姚榮慶 陸國(guó)棟 黃召亮

1.浙江大學(xué)流體傳動(dòng)及控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州，310027

2.浙江機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，杭州，310053

0 引言

CNG（compressed natural gas）車(chē)載瓶用于盛裝壓縮天然氣，是一種可重復(fù)充裝的移動(dòng)式高壓容器，已廣泛應(yīng)用于能源、交通行業(yè)和航空、醫(yī)療、軍事等。CNG車(chē)載瓶口的機(jī)械加工技術(shù)對(duì)高壓天然氣瓶具有至關(guān)重要的作用，直接影響其耐壓能力和安全性［1］。我國(guó)高壓天然氣瓶加工技術(shù)主要從國(guó)外引進(jìn)，尚無(wú)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高水平專(zhuān)用數(shù)控機(jī)床。質(zhì)量較小的CNG車(chē)載瓶可在傳統(tǒng)車(chē)床上經(jīng)改進(jìn)工藝進(jìn)行加工［2］，而大質(zhì)量的車(chē)載瓶因其慣性大，不能仍然采用工件旋轉(zhuǎn)的加工方法進(jìn)行加工。高壓天然氣瓶的機(jī)械加工是多工序、多任務(wù)的加工，可采用工序集中的組合機(jī)床進(jìn)行加工。傳統(tǒng)的組合機(jī)床是剛性的專(zhuān)用機(jī)床，一般由具有獨(dú)立功能的通用部件和專(zhuān)用部件組成，柔性不足［3］。本文針對(duì)CNG車(chē)載瓶端部機(jī)械加工柔性組合機(jī)床的開(kāi)發(fā)進(jìn)行探討。

1 CNG車(chē)載瓶組合機(jī)床結(jié)構(gòu)布局

CNG車(chē)載瓶瓶體由無(wú)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(chē)載瓶端部機(jī)械加工機(jī)床是一臺(tái)多工序加工的柔性組合機(jī)床，一次裝夾能完成車(chē)端面、外圓、孔和銑螺紋等工序的加工。機(jī)床包括機(jī)械、電氣、液壓、光電、數(shù)控等系統(tǒng)［4］。根據(jù)車(chē)載瓶端部機(jī)械加工的設(shè)計(jì)需求，抽象化設(shè)計(jì)任務(wù)，建立組合機(jī)床的功能模型如圖2所示。

圖1 CNG車(chē)載瓶零件圖

圖2 CNG車(chē)載瓶組合機(jī)床功能模型

CNG車(chē)載瓶端部機(jī)械加工組合機(jī)床的主要部件由車(chē)削動(dòng)力頭、銑削螺紋動(dòng)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(chē)、銑等多工序加工任務(wù)。具體動(dòng)作流程如圖3所示。

圖3 CNG車(chē)載瓶組合機(jī)床動(dòng)作流程圖

CNG車(chē)載瓶端部機(jī)械加工柔性組合機(jī)床三維結(jié)構(gòu)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(qū)動(dòng)油缸1在定位模具中定位，以尾部夾緊機(jī)構(gòu)14實(shí)施夾緊，保證工件在加工過(guò)程中保持靜止不動(dòng)。車(chē)削動(dòng)力頭5由Y1主電機(jī)6驅(qū)動(dòng)，X 軸伺服電機(jī)4實(shí)現(xiàn)徑向進(jìn)給，Y1伺服電機(jī)7實(shí)現(xiàn)軸向進(jìn)給，成型刀具切削完成端部外圓、內(nèi)孔和端面的加工。銑削螺紋動(dòng)力頭11由變頻電機(jī)10驅(qū)動(dòng)，由X軸伺服電機(jī)4、Y2伺服電機(jī)8和Z軸伺服電機(jī)共同實(shí)現(xiàn)瓶口內(nèi)螺紋的旋風(fēng)銑削。

圖4 CNG車(chē)載瓶組合機(jī)床三維結(jié)構(gòu)圖

瓶口加工時(shí)的換刀由X軸伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)車(chē)削動(dòng)力頭5和銑削螺紋動(dòng)力頭11實(shí)現(xiàn)，裝在兩個(gè)動(dòng)力頭上的刀具，通過(guò)工作臺(tái)移置，在數(shù)控程序中設(shè)置好對(duì)刀點(diǎn)，無(wú)需換刀，即可進(jìn)行工序切換，與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)塔刀架相比，大大節(jié)省了換刀時(shí)間，具體見(jiàn)表1［5］，其中括號(hào)內(nèi)為轉(zhuǎn)塔刀架數(shù)據(jù)。

表1 移置式動(dòng)力頭與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)塔刀架換刀耗時(shí)比較

按照CNG車(chē)載瓶端部機(jī)械加工柔性組合機(jī)床的功能模型，經(jīng)過(guò)多次論證后確定總體方案并完成設(shè)計(jì)，最后制造成功的機(jī)床如圖5所示。

圖5 CNG車(chē)載瓶端部機(jī)械加工組合機(jī)床總體布局圖

2 CNG車(chē)載瓶組合機(jī)床的電氣液壓控制系統(tǒng)

2.1 電氣控制原理

組合機(jī)床的電氣控制主要由西門(mén)子的SINUMERIK 802C數(shù)控系統(tǒng)和SIODRIVE 611U伺服驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)組成，分別控制X、Y、Z向進(jìn)給和主電機(jī)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(jī)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(jī)械限位式二位四通閥組成；抬起油缸和轉(zhuǎn)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(diào)整壓力。液壓控制系統(tǒng)在機(jī)床數(shù)控程序控制下實(shí)現(xiàn)了工件上下料及定位夾緊的自動(dòng)化，增加了柔性，提高了效率。

圖6 電氣控制原理圖

3 CNG車(chē)載瓶組合機(jī)床的其他部件

3.1 具有自適應(yīng)補(bǔ)償缺陷的組合機(jī)床瓶底加工圖像反饋系統(tǒng)［6］

具有自適應(yīng)補(bǔ)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(shí)際的外形輪廓，經(jīng)圖像處理適應(yīng)性補(bǔ)償毛坯缺陷和工件安裝時(shí)產(chǎn)生的加工誤差，將符合實(shí)際瓶底現(xiàn)狀的相對(duì)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(shí)現(xiàn)了根據(jù)瓶底圖像反饋的實(shí)際尺寸來(lái)控制刀具進(jìn)給和調(diào)節(jié)切削用量，有效保證了鋼瓶的強(qiáng)度和質(zhì)量。圖9為瓶底加工效果圖。

3.2 組合機(jī)床的霧化冷卻潤(rùn)滑

圖7 組合機(jī)床液壓控制原理圖

圖8 具有自適應(yīng)補(bǔ)償缺陷的圖像反饋流程

組合機(jī)床采用霧化冷卻潤(rùn)滑的切削技術(shù)，在切削加工過(guò)程中將以水為主體的切削液用壓力泵經(jīng)過(guò)刀具體內(nèi)置通道輸送到刀頭噴嘴，高速?lài)娤蚯邢鲄^(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(cè)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(duì)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(shì)，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(jié)論

（1）CNG車(chē)載瓶端部機(jī)械加工柔性組合機(jī)床是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)電系統(tǒng)，集成采用了光、機(jī)、電和氣液一體化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了操作的自動(dòng)化。（2）通過(guò)程序設(shè)定和更換車(chē)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(jī)床的柔性。（3）裝在兩個(gè)工作頭上的刀具，通過(guò)工作臺(tái)移置，在數(shù)控程序中設(shè)置好對(duì)刀點(diǎn)，不需換刀，即可進(jìn)行工序切換，縮短了換刀時(shí)間。（4）將移置式數(shù)控動(dòng)力頭、基于圖像反饋的刀具路徑誤差補(bǔ)償、霧化冷卻等關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用于CNG車(chē)載瓶端部機(jī)械加工柔性組合機(jī)床設(shè)計(jì)中，獲得了理想的生產(chǎn)效率、零件加工質(zhì)量和刀具壽命。

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

［2］廖萍，周一丹，吳國(guó)慶，等.大尺寸鋼管端部螺紋加工專(zhuān)用數(shù)控機(jī)床［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2005，21（4）：106－108.

［3］李秀敏.組合機(jī)床行業(yè)現(xiàn)狀與發(fā)展思考［J］.航空制造技術(shù)，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(guó)棟，王進(jìn).大尺寸CNG鋼瓶口加工關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.機(jī)械工程師，2010（1）：90－92.

［6］姚榮慶，陸國(guó)棟，王進(jìn)，等.基于圖像反饋的CNG車(chē)載瓶底加工刀具路徑誤差補(bǔ)償技術(shù)［J］.工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào)，2011，18（5）：332－336.