CN103586504B - 用于细小深孔加工的工件装载装置及加工装置 - Google Patents

Abstract

用于细小深孔加工的工件加载装置，包括底座，用于承载待钻孔工件的上盖，和连接底座与上盖的保护壳；底座与上盖、保护壳同轴，保护壳内具有扭转振动发生机构，扭转振动发生机构产生扭转振动的扭转驱动器和为扭转振动驱动器提供激励信号的激励装置；扭转驱动器由智能材料产生扭转振动。细小深孔加工装置，包括钻床，主轴，与主轴固定的钻头夹，钻头，驱动钻头发生扭转振动的智能材料和所述的工件加载装置，钻头和工件加载装置反向扭转振动。本发明具有能够提高细小深孔加工效率和加工精度的优点。

Description

用于细小深孔加工的工件装载装置及加工装置

技术领域

本发明涉及机械加工领域，特别是一种用于细小深孔加工的工件装载装置及加工装置。

技术背景

随着机械行业的发展，对机械零件加工质量的要求越来越高，采用普通钻削进行细小深孔加工时，所用的钻头直径小，刚性差，在钻削过程中，碰到被加工材料中的硬质点、进刀时力量过大或者不均匀、切屑阻塞、不稳定的钻头角位移以及具有随机性和无法控制的激振频率时，会迅速增大扭矩，形成加工过程中的强烈扭振，钻头便会发生扭转变形，变形到一定程度时，便会折断钻头；钻削细小深孔时，由于孔径小而深，刀具处于半封闭状态，冷却液和润滑液体很难到达切削区，钻头冷却润滑困难，影响加工条件；此外，由于细小深孔孔径小，排屑槽宽度和钻心厚度难以均衡，排屑槽大时，钻头抗扭和抗弯能力降低，影响孔的直线度和圆柱度，钻心厚度大时，轴向走刀抗力也会增加，钻头容易走偏，影响孔加工精度；此外，普通钻削时还易产生积屑瘤和内孔划伤等问题，影响机械零件的加工质量。

为了克服普通钻削的上述缺点，中国专利200520100155.9号披露了一种用于深孔加工的智能刀具，包括上下连为一体的夹持部位和切屑刃部位，在刀具的夹持部位和切削刃部位之间的刀杆上嵌装有智能材料，该智能材料暴露在激励装置的作用下。这种智能刀具的智能材料在激励装置的作用下使刀具的切削刃部位产生主动可控激振，从而使金属冷切削加工中的连续金属切削带断裂，实现主动激振断屑。

使用这种智能刀具进行加工时，在传统加工的同时，仅依靠刀具切削面的振动，施加到待钻孔工件上的振动形式单一，振动钻削的效率有限。另外，刀具对待钻孔工件施加扭转振动时，待钻孔工件将产生无规律、不可控振动，影响加工效率和加工精度。

发明内容

为了克服现有的振动钻削的上述缺点，本发明提供了一种能够提高细小深孔加工效率和加工精度的高频扭转振动钻削的工件装载装置及加工装置。

用于细小深孔加工的工件加载装置，包括底座，用于承载待钻孔工件的上盖，和连接底座与上盖的保护壳；底座与上盖、保护壳同轴，保护壳内具有扭转振动发生机构，扭转振动发生机构包括产生扭转振动的扭转驱动器和为扭转振动驱动器提供激励信号的激励装置；扭转驱动器由智能材料产生扭转振动。常见的智能材料有压电纤维，磁致伸缩材料，电致伸缩材料，形状记忆合金，压电陶瓷材料等对外界信号能相应改变材料物理特性的材料。

进一步，扭转驱动器包括套筒，驱动器基体和多个智能材料片，套筒插入驱动器基体内，智能材料片均匀分布于驱动器基体的外侧面，智能材料片与激励装置连接。

进一步，底座包括底盘和连接柱，连接柱与底盘同轴，套筒与连接柱固定。

进一步，扭转驱动器的套筒两端分别外露于驱动器基体，连接柱插入套筒内，套筒的外露段分别通过螺钉与连接柱固定；连接柱顶部与上盖键连接。

进一步，保护壳包括与上盖通过螺栓固定连接的上法兰，与底盘通过螺栓固定连接的下法兰，和连接上法兰与下法兰的筒体。

进一步，上盖包括三个从小到大依次设置的圆柱段，第一圆柱段插入筒体内，第二圆柱段与上法兰固定，第三圆柱段与待钻孔工件夹具固定，第一圆柱段最小，第三圆柱段最大；与连接柱配合的键槽开设于第一圆柱段中央。待钻孔工件置于夹具上，夹具固定于第三圆柱段上。

细小深孔加工装置，包括钻床，主轴，与主轴固定的钻头夹，钻头，驱动钻头发生扭转振动的智能材料和上述的工件加载装置，钻头和工件加载装置反向扭转振动。

扭转振动钻削，是一种刀具与工件不分离的断续切削方式，扭转振动钻削时，刀具在工件孔壁内扭转，冷却液和润滑液容易到达钻尖，孔的表面加工质量提高；扭转振动钻削可以将原有的无规律不可控的扭振变为有规律可控的强迫扭转振动，达到减少钻削阻力、扭矩以及以振制振的效果，提高钻头寿命；此外扭转振动钻削时，当强迫振动频率为高频时，可以减少待钻孔工件和钻头之间摩擦和钻削阻力，可以减少切屑产生，利于切屑过程排屑，获得良好的孔扭转振动钻削效果，提高孔的加工质量。本发明的细小深孔加工装置的刀具和工件加载装置同时对待钻孔工件施加振动扭转作用，使待钻孔工件实际承受的扭转振动是刀具的扭转振动和工件加载装置的扭转振动的叠加，增强了细小深孔加工时的扭转振动效果，提高孔的加工质量。

进一步限定驱动钻头发生扭转振动的结构如下：智能材料为多个扭转振动薄片，扭转振动薄片均匀地分布于扭转致动基体的侧面，扭转致动基体与钻头夹固定，钻头夹上设有对扭转振动薄片施加驱动信号的集电环。

为了进一步提高加工效率和精度，在扭转振动的同时，也使钻头产生轴向高频微幅振动，产生轴向高频微幅振动的结构如下：钻头夹与产生轴向振动的压电叠堆致动器固定连接，压电叠堆致动器由多个环形压电陶瓷片叠堆而成，集电环对环形压电陶瓷片施加激励信号。

钻头在轴向高频微幅振动和周向扭转振动的共同作用下，钻头产生轴向和周向的复合振动，完成对待钻孔工件的细小深孔加工，加工效率提高，加工精度提高。

本发明的有益效果在于：

1. 待钻孔工件在受到钻头旋转切削的同时，受到工件装载装置产生的高频微幅扭转振动，将钻削过程中工件产生的振动由无规律、不可控振动变为有规律、可控的高频微幅强迫扭转振动。

2. 减小待钻孔工件和钻头之间摩擦和钻削阻力、扭矩以及增强冷却润滑效果，从而提高细小深孔加工质量。

3.扭转驱动器的在底座上的固定位置和数量根据待钻孔工件的材料和硬度不同方便的可调。

4. 施加在工件上的扭转振动为钻头和工件装载装置的扭转振动的叠加，极大地提高了加工效率，减少切屑产生，利于切屑过程排屑，提高孔的加工精度和表面质量，提高打孔深度和打孔效率。

5. 结构简单、体积小、重量轻、操作方便以及现有钻削设备改造简便。

6、对钻头施加轴向高频微幅振动，使钻头产生轴向和轴向的复合振动，提高钻孔的效率和精度。

附图说明

图1是工件装载装置的示意图。

图2是图1的分解示意图。

图3是扭转驱动器的示意图。

图4是底座的示意图。

图5是保护壳的示意图。

图6是上盖的示意图。

图7是待钻孔工件固定于工件装载装置上的示意图。

图8是细小深孔加工装置的示意图。

图9是钻头夹上具有扭转致动基体和扭转振动薄片的示意图。

图10是钻头夹上具有扭转致动基体和压电叠堆致动器的示意图。

具体实施方式

实施例1

如图1、2所示，用于细小深孔加工的工件加载装置，包括底座83，用于承载待钻孔工件9的上盖81，和连接底座83与上盖81的保护壳82；底座83与上盖81、保护壳82同轴，保护壳82内具有扭转振动发生机构，扭转振动发生机构包括产生扭转振动的扭转驱动器85和为扭转振动驱动器提供激励信号的激励装置；扭转驱动器85由智能材料产生扭转振动。常见的智能材料有压电纤维，磁致伸缩材料，电致伸缩材料，形状记忆合计，压电陶瓷材料等对外界信号能相应改变材料物理特性的材料。

如图3所示，扭转驱动器85包括套筒84，驱动器基体851和多个智能材料片852，套筒84插入驱动器基体851内，智能材料片852均匀分布于驱动器基体851的外侧面，智能材料片852与激励装置连接。驱动器基体851与套筒84固定连接。驱动器基体851呈正棱柱形，智能材料片852粘贴在驱动器基体851的各个侧面，驱动器基体851中央开设有与套筒84配合的通孔，驱动器基体851与套筒84通过螺钉固定。

如图4所示，底座83包括底盘833和连接柱832，连接柱832与底盘833同轴，套筒84与连接柱832固定。

扭转驱动器85的套筒84两端分别外露于驱动器基体851，连接柱832插入套筒84内，套筒84的外露段分别通过螺钉与连接柱832固定；连接柱832与上盖81键连接，键831设置于连接柱832顶部。

当然，套筒84与连接柱832的固定方式还可以是粘接固定，螺纹固定等。套筒84与连接柱832的固定方式不局限于本实施例的举例。

如图5所示，保护壳82包括与上盖81通过螺栓固定连接的上法兰821，与底盘833通过螺栓固定连接的下法兰822，和连接上法兰821与下法兰822的筒体823。

如图6所示，上盖81包括三个从小到大依次设置的圆柱段，第一圆柱段811插入筒体823内，第二圆柱段812与上法兰821固定，第三圆柱段813与待钻孔工件夹具10固定，第一圆柱段811最小，第三圆柱段813最大；与连接柱832配合的键槽814开设于第一圆柱段811中央。待钻孔工件9置于夹具10上，夹具10固定于第三圆柱段813上。键槽814，第一圆柱段811和第二圆柱段812，保护壳筒体823以及底座连接柱832配合作用使得底座83、保护壳82和上盖81同轴。

本发明在使用时，根据待钻孔工件9的材料和硬度调整扭转驱动器85的固定位置和数量，然后使钻头进行钻削工作，之后高频信号发生器产生高频信号，经驱动电源后加载到扭转驱动器85上，扭转驱动器85产生高频微幅扭转信号，经套筒84、底座83、上盖81、保护壳82和夹具10传递到待钻孔工件9上，使得待钻孔工件9在受到钻头低速旋转钻削加工的同时，还具有高频扭转振动的特性，待钻孔工件9的振动由无规律、不可控振动变为有规律、可控的高频微幅强迫扭转振动，同时减小待钻孔工件9和钻头8之间摩擦和钻削阻力和扭矩、减少切屑产生以及增强冷却润滑效果，从而更好的完成对细小深孔的加工。

扭转驱动器85位于保护壳82内的封闭空间内，不容易受到外界环境的影响，使用寿命长。

实施例2

如图8所示，细小深孔加工装置，包括钻床1，主轴2，与主轴2固定的钻头夹3，钻头7，驱动钻头7发生扭转振动的智能材料和上述的工件加载装置8，钻头7和工件加载装置8反向扭转振动。

如图9所示，限定驱动钻头7发生扭转振动的结构如下：智能材料为多个扭转振动薄片，扭转振动薄片均匀地分布于扭转致动基体的侧面，扭转致动基体与钻头夹3固定，钻头夹3上设有对扭转振动薄片施加驱动信号的集电环5。

扭转致动器基体呈正棱柱形，扭转振动薄片粘贴在扭转致动器基体的各个侧面，扭转致动器基体中央开设有与钻头夹3配合的通孔。扭转致动器基体可以通过螺钉与钻头夹3固定，也可以粘接固定。

扭转振动钻削，是一种刀具与工件不分离的断续切削方式，扭转振动钻削时，刀具在工件孔壁内扭转，冷却液和润滑液容易到达钻尖，孔的表面加工质量提高；扭转振动钻削可以将原有的无规律不可控的扭振变为有规律可控的强迫扭转振动，达到减少钻削阻力、扭矩以及以振制振的效果，提高钻头7寿命；此外扭转振动钻削时，当强迫振动频率为高频时，可以减少待钻孔工件9和钻头7之间摩擦和钻削阻力，可以减少切屑产生，利于切屑过程排屑，获得良好的孔扭转振动钻削效果，提高孔的加工质量。本发明的细小深孔加工装置的刀具和工件加载装置8同时对待钻孔工件9施加扭转振动，使待钻孔工件9实际承受的扭转振动是刀具的扭转振动和工件加载装置8的扭转振动的叠加，增强了细小深孔加工时的扭转振动有益效果，提高孔的加工质量。

实施例3

本实施例与实施例2的区别之处在于：为了进一步提高加工效率和精度，在扭转振动的同时，也使钻头7产生轴向高频微幅振动，产生轴向高频微幅振动的结构如下：钻头7夹3与产生轴向振动的压电叠堆致动器4固定连接，压电叠堆致动器4由多个环形压电陶瓷片叠堆而成，集电环5对环形压电陶瓷片施加激励信号，如图10所示。其余结构均与实施例2相同。

钻头7在轴向高频微幅振动和周向扭转振动的共同作用下，钻头7产生轴向和周向的复合振动，完成对待钻孔工件9的细小深孔加工，加工效率提高，加工精度提高。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (9)

1.用于细小深孔加工的工件加载装置，其特征在于：包括底座，用于承载待钻孔工件的上盖，和连接底座与上盖的保护壳；底座与上盖、保护壳同轴，保护壳内具有扭转振动发生机构，扭转振动发生机构包括产生扭转振动的扭转驱动器和为扭转驱动器提供激励信号的激励装置；扭转驱动器由智能材料产生扭转振动。

2.如权利要求1所述的用于细小深孔加工的工件加载装置，其特征在于：扭转驱动器包括套筒，驱动器基体和多个智能材料片，套筒插入驱动器基体内，智能材料片均匀分布于驱动器基体的外侧面，智能材料片与激励装置连接。

3.如权利要求2所述的用于细小深孔加工的工件加载装置，其特征在于：底座包括底盘和连接柱，连接柱与底盘同轴，套筒与连接柱固定。

4.如权利要求3所述的用于细小深孔加工的工件加载装置，其特征在于：扭转驱动器的套筒两端分别外露于驱动器基体，连接柱插入套筒内，套筒的外露段分别通过螺钉与连接柱固定；连接柱顶部与上盖键连接。

5.如权利要求4所述的用于细小深孔加工的工件加载装置，其特征在于：保护壳包括与上盖通过螺栓固定连接的上法兰，与底盘通过螺栓固定连接的下法兰，和连接上法兰与下法兰的筒体。

6.如权利要求5所述的用于细小深孔加工的工件加载装置，其特征在于：上盖包括三个从小到大依次设置的圆柱段，第一圆柱段插入筒体内，第二圆柱段与上法兰固定，第三圆柱段与待钻孔工件夹具固定，第一圆柱段最小，第三圆柱段最大；与连接柱配合的键槽开设于第一圆柱段中央。

7.细小深孔加工装置，包括钻床，主轴，与主轴固定的钻头夹，钻头，驱动钻头发生扭转振动的智能材料和如权利要求1-6之一所述的工件加载装置，钻头和工件加载装置反向扭转振动。

8.如权利要求7所述的细小深孔加工装置，其特征在于：智能材料为多个扭转振动薄片，扭转振动薄片均匀地分布于扭转致动基体的侧面，扭转致动基体与钻头夹固定，钻头夹上设有对扭转振动薄片施加驱动信号的集电环。

9.如权利要求8所述的细小深孔加工装置，其特征在于：钻头夹与产生轴向振动的压电叠堆致动器固定连接，压电叠堆致动器由多个环形压电陶瓷片叠堆而成，集电环对环形压电陶瓷片施加激励信号。