CN105598705A - 一种向外翻制直边孔的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种向外翻制直边孔的装置和方法，属于板料或者管件局部成形技术领域。向外翻孔装置包括可拆换倒角砂轮、旋转主轴、翻孔偏心轮和开口钻头，可拆换倒角砂轮固定于主轴上，旋转主轴上端装夹于钻床或者数控机床的夹头上；翻孔偏心轮固定于旋转主轴上，通过内部的斜向滑道和底部凹槽实现与主轴的相对运动和锁紧，该部件外观分为锥形段和圆柱段，配合作用实现预翻孔和整形；与现有技术相比，本发明一次性完成开口、倒角、翻孔和整形四个工序，提高了整体加工效率；翻孔依靠偏心轮的偏心旋转运动实现，主轴只需实现旋转和上下运动，显著降低翻孔工具的运动难度。

Description

一种向外翻制直边孔的装置和方法

技术领域

本发明涉及板料或者管件局部成形技术领域，具体涉及一种向外翻制直边孔的装置和方法，能够同时实现板料或管类零件的预制孔和直边向外翻孔。

背景技术

翻制直边孔是一种传统的钣金成形工艺，但是以往的翻孔工艺存在模具结构复杂和尺寸较大，并且很难实现在具有复杂封闭曲面结构上向外翻孔，此外还存在预制孔和翻孔工序需要分开进行等诸多问题。

中国发明专利200720090374.2公开了一种T形管翻孔用旋转刀具，结构简单且生产效率较高，可以翻制需要向外翻孔的金属类管件。但是装置翻孔的自动化程度较低，并且由于翻孔装置的具体结构限制，向上翻孔的速度受到严格制约，孔内壁的光洁度相对较差。中国发明专利201510167803.0开发出开孔扩孔一体化的渐进成形翻孔工具，该工具能够实现开孔和翻边一体化，完成快速精确化的板材向内翻孔，但是该装置往往只适用于向内翻孔，另外对于以管材为代表的圆弧等复杂曲面上的翻孔，需要成形设备配备相应的周向和轴向立体协同运动才能实现。而对于相对尺寸较小的曲面上的向外翻制直边孔的问题，需要设计相应的新型外翻孔装置。

发明内容

本发明的目的是克服传统工艺技术中的不足之处，提供一种向外翻制直边孔的装置和方法，解决以往工艺很难在曲面向外成形孔型结构的问题，最终得到壁厚均匀、圆度精度高的翻孔零件。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一向外翻制直边孔的装置，该装置包括可拆卸倒角砂轮、旋转主轴、翻孔偏心轮和开口钻头；所述可拆卸倒角砂轮固定于主轴的台阶部分，可以视情况进行更换；所述翻孔偏心轮固定在旋转主轴的下端，能够实现与旋转主轴的相对运动，旋转主轴上端与钻床或者数控机床的主轴连接；所述开口钻头固定在翻孔偏心轮的底部，采用螺钉连接，实现预先钻孔。

所述旋转主轴为台阶轴，且沿其轴向下部的相对两侧分别设置突起的斜向滑块(斜面朝上)，保证翻孔偏心轮的运动和固定。所述倒角砂轮卡扣在旋转主轴的台阶部分，轴向运动受到限制，容易实现对孔边的打磨作用。

所述的翻孔偏心轮为分体结构，沿其轴线所在平面分成两部分，两个部分之间采用螺钉连接。

所述的翻孔偏心轮内部开设空腔，空腔的上部设有斜向滑道(斜面朝下)，该斜向滑道与旋转主轴上的斜向滑块相配合，保证翻孔偏心轮的运动和固定，同时用于和旋转主轴配合实现径向偏移加工竖直孔。

所述翻孔偏心轮的内腔底部及翻孔偏心轮的轴向位置设有方形凹槽，用于与旋转主轴的底端实现过渡配合，在旋转主轴的轴向力作用下支撑开口钻头实现钻孔。

所述开口钻头轴向中心位置设有突出的定位钻头，确定钻孔中心位置后由设于开口钻头边缘圆周的切削齿进行孔加工。

本发明上述翻孔装置能够同时实现基面为平面的板料或者基面为曲面的管类零件的直边向外翻孔成形。所述直边向外翻孔的工艺，包括如下步骤：

1)根据预制孔的直径大小选用尺寸合适的锥形倒角砂轮，并将其固定在旋转主轴的台阶处；

2)根据翻孔的高度以及初始预制孔的尺寸，制作相应大小的翻孔偏心轮，考虑坯料的壁厚和孔的高度确定翻孔偏心轮的竖直段和锥形段长度以及锥形角大小，将制作好的翻孔偏心轮装配到主轴的相应位置；具体装配过程：将旋转主轴的底端放置在翻孔偏心轮的方形凹槽中，然后将翻孔偏心轮的两个部分采用螺钉锁紧固定；

3)根据翻孔的直径大小和高度确定预制孔的直径，制作相应尺寸的开口钻头，并用螺钉将其固定在偏心轮底部；

4)启动装夹有该翻孔装置的钻床或者数控机床，将开口钻突出的定位钻对准预开口中心位置，沿装置的轴线方向向下运动完成预制孔钻削；

5)装置继续向下移动，待翻孔偏心轮全部通过开孔区域后，缓慢向下移动完成孔上侧边倒角；

6)停止装置的自转和向下移动，调转其旋转方向，沿轴线向上运动使翻孔偏心轮上侧锥形段面接触工件，在轴向力和斜向滑道的共同作用下，翻孔偏心轮偏离原有中心，孔边缘材料在锥形段碾压作用下逐渐翘起；

7)保持装置向上运动，待翻孔偏心轮竖直段与孔侧壁接触后，停止轴向运动，大约2～3秒完成整形工步；

8)装置继续向上运动，直至翻孔装置完全脱离坯料，停止机床，取下已翻孔工件。

与现有技术和方法相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明在旋转主轴的台阶部分安装有锥形倒角砂轮，在预先钻制孔的前提，可以对待翻边孔的外边缘进行打毛刺和倒斜角，实验证明该倒角对后续翻孔有重大意义，可以有效避免因外部边缘应变量明显大于内部边缘应变量而造成的翻孔边缘沿周向开裂的缺陷。

(2)本发明中所设计的翻孔偏心轮为主要的工作部件，其内部开有斜向滑道，底部留有方形凹槽，在与旋转主轴相应的斜向滑块配合作用下，可以实现该部件锁紧在中心线处和偏离中心线两种极限位置的转化，即可以实现钻孔时翻孔偏心轮轴线处于旋转中心带动开口钻头开制孔洞，而翻孔过程中翻孔偏心轮借助反向旋转和成形件轴向上的限制作用实现偏心旋转运动，该过程完全依靠工具的自动完成，不需要人为的干预和控制。

(3)本发明针对不同的翻孔直径、高度和壁厚设计相应尺寸的工具，可以同时实现平面和圆弧等复杂曲面上的向外翻孔，工件轴向尺寸较小，可以实现管材等工件的向外翻孔。

附图说明

图1为本发明直边翻孔工具的结构和工艺流程示意图；其中：(a)为开孔钻头预制孔工步；(b)为工具轴向向下进给工步；(c)为坯料外边缘倒角工步；(d)为工具锥形段向外翻孔工步；(e)为工具圆柱段对翻孔校形工步。

图2为本发明中翻孔偏心轮的具体结构尺寸图；其中(a)为板型坯料翻孔计算示意图；(b)为内部斜向滑道三角形边长与角度对应关系。

图3为本发明翻孔偏心轮内部结构示意图；其中(a)为翻孔工具半剖主视图；(b)为工具俯视图；(c)为斜向滑块正视图；(d)为斜向滑块左视图。

图4为实施例2直边翻孔工艺流程示意图；其中：(a)为开孔钻头预制孔工步；(b)为工具轴向向下进给工步；(c)为坯料外边缘倒角工步；(d)为工具锥形段向外翻孔工步；(e)为工具圆柱段对翻孔校形工步。

图中：1-倒角砂轮；2-旋转主轴；3-翻孔偏心轮；4-开口钻头；5-固定卡具；6-待翻孔坯料(或已翻孔工件)；7-内部斜向滑道；8-底部方形凹槽；9-斜向滑块。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明进行具体实施方式详细说明。各实施例以本项发明技术为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作流程，但本发明的保护范围不仅仅局限于以下的实施例。

如图1所示，本发明提供一种新型直边向外翻孔的工具，与钻床或者数控机床主轴连接，该工具包括以下四个主要部分：锥形倒角砂轮1、旋转主轴2、翻孔偏心轮3和开孔钻头4。锥形倒角砂轮1安装于旋转主轴2台阶肩部，可视具体的成形孔尺寸和磨损情况选择更换；所述旋转主轴2为本装置的旋转中心轴，其上端装夹于钻床或者数控机床的夹头上；所述翻孔偏心轮3为本装置的核心部件，其固定于旋转主轴2的下端，翻孔偏心轮3通过其内部的内部斜向滑道7和底部方形凹槽8以及外部沉头螺钉固定于旋转主轴2的底部，旋转主轴相应部位具有图3中所示的斜向滑块9，与内部斜向滑道7相互配合能够滑动，实现偏心轮的偏心运动。该翻孔偏心轮3外观分为锥形段和圆柱段，配合作用实现预翻孔和整形；开孔钻头4通过紧固螺钉固定在翻孔偏心轮3底部，可以实现翻孔的预制开口。

本发明翻孔工艺为：利用装置上的开孔钻头4进行预制孔加工；利用工具上的倒角砂轮1进行预制孔的外边缘倒角；利用翻孔偏心轮3与旋转主轴2的相对运动，借助离心力和内部斜向滑道7以及轴向力的作用实现偏心运动，整个装置在旋转同时向上运动实现翻孔和矫形。与现有技术相比，本发明一次性完成开口、倒角、翻孔和整形四个工序，提高了整体加工效率；翻孔依靠偏心轮的偏心旋转运动实现，主轴只需实现旋转和上下运动，显著降低翻孔工具的运动难度。

实施例1：

本实施例为在平面坯料上向外翻制直边孔，如图1所示，应用上述直边向外翻孔的工具加工翻孔工艺包括以下步骤：

1)选用尺寸合适的锥形倒角砂轮1，应用螺钉将其固定在旋转主轴2的台阶处；

2)根据翻孔的高度以及试样壁厚，确定翻孔偏心轮的直径、竖直段(圆柱段)和锥形段长度以及锥形角大小，制作相应大小的翻孔偏心轮3，并将偏心轮的内部斜向滑道与旋转主轴上的斜向滑块配合好，用螺钉固定，完成翻孔偏心轮的装配；

3)根据步骤2计算得到的预制孔直径尺寸，制作相应尺寸的开口钻头4，并用螺钉将其固定在翻孔偏心轮底部，如图3所示；

根据翻孔几何关系得出预制孔直径d₀、翻孔内直径D₀、翻孔高度h、翻孔处内圆角r、坯料壁厚t之间的关系满足公式：

d₀＝D₀+0.43t+0.86r-2h

而偏心距(翻孔过程中工具旋转后，翻孔偏心轮轴线偏离旋转主轴线的距离)b满足关系式：

b＝0.5(D₀-d₀)

根据翻孔偏心轮内部斜向滑道长度l和倾斜角θ之间的几何关系可知：

l＝b/cosθ

即可以依次确定预制孔直径d₀、偏心距b和斜向滑道长度l(图2)。

4)应用尺寸合理的固定卡具5将待翻孔坯料6固定在工作台上；

5)启动装夹有该翻孔工具的钻床或者数控机床，将开口钻头4中心突出的定位钻对准预开口中心位置，沿装置的轴线方向向下运动完成预制孔钻削；

6)装置继续向下移动，待翻孔偏心轮全部通过开孔区域后，缓慢向下进给完成孔上侧边倒角，并在此位置保持2～3秒，确保倒角表面光滑度；

7)停止装置的自转和向下移动，调转其旋转方向，沿轴线向上运动使翻孔偏心轮3上侧锥形段缓慢接触工件，在轴向力和翻孔偏心轮3内部斜向滑道的共同作用下，翻孔偏心轮3自动偏离原有中心，孔边缘材料在锥形段碾压作用下逐渐翻起；

8)保持装置缓慢向上运动，待翻孔偏心轮3竖直段与孔侧壁接触后，停止轴向运动，保持大约2～3秒完成翻孔内壁整形工步，确保孔内壁表面几何尺寸和表面粗糙度；

9)装置继续向上运动，直至翻孔装置完全脱离坯料6，停止机床转动和轴向运动，松开固定卡具5，取下已翻孔工件6。

采用本实施例工艺获得的翻制孔，工具外表面与孔内壁为瞬时的线接触状态，有效降低接触摩擦力和成形难度，因此翻孔内壁质量好；工具与变形体之间为旋转的滑动摩擦，有效提高内壁光滑度，很好的改善传统冲头翻孔工艺中孔内表面被划伤、光滑度差的缺陷；翻孔工具具有圆柱校形段，能够充分保证翻孔的内径和孔壁高度等关键结构、尺寸。

实施例2：

本实施例为空间曲面坯料上向外翻制直边孔，其结构和工艺流程示意图如图4所示。

与实施例1不同之处在于：

不同点1：变形体的基体为曲面管材结构。

不同点2：在变形基面为曲面的坯料上加工预制孔定位相对较难。

不同点3：翻孔过程中，坯料孔壁与翻孔装置接触状态不同。

不同点4：倒角砂轮与曲面坯料预制孔边缘接触状态不同。

采用本实施例获得的翻制孔，在保证翻孔内壁表面光滑度和尺寸精度的同时，通过工具的旋转运动，可以有效改善曲面上翻孔侧壁高度不一致而造成的孔边缘高低不平的缺陷。

Claims (10)

1.一种向外翻制直边孔的装置，其特征在于：该装置包括可拆卸倒角砂轮(1)、旋转主轴(2)、翻孔偏心轮(3)和开口钻头(4)；所述可拆卸倒角砂轮(1)固定于旋转主轴的台阶部分，视其磨损情况能够进行更换；所述翻孔偏心轮(3)固定在旋转主轴的下端，能够实现与旋转主轴的相对运动，旋转主轴(2)上端与钻床或者数控机床的主轴连接；所述开口钻头(4)固定在翻孔偏心轮(3)的底部，采用螺钉连接，实现预先钻孔。

2.根据权利要求1所述的向外翻制直边孔的装置，其特征在于：该装置能够同时实现基面为平面的板料或者基面为曲面的管类零件的直边向外翻孔成形。

3.根据权利要求1所述的向外翻制直边孔的装置，其特征在于：所述旋转主轴(2)为台阶轴，且沿其轴向下部的相对两侧分别设置突起的斜向滑块。

4.根据权利要求3所述的向外翻制直边孔的装置，其特征在于：所述倒角砂轮(1)卡扣在旋转主轴(2)的台阶部分，轴向运动受到限制，实现对孔边的打磨倒角。

5.根据权利要求3所述的向外翻制直边孔的装置，其特征在于：所述翻孔偏心轮(3)为分体结构，沿其轴线所在平面分成两部分，两个部分之间采用螺钉连接。

6.根据权利要求5所述的向外翻制直边孔的装置，其特征在于：所述翻孔偏心轮(3)内部开设空腔，空腔的上部设有斜向滑道(7)，该斜向滑道与旋转主轴(2)上的斜向滑块相配合，保证翻孔偏心轮的运动和固定，同时实现径向偏移加工竖直孔。

7.根据权利要求6所述的向外翻制直边孔的装置，其特征在于：所述翻孔偏心轮(3)的内腔底部及翻孔偏心轮的轴向位置设有方形凹槽(8)，用于与旋转主轴(2)的底端实现过渡配合，在旋转主轴(2)的轴向力作用下支撑开口钻头(4)实现钻孔。

8.根据权利要求1所述的向外翻制直边孔的装置，其特征在于：所述开口钻头(4)轴向中心位置设有突出的定位钻头，确定钻孔中心位置后由设于开口钻头(4)边缘的圆周切削齿进行孔加工。

9.一种利用权利要求1-8任一所述的装置进行向外翻制直边孔的方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

1)根据预制孔的直径大小选用尺寸合适的锥形倒角砂轮(1)，并将其固定在旋转主轴(2)的台阶处；

2)根据翻孔的高度以及初始预制孔的尺寸，制作相应大小的翻孔偏心轮(3)，考虑坯料的壁厚和孔的高度确定翻孔偏心轮(3)的竖直段和锥形段长度以及锥形角大小，将制作好的翻孔偏心轮(3)装配到旋转主轴(2)的相应位置，具体装配过程：将旋转主轴的底端放置在翻孔偏心轮的方形凹槽(8)中，然后将翻孔偏心轮的两个部分采用螺钉锁紧固定；

3)根据翻孔的直径大小和高度确定预制孔的直径，制作相应尺寸的开口钻头(4)，并用螺钉将其固定在偏心轮底部(3)；

4)启动装夹有该装置的钻床或者数控机床，将开口钻头(4)突出的定位钻头对准预开口中心位置，轴向进给完成预制孔钻削；

5)继续向下轴向进给整个装置，待翻孔偏心轮(3)全部通过开孔区域后，缓慢向下进给完成孔上侧边倒角；

6)停止装置的旋转运动和轴向进给运动，调转其旋转方向，向上轴向运动使翻孔偏心轮(3)上侧锥形段缓慢接触工件，在轴向力和斜向滑道的共同作用下，翻孔偏心轮(3)偏离原有中心，孔边缘材料在锥形段碾压作用下逐渐翘起；

7)保持装置轴向上升动作，待翻孔偏心轮(3)竖直段与孔侧壁接触后，停止轴向进给大约2～3秒完成整形工步；

8)继续轴向提升，直至翻孔装置完全脱离坯料，停止机床，取下已翻孔工件。

10.根据权利要求9所述的向外翻制直边孔的方法，其特征在于：所述翻孔偏心轮，在旋转主轴不需要径向进给的前提下，依靠自身的偏心功能实现翻孔变形。