CN102205438A - 一种弯管内表面的铣削加工设备及方法 - 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设备及方法。本发明包括设备床身、立柱、支撑杆、夹紧装置、回转铣削装置、工作台和导轨。本发明采用导轨引导配合齿轮传动的方式，由伺服电机驱动，通过沿导轨的圆弧运动和绕滑块的回转运动配合电主轴的切削运动，沿弯管母线方向的螺旋进给切削运动，实现了弯管弧线段内表面的机械加工。设备传动平稳、可靠，机构设计简单，控制方式简单直接，切削状态稳定，切削冲击载荷小，表面质量好，效率高，精度高。本设备和方法适用于各类大中型弯管零件弧线段内表面加工。

Description

一种弯管内表面的铣削加工设备及方法

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设备及方法。

背景技术

弯管零件在工程领域中起着十分关键的作用，一些弯管零件需要对其进行机械冷加工来保证质量。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。目前我国引进的第三代AP1000核电技术采用的是整锻式制造，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。弯制工艺过程导致的主管道内外表面的缺陷不可避免，因此必须对内表面进行精加工。第三代主管道整锻式一体化成形方式一方面将服役寿命由40年提高到60年的同时，另一方面也极大增加了最终精加工的难度。

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。弯制工艺使内表面由原本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，曲率变化大，从而导致加工时与零件表面接触的刀具部位不断变化，切削状态不断变化，产生的冲击载荷大而且变化剧烈，加工纹路疏密不均，导致加工质量不一致。同时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，极大程度上限制了刀具的运动姿态，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。

针对弯曲后的管道的后续机械加工，目前没有成熟的技术方法和设备。特别是整锻式主管道经弯制后的内表面加工，国内仅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，而且由于磨损大而导致精度不高。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***、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设备，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。本发明采用导轨引导配合齿轮传动的方式，传动平稳、可靠，效率高，精度高，克服现有可摆动的动力镗削设备的传动效率低、精度低的缺陷，实现了弯管弧线段内表面的机械加工。

本发明采用的技术方案如下：

一种弯管内表面的铣削加工设备，包括设备床身、立柱、支撑杆、夹紧装置、回转铣削装置、工作台和导轨；设备床身上安装有导轨，导轨上安装有可沿设备床身的X轴方向移动的工作台，工作台上安装有固定加工弯管零件的夹紧装置；设备床身上固定安装有立柱，立柱固定连接有支撑杆，支撑杆的前端固定连接有由圆弧导轨副组成的回转铣削装置。

所述的回转铣削装置包括第一齿轮、第一伺服电机、圆弧滑块、第二伺服电机、第二齿轮、电主轴、带齿圈的轴承、带齿圆弧导轨和可调的支撑架；带齿圆弧导轨固定连接在支撑杆端部，其两端安装有可调的支撑架；带齿圆弧导轨上还安装有沿导轨滑动的圆弧滑块，圆弧滑块上固定安装有第一伺服电机，第一伺服电机连接有与带齿圆弧导轨啮合的第一齿轮；圆弧滑块上还固定安装有带齿圈的轴承，带齿圈的轴承上固定有切削电主轴；圆弧滑块上还固定安装有第二伺服电机，第二伺服电机连接有与带齿圈的轴承啮合的第二齿轮。

本发明采用一根或两根以上的圆弧导轨配合使用，使用两根以上圆弧导轨时，安装方式有两种：一种采用水平并排铺设，防倾覆效果更好；一种采用对称配对铺设，回转切削的稳定性更高。

本发明具有的明显效果有：

(1)通过由带齿圆弧导轨引导的圆弧滑块的圆弧运动和基于圆弧滑块的回转运动形成的复合运动，即刀轴朝向弯管圆周径向做沿弯管纵向母线方向的螺旋进给运动，带动电主轴和刀具，实现了弯管弧线段内表面的加工。

(2)去除量变化平缓，切削状态较为一致，有效降低了切削冲击载荷，表面质量一致性较好，能够达到Ra3.2及以上的粗糙度要求。

(3)圆弧滑块沿圆弧导轨的滑动和切削电主轴的回转运动，均由带制动的伺服电机来控制，实现了精确的速度控制和位置控制。

(4)本设备机构设计较简单，传动链短，控制方式简单直接，加工方法适用于各类弯管类零件的弧线段内表面的加工。

附图说明

附图1是加工设备整体结构示意图。

附图2是回转铣削装置各零件的连接主视图。

附图3是回转铣削装置各零件的连接A-A剖视图。

附图4是回转铣削装置各零件的连接俯视图。

附图5是可调支撑架示意图。

图中：1设备床身，2立柱，3支撑杆，4夹紧装置，5回转铣削装置，6工作台，7导轨；

5-1第一齿轮，5-2第一伺服电机，5-3圆弧滑块，5-4第二伺服电机，5-5第二齿轮，5-6电主轴，5-7带齿圈的轴承，5-8带齿圆弧导轨，5-9可调的支撑架。

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方式，将本设备及方法实施到典型的主管道零件上，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11吨，外表面有两个成一定角度的接管嘴，两端直线段和弧线段相切连接。管道尺寸为内径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所示，加工设备是基于设备床身构成的，包括设备床身、立柱、支撑杆、夹紧装置、回转铣削装置、工作台和导轨。设备床身上安装有导轨，导轨上安装有可沿导轨移动的工作台，移动方向是沿设备床身的X方向，驱动工作台由步进电机带动滚珠丝杠来实现。工作台的沿设备床身X轴运动是为了调整弯管固定于工作台后的X轴的位置。

工作台上安装有固定加工弯管零件的夹紧装置。夹紧装置固定弯管零件的位置在与X轴平行一端的直线段外表面。夹紧装置由固定块和活动快组成，固定块同时起到确定Y轴位置的作用，工作时依靠手动即可完成定位夹紧工作。

设备床身上还固定安装有立柱，立柱固定连接有处于水平位置的支撑杆，鉴于弯管尺寸较大，支撑杆伸出的悬臂很长，为保持平衡，可在支撑杆反方向安装平衡块来减小由于偏重带来的变形。

支撑杆的前端固定连接有由圆弧导轨副组成的回转铣削装置。该装置是完成弯管弧线段内表面加工的主要部件。主要组成分为四大模块，如图2、图3和图4：

第一模块：圆弧运动模块。包括带齿圆弧导轨、圆弧滑块、固定于圆弧滑块上的第一伺服电机和第一齿轮。带齿圆弧导轨的齿可以直接加工在导轨内侧，也可以将圆弧齿条固定于导轨内侧。带齿圆弧导轨的一端和支撑杆固定连接。其刚性依靠支撑杆和与其两端固定连接的可调的支撑架来保证。圆弧导轨的圆弧中心和弯管的弧线段中心重合，其作用是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。圆弧运动的动力由第一伺服电机提供，通过带动与带齿圆弧导轨啮合的第一齿轮，实现圆弧进给运动。第一伺服电机具有自制动功能，可以实现精确的速度和位置控制。

第二模块：回转运动模块。包括固定于圆弧滑块上的第二伺服电机和第二齿轮以及和第二齿轮啮合的带齿圈的轴承。该模块的部件均附着在圆弧滑块上，第二伺服电机带动第二齿轮旋转，第二齿轮带动带齿圈的轴承以及固定在上面的电主轴进行回转运动。为方便其他部件的安装，圆弧滑块的外形制作为固定两个电机的部分为方形，而固定带齿圈的轴承的部分为圆弧形。带齿圈的轴承的外圈一侧带齿，作为与第二伺服电机带动的第二齿轮的啮合部分，另一侧固定有电主轴。第二伺服电机同样具有自制动功能，可以实现精确的速度和位置控制。

第三模块：电主轴切削模块。包括固定于带齿圈的轴承上的电主轴和切削刀具。电主轴结构紧凑、重量轻、惯性小、振动小、响应快、功率大，大大简化了结构设计。电主轴附带有高频变频装置、油雾润滑器、冷却装置、内置编码器、换刀装置等附件，可以方便的对加工速度等进行控制。

第四模块：支撑模块。主要包括固定于带齿圆弧导轨两端的可调的支撑架。该模块的功能就是提高回转铣削装置整体的刚性和稳定性，从而保证加工质量和切削效率。

本发明所述的铣削加工设备的使用方法，具体步骤如下，

(1)准备加工对象和加工设备等。即弯管零件、本发明设备以及刀具等；

(2)在设备工作台上对弯管进行定位和夹紧。利用弯管外表面对其进行定位，首先将弯管平放于加工设备的工作台上，使弯管外表面和工作台紧贴在一起，进而利用工作台表面就对弯管进行了Z向精确定位；移动弯管使其指定的一端的直线段处于设备的X轴方向，轻轻移动弯管，使直线段部分外表面与夹紧装置的固定块贴靠在一起，从而确定了Y向的精确定位；手动闭合夹紧装置，同时对弯管另一端等合适部位进行紧固，防止在加工过程中有松动。夹紧弯管后，通过步进电机带动滚珠丝杠，滚珠丝杠带动工作台，调整弯管在设备X向的位置，最终确定X向的精确位置，至此完成了弯管的夹紧和定位。

(3)安装回转铣削装置。在定位夹紧过程中，支撑杆就已经深入到了弯管的内部，弯管定位夹紧后也就处于了铣削加工的准确位置。将回转铣削装置固定于支撑杆上，基于设备床身、支撑杆以及弯管的相对准确位置，故装置也处于加工的正确位置，即圆弧导轨和弯管母线共圆心、装置回转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。旋转可调支撑架上支撑脚的螺栓，调节可调节支撑架的支撑脚长度，使支撑架稳定支撑整套装置，使装置在加工中有足够的刚性和稳定性。

(4)加工开始。首先将装置调整至切削起点，即弯管弧线段的一端。然后控制电主轴带动刀具旋转，调节置于电主轴上的微量调节装置，实现电主轴带动刀具沿弯管径向的微量进给，完成对刀。然后按照既定切削深度用量继续进给至准确位置。然后控制回转进给驱动第二伺服电机带动电主轴和刀具进行回转切削。注意：此时没有没有启动圆弧进给驱动第一伺服电机，进行2～3周的无圆弧纵向进给切削加工，目的是保证切削入刀的稳定和加工质量。之后启动圆弧进给驱动第一伺服电机，配合回转进给驱动第二伺服电机与电主轴进行沿弯管母线的螺旋进给切削，从弯管弧线段的一端至另一端，进而完成弯管弧线段内表面的加工。过程中通过精确控制电主轴、圆弧进给驱动第一伺服电机和回转进给驱动第二伺服电机的转速，实现对切削表面形貌和质量的控制。当加工至弧线段另一端，即加工末尾阶段时，工作步骤和先前相反，即先制动圆弧进给驱动第一伺服电机，停止圆弧方向的进给，完成2～3周的无纵向进给切削加工之后，制动回转进给驱动第二伺服电机，停止回转切削运动，然后利用微量调节装置使刀具朝圆周径向的反方向退刀，最后停止电主轴。

(5)解除可调支撑架的支撑，卸下回转铣削装置，松开夹紧装置，卸下弯管，加工结束。

该设备和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。机构设计简单，传动链短，控制方式简单直接，切削状态稳定，切削冲击载荷小，表面质量好，效率高。

Claims (3)

1.一种弯管内表面的铣削加工设备，包括设备床身(1)、立柱(2)、支撑杆(3)、夹紧装置(4)、回转铣削装置(5)、工作台(6)和导轨(7)；其特征在于：设备床身(1)上安装有导轨(7)，导轨(7)上安装有可沿设备床身(1)X轴方向移动的工作台(6)，工作台(6)上安装有固定加工弯管零件的夹紧装置(4)；设备床身(1)上固定安装有立柱(2)，立柱(2)固定连接有支撑杆(3)，支撑杆(3)的前端固定连接有由圆弧导轨副组成的回转铣削装置(5)；

回转铣削装置(5)包括第一齿轮(5-1)、第一伺服电机(5-2)、圆弧滑块(5-3)、第二伺服电机(5-4)、第二齿轮(5-5)、电主轴(5-6)、带齿圈的轴承(5-7)、带齿圆弧导轨(5-8)、可调的支撑架(5-9)；带齿圆弧导轨(5-8)固定连接在支撑杆(3)端部；带齿圆弧导轨(5-8)两端安装有可调的支撑架(5-9)；带齿圆弧导轨(5-8)上还安装有沿导轨滑动的圆弧滑块(5-3)，圆弧滑块(5-3)上固定安装有第一伺服电机(5-2)，第一伺服电机(5-2)连接有与带齿圆弧导轨(5-8)啮合的第一齿轮(5-1)；圆弧滑块(5-3)上还固定安装有带齿圈的轴承(5-7)，带齿圈的轴承(5-7)上固定有电主轴(5-6)；圆弧滑块(5-3)上还固定安装有第二伺服电机(5-4)，第二伺服电机(5-4)连接有与带齿圈的轴承(5-7)啮合的第二齿轮(5-5)。

2.根据权利要求1所述的铣削加工设备，其特征还在于，采用一根或两根以上圆弧导轨，使用两根以上圆弧导轨时，对其进行水平并排铺设或对称配对铺设。

3.权利要求1或2所述铣削加工设备的使用方法，其特征在于如下步骤，

a、加工前准备：在设备工作台(6)上对弯管进行定位和夹紧；以弯管外表面为基准对弯管进行定位，利用夹紧装置(4)的固定块和工作台面，完成Y向和Z向定位，然后闭合夹紧装置(4)，然后通过步进电机带动滚珠丝杠驱动工作台沿设备X向移动，完成X向的定位；最后安装回转铣削装置(5)；将回转铣削装置(5)准确固定于支撑杆(3)上，基于设备床身(1)和支撑杆(3)以及弯管的相对准确位置，装置也处于加工的准确位置，即圆弧导轨和弯管母线共圆心、装置回转中心和弯管截面共圆心以及沿弯管母线方向装置也处于准确位置；通过调节可调的支撑架(5-9)的支撑脚长度，使支撑架(5-9)稳定支撑整套装置；

b、加工：首先将滑块置于切削起点，即弯管弧线段的一端；然后控制电主轴(5-6)带动刀具旋转，调节置于电主轴(5-6)上的微量调节装置，实现电主轴(5-6)带动刀具沿弯管径向的微量进给，完成对刀；然后按照既定切削深度用量继续进给至准确位置；然后控制回转进给驱动第二伺服电机(5-4)带动电主轴(5-6)和刀具进行回转切削，即进行2～3周的无圆弧纵向进给切削加工；之后启动圆弧进给驱动第一伺服电机(5-2)，配合回转进给驱动第二伺服电机(5-4)与电主轴(5-6)进行沿弯管母线的螺旋进给切削，从弯管弧线段的一端至另一端，进而完成弯管弧线段内表面的加工；过程中通过精确控制电主轴(5-6)、圆弧进给驱动第一伺服电机(5-2)和回转进给驱动第二伺服电机(5-4)的转速，实现对切削表面形貌和质量的控制；当加工至弧线段另一端，即加工末尾阶段时，工作步骤和先前相反，即先制动圆弧进给驱动第一伺服电机(5-2)，停止圆弧方向的进给，完成2～3周的无纵向进给切削加工之后，制动回转进给驱动第二伺服电机(5-4)，停止回转切削运动，然后利用微量调节装置使刀具朝圆周径向的反方向退刀，最后停止电主轴(5-6)；

c、结束加工；解除可调支撑架(5-9)的支撑，卸下回转铣削装置(5)，松开夹紧装置(4)，卸下弯管。

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