CNG車載瓶端部機械加工柔性組合機床的開發

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、交通行業和航空、醫療、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權的高水平專用數控機床。質量較小的CNG車載瓶可在傳統車床上經改進工藝進行加工［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、數控等系統［4］。根據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實現徑向進給，Y1伺服電機7實現軸向進給，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，裝在兩個動力頭上的刀具，通過工作臺移置，在數控程序中設置好對刀點，無需換刀，即可進行工序切換，與傳統轉塔刀架相比，大大節省了換刀時間，具體見表1［5］，其中括號內為轉塔刀架數據。

表1 移置式動力頭與傳統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

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數控系統和SIODRIVE 611U伺服驅動控制系統組成，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。液壓控制系統在機床數控程序控制下實現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［6］

具有自適應補償缺陷瓶底加工圖像反饋系統流程如圖8所示。用CCD攝像采集瓶底圖像，提取實際的外形輪廓，經圖像處理適應性補償毛坯缺陷和工件安裝時產生的加工誤差，將符合實際瓶底現狀的相對光滑的瓶底曲線數據提供給數控系統，生成理想的刀具路徑，實現了根據瓶底圖像反饋的實際尺寸來控制刀具進給和調節切削用量，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過刀具體內置通道輸送到刀頭噴嘴，高速噴向切削區域。切削液在加工區附近發生汽化，霧化冷卻液在切削區域迅速完成熱交換，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，集成采用了光、機、電和氣液一體化技術，實現了操作的自動化。（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，獲得了理想的生產效率、零件加工質量和刀具壽命。

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

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［3］李秀敏.組合機床行業現狀與發展思考［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.