CN116092817A - 一种超导弧形斜螺线管cct、dct的骨架加工制造工艺 - Google Patents

一种超导弧形斜螺线管cct、dct的骨架加工制造工艺 Download PDF

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张小奇
牛小强
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郑金虎
俞树孝
张进龙
李顺顺
张文峰
钱文来
魏万彪
陶亚雷
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Abstract

本发明公开了一种超导弧形斜螺线管CCT、DCT的骨架加工制造工艺，CCT、DCT骨架的弧形半径相同，横截面圆管的外径、内径相同；骨架的弧形半径为R1，横截面圆管外径为ΦQ、横截面圆管内径为Φq；CCT骨架的圆心角为Q°，斜线槽与水平面的夹角为E°；DCT骨架的圆心角为W°，DCT骨架外表面设有环形跑道型线槽；加工工艺包括：1）CCT、DCT的骨架G10管的制作；2）CCT、DCT工装加工及安装；3）G10管安装定位；4）G10管粗加工；5）CCT骨架G10管精加工；6）DCT骨架G10管精加工。

Description

一种超导弧形斜螺线管CCT、DCT的骨架加工制造工艺
技术领域
本发明属于加工工艺技术领域，具体涉及一种超导弧形斜螺线管CCT、DCT的骨架加工制造工艺。
背景技术
弧形斜螺线管(Canted Cosine Theta ,CCT)超导偏转磁体是下一代小型化重离子治疗装置中超导同步加速器和超导Gantry的核心部件。CCT型超导线圈是一种新型线圈结构，通过控制空间曲线及端部结构获得所需要的磁场分布。对于该类型线圈，线槽加工精度、装配及支撑、弧形骨架成型与加工、层间预应力的施加、真空固化等技术难点都对磁体研发至关重要。该部件加工难度大，目前缺乏成熟可靠的加工工艺。
现有的一种工艺采用了不锈钢弯管，进行外径的数控精加工，再采用五轴绕线机进行边缠绕玻璃丝带刷环氧固化的方法，再进行数控车铣复合加工CCT、DCT骨架圆弧面外径及线圈槽，绕超导线；然后重复上面工序进行第二层的各工序；及三层、四层等工序。该存在以下问题：随着线圈增多，直径变大，在车铣复合加工会超差设备行程；质量变大，由于弯管的质心存在偏心现象，在车铣复合上装加难度困难；每层超导线之间增加了出线接线，增加了失超的风险；并且一个超导线圈的整个生产加工过程中，必须等前一道工序完成后，才能进行下一道工序，严重制约了批量生产效率。
发明内容
本发明提供了一种超导弧形斜螺线管CCT、DCT的骨架加工制造工艺，目的在于提供一种更成熟可靠的CCT、DCT的骨架加工制造工艺，以减少层与层之间接线头，降低失超的风险；解决线槽骨架增加后，车铣复合设备超行程，难以加工的问题。
为此，本发明采用如下技术方案：
一种超导弧形斜螺线管CCT、DCT的骨架加工制造工艺， CCT、DCT骨架的弧形半径相同，横截面圆管的外径、内径相同；骨架的弧形半径为R1，横截面圆管外径为ΦQ、横截面圆管内径为Φq；CCT骨架的圆心角为Q°，斜线槽与水平面的夹角为E°；DCT骨架的圆心角为W°，DCT骨架外表面设有环形跑道型线槽；其特征在于，制造工艺包括以下步骤：
1）CCT、DCT的骨架G10管的制作
按照设计要求铸造毛坯G10管，采用软模加热内涨，金属外模具外侧定位，管道采用玻璃纤维胶布铺叠的方式压注成形，保证G10管弧形半径R1的精度、管径ΦA0 +0.2的精度，满足设计要求；
2）CCT、DCT工装加工及安装
 = 1 \* GB3 \* MERGEFORMAT ①在第一套工装（图4所示）上加工3个定位弧板，定位弧板上表面设计加工圆弧定位槽；圆弧定位槽的弧形半径为R1，圆弧定位槽横截面的直径为ΦQ、圆心角小于180°；定位弧板定位槽两侧开设有若干竖直螺孔；作为第一次半精加工基准；
 = 2 \* GB3 \* MERGEFORMAT ②在第二套工装（图4所示）上，加工3个定位弧板上的圆弧定位槽，圆弧定位槽的弧形半径为R1,圆弧定位槽横截面的直径为ΦQ,定位弧板定位槽两侧开设有若干竖直螺孔；角度Q±0.01°或W±0.01°一端设计加工了角度定位块，确保误差不大于0.01°，作为端部定位的精加工基准；
对各定位弧板依次进行定位与工装底板上，并一起固定至机床的加工台上；如图4所示；
3）G10管半精加工
将步骤1）的毛坯G10管水平安装在步骤2）的第一套工装上，粗找正毛坯G10管左右对称装入工装圆弧定位槽内，对称度用百分表粗找正内弧与两端头相关线处在0.15mm内，未支撑部分毛坯G10管间隙处填充石膏垫实，防止加工时振动；再安装V形压板压紧毛坯G10管，每个底板上安装2个V形压板；加工圆弧半径为R1,圆弧直径为ΦQ,角度为Q±0.01°或W±0.01°；再在两端部位置没有斜螺旋线的G10管加工定位平面M、N，做为将零件翻转180°后装夹的找正基准（见图1及图2）；DCT线圈骨架的线槽是跑道型的，所以在设计时，就在跑道中间位置设计成平面，在精加工圆弧面时，就加工成平面做为零件翻身找正的基准；CCT线圈骨架在两端部加工如图1所示基准M、N;
4）G10管圆弧面加工
精加工G10管上半圆面外径，将G10管安装在第二套工装上，当机床刀头的加工路径接近V形压板时，拆除V形压板，刀头加工路径经过后重新安装V形压板；依次拆装加工路径上的各V形压板，直至完成加工G10管上半圆面外径ΦQ,圆弧定位槽的弧形半径为R1；再将该G10管的Q±0.01°或W±0.01°角加工到图纸尺寸，控制角度公差不大于±0.01°；依次重复一次步骤4）的加工，去掉V形压板，将G10管翻转180°装入工装圆弧定位槽内，精加工另一半圆弧面外径为ΦQ；采用G10管角度Q°或W°与角度定位板贴合，0.02塞尺不进；保证了重复定位误差小于0.04；精加工G10管另一半圆弧面外径至尺寸；（注意在找正过程中，间隙可以采用0.02塞尺进行调整）
5）CCT骨架G10管精加工
= 1 \* GB3①将步骤4）完成粗加工的圆心角为Q°的G10管安装至步骤2）的工装上，控制G10管一端面与邻近的定位块侧面重合，保证0.02mm塞尺不进；再用U形压板压紧G10管；确保精加工G10管定位误差不超过0.05，需要在计算机三维模型上给些点进行在数控机床上测量，确保误差在0.05内，再开始进行加工；并用石膏垫实防止加工时发颤，影响零件表面光洁度；
= 2 \* GB3②加工上半圆面斜度为E°的斜螺线槽至图纸尺寸要求；机床刀头的加工路径接近U形压板时，拆除U形压板，刀头加工路径经过后重新安装U形压板；依次拆装加工路径上的各U形压板，直至完成G10管上半圆面斜螺线槽加工；
= 3 \* GB3③去掉U形压板，将G10管翻转180°装入工装圆弧定位槽内，再进行①步骤的装夹找正，控制找正误差小于0.03mm；依次按②步骤完成另一半圆弧面精加工和斜螺线槽加工；（加工上下半螺旋线时，加工线槽需过半圆180°1个刀具直径）
6）DCT骨架G10管精加工
DCT骨架精加工选用步骤4）完成粗加工的圆心角为W°的G10管，DCT骨架G10管上半圆面外径精加工步骤和CCT骨架G10管精加工步骤= 1 \* GB3①= 2 \* GB3②相同；DCT骨架G10管完成上半圆面外径精加工后，按照图纸要求加工环形跑道线槽至图纸尺寸；去掉U形压板，将G10管翻转180°装入工装圆弧定位槽内，重新装夹找正，加工G10管另一半圆面外径和环形跑道线槽。
进一步地，所述步骤6）G10管完成上半圆面外径精加工后，在G10管顶面中心线上开若干定位孔；加工环形跑道线槽时，拆除U形压板，通过定位孔在G10管顶面安装弧形的水平压板。
进一步地，所述步骤4）G10管粗加工使用数控三轴加工中心。
进一步地，所述步骤5）CCT骨架G10管精加工使用数控五轴加工中心。
进一步地，所述步骤6）DCT骨架G10管精加工使用数控五轴龙门加工中心。
本发明的有益效果在于：
1.本发明的CCT、DCT的G10管毛坯料，整管工艺采用软模加热内涨，金属模具外侧定位，控制G10管道内径的公差精度，管道采用玻璃纤维胶布铺叠的方式压注成形；降低了加工内径的工艺难度，实现了多层嵌套安装的工艺突破。
2.本发明采用数控三轴加工中心粗加工外径，数控五轴加工中心上精加工CCT斜螺旋线槽骨架和DCT环形跑道线槽骨架，提高了各种型号规格的加工工艺的可行性；避免受到车铣复合五轴加工中心回转直径限制和加工更大规格型号的CCT、DCT的G10骨架时主轴头、刀具等与零件干涉的问题，需采购更大型号车铣复合五轴加工中心而产生的浪费；所以本发明的生产灵活性大，能更有经济效益的实现产品的研制，减少了研制过程中的风险和成本控制。
3.本发明加工的CCT、DCT的G10骨架确保了管道精度，在后续CCT、DCT的G10管道的装配提供基准，避免了原有缠绕式工艺，再加工后，进行绕超导线，再继续缠绕再上数控五轴加工上进行多次重复的工艺，这样会增加了后续加工过程中的工装成本，及加工过程中的风险，再任何一个环节超导线有问题，就会导致整个线圈报废，相比原有工艺有较大改进提升和可批量生产，且更具有经济价值。
4.本发明加工的CCT、DCT的G10线槽骨架，在进行浇注之前，可以进行检测，确保超导各接线满足设计要求后，再进行后续浇注工艺，减少了废品率，提高了产品质量。
附图说明
图1是本发明CCT骨架G10管的示意图；
图2是本发明DCT骨架G10管的示意图；
图3是本发明CCT、DCT骨架G10管的浇注毛坯示意图；
图4是本发明CCT、DCT骨架G10管的粗加工示意图；
图5是本发明CCT骨架G10管右端的1/3斜螺线槽加工示意图；
图6是本发明CCT骨架G10管中间的1/3斜螺线槽加工示意图；
图7是本发明CCT骨架G10管左端的1/3斜螺线槽加工示意图；
图8是本发明CCT骨架现场测试结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
一种超导弧形斜螺线管CCT、DCT的骨架加工制造工艺，CCT骨架如图1所示，DCT骨架如图2所示。 CCT、DCT骨架的弧形半径相同，横截面圆管的外径、内径相同；骨架的弧形半径为R1，横截面圆管外径为ΦQ、横截面圆管内径为Φq；CCT骨架的圆心角为Q°，斜线槽与水平面的夹角为E°；DCT骨架的圆心角为W°，DCT骨架外表面设有环形跑道型线槽。
超导弧形斜螺线管CCT、DCT的骨架加工制造工艺包括以下步骤：
1）CCT、DCT的骨架G10管的制作
按照设计要求铸造毛坯G10管，该制管采用软模加热内涨，金属外模具外侧定位，管道采用玻璃纤维胶布铺叠的方式压注成形，保证G10弯管偏转半径R1的精度、管径ΦA0 +0.2的精度，满足设计要求；
2）CCT、DCT工装加工及安装
 = 1 \* GB3 \* MERGEFORMAT ①在第一套工装（图4所示）上加工3个定位弧板，定位弧板上表面设计加工圆弧定位槽；圆弧定位槽的弧形半径为R1，圆弧定位槽横截面的直径为ΦQ、圆心角小于180°；定位弧板的圆弧定位槽两侧开设有若干竖直螺孔；作为第一次半精加工基准；
 = 2 \* GB3 \* MERGEFORMAT ②在第二套工装（图4所示）上，加工3个定位弧板上的圆弧定位槽，圆弧定位槽的弧形半径为R1,圆弧定位槽横截面的直径为ΦQ,定位弧板的圆弧定位槽两侧开设有若干竖直螺孔；角度Q±0.01°或W±0.01°一端设计加工了角度定位块，确保误差不大于0.01°，作为端部定位的精加工基准；
将各定位弧板依次进行定位至工装底板上，并一起固定至机床的加工台上；如图4所示；
3）G10管半精加工
将步骤1）的毛坯G10管水平安装在步骤2）的第一套工装上，粗找正毛坯G10管，左右对称装入工装圆弧定位槽内，对称度用百分表粗找正，内弧与两端头相关线处在0.15mm内，未支撑部分毛坯G10管间隙处填充石膏垫实，防止加工时零件振动；再安装V形压板压紧毛坯G10管，每个定位弧板上安装2个V形压板；加工圆弧半径为R1,圆弧直径为ΦQ,角度为Q±0.01°或W±0.01°；再在CCT骨架G10管两端加工定位平面M、N，作为将零件翻转180°后装夹的找正基准（见图1及图2）；
DCT骨架的线槽为跑道型，DCT骨架跑道中间位置设计成平面；精加工DCT骨架圆弧面时，将DCT骨架G10管环形跑道线槽中心加工成平面，该平面作为DCT骨架G10管翻转180°后找正的精基准；
CCT线圈骨架在两端部加工如图1所示基准M、N;
4）G10管圆弧面加工
精加工G10管上半圆面外径，将G10管安装在第二套工装上，当机床刀头的加工路径接近V形压板时，拆除V形压板，刀头加工路径经过后重新安装V形压板；依次拆装加工路径上的各V形压板，直至完成加工G10管上半圆面外径ΦQ,圆弧定位槽的弧形半径为R1；再将该G10管的Q±0.01°或W±0.01°角加工到图纸尺寸，控制角度公差不大于±0.01°；依次重复一次步骤4）的加工，去掉V形压板，将G10管翻转180°装入工装圆弧定位槽内，精加工另一半圆弧面外径为ΦQ；采用G10管角度Q°或W°与角度定位板贴合，0.02mm塞尺不进；保证了重复定位误差小于0.04；精加工G10管另一半圆弧面外径至尺寸；（注意在找正过程中，间隙可以采用0.02塞尺进行调整）
5）CCT骨架G10管精加工
= 1 \* GB3①将步骤4）完成粗加工的圆心角为Q°的G10管安装至步骤2）的工装上，控制G10管一端面与邻近的定位块侧面重合，保证0.02mm塞尺不进；再用U形压板压紧G10管；确保精加工G10管定位误差不超过0.05mm，需要在计算机三维模型上给些点进行在数控机床上测量，确保误差在0.05mm内，再开始进行加工；并用石膏垫实防止加工时零件振动，影响零件表面光洁度；
= 2 \* GB3②加工上半圆面斜度为E°的斜螺线槽至图纸尺寸要求；机床刀头的加工路径接近U形压板时，拆除U形压板，刀头加工路径经过后重新安装U形压板；依次拆装加工路径上的各U形压板，直至完成G10管上半圆面斜螺线槽加工；
= 3 \* GB3③去掉U形压板，将G10管翻转180°装入工装圆弧定位槽内，再进行①步骤的装夹找正，控制找正误差小于0.03mm；依次按②步骤完成另一半圆弧面精加工和斜螺线槽加工（加工上下半螺旋线时，加工线槽需过半圆180°1个刀具直径）。
6）DCT骨架G10管精加工
DCT骨架精加工选用步骤4）完成粗加工的圆心角为W°的G10管，DCT骨架G10管上半圆面外径精加工步骤和CCT骨架G10管精加工步骤= 1 \* GB3①= 2 \* GB3②相同；DCT骨架G10管完成上半圆面外径精加工后，按照图纸要求加工环形跑道线槽至图纸尺寸；去掉U形压板，将G10管翻转180°装入工装圆弧定位槽内，重新装夹找正，加工G10管另一半圆面外径和环形跑道线槽。
Canted Cosine Theta（以下简称CCT）超导磁体取得重大进展，是国内首次成功研制该类型超导磁体，在世界范围内也是首次研制90°偏转的该类型磁体。经过研发团队一年多的努力攻关，于2022年8月23日进行了液氦低温测试。测试过程中，磁体经过失超锻炼后达到设计电流610A，产生了场强2T的磁场，与设计值完全符合。

Claims (6)

1.一种超导弧形斜螺线管CCT、DCT的骨架加工制造工艺， CCT、DCT骨架的弧形半径相同，横截面圆管的外径、内径相同；骨架的弧形半径为R1，横截面圆管外径为ΦQ、横截面圆管内径为Φq；CCT骨架的圆心角为Q°，斜线槽与水平面的夹角为E°；DCT骨架的圆心角为W°，DCT骨架外表面设有环形跑道型线槽；其特征在于，制造工艺包括以下步骤：
超导弧形斜螺线管CCT、DCT的骨架加工制造工艺包括以下步骤：
1）CCT、DCT的骨架G10管的制作
按照设计要求铸造毛坯G10管；
 2）CCT、DCT工装加工及安装
在第一套工装上加工3个定位弧板，定位弧板上表面设计加工圆弧定位槽；圆弧定位槽的弧形半径为R1，圆弧定位槽横截面的直径为ΦQ、圆心角小于180°；定位弧板的圆弧定位槽两侧开设有若干竖直螺孔；作为第一次半精加工基准；
在第二套工装上，加工3个定位弧板上的圆弧定位槽，圆弧定位槽的弧形半径为R1，圆弧定位槽横截面的直径为ΦQ,定位弧板的圆弧定位槽两侧开设有若干竖直螺孔；角度Q±0.01°或W±0.01°一端设计加工角度定位块，确保误差不大于0.01°，作为端部定位的精加工基准；
将各定位弧板依次进行定位至工装底板上，并一起固定至机床的加工台上；
3）G10管半精加工
将步骤1）的毛坯G10管水平安装在步骤2）的第一套工装上，粗找正毛坯G10管，左右对称装入工装圆弧定位槽内，对称度用百分表粗找正，内弧与两端头相关线处在0.15mm内，未支撑部分毛坯G10管间隙处填充石膏垫实，防止加工时零件振动；再安装V形压板压紧毛坯G10管，每个定位弧板上安装2个V形压板；加工圆弧半径为R1,圆弧直径为ΦQ,角度为Q±0.01°或W±0.01°；再在CCT骨架G10管两端加工定位平面M、N，作为将零件翻转180°后装夹的找正基准；
DCT骨架的线槽为跑道型，DCT骨架跑道中间位置设计成平面；精加工DCT骨架圆弧面时，将DCT骨架G10管环形跑道线槽中心加工成平面，该平面作为DCT骨架G10管翻转180°后找正的精基准；
4）G10管圆弧面加工
精加工G10管上半圆面外径，将G10管安装在第二套工装上，当机床刀头的加工路径接近V形压板时，拆除V形压板，刀头加工路径经过后重新安装V形压板；依次拆装加工路径上的各V形压板，直至完成加工G10管上半圆面外径ΦQ,圆弧定位槽的弧形半径为R1；再将该G10管的Q±0.01°或W±0.01°角加工到图纸尺寸，控制角度公差不大于±0.01°；依次重复一次步骤4）的加工，去掉V形压板，将G10管翻转180°装入工装圆弧定位槽内，精加工另一半圆弧面外径为ΦQ；采用G10管角度Q°或W°与角度定位板贴合，0.02mm塞尺不进；保证了重复定位误差小于0.04；精加工G10管另一半圆弧面外径至尺寸；
5）CCT骨架G10管精加工
将步骤4）完成粗加工的圆心角为Q°的G10管安装至步骤2）的工装上，控制G10管一端面与邻近的定位块侧面重合，保证0.02mm塞尺不进；再用U形压板压紧G10管；确保精加工G10管定位误差不超过0.05mm，并用石膏垫实防止加工时零件振动，影响零件表面光洁度；
加工上半圆面斜度为E°的斜螺线槽至图纸尺寸要求；机床刀头的加工路径接近U形压板时，拆除U形压板，刀头加工路径经过后重新安装U形压板；依次拆装加工路径上的各U形压板，直至完成G10管上半圆面斜螺线槽加工；
去掉U形压板，将G10管翻转180°装入工装圆弧定位槽内，再进行①步骤的装夹找正，控制找正误差小于0.03mm；依次按②步骤完成另一半圆弧面精加工和斜螺线槽加工；
6）DCT骨架G10管精加工
DCT骨架精加工选用步骤4）完成粗加工的圆心角为W°的G10管，DCT骨架G10管上半圆面外径精加工步骤和CCT骨架G10管精加工步骤 相同；DCT骨架G10管完成上半圆面外径精加工后，按照图纸要求加工环形跑道线槽至图纸尺寸；去掉U形压板，将G10管翻转180°装入工装圆弧定位槽内，重新装夹找正，加工G10管另一半圆面外径和环形跑道线槽。
2.根据权利要求1所述的超导弧形斜螺线管CCT、DCT的骨架加工制造工艺，其特征在于，所述步骤6）G10管完成上半圆面外径精加工后，在G10管顶面中心线上开若干定位孔；加工环形跑道线槽时，拆除U形压板，通过定位孔在G10管顶面安装弧形的水平压板。
3.根据权利要求1所述的超导弧形斜螺线管CCT、DCT的骨架加工制造工艺，其特征在于，所述步骤1中，G10管采用软模加热内涨，金属外模具外侧定位，管道采用玻璃纤维胶布铺叠的方式压注成形，保证G10弯管偏转半径的精度、管径的精度，满足设计要求。
4.根据权利要求1所述的超导弧形斜螺线管CCT、DCT的骨架加工制造工艺，其特征在于，所述4）G10管粗加工使用数控三轴加工中心。
5.根据权利要求1所述的超导弧形斜螺线管CCT、DCT的骨架加工制造工艺，其特征在于，所述5）CCT骨架G10管精加工使用数控五轴加工中心。
6.根据权利要求1所述的超导弧形斜螺线管CCT、DCT的骨架加工制造工艺，其特征在于，所述6）DCT骨架G10管精加工使用数控五轴龙门加工中心。
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