CN102689040A - 螺旋铣孔装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种螺旋铣孔装置，包括：机座、主轴系统、调偏机构，公转系统以及防缠线机构。其中，主轴系统包括电主轴及固定到电主轴的自由端的铣刀，电主轴驱动所述铣刀自转；调偏机构包括外筒和内筒，内筒环绕电主轴，外筒环绕内筒，外筒的外圆与内圆偏心设置，内筒的外圆与内圆偏心设置；公转系统包括驱动电机、小齿轮以及大齿轮，驱动电机驱动小齿轮来带动大齿轮，以实现主轴系统的公转，铣刀的自转的轴线与主轴系统的公转的轴线之间存在偏心距。本发明可安装于机械手臂上，通过CNC实现制孔时孔中心的精确定位与轴向铣削进给，适用于快速制备大量成系列孔径孔结构的工作场合，能显著提高制孔效率及加工质量。

Description

螺旋铣孔装置

技术领域

本发明属于铣削加工技术领域，特别是涉及一种螺旋铣孔装置。

背景技术

随着支线飞机的批量生产以及大型客机研制工作的推进，大厚度复合材料-钛合金组合结构的一体化大批量制孔已经成为制约国内飞机制造装配生产效率与质量提高的重要因素。传统钻孔技术需要先预钻孔初加工，而后扩孔或铰孔，产生的毛刺也需要去除，制孔效率较低。此外，钻孔是一个连续切削的过程，局部散热条件差，在加工高硬度材料如钛合金时，会产生大量切削热，加剧刀具磨损，进而影响刀具寿命及加工精度。上述缺点使得传统钻孔技术无法满足现代化飞机制造的制孔要求，迫切需要采用新型制孔技术代替传统钻孔技术，消除制孔缺陷引起的应力集中，实现低应力、低缺陷制孔加工。作为一种新型孔加工方式，螺旋铣孔工艺具有切削过程平稳、刀具承受切削力小和一次加工即可满足精度要求的优点。该技术已成为国内外机械制造领域研究的热点和难点之一。

目前在飞机制造工程中，需要加工大量的不同规格的孔。螺旋铣孔主要应用于加工较大孔径的孔，孔径范围通常在6～20mm。根据孔径单位分为英制孔径和公制孔径，英制孔径主要是8/32in、10/32in、12/32in、14/32in等；公制孔径为6mm至20mm中一些整数孔径。

发明内容

本发明的目的在于克服传统钻孔技术的缺点，基于“以铣代钻”的原理，提供一种制孔效率高、表面质量好、所需工具少，加工成本低的螺旋铣孔装备单元。

为了达到上述目的，本发明的螺旋铣孔装置包括：

机座；

主轴系统，其固定到所述机座，所述主轴系统包括电主轴及固定到电主轴的自由端的铣刀，所述电主轴驱动所述铣刀自转；

调偏机构，其包括外筒和内筒，所述内筒环绕所述电主轴，所述外筒环绕所述内筒，所述外筒的外圆与内圆偏心设置，所述内筒的外圆与内圆偏心设置，所述调偏机构还包括用于周向调整并固定所述外筒和所述内筒的螺头锥销；

公转系统，其包括驱动电机、安装在所述驱动电机上的小齿轮以及安装在所述外筒上并与所述小齿轮啮合的大齿轮，所述驱动电机驱动所述小齿轮来带动所述大齿轮，以实现所述主轴系统的公转，其中所述铣刀的自转的轴线与所述主轴系统的公转的轴线之间存在偏心距；以及

防缠线机构，其包括十字滑块联轴器、带轴法兰盘、固定心轴、后盖和后盖套筒，所述带轴法兰盘固定到所述电主轴的与所述自由端相对的末端，所述十字滑块联轴器的两端分别固连带轴法兰盘的上轴端与固定心轴，所述固定心轴的方轴端插入后盖的方孔，并通过所述后盖套筒固定到所述机座。

其中，所述外筒的外圆圆心与内圆圆心之间的距离等于所述内筒的外圆圆心与内圆圆心之间的距离。

其中，所述外筒的内圆与所述内筒的外圆之间为间隙配合。

其中，所述调偏机构的内筒的外壁上沿周向设有一系列位置不同的锥销孔，所述锥销孔对应不同的所述铣刀的自转的轴线与所述主轴系统的公转的轴线之间的偏心距，所述螺头锥销通过安装在所述外筒上的销盖板上的螺纹孔并旋入所述内筒上的对应的锥销孔，以固定所述外筒与所述内筒。

本发明的有益效果：

1.针对飞机制孔的实际情况，本发明可安装于机械手上，组成柔性自动制孔系统，通过CNC实现制孔自动化，完成孔中心的快速精确定位与轴向铣削进给，适用于快速制备大量成系列规格孔结构的工作场合；

2.可用同一把铣刀加工不同规格的孔，节约了刀具库存及换刀时间，可提高制孔效率、降低加工成本；

3.螺旋铣孔过程属于非连续切削，散热及排屑困难较传统钻孔技术大为减轻，由于切削力较低，刀具磨损也得以改善，对于航空制造中加工大厚度复合材料-钛合金尤具意义；

4。非连续切削及低切削力有效避免了毛刺的产生，并降低了孔的表面粗糙度，可以做到一次加工合格，相对传统钻孔技术节省了大量后续工序。

附图说明

图1是根据本发明的螺旋铣孔装置的结构示意图；

图2是图1中螺旋铣孔装置的横截面示意图；

图3是根据本发明的手动调偏机构的原理示意图；

图4是根据本发明的手动调偏机构的结构示意图；

图5是根据本发明的防缠线机构的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细阐述根据本发明的优选实施例的螺旋铣孔装置。

图1示出了根据本发明的螺旋铣孔装置的结构示意图。该螺旋铣孔装置包括机座1001、主轴系统1100、手动调偏机构1200、公转系统1300以及防缠线机构1400。

图2示出了根据本发明的螺旋铣孔装置的横截面示意图。

其中，主轴系统1100包括电主轴1101和铣刀1102，铣刀1102可通过例如夹具1103固定到电主轴1101的自由端，通过电主轴1101驱动铣刀1102进行高速自转。

手动调偏机构1200包括外筒1201和内筒1202，内筒1202环绕电主轴1101，外筒1201环绕内筒1202，外筒1201和内筒1202的外圆都与各自的内圆偏心设置，外筒1201和内筒1202之间通过螺头锥销1203调整并固定。其中，电主轴1101的外壳与内筒1202的内圆之间安装有轴承，外筒1201的外圆与机座1001的内孔之间安装有轴承。

公转系统1300包括安装在驱动电机1301上的小齿轮1302以及安装在外筒1201的外圆上的大齿轮1303，小齿轮1302和大齿轮1303相啮合。驱动电机1301通过支架1304固定到机座1001，通过驱动电机1301驱动小齿轮1302转动，由于小齿轮1302和大齿轮1303啮合，小齿轮1302带动大齿轮1303转动，从而带动外筒1201、内筒1202、电主轴1101以及电主轴1101上的铣刀1102转动。

防缠线机构1400包括十字滑块联轴器1401、带轴法兰盘1402与固定心轴1403，带轴法兰盘1402固定到电主轴1101的与自由端相对的末端，十字滑块联轴器1401的两端分别固连带轴法兰盘1402的上轴端与固定心轴1403。固定心轴1403的方轴端插入后盖1404的方孔，并通过后盖套筒1405与机座1001固定。

根据本发明的螺旋铣孔装置的工作原理如下：不考虑轴向进给，螺旋铣孔加工过程中铣刀1102的运动可分解为两个相互独立的运动，一个是绕铣刀1102自身轴线(即电主轴1101中心轴线)的高速自转，另一个是绕机座1001轴线(即外筒1201外圆中心轴线)的低速公转，从而加工出孔径大于刀具直径的孔。铣刀1102的自转由主轴系统1100中电主轴1101通过夹具1103带动铣刀1102完成，公转由公转系统1300中驱动电机1302通过小齿轮1302、大齿轮1303的啮合带动手动调偏系统1200与主轴系统1100完成。

为了改变制孔孔径，手动调偏系统1200可有级调节铣刀1102的轴线与机座1001的内孔的中心轴线之间的偏距。调偏原理如图3所示，其中圆1代表外筒1201的外圆(与机座1001的内孔同轴)，中心轴线为O₁；圆2代表外筒1201内圆与内筒1202外圆，中心轴线为O₂；圆3代表内筒1201内圆(与电主轴1101外壳同轴)，中心轴线为O₃，即电主轴的铣刀的旋转轴线，各圆均为相对偏心设置。圆1与圆2之间的偏心距为

圆2与圆3之间的偏心距为e₁、e₂之间夹角为θ，则铣刀1102的轴线与机座1001的内孔的中心轴线之间的偏距

为e₁、e₂的矢量和，从而通过使内筒1202相对于外筒1202转动(即调节θ)来调节e。实际工作中一般令e₁＝e₂，则e的调节范围为0≤e≤e₁+e₂。

图4示出了手动调偏系统1200的内部结构。外筒1201的内圆与内筒1202的外圆之间为间隙配合，销盖板1204安装在外筒1201的外壁上，内筒1201沿外圆周向开有一系列锥销孔，各锥销孔相对位置由初始设计时计算确定。螺头锥销1203头部具有内六角孔，可利用内六角扳手拧入销盖板1204上的螺纹孔并与内筒1201上的锥销孔配合，从而固定了外筒1201与内筒1202的相对位置，以配出所需的偏距e。需调节偏距e时将螺头锥销1203拧出，利用工具使内筒1202相对外筒1201发生转动，至另一锥销孔对准销盖板1204上的螺纹孔，重新拧入螺头锥销1203固定，则偏距e及制孔孔径即可随之改变。

图5示出了防缠线机构1400的内部结构。防缠线机构1400可约束电主轴1101的外壳相对机座1001保持平动，以防止外壳后端的外接线1104发生卷绕。由于电主轴1101外壳与内筒1202的内圆之间安装有轴承，外壳可相对于内筒1202自由转动。带轴法兰盘1402通过均匀分布的螺钉固定于电主轴1101外壳的后端，后盖1404与后盖套筒1405以均布螺钉连接，并固定于机座1001的后端，固定心轴1403的方轴端插入后盖1404上的方孔，从而与机座1001固定。十字滑块联轴器1401的两端分别连接带轴法兰盘1402上轴端与固定心轴1403，并以销钉相对固定，允许两轴发生径向相对运动而不发生相对转动。由于带轴法兰盘1402与固定心轴1403分别固连电主轴1101的外壳与机座1001，即约束了电主轴1101的外壳相对机座1001只能作平动，有效避免了外接线1104发生卷绕。

具体实施例1

欲用Φ8铣刀加工Φ12孔，只需将Φ8铣刀固定于电主轴1101的输出轴上，手动将螺头锥销1203通过销盖板1204上的螺纹孔，拧入内筒1202上对应偏距为2mm的锥销孔，装备单元即可开始通电并定位加工Φ12孔。

采用同一把Φ8铣刀改为加工Φ14孔，只需断电停机后，手动将螺头锥销1203从销盖板1204上的螺纹孔内拧出，并利用工具使内筒1202相对于外筒1201转动，至内筒上对应偏距为3mm的锥销孔与销盖板1204上的螺纹孔对齐，再重新拧入螺头锥销1203，即可重启加工Φ14孔。

本发明中所述具体实施案例仅为本发明的较佳实施案例而已，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种螺旋铣孔装置，其特征在于，包括：

机座(1001)；

主轴系统(1100)，其固定到所述机座(1001)，所述主轴系统(1100)包括电主轴(1101)及固定到电主轴(1101)的自由端的铣刀(1102)，所述电主轴(1101)驱动所述铣刀(1102)自转；

调偏机构(1200)，其包括外筒(1201)和内筒(1202)，所述内筒(1202)环绕所述电主轴(1101)，所述外筒(1201)环绕所述内筒(1202)，所述外筒(1201)的外圆与内圆偏心设置，所述内筒(1202)的外圆与内圆偏心设置，所述调偏机构(1200)还包括用于周向调整并固定所述外筒(1201)和所述内筒(1202)的螺头锥销(1205)；

公转系统(1300)，其包括驱动电机(1301)、安装在所述驱动电机(1301)上的小齿轮(1302)以及安装在所述外筒(1201)上并与所述小齿轮啮合的大齿轮(1303)，所述驱动电机(1301)驱动所述小齿轮(1302)来带动所述大齿轮(1303)，以实现所述主轴系统(1100)的公转，其中所述铣刀(1102)的自转的轴线与所述主轴系统(1100)的公转的轴线之间存在偏心距；以及

防缠线机构(1400)，其包括十字滑块联轴器(1401)、带轴法兰盘(1402)、固定心轴(1405)、后盖(1404)和后盖套筒(1405)，所述带轴法兰盘(1402)固定到所述电主轴(1101)的与所述自由端相对的末端，所述十字滑块联轴器(1401)的两端分别固连带轴法兰盘(1402)的上轴端与固定心轴(1403)，所述固定心轴(1403)的方轴端插入后盖(1404)的方孔，并通过所述后盖套筒(1405)固定到所述机座(1001)。

2.根据权利要求1所述的螺旋铣孔装置，其特征在于，所述外筒(1201)的外圆圆心与内圆圆心之间的距离等于所述内筒(1202)的外圆圆心与内圆圆心之间的距离。

3.根据权利要求1或2所述的螺旋铣孔装置，其特征在于，所述外筒(1201)的内圆与所述内筒(1202)的外圆之间为间隙配合。

4.根据权利要求1或2所述的螺旋铣孔装置，其特征在于，所述调偏机构(1200)的内筒(1202)的外壁上沿周向设有一系列位置不同的锥销孔，所述锥销孔对应不同的所述铣刀(1102)的自转的轴线与所述主轴系统(1100)的公转的轴线之间的偏心距，所述螺头锥销(1203)通过安装在所述外筒(1201)上的销盖板(1204)上的螺纹孔并旋入所述内筒(1202)上的对应的锥销孔，以固定所述外筒(1201)与所述内筒(1202)。

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