CNG車載瓶端部機械加工柔性組合機床的開發(fā)

姚榮慶 陸國棟 黃召亮

1.浙江大學流體傳動及控制國家重點實驗室，杭州，310027

2.浙江機電職業(yè)技術學院，杭州，310053

0 引言

CNG（compressed natural gas）車載瓶用于盛裝壓縮天然氣，是一種可重復充裝的移動式高壓容器，已廣泛應用于能源、交通行業(yè)和航空、醫(yī)療、軍事等。CNG車載瓶口的機械加工技術對高壓天然氣瓶具有至關重要的作用，直接影響其耐壓能力和安全性［1］。我國高壓天然氣瓶加工技術主要從國外引進，尚無具有自主知識產(chǎn)權的高水平專用數(shù)控機床。質量較小的CNG車載瓶可在傳統(tǒng)車床上經(jīng)改進工藝進行加工［2］，而大質量的車載瓶因其慣性大，不能仍然采用工件旋轉的加工方法進行加工。高壓天然氣瓶的機械加工是多工序、多任務的加工，可采用工序集中的組合機床進行加工。傳統(tǒng)的組合機床是剛性的專用機床，一般由具有獨立功能的通用部件和專用部件組成，柔性不足［3］。本文針對CNG車載瓶端部機械加工柔性組合機床的開發(fā)進行探討。

1 CNG車載瓶組合機床結構布局

CNG車載瓶瓶體由無縫鋼管旋壓制成，瓶口端和底部需切削加工，基本尺寸如圖1所示。CNG車載瓶端部機械加工機床是一臺多工序加工的柔性組合機床，一次裝夾能完成車端面、外圓、孔和銑螺紋等工序的加工。機床包括機械、電氣、液壓、光電、數(shù)控等系統(tǒng)［4］。根據(jù)車載瓶端部機械加工的設計需求，抽象化設計任務，建立組合機床的功能模型如圖2所示。

圖1 CNG車載瓶零件圖

圖2 CNG車載瓶組合機床功能模型

CNG車載瓶端部機械加工組合機床的主要部件由車削動力頭、銑削螺紋動力頭、送料架、夾料架、升料架等組成。這些部件在數(shù)控程序控制下，完成工件裝夾和瓶口端部的車、銑等多工序加工任務。具體動作流程如圖3所示。

圖3 CNG車載瓶組合機床動作流程圖

CNG車載瓶端部機械加工柔性組合機床三維結構如圖4所示。夾料架12中安裝有瓶口端部定位模具，工件由送料架驅動油缸1在定位模具中定位，以尾部夾緊機構14實施夾緊，保證工件在加工過程中保持靜止不動。車削動力頭5由Y1主電機6驅動，X 軸伺服電機4實現(xiàn)徑向進給，Y1伺服電機7實現(xiàn)軸向進給，成型刀具切削完成端部外圓、內孔和端面的加工。銑削螺紋動力頭11由變頻電機10驅動，由X軸伺服電機4、Y2伺服電機8和Z軸伺服電機共同實現(xiàn)瓶口內螺紋的旋風銑削。

圖4 CNG車載瓶組合機床三維結構圖

瓶口加工時的換刀由X軸伺服電機驅動車削動力頭5和銑削螺紋動力頭11實現(xiàn)，裝在兩個動力頭上的刀具，通過工作臺移置，在數(shù)控程序中設置好對刀點，無需換刀，即可進行工序切換，與傳統(tǒng)轉塔刀架相比，大大節(jié)省了換刀時間，具體見表1［5］，其中括號內為轉塔刀架數(shù)據(jù)。

表1 移置式動力頭與傳統(tǒng)轉塔刀架換刀耗時比較

按照CNG車載瓶端部機械加工柔性組合機床的功能模型，經(jīng)過多次論證后確定總體方案并完成設計，最后制造成功的機床如圖5所示。

圖5 CNG車載瓶端部機械加工組合機床總體布局圖

2 CNG車載瓶組合機床的電氣液壓控制系統(tǒng)

2.1 電氣控制原理

組合機床的電氣控制主要由西門子的SINUMERIK 802C數(shù)控系統(tǒng)和SIODRIVE 611U伺服驅動控制系統(tǒng)組成，分別控制X、Y、Z向進給和主電機變頻器，其控制原理如圖6所示。

2.2 液壓控制原理

液壓控制原理如圖7所示。夾緊油缸回路由減壓閥和機械限位式二位四通閥組合而成；推料油缸回路由減壓閥和機械限位式二位四通閥組成；抬起油缸和轉角油缸都分別采用一只二位四通電磁閥控制；平衡油缸回路由一只減壓閥調整壓力。液壓控制系統(tǒng)在機床數(shù)控程序控制下實現(xiàn)了工件上下料及定位夾緊的自動化，增加了柔性，提高了效率。

圖6 電氣控制原理圖

3 CNG車載瓶組合機床的其他部件

3.1 具有自適應補償缺陷的組合機床瓶底加工圖像反饋系統(tǒng)［6］

具有自適應補償缺陷瓶底加工圖像反饋系統(tǒng)流程如圖8所示。用CCD攝像采集瓶底圖像，提取實際的外形輪廓，經(jīng)圖像處理適應性補償毛坯缺陷和工件安裝時產(chǎn)生的加工誤差，將符合實際瓶底現(xiàn)狀的相對光滑的瓶底曲線數(shù)據(jù)提供給數(shù)控系統(tǒng)，生成理想的刀具路徑，實現(xiàn)了根據(jù)瓶底圖像反饋的實際尺寸來控制刀具進給和調節(jié)切削用量，有效保證了鋼瓶的強度和質量。圖9為瓶底加工效果圖。

3.2 組合機床的霧化冷卻潤滑

圖7 組合機床液壓控制原理圖

圖8 具有自適應補償缺陷的圖像反饋流程

組合機床采用霧化冷卻潤滑的切削技術，在切削加工過程中將以水為主體的切削液用壓力泵經(jīng)過刀具體內置通道輸送到刀頭噴嘴，高速噴向切削區(qū)域。切削液在加工區(qū)附近發(fā)生汽化，霧化冷卻液在切削區(qū)域迅速完成熱交換，使刀具和工件獲得理想的冷卻效果。

表2所示為測得的霧化冷卻和澆注式冷卻降溫情況，其中，θ1為霧化冷卻方式的溫度，θ2為澆注式冷卻方式的溫度，降溫比率為霧化冷卻相對于澆注式冷卻的溫度降低比率。從表2可以明顯看出，霧化冷卻具有優(yōu)勢，切削速度越高，效果越明顯。

圖9 基于圖像反饋的瓶底加工效果圖

表2 霧化冷卻與澆注冷卻比較表

4 結論

（1）CNG車載瓶端部機械加工柔性組合機床是一個復雜的機電系統(tǒng)，集成采用了光、機、電和氣液一體化技術，實現(xiàn)了操作的自動化。（2）通過程序設定和更換車削刀具和夾緊模具，可以加工不同規(guī)格的高壓天然氣瓶，提高了組合機床的柔性。（3）裝在兩個工作頭上的刀具，通過工作臺移置，在數(shù)控程序中設置好對刀點，不需換刀，即可進行工序切換，縮短了換刀時間。（4）將移置式數(shù)控動力頭、基于圖像反饋的刀具路徑誤差補償、霧化冷卻等關鍵技術應用于CNG車載瓶端部機械加工柔性組合機床設計中，獲得了理想的生產(chǎn)效率、零件加工質量和刀具壽命。

［1］彭紅濤.天然氣汽車發(fā)展中存在的問題及對策研究［J］.煤氣與熱力，2006，26（3）：26－28.

［2］廖萍，周一丹，吳國慶，等.大尺寸鋼管端部螺紋加工專用數(shù)控機床［J］.機械設計與研究，2005，21（4）：106－108.

［3］李秀敏.組合機床行業(yè)現(xiàn)狀與發(fā)展思考［J］.航空制造技術，2003（4）：41－43.

［4］Jr.Lyle F F.Evaluation of the Effects of Natural Gas Contaminants on Corrosion in Compressed Natural Gas Storage Systems－phase Ⅱ ［R］.U.S.Southwest Research Institute，1989.

［5］黃召亮，陸國棟，王進.大尺寸CNG鋼瓶口加工關鍵技術研究［J］.機械工程師，2010（1）：90－92.

［6］姚榮慶，陸國棟，王進，等.基于圖像反饋的CNG車載瓶底加工刀具路徑誤差補償技術［J］.工程設計學報，2011，18（5）：332－336.