CN102489744B - 非金属材料特殊形面开孔工装 - Google Patents

Abstract

本发明的非金属材料特殊形面开孔工装，包括方支杆(1)、滑动方套(2)、模板(3)、连接板(4)、打孔定心螺杆(5)、开孔定心螺杆(6)、开孔刀具(9)和刀杆(10)；用连接板(4)将整个工装支架固定在基准参考体上，模板(3)连同滑动方套(2)通过沿方支杆(1)导向部位纵向位移可尽量接近开孔表面；打孔定心螺杆支撑、引导钻头实现由内而外的准确定位和平稳切削；开孔定心螺杆和刀杆联合支撑、引导开孔刀具由外向内的准确定位和平稳切削。本发明可以对产品内部基准精确找正定位和调整，充分利用产品内部参考基准，在产品外部无参考基准的条件下，由内而外对产品壳体实施精确打孔，成本低、结构合理、拆装方便、操作简单。

Description

非金属材料特殊形面开孔工装

技术领域

本发明属于机械加工技术领域，特别涉及一种用于在体积较大、且难于从产品外部找正定位的非金属材料表面打孔、开孔加工的工艺装备。

背景技术

在航天航空机械制造领域，经常需要对一些体积较大、形面特殊的非金属材料产品表面开孔，这些特殊形面包括锥形表面、圆锥形表面、圆弧面、平面与圆弧面交汇处或两平面交汇处等特殊形状加工表面。而且在开孔加工中，预加工孔的参考基准通常在产品内部、无法用任何常规刀具直接实施加工。

这些特殊性给开孔加工带来以下难题：一是由于加工形面的特殊性，造成刀具定位不稳定，使得开孔时刀具易跑偏，且加工孔的形状不规整；二是市场上销售的普通开孔器加工深度只在10mm以内，无法进行深孔加工；三是当产品的加工基准在壳体内部时，从产品外部无法找到准确的加工位置，无法从产品外部直接实施定位加工。

目前，国内外主要采用大型专用机械设备解决上述问题，但成本较高、效率较低，多数单位不具备加工条件。如何利用手持电动工具，利用产品内部的加工基准合理找正、打孔、开孔，并保证孔的加工精度是目前难以克服的难题。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术不足，提供一种利用手持电动工具，成本较低，效率高，对大中型非金属材料特殊形面进行打孔、开孔，且具有较高精度的加工工装。

本发明的技术解决方案：非金属材料特殊形面开孔工装，包括方支杆、滑动方套、模板、连接板、打孔定心螺杆、开孔定心螺杆、开孔刀具和刀杆；滑动方套安装在方支杆前部的导向部位，方支杆导向部位的横截面是正方形，滑动方套内孔也是正方形，滑动方套可沿方支杆的导向部位纵向滑动；滑动方套上固定连接模板；模板上开有一个螺纹孔，用于安装打孔定心螺杆或开孔定心螺杆；连接板安装在方支杆尾部，用于将整个工装固定在基准参考体上；方支杆尾部露出连接板的部位为圆柱形，用于与产品内部基准参考体上的基准孔配合定位；开孔刀具是刀头为锯齿形的空心刀具，其长度和直径根据预加工产品需要确定；开孔刀具通过螺纹连接在刀杆中部；刀杆的前部为引导部分，后部用于装夹，前部、后部均为圆柱形；当需要打孔时，在模板上安装打孔定心螺杆来支撑和引导手动电动工具的钻头；当需要用开孔刀具开孔时，在模板上安装开孔定心螺杆，通过刀杆来支撑和引导开孔刀具。

在所述模板上安装开孔定心螺杆时，开孔定心螺杆的两端各安装了一个滚花螺帽，在滚花螺帽内分别安装一个橡胶垫。

所述开孔定心螺杆的定心孔内设有纵向存油槽，用于存放润滑油，保证刀杆的引导部分在开孔定心螺杆内部旋转滑动时润滑良好。

所述开孔定心螺杆定心孔内的纵向存油槽为沿圆周均布的4条纵向槽。

所述方支杆导向部位开有长方形或圆形的减轻孔。

所述方支杆尾部露出连接板的部位为圆柱形。

本发明与现有技术相比的优点在于：

1.本发明通过方支杆、滑动方套、模板、连接板、钻孔定心螺杆、开孔定心螺杆、开孔刀具和刀杆的组合设计，用连接板将整个工装支架固定在基准参考体上，模板连同滑动方套通过沿方支杆导向部位纵向位移可尽量接近开孔表面；打孔定心螺杆支撑、引导钻头实现由内而外的准确定位和平稳切削；开孔定心螺杆和刀杆联合支撑、引导开孔刀具由外向内的准确定位和平稳切削；形成一套大中型非金属材料壳体内部找正定位的工装，可以对产品内部基准精确找正定位和调整，充分利用产品内部参考基准，在产品外部无参考基准的条件下，由内而外对产品壳体实施精确打孔，成本低、结构合理、拆装方便、操作简单。

2.本发明设计的工装可利用产品内部基准先由内向外用钻头加工底孔，加工底孔相当于为开孔提供了精确加工位置，之后再用开孔刀具通过刀杆的引导由外向内加工出孔的最终尺寸，实现了内外加工相结合。使得能够用手持电动工具对大型非金属材料(产品)特殊形面(如锥形表面、圆锥形表面、圆弧面、平面与圆弧面交汇处或两平面交汇处等)、特殊位置进行精确找正、钻孔和开孔，从而极大程度上摆脱了此类产品在开孔加工过程中对大型机械加工设备的依赖。

3.本发明方支杆导向部位横截面是正方形，滑动方套内孔也是正方形，这使得滑动方套连同模板在沿方支杆导向部位作纵向移动时，其它方向(左、右、上、下、旋转)自由度被完全限制，单一的直线位移保证了模板在靠近打孔(或开孔)表面时的定位准确性、方便性以及模板移动后的复位一致性。

4.本发明配备了钻孔定心零件和开孔定心零件，由于在打孔或使用刀具开孔时，钻头或刀杆是在钻孔定心螺杆或开孔定心螺杆的长距离支撑和引导下工作，从而保证了钻头或刀具整个切削过程的加工位置准确性和切削稳定性，其打孔定位及加工误差可控制在0.4mm以内，开孔定位及加工误差可控制在0.3mm以内，大大提高了利用手持电动工具对复杂形面进行开孔加工的精度。

5.本发明设计了开孔专用刀具，在刀杆不变的前提下，刀具的长度和直径可根据预加工孔的位置、深度和直径来选用，可以进行100mm的深孔加工，弥补了普通开孔器加工深度很浅的不足。

6.本发明配备了供专用开孔刀具使用的刀杆，刀杆前部的圆柱形引导部分在开孔定心螺杆的支撑下起到定心和稳定刀具的作用，使刀具在切削时，不受材料表面形状和刀具切入角的影响，均能表现出良好的切削稳定性，该开孔刀具在整套工装的配合下其使用范围远远大于普通开孔器。

7.本发明的开孔定心螺杆设计了存油槽，用来储存多余的润滑油，多余的润滑油会随时补充到需润滑表面，使刀具在工作时，刀杆的引导部分在开孔定心螺杆的定心孔内运动的全过程始终保持良好的润滑状态；以上结构可充分保证开孔刀具切削时刀杆在开孔定心螺杆的定心孔中运动的良好润滑性和刀具工作稳定性。同时，在开孔定心螺杆外侧安装了防尘、吸震、耐油的橡胶垫，当开孔刀具切削时，刀杆在开孔定心螺杆的定心孔内边旋转边前进，此时安装在开孔定心螺杆两端滚花螺帽内的橡胶垫可防止切削粉尘进入开孔定心螺杆的定心孔内，并阻挡定心孔内的润滑油外流，始终保持孔内润滑良好和润滑油洁净；同时橡胶垫还会吸收大量刀杆因刀具切削材料产生的震动，起到进一步稳定切削的作用。

附图说明

图1为本发明开孔状态剖视图；

图2为本发明的方支杆剖视图；

图3为本发明的打孔定心螺杆主视图；

图4为本发明的开孔定心螺杆剖视图；

图5为本发明的开孔刀具剖视图；

图6为本发明的开孔刀具与刀杆装配示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

本实施例以假设无人驾驶飞行器为例，机身长度7米，翼展8米，头部外形为多个圆弧面组成的锥形，在机身头部加工一个深度60mm、中心线垂直于机身内部(最前端)框板的直径为￠32mm的通孔，孔的中心线位于机身纵向垂直中分面上，高于机身内部(最前端)框板上￠30mm圆孔中心线60毫米。

通过以上描述可以看出，预加工孔的基准是机身内部框板上的￠30mm圆孔，机身外无参考基准。因此，必须充分利用这个条件从机身内部找正、定位和打孔。

如图1所示，本发明的非金属材料特殊形面开孔工装，包括方支杆1、滑动方套2、模板3、连接板4、开孔定心螺杆6、开孔刀具9和刀杆10，还包括打孔定心螺杆5。

滑动方套2安装在方支杆1前部的导向部位，方支杆1导向部位的横截面是正方形，滑动方套2内孔也是正方形，滑动方套2可沿方支杆1的导向部位纵向滑动；滑动方套2上固定连接模板3。

模板3与它要固定的位置(比如，壳体内部横断面)形状尺寸相吻合。模板3上开有一个螺纹孔，用于安装打孔定心螺杆5或开孔定心螺杆6。连接板4安装在方支杆1尾部，用于将整个工装固定在基准参考体上；方支杆1尾部露出连接板4的部位为圆柱形，用于与产品内部基准参考体上的基准孔配合定位。

连接板4用于将整个工装支架固定在基准参考体上，模板3连同滑动方套2通过沿方支杆1导向部位纵向位移可尽量接近开孔表面。当模板3上安装钻孔定心螺杆5时，可保证钻头在钻孔定心螺杆5的支撑、引导下实现由内而外的钻孔定位准确、切削平稳。当模板3上安装开孔定心螺杆6时，可保证开孔刀具9在刀杆10和开孔定心螺杆6的联合支撑、引导下实现由外向内的开孔定位准确、切削平稳。

开孔刀具9是刀头为锯齿形的空心刀具，其长度和直径根据预加工产品需要确定。开孔刀具9通过螺纹连接在刀杆10中部。刀杆10的前部为引导部分，后部用于装夹，前部、后部均为圆柱形。当需要打孔时，在模板3上安装打孔定心螺杆5来支撑和引导手动电动工具的钻头；当需要用开孔刀具9开孔时，在模板3上安装开孔定心螺杆6，通过刀杆10来支撑和引导刀具。

如图2为本实施例的方支杆1，总长343mm，其中有300mm长度横截面为正方形(35mm×35mm)，这段长度为导向部位，用来与滑动方套2上的方形孔配合，配合间隙为0.02-0.07mm，同时在这段长度上加工了一些长方形和圆形减轻孔，以及2个用来固定滑动方套2的M10的螺纹孔。方支杆1后部的法兰直径60mm，厚度8mm，法兰上均布着4个￠6.5mm的通孔，用来安装连接板4，通过连接板4将整套工装固定在预加工产品的基准参考体上，法兰后部也就是零件的尾部是圆柱形，用于插入基准参考体的基准孔内，起到找正、定位的作用，尾部圆柱形的长度和直径可根据不同产品的实际要求进行调整。方支杆1的导向部位开有长方形减轻孔11。

滑动方套2的外形为长方形，总长度80mm，滑动方套2上加工了一个方形通孔(35mm×35mm)，其用途是将滑动方套2插到方支杆1上，并使其在沿方支杆1的导向部位滑动的同时，其它方向(上、下、左、右、旋转)自由度被完全限制，滑动方套2较大的一个端面上加工了4个￠6.5mm通孔，用来连接模板3，使模板3可以随着滑动方套2一起沿方支杆1的导向部位滑动，滑动方套2上还垂直分布着2个长孔，一旦位置确定，可用2颗M10螺钉通过长孔将滑动方套2固定在方支杆1上，达到定位目的。

图3所示为本实施例的打孔定心螺杆5，总长120mm，一端加工成六方形，便于用开口扳手将其固定在模板3上，打孔定心螺杆5外表面加工出M28×2mm螺纹，用来与模板3上的M28×2mm螺纹孔连接，钻孔定心螺杆5中心加工了一个通孔，用来支撑和引导钻头切削加工，孔径的大小可根据实际情况进行调整。

图4为开孔定心螺杆6，总长84mm，外形为六方形，零件两端加工有M20×2.5mm的螺纹，用来安装两个滚花螺帽8，在滚花螺帽8内装有橡胶垫7，橡胶垫7有防尘和吸震作用，其吸震作用可使开孔刀具在切削时工作更加稳定。开孔定心螺杆6上还加工了一段M28×2mm的外螺纹，用来与模板3上的M28×2mm螺纹孔连接，在开孔定心螺杆6的中心加工了一个￠10mm通孔，通孔内沿圆周方向均布着4个纵向通槽，￠10mm孔用来支撑专用刀杆10，对刀具在切削过程中起到定心和引导作用，孔内4个纵向通槽用来保存多余的润滑油，这些多余的润滑油会随时补充到需润滑表面，使刀具在工作时，刀杆10的引导部分在开孔定心螺杆6的￠10通孔内运动的全过程始终保持良好的润滑状态。

图5为本实施例的开孔刀具9，为一空心圆柱形结构，圆柱面壁厚2mm，底部壁厚7mm，长度和直径可根据预加工产品的需要来确定，本实施例中开孔刀具9长度75mm、直径￠32mm。开孔刀具9后端面中心加工一个M12×1.5mm螺纹通孔，用来与刀杆10连接。开孔刀具9前部有一周锯齿形硬质合金刀头，采用气焊工艺焊接在开孔刀具9的主体上，硬质合金刀头的刀尖角为45度，厚度2mm，总高度7.8mm，其中焊接部位高度4mm，切削部位高度3.8mm。

图6为开孔刀具9与刀杆10的装配示意图，其中刀杆10总长297mm，刀杆10中部M12×1.5mm螺纹部位用于安装开孔刀具9，螺纹旁边六方形部位的作用是拆、装刀具以及对刀具轴向限位，螺纹前部170mm长的光段部位是刀具的引导部分102，当开孔刀具9进行切削时，刀杆10的引导部分102插入开孔定心螺杆6的定心孔内，边旋转边前进，引导部分102的直径是￠10mm，小于开孔定心螺杆6的定心孔直径0.02-0.04mm，为间隙配合，刀杆10后部的100.5mm长的装夹部分101直径为￠10mm，用来连接手电钻。

利用本发明的工装打孔、开孔工作过程为：

(一)加工1个模板3用来定位和支撑刀具，模板3的外形和尺寸必须与它要固定的位置(壳体内部横断面)形状尺寸相吻合，材料选用金属中相对重量较轻的铝合金；在模板3上加工有安装滑动方套2的四个M6螺纹孔和一个边长36mm方形通孔，以及钻孔定心螺杆5和开孔定心螺杆6交替安装使用的M28×2mm的螺纹通孔，方孔在下，M28×2mm螺纹孔在上，两个孔之间的中心距为60mm。

(二)方支杆1的加工材料选用高强度合金结构钢30CrMnSiA，经调质热处理使其硬度达到HRC28-32，材料经调质热处理后综合性能得到显著提高，从而提高了零件的使用寿命；在方支杆1的尾部用4颗M6螺钉安装连接板4，连接板4材料选用高强度合金结构钢30CrMnSiA，经调质热处理使其硬度达到HRC28-32；方支杆1尾部露出连接板4部位是圆柱形，直径与机身内部(最前端)框板上的￠30通孔直径相吻合，用来与其配合定位。

(三)钻孔定心螺杆5和滑动方套2的加工材料选用高强度合金结构钢30CrMnSiA，钻孔定心螺杆5的热处理硬度为HRC32-36，滑动方套2热处理硬度为HRC28-32；将钻孔定心螺杆5直接拧在模板3的M28×2mm螺纹孔上，安装方向由后向前(前部指飞机头部)；将滑动方套2用4颗M6螺钉固定在模板3上，之后将滑动方套2插入方支杆1前部。

(四)将方支杆1、滑动方套2、模板3、连接板4、打孔定心螺杆5组成的支架放入机身舱内，方支杆1尾部圆柱体插入机身内框板的￠30mm基准孔内，然后将滑动方套向前推(机身头部方向)，直至模板轮廓线与机身头部内腔完全接触。

(五)用两个弓形夹(弓形夹为常用普通工具)夹住框板与连接板4，将支架固定在机身内部框板上，用两颗M10螺钉(方支杆前部加工了锁紧滑动方套的螺纹孔)通过滑动方套2上的长孔将滑动方套2锁紧，防止其窜动。此时钻孔定心螺杆5头部应距离加工表面尽量近，以保证打孔时定位准确和刀具工作稳定。

(六)在钻孔定心螺杆5的￠10mm定心孔内涂少量润滑油，目的是减少钻头与孔壁之间的摩擦，手电钻上装夹￠10mm钻头，在机舱内将钻头插入钻孔定心螺杆5的￠10mm定心孔内，启动手电钻，以小的进给量由内而外加工底孔。

(七)底孔加工后，松开固定滑动方套2的两颗M 10螺钉，将滑动方套2连同模板3沿方支杆1导向部位纵向后退，然后将钻孔定心螺杆5取下，准备安装开孔定心螺杆6。

(八)开孔定心螺杆6和滚花螺帽8用黄铜H62制成，滚花螺帽8上的通孔直径为￠10.5mm，略大于刀杆10上引导部分￠10mm的直径，以保证引导部分顺利通过，滚花螺帽8外径为￠24mm，内部螺纹为M20×2.5mm；橡胶垫7采用3mm厚耐油橡胶板制成，上面的通孔直径为￠10mm。

取下打孔定心螺杆5后，在开孔定心螺杆6两端各安装1个滚花螺帽8，每个滚花螺帽8内装有一个橡胶垫7，安装滚花螺帽8时用手拧紧即可，用力不宜过大，只要橡胶垫7稍有变形即可。以上工作做完后，将开孔定心螺杆6由前向后拧在模板3的M28×2mm的螺纹孔上，并在开孔定心螺杆6的￠10mm孔内注入少量润滑油，然后将模板3前推复位并锁紧。

(九)将￠32mm开孔刀具9安装在刀杆10上，之后将刀具装夹在手电钻上，刀杆10的￠10mm引导部分102从机身外部穿过刚刚在机身蒙皮上加工的底孔，再插入开孔定心螺杆6的￠10mm定心孔内，启动手电钻，高转速、较小的进给量进行切削加工，在刀杆10和开孔定心螺杆6的配合引导下完成最终孔的加工工作。

需要说明的是：针对不同产品，在使用本发明前，要根据需要加工不同外形的模板用于精确定位，同时要事先加工出能安装到刀杆10上的不同直径的开孔刀具，以满足产品加工具体要求。

以上内容是结合具体的优选实施案例对本发明所作的详细说明，不能认定本发明具体实施仅限于这些说明。对于本发明所述技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，对本发明的各组成部件、位置关系及连接方式在不改变其功能的情况下，进行的等效变换或替代，如其他特殊形状的赋形方向图设计等，也落入本发明的保护范围。

本发明未公开的技术属本领域公知技术。

Claims (5)

1.非金属材料特殊形面开孔工装，其特征在于：包括方支杆(1)、滑动方套(2)、模板(3)、连接板(4)、打孔定心螺杆(5)、开孔定心螺杆(6)、开孔刀具(9)和刀杆(10)；滑动方套(2)安装在方支杆(1)前部的导向部位，方支杆(1)导向部位的横截面是正方形，滑动方套(2)内孔也是正方形，滑动方套(2)可沿方支杆(1)的导向部位纵向滑动；滑动方套(2)上固定连接模板(3)；模板(3)上开有一个螺纹孔，用于安装打孔定心螺杆(5)或开孔定心螺杆(6)；连接板(4)安装在方支杆(1)尾部，用于将整个工装固定在基准参考体上；方支杆(1)尾部露出连接板(4)的部位为圆柱形，用于与产品内部基准参考体上的基准孔配合定位；开孔刀具(9)是刀头为锯齿形的空心刀具，其长度和直径根据预加工产品需要确定；开孔刀具(9)通过螺纹连接在刀杆(10)中部；刀杆(10)的前部为引导部分，后部用于装夹，前部、后部均为圆柱形；当需要打孔时，在模板(3)上安装打孔定心螺杆(5)来支撑和引导手动电动工具的钻头；当需要用开孔刀具(9)开孔时，在模板(3)上安装开孔定心螺杆(6)，通过刀杆(10)来支撑和引导刀具(9)。

2.根据权利要求1的非金属材料特殊形面开孔工装，其特征在于：在所述模板(3)上安装开孔定心螺杆(6)时，开孔定心螺杆(6)的两端各安装了一个滚花螺帽(8)，在滚花螺帽(8)内分别安装一个橡胶垫(7)。

3.根据权利要求1或2的非金属材料特殊形面开孔工装，其特征在于：所述开孔定心螺杆(6)的定心孔内设有纵向存油槽，用于存放润滑油，保证刀杆(10)的引导部分在开孔定心螺杆(6)内部旋转滑动时润滑良好。

4.根据权利要求3的非金属材料特殊形面开孔工装，其特征在于：所述开孔定心螺杆(6)定心孔内的纵向存油槽为沿圆周均布的4条纵向槽。

5.根据权利要求1的非金属材料特殊形面开孔工装，其特征在于：所述方支杆(1)导向部位开有长方形或圆形的减轻孔(11)。

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