CN105378211A - 真空钻孔系统和方法 - Google Patents

Abstract

提供一种真空钻孔系统和方法，其采用贯通刀具冷却剂源以及中央真空排出系统。该系统可以包括设在中空管上的切削头和真空源，经过邻近切削头布置的一个或多个切屑入口施加真空压力给切削头的区域。密封的冷却剂容纳通道向切削头的这个区域供应冷却剂。

Description

真空钻孔系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2013年5月28日提交的美国临时申请序列号No.61/828056的优先权和权益，在此通过引用结合其全部。

技术领域

本发明涉及钻孔领域，并且特别涉及真空钻孔系统，其通过施加的真空收集钻孔过程中产生的切屑，同时还允许贯通刀具冷却液应用。

背景技术

在各个行业和应用中，可以使用实心麻花钻结构进行材料的钻孔。例如，在航空航天工业，为了成功地在工业中使用的各种金属中钻孔，实心麻花钻提供所需能力，例如是精确的。这个类型的刀具可以具有贯通冷却剂能力，并且冷却剂出口通常存在于刀尖处的切削几何形状的间隙角上。由于切屑是在钻孔循环期间产生，槽螺旋和冷却液压力用于使碎片通过槽排出。一旦切屑和冷却剂离开这个孔，它们就被释放到环境中。

在某些应用和环境中，这些部件可能需要使用便携式钻孔机，以允许在不同位置处钻出多个孔。例如，在航空航天工业中，这些部件可能是非常大的，并且需要便携式钻孔机，该机器能够被移动到该部件上的不同孔位置处。便携式钻孔机结构紧凑，不提供任何外壳以从外部环境隔离开钻孔过程。这导致在采用实心麻花钻的时候，切屑和冷却剂被释放到环境中。因为从孔排出的切屑是不包含的，所以需要附加处理时间，以便从部件和钻孔环境中去除切屑和冷却剂。此外，不包含切屑和冷却剂流可能引起对钻孔操作人员的健康和安全隐患。

此外，在各种材料的钻孔期间产生切屑，这需要切屑被输送远离钻头的切削特征件，或者切屑能够妨碍钻孔过程和/或损坏钻。对于某些材料，如包括像碳纤维增强塑料（CFRP）在内的复合材料，已经开发了钻孔系统，其使用真空去除钻孔时产生的大量细切屑。没有有效地去除这样产生的切屑，经常出现切屑压实，降低了钻头的切削功能，增加了热量的产生，并减少了钻头的使用寿命。来自于施加给钻头的真空的冷却效果和力足以提供在CFRP材料中所需要的散热和切屑排出。这得到了对CFRP的可靠的钻孔过程，其利用所施加的真空。

仍然需要一种可靠的真空钻孔系统，其可以在金属钻孔应用中实行。各种金属的性质可以是彼此显著不同，并且不同于CFRP的性质。例如，在如钛和铝这样的材料中，使用所施加的真空来促进去除切屑会是可取的，但是，对于金属材料，先前的用于CFRP的现有真空系统没有设计成用在这类材料上。提供这样一种真空钻孔系统将是有价值的，其可用于金属或其它材料，在钻孔过程中有效地去除切屑。

除了需要有效的排屑，还期望的是，钻孔操作精确，以提供可重复的机械加工来实现紧公差和期望规范。

在机加工操作钻金属、复合材料或其它材料中，会期望提供一种钻孔系统和方法，以有效地去除在钻孔操作期间产生的切屑。还需要提供一种钻孔系统和方法，以有效地提供冷却剂至切削表面，同时允许有效去除在钻孔操作期间产生的切屑。

发明内容

本发明提供了一种用于钻孔操作的真空钻孔系统，其采用贯通刀具冷却剂源以及中央真空排出系统。在一个例子中，该钻孔系统包括大体圆柱形主体构件和在该主体构件的前端上的切削头，该切削头具有在其上形成的至少一个切削刃。该主体构件形成邻接切削头的中空轴，在该主体构件中形成有至少一个开口邻近切削头。设置在该主体构件上的冷却剂适配器提供冷却剂流体通过该中空轴外部的该主体构件中的至少一个密封通道，以提供冷却剂流体到该至少一个切削刃的区域。连接到该中空轴的真空施加真空压力通过该至少一个开口和该中空轴。该贯通刀具冷却剂系统是由位于中空内通道周围的密封冷却剂容纳通道来提供的，该中空内通道保持不受限制并且其尺寸制作成有效地排出钻孔操作期间产生的切屑。本发明可以用在钻孔操作中，其中，钻孔期间产生的切屑被真空排出，并且冷却剂被供给以促进散热和排屑并最大化钻孔操作的精度，同时增加刀具寿命。

本发明还提供了一种执行钻孔操作的方法，包括：提供钻孔刀具，其具有邻近该钻孔刀具的前端的切削头，该切削头具有形成在其上的至少一个切削刃。该钻孔刀具还包括中空轴，带有邻近该切削头形成的至少一个开口。冷却剂适配器设置在主体构件上以提供冷却剂流体通过该中空轴外部的该主体构件中的至少一个密封通道。真空源连到中空管以排出切削头处产生的切屑。该贯通刀具冷却剂系统是由位于中空内通道周围的至少一个密封冷却剂容纳通道来提供的，该中空内通道保持不受限制并且其尺寸制作成有效地排出钻孔操作期间产生的切屑。

基于下列书面说明和附图，对于本领域技术人员来说，本发明的这些和其它特征和优点将是显而易见。

附图说明

图1示出根据本发明的真空钻孔系统的一个例子的立体图。

图2示出图1的例子的分解立体图。

图3是根据钻孔系统的一个例子的切削刀具的立体图。

图4是根据钻孔系统的一个例子的中空内主体的立体图。

图5是根据钻孔系统的一个例子的冷却剂容纳套筒的立体图。

图6是根据钻孔系统的一个例子的冷却剂诱导套筒的立体图。

图7是根据一个例子的钻孔系统接合有衬套的立体图。

具体实施例

根据本发明的真空钻孔系统10的一个例子在图1和2中示出。用于执行钻孔操作的真空钻孔系统10可以包括各种特征和属性，以促进散热和排屑，并最大化钻孔操作的精度，同时增加刀具寿命。真空钻孔系统10采用贯通刀具冷却剂源以及中央真空排出系统。在这个例子中，该系统可以包括邻近该系统的前端14的切削头12，具有至少一个切削刃16形成在其上。中空轴18设置有邻近切削头12的至少一个前孔或开口20。旋转式冷却剂适配器22设置在轴18上，邻近至少一个后开口24。连接真空源（未示出）以在所形成的孔中施加真空压力，这将在下文描述。通过开口20和中空轴18施加真空压力。本发明可以用在钻孔操作中，其中，钻孔期间产生的切屑被真空排出，且冷却剂被供给到切削头12的区域。在这个例子中，切削头12可以包括可更换的切削刀具13，例如片式刀具，但是其他的切削几何形状和构造可根据不同的应用而使用。可更换的切削刀具13将被组装到中空内主体18的切削端，用梅花螺钉的开槽连接或其它合适的构造。可以使用向中空轴18施加真空的其它系统，这也在本发明的构思中。

在切削金属材料时，切削刀具13通常可由碳化物基体制成，并且涂覆的外表面用于改进的刀具性能。使用的特定基体和涂层取决于钻头的应用，并且可以使用任何合适的基材，以及任选的任何涂层或其它的其他处理。基体可以具有在钻孔时为了实现可接受的刀具寿命所要求的耐磨性，并且也具有韧性而不会过早失效。涂层可用于给基体提供增加的耐磨性和耐热性。适当的涂层可以有助于航空航天金属的钻孔，因为这些金属是非常粗糙的，并且在切削时产生大量的热量。切削刀具13，在所示例子中是可更换的，允许在一个刀具变得磨损时更换刀具以实现成本节约性能。如图3中所示，在这个例子中，刀具13是双重有效的，并且具有由钻头的应用决定的切削几何形状。适当的刀具切削几何形状可被设计成形成所需的切屑类型，以便于使用冷却剂和金属材料的真空钻孔进行有效排出。切削几何结构产生所需的切屑形成和孔质量。在航空航天等行业，连续切屑成形的金属材料是常见的，而切削几何形状可配置为帮助形成小分段切屑。在航空航天和其他工业中，使用的金属材料的性质，例如轻质材料，如铝或类似物，以及各部件的性质，对以有效方式执行钻孔带来显著挑战。由于部件的大尺寸，例如，便携式钻孔系统（如正进给啄钻）可以被使用，例如由Cooper Power Tools制造的Quackenbush刀具。在钻孔系统10中提供的切削几何形状连同钻孔刀具的动作提供小切屑的产生，以允许在真空钻孔操作中有效地除去切屑。切削几何形状连通正进给和啄钻操作产生小分段切屑。连同钻孔刀具形成期望切屑结构的能力保证切屑能够适当地从孔20通过中空内主体18被排出。在这个例子中，正进给啄钻或另一系统允许伴随正进给的锤击效应，这可有助于形成所需结构的切屑。切削几何形状连同这样的钻孔系统也可以提供优化的进给速率。

如图2看到的，旋转冷却剂适配器22被装配到冷却剂引入套筒26的外径（OD），并使用例如推力垫圈28和卡环30保持。外部冷却剂源管道连接到旋转冷却剂适配器22中，使冷却剂能够流过密封的部件，包括冷却剂容纳套筒32，它配合到中空内主体34和冷却剂引入套筒26，为冷却剂流到切削刀具13建立密封路径。冷却剂引入套筒26配合到中空内主体34和冷却剂容纳套筒32，为连接外部冷却剂源提供位置。冷却剂可以是任何合适的材料，如带雾化润滑剂的空气，或其它合适的冷却剂/润滑液。

看向图4，更详细的示出中空内主体34，并且在这个例子中，包括开槽刀具接头36，用于把刀具13固定在适当位置以进行钻孔。这种接头36驱动切削刀具13，并且允许轻松更换磨损的刀具13。开槽接头36包括两个耳部38，具有孔40，TORX螺钉等延伸通过这个孔并接合切削刀具13。开槽接头36还允许一个钻头主体和各种不同的切削几何形状一起使用，提供显著的灵活性和有效性。连同先前描述的钻头衬套70，刀具13的直径可以与托架的直径相一致，或以其它方式，不同直径的刀具能够有可能与共用托架一起使用。开槽接头36可类似于由Allied Machine & Engineering Corporation制造的其他刀具，并可以制成接受由Allied Machine & Engineering Corporation制造的Gen3Sys®刀具或T-A®刀具。可以根据需要使用其它连接件或刀具。

中空内主体34还包括切屑排出开口42。切屑排出开口42提供切屑进入中央排出孔的入口。有一个开口42专用于切削刀具13上的每个切削刃并且位于每个切削刃附近以有效地取出形成的切屑。所施加的真空力将流过这些排出开口42，帮助从钻的孔中去除切屑。在中空内主体的外部，设有通过贯通冷却剂通道44。贯通冷却剂通道44用于提供钻头的密封部件内部的区域，专用于冷却剂沿轴向流向切削刀具13。贯通冷却剂通道44的结构提供了有效地供应冷却剂至切削刀具13的切削刃的能力，并且然后允许连同所施加的真空源有效去除所形成的切屑，由此提高了钻头的整体性能。采用这个冷却剂路线，得到冷却剂贯通系统，其能够位于刀具主体的外径附近。通过冷却剂途径这个位置，在中空内主体34内，形成充足的区域用于所期望的中央排出孔46尺寸。其它的贯通冷却剂的结构方案能够限制中央排出孔46的尺寸，导致钻头结构无法排出甚至理想化尺寸的金属切屑。

此外，来自贯通冷却剂流的压力可以与所施加的真空力一起作用来提高钻头的抛出切屑的能力。这个结构是高度可靠的，并以更快的速度从孔去除切屑。这可以允许以更高的穿透率钻孔，同时保持足够的切屑排出速率。中央排出孔46沿轴向延伸通过刀具主体，为切屑排出提供区域。这个孔46在切削刀具13附近与切屑排出开口42相交，并继续到钻头的柄部，以为切屑提供离开位置。在钻孔时，切屑和冷却剂流体进入中央排出孔46，通过切屑排出开口42，并前进通过中心排出孔46，以离开柄部48的后部。期望中心排出孔46的尺寸配置成允许适当的切屑排出和钻头的适当功能，以实现高穿透率并提高产量。如果中央排出孔46过小，则可能不能以适当的速率有效地排出切屑，这可能会由于切屑堆积在钻头的刀尖处而导致刀具失效。如果需要的话，真空源和/或冷却剂源的压力可以变化，并且中央排出孔46的尺寸或构型可以变化，以获得所需的切屑排出特征。

在本实施例中，刀具中空内主体34包括柄部48，提供用于与驱动钻头的电机连接的区域。柄部结构可以变化，并由应用中的电机主轴所需要的连接来确定。也可使用任何合适的柄部结构。

看向图5，更详细的示出冷却剂容纳套筒32。冷却剂容纳套筒32具有套筒内径（ID）50，从而允许它将套筒ID50配合在中空内主体34上，并提供冷却剂通过贯通冷却剂通道44流向切削刀具13的受控流所需的密封区域。套筒的ID 50容纳在中空内主体34的冷却剂通道44内的和向着刀具10的刀尖的冷却剂流。冷却剂容纳套筒32还具有套筒外径（OD）52。套筒的OD 52可以是精确磨光的，并且设有用在衬套70中的耐磨区域，如图8所示。耐磨区域由添加铬或碳化物到OD 52来完成。通过采用衬套70来引导钻头，能够获得提高的孔精度，可重复性和整体钻孔性能。还提供形成在套筒OD 52上的一个或多个进气通道54，这提供进气通过衬套并进入正在钻的孔中的区域。进入孔中的进气为真空系统的适当功能提供循环。通道54也提供衬套中的减小的接触区域以减少产生的热量，并且增大来自通过衬套的空气流的冷却。

如图6中看到的，更详细的示出冷却剂引入套筒26。引入套筒26 ID配合在中空内主体34上，并提供冷却剂受控流流向切削刀具所需的密封区域。冷却剂引入套筒34的ID容纳在中空内主体34的冷却剂通道内的和流向冷却剂容纳套筒32的冷却剂流。引入套筒26 OD为组装旋转冷却剂适配器22（见图1）到钻头10提供位置。冷却剂引入套管26可进一步包括一个或多个冷却剂端口60，以提供冷却剂流进入中空内主体34的冷却剂通道44的直接路线。通过提供从钻头OD的流动的这个直接路线，中央排出孔42的大小不受限制。其他冷却剂端口结构需要减小中央排出孔尺寸，这会不利地影响钻孔系统的排屑性能。

在操作中，本发明的刀具10提供极大的优点，通过采用真空钻孔技术和增加贯通冷却剂输送系统的组合来实现，其有效地排出由切削刀具13产生的金属材料切屑。冷却剂输送系统允许在金属钻孔应用中有效地使用刀具10，并与连续切屑形成材料一起使用。同时，刀具10的制造是成本节约的，允许在不同应用中使用的显著灵活性，并且能够可靠地执行。还应当认识到，钻头10的在中空内主体内包含切屑和冷却剂的能力省去了钻孔后的清除操作的需要。此外，限制了暴露于排出材料的钻孔操作人员相关的健康和安全危害。刀具连接系统36允许一定范围的刀具直径和切削几何形状在单个钻体上互换。这个连接系统还允许磨损的切削刀具的快速更换。这避免了需要用实心麻花钻例如，研磨或再研磨到一个直径和特定的切削几何形状。一旦实心麻花钻磨损时，必须在再次使用之前将它送去重新研磨。钻头10省去了实心麻花钻的大量库存的需要，它们被要求覆盖所有需要的直径和切削几何形状。甚至进一步，刀具10提供了贯通冷却剂结构，允许与真空系统一起使用。该结构允许在更多种类的应用中成功地使用真空钻孔技术。例如，代替CFRP材料，以前未能用真空技术实现的金属钻孔，现在已经成功用刀具10进行钻孔。在使用不同材料的工业中，如航空航天工业，金属的高效钻孔可使用钻孔系统10的贯通冷却剂技术来实现。这个配置提供了胜过以前的钻头结构的显著优势，以前的钻头结构不使金属切屑和冷却剂保持容纳在密封切屑排出系统中。真空可以例如经由连接到真空软管的软管接头（未示出）来施加。软管接头允许刀具相对于真空软管旋转，同时保持它们之间的大致气密连接。真空因此能够通过刀具10的内部而施加到接近钻头的切削特征件的区域，由此从钻头的切削特征件抽出切屑。真空源可以是本领域技术人员熟悉的常规真空源。在钻孔系统10中，中央排出孔和冷却剂通道按照钻孔系统10制定尺寸。冷却剂和真空力/流量的建议也将被包括在内，但是钻头不应该被认为仅限于这些条件中运行。

刀具的性能可以通过提供带有最大可行尺寸的中央排出孔46的钻孔系统10来增强。更大直径的孔46将以更快的速度排出切屑并且更不可能堆积切屑。孔大小受到钻头上的其它特征件的限制，因为在中心孔与这些其它特征件之间不能有干扰。根据钻头的直径，通常限制中央孔尺寸的特征件是贯通冷却剂通道或柄部直径。由于该系统10可以以相对轻的进给率运行在便携式钻孔机上，由于过度的切削力引起的钻头失效可能不是显著关注的。此外，最大化冷却剂通道尺寸还可以有助于钻孔系统10的性能。更大的冷却剂通道将流动更多的冷却剂，因此通过更好的冷却/润滑该至少一个切削刀具13和帮助真空排出切屑，从而有利于钻孔操作。在所示的例子中，可以限制冷却剂通道大小的钻头的特征件可以是该切削刀具螺纹和开槽接头中的切削刀具驱动耳的大小。其他接头可能不受此限制。

在一个例子中，推荐的真空CFM和静压力可以如下：

- 175 - 225 CFM

- 55“ - 65”静压。

推荐的冷却剂压力（如典型车间气源）：

- 80 - 100 PSI。

但是，用于特定应用的其它合适的配置都在本发明范围内。在操作中，当刀具10选择性地连接到真空源和冷却剂源时，刀具10提供贯通刀具冷却剂源，以及中央真空排出系统。钻孔系统10允许真空压力施加在切削刀具13的位置处，以从切削区域抽吸任何切屑、杂质和冷却剂流体。这个真空排出这类物质以通过刀具10的柄部离开。在这种方式中，通过提供钻孔刀具来提供真空钻孔方法，该钻孔刀具具有邻近该系统的前端的切削头，带有至少一个形成在其上的切削刃，和带有邻近该切削头的多个开口的中空轴。该中空轴包括连接到冷却剂流体源的密封贯通冷却剂通道，并且，真空源应用给该中空管。为了促进所希望的真空排出，中空管34的这些开口以及内部腔室直径的尺寸都制作成适于容纳预计的最大切屑，从而避免堵塞。这些开口的边缘可以是开槽的、平滑或带圆角的以改善空气和切屑的流动。

应当认识到在本发明的钻孔系统中，本发明不限于所示出的该示范性钻孔系统。本文描述的配置和其细节可以容易地应用于各种系统和应用。因此应该理解，上述实施例仅仅是对少数可代表本发明的应用的可能的具体实施方案的说明。许多不同的其它的配置可以通过本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出。

Claims (20)

1. 一种用于执行钻孔操作的钻孔系统，包括大体圆柱形的主体构件；在该主体构件的前端处的切削头，该切削头具有在其上形成的至少一个切削刃，该主体构件形成邻近该切削头的中空轴，且在该主体构件中的至少一个开口邻近所述切削头；设置在该主体构件上的冷却剂适配器，用于提供冷却剂流体通过该中空轴外部的该主体构件中的至少一个密封通道，以提供冷却剂流体到该至少一个切削刃的区域；以及，连接到该中空轴的真空，用于施加真空压力通过该至少一个开口和该中空轴。

2. 如权利要求1所述的钻孔系统，其中，该至少一个密封通道是由配合到中空内主体的冷却剂容纳套筒和冷却剂引入套筒形成的，为冷却剂流向该至少一个切削刃建立密封路线。

3. 如权利要求2所述的钻孔系统，其中，该冷却剂容纳套筒配合中空内主体和冷却剂引入套筒，为冷却剂流向该至少一个切削刃建立密封路线。

4. 如权利要求1所述的钻孔系统，其中，该至少一个切削刃是由与切削头相关联安装的至少一个可更换的切削刀具提供。

5. 如权利要求4所述的钻孔系统，其中，该至少一个切削刀具包括从沿着钻孔系统的旋转轴线的位置延伸的两个切削刃，用于双效切削。

6. 如权利要求1所述的钻孔系统，其中，多个开口设置在该主体构件上，以提供切屑进入中空轴的入口。

7. 如权利要求4所述的钻孔系统，其中，为切削刀具上的每个切削刃设置至少一个开口。

8. 如权利要求4所述的钻孔系统，其中，该至少一个切削刀具是可更换的，以允许连同主体构件一起使用各种不同的切削刀具几何形状。

9. 如权利要求1所述的钻孔系统，其中，该至少一个切削刃具有产生小分段切屑的切削几何形状。

10. 如权利要求1所述的钻孔系统，进一步地包括冷却剂引入套筒，其配合到中空轴和冷却剂容纳套筒，为外部冷却剂源的连接提供位置。

11. 一种执行钻孔操作的方法，包括：提供钻孔刀具，其具有在该刀具的前端上的切削头，该切削头具有形成在其上的至少一个切削刃，和中空轴，带有邻近该切削头的至少一个开口，冷却剂适配器设置在主体构件上以提供冷却剂流体通过该中空轴外部的该主体构件中的至少一个密封通道，以及连接真空源到中空管以排出切削头处产生的切屑。

12. 如权利要求11所述的方法，其中，该至少一个密封通道是由冷却剂容纳套筒形成的，该冷却剂容纳套筒配合到中空内主体和冷却剂引入套筒，从而为冷却剂流向该至少一个切削刃建立密封路线。

13. 如权利要求11所述的方法，其中，该至少一个切削刃由安装在切削头处的至少一个可更换的切削刀具提供，具有结合可更换的切削刀具设置的不同的切削几何形状。

14. 如权利要求13所述的方法，其中，该至少一个切削刀具包括从沿着钻孔系统的旋转轴线的位置延伸的两个切削刃，用于双效切削。

15. 如权利要求11所述的方法，其中，多个开口设置在该主体构件上，以提供切屑进入中空轴的入口。

16. 如权利要求15所述的方法，其中，为切削刀具上的每个切削刃设置至少一个开口。

17. 如权利要求11所述的方法，其中，该至少一个切削刃具有这样的切削几何形状，其连同正进给和啄钻操作产生小分段的切屑。

18. 如权利要求11所述的方法，进一步地包括冷却剂引入套筒配合到中空轴和冷却剂容纳套筒，为外部冷却剂源的连接提供位置。

19. 如权利要求11所述的方法，进一步地包括引导该钻孔系统的衬套。

20. 一种执行钻孔操作的钻孔系统，包括大体圆柱形的主体构件，在该主体构件的前端处的切削头，该切削头具有至少一个切削刀具，该切削刀具具有从沿着钻孔系统的旋转轴线的位置延伸的至少两个切削刃，用于双效切削，该主体构件形成邻近切削头的中空轴，且邻近每个切削头在该主体构件中形成至少一个开口，设置在该主体构件上的冷却剂适配器，用于通过该中空轴外部的该主体构件中的至少一个密封通道提供冷却剂流体给每一个切削刃，以提供冷却剂流体到每一个切削刃的区域，以及连接到该中空轴的真空源，以施加真空压力通过该至少一个开口和该中空轴。