CN114042939A - 一种低温管路绝热层内车削加工装置和方法 - Google Patents
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Abstract
一种低温管路绝热层内车削加工装置和方法,属于切削加工领域,采用直驱电机驱动中空主轴的方式实现车刀旋转运动,缩短传动链,使内车削加工装置具有结构紧凑的特点;通过管路静止、内车削加工装置驱动刀具绕管路旋转的运动方式,实现对管路绝热层外表面的车削加工;提出可径向移动式刀具运动模组,采用沿轴线方向不同高度的刀具对称式设计,可实现变截面复杂管路绝热层粗加工、半精加工、精加工一次性加工完成。本发明具有明显的加工效率改善效果,且适应管路结构变化能力强,有益于快速提升各类复杂低温管路绝热层加工的产能,进而实现应用推广。
Description
技术领域
本发明涉及一种低温管路绝热层内车削加工装置和方法,特别是一种具有紧凑结构的低温管路绝热层内车削加工装置和方法,属于切削加工领域。
背景技术
包覆绝热层的各类低温管路构件在氢氧推进系统中应用广泛,其金属型面空间构型复杂、尺寸变化范围大,且存在翻边、法兰、管嘴等结构突变部位,绝热层难以实现自动化加工。目前,此类低温管路的绝热层加工均采用手工方式完成,即通过专用修型刀具将管路绝热层手工切削至预期厚度,再进行手工打磨、圆滑过渡,完成产品修型。
中国专利CN111571330A公开了一种管路自动加工机床:将管路两端进行夹持,通过旋转电机带动其旋转,并采用悬臂结构对管路外圈进行打磨。然而如前所述,该装置和加工方法无法适用具有三维复杂结构的管路加工(三维复杂结构使其已为非回转体,且受重力影响需要额外的支撑机构以保证加工精度);中国CN202011185354.X公开了一种大型曲面薄壁机器人铣削加工系统及方法,针对上述三维复杂结构的管路绝热层加工,可采用该专利的加工系统及方法进行加工,但由于机器人铣削加工系统仍需要较大的运行空间,且沿着管路轴向及径向进行加工会大大降低加工效率,更难以满足工业应用中一次性成形加工的效率需求;中国专利CN201710903524.5公开了空加工方式可沿管路的轴向方向进行一次性加工,大大提高了加工效率,但针对变直径复杂结构管路的加工,需要刀具/刀盘可沿径向方向进行移动。对比专利[3]中发明了一种可径向伸缩式刀盘及使用该刀盘的矩形盾构机,可实现刀具的径向移动,但在实际加工过程中需要刀具在回转中完成定位动作,因此该专利也难以满足所提需求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是:克服现有技术的不足,提供了一种低温管路绝热层内车削加工装置和方法,针对的主要加工对象为低温管路绝热层,该低温管路具有复杂的三维结构,不仅对加工精度有较高的要求,对加工效率的需求也十分显著。此外,低温管路绝热层为泡沫材料,具有典型的脆性特征,在加工过程中也容易产生大量的粉尘。因此,本发明采用直驱电机驱动中空主轴的方式实现车刀旋转运动,缩短传动链,使内车削加工装置具有结构紧凑的特点;通过管路静止、内车削加工装置驱动刀具绕管路旋转的运动方式,实现对管路绝热层外表面的车削加工;提出可径向移动式刀具运动模组,采用沿轴线方向不同高度的刀具对称式设计,可实现变截面复杂管路绝热层粗加工、半精加工、精加工一次性加工完成。本发明具有明显的加工效率改善效果,且适应管路结构变化能力强,有益于快速提升各类复杂低温管路绝热层加工的产能,进而实现应用推广。
本发明目的通过以下技术方案予以实现:
一种低温管路绝热层内车削加工装置,包括直驱电机、装置外壳、轴承端盖、径向进给模组、中空主轴、旋转式刀盘、磁栅传感器系统;
低温管路在加工过程中通过中空主轴;直驱电机用于驱动中空主轴带动旋转刀盘旋转;
旋转式刀盘上带有多个高度和深度均不相同的径向进给模组;每个径向进给模组上均固定有车刀,旋转式刀盘旋转过程中,多个车刀在进给过程中先后对低温管路外圆深度依次递增加工;
磁栅传感器系统用于监测中空主轴的转速;
装置外壳用于提供容置空间,中空主轴、旋转式刀盘、装置外壳之间均密封,避免多余物进入。
优选的,中空主轴采用碳素钢制成,表面硬度优于55HRC。
优选的,径向进给模组包括直线模组,直线模组的运动进给机构上固定有刀具底座,车刀由刀具底座和刀具上盖夹持固定。
优选的,多个车刀沿圆周方向均匀分布。
优选的,直驱电机包括中空直驱电机动子和中空直驱电机定子,中空直驱电机动子和中空直驱电机定子不接触。
优选的,磁栅传感器系统包括磁栅读数头和磁栅圆环,磁栅圆环随中空主轴转动,磁栅读数头用于获取转动数据。
优选的,还包括导电滑环,径向进给模组利用步进电机进行驱动,步进电机通过导电滑环与步进电机的驱动器连接。
优选的,导电滑环包括导电滑环动子和导电滑环定子,磁栅传感器系统的磁栅圆环固定于导电滑环动子上。
优选的,导电滑环与中空主轴共轴安装。
优选的,还包括角接触轴承,角接触轴承安装在中空主轴和导电滑环之间。
基于上述的加工装置的加工方法,包括如下步骤:
将需要加工的低温管路进行固定;
对多个径向进给模组的刀具位置进行设定,使车削厚度依次增加,将中空主轴的轴心与低温管路中心进行对中;
通过多把车刀对需要去除的低温管路的绝热层厚度尺寸进行依次递增加工。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果:
对具有非回转体特征的三维低温管路绝热层进行加工时,难以采用传统车削加工方式,本发明具备的有益效果主要包括(1)不仅可针对管路绝热层厚度的大去除量一次性成型加工,也可以适应变直径/多段直径的复杂管路构型,消除了采用传统中空加工方式需要停止进给运动再调整刀具位置的成本消耗;(2)针对脆性材料的大量快速去除过程中产生的粉尘污染,采用机械密封方式以保护成形加工装置内部器件的服役性能和使用寿命;(3)本发明涉及的加工方法针对三维复杂结构低温管路绝热层的加工,具有明显的加工效率改善效果,且适应管路结构变化能力较强、操作流程清晰,方法简单实用,有益于快速提升复杂低温管路绝热层加工的产能,进而实现应用推广。
附图说明
图1是低温管路绝热层内车削加工装置剖视图;
图2是低温管路绝热层内车削加工装置密封端部局部放大图;
图3是旋转刀盘径向进给机构的局部放大图;
图4是导电滑环的位置固定与支撑部位的局部放大图;
图5是低温管路绝热层内车削加工装置传感器位置剖视图;
图6是磁栅传感器位置放大图;
图7是低温管路绝热层内车削加工装置装配体整体视图;
附图标记:1、中空直驱电机动子;2、中空直驱电机定子;3、装置外壳:3-1、导电滑环定位孔;3-2、装置外壳支撑底座;4、轴承端盖;5、装置外壳紧固件;9、径向进给模组:9-1、直线模组;9-2、刀具上盖;9-3、车刀;9-4、底座;10、轴承前盖;11、航空插头转接口;12、中空主轴:12-1、主轴腔体;12-2、直驱电机接线口;13、旋转式刀盘;14、主轴前端端盖;16、磁栅圆环;17、单列角接触轴承;18、步进电机;19、导电滑环定子;20、导电滑环动子;21、磁栅读数头支撑件;22、碳纤维密封圈;22-1、气体密封内圈;23、主轴密封端盖;24、滑环固定支撑件;25、磁栅读数头。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。
本发明针对航天领域低温管路绝热层的高效加工,发明了一种具有紧凑结构的低温管路绝热层内车削加工装置和方法,面向提高产能与适应复杂结构的加工需求,可通过将三维复杂结构低温管路两端固定夹持,管路中间段多点浮动支持的方式对管路进行固定,以减小绝热管路受自重的挠曲变形,保证管路外形加工精度;图1为低温管路绝热层内车削加工装置剖视图。
一种低温管路绝热层内车削加工装置和方法,包括中空直驱电机动子1、中空直驱电机定子2、装置外壳3、轴承端盖4、径向进给模组9、轴承前盖10、中空主轴12、旋转式刀盘13、主轴前端端盖14、磁栅圆环16、导电滑环定子19、导电滑环动子20、碳纤维密封圈22、磁栅读数头25。所述的中空主轴12上固定有角接触轴承17、导电滑环定子19、导电滑环动子20、旋转刀盘13、中空直驱电机动子1、中空直驱电机定子2。
中空主轴12,采用中空式主轴,材料为碳素钢,要求表面硬度优于55HRC,可在加工过程中使加工后的低温管路通过。
绝热管路的加工采用旋转式刀盘13实现,如图3所示。旋转式刀盘13上带有3个高度(沿轴线方向依次相差1mm)和深度均不相同的径向进给模组9。径向进给模组9主要功能部件为直线模组9-1,直线模组9-1的运动进给机构上固定有刀具底座9-4;车刀9-3由刀具底座9-4和刀具上盖9-2夹持固定,紧固方式为紧固螺钉固定。所述的直线模组9-1,其特征在于:不同高度和深度的进给模组的功能实现为:在刀盘旋转过程中,3把车刀在进给过程中先后实现对管路外圆深度依次递增的加工,即可保证加工过程中的动平衡,又可实现较大去除量的加工,完成管路绝热层的一次性成型加工。
旋转刀盘13通过中空主轴12的旋转带动,如图5所示。中空主轴12的旋转由中空直驱电机动子1和中空直驱电机定子2共同实现。其中,中空直驱电机动子1和中空直驱电机定子2不接触,可实现无摩擦的转动。
中空主轴12的转速控制由编码器——磁栅传感器系统做反馈,如图6所示。磁栅传感系统包括磁栅读数头25和磁栅圆环16组成,二者间隙1mm安装。磁栅圆环16固定于导电滑环动子20上,磁栅读数头25定位于磁栅读数头支撑件21上。
径向进给模组9与电机驱动器之间的通讯,径向进给模组9在旋转过程中需要通电对其进行控制,而连接导线径向进给模组9中的直线模组9-1的运动行为通过丝杆和电机实现。其中,直线模组9-1的运动驱动电机为步进电机18,步进电机18的A±和B±相线与电机驱动器之间的连接通过导电滑环动子20和导电滑环定子19共同实现。其中,导电滑环定子19上连接步进电机驱动器的线为固定形式;通过导电滑环的作用,将固定端线的电信号传导至导电滑环动子20上的导线中,与径向进给模组9一同旋转,并实现对旋转过程中的步进电机18进行运动控制。
导电滑环动子20由紧固螺栓通过装置外壳3、导电滑环定位孔3-1,以及滑环固定支撑件24定位,如图4所示。采用支撑和定位件的方法来保证中空主轴12与导电滑环动子20和导电滑环定子19之间的同轴度。
中空主轴12的旋转采用角接触轴承17和导电滑环19和20之间的轴承进行支撑。选用单列角接触轴承17,如图1所示。角接触轴承具有良好的径向、轴向以及合成承载能力,可满足高速运转需求。在配置的轴承中,将一套作为固定端轴承,用于轴向定位与固定。固定端之外的其他轴承,作为仅承受径向载荷的自由端轴承,以解决温度变化一起的轴向膨胀与收缩。所选用的安装方式为背对背形式,无固定端、自由端区别。轴承前盖10起密封作用,防止切削加工时复合材料粉尘进入装置内部。
由于低温管路绝热层材料具有典型的脆性失效特征,在外圆加工过程中,会在空气中产生大量的粉尘装切屑,因此需要对整个装置内部进行气体密封处理,以保证装置的服役性能和使用寿命。旋转部件和装置外壳3之间的气体密封处理方式采用的是机械密封结构密封,如图2所示,装置中空主轴尾部的轴承端盖4上的内圈开设滑动密封圈凹槽,用于存放碳纤维密封圈22,中空主轴12尾部的主轴密封端盖23上采用过盈配合固定有气体密封内圈22-1。中空主轴12前端的主轴前端端盖14和旋转式刀盘13之间也采用相同气体密封结构。
整个装配体如图7所示。在图中,装置外壳3上设有装置外壳支撑底座3-2,对整个装置起支撑作用;装置外壳3上尾部的直驱电机接线口12-2为保证直驱电机定子2的供电和传感器导线的接通口。
一种低温管路绝热层内车削加工方法,包括如下步骤:
将需要加工绝热层的低温管路进行固定,管路两端设有法兰结构,管路中间部位设有浮动支撑机构,可依据实际管路沿轴线的分布及变形规律进行支撑;浮动支撑机构上应设有接近传感器,在一次性成型加工装置接近时移除支撑,在装置加工过后再返回原位进行支撑;
分别对径向进给模组9的刀具位置进行设定,通过3把车刀9-3对需要去除的低温管路绝热层厚度尺寸进行划分,如绝热管路加工前的直径为160mm,设定的加工后尺寸为150mm,则3把车刀距离中心的距离(从最高位置到最低位置)可依次调整为150mm,151mm,154mm,从而实现粗加工(从160mm加工至154mm)、半精加工(从154mm加工至151mm)、精加工(从151mm加工至150mm)一次性加工成型。位置的设定方式为由工控机(IPC)设定位置脉冲信号和速度信号,传递给运动控制卡,再有运动控制卡发送运动信号给步进电机驱动器,由步进电机驱动器发送信号经导电滑环19和20传递至径向进给模组9,实现车刀9-3的准确定位;
将装置中空主轴12的轴心与低温管路中心进行对中。对中后由IPC设定转动速度和转动方向,信号发送运动控制卡,再至直驱电机1和2的伺服驱动器中,控制直驱电机1和2进行旋转,进而带动中空主轴12和旋转式刀盘13旋转,实现低温管路绝热层的加工;针对变直径低温管路绝热层的加工,通过在IPC中设定运动轨迹的方法,实现在旋转过程中改变刀具加工直径,完成低温管路绝热层变直径加工;
针对具有三维复杂结构绝热管路加工,需要额外配置多自由度控制系统和沿管路轴线方向的进给系统。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上,但其并不是用来限定本发明,任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内,都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改,因此,凡是未脱离本发明技术方案的内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰,均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (11)
1.一种低温管路绝热层内车削加工装置,其特征在于,包括直驱电机、装置外壳、轴承端盖、径向进给模组、中空主轴、旋转式刀盘、磁栅传感器系统;
低温管路在加工过程中通过中空主轴;直驱电机用于驱动中空主轴带动旋转刀盘旋转;
旋转式刀盘上带有多个高度和深度均不相同的径向进给模组;每个径向进给模组上均固定有车刀,旋转式刀盘旋转过程中,多个车刀在进给过程中先后对低温管路外圆深度依次递增加工;
磁栅传感器系统用于监测中空主轴的转速;
装置外壳用于提供容置空间,中空主轴、旋转式刀盘、装置外壳之间均密封,避免多余物进入。
2.根据权利要求1所述的加工装置,其特征在于,中空主轴采用碳素钢制成,表面硬度优于55HRC。
3.根据权利要求1所述的加工装置,其特征在于,径向进给模组包括直线模组,直线模组的运动进给机构上固定有刀具底座,车刀由刀具底座和刀具上盖夹持固定。
4.根据权利要求1所述的加工装置,其特征在于,多个车刀沿圆周方向均匀分布。
5.根据权利要求1所述的加工装置,其特征在于,直驱电机包括中空直驱电机动子和中空直驱电机定子,中空直驱电机动子和中空直驱电机定子不接触。
6.根据权利要求1所述的加工装置,其特征在于,磁栅传感器系统包括磁栅读数头和磁栅圆环,磁栅圆环随中空主轴转动,磁栅读数头用于获取转动数据。
7.根据权利要求3所述的加工装置,其特征在于,还包括导电滑环,径向进给模组利用步进电机进行驱动,步进电机通过导电滑环与步进电机的驱动器连接。
8.根据权利要求7所述的加工装置,其特征在于,导电滑环包括导电滑环动子和导电滑环定子,磁栅传感器系统的磁栅圆环固定于导电滑环动子上。
9.根据权利要求7所述的加工装置,其特征在于,导电滑环与中空主轴共轴安装。
10.根据权利要求7所述的加工装置,其特征在于,还包括角接触轴承,角接触轴承安装在中空主轴和导电滑环之间。
11.基于权利要求1至10中任一项所述加工装置的加工方法,包括如下步骤:
将需要加工的低温管路进行固定;
对多个径向进给模组的刀具位置进行设定,使车削厚度依次增加,将中空主轴的轴心与低温管路中心进行对中;
通过多把车刀对需要去除的低温管路的绝热层厚度尺寸进行依次递增加工。
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