CN102179555A - 一种弯管内表面的铣削加工装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于大型重载零件加工领域，涉及到一种弯管内表面的铣削加工方法和刀具切削路径的轨迹规划。加工方法基于一套圆弧导轨导向，伺服电机驱动的铣削装置来实现弯管弧线段内表面的加工，装置包括带齿圆弧导轨、圆弧滑块、圆周进给机构、电主轴、驱动伺服电机和传动齿轮等。加工时刀具进行往复铣削运动，即沿弯管母线方向走刀，每次走刀从弯管弧线段内表面的一端切削至另一端，一次走刀完成后，沿弯管截面圆周方向进给一个切削行距S，直至完成弯管弧线段内表面的加工。该方法适用于各类大中型弯管零件弧线段内表面的加工。本发明方法简单可靠，控制方式简单直接，切削状态平稳，切削冲击载荷小，加工效率高，表面质量好。

Description

一种弯管内表面的铣削加工装置及方法

技术领域

本发明属于大型重载零件加工领域，涉及到一种弯管内表面的铣削加工装置及方法。

背景技术

核电站中的冷却剂主管道是连接反应堆压力容器和蒸汽发生器的大型厚壁管道，是核电站的核1级关键部件之一，主管道的制造质量是关系到整套核设施安全运行的关键。目前我国引进的第三代AP1000核电技术采用的是主管道整体锻造，主管道本身没有焊缝，减小了在役检查工作量，提高了服役寿命。第三代主管道的加工工艺路线为锻造-机加工-弯制-精加工。精加工是针对弯制工艺过程中主管道内外表面产生的质量缺陷，是主管道最终满足技术要求的最终工序，但是主管道整锻式一体化成形方式大大增加了精加工的难度。

第三代整锻式主管道由两端的两段直线段和中间的一段弧线段相切连接而成。弯制后的管道内表面由直管道规律的圆柱面变成了特殊的复杂曲面，构成了一种细长异形封闭腔结构。主管道弧线段的曲面是两个垂直方向的弯曲构成的复杂曲面，封闭型结构，使加工刀具不能时时根据曲面变化进行自由调整，使刀具加工时与零件表面接触的部位不断变化，切削状态不断变化，产生的冲击载荷变化剧烈，加工纹路疏密不均，表面质量难以控制。同时由于内表面加工时用来容纳刀具的空间区域严重受限，刀具只能从管道口部伸出，可运动空间小，刀具的运动姿态受到极大程度的限制，刀具和零件极易产生干涉，导致无法完成对整个弯管内表面的加工。因此如何在可利用的空间内避免刀具和零件的干涉，同时减小切削加工中的冲击载荷，最终保证加工后的表面质量是主管道内表面加工面临的问题。

针对弯管内表面的机械加工，目前没有成熟的技术方法和设备。特别是整锻式主管道的内表面精加工，国内有发明专利申请号为200910210449.X，烟台台海玛努尔核电设备有限公司的“AP1000核电技术一回路主管道弯管内孔精加工设备”的专利，提供了一种内表面加工的技术方案，其采用可摆动的动力镗削头，来完成弯管内表面的加工。该方法需要专门设计镗削动力头，用算法控制动力头跟随弯管弯曲进行相应摆动，机构采用蜗轮蜗杆传动，效率低，磨损大，精度不高。在我国大力发展核电产业的背景下，通过采用先进的技术方法和设备，形成系统、高效的弯管内表面的加工技术，为实现我国第三代核电设备的国产化提供技术支持，具有十分重大的意义和价值。

发明内容

本发明提供了一种弯管内表面的铣削加工装置及方法，克服了现有技术的缺陷，特别是机械加工弯管零件内表面十分困难的技术难题。本发明基于一套圆弧导轨引导的铣削装置，使刀具进行往复铣削运动，即沿弯管母线方向走刀，每次走刀从弯管弧线段内表面的一端切削至另一端，一次走刀完成后，沿弯管截面圆周方向进给一个切削行距S，实现了弯管弧线段内表面的加工，装置传动平稳、可靠，加工效率高，精度高。

本发明采用的技术方案如下：一种弯管内表面的铣削加工装置，包括第一齿轮、第一伺服电机、圆弧滑块、第二伺服电机、第二齿轮、刀具、电主轴、带齿圆弧导轨和圆周进给机构。带齿圆弧导轨上配合安装有圆弧滑块，圆弧滑块上安装有圆周进给机构，圆周进给机构上固定安装有电主轴，电主轴上装有刀具；圆弧滑块上还安装有第一伺服电机，第一伺服电机上连接有和带齿圆弧导轨啮合的第一齿轮；圆弧滑块上还安装有第二伺服电机，第二伺服电机上连接有和圆周进给机构啮合的第二齿轮。

加工方法基于上述圆弧导轨导向，伺服电机驱动的铣削装置来实现弯管弧线段内表面的加工，加工时刀具进行往复铣削运动，即沿弯管母线方向走刀，每次走刀从弯管弧线段内表面的一端切削至另一端，一次走刀完成后，沿弯管截面圆周方向进给一个切削行距S。加工过程中电主轴始终朝向弯管截面的径向方向，刀具始终垂直于内表面。圆弧滑块沿带齿圆弧导轨的圆弧运动和圆周进给机构的圆周进给运动均由相应的伺服电机来驱动，传动均由齿轮传动来实现。通过精确控制电主轴、第一伺服电机和第二伺服电机的转速，实现加工所需要的沿弯管母线走刀速度、圆周进给速度和刀具转速的最佳匹配。具体加工方法步骤如下：

a、准备：对弯管进行定位和夹紧，调整弯管和铣削装置的相对位置，使其均处于准确的加工位置上，夹紧弯管，固定铣削装置；

b、加工：首先第一伺服电机控制调整圆弧滑块的位置，使刀具处于弯管弧线段的一端；然后第二伺服电机控制调整圆周进给机构，使刀具处于水平切削起点，制动圆周进给机构；然后控制电主轴带动刀具旋转，进行对刀和进刀；之后刀具开始往复铣削运动，即第一伺服电机控制圆弧滑块带动刀具沿带齿圆弧导轨做沿弯管母线的圆弧铣削运动，当刀具切削运动至弯管弧线段的另一端时，制动第一伺服电机，停止刀具的圆弧运动，然后第二伺服电机控制圆周进给机构带动刀具沿弯管截面圆周方向进给一个切削行距S，制动第二伺服电机，停止刀具的圆周进给运动，然后继续控制刀具沿弯管母线切削返回到弧线段的另一端，如此往复切削直至完成整个弯管弧线段内表面的加工；加工完后退刀，停止圆弧铣削运动，最后停止刀具旋转；

c、卸除铣削装置，卸下弯管，加工结束。

本发明具有的明显效果有：

(1)通过刀具的往复铣削运动，即沿弯管母线方向走刀，每次走刀后沿弯管截面圆周方向进给一个行距的方式，实现了弯管弧线段内表面的加工。

(2)切削状态基本一致，切削载荷冲击小，表面质量一致性较好，粗糙度达到Ra3.2及以上。

(3)轨迹控制由伺服电机完成，传动方式为齿轮传动，实现了精确的速度控制和位置控制，传动平稳、可靠。

(4)本方法简单易行，适用于各类弯管零件的弧线段内表面的加工。

附图说明

附图1是弯管内表面加工俯视图。

附图2弯管内表面加工主视图。

附图3是弯管内表面加工A-A剖视图。

附图4是加工刀具轨迹俯视图-剖视图。

附图5是加工刀具轨迹主视图-剖视图。

附图6是加工刀具轨迹B向视图。

图中：1第一齿轮，2第一伺服电机，3圆弧滑块，4第二伺服电机，5第二齿轮，6刀具，7电主轴，8带齿圆弧导轨，9圆周进给机构，10弯管；

a加工刀具轨迹，S圆周进给行距，α表示刀具运动方向朝里，

β表示刀具运动方向朝外。

具体实施方式

结合附图和技术方案详细说明本发明的具体实施例。

本装置及方法实施到主管道零件上，完成了弧线段内表面的加工。主管道属于大型厚壁管道，重约十几吨，外表面有两个接管嘴，两端直线段和弧线段相切连接。主要尺寸为内径Φ785mm、外径Φ965mm、弧线段弯曲角度为56.4°，两端直线段长度分别为2560.3mm和1234.2mm。如图1、2、3所示，本发明的加工方法是基于一套圆弧导轨引导的铣削装置完成弯管弧线段内表面的加工的。该装置主要包括带齿圆弧导轨、圆弧滑块、圆周进给机构、电主轴、第一伺服电机、第二伺服电机及传动齿轮等。圆弧导轨上配合安装有圆弧滑块，圆弧滑块上安装有圆周进给机构，圆周进给机构上固定安装有电主轴，电主轴连接有刀具；圆弧滑块上还安装有提供圆弧运动和圆周进给运动的第一伺服电机和第二伺服电机，伺服电机和执行件(带齿圆弧导轨和圆周进给机构)间通过齿轮传动连接。加工方法的实现基于该装置的三大模块，即实现沿弯管母线的圆弧运动的带齿圆弧导轨和圆弧滑块模块；实现沿弯管截面圆周方向的进给运动的圆周进给机构模块；实现刀具的旋转铣削加工的电主轴模块。圆弧运动和刀具旋转运动的复合运动以及圆周进给运动和刀具旋转运动的复合运动相互衔接，即形成了刀具的往复铣削运动，如图4、5、6所示。

圆弧运动和圆周进给运动分别由第一伺服电机和第二伺服电机来驱动。伺服电机均具有自制动功能，从而能够实现精确的速度和位置控制。运动传动方式均采用齿轮传动，保证了传动的可靠性和平稳性。

圆弧导轨的圆弧中心和弯管的弧线段中心要重合，保证引导圆弧滑块沿弯管中心母线做精确的和弯管弧线段同心的圆弧运动；圆弧导轨可以采用一根或多根配合使用。

切削电主轴具有结构紧凑、重量轻、振动小、响应快、功率大等优点。电主轴的采用简化了结构设计，并能极为方便的实现加工速度的精确控制。

本发明所述的加工方法，具体实施步骤如下，

a、准备：对弯管进行定位和夹紧，调整弯管和铣削装置的相对位置，使二者处于准确的相对加工位置上，即圆弧导轨和弯管母线共圆心、装置圆周进给中心和弯管截面共圆心以及沿弯管母线方向装置处于准确位置。夹紧弯管，确保弯管在加工中不移动；用支撑装置稳定支撑铣削装置，保证装置在加工中具有足够刚性和稳定性；

b、加工：首先第一伺服电机控制调整圆弧滑块的位置，使刀具处于弯管弧线段的一端；然后第二伺服电机控制调整圆周进给机构，使刀具处于水平切削起点，制动圆周进给机构；然后控制电主轴带动刀具旋转，进行对刀和进刀；之后刀具开始往复铣削运动，即第一伺服电机控制圆弧滑块带动刀具沿带齿圆弧导轨做沿弯管母线的圆弧铣削运动，当刀具切削运动至弯管弧线段的另一端时，制动第一伺服电机，停止刀具的圆弧运动，然后第二伺服电机控制圆周进给机构带动刀具沿弯管截面圆周方向进给一个切削行距S，制动第二伺服电机，停止刀具的圆周进给运动，然后继续控制刀具沿弯管母线切削返回到弧线段的另一端，如此往复切削直至完成整个弯管弧线段内表面的加工；加工完后退刀，停止圆弧铣削运动，最后停止刀具旋转。

根据技术要求，粗糙度要达到Ra3.2mm及以上，经计算沿弯管截面圆周方向的进给量，即切削行距S约为0.3mm～0.6mm，转化为对应的圆周进给角度约为1.3分～2.6分。如用Φ16mm的刀具，S为0.46mm，圆周进给角度为2.0分。在加工过程中圆周进给运动通过精确控制第二伺服电机的转速来实现，同时精确控制第一伺服电机和电主轴的转速，使圆弧走刀速度、圆周进给速度和刀具转速均为最佳匹配，从而实现对内表面加工形貌和质量的控制，满足技术要求。

c、卸除铣削装置，卸下弯管，加工结束。

该方法适用于各类大中型弯管零件弧线段内表面加工，尤其是长径比大、弯曲角度大的弯管类零件。方法简单可靠，控制方式简单直接，切削状态平稳，切削冲击载荷小，加工效率高，表面质量好。

Claims (2)

1.一种弯管内表面的铣削加工装置，包括第一齿轮(1)、第一伺服电机(2)、圆弧滑块(3)、第二伺服电机(4)、第二齿轮(5)、刀具(6)、电主轴(7)、带齿圆弧导轨(8)和圆周进给机构(9)；其特征在于，带齿圆弧导轨(8)上安装有圆弧滑块(3)，圆弧滑块(3)上安装有圆周进给机构(9)，圆周进给机构(9)上固定安装有电主轴(7)，电主轴(7)上装有刀具(6)；圆弧滑块(3)上还安装有第一伺服电机(2)，第一伺服电机(2)上连接有和带齿圆弧导轨(8)啮合的第一齿轮(1)；圆弧滑块(3)上还安装有第二伺服电机(4)，第二伺服电机(4)上连接有和圆周进给机构(9)啮合的第二齿轮(5)。

2.使用权利要求1所述铣削加工装置的加工方法，加工方法基于圆弧导轨导向，截面圆周进给和伺服电机驱动来实现弯管弧线段内表面的加工，其特征在于，加工时刀具(6)进行往复铣削运动，即沿弯管(10)母线方向走刀，每次走刀从弯管(10)弧线段内表面的一端切削至另一端，一次走刀完成后，沿弯管(10)截面圆周方向进给一个切削行距S；加工过程中电主轴(7)始终朝向弯管(10)截面的径向方向，刀具(6)始终垂直于内表面；圆弧滑块(3)沿带齿圆弧导轨(8)的圆弧运动和圆周进给机构(9)的圆周进给运动均由相应的伺服电机来驱动，传动均由齿轮传动来实现；通过精确控制电主轴(7)、第一伺服电机(2)和第二伺服电机(4)的转速，实现加工所需要的沿弯管母线走刀速度、圆周进给速度和刀具(6)转速的最佳匹配；具体加工方法步骤如下：

a、准备：对弯管(10)进行定位和夹紧，调整弯管(10)和铣削装置的相对位置，使其均处于准确的加工位置上，夹紧弯管(10)，固定铣削装置；

b、加工：首先第一伺服电机(2)控制调整圆弧滑块(3)的位置，使刀具(6)处于弯管(10)弧线段的一端；然后第二伺服电机(4)控制调整圆周进给机构(9)，使刀具(6)处于水平切削起点，制动圆周进给机构(9)；然后控制电主轴(7)带动刀具(6)旋转，进行对刀和进刀；之后刀具(6)开始往复铣削运动，即第一伺服电机(2)控制圆弧滑块(3)带动刀具(6)沿带齿圆弧导轨(8)做沿弯管(10)母线的圆弧铣削运动，当刀具(6)切削运动至弯管(10)弧线段的另一端时，制动第一伺服电机(2)，停止刀具(6)的圆弧运动，然后第二伺服电机(4)控制圆周进给机构(9)带动刀具(6)沿弯管(10)截面圆周方向进给一个切削行距S，制动第二伺服电机(4)，停止刀具(6)的圆周进给运动，然后继续控制刀具(6)沿弯管(10)母线切削返回到弧线段的另一端，如此往复切削直至完成整个弯管(10)弧线段内表面的加工；加工完后退刀，停止圆弧铣削运动，最后停止刀具(6)旋转；

c、卸除铣削装置，卸下弯管(10)，加工结束。

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