CN1220936A - 加工碳体的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及带有加工工具的方法和设备,其用于加工碳体,例如在焙烧的碳体上形成孔,特别是在生产铝的电解槽中使用的阳极上形成电极接头孔。该设备包括带有定位和固定碳体(1)的装置的定位装置(2)和带有至少一主轴(10)的工位(8),主轴用于转动并具有带有一个或多个切削件(40—45)的加工工具(9)。该主轴可绕水平轴线转动,可在三个相互垂直的方向上移动,主轴转动轴线在加工过程中可作行星式运动。加工工具由一个可具有抽吸装置的套包封。

Description

加工碳体的方法和设备

本发明涉及加工碳体的方法和带有加工碳体工具的设备，例如在碳体上形成孔，特别是在用于生产铝的电解槽中的阳极上形成电极接头孔。

在生产铝的现代电解设备中，所使用的阳极包括固定在阳极吊架上的预烘干或预焙碳体。阳极吊架通常包括一个上部、一个由铝制成的阳极捧和一个下部，下部具有一个座架，座架带有向下延伸的钢的电极接头。

碳体采用铸铁或整体衬料接头固定在阳极吊架的钢质部分上。更具体来说，碳体和钢质部分之间的接头是由钢质部分中的电极接头构成的，该接头首先被布置使其向下伸入碳体上的孔中，然后孔中注入熔融铸铁或将整体衬料压入其中。

在焙烧过程(预焙)之前，在碳体，所谓的生碳(green carbon)形成过程中，从传统的方式在碳体中形成孔。

这有下述缺点：

生碳必须以特殊的方式叠放在焙烧炉中以避免孔的蠕变和变形。这种特殊的叠放导致额外的工作，降低了焙烧能力，即，降低了生产率。

但是，即使进行了上述的预防措施，一些孔仍会变形，因而使一些碳体不能使用。报废率可达10％，在某些情形中更高。

与带有预制孔的碳体焙烧有关的另一个问题是填密材料可能迅速烧至孔壁。

其它的缺点是预先形成的电极接头孔伴有大的密度梯度，围绕电极接头孔的碳体中有许多小裂缝。这些裂缝导致高的接触电阻，这在电解过程中是很不符合需要的，因为电阻增加可能导致阳极和电极接头之间的接合部温度升高。

预先形成电极接头孔的另一个缺点是，用这种技术可以形成的几何形状受到限制，因为这些几何形状通常是采用在振动模中的凸起形成的，振动模必须设有一定的锥度，从而在压模完成时使其可从碳体中撤出。如果准备形成底切或圆锥形电极接头孔(这逐渐变得更为常见)，那么，孔必须进一步加工。

在焙烧后为清洁阳极接头孔曾提出过若干方案。例如，FR 2 590911描述了一种电极接头孔的两件式清洁工具，其中，外部的第一部分用于清洁孔壁上的槽，而第二部分用于弄光孔的周面和底部。第二部分是由一根转轴驱动的，而第一部分相对于转轴共轴布置及自由地支承。这种用于通过轴向运动清洁孔壁的设备将限制于清洁预成形的孔。

EP 0 764 728A描述一种用于在一个阳极上加工三个电极接头孔的设备。这种设备包括一个用于使带有预成形孔的阳极定心的定心装置、一个阳极的可升、降支承件和三根朝下的主轴，每根主轴带其自己的铣头，用于加工阳极的孔。

在上述出版物中提出，可以构想出使用加工工具无需预成形孔地在阳极块上形成孔，而且这可以以足够的精度完成，但是并没有给出这种工具的样子。

本发明提供一种在碳体焙烧后在碳体上形成孔的方法和设备，可以高精度地形成孔的几何形状，且设备上的磨损极小。另外，这种设备也可以用来除去碳体表面多余的材料，例如平整和修匀(gradening andsmoothing)。

本发明可以省去在“生的状态(green state)”的碳体上预成形电极接头孔。通过省去预成形孔，可以缩短与形成“生的状态”的碳体成形有关的振动时间，并且可以避免电极接头孔周围密度变化和裂缝问题。

另外，由于碳体没有可能塑性变形的电极接头孔，碳体在炉中的定位可以简化，因而本发明可显著降低焙烧成本。定位时间的缩短将有助于炉的能力的提高。

通过使点火曲线(firing curve)更陡，也可增加各个炉的能力，例如，由于碳体结构更均质(无电极接头孔)，因而可增大单位时间温度的变化。本发明也意味着，由于无需考虑如何布置阳极，因而可以使炉中的装填箱更满(增加产量)。

另外，焙烧后必须报废的碳体数目可以减少，这是由于碳体几何形状较为简单，因而变形较小的缘故。在焙烧过程中因形成裂缝而损坏的任何碳体，所造成的报废损失比以前降低，这是由于在焙烧前对其付出的工作量较小的缘故。

另外，还可以消除焙烧后的麻烦的操作，例如电极接头孔的清洁和校准。当手工完成上述操作时是很麻烦的，还会产生细小的灰尘和噪声。

另一个优点在于现在焙烧后的碳体可以迅速地适应阳极吊架的不同设计，从而可以降低阳极碳的储备量。另外，按照本发明，可以简单、迅速地形成各种几何形状的孔，例如，底切(圆锥形)或椭圆孔，或带有螺纹/轨道的孔。

另外，与按照本发明的机械加工相关，可以达到比现有技术更好(更小)的电极接头孔之间的公差偏差。

现在借助下述实例和附图详述本发明。

图1所示侧视图表示用于在碳体上形成孔的设备处于第一位置。

图2所示侧视图表示图1的设备处于第二位置。

图3表示从上方看去的带有两个工位的加工线。

图4a是按照本发明的加工工具的立体图。

图4b表示从下方看去的图4a所示的加工工具。

图5表示图4a和图4b所示加工工具的剖视图。

图1表示用于在碳体上形成孔的设备，其中，碳体1布置在定位装置2上。定位装置可以相关于输送轨道布置，包括一个水平支承面7和用于将碳体夹紧在相关于输送方向(未画出)的正确位置上的装置。一般碳体是长方形的，其输送方向相应于其纵向，另外，准备形成电极接头孔的表面朝上。另外，定位装置还包括一个或多个夹紧装置3，以便沿横向抵靠止动器4固定碳体。

定位装置可以使碳体相对于一个带有机加工组件11的工位8定位，例如，使用与一条臂6相连的直线电机(未画出)绕一根轴5摆动90°。当启动直线电机时，上述臂沿横向朝向输送轨道移动，带有碳体1的定位装置摆动，使水平支承表面处于竖直位置，见图2。

图示的机加工组件11一般包括一个安装在主轴10上的加工工具9，但是也可以使用与几根主轴相关的几个工具。带有三个电极接头孔的一个阳极的加工一般采用三根平行工作的主轴进行。在图示实施例中，主轴是围绕水平轴线转动的。

在工位8中，机加工组件11支承在底座12上，并具有一个用于在水平面上移动机加工组件的底盘13，因而可以沿碳体的深度方向和纵向进行机加工。为了沿碳体的横向加工，主轴10设计得可沿竖直方向移动。

工位8可具有程控组件(未画出)，因而使用底盘和主轴运动自由度使加工工具9可以占据水平面和竖直方向的全部位置。该工位可以包括确定碳体的形状和位置的装置(未画出)。与此有关的信息可包括在机器控制组件中，机器控制组件使用上述与加工和加工程序有关的信息。可编程机器例如CNC机床是机加工专业人员公知的，因而这里对机加工组件的实际控制不再赘述。

如图1和2所示，加工工具9安装在主轴10上。一个弹性套14可套在加工工具上。弹性套在一侧固定在机加工组件11上，并且另一侧具有一个孔。与碳体的加工有关，带有加工工具的主轴向前移向碳体。然后，套与碳体表面接触并与其形成密封。套的内部空间可连接于一个抽吸装置(未画出)，使加工中形成的颗粒和灰尘可从加工部位抽走。另外，加工工具本身可包括供应压缩空气的装置，其用于将颗粒和灰尘从正在被加工的孔吹出。弹性套可以包括一个波纹管或类似物，可以具有驱动器/直线电机15或弹簧装置(未画出)，其有助于使弹性套接触碳体并与其形成密封。

另外，图中虚线表示加工工具处于一个外部和下部位置。

图3表示从上方看去的带有两个工位108、108′的加工线。定位装置102、102′相关于工位布置，使碳体相对于工位定位。

待加工的碳体例如可借助输送轨道112进口处的卡车113或类似物送至输送轨道上。输送轨道112的出口可以布置得使碳体111′、111″从该处送至一条穿过定位装置102,102′的第二输送轨道114。加工后的碳体115借助输送轨道114从工位送至一个未画出的储存库。显然，该加工线一次也可以用一个工位工作。这样可以在不工作的工位上进行检验/保养。在要求高生产率的期间，两个工位可同时运转，使不由第一工位108′加工的碳体由在后的工位108加工。两工位可设置不同的工具，也可以为不同种类的悬挂(阳极吊架)的碳体的加工编制不同的程序。

图4a,4b和5表示可以用作设备一部分的加工工具。图4a和4b所示工具包括带有安装部分24和三条臂21,22,23的一个切削头20。安装部分可设计得带有内螺纹，或设计成其它用于连接主轴10的方式。上述臂具有发散的形状，臂在径向上的尺寸朝向切削头的外端是增加的。另外，上述臂在其周面上具有切削件43,44,45，在其轴向表面上具有切削件40,41,42。这些切削件一般可由陶瓷材料、硬质金属、(多晶的)金刚石或其它适用的公知材料制成。切削件可在臂上安装时错位，因而在加工期间切削件将在稍许相互错开的位置上工作。

图5表示图4a和4b的切削头的横剖面。图示切削头包括一条通道37和喷嘴36，以便将压缩空气送至电极接头孔的底部。压缩空气有助于将切除的材料如加工中产生的切屑送出孔外。在图示实施例中，压缩空气是通过工具中央输送供应的，而切削的输送则在工具外进行。

如图所示，该切削头设计得可以加工圆锥形电极接头孔。但是也可以借助工具形成圆柱形孔。该图的剖面通过带有工具形成的电极接头孔34的碳体1。该孔具有一圆柱形孔面31，这一般是借助位于切削头的区域32′中的切削件形成的，在加工过程中，切削头绕固定的轴线转动。孔面32是圆锥形的，朝向孔底部发散。该孔面是上述相同的切削件形成的，但是这里切削头在其下部位置5作行星式运动，即，切削头的转动轴线作圆周运动。如果切削头轴线在整个加工中是固定的，那么，除了在部分30′处的切削件形成的倒角30外，孔是圆柱形的。另外，通过切削头在整个加工过程中作圆形运动，即，转动轴线移动，连续地构成圆柱面的母线，也可以使用切削头形成直径大于切削头直径的圆柱形孔。

当切削头处于其下部位置时，使切削头转动轴线35作增大的圆周运动，这样可使孔呈圆锥形。如果准备使孔呈椭圆形，那么就用椭圆形运动代替上述圆周运动。这里应注意的是，如果需要，切削头转动轴线可设计得作其它曲线形状的运动。

使用这种设备，可以形成直径等于或大于切削头直径的孔，并使这些孔呈圆柱形或圆锥形，也可以使孔呈椭圆形。使用安装在臂的轴向部分33′上的切削件可以使形成的孔的底部为平面、或者，臂的轴向区域可以按照其它方式形成，例如，它们可以倒圆，或者如果需要的话可以包括能形成孔的中央沉头部分的切削件。

为了在孔中形成螺纹/轨道，可以使用一种带有向上延伸的径向切削件(未画出)的加工工具。采用本发明甚至可以在非圆柱形孔中加工螺纹。

进行的试验表明，上述加工工具在碳体加工过程中的磨损极小，可满足孔的精度和质量要求。业已表明这种加工工具切削碳材料不会产生碎片或形成裂缝，而且也已经表明不必采用任何润滑剂/冷却剂。

在加工中产生的切屑在适当的进给量和切削速度下是较粗颗粒的，因而几乎不会产生细小的灰尘。

在试验中，加工(钻削和形成圆锥形)带有三个电极接头孔的阳极实现了大约74秒钟的循环时间。电极接头孔具有160mm的直径和110mm的深度，底部带有圆锥形。

另外，使用按照本发明制造的阳极和带有预成形孔的阳极在电解炉中进行了对比试验。试验表明，按照本发明制成的阳极，其电极接头和阳极之间的接触电阻较低。

显然，上述工位的控制还可以涉及到碳体表面的修匀，使其达到可能的质量和不匀度。为了加工碳体的其它表面，碳体可以按照适当的方式转动(未画出)。上述加工可以通过工具和碳体之间的相对运动进行。或者，碳体可以相对于加工工具运动(未画出)。

Claims (13)

1．一种加工碳体，例如形成孔，特别是在生产铝的电解槽中使用的阳极上形成电极接头孔的方法，其特征在于：在碳体的形成和焙烧之后形成孔，而且孔(34)是借助一个或多个绕轴线(35)转动的切削件(40-42)形成的。

2．根据权利要求1所述的方法，其特征在于：切削件(40-42)以离开转动轴线(35)不同的径向距离转动。

3．根据权利要求1所述的方法，其特征在于：孔的壁面(30-32)是使用绕所述轴线转动的切削件(43-45)加工的，所述切削件以相对于轴线不同的轴向位置并可能以离开轴线不同的径向距离转动。

4．根据权利要求1-3所述的方法，其特征在于：切削件绕一水平轴线转动。

5．根据权利要求1-4所述的方法，其特征在于：切削件的转动轴线(35)在加工过程中沿曲线运动(行星式运动)。

6．一种加工焙烧的碳体，特别是在生产铝的电解槽中使用的阳极上形成电极接头孔的设备，其特征在于：所述设备包括一个带有用于定位和固定碳体(1)的装置的定位装置和一个带有至少一根用于转动的主轴(10)的工位(8)，所述主轴具有一个带有一个或多个切削件(40-45)的加工工具(9)。

7．根据权利要求6所述的设备，其特征在于：所述主轴(10)设计得在相互垂直的三个方向上移动。

8．根据权利要求7所述的设备，其特征在于：主轴(10)的运动可以按照预定的过程控制，使主轴在加工过程中可按照一规定的曲线在其横向上位移。

9．根据权利要求6所述的设备，其特征在于：所述主轴由一个可在轴向上屈让的套(14)包封，所述罩有一个抽吸装置以除去在加工过程中产生的颗粒和任何灰尘。

10．一种最好用于加工焙烧的碳体的加工工具，其特征在于：所述加工工具包括一个切削头(20)，其上带有用于在轴向和径向上进行加工的切削件(40-45)。

11．根据权利要求10所述的加工工具，其特征在于：所述切削头(20)包括三条臂(21,22,23)，切削件(40-45)固定在臂上，所述臂朝向切削头(20)的外端发散。

12．根据权利要求10所述的加工工具，其特征在于：所述切削头具有用于供应压缩空气的装置。

13．根据权利要求10所述的加工工具，其特征在于：所述切削件(40-45)由陶瓷材料、硬质金属或金刚石构成。

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