CN114628080A - 一种基于金刚石刀具卷对卷制备rebco多芯带材的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于金刚石刀具卷对卷制备REBCO多芯带材的方法和装置。该装置包括：底座，支撑座，螺栓，线圈卡盘，伺服电机，放置板，定位块，支撑钣金，导向轮，导柱，工作台，放置板，导向轮，金刚石刀具，固定刀具块，丝杆，支撑台，光栅尺，旋转手柄。超导带材通过两端放置板上的伺服电机控制线圈卡盘进行卷对卷放线与收线，导向轮用于带材导向，工作台上的四个导向轮用于导向和固定带材以便于切割，通过固定刀具块固定金刚石刀具，再利用微米级光栅尺、丝杆及旋转手柄确定加工深度后，在工作台处加工。

Description

一种基于金刚石刀具卷对卷制备REBCO多芯带材的方法和 装置

技术领域

本发明涉及REBCO超导带材的机械切割领域，即将REBCO超导带材的超导层分割成多芯带材，具体涉及一种基于金刚石刀具卷对卷制备REBCO多芯带材的方法和装置。

背景技术

REBCO高温超导带材作为近年来发展最快的高温超导材料之一，具有高机械强度、载流能力较强、上临界磁场较高、生产成本较低等优势。然而，REBCO高温超导带材一方面由于其高宽径比，导致其产生很高的磁滞损耗。另一方面，在交流应用中，通常出现垂直于REBCO带材的场分量，导致在REBCO超导层感应出循环的屏蔽电流，而屏蔽电流与传输电流叠加导致电损耗，大大的限制了REBCO高温超导带材的应用。尤其REBCO高温超导带材应用在磁共振成像(MRI)和核磁共振(NMR)时面临着一些挑战，如绕制成线圈会产生较大的屏蔽电流，环氧浸渍后的REBCO线圈会引起临界电流的退化，以及过电流引起的热丢失。对于后两个问题，现在已经有了一些有效的解决方案。关于绕制成线圈会产生较大的屏蔽电流问题，虽然目前采用的方法有很多，例如通过机械研磨、化学刻蚀、激光切割等方法将高温超导带材中REBCO超导层分成若干芯丝，从而导致屏蔽电流的降低。但以上方法不仅均处于实验阶段，同时加工出来的多芯带材临界性能相比未加工临界性能下降较大。目前，已提出了机械压制法这一种新的制备方式，该方法制备出的多芯带材不仅临界性能下降处于可接受范围，且大大的降低了交流损耗，但该方法还没有设计出一套较为精密的制备装置。因此，针对机械压制法这一新的方法，亟需设计出一套新的机械加工装置用于制备REBCO多芯带材。

公开号CNB102484198的专利申请公开了一种多丝导体及其制造方法，其中多丝导体设计为带有带状基片和至少一个超导层，其中超导层分为若干丝，带状基片具有平行其纵向延伸的第一方向，且至少一个丝具有平行于其纵向延伸的第二方向，第一方向和第二方向形成不了为零的角度。多丝导体尤其可设计为使得丝形成在导体的正面和背面上且这样地相互电连接，从而产生交错的导体。相比本发明来说，该制造方法是在带材成形过程中进行超导层划分，由于REBCO带材是基于物理气相沉积法制备而成，所以在制备好超导层后，还需在多丝超导层上涂覆稳定层，影响多丝超导层的效果。

公开号WO2016024528的国际专利申请公开了一种高温超导多芯带线的制造方法和制造装置，该装置主要包括：包括导向辊、硬质合金刀具、与导向辊相对的旋转部件、以及用于在导向辊和旋转构件之间输送高温超导带材的收取部分和进料部分。相比本发明来说，该装置没有设计出金刚石的控制系统，不能很好的控制其刀具切割的深度和宽度，导致制备出的多芯带材性能不均匀；此外，选择硬质合金作为刀具的制备材料，长时间的切割带材容易较快破损，不仅需要耗损刀具，还需费时更换刀具。

REBCO多芯带材的制备作为降低其绕制线圈屏蔽电流的有效方法，REBCO多芯带材制备的好坏将决定其性能。目前制备REBCO多芯带材的方法有机械研磨、化学刻蚀、激光切割等，但由于机械研磨和化学刻蚀法获得的超导芯槽最小宽度约为0.2mm，从而破坏稳定层导致临界电流下降一半左右，并导致带材机械强度降低等问题。激光切割法会导致稳定层的材料残留在芯丝之间的凹槽内，从而因耦合作用无法减小交流损耗。此外，已有的机械切割装置没有设计出金刚石的控制系统和能长时间切割的刀具。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于金刚石刀具卷对卷制备REBCO多芯带材的方法和装置，该机械装置与制备方法不仅能实现快速制备超导多芯带材，还通过设计金刚石的控制系统和金刚石的金刚石刀具，使得制备出切割深度和宽度均匀的多芯带材，由于不需经常的更换刀具，大大提高了制备的效率和性能更优异的多芯带材。

本发明的技术方案为：一种基于金刚石刀具卷对卷制备REBCO多芯带材的装置，装置包括底座，支撑座，螺栓，线圈卡盘，放置板，伺服电机，定位块，支撑钣金，导向轮，导柱，工作台，放置板，导向轮，金刚石刀具，固定刀具块，丝杆，支撑台，光栅尺，旋转手柄；

进一步的，所述底座主要起支撑和固定作用，采用不锈钢为制备材料，以保证装置的稳定运行。

进一步的，所述支撑座主要起支撑和稳定作用，保证第二部分其它零部件的正常运转，尺寸大小由线圈卡盘的外径确定。

进一步的，所述螺栓用于支撑座和线圈卡盘的连接，主要起固定作用。

进一步的，所述线圈卡盘为防止接触摩擦破坏超导带材，所选材料为亚克力板，外形尺寸根据预定匝数确定，可通过伺服系统按一定速度稳定的控制传输，用于放线和收线。

进一步的，所述伺服电机选用交流伺服电机，通过其平稳的运转，可提供所需大小的张力收放REBCO带材。

进一步的，所述放置板用于放置伺服电机，且放线部分和收线部分的放置板的相对位置为对称安装，以确保装置的平衡。

进一步的，所述定位块主要起支撑和固定作用，通过控制尺寸标准以确保导向结构的整体高度。

进一步的，所述支撑钣金主要起定位和支撑连接作用，配合定位块确定导向结构的高度。

进一步的，所述导向轮为防止接触摩擦破坏超导带材，所选材料为环氧树脂，可对REBCO带材定位导向，实现高效平稳的传输。

进一步的，所述导柱两端与支撑钣金固定，然后与导向轮配合连接，保证REBCO带材传送稳定。

进一步的，所述工作台采用优质不锈钢制备，且需在工作台加工表面固定一层较软材料(如环氧树脂)。

进一步的，所述放置板用于放置控制光栅尺的伺服电机，具体大小根据伺服电机尺寸确定。

进一步的，所述导向轮为防止接触摩擦破坏超导带材，所选材料为环氧树脂；在工作台两端各放置两个导向轮，根据带材宽度调整定位，保证在切割过程中，带材不发生走位。

进一步的，所述金刚石刀具选用高耐磨和高硬度的金刚石刀具，通过加工制得金刚石刀头，可在REBCO带材表面切割微米级沟槽，进而制备REBCO多芯带材。

进一步的，所述固定刀具块主要用于金刚石刀具的固定，通过与丝杆连接，以控制刀具的升降方向。

进一步的，所述丝杆的尺寸标准为微米级，可与旋转手柄共同配合控制固定刀具块和金刚石刀具的升降。

进一步的，所述支撑架主要用于配合刀具升降和光栅尺安装，具体高度根据丝杆的长度确定。

进一步的，所述光栅尺选用微米级的检测系统，通过精密监测刀具的下降尺寸，切割具有相同深度的REBCO多芯带材。

进一步的，所述旋转手柄与丝杆通过精密配合，控制固定刀具块上下移动，从而控制金刚石刀具切割的带材深度为微米级。

根据本发明的另一方面，提出一种机械装置切割REBCO多芯带材的方法，包括步骤：

1)装置的组装：装置四个部分依次安装，再接通电源，检测各伺服电机的运行情况是否正常；

2)带材的试传送：首先将待切割的带材从放线卡盘中引出，经过导向结构部分的导向轮，然后在工作台根据带材宽度进行定位，再从导向结构部分另一侧的导向轮引出，最终在收线卡盘中收纳；

3)张力大小和尺寸调整：通过收线和放线结构中的伺服电机调整运行速度和张力大小；由旋转手柄和丝杆配合调整刀具的位置，其间通过微米级光栅尺实时监测位置变化。

4)带材的切割：装置按照设置好的参数运行，再根据所需要求进行切割，以制备性能优异的多芯带材；

5)实时监测切割状态：由于可实时观测切割装置的切割状态，可对加工后的带材进行质量监督。

进一步的，所述装置按第一部分底座，第二部分送线结构；第三部分导向结构；第四部分加工结构，第三部分导向结构以及第二部分收线结构依次安装。安装完毕后接通电源，检测各伺服电机的运行是否正常。

进一步的，所述待切割的带材从放线卡盘中引出，经过导向结构部分的导向轮，然后在工作台根据带材宽度进行定位，再从导向结构另一侧的导向轮引出，最终在收线卡盘中收纳。

进一步的，所述收线和放线结构中的伺服电机调整运行速度和确定张力大小；通过旋转手柄和丝杆配合调整刀具的位置，其间通过微米级光栅尺实时监测位置变化，以确保切割深度需求。

进一步的，所述待切割的REBCO带材选择厚度约0.1mm，由于薄带材不会因较小弯曲而发生性能退化，且易于加工。如上海生产的ST-4-E型号带材，宽度4mm，厚度0.09mm。基底厚度约50μm，缓冲层厚度约0.2μm，REBCO超导层约1μm厚，Ag保护层约1.5μm厚，Cu稳定层约20μm厚。

进一步的，所述REBCO带材切割面为近超导层，即通过切割Cu稳定层、Ag保护层、超导层以及缓冲层形成凹槽，从而获得REBCO多芯带材。

进一步的，所述切割装置的切割状态可实时监测，以监督切割后的带材质量，最后将检查合格的多芯超导带材用保护膜进行密封处理。

有益效果：

本发明提出的一种基于金刚石刀具卷对卷制备REBCO多芯带材的装置，相对于现有技术来说，该机械装置与制备方法不仅能实现快速制备超导多芯带材，还通过设计金刚石的控制系统和金刚石的金刚石刀具，使得制备出的切割深度和宽度均匀多芯带材，由于不需经常的更换刀具，大大提高了制备的效率和性能更优异的多芯带材。

附图说明

图1为本发明中金刚石刀具卷对卷制备REBCO多芯带材的机械装置总体示意图；

图2为本发明中第一部分底座示意图；

图3为本发明中第二部分送线和收线结构示意图；

图4为本发明中导向结构示意图；

图5为本发明中加工结构示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例或现有的技术方案，下面将对现有技术和实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

本发明实施例提出了一种基于金刚石刀具卷对卷制备REBCO多芯带材装置，如图1所示，装置主要分为四大部分：第一部分为底座1；第二部分为送线和收线结构，包括支撑座201，螺栓202，线圈卡盘203，伺服电机204，放置板205；第三部分为导向结构，包括定位块301，支撑钣金302，导向轮303，导柱304；第四部分为加工结构，包括工作台401，放置板402，导向轮403，金刚石刀具404，固定刀具块405，丝杆406，支撑台407，光栅尺408，旋转手柄409。

图2为本发明中第一部分底座1示意图；本发明中所述底座1主要起支撑和固定作用，采用不锈钢为制备材料，以保证装置的稳定运行；

图3为本发明中第二部分送线和收线结构示意图；包括支撑座201，螺栓202，线圈卡盘203，伺服电机204，放置板205。所述支撑座201主要起支撑和稳定作用，保证第二部分其它零部件的正常运转，尺寸大小由线圈卡盘的外径确定。所述螺栓202用于支撑座201和线圈卡盘203的连接，主要起固定作用。所述线圈卡盘203为防止接触摩擦破坏超导带材，所选材料为亚克力板，外形尺寸根据预定匝数确定，可通过伺服系统按一定速度稳定的控制传输，用于放线和收线。所述伺服电机204选用交流伺服电机，通过其平稳的运转，可提供所需大小的张力收放REBCO带材所述放置板205用于放置伺服电机204，且放线部分和收线部分的放置板205的相对位置为对称安装，以确保装置的平衡。

图4为本发明中导向结构示意图；包括定位块301，支撑钣金302，导向轮303，导柱304。所述定位块301主要起支撑和固定作用，通过控制尺寸标准以确保导向结构的整体高度。所述支撑钣金302主要起定位和支撑连接作用，配合定位块301确定导向结构的高度。所述导向轮303为防止接触摩擦破坏超导带材，所选材料为环氧树脂，可对REBCO带材定位导向，实现高效平稳的传输。所述导柱304两端与支撑钣金302固定，然后与导向轮303配合连接，保证REBCO带材传送稳定。

图5为本发明中加工结构示意图；由工作台401，放置板402，导向轮403，金刚石刀具404，固定刀具块405，丝杆406，支撑台407，光栅尺408，旋转手柄409等九个零部件共同组成所述工作台401采用优质不锈钢制备，且需在工作台加工表面固定一层较软材料(如环氧树脂)。所述放置板402用于放置控制光栅尺408的伺服电机，具体大小根据伺服电机尺寸确定。所述导向轮403为防止接触摩擦破坏超导带材，所选材料为环氧树脂；在工作台401两端各放置两个导向轮403，根据带材宽度调整定位，保证在切割过程中，带材不发生走位。所述金刚石刀具404选用高耐磨和高硬度的金刚石刀具，通过加工制得金刚石刀头，可在REBCO带材表面切割微米级沟槽，进而制备REBCO多芯带材。所述固定刀具块405主要用于金刚石刀具404的固定，通过与丝杆406连接，以控制刀具的升降方向。所述丝杆406的尺寸标准为微米级，可与旋转手柄409共同配合控制固定刀具块405和金刚石刀具404的升降。所述支撑架407主要用于配合刀具升降和光栅尺408安装，具体高度根据丝杆406的长度确定。所述光栅尺408选用微米级的检测系统，通过精密监测刀具的下降尺寸，切割具有相同深度的REBCO多芯带材。所述旋转手柄409与丝杆406通过精密配合，控制固定刀具块405上下移动，从而控制金刚石刀具404切割的带材深度为微米级。

根据本发明的另一个实施例，提出一种利用上述的装置制备REBCO多芯带材的方法，包括如下步骤：

步骤1.切割装置的组装；

步骤2.带材的试传送；

步骤3.带材的张力大小和尺寸调整；

步骤4.带材的切割；

步骤5.实时监测切割状态。

切割装置的组装阶段：装置的组装：装置四个部分依次安装，再接通电源，检测各伺服电机的运行情况是否正常。

带材的试传送阶段：首先将待切割的带材从放线卡盘中引出，经过导向结构部分的导向轮，然后在工作台根据带材宽度进行定位，再从导向结构部分另一侧的导向轮引出，最终在收线卡盘中收纳。

带材的张力大小和尺寸调整阶段：通过收线和放线结构中的伺服电机调整运行速度和张力大小；由旋转手柄和丝杆配合调整刀具的位置，其间通过微米级光栅尺实时监测位置变化。

带材的切割阶段：装置按照设置好的参数运行，再根据所需要求进行切割，以制备性能优异的多芯带材。

实时监测切割状态：由于可实时观测切割装置的切割状态，可对加工后的带材进行质量监督。

以上所述，仅为本发明的一个具体实施方式的概念图，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种基于金刚石刀具卷对卷制备REBCO多芯带材的装置，其特征在于，所述装置包括四个部分：

第一部分为底座，所述底座起支撑和固定作用；

第二部分为送线和收线结构，包括支撑座，螺栓，线圈卡盘，伺服电机，放置板，所述支撑座主要起支撑和稳定作用，保证第二部分各零部件的正常运转，所述螺栓用于支撑座和线圈卡盘的连接；

第三部分为导向结构，包括定位块，支撑钣金，导向轮，导柱；

第四部分为加工结构，包括工作台，放置板，导向轮，金刚石刀具，固定刀具块，丝杆，支撑台，光栅尺，旋转手柄；

第二、三、四部分均固定在第一部分即底座上。

2.如权利要求1所述的一种金刚石刀具卷对卷制备REBCO多芯带材的装置，其特征在于，所述线圈卡盘为防止接触摩擦破坏超导带材，所选材料为亚克力板，外形尺寸根据预定匝数确定，可通过伺服系统按一定速度稳定的控制传输，用于放线和收线；

所述伺服电机选用交流伺服电机，通过其平稳的运转，提供所需大小的张力收放REBCO带材；

所述放置板用于放置伺服电机，且放线部分和收线部分的放置板的相对位置为对称安装，以确保装置的平衡。

3.如权利要求1所述的一种金刚石刀具卷对卷制备REBCO多芯带材的装置，其特征在于，所述定位块主要起支撑和固定作用，通过控制尺寸标准以确保导向结构的整体高度；

所述支撑钣金起定位和支撑连接作用，配合定位块确定导向结构的高度；

所述导向轮为防止接触摩擦破坏超导带材，所选材料为环氧树脂，用于对REBCO带材定位导向，实现平稳传输；

所述导柱两端与支撑钣金固定，然后与导向轮配合连接，保证REBCO带材传送稳定。

4.如权利要求1所述的一种金刚石刀具卷对卷制备REBCO多芯带材的装置，其特征在于，所述工作台采用不锈钢材料制备，且需在工作台加工表面固定一层防护材料；

所述放置板用于放置控制光栅尺的伺服电机；

所述导向轮为防止接触摩擦破坏超导带材，所选材料为环氧树脂；在工作台两端各放置两个导向轮，根据带材宽度调整定位，保证在切割过程中，带材不发生走位。

5.如权利要求4所述的一种金刚石刀具卷对卷制备REBCO多芯带材的装置，其特征在于，所述金刚石刀具通过加工制得金刚石刀头，可在REBCO带材表面切割微米级沟槽，进而制备REBCO多芯带材；所述固定刀具块主要用于金刚石刀具的固定，通过与丝杆连接，以控制刀具的升降方向；所述丝杆的尺寸标准为微米级，与旋转手柄共同配合控制固定刀具块和金刚石刀具的升降。

6.如权利要求5所述的一种金刚石刀具卷对卷制备REBCO多芯带材的装置，其特征在于，所述支撑架主要用于配合刀具升降和光栅尺安装；所述光栅尺选用微米级的检测系统，通过精密监测刀具的下降尺寸，切割具有相同深度的REBCO多芯带材；所述旋转手柄与丝杆通过精密配合，控制固定刀具块上下移动，从而控制金刚石刀具切割的带材深度为微米级。

7.一种利用权利要求1-6之一的装置制备REBCO多芯带材的方法，其特征在于，包括步骤：

1)装置的组装：装置四个部分依次安装，再接通电源，检测各伺服电机的运行情况是否正常；

2)带材的试传送：首先将待切割的带材从放线卡盘中引出，经过导向结构部分的导向轮，然后在工作台根据带材宽度进行定位，再从导向结构部分另一侧的导向轮引出，最终在收线卡盘中收纳；

3)张力大小和尺寸调整：通过收线和放线结构中的伺服电机调整运行速度和张力大小；由旋转手柄和丝杆配合调整刀具的位置，其间通过微米级光栅尺实时监测位置变化；

4)带材的切割：装置按照设置好的参数运行，再根据所需要求进行切割，以制备多芯带材；

5)实时监测切割状态：实时观测切割装置的切割状态，对加工后的带材进行质量监督。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述装置按第一部分底座，第二部分送线结构；第三部分导向结构；第四部分加工结构，第三部分导向结构以及第二部分收线结构依次安装，安装完毕后接通电源，检测各伺服电机的运行是否正常。

9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述待切割的带材从放线卡盘中引出，经过导向结构部分的导向轮，然后在工作台根据带材宽度进行定位，再从导向结构另一侧的导向轮引出，最终在收线卡盘中收纳。

10.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述收线和放线结构中的伺服电机调整运行速度和确定张力大小；通过旋转手柄和丝杆配合调整刀具的位置，其间通过微米级光栅尺实时监测位置变化，以确保切割深度需求。

11.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述REBCO带材切割面为近超导层，即通过切割Cu稳定层、Ag保护层、超导层以及缓冲层形成凹槽，从而获得REBCO多芯带材。

12.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述切割装置的切割状态可实时监测，以监督切割后的带材质量，最后将检查合格的多芯超导带材用保护膜进行密封处理。

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