CN103192125B - 一种便携式螺旋铣孔装置及加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种便携式螺旋铣孔装置及加工方法属于螺旋铣孔加工技术领域，涉及一种针对新型材料如碳纤维复合材料、铝合金、钛合金等难加工材料的便携式螺旋铣孔装置及加工方法。该装置由刀具自转机构、公转机构、径向偏移机构、轴向进给机构和加工定位机构组成。在装置中，自转机构中的主轴为机械主轴，主轴具有4段不同形状的轴颈，主轴右端轴颈轴线的中心O1与主轴主体轴颈轴线的中心O偏置设置。该装置采用钻模板和固定套联合定位，使转换加工位置时工艺简单，定位准确，同时保证了加工过程中设备具有足够的稳定性和刚性。本发明在调整偏心量使用的蜗轮和蜗杆端面分别安装有刻度盘和指针，用于指示偏心量值，使偏心量调节更准确且实现可视化。

Description

一种便携式螺旋铣孔装置及加工方法

技术领域

本发明属于螺旋铣孔加工技术领域，涉及一种针对新型材料如碳纤维复合材料、铝合金、钛合金等难加工材料的便携式螺旋铣孔装置及加工方法。

背景技术

随着当代装备制造业业的快速发展，铝合金、钛合金和先进复合材料广泛应用于航空航天、国防军工等领域，用于制备大型客机及军用飞机的机翼、舱段等。复合材料结构件装配时通常需要与作为承载支撑件的钛合金和铝合金零件局部连接，形成复合材料/合金的叠层构件，叠层构件的制孔是飞机制造中应用广泛且极为重要的加工工序。现代飞行器机体中叠层构件装配中制孔数量多、难度大、要求高、工作繁重，同时大型飞行器采用复杂整体结构，机体结构长寿命、高质量、高气动性能等要求使装配制孔的精度和质量比以往要求更高更严。目前国内飞机制造企业广泛采用传统的钻、扩、铰工艺进行制孔，制孔精度和质量差、缺陷严重，加工方法流程长、使用刀具多，刀具磨损严重，工艺参数匹配困难，钻孔加工排屑不畅、热影响严重，难以满足叠层结构的制孔要求。

美国专利PCT/SE94/00085，名称为“HAND TOOL FOR MAKING HOLESIN e.g.FIBRE-REINFORCED COMPOSITES,BY MEANS OF AN ORBITALLYMOVING CUTTER”，发明人ERIKSSON INGVAR等公开了一种制孔的手动工具。该专利包括：一个可以绕自身轴线和主轴线旋转的刀具夹具，一个用于沿位于该点表面的垂直方向上调节该刀具夹具的转动轴线部件，一个相对于工件的轴向进给部件，一个用于调节刀具夹具的主轴线和旋转轴线之间的径向距离的部件。尽管该专利总结了一些原理，但是这种手动制孔工具不能满足航天航空领域对制孔质量的要求，原因是该手动工具定位靠手动，严重影响孔的位置精度，加工过程中需手持，不能提供太大的刚度，影响孔的同轴度和表面质量。

专利申请号为200910306026.8，专利名称为“自动螺旋铣孔单元”专利，由天津大学的秦旭达等人发明的自动螺旋铣孔装置，使用了双偏心套筒来实现刀具偏心量的调整，来解决航空航天领域中难加工材料的制孔问题，整个装置的径向尺寸大，重量重，还需安装在机械手上。

发明内容

本发明要解决的技术难题是克服现有技术的缺陷，发明一种便携式螺旋铣孔装置及加工方法，提高制孔精度。发明的加工方法采用固定套和钻模板联合定位，采用此方法使转换加工位置时工艺简单，搬运方便，定位准确，加工过程中不再需要人手把持，保证了加工过程中设备具有足够的稳定性和刚性，采取了人手搬运的形式来实现不同位置的加工，不需使用机械手，节约成本。

本发明采用的技术方案是一种便携式螺旋铣孔装置及加工方法，螺旋铣孔装置由刀具自转机构、公转机构、径向偏移机构、轴向进给机构和加工定位机构组成，其特征在于，所述的自转机构中，主轴8为机械主轴，并且主轴8具有4段不同形状的轴颈：主轴右端轴颈8-a为圆柱形，依次向左为主轴锥形轴颈8-b、主轴主体轴颈8-c为圆柱形、主轴左端轴颈8-d为圆柱形，主轴右端轴颈8-a轴线的中心O1与主轴主体轴颈8-c轴线的中心O偏置设置；套筒12的内孔轴线中心与套筒12外壳的中心O2偏置；主轴8装在套筒12内孔内，通过调节主轴右端轴颈8-a相对套筒12的转角，来调整刀具的偏心量；主轴右端轴颈8-a与刀具夹具7相连，主轴左端轴径8-d通过联轴器16与第一动力源17相连；

所述的径向偏移机构中，蜗轮11固定在主轴右端轴颈8-a上，蜗杆10固定在前端盖9的前端，蜗轮11端部装有蜗轮端面指针23-a和蜗轮端面刻度盘24-a，蜗杆(10)端部装有蜗杆端面指针23-b和蜗杆端面刻度盘24-b；所述的加工定位机构中，固定支架5安装在底板21上，固定套3装在支架5上，吸尘管4装在固定套3或钻模板2上，吸尘管4外连真空吸尘器，钻模板2与工件1相连。

所述的一种便携式螺旋铣孔装置，其特征在于，装置采用的加工方法中，采用固定套3和钻模板2联合定位方式，具体加工步骤如下：

①根据选用的刀具尺寸与所加工孔的尺寸调整偏心量，通过旋转蜗杆10调整主轴右端轴颈8-a相对套筒12的偏心量，蜗轮11和蜗杆10上的刻度盘24-a、24-b显示当前的偏心量；

②通过手持的形式移动本装置，使固定套3连接在钻模板2上，加工过程中不再需要人手把持；

③启动螺旋铣孔装置，加工过程中的切屑通过吸尘管4排除；

④若所加工孔尺寸不变，则加工完一个孔之后，手持移动到另一孔加工位置，重复上述2—3步骤，直至加工完；当加工孔的直径改变时，则需要重新调节偏心量，再重复1—3步骤，直至加工完毕。

本发明的有益效果是本发明装置克服了传统钻孔工艺的不足，利用螺旋铣孔工艺使加工质量和效率明显提高；本发明采用了偏置的主轴8和偏置的套筒12来实现刀具径向偏移量的调整，结构简单，尺寸小，重量轻，便于手持；本发明在调整偏心量使用的蜗轮11和蜗杆10端面分别安装有刻度盘和指针，用于指示偏心量值，使偏心量调节更准确且实现可视化。

附图说明

图1为本发明的一种便携式螺旋铣孔装置及加工方法的结构示意图，图2为本发明的径向偏移机构的剖面示意图，图3为本发明部分轴视图，图4为本发明的偏心主轴8和偏心套筒12配合关系示意图，其中：1、工件，2、钻模板，3、固定套，4、吸尘管，5、固定支架，6、刀具，7、刀具夹具，8、主轴，8-a、主轴右端轴颈，8-b、主轴锥形轴颈，8-c、主轴主体,8-d,主轴左端轴颈，9、前端盖，10、蜗杆，11、蜗轮，12、套筒，13、壳体，14、第一同步带轮，15、第二动力源，16、联轴器，17、第一动力源，18、第三动力源，19、第二同步带轮，20、滑块，21、底板，23-a、蜗轮端面指针，23-b、蜗杆端面指针，24-a、蜗轮端面刻度盘，24-b、蜗杆端面刻度盘。

具体实施方式

下面结合技术方案和附图详细说明本发明的具体实施，加工材料可为钛合金、铝合金、碳纤维、复合材料/合金叠层构件等难加工材料。

本发明是一种便携式螺旋铣孔装置，它由刀具自转机构、公转机构、径向偏移机构、轴向进给机构以及加工定位机构组成。图1中，所述的自转机构包括偏置的主轴8，其右端轴颈8-a与刀具夹具7相连，左端轴径8-d与第一动力源17靠联轴器16相连。加工过程中由第一动力源17带动机械主轴8转动完成自转。第一动力源17既可以采用电动机，也可以采用气动马达。

所述的公转机构中，套筒12通过轴承与壳体13相连，第二动力源15安装在壳体13顶部。图1中，第二动力源15的输出端与第一同步带轮14相连，第二同步带轮19套装在套筒12外面，第一同步带轮14和第二带轮19靠同步齿形带连接。第二动力源15通过同步带轮和齿形带的作用带动套筒12转动，套筒12带动刀具6转动，实现刀具6的公转。第二动力源15既可采用电动机，也可采用气动马达。主轴8和套筒12均带有互相配合的锥面，并通过给主轴8施加轴向力，利用圆锥配合面实现偏心调整量锁死，对所述主轴8施加轴向力的具体形式可为螺纹压紧、弹簧压紧或压电晶体压紧。

所述的轴向进给机构中，在底部的第三动力源18带动丝杠转动，丝杠带动滑块20在导轨上滑动。第三动力源18可为电动机、直线电机、气缸或油缸，当所述的第三动力源18为电动机时，直线运动机构为滚珠丝杠，当第三动力源18为直线电机、气缸或油缸时，直线运动机构为第三动力源本身。

所述的加工定位机构中，固定支架5装在底板21上，固定套3装在支架5上，吸尘管4装在固定套3上，钻模板2连接在工件1上，用来确定加工孔的位置和角度；螺旋铣孔装置通过手持形式，利用固定套3与钻模板2连接，实现加工的定位与固定，提高了定位精度，加工中不再需要人手把持，保证了加工过程中设备具有足够的稳定性和刚性。外接在真空吸尘器上的吸尘管4既可以安装在固定套3上，也可以安装在钻模板2上，来排除加工中的切屑，保证加工环境的清洁。

在图2中，径向偏移机构包括蜗轮11和与其啮合的蜗杆10，蜗轮11固定在主轴右端轴颈8-a上，蜗杆10固定在所述前端盖9前端；本发明利用啮合的蜗轮11和蜗杆10调整主轴8与外套筒12之间的角度来调整加工的偏心量。所述的主轴右端轴颈8-a轴线中心01与主轴主体轴颈8-b轴线中心0偏置设置，在该主轴8外部套有偏心套筒12，套筒12外壳轴线中心02和内孔轴线偏置设置，因此通过旋转蜗杆10，蜗轮11带动主轴8旋转，就能实现主轴8与外套筒12之间的角度调节，从而调整偏心量。在图3中，蜗轮11端部装有蜗轮端面指针23-a和蜗轮端面刻度盘24-a，蜗杆10端部装有蜗杆端面指针23-b和蜗杆端面刻度盘24-b，用于显示当前的偏心量值。

在图4中，0点为主轴主体轴颈8-c中心,同时也是套筒12内孔中心，01为主轴右端轴径8-a中心，02为套筒12外壳的中心，当主轴8相对套筒12转动时0、01、02三点的相对位置发生变化，从而改变线段0102的长度，实现偏心调节。

实施例1：用φ8的铣刀加工φ10的孔，具体加工过程如下：

①根据选用的刀具尺寸与所加工孔的尺寸调整偏心量，通过旋转蜗杆10调整偏心量，使蜗轮10和蜗杆11上的刻度盘显示当前偏心量为1mm；

②通过手持的形式移动本装置，使固定套3连接在钻模板2上，加工过程中不再需要人手把持；

③启动螺旋铣孔装置，加工过程中的切屑通过吸尘管4排除；

④若所加工孔尺寸φ10不变，则加工完一个孔之后，手持移动到另一孔加工位置，重复上述2—3步骤，直至加工完；

如用同一把φ8铣刀在加工完φ10的孔后需加工φ12的孔，则通过旋转蜗杆10调整偏心量，使偏心量调节为2mm，按上述步骤②-④继续加工即可。

本发明除采用手持形式实现不同加工位置的移动之外，也可将本发明连接在机械手上，由机械手实现加工位置的移动，定位并承受加工中产生的切削力。

Claims (2)

1.一种便携式螺旋铣孔装置，由刀具自转机构、公转机构、径向偏移机构、轴向进给机构和加工定位机构组成，其特征在于，所述的自转机构中，主轴(8)为机械主轴，并且主轴(8)具有4段不同形状的轴颈：主轴右端轴颈(8-a)为圆柱形，依次向左为主轴锥形轴颈(8-b)、主轴主体轴颈(8-c)为圆柱形、主轴左端轴颈(8-d)为圆柱形，主轴右端轴颈(8-a)轴线的中心O1与主轴主体轴颈(8-c)轴线的中心O偏置设置；套筒(12)的内孔轴线中心与套筒(12)外壳的中心O2偏置；主轴(8)装在套筒(12)内孔内，通过调节主轴右端轴颈(8-a)相对套筒(12)的转角，来调整刀具的偏心量；主轴右端轴颈(8-a)与刀具夹具(7)相连，主轴左端轴径(8-d)通过联轴器(16)与第一动力源(17)相连；

所述的径向偏移机构中，蜗轮(11)固定在主轴右端轴颈(8-a)上，蜗杆(10)固定在前端盖(9)的前端，蜗轮(11)端部装有蜗轮端面指针(23-a)和蜗轮端面刻度盘(24-a)，蜗杆(10)端部装有蜗杆端面指针(23-b)和蜗杆端面刻度盘(24-b)；所述的加工定位机构中，固定支架(5)安装在底板(21)上，固定套(3)装在支架(5)上，吸尘管(4)装在固定套(3)或钻模板(2)上，吸尘管(4)外连真空吸尘器，钻模板(2)与工件(1)相连。

2.根据权利要求1所述的一种便携式螺旋铣孔装置，其特征在于，装置采用的加工方法中，采用固定套(3)和钻模板(2)联合定位方式，具体加工步骤如下：

①根据选用的刀具尺寸与所加工孔的尺寸调整偏心量，通过旋转蜗杆(10)调整主轴右端轴颈(8-a)相对套筒(12)的偏心量，蜗轮(11)和蜗杆(10)上的刻度盘(24-a、24-b)显示当前的偏心量；

②通过手持的形式移动本装置，使固定套(3)连接在钻模板(2)上，加工过程中不再需要人手把持；

③启动螺旋铣孔装置，加工过程中的切屑通过吸尘管(4)排除；

④若所加工孔尺寸不变，则加工完一个孔之后，手持移动到另一孔加工位置，重复上述2—3步骤，直至加工完；当加工孔的直径改变时，则需要重新调节偏心量，再重复1—3步骤，直至加工完毕。