CN101537512A - 螺旋铣孔方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了螺旋铣孔方法及其装置，所述的方法包括以下步骤：刀具绕刀具中心线自转同时绕着加工孔的中心公转；当所要加工的孔的尺寸变化时，调整刀具中心线偏离机架中心线的距离然后继续加工；刀具按照预设的进给量进给继续铣孔直至完成孔的加工。采用本发明方法和装置能利用一把直径为6~8mm的刀具对不同规格的孔进行加工，减少了换刀时间，不需要再进行精加工，这样大大提高了效率。该装置在新型材料如碳化纤维和钛合金等上也能取得非常高的孔质量。同时本装置是便携式的，在同样的精度条件下，大大降低了对大型，高精度机床的依赖，并且可以和机械手联合，能够完成飞机整部件装配整体装配中高精度制孔的工作。

Description

螺旋铣孔方法及其装置

技术领域

本发明涉及螺旋铣孔方法及其装置，尤其涉及航空制造装备设计、制造技术和高强度复合材料制造加工中的不同直径的高精度孔加工的螺旋铣孔方法及其装置。

背景技术

现在我国正处于制造技术快速发展的时期，切削加工作为制造技术的主要基础工艺，随着制造技术的发展，取得了很大进步，进入了以发展高速切削、开发新的切削工艺和加工方法、提供成套技术为特征的发展新阶段。航空航天是制造业最为重要的组成部分之一，是高新技术最为富集的产业。在航空制造中，大量零部件都需要进行装配，需要加工成千上万的孔，对此类航空装配孔要实现高效、高精度、高质量加工，需要一种新型技术来代替传统钻孔技术。

航空制造装备设计、制造技术和高强度复合材料制造加工，铝钛合金广泛被应用在航空领域中，在航空装配中需要大量的铆接。因此在制造工程中，会有大量的不同规格的孔需要加工。孔的直径一般为6~15mm，在传统的钻孔过程中，主轴中心的线速度为零，即其钻头的中心不参与切削，而这一中心区域工件材料的去除完全是依靠钻机向下的推力将其挤出的，因而钻孔加工时的钻头所承受的Z向力非常大，在加工钛合金等高硬度材料时，刀具的快速磨损失效是很普遍的现象。另外，传统钻孔加工过程是一个连续的切削过程，刀刃与工件始终接触，切削时刀刃与工件接触面温度很高，钛合金的导热性又比较差，切削过程导致温度的累积，这也将加速刀具的磨损失效导致加工表面质量下降。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术的不足，提供一种能利用一把刀具对不同规格的孔进行加工，而且能明显提高孔的加工效率、降低刀具磨损的螺旋铣孔方法及其装置。

本发明的螺旋铣孔方法，它包括以下步骤：

(1)刀具绕刀具中心线自转同时绕着加工孔的中心公转；

(2)当所要加工的孔的尺寸变化时，调整刀具中心线偏离机架中心线的距离然后继续加工；

(3)刀具按照预设的进给量进给继续铣孔直至完成孔的加工。

螺旋铣孔装置，它包括刀具自转系统、由刀具及刀具的夹具构成的夹具系统、轴向进给系统、一个转轴一端与所述的刀具的自转系统相连并且所述的夹具套在其另一端，在所述的刀具外套有机架，它还包括旋转驱动系统、径向偏移机构，所述的旋转驱动系统包括旋转驱动装置、在所述的旋转驱动装置输出轴上安装有一个第一齿轮，所述的第一齿轮与安装在自转系统外壳上的第二齿轮相啮合配合，所述的径向偏移机构包括内外轮廓都为圆的外套筒、套在所述的外套筒内的内轮廓为圆、外轮廓为椭圆的内套筒，所述的外套筒与所述的自转系统外壳相连，所述的内套筒上设置有涡轮，在所述的内外套筒之间设置有其一端安装在外套筒上的调节丝杠，所述的调节丝杠与所述的涡轮彼此之间相啮合配合，在所述的外套筒上设置有锁紧螺母，所述的锁紧螺丝的一端能够压紧在所述的内套筒的端面上，所述的转轴通过轴承安装在所述的内套筒内部。

本装置是航空制造产业中的工具类装备，使用量和消耗量大，也是提高装配效率和质量的重要装配，能利用一把直径为6~8mm的刀具对不同规格的孔进行加工，减少了换刀时间，不需要再进行精加工，这样大大提高了效率。该装置在新型材料如碳化纤维和钛合金等上也能取得非常高的孔质量。同时本装置是便携式的，在同样的精度条件下，大大降低了对大型，高精度机床的依赖，并且可以和机械手联合，能够完成飞机整部件装配整体装配中高精度制孔的工作，并实现高度自动化，智能化。具体表现如下：

1.提高孔质量

相对于传统的打孔技术，螺旋铣孔显著的提高了孔质量和强度。螺旋铣孔属于断续间歇的切削，较低的铣削力使得所加工的孔无毛刺。散热快，切削温度低。刀具直径比孔小，切屑很好的得到排除，极大地降低孔表面的粗糙度，在加工复合型材料的情况下，消除了以往传统打孔由于刀尖钝化导致的脱层、剥离，孔表面质量低的情况。

2.缩短研制周期和节约企业加工成本

在制造加工飞机以及其他重型机器时，该技术将会大大缩短研发周期和降低企业成本花费。因为该技术，同一把刀可加工不同直径的孔，复杂形状的孔，由于其加工具有高质量的性能，可以节省传统的锪锥孔，铰孔等工作。这将会预示着，今后加工孔的刀具种类型号会不断减少。就整个研制周期来看，螺旋技术会减少很多工序，如分解拆卸后对不同孔分别进行毛刺去除处理，铰孔清除冷却液，再进行组装。这些工序在使用新的螺旋铣孔技术后，都将会消除。在飞机制造业中使用螺旋铣孔技术，能大大缩短加工周期，降低成本。

3.高度自动化

它不仅是便携式孔的加工工具，而且它和机械手或机器人配合，在数控系统的操纵下，容易实现高度的自动化，缩短加工时间，降低加工成本。该专利与机械手或机器人配合后能对飞机整体装配和部件装配过程中需要加工大量的不同规格的孔，进行自动化钻孔。

附图说明

图1-2是本发明的螺旋铣孔方法的运动示意图；

图3是本发明的螺旋铣孔装置的结构示意图；

图4是图3所示装置的内、外套筒之间的偏移机构示意图；

图5是图3所示装置的内、外套筒之间的锁紧结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

本发明方法是基于一种螺旋铣的加工工艺而研制出来的。因而，螺旋洗的原理也就是该专利的精髓。螺旋铣其实质是一个断续铣削加工过程，其一显著的特点就是由两种运动的合成第一主运动是主轴的高速旋转，第二主运动是刀具中心轴绕孔中心做旋转运动的同时Z轴向下进给，图1和图2是本发明的螺旋铣孔方法的运动示意图，其中29指所加工的孔，32指刀具圆心走过的轨迹，33指刀具某时刻刀具的位置，16指刀具，35指机架的中心，36指刀具的中心。O₁为某所加工孔的中心，O₂某时刻刀具的圆心。从图1-2中可以看出本发明方法与传统的钻孔的区别主要有以下几个方面：1)螺旋铣孔由两个运动合成来实现的；2)刀具直径小于所加工孔直径；3)刀具中心的运动轨迹不再是直线。

本发明的螺旋铣孔方法，它包括以下步骤：(1)刀具绕刀具中心线自转同时绕着加工孔公转；(2)当所要加工的孔的尺寸变化时，调整刀具中心线偏离机架中心线的距离然后继续加工；(3)刀具按照预设的进给量进给继续铣孔直至完成加工孔。

如图3所示的实现本发明的螺旋铣孔方法的装置，它包括刀具自转系统25、由刀具16及刀具3的夹具构成的夹具系统、轴向进给系统24、一个转轴5一端与所述的刀具的自转系统25相连并且所述的夹具3套在其另一端，在所述的刀具16外套有机架2，它还包括旋转驱动系统23、径向偏移机构，所述的旋转驱动系统包括旋转驱动装置21、在所述的旋转驱动装置21输出轴上安装有一个第一齿轮，所述的第一齿轮与安装在自转系统外壳17上的第二齿轮13相啮合配合，所述的径向偏移机构包括内外轮廓都为圆的外套筒7、套在所述的外套筒7内的内轮廓为圆、外轮廓为椭圆的内套筒6，所述的外套筒7与所述的自转系统外壳17相连，所述的内套筒上设置有涡轮28，在所述的内外套筒6、7之间设置有其一端安装在外套筒上的调节丝杠26，所述的调节丝杠26与所述的涡轮彼此之间相啮合配合，在所述的外套筒上设置有锁紧螺丝27，所述的锁紧螺母27的一端能够压紧在所述的内套筒6的端面上，所述的转轴5通过轴承安装在所述的内套筒内部。所述的刀具自转系统包括设置在所述的自转系统外壳内的第一气动马达22、所述的第一气动马达22的输出轴与离合器18的一端相连，所述的离合器18的另一端与所述的转轴5相连，在所述的自转系统外壳17上开有进气孔11，在与所述的第一气动马达排气口相对的位置上装有放气阀14。所述的轴向进给系统可以包括套在所述的外套筒7和自转系统外壳17外的进气阀体12，所述的进气阀体12上开有第一换气孔9，所述的第一换气孔9与一个安装在所述的进气阀体12上的第一控制阀8相连通，在所述的进气阀体12内部开有压力腔10，所述的压力腔10与所述的第一换气孔9相连通，所述的进气阀体12通过连接套筒与所述的机架2相连。所述的旋转驱动装置可以包括第二气动马达21所述的进气阀体上开有第二换气孔20，所述的第二换气孔20与一个安装在所述的进气阀体上的第二控制阀19相连通，在所述的第二气动马达输出轴上连接有所述的第一齿轮。

本发明装置的工作原理如下：模板1底部是所要加工的工件。刀具16在刀具中心线自转的同时又在公转，这样用螺旋铣的加工工艺来加工孔。刀具的自转系统包括第一气动马达22、进气孔11、离合器18、放气阀14来实现的。高压气体经过进气孔11进入到内腔，之后进入气压马达，在气压马达的作用下，有高压气体的压力能转换成机械能，主轴开始旋转。通过放气阀14把从马达里流出的气体排走。离合器18作用是控制主轴的启动，调整主轴的转速。

主轴的前端是刀具的夹具系统。通过螺钉4，刀具16的夹具3被锁在轴上，刀具被固定到夹具上。机架2的作用是，不仅整个体统轴向进给的一个参照，支撑整个系统，还能提高体统的稳定性，增强系统的刚性，有利于保证孔的加工精度。

旋转驱动装置23包括：第二控制阀19、20、第二气动马达21、第二气动马达22还有齿轮13。工作原理如下：高压气体经过第二换气孔20，第二控制阀19，进入到内腔，而后带动气动马达开始转动。第二控制阀19是用来控制气体的流量，从而达到控制马达转速的目的。马达带动齿轮转动，齿轮通过啮合，把转动传动到外套筒7上。外套筒7的转速就是公转转速。在该系统工作进给运动时，驱动装置23保持轴向不动，而齿轮13会沿着轴线做进给运动。

轴向进给系统24包括：第一控制阀8、第一换气孔9、压力腔10。高压气体经过第一控制阀和第一换气孔到达压力腔，在高压气体的作用下，外套筒、内套筒、轴等则向下进给，完成该系统的轴向进给。第一控制阀是用来通过控制气体的流量来控制进给速度的。

径向偏移机构是通过外套筒7和内套筒6的相对转动来实现的。当该系统工作时，外套筒和内套筒同时围绕着中心转动，两者之间通过锁紧螺丝被缩紧，两者之间没有相对转动。这样刀具的偏心距没有变化，这把把刀具能加工比刀具直径大的同等尺寸的孔。当所要加工的孔的尺寸变化时，就需要调整刀具中心线的偏离机架中心线的距离。径向偏移距离的调整是通过内套筒和外套筒的相对转动来实现的。外套筒的外部轮廓是一个圆，内部轮廓也是一个圆，但是内套筒的外部轮廓一个椭圆，内部是一个圆，并与轴承相配合。内套筒和外套筒的转动是通过调整内外套筒之间的丝杠来实现的，内外套筒的配合是通过锁紧螺钉实现的。具体的原理如图4-5所示，图4中的d指径向偏移距离，加工孔的半径为刀具半径与d之和。当内套筒6相对于外套筒7转动时，d就会变化，从而改变了所能加工孔的直径，达到了径向调整的目的。

本方法是在螺旋铣工艺的研究基础之上研发的。正是由于螺旋铣孔有优于通常钻孔之处，本方法及装置才有了广泛的使用价值。

首先，本方法所用的螺旋铣加工工艺是一种与传统钻孔完全不同的加工方式。主要表现在：其一，在传统的钻孔过程中，主轴中心的线速度为零，即其钻头的中心不参与切削，而这一中心区域工件材料的去除完全是依靠钻机向下的推力将其挤出的，因而钻孔加工时的钻头所承受的Z向力非常大，在加工钛合金等高硬度材料时，刀具的快速磨损失效是很普遍的现象。而螺旋铣是刀具自转的同时还有公转的一种新型的加工工艺。其二，传统钻孔加工过程是一个连续的切削过程，刀刃与工件始终接触，切削时刀刃与工件接触面温度很高，钛合金的导热性又比较差，切削过程导致温度的累积，这也将加速刀具的磨损失效导致加工表面质量下降。

其次，该方法及装置是自动化钻孔，可一次性完成飞机装配过程中不同直径的高精度孔加工单元。其精度高、自动化程度高、大幅度降低钻孔成本。本装置既可独立使用，又可与机械手配合，能够完成飞机整部件装配整体装配中高精度制孔工作，提高制孔效率30％~40％，提高孔的加工质量，节约刀具等成本效益可观。

实施例1

采用直径为6mm的刀具加工直径为10mm的孔。首先刀具绕刀具中心线自转同时绕着加工孔公转；调整刀具中心线偏离机架中心线2mm然后继续加工，刀具按照预设的进给量进给继续铣孔直至完成加工孔。

Claims (5)

1.螺旋铣孔方法，其特征在于它包括以下步骤：

(1)刀具绕刀具中心线自转同时绕着加工孔的中心公转；

(2)当所要加工的孔的尺寸变化时，调整刀具中心线偏离机架中心线的距离然后继续加工；

(3)刀具按照预设的进给量进给继续铣孔直至完成孔的加工。

2.实现权利要求1的加工方法的螺旋铣孔装置，它包括刀具自转系统、由刀具及刀具的夹具构成的夹具系统、轴向进给系统、一个转轴一端与所述的刀具的自转系统相连并且所述的夹具套在其另一端，在所述的刀具外套有机架，其特征在于：它还包括旋转驱动系统、径向偏移机构，所述的旋转驱动系统包括旋转驱动装置、在所述的旋转驱动装置输出轴上安装有一个第一齿轮，所述的第一齿轮与安装在自转系统外壳上的第二齿轮相啮合配合，所述的径向偏移机构包括内外轮廓都为圆的外套筒、套在所述的外套筒内的内轮廓为圆、外轮廓为椭圆的内套筒，所述的外套筒与所述的自转系统外壳相连，所述的内套筒上设置有涡轮，在所述的内外套筒之间设置有其一端安装在外套筒上的调节丝杠，所述的调节丝杠与所述的涡轮彼此之间相啮合配合，在所述的外套筒上设置有锁紧螺母，所述的锁紧螺丝的一端能够压紧在所述的内套筒的端面上，所述的转轴通过轴承安装在所述的内套筒内部。

3.根据权利要求2所述的螺旋铣孔装置，其特征在于：所述的刀具自转系统包括设置在所述的自转系统外壳内的第一气动马达、所述的第一气动马达的输出轴与离合器的一端相连，所述的离合器的另一端与所述的转轴相连，在所述的自转系统外壳上开有进气孔，在与所述的第一气动马达排气口相对的位置上装有放气阀。

4.根据权利要求2所述的螺旋铣孔装置，其特征在于：所述的轴向进给系统包括套在所述的外套筒和自转系统外壳外的进气阀体，所述的进气阀体上开有第一换气孔，所述的第一换气孔与一个安装在所述的进气阀体上的第一控制阀相连通，在所述的进气阀体内部开有压力腔，所述的压力腔与所述的第一换气孔相连通，所述的进气阀体通过连接套筒与所述的机架相连。

5.根据权利要求2所述的螺旋铣孔装置，其特征在于：所述的旋转驱动装置包括第二气动马达，所述的进气阀体上开有第二换气孔，所述的第二换气孔与一个安装在所述的进气阀体上的第二控制阀相连通，在所述的第二气动马达输出轴上连接有所述的第一齿轮。

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