся
дополнительные потери на излучение.
Оптическое волокно по своей физической природе является очень
маленьким волноводом. В среде, свободной от напряжений и внешних сил, этот
волновод будет проводить свет, инжектированный в него с минимальными
потерями, или затуханием. Для изоляции волокна от таких внешних сил были
разработаны два вида первых уровня защиты: свободный буфер и плотный буфер.
В конструкции со свободным буфером волокно расположено в пластиковой
трубке с внутренним диаметром, который значительно больше, чем само
волокно. Внутреннее пространство трубки обычно заполняется гелем. Свободный
буфер изолирует волокно от внешних механических сил, воздействующих на
кабель. Для многоволоконных кабелей количество таких трубок, каждая из
которых содержит одно или несколько волокон, сочетается с элементами
жесткости для предотвращения напряжения волокон и для уменьшения растяжения
и взаимного влияния.
Другая техника защиты волокна - плотный буфер, - использует
непосредственную экструзию (выдавливание) пластика вокруг базового покрытия
волокна. Конструкции с плотным буфером способны выдерживать намного более
сильные ударные и давящие нагрузки без повреждения волокна. Однако
конструкции с плотным буфером обеспечивают более низкую защиту волокна от
напряжений и изменений температуры. Будучи относительно более гибким, по
сравнению со свободным буфером, плотный буфер, если установлен с резкими
изгибами и перекручиванием, вызывает оптические потери, превышающие
номинально допустимые вследствие микроизгибов.
Более совершенной конструкцией с плотным буфером является "гибридный"
или "композитный" кабель. В композитном кабеле волокно в плотном буфере
окружено арамидным волокном и оболочкой. Такие одноволоконные элементы
затем покрываются общей оболочкой, которая и формирует композитный кабель.
Каждая из описанных конструкций имеет свои преимущества и недостатки.
Свободный буфер обеспечивает более низкое затухание сигнала при
распространении его по кабелю вследствие минимальной концентрации
микроизгибов и высокий уровень изоляции от воздействия внешних сил. При
длительном механическом напряжении свободный буфер обеспечивает более
стабильные передающие характеристики. Конструкция с плотным буфером
обеспечивает меньшие размеры, более легкий вес при одинаковой конфигурации
волокна и, в общем случае, дает более гибкий, изломоустойчивый жгут.
Если оптоволоконный жгут должен иметь высокую подвижность, то его
защитная оболочка может быть выполнена из нержавеющей стали или пластика в
форме гибкого кольцевого шланга (наподобие душевого). Жгут так же может
иметь жестко фиксированную форму. В этом случае форма и материал корпуса,
содержащего волокна, определяются условиями эксплуатации.
Не зависимо от области применения оптоволоконные изделия нуждаются в
механической защите. Превышение нормальных нагрузок для кабеля при монтаже
может поставить волокно в состояние растяжения. Уровни механического
напряжения могут вызывать потери на микроизгибах, что приводит к увеличению
затухания и всевозможным эффектам усталости материала. Для обеспечения
выдерживания подобных нагрузок, что обеспечивает простоту и скорость
монтажа, а также длительную эксплуатацию, к конструкции волоконно-
оптического жгута добавляются различные внутренние элементы жесткости.
Такие элементы жесткости предохраняют волокна от напряжения, минимизируя
растяжение и взаимное влияние, возможно уменьшая при этом гибгость жгута. В
некоторых случаях они служат и как термостабилизирующие элементы. Запас
растяжения у оптического жгута очень небольшой - до момента облома волокна,
поэтому элементы жесткости должны обладать низкой степенью растяжимости при
ожидаемых силах растяжения. Сопротивляемость ударам и давлению, гибкость и
скручиваемость являются другими механическими факторами, влияющими на выбор
элементов жесткости. Элементы жесткости, которые наиболее часто
используются в волоконно-оптических кабелях - это арамидное волокно,
стекловолоконные эпоксидные пруты и стальные проволоки. Относительно
единицы веса арамидное волокно в пять раз прочнее стали. Оно и
стекловолоконные эпоксидные пруты часто являются выбором, когда требуется
полностью диэлектрическая конструкция. Следует выбирать сталь или
эпоксидные пруты, когда требуется работа при низких температурах, так как
они обладают лучшей температурной стабильностью.
Определение количества волокон в кабеле зависит от сферы применения
будущего изделия. Внутри жгута волокна могут располагаться свободно
относительно друг друга (за исключением концов жгута) - в таком случае жгут
называется весьма гибким.
Для изготовления жгутов удобны волокна диаметром 50 микрон. Такие
волокна достаточно прочны; укладка таких волокон относительно несложна.
Более тонкие волокна ломаются при регулярной укладке.
Входные и выходные торцы уложенного жгута спекаются и полируются таким
образом, что бы они были строго параллельны между собой и параллельны
любому сечению распрямленного жгута. Жгут свободных гибких волокон может
иметь торцы различной конфигурации. Конфигурация одного торца жгута может
быть преобразована в любую другую на другом конце (можно преобразовать круг
в линию и наоборот).
Если жгут не предназначен для передачи идентичного изображения, то
целесообразно применять жгут с произвольной укладкой волокон из-за их
значительно меньшей стоимости. При необходимости входной торец жгута может
быть отшлифован по форме неплоской поверхности, изображение которой желаем
передать. Противоположный конец жгута можно при этом оставить плоским.
В тех случаях, когда внешний рассеянный свет (“шум”) вреден, можно
применять поглощающие красители, веденные в оболочку волокон. Естественно,
что ведение светопоглощающего красителя ухудшает светопропускание
световода.
Порядок укладки волокон может быть различным (рис.7): гексагональная
укладка, квадратная укладка, ромбическая укладка, укладка волокон в ряд,
либо несколько рядов. Порядок укладки на входе и выходе может не совпадать.
При получении изображения наблюдаемого предмета порядок укладки
определяется требуемой разрешающей способностью прибора. Максимальному
разрешению соответствует максимальная плотность укладки волокон.
3.Поэтапное описание технологии.
3.1Выбор и описание материалов
3.1.1 Выбор материала сердечника и прозрачной оболочки волокна.
Рис. 8 Зависимость показателя преломления бинарной стеклообразующей системы
В2О3 - SiO2 от молярной доли оксида кремния М(SiO2):
Рис. 9 Зависимость показателя преломления плавленого кварца от молярной
доли оксида германия М(GeO2):
Из большинства видов стекол самым низким поглощением в видимой области
спектра обладает плавленый кварц - при условии высокой степени очистки и
гомогенности (однородности по составу). Значительные преимущества кварца
обусловлены малыми внутренними потерями на рассеивание. Высокая температура
плавления кварца (1610 С при быстром нагреве, 1720 С при медленном), с
одной стороны, требует специальной технологии для изготовления оптического
волокна, а с другой - помогает избавиться от различных примесей, которые
испаряются при более низких температурах. Стекла, применяемые для
изготовления световодов (сердцевины и оптической оболочки), различаются
показателями преломления n. В кварц (показатель преломления n = 1,4585 на
длине волны 0,589 мкм) добавляется оксид бора (n = 1,4585 на длине волны
0,589 мкм), снижающий показатель преломления (рис.8). Полученный материал
может быть применен в качестве оболочки оптоволокна. Длительный отжиг
(термическая обработка стекла, придающая необходимые свойства)
боросиликатного стекла приводит к увеличению n. Этот материал используется
для изготовления сердечника. Другой способ понизить показатель преломления
плавленого кварца - добавить в него фтор. В отличие от метастабильного
характера изменения этого показателя у чистого боросиликата, снижение его у
боросиликатного стекла с добавкой фтора - внутреннее свойство атомов фтора
в матрице SiO2. Разность показателей преломления чистого SiO2 и материала с
добавкой фтора увеличивается линейно с повышением молярной концентрации
фтора вплоть до нескольких процентов. Показатель преломления кварца
уменьшается на 0,2% при изменении молярной концентрации фтора на 1%. При
этом оптические свойства кварца не ухудшаются. Фторирование кварца
позволяет уменьшить рассеивание Рэлея и минимизировать волновые потери.
Однако легирование фтором увеличивает вероятность возникновения трещин и
уменьшает прочность стекла, а, кроме того, делает кварц более
чувствительным к диффузии водорода.
Все другие добавки к плавленому кварцу - такие, как GeO2 (рис.9), P2O5,
TiO2, Al2O3, Sb2O3 приводят к увеличению показателя преломления по
сравнению с чистым кварцем без ухудшения его оптических свойств. Молярные
доли этих оксидов в кварце могут меняться в пределах от 1 до 15%.
Показатель преломления увеличивается на 0,001 при увеличении молярной доли
GeO2 на 1%. При 20-процентной молярной концентрации двуокиси германия
показатель преломления увеличивается на 1,5%.
Кварц с добавкой германия, который может быть использован в качестве
материала сердцевины оптоволокна , имеет широкое окно прозрачности почти до
1,7мкм (рис.5).
Более предпочтительным в качестве легирующего материала (как более
дешевого) является фосфорный ангидрид Р2О5. При добавлении к плавленому
кварцу Р2О5 для образования бинарного стекла внутреннее поглощение
материала и рэлеевское рассеяние увеличиваются весьма незначительно.
Фосфорный ангидрид сублимируется (переходит из твердого состояния в
газообразное, минуя жидкое) при температуре 300 С , гигроскопичен (способен
поглощать влагу из воздуха) и имеет температурный коэффициент линейного
расширения почти в 25 раз больше, чем у плавленого кварца. Однако он
образует с кварцем устойчивое бинарное стекло, тепловое расширение которого
сравнимо с тепловым расширением чистого кварца при молярных концентрациях
Р2О5 вплоть до 25%. Полученное стекло не проявляет почти никакой тенденции
к ликвации - разделению однородного жидкого расплава на составляющие при
остывании. Оно также устойчиво к воздействию воды (не гигроскопично).
Показатель преломления фосфоросиликатного стекла увеличивается линейно (во
всяком случае, для небольших содержаний оксида фосфора) с увеличением
концентрации Р2О5. Начальный прирост показателя преломления при изменении
молярной концентрации Р2О5 на 1% составляет 0,043%. Вязкость и
температурный коэффициент линейного расширения P2O5 и SiO2 различаются, и
это ограничивает количество фосфорного ангидрида, которое может быть
введено в плавленый кварц для изготовления оптоволокна. При добавлении в
массу кварца 1% TiO2 показатель преломления увеличивается почти на 0,026%.
Двойная стеклообразующая система с добавкой в плавленом кварце хороша тем,
что титан может входить в матрицу стекла с различными степенями ионизации.
Причем некоторые из них обладают заметным поглощением в спектральной
области, представляющей рабочий интервал оптоволокна. Добавка Ti3+ особо
сильный поглотитель, и ее трудно окислить полностью. Необходима специальная
термическая обработка титана при наличии воды и температуре ниже точки
плавления стекла, которая приводит к образованию двуокиси титана и
водорода.
Для повышения показателя преломления можно использовать оксид алюминия,
потери на рассеивание у которого ниже, чем у двуокиси германия. К тому же
оксид алюминия (Al2O3) очень стойкий в противоположность оксиду германия
GeO2, который может образовывать летучие продукты GeO и GeCl4.
Оксид алюминия весьма стабилен, поэтому высока эффективность введения его в
стекло. При изготовлении заготовки менее чувствительны к воздействию
парциального давления кислорода и хлора, нежели стекло с добавками GeO2.
Стекло, легированное Al2O3, обладает более низким значением вязкости, что
ускоряет процессы затвердевания.
Легирование кварцевого стекла оксидом сурьмы не только позволяет получить
большее возрастание показателя преломления на 1 моль легирующей добавки по
сравнению с GeO2. При этом также снижается возможность образования
кристаллической фазы, даже если относительный показатель преломления до и
после введения Sb2O3 отличается более чем на 1,6%. Для GeO2 это значение не
превышает 1,5%.
Чистота исходных веществ, применяемых для изготовления стекла, в
значительной степени определяет его высокое качество по всем контролируемым
параметрам. В случае с оксидными стеклами, к которым относится и кварцевое,
основные потери связаны с поглощением ионами переходных металлов (ванадия,
железа, хрома, меди, кобальта, никеля, марганца), а также гидроксильными
группами.
Гидроксильные группы OH являются основной примесью в кварцевых стеклах,
которая приводит к значительным потерям. Причина - реакция групп OH с
водородом, содержащимся в атмосфере. Особенно большие потери возникают на
длине волны 0,95 и 1,4 мкм, т.е. вне видимого спектра. Слабые полосы
поглощения появляются на длинах волн 0,725 и 0,825 мкм. Снижения потерь в
стекле можно добиться, уменьшая содержание гидроксильных групп до
нескольких десятков миллиграмм на килограмм.
Влияние гидроксильных групп особенно заметно в кварцевых стеклах,
легированных двуокисью германия, содержащих примеси алюминия и натрия,
достигающих в натуральном кварце 1015 частиц на миллион, а в синтетическом
менее 3 частиц на миллион. В кварцевом стекле, легированном P2O5 и GeO2,
присутствие группы OH приводит к увеличению потерь пропорционально
концентрации P2O5.
Тройные или более сложные стеклообразующие системы такие, как
натрийкальцийсиликатное и натрийборосиликатное стекло, имеют низкие
температуры плавления: натрийкальцийсиликатное стекло (Na2O, CaO, SiO2)
1400°C; щелочносвинцовое стекло (Na2O, PbO, SiO2) 1400°C;
натрийалюминийсиликатное стекло (Al2O3, Na2O, SiO2) 1450°C;
натрийборосиликатное стекло (Na2O, B2O3, SiO2) 1250°C. Эти стекла обладают
также более высоким показателем преломления и могут быть модифицированы для
получения материала с низким показателем преломления (для оптической
оболочки). Показатели преломления натрийборосиликатного стекла можно
уменьшить на 3%, натрийкальцийсиликатного на 4%, щелочносвинцового
силикатного почти на 10%. При этом все модификации согласуются между собой
по остальным свойствам и могут использоваться как материалы для сердцевины
и оптической оболочки волоконно - оптических световодов.
Недостаток низкоплавких многокомпонентных стекол - большая
вероятность загрязнения по сравнению с плавким кварцем. Это затрудняет их
очистку от примесей для снижения показателя поглощения и рассеивания. Из-за
низких температур при размягчении и плавлении возможно загрязнение стекла
на всех стадиях производства.
Для формирования многокомпонентных оптоволокон необходимо подобрать пару
стекол для сердцевины и оптической оболочки, которые удовлетворяли бы
следующим требованиям:
1) Минимальные диффузионные процессы на границе раздела пары стекол,
которые достигаются путем уравновешивания их состава по роду и концентрации
щелочных оксидов. Это позволит максимально сохранить исходные значения
показателя преломления каждого стекла из пары.
2) Максимальная совместимость пары стекол, когда на границе их раздела при
вытягивании волокна и возможных последующих термообработках не возникают
новообразования, газовые пузырьки и ликвация.
3) Низкотемпературное плавление при 1250-1350 С высокочистой гомогенной
шихты в тигле из чистого кварцевого стекла при минимальном его растворении
расплавом, особенно стекла сердцевины.
Итак, в большинстве случаев предпочтительно применять кварцевые
стекла, поскольку они обладают рядом преимуществ. При этом двуокись кремния
как составная часть может быть получена с очень высокой степенью чистоты.
Требуемые пары подбираются исходя из экспериментальных данных, условий
эксплуатации и конечной стоимости изделия.
Качество очистки силикатного стекла (SiO2), применяемого в настоящее
время в оптических волокнах с малыми потерями, приближается к
принципиальному пределу, обусловленному свойствами самого стекла. Этот
успех в результате выявления и устранения всех факторов, обусловливающих
оптические потери. Концентрации таких включений, как медь, железо и
ванадий, были снижены до нескольких долей на миллиард частиц. Концентрация
загрязнения водой и гидроксогруппой (ОН) были уменьшены почти до столь же
низкого уровня. Допуски сердцевины выпускаемых сейчас волокон на размеры и
степень отклонения от кругового сечения меньше, чем один микрон на многие
километры длины. Пузырьки и дефекты поверхности по существу устранены.
Существуют окислы, называемые структурными модификаторами, которые
необходимы для того, чтобы изменять основные свойства стекла, такие, как
показатель преломления, тепловое расширение, коэффициент абсорбции
(характеризует способность некоторого твердого вещества захватывать другое
вещество из раствора или смеси газов; захват производится во всем объеме
поглотителя - абсорбента) и точка плавления. Некоторые наиболее общие типы
стекол и их композиции представлены в таблице:
|Структурная форма |Структурный |Структурная форма |Структурный |
| |модификатор | |модификатор |
| |(легирующая | |(легирующая |
| |добавка) | |добавка) |
|SiO2 |K2O |Al2O3 |CaO |
|B2O3 |MgO |Na2O3 |PbO |
В следующей таблице представлены вещества, используемые в методах
осаждения, конечные продукты и соотношения между показателями преломления:
|Композиция (исх. в-ва) |Структура (состав стекла)|Показатель преломления |
|SiCl4, O2 |SiO2 |No |
|GeCl4, O2 |GeO2 |N>No |
|POCl3, O2 |P2O5 |N>No |
|BCl3,O2 |B2O3 |N1 Следовательно можно говорить о технологичности детали.
Фактическое значение показателя технологичности можно увеличить за счет
снижения номенклатуры видов обработки, унификации конструктивных элементов,
уменьшения точности обработки и использования более рациональных размерных
баз.
3 Анализ типа производства
Проектирование технологического процесса, выбор средств оснащения,
контроля, испытаний зависит от типа производства.
Согласно ГОСТ 3.1108-79 ЕСТД тип производства характеризуется
коэффициентом закрепления операций:
О
Кз.о. = ,
Р
где О – количество различных операций;
Р – количество рабочих для выполнения различных операций.
Значение Кз.о. принимается для планового периода, равного одному
месяцу, следующих типов производства:
1) массового Кз.о.= 1;
2) крупносерийного 1 < Кз.о.< 10;
3) среднесерийного 10 < Кз.о.< 20;
4) мелкосерийного 20 < Кз.о.< 40.
На ранних стадиях проектирования технологического процесса и при
использовании изделий – аналогов можно применять другую методику расчета
коэффициента закрепления операций:
Тв
Кз.о. = ,
t шт.ср.
где Тв – такт выпуска;
t шт.ср. – среднее штучное время для выполнения операции
обработки, сборка единицы продукции.
Такт выпуска рассчитывается по формуле:
60 ( Fд
Тв = (мин/шт),
N
где Fд – действительный годовой фонд времени работы станка или
рабочего места;
N – годовая программа выпуска изделия.
Для серийного производства в технологическом процессе необходимо
рассчитать размер партии одновременно запускаемых в производство изделий:
N ( a
Пп = (шт),
F
Где N – годовая программа выпуска деталей;
а – количество дней, на которые необходимо иметь запас деталей;
F – количество рабочих дней в году.
В некоторых конструкциях детали повторяются в различных количествах,
поэтому тип производства следует определять для каждой детали отдельно.
Производство делится на единичное, серийное и массовое в зависимости
от программы выпуска.
Серийное производство предусматривает изготовление изделий серийными
партиями. Серийное производство характеризуется следующим: операции
закрепляются за определенным оборудованием, частично используется
универсальная оснастка и частично специальная, применяется групповой метод
обработки деталей и узлов; не требуется высокая квалификация рабочих;
возможна механизация процесса; снижается себестоимость изделия, в наличии
межоперационные склады.
4 Выбор метода изготовления детали
Деталь «Головка» изготавливается из латуни ЛС 59 – 1 методом
холодной объемной штамповки (холодной высадки). Латунь достаточно
пластичный материал и хорошо поддается обработке данным методом. Холодная
высадка производится на холодновысадочном автомате АА1219. Данный метод
обеспечивает 14 квалитет.
Пруток латуни (2) (Рис 2) длиной 6 метров подается прерывисто
вращающимися желобчатыми роликами (1) через отверстие отрезной матрицы (6)
до упора (7). При движении ножа (8) штучная заготовка отрезается от прутка
и специальным захватом переносится на ось штамповки. При движении пуансона
(5) к матрице (4) заготовка заталкивается в нее до упора в выталкиватель
(3), после чего высаживается головка изделия. При обратном ходе пуансона
выталкиватель выбрасывает высаженное изделие из матрицы.
После формовки в детали сверлятся сквозное осевое отверстие и два
перпендикулярных оси. Сверление производится на сверлильном станке модели
2212 спиральными сверлами из быстрорежущей стали.
Далее на токарно-винторезном станке модели Т-4 производится снятие
торцевых фасок с помощью подрезного–отогнутого резца (ГОСТ10224-62) и
рифление накатным роликом с шагом накатки 0,6мм.
5 Определение размеров заготовки
При проектировании процесса изготовления детали важным вопросом
является выбор наиболее рациональной заготовки. От выбора заготовки, т.е.
установления метода ее получения, формы, величины припусков и т.д. зависит
объем последующей механической обработки и все последующие трудовые и
финансовые затраты на изготовление заготовок, приближение их по форме и
размерам к готовым деталям. В машиностроении применяются в качестве
заготовок: отливки, поковки, штамповки, сортовой прокат. Механические
свойства отливок, поковок и штамповок значительно отличаются друг от
друга, поэтому при проектировании вид заготовки каждой детали определяется
конструктором по согласованию с технологами механических и заготовительных
цехов. В ряде случаев, когда можно применять различные виды заготовок,
выгоднейшее решение получают путем составления себестоимости конкурирующих
вариантов. Выбор заготовки зависит от материала, размеров и формы детали,
условий работы деталей в изделии, а так же масштаб производства.
В качестве заготовки для изготовления детали «Головка» применяются
горячекатаные прутки латуни ЛС59-1 диаметром 8 мм. Основным недостатком
сортового проката является большое поле допуска по размерам, что вызывает
необходимость дозирования заготовки по объему. Заготовки перед
выдавливанием полости требуют калибровки по диаметру. Калибровка
горячекатаного прутка обеспечивает необходимую точность заготовки по
поперечному сечению и улучшает качество поверхности материала. В связи с
использованием однопозиционного холодновысадочного автомата АА1219 с
цельной матрицей предварительная нарезка прутка на заготовки не требуется.
Выбор правильного базирования детали на станках – ответственный
этап при проектировании технологического процесса обработки детали.
Базами являются поверхности, линии, точки и их совокупности,
служащие для ориентации детали на станках, для расположения детали в узле,
для измерения детали. Различают технологические и конструктивные базы.
Технологические базы разделяются на установочные и измерительные.
Установочные базы – поверхности детали, служащие для установки
детали на станке и ориентирующие ее относительно режущего инструмента.
Установочными базами могут быть различные поверхности заготовок (наружные и
внутренние цилиндрические поверхности, центровые гнезда, плоскости,
поверхности зубчатых колес).
Основные установочные базы – это поверхности, которые ориентируют
заготовку на станке и положение детали в узле относительно других деталей.
Вспомогательные установочные базы – это поверхности, которые
используют только для установки детали на станке; они не имеют особого
значения для работы детали в узле.
Конструктивная база – совокупность поверхностей, линий, точек от
которых заданы размеры и положение деталей при разработке конструкции.
Конструктивные базы могут быть реальными (материальная поверхность) или
геометрическими (осевые линии, точки).
Выбирая базирующие поверхности, нужно предусмотреть, чтобы заготовки
при зажиме не деформировались, а также учесть удобство и простоту
обслуживания применяемых в процессе обработки приспособлений.
Для данной детали выбраны центровая и торцевые поверхности.
6 Технологический процесс изготовления детали
6.1 Маршрут изготовления детали
Таблица3
|Наименов. | Рисунок |Оборудование и |
|операции | |инструменты |
|005 | |Штангенциркуль |
|Входной | |ШЦ-II |
|контроль | |ГОСТ 166-80 |
|010 | |Холодновысадочный |
|Холодная | |автомат АА2119 |
|высадка | | |
|015 | |Штангенциркуль |
|Контроль | |ШЦ-II |
| | |ГОСТ 166-80 |
|020 | |Сверлильный |
|Сверление | |станок модели 2212 |
|отверстий | |сверла спиральные с |
| | |цилиндрическим |
| | |хвостовиком |
| | |диаметром 4мм, 1,5мм |
|025 | |Штангенциркуль |
|Контроль | |ШЦ-II |
| | |ГОСТ 166-80 |
|030 | |Токарно-винторезный |
|Снятие | |станок модели Т-4 |
|фасок, | |резец подрезной |
|накатка | |отогнутый |
|рифления | |ГОСТ 10224-62, |
| | |Ролик накатный прямой с|
| | |шагом 0,6мм |
|035 | |Угломер механический |
|Контроль | |ГОСТ 5378-66 |
|040 | |Гальваническая ванна |
|Гальвани- | |ГОСТ 9.306-85 |
|ческое | | |
|покрытие | | |
2. Выбор оборудования и технологической оснастки
Согласно ГОСТ 14301-73 средства технологического оснащения
включают:
- технологическое оборудование (в том числе контрольное
и
испытательное);
- технологическую оснастку (в том числе инструменты и средства
контроля);
- средства механизации и автоматизации производственного
процесса.
Выбор средств технологического оснащения производится с учетом:
- типа производства и его организационной структуры;
- вида изделия;
- возможности группирования операций;
- максимально эффективного применения имеющейся стандартной
оснастки и оборудования;
- равномерной загрузки имеющегося оборудования.
Для изготовления штамповок используется холодновысадочный
однопозиционный двухударный автомат с цельной матрицей АА1219 ГОСТ 12933-
67. Паспортные данные:
- диаметр стержня наибольший 8мм.;
- длина стержня детали наибольшая 80мм.;
- длина стержня детали наименьшая 12мм.;
- длина заготовки наибольшая 100мм.;
- усилие номинальное 50тс.
Для точения фасок и накатки рифления используется токарно-
винторезный станок модели Т-4. Паспортные данные:
- расстояние между центрами 750мм.;
- высота центров 100мм.;
- наибольший диаметр обрабатываемой заготовки 320мм.;
- наибольший продольный ход суппорта 720мм.;
- наибольший поперечный ход суппорта 170мм.
Оснастка:
- резец подрезной отогнутый ГОСТ10224-62;
- накаточный ролик прямой с шагом 0,6мм.
Для сверления отверстий используется сверлильный станок
модели 2212. Паспортные данные:
- наибольший диаметр сверления 12мм.;
- расстояние от торца шпинделя до стола 650мм.;
- наибольший ход шпинделя 235мм.
Оснастка:
- сверло спиральное с цилиндрическим хвостовиком диаметром
4мм. ГОСТ 10902-77;
- сверло спиральное с цилиндрическим хвостовиком диаметром
1,5мм. ГОСТ 10902-77.
3. Определение режимов обработки
Режимы обработки представляют собой совокупность параметров,
определяющих условия, при которых изготавливается деталь. При обработке
резанием в операционных картах проставляется глубина резания t, подача s,
скорость резания v.
Глубиной резания t называется расстояние между обрабатываемой и
обработанной поверхностями заготовки измеренное перпендикулярно к
последней.
Подачей s называется путь режущей кромки инструмента относительно
заготовки в направлении движения подачи за один оборот либо один ход
заготовки или инструмента.
Скорость резания v – расстояние, пройденное точкой режущей кромки
инструмента относительно заготовки в единицу времени.
Для операции снятия фаски выбираем значения из справочника:
t = 1,5 мм, S = 0,4 об/мин, V=49м/мин.
6.4 Нормирование операций технологического процесса
Нормирование технологического процесса состоит в определении Тшт для
каждой операции (при массовом производстве) и штучно- калькуляционного
времени Тшк (при серийном производстве). В последнем случае дополнительно
рассчитывается подготовительно- заключительное время Тп-з.
Величина Тшт представляет собой затраты времени на выполнение
операции и выражается обычно в минутах.
Величина Тшк определяется по формуле:
Тшк = (к (То ,
где (к – коэффициент, зависящий от вида станка и типа производства;
То – основное (технологическое) время, определяемое на основе
установленных режимов обработки по каждому переходу операции.
Подготовительно – заключительное время Тп-з нормируется на партию
деталей и часть его, приходящаяся на одну деталь, включается в норму штучно-
калькуляционного времени (при серийном и единичном производстве). Это время
расходуется на ознакомление с работой, на настройку станка, на консультацию
с технологом и т.д.
Время Тп-з задается по нормативам в минутах.
Для операции сверления продольного сквозного отверстия:
(к = 1,72; То =0,00052dl
где d – диаметр отверстия;
l - длина обрабатываемой поверхности.
Тшк = 1,72(0,00052(4(12,5 = 0,04472
Тп-з = 0,04472 ( 0,093 = 0,0415896
6.5 Выбор методов контроля
К штангенинструментам относятся инструменты со штангой и линейным
нониусом. Все они имеют две шкалы: одна нанесена на штанге с интервалом
деления 1мм., вторая на нониусе, по ней отсчитывают десятые и сотые доли
миллиметра.
Штангенциркуль ШЦ-II ГОСТ 166-80 с ценой деления 0,05 мм. и
пределами измерения до 200 и 320мм. позволяют измерять наружные размеры при
помощи двух пар губок, расположенных выше и ниже штанги. Верхние губки
заострены и могут быть использованы также для разметочных работ. Нижние
губки своей наружной цилиндрической частью измеряют внутренние размеры.
Они имеют суммарную толщину 10 или 9мм. (размер маркируется на губках),
указанная величина должна прибавляться к показаниям шкалы штанги.
Для ускорения и облегчения установки заданного размера, а также для
получения примерно одинакового усилия измерения описываемые штангенциркули
снабжаются узлом микропередачи.
Штангенглубиномер по своему устройству мало отличается от
штангенциркуля. Различие состоит в том, что у него отсутствует неподвижная
губка, а подвижная губка на рамке выполнена в виде плоскости.
В процессе измерения траверса устанавливается на базовую плоскость
детали, а штанга заводится в отверстие, глубина которого измеряется. Отсчет
показаний производится так же, как у штангенциркуля.
Все средства измерения углов можно разделить на одномерные и
многомерные.
Одномерные устройства, к которым относятся угловые плитки, угловые
шаблоны, угольники дают возможность сравнить измеряемый угол с углом меры и
по просвету между ними судить о соответствии проверяемой детали.
Многомерные средства имеют шкалу и нониус, с их помощью можно
измерить величину угла. Сюда относятся угломеры, оптические делительные
головки, микроскопы.
Угломер типа УМ состоит из полудиска с нанесенной на нем градусной
шкалой (от 0( до 90(). Шарнирно с полудиском связана подвижная часть с
нониусом, по которому отсчитываются минуты. Цена деления нониуса составляет
2( или 5(. Одна измерительная поверхность инструмента неподвижно связана с
полудиском, вторая – с подвижным сектором. Имеется также узел
микрометрической подачи.
Угломер указанного типа предназначен для измерения внешних углов и
позволяет измерить углы от 0( до 180(. Для измерения малых углов (до 90()
на подвижный стержень надевается специальный угольник.
Для того, чтобы дать заключение о годности данного размера, нет
необходимости определять его истинную величину. Достаточно установить, что
размер не выходит за пределы допуска. Это можно сделать с помощью калибров.
Калибры – бесшкальные измерительные инструменты, предназначенные
для контроля размеров, формы и взаимного расположения поверхностей. Калибры
дают возможность значительно сократить затраты времени на проверку деталей,
сделать ее доступной любому, даже малоквалифицированному рабочему.
Калибры для гладких цилиндрических изделий подразделяются на
калибры для проверки валов – скобы и кольца и калибры для проверки
отверстий – пробки.
Калибры – пробки состоят в большинстве случаев из стержня с двумя
цилиндрическими головками, являющимися проходной и непроходной стороной
калибра.
Проходная сторона пробки изготовляется по наименьшему предельному
размеру отверстия и должна входить в него. Если она не входит, то размер
отверстия меньше наименьшего предельного. Но этот брак исправимый,
поскольку размер отверстия может быть увеличен последующей обработкой.
Номинальным размером для непроходной стороны является наибольший
предельный размер отверстия. Непроходная сторона не должна входить. Когда
она входит в отверстие, это означает, что его размер больше наибольшего
предельного – изготовлен неисправимый брак.
Внешне проходная сторона отличается большей длиной. Это делается
для того, чтобы пробка лучше центрировалась в проверяемом отверстии и не
перекашивалась. Непроходная сторона обычно короткая, поскольку она не
входит в отверстие.
Для размеров от 1 до 3мм. изготовляют предельные двусторонние
пробки, состоящие из рукоятки с накатанной поверхностью (чтобы пробка не
скользила в руке), на ней снимается лыска для маркировки. В отверстия
рукоятки устанавливаются две цилиндрические вставки (проходная и
непроходная). Они закрепляются канифолью или карбонильным клеем.
Литература
1 Дубинин Н.П. Технология металлов и других конструкционных
материалов. «Высшая школа» М., 1969.
2 Навроцкий Г.А. Холодная объемная штамповка. Справочник.
«Машиностроение» М., 1973.
3 Брюханов А.Н. Ковка и объемная штамповка. «Машиностроение» М.,
1975.
4 Галактионова Н.А. Конструкционные материалы и их обработка.
«Металлургия» М., 1975.
5. Борушек С.С. ЕСКД Справочное пособие. «Издательство
стандартов» М., 1989.
6 Материалы конструкции и технологии РЭА. Методическое пособие.
НПИ 1986.
7 Гутман Т.Н. Технологичность конструкции РЭА. Методическое
пособие. НПИ 1986.
8 Блюмер В.А. Справочник токаря. Лениздат, 1969.
9 Стандарты ЕСКД, СТПП.
-----------------------
[pic]
[pic]
[pic]
| |
