一种缺槽型弯曲斜螺线管CCT骨架焊装加工方法

一种缺槽型弯曲斜螺线管cct骨架焊装加工方法
技术领域
1.本发明主要涉及异形超导磁体骨架加工制造技术领域，具体涉及一种弯曲斜螺线管(canted cosine theta,cct)磁体骨架的加工制备方法。


背景技术：

2.弯曲型cct线圈结构是近年来开始研究的一种新型磁体结构，cct型线圈具有线圈结构轻巧新颖，磁场质量品质优越，cct磁体线圈无累计应力，线圈端部无需优化，机械性能突出等优点，且适用于现有的各种实用化超导线材，同时，利用该结构也可以设计组合功能型磁体，在大科学工程、民生医疗等领域具有很好的应用前景。
3.cct线圈骨架是嵌槽式骨架，骨架的加工质量直接影响磁体的磁场品质，由于弯曲型cct骨架本身结构的特殊性，现有的加工方法不适用于弯曲cct磁体骨架的加工，这也制约着弯曲cct磁体技术的发展。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种适用于弯曲cct磁体线圈骨架的加工制备方法。
5.为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
6.一种缺槽型弯曲斜螺线管cct骨架焊装加工方法，包括如下步骤：
7.步骤一：在铝合金材料上采用粗加工和细加工结合的方式铣出若多个弯曲半圆筒，每上下两个弯曲半圆筒作为一对，对所述多个弯曲半圆筒精加工前需再次进行退火去应力处理；
8.步骤二：分别在作为一对的上下两个弯曲半圆筒接触面铣出可配对燕尾槽和焊接缺口，其中焊接缺口是垂直于外径表面向内径方向铣出的两个截面为梯形的缺口，缺口的底部与螺旋线槽底面相切，该缺口沿着弯曲半圆筒的轴向延伸，形成缺槽，为上下两个弯曲半圆筒进行电子束焊接留下一定的焊接空间；上下的两个弯曲半圆筒利用燕尾槽进行定位，且在轴向上错位组装在一起，并在梯形缺口处进行电子束焊接焊接，将上下两个半圆筒组装焊接，焊接后构成一段完整的错位弯曲圆筒；
9.步骤三：按照步骤二加工组装好多段错位的弯曲圆筒，每段错位弯曲圆筒的接触面加工有可配对燕尾槽，分别配对组装为错位弯曲圆筒，将多段弯曲圆筒利用轴向方向的燕尾槽定位，并通过冷配法进行组装拼接，构成一个完整的弯曲cct骨架圆筒；
10.步骤四：对完整的cct圆筒骨架外壁面进行精加工，铣出弯曲cct骨架所需的弯外径ro；
11.步骤五：利用五轴数控机床在完整cct圆筒外壁面上连续加工螺旋线槽，并以弯曲斜螺旋线曲线方程作为驱动轨迹。
12.进一步的，上、下半圆环部件分别用来固定上、下两半个骨架，进行焊接，其中上半圆环部件调节上半部分骨架的高度；上、下圆板用于配合上半圆环部件进行整体结构的固定；螺栓用于连接并支撑上、下半圆板，并能进行上下移动调节整体结构。
13.进一步的，根据待加工弯曲cct骨架的弯曲半径及外径，选择长方形铝合金块状材料，对所述的长方形铝合金块状材料进行退火去应力处理。
14.进一步的，在步骤二中进行径向上下组装，轴向采用错位组装方式。
15.进一步的，在步骤三中弯曲圆筒进行轴线拼接式采用冷配法组装拼接，其中一段弯曲圆筒需要用液氮浸泡降温后，再与处于常温下的一段弯曲圆筒进行拼接组装。
16.进一步的，在步骤五中缺槽部分不加工螺旋线槽。
17.进一步的，线槽的轨迹方程根据磁场质量需求而进行谐波分量的优化调整改变。
18.进一步的，加工好的骨架进行一系列处理测试后，进行绕线等线圈制备工作；弯曲cct磁体的骨架需要内外两层骨架嵌套组合而成，第二层骨架加工时参照上述的方法进行加工，其中在步骤二径向上下错位焊接时，与第一层内骨架错位方向相反即可。
19.本发明的有益效果在于：
20.1.该加工方法采用将弯曲cct骨架沿径向方向分半与轴向分段进行加工，可根据实际需求加工一定孔径的弯曲骨架，不仅降低了加工难度，还节省材料，降低成本；
21.2.在弯曲半圆筒接触面和弯曲圆筒段接触面分别开设可配对的燕尾槽，可在组装拼接时快速找准贴合的位置；
22.3.在弯曲半圆筒上下径向方向采用错位组装方式，增强了骨架机械性能，结构更牢固，还可在骨架错位部分直接加工螺旋线槽，减小了骨架重量；
23.4.在两个弯曲半圆筒组装电子束焊接处预留了线槽缺口，在弯曲cct骨架缺槽位置通过电子束焊接的方式将两个半圆弯曲cct骨架牢固的焊接在一起，增强骨架的机械强度。
24.本发明的创新性好，实用性强，能够有效地解决目前弯曲cct骨架加工难度大以及弯曲cct磁体的多层嵌套的问题，对弯曲型cct二极磁体、四极磁体和六极磁体等多极磁体骨架及磁体制作有着重要的参考意义。
附图说明
25.为了更清楚地说明本发明实施例或现有的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
26.图1为弯曲斜螺旋线示意图。
27.图2为本发明中上半个弯曲半圆筒示意图。
28.图3为本发明中下半个弯曲半圆筒示意图。
29.图4为本发明中两个弯曲半圆筒进行上下组装示意图。
30.图5为本发明中某一段组装焊接好的弯曲圆筒示意图及拼接处放大示意图。
31.图6为本发明中弯曲圆筒轴向组装拼接示意图。
32.图7为本发明中弯曲半圆筒完成组装拼接示意图。
33.图8为本发明中缺槽式弯曲cct骨架示意图。
具体实施方式
34.以下结合附图，对本发明的实施方式进行更详细的说明，应理解的是本发明实施例的说明及图示在本质上是当作说明之用，而非用以限制本发明。
35.下面以弯曲斜螺旋cct二极磁体骨架为例对本发明作进一步的说明。弯曲cct骨架线槽轨迹可根据弯曲斜螺旋线轨迹方程确定。以弯曲型cct二极磁体骨架为例，如图1所示根据线槽轨迹方程建立的某一特定弯曲斜螺旋线圈的轨迹1。沿弯曲cct骨架轴向方向分为5段，每段再沿径向方向分成两个半弯曲骨架，每段上下两个半弯曲骨架的示意图如图2和图3所示，加工方法步骤如下所示：
36.步骤一：根据某个待加工弯曲cct骨架的弯曲半径及外径，选择合适的长方形铝合金块状材料，对所述的长方形铝合金块状材料进行退火去应力处理，在所述铝合金材料上采用粗加工和细加工结合的方式铣出若干个弯曲半圆筒，例如上半圆筒201和下半圆筒301，如图2和图3所示，每段弯曲半圆筒的弯曲弧度和内径ri应满足弯曲cct骨架要求，弯曲半圆筒的外径ro略大于cct骨架外径2-5mm。对所述两个弯曲半圆筒精加工前需再次进行退火去应力处理。
37.步骤二：分别在两个弯曲半圆筒两个接触面铣掉如图2中401和图3中402的可配对燕尾槽和焊接缺口4，如图4所示。其中焊接缺口4是垂直于外径表面向内径方向铣出的两个截面为梯形的缺口，缺口的底部与螺旋线槽底面(即线圈的内径)相切。该缺口沿着轴向延伸，为上下两个弯曲半圆筒进行电子束焊接留下一定的焊接空间。上下的两个弯曲半圆筒201、301利用燕尾槽进行定位且在轴向上错位组装在一起，如图4所示，并在梯形缺口处进行电子束焊接焊接，将上下两个半圆筒组装焊接，焊接后构成一段如图5所示完整的弯曲半圆筒。上下错位焊接可使轴向焊接组装后骨架整体结构更牢固，错位部分仍可加工螺旋线槽。
38.步骤三：按照步骤二加工组装好5段错位的弯曲圆筒，每段错位弯曲圆筒的接触面加工可配对燕尾槽，例如上半圆筒201、202、203、204、205，下半圆筒301、302、303、304、305，分别配对组装为错位弯曲圆筒。如图6所示，将5段弯曲圆筒利用轴向方向的燕尾槽定位，并通过冷配法进行组装拼接，构成一个完整的如图7所示的弯曲cct骨架圆筒，整体的上半圆筒2(包括多段上半圆筒201、202、203、204、205)、整体的下半圆筒3(包括多段下半圆筒301、302、303、304、305)。图4和图6中的上、下半圆环部件6、5分别用来固定上、下两半个骨架，以进行焊接，其中上半圆环部件6可以调节上半部分骨架的高度。上、下圆板7、8用于配合上半圆环部件6进行整体结构的固定，螺栓9用于连接并支撑上、下半圆板7、8，并能进行上下移动调节整体结构。
39.步骤四：对完整的cct圆筒骨架外壁面进行精加工，铣出弯曲cct骨架所需的弯外径ro；
40.步骤五：利用五轴数控机床在完整cct圆筒外壁面上连续加工螺旋线槽，并以弯曲斜螺旋线曲线方程作为驱动轨迹，缺槽部分不加工螺旋线槽，加工好的骨架示意图如图8所示，图8中10为螺旋线槽，图8中11为缺槽部分。
41.cct二极磁体一般需要内外两层骨架线圈进行嵌套组成，嵌套在第一层骨架外面的第二层骨架加工时参照上述的方法进行加工，其中在步骤二径向上下错位焊接时，与第一层内骨架错位方向相反。加工好的骨架进行一系列处理测试后，可进行线圈的绕线、接头
的制作、环氧浸渍、磁体组装等完成磁体的制作，磁体制作完成后进行测试以验证磁体磁场性能及场质量等指标。
42.以上所述，仅为本发明的一个具体实施方式，具体实施方式是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明权利要求书的保护范围之内。

技术特征：
1.一种缺槽型弯曲斜螺线管cct骨架焊装加工方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：在铝合金材料上采用粗加工和细加工结合的方式铣出若多个弯曲半圆筒，每上下两个弯曲半圆筒作为一对，对所述多个弯曲半圆筒精加工前需再次进行退火去应力处理；步骤二：分别在作为一对的上下两个弯曲半圆筒接触面铣出可配对燕尾槽和焊接缺口，其中焊接缺口是垂直于外径表面向内径方向铣出的两个截面为梯形的缺口，缺口的底部与螺旋线槽底面相切，该缺口沿着弯曲半圆筒的轴向延伸，形成缺槽，为上下两个弯曲半圆筒进行电子束焊接留下一定的焊接空间；上下的两个弯曲半圆筒利用燕尾槽进行定位，且在轴向上错位组装在一起，并在梯形缺口处进行电子束焊接焊接，将上下两个半圆筒组装焊接，焊接后构成一段完整的错位弯曲圆筒；步骤三：按照步骤二加工组装好多段错位的弯曲圆筒，每段错位弯曲圆筒的接触面加工有可配对燕尾槽，分别配对组装为错位弯曲圆筒，将多段弯曲圆筒利用轴向方向的燕尾槽定位，并通过冷配法进行组装拼接，构成一个完整的弯曲cct骨架圆筒；步骤四：对完整的cct圆筒骨架外壁面进行精加工，铣出弯曲cct骨架所需的弯外径r
o
；步骤五：利用五轴数控机床在完整cct圆筒外壁面上连续加工螺旋线槽，并以弯曲斜螺旋线曲线方程作为驱动轨迹。2.根据权利要求1所述的一种缺槽型弯曲斜螺线管cct骨架焊装加工方法，其特征在于，还包括：上、下半圆环部件分别用来固定上、下两半个骨架，进行焊接，其中上半圆环部件调节上半部分骨架的高度；上、下圆板用于配合上半圆环部件进行整体结构的固定；螺栓用于连接并支撑上、下半圆板，并能进行上下移动调节整体结构。3.根据权利要求1所述的一种缺槽型弯曲斜螺线管cct骨架焊装加工方法，其特征在于，还包括：根据待加工弯曲cct骨架的弯曲半径及外径，选择长方形铝合金块状材料，对所述的长方形铝合金块状材料进行退火去应力处理。4.根据权利要求1所述的一种缺槽型弯曲斜螺线管cct骨架焊装加工方法，其特征在于，还包括：在步骤二中进行径向上下组装，轴向采用错位组装方式。5.根据权利要求1所述的一种缺槽型弯曲斜螺线管cct骨架焊装加工方法，其特征在于，还包括：在步骤三中弯曲圆筒进行轴线拼接式采用冷配法组装拼接，其中一段弯曲圆筒需要用液氮浸泡降温后，再与处于常温下的一段弯曲圆筒进行拼接组装。6.根据权利要求1所述的一种缺槽型弯曲斜螺线管cct骨架焊装加工方法，其特征在于，还包括：在步骤五中缺槽部分不加工螺旋线槽。7.根据权利要求1所述的一种缺槽型弯曲斜螺线管cct骨架焊装加工方法，其特征在于，还包括：线槽的轨迹方程根据磁场质量需求而进行谐波分量的优化调整改变。8.根据权利要求1所述的一种缺槽型弯曲斜螺线管cct骨架焊装加工方法，其特征在
于，还包括：加工好的骨架进行一系列处理测试后，进行绕线等线圈制备工作；弯曲cct磁体的骨架需要内外两层骨架嵌套组合而成，第二层骨架加工时参照上述的方法进行加工，其中在步骤二径向上下错位焊接时，与第一层内骨架错位方向相反即可。

技术总结
本发明公开了一种缺槽型弯曲斜螺线管CCT骨架焊装加工方法，将骨架沿轴向分为若干段，每段再沿径向分成半进行加工，其通过：首先在长方形铝块上加工若干个弯曲半圆筒，加工弯曲半圆筒内径和每段所需弯曲弧度、接触面定位燕尾槽，并在弯曲半圆筒径向接触面铣出梯形缺口，即在两个半弯曲CCT骨架径向组装焊接处将缺失部分线槽；然后径向每上下两个弯曲半圆筒通过燕尾槽定位进行错位组装，并在缺口构成的缺槽中采用电子束焊接加固，若干个弯曲圆筒通过燕尾槽定位，轴向冷配法错位组装拼接成一个完整的弯曲半圆筒；再根据所需骨架外径，加工弯曲圆筒外壁面；最后在两个弯曲半圆筒的外壁面上加工斜螺旋线槽。本发明采用骨架径向分半与轴向分段的方式进行加工组装，降低弯曲CCT骨架的加工难度。骨架的加工难度。骨架的加工难度。


技术研发人员：魏绍清 宋云涛 郑金星 奚维斌 赵文龙 黄兴萌 倪小军 韩松博
受保护的技术使用者：中国科学院合肥物质科学研究院
技术研发日：2022.04.02
技术公布日：2022/5/25