Radar: Het slijpen van ferrietstaafjes

 

Het slijpen van ferrietstaafjes (1954)

 
Begin jaren vijftig probeerde het Physisch Laboratorium metingen te verrichten aan de Faraday-rotatie van microgolven met een golflengte van 1.25 cm (24 GHz). Bij Faraday-rotatie wordt de polarisatierichting van de microgolf gedraaid met een magnetisch veld dat invloed heeft op een tussenliggend medium waar doorheen de golf zich voortplant. Het bijzondere van de Faraday-rotatie is dat de draaiing onafhankelijk is van de richting waarin de elektromagnetische golf (bijv. licht) dat medium doorloopt. Dat mits het magnetische veld dezelfde richting behoudt. De resulterende draaihoek hangt daarbij af van de lengte van het tussenliggende medium en van de sterkte van het magnetische veld.

De lineaire polarisatie van een microgolf treedt op door de dimensionering van de golfgeleider (waveguide). Om de elektromagnetische golven circulair te kunnen polariseren moet men een golfgeleider met cirkelvormige doorsnede gebruiken. Voor de microgolven worden als tussenliggend medium ferrietstaafjes toegepast. Ferriet is een keramish materiaal dat is te magnetiseren. Voor de Faraday-rotatiemetingen waren ferrietstaafjes nodig met zeer nauwkeurig geslepen afmetingen. Hoe dergelijke staafjes gefabriceerd werden wordt hieronder beschreven.

De metingen tussen twee golfgeleiders

Het ferrietstaafje bevindt zich hierbij binnen de golfgeleider waar omheen een spoel is aangebracht om het ferrietstaafje in de lengterichting te kunnen magnetiseren. Tussen golfgeleiders van rechthoekige en van cirkelvormige doorsnede wordt een geleidelijke overgang gemaakt. Het ferrietstaafje is in deze overgang van de golfgeleiders geklemd met een ringetje van schuimplastic en is aan de uiteinden gespitst om reflecties te verminderen. De diameter van de ferrietstaafjes varieert van 5 tot 2 mm en met een totale lengte van 25 tot 10 mm. De gebruikte ferrietstaven zijn chemische verbindingen van Fe, Ni, Zn en O₂. Ze zijn in de handel onder de naam “Ferroxcube” en als gesinterde staven geleverd.

 

 

Het slijpen van de ferrietstaafjes

Het rondslijpen van de ferrietstaafjes gebeurt in hoofdzaak met de hand. Nadat met een diamantzaag een stukje materiaal is uitgezaagd wordt dit op een slijpschaal met water en carborundumpoeder, achtkantig voorgeslepen.

Vervolgens wordt het staafje met één uiteinde in een messingbuisje gekit, dat op zijn beurt in een horizontale slijpspil bevestigd wordt. Het rondslijpen geschiedt nu door er twee aluminium stripjes tegen te drukken, onder toevoeging van water en carborundumpoeder. Tijdens het slijpen worden de beide stripjes tezamen horizontaal heen en weer bewogen.

Bij deze methode van slijpen treden echter gemakkelijk de volgende onnauwkeurigheden op:

1. diametervariaties, die na vele keren meten echter tot een minimum beperkt kunnen worden, en
2. de ferrietstaafjes worden altijd enigszins krom.

Dit laatste zou voorkomen kunnen worden door slijpstripjes te nemen die even breed zijn als de lengte van het staafje. Op die manier is het echter praktisch niet mogelijk het staafje heel te houden. Een geringe kromming van het staafje geeft echter geen moeilijkheden bij het monteren in het ringetje van schuimplastic.
De laatste bewerking is het aanslijpen van de beide kegelvormige puntjes op een draaibank met een supportslijpapparaat. Het vastklemmen in een spantang van een krom staafje is echter niet mogelijk, omdat het dan breekt. Zelfs wanneer het staafje recht is, zodat het wel kan worden ingespannen, treden er toch moeilijkheden op tijdens het slijpen, het staafje breekt namelijk af ten gevolge van de druk van de slijpsteen. Om deze moeilijkheden op te lossen is het staafje flexibel ingespannen door er een stukje rubberslang om te schuiven en het geheel in een spantang van een juiste afmeting te klemmen.
Geslepen werd met een carborundum steen. Bij ferrietstaafjes die harder gesinterd waren, bleek echter dat het slijpen met een carborundum steen niet meer lukte door slijtage aan de steen. Men kwam ook deze moeilijkheid te boven door een diamantslijpschijfje te gebruiken.
De metingen van de Faraday-rotatie op deze manier bleken bleken echter niet voldoende nauwkeurig.

Cavity-gebaseerde metingen

Om die reden is ertoe overgegaan de Faradayrotatie volgens een andere, exactere methode te bepalen. De ferrietstaafjes worden daarbij in een zogenaamde trilholte of cavity (cilindrische holle ruimte) aangebracht waarvan de lengte door middel van een zuiger kan worden veranderd. Er treden dan bepaalde resonanties op. Het ferrietstaafje moet daarbij goed centrisch in deze cilindrische holle ruimte worden aangebracht op een wijze dat het zuigertje er omheen kan schuiven terwijl het staafje gefixeerd blijft. De stand van het zuigertje moet op 0,001 mm nauwkeurig kunnen worden ingesteld, hetgeen men bereikt met een micrometer met 0,002 mm/schaaldeel.

Hiermede komt het probleem naar voren dat men staafjes moet vervaardigen, die voldoen aan de volgende eisen:

1. Per stuk moet de diameter over de gehele lengte gelijk zijn (afwijkingen van 0,0 1 mm zijn toegelaten).
2. De staafjes moeten absoluut recht zijn.
3. De eindvlakken moeten haaks op de aslijn staan.

Deze eisen moeten gesteld worden omdat de nauwkeurigheid van de meting mede afhankelijk is van het zo zuiver mogelijk centrisch aanbrengen van het staafje: een krom staafje kan nooit centrisch worden aangebracht, terwijl een dun krom staafje, bij verplaatsing van de zuiger, bovendien de kans loopt te breken.
Het niet haaks zijn van de eindvlakken kan er oorzaak van zijn dat het staafje naar één kant weggedrukt wordt, waardoor er tevens asymmetrie ontstaat.

De afmetingen van de benodigde ferrietstaafjes zijn: 35 mm lang met diameters van 1, 1.5, 2, 2.5 en 3 mm.
Om deze staafjes te vervaardigen moeten ze eerst weer uitgezaagd en voorgeslepen worden, zoals eerder beschreven. De lengte is nu echter zo groot en de diameters van 1, 1.5 en 2 mm zijn zo klein geworden dat het rond voorslijpen praktisch niet meer uitvoerbaar is. Dat omdat het ferrietstaafje bij de minste beweging breekt op de plaats waar het gekit zit. Om dat te voorkomen is in het messingbuisje een schroefveertje gesoldeerd. In het uitstekende gedeelte van dat veertje wordt het te slijpen staafje gekit waardoor het flexibel bevestigd is. Het is dan mogelijk gebleken oferrietstaafjes voor te slijpen tot een dikte van +/- 1.3 mm met een lengte van +/- 40 mm.

Zoals reeds is gezegd, is het uiterst moeilijk op deze manier staafjes te vervaardigen, die een constante diameter over de lengte hebben en recht zijn. Daarom is men overgegaan tot een andere methode van slijpen, dat wil zeggen de staafjes worden eerst volgens eerstgenoemde methoden voorgeslepen tot 0,3 mm boven de gewenste maat, waarna dan een andere methode van slijpen volgt.
De grondgedachte bij deze methode is geweest het staafje een roterende beweging te laten maken, terwijl het tussen drie slijpende vlakken ligt opgesloten, waarvan er één instelbaar is. Het staafje zal hierdoor, wanneer het krom is, automatisch recht worden geslepen, en wanneer de drie vlakken een driezijdig prisma vormen zal het staafje overal dezelfde diameter verkrijgen.

De slijpvlakken

De praktische uitvoering van deze gedachte is te zien in de schematische figuur hieronder.

Twee van de slijpende vlakken worden gevormd door de twee vlakken van een V-vormige groef, welke gefreesd is in een messing blokje (a). Het derde vlak, dat tevens ten opzichte van de twee andere instelbaar is, is een smalle strook van een tweede messing blokje (b). Elk blokje is gemonteerd in een groter aluminium onderdeel.
De drie genoemde vlakken, waarmee het staafje in aanraking komt, moeten zo geprepareerd worden dat ze het staafje slijpen zonder zelf te slijten. Om dit te bereiken moet er een slijpmiddel vast op worden aangebracht. Als slijpmiddel is diamantboort 120 mesh genomen. Als middel om het slijpmiddel vast te zetten is Araldit gebruikt, een thermohardende kunsthars. Bij het aanbrengen van het boort moet ervoor gezorgd worden dat per oppervlak er zoveel mogelijk korreltjes in één vlak komen te liggen, hetgeen als volgt wordt bereikt: het blokje wordt verwarmd tot ongeveer 130 ^oC. Op de betreffende vlakken wordt een weinig Araldithars gesmolten. Dit bevindt zich dan echter zeer onregelmatig op het te bewerken oppervlak. Daarom wordt met een van tevoren geprepareerd schrapertje het overtollige hars weggestreken zodat een laagje van +/- 0.2 mm overblijft. Daarna wordt het blokje met de te bezetten vlakken in een hoeveelheid van +/- 2 karaat diamantboort gedrukt. Een deel daarvan blijft kleven.

Nadat het blokje is afgekoeld wordt met een zacht penseeltje het er los bij hangend boort weggestreken. Het blokje wordt nu opnieuw verwarmd, waarna met een gehard, vlak geslepen stuk staal de korreltjes zoveel mogelijk in één vlak worden gedrukt. In de V-vormige groef wordt een stuk staal met een contraprofìel gedrukt.

Ten slotte worden de blokjes in een oven gelegd om het hars uit te laten harden, waarna ze voor het gebruik gereed zijn.

Het instellen van het derde vlak

Het instellen van het derde vlak geschiedt door middel van twee schroeven die zijn aangebracht in de houder van het bovenste blokje. Op het eind van elke schroef is een stalen kogel gesoldeerd. Eén ervan rust in een V-vormige groef en de andere in een kegelvormig gat in de houder van het onderste blokje. Het slijpvlak van het bovenste blokje kan men, door aan één van de schroeven te draaien, zo instellen dat de drie vlakken samen een prisma vormen. Dat is te controleren door in de V-groef van het onderste blokje een staafje voetstaal te leggen.

De bovenste houder kan om de twee kogels scharnieren en zodoende dus het staafje volgen wanneer het wordt geslepen. Een voordeel van deze constructie is tevens dat de bovenste houder gemakkelijk is weg te nemen voor controle, terwijl men er zeker van kan zijn dat deze, na opnieuw te zijn geplaatst, zich weer in de juiste stand bevindt ten opzichte van de onderste houder.
Afhankelijk van de dikte van het te slijpen staafje en van de brosheid van het te slijpen materiaal kunnen op de bovenste houder gewichten geplaatst worden om voldoende slijpdruk te hebben.

Een derde schroef (E), die van tevoren is ingesteld, neemt de druk van het gewicht van de houder plus gewichten op, zodra het staafje op de vooraf ingestelde dikte is geslepen.

De aandrijving van het ferrietstaafje

Ten gevolge van het slijpen zal het staafje dunner worden en dieper in de V-groef komen te liggen. De aandrijving van het staafje moet dus zodanig zijn dat het onderdeel, dat voor de aandrijving zorgt mee omlaag kan zakken zonder extra krachten op het staafje te blijven uitoefenen, omdat de kans op breken hierdoor toe zou nemen.
De beste oplossing hiervoor bleek een aandrijving door middel van een cardanas te zijn. De koppeling aan de kant van het staafje is opgehangen door middel van een soepele schroefveer om te voorkomen dat het gewicht door het staafje wordt opgenomen; dit geldt speciaal voor de dunste staafjes.
Het zwakke punt in de aandrijving is de verbinding met het ferrietstaafje, met name voor de dunne staafjes. Een doorsnedetekening van deze verbinding is te zien in onderstaand figuur.

Het staafje wordt aan één kant over een lengte van +/-2 mm 0,2 mm dunner geslepen dan de gewenste maat. Dit slijpen gebeurt met de hand op een diamantslijpschijfje. Hierna wordt een messing busje met schellak rond het dunner geslepen deel van het staafje gekit. Daarna wordt het andere eind van dit busje met een puntschroefje in de cardankoppeling vastgezet.

Het slijpen

Oorspronkelijk was het de bedoeling het staafje alleen een draaiende beweging te geven. Het bleek echter dat de kwaliteit van het geslepen oppervlak te wensen over liet. Ook kostte het slijpen veel tijd hetgeen te verklaren is doordat elk korreltje een groefje in het te slijpen oppervlak sneed, waardoor het oppervlak enigszins onregelmatig werd. Daardoor nam de weerstand voor elk korreltje om in het materiaal te dringen toe. Om die reden werd aan de beide blokjes tijdens het slijpen een heen en weer gaande beweging gegeven met een slag van 15 mm door middel van een excentriek met drijfstang die aangreep op de onderste houder.
De oppervlaktekwaliteit is daardoor veel beter geworden, terwijl de slijptijd aanzienlijk bekort wordt. Het toerental van het staafje, dat oorspronkelijk 60 omwentelingen per minuut bedroeg, is later opgevoerd tot 370 omwentelingen per minuut. Het slijpen gebeurde daardoor zes keer zo snel. Het slijpen van staafjes met diameters van 2, 2.5 en 3 mm duurde bij een vermindering van 0.3 mm ongeveer 20 minuten. Voor de diameters van 1 en 1,5 mm was deze tijd ongeveer 35 minuten omdat de slijpdruk kleiner moest zijn daar er anders breuk van het ferrietstaafje optrad.

Voorafgaande aan het slijpen van een ferrietstaafje werd ongeveer 300 gram gewicht op de bovenste houder gelegd. Voor het slijpen van een staafje van 1 mm bedroeg het gewicht 150 gr. De hardheid van het materiaal was ook van invloed op de slijptijd. Er zijn zes verschillende soorten materiaal geslepen, waarvan er één zeer hard was en die een slijptijd vergde die twee- tot driemaal langer was dan voor de relatief zachtere ferrietsoorten.
Om tijdens het slijpen het slijpsel weg te spoelen was er evenwijdig aan de blokjes een pijpje aangebracht met opzij een aantal gaatjes waardoor water tegen het staafje gespoten werd.

Een nog een grotere uitdaging

Uit de Faraday-rotatiemetingen bleek dat het gewenst was om over nog dunnere staafjes te kunnen beschikken. Op dezelfde wijze gelukte het om perfect ronde ferrietstaafjes van 0.7 mm dikte te vervaardigen.

Het staafje werd daartoe eerst normaal voorgeslepen tot 1 mm waarna het gewicht op de bovenste houder werd verminderd tot 30 gr. De slag voor beide blokjes werd 5 mm gemaakt. Het gewicht moest kleiner gemaakt worden om de slijpdruk ook weer geringer te maken want het koppel dat nodig was om het staafje aan te drijven moest via de kitverbinding geleverd kunnen worden. Er moest namelijk aan het staafje een rivet van 0.5 mm geslepen worden nadat de diameter 1 mm geworden was. Het weerstandsmoment tegen wringing was hierdoor viermaal zo klein geworden. De slaglengte moest kleiner genomen worden omdat anders het staafje te ver buiten de blokjes uitstak, waardoor het ten gevolge van een buigende belasting af kon breken.

De tijd, nodig voor het slijpen van zo’n dun staafje, was door al deze beperkingen belangrijk toegenomen. Afhankelijk van de hardheid werd de tijd benodigd voor het slijpen van een staafje van 0.7 mm doorsnede, 2.5 tot 5 uur.

De eindvlakken werden als volgt haaks op de hartlijn geslepen: in een messing blokje werd een gat geboord met dezelfde diameter als het staafje. Dit blokje werd op een slijpschaal gelegd met het gat in verticale richting. Door nu het staafje in het gat te steken zal het met een uiteinde op de schaal komen te rusten, waardoor het bovenvlak haaks werd afgeslepen. Op die manier voorkwam men dat tijdens het slijpen het staafje heen en weer schommelde en dat de randen uitbrokkelden doordat het staafje in het gat was opgesloten.

Het was dus mogelijk gebleken met betrekkelijk eenvoudige middelen van het moeilijk te bewerken gesinterde Ferroxcube ferrietstaafjes te maken welke 35 mm lang zijn en een diameter hadden van resp. 0.7, 1, 1.5, 2, 2.5 en 3 mm doorsnede met een tolerantie van 0.01 mm. Bovendien werden bij deze methode de ferrietstaafjes, die aanvankelijk krom waren, automatisch recht opgeleverd.
 
Terug Volgende

 

Met dank aan

De tekst en afbeeldingen op deze pagina zijn een bewerking van het artikel van P. Leemans “Het slijpen van ferrietstaafjes” gepubliceerd in het Polytechnisch tijdschrift Nr. 19-20 – 12 mei 1954