CN106077774A - 一种超声螺旋铣孔装置及加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声螺旋铣孔装置，包括主轴支架，超声套筒，内偏心套筒，外偏心套筒，变幅杆和位于超声套筒内的换能器，变幅杆通过弹簧夹头与制孔工具连接，制孔工具为铣刀或砂轮，变幅杆通过环形法兰与换能器连接，环形法兰通过用于测量环形法兰轴向和径向受力情况的环形力传感器与超声套筒的内壁连接，所述一种超声螺旋铣孔装置还包括与所述超声套筒连接的螺旋铣孔自转驱动装置、与所述外偏心套筒连接的螺旋铣孔公转驱动装置和驱动所述主轴支架沿所述变幅杆的轴线进给的进给系统。本发明还公开了一种使用上述所述的一种超声螺旋铣孔装置进行超声螺旋铣孔加工方法。本发明具有制孔质量高、制孔质量一致性好、加工稳定性好等优点。

Description

一种超声螺旋铣孔装置及加工方法

技术领域

本发明涉及一种超声螺旋铣孔装置及加工方法，具体涉及一种超声辅助螺旋铣孔装置及制孔方法，适用于难加工材料制孔，属于螺旋铣孔的改进技术。

背景技术

目前广泛应用于航空航天和国防军工等领域的复合材料、钛合金、铝合金以及由其构成的叠层材料均表现出难加工特性，如：碳纤维复合材料具有很强的不均质性和各向异性，硬度高、强度大，且在切削过程中不允许添加冷却液，导致在传统加工过程中加工质量差且刀具磨损严重，而钛合金导热系数低，铝合金沾刀现象严重、叠层材料制孔缺陷大等问题都为切削加工带来了很大困难。

制孔质量严重影响了器件的疲劳强度，在航空航天领域不仅制孔数量大，且制孔精度要求高，尤其针对广泛使用的难加工材料制孔，传统制孔技术很难满足要求，目前螺旋铣孔和超声辅助钻削是已经出现的针对难加工材料的两种先进制孔技术，螺旋铣孔除了刀具高速自转运动外增加了刀具公转运动，使得一把刀具可以加工出不同直径的孔，同时可以有效增加散热，降低切削温度，提高制孔质量，而超声辅助加工能够减小切削力，因此如果引入螺旋铣孔加工，能够很好地改善叠层结构螺旋铣孔存在的问题。但是螺旋铣孔在进行叠层材料制孔时，由于叠层材料特性不一样，容易出现孔径误差、加工缺陷等，但目前并无能够集成超声辅助钻削及螺旋铣孔功能的装置。

发明内容

根据上述提出的技术问题，而提供一种超声螺旋铣孔装置及加工方法。

本发明采用的技术手段如下：

一种超声螺旋铣孔装置，包括主轴支架，超声套筒，内偏心套筒，外偏心套筒，变幅杆和位于所述超声套筒内的换能器，所述变幅杆通过弹簧夹头与制孔工具连接，所述制孔工具为铣刀或砂轮，

所述变幅杆通过环形法兰与所述换能器连接，所述环形法兰通过用于测量所述环形法兰轴向和径向受力情况的环形力传感器与所述超声套筒的内壁连接，所述超声套筒的底部设有两个同心铜环，所述铜环与所述超声套筒之间设有电极绝缘套，所述两个铜环分别与所述换能器的正极和负极连接，所述主轴支架上设有碳刷支架，所述碳刷支架上设有与所述铜环接触的碳刷，所述碳刷通过碳刷套与所述碳刷支架连接，所述碳刷套内设有将所述碳刷压在所述铜环上的弹簧套，

所述超声套筒的外壁通过轴承与所述内偏心套筒的内壁连接，

所述内偏心套筒的外壁与所述外偏心套筒的内壁可滑动连接，

所述内偏心套筒的前端伸出所述外偏心套筒，且与涡轮连接，所述外偏心套筒上设有与所述涡轮相匹配的蜗杆，

所述主轴支架具有容纳所述外偏心套筒的通孔，

所述外偏心套筒的外壁通过轴承与所述通孔的内壁连接，

所述一种超声螺旋铣孔装置还包括与所述超声套筒连接的螺旋铣孔自转驱动装置、与所述外偏心套筒连接的螺旋铣孔公转驱动装置和驱动所述主轴支架沿所述变幅杆的轴线进给的进给系统，

切削加工前，通过所述蜗轮和所述蜗杆的相对运动使得所述内偏心套筒与所述外偏心套筒产生相对转动，进而改变所述变幅杆的轴线的偏心量，待得到所需偏心量后，通过键将所述内偏心套筒与所述外偏心套筒固定，所述内偏心套筒通过所述键与所述外偏心套筒传递扭矩。

所述超声套筒具有容纳所述环形力传感器的凹槽，所述环形力传感器具有环形凹槽，所述环形法兰的侧壁通过所述环形凹槽的槽壁与所述凹槽的槽壁连接，所述环形法兰的一侧端面通过所述环形凹槽的槽底与所述凹槽的槽底连接，所述环形凹槽的槽深与所述环形法兰的厚度相匹配，

所述环形凹槽的槽底伸出所述凹槽的槽底且与所述换能器的外壁间隙配合，即保证所述环形力传感器与所述换能器之间留有一定间隙，防止过定位。

所述环形法兰和所述环形力传感器通过环形压板与所述凹槽的槽底压紧，

所述环形压板与所述超声套筒的内壁螺纹连接。

所述环形压板防止所述变幅杆、所述超声套筒和所述换能器整体向外轴向窜动。

所述铜环的宽度满足所述变幅杆的轴线的偏心量在上下限变化时，所述铜环始终与所述碳刷接触。所述铜环的宽度满足以下公式：

R-4c>d>>a+2e_max

其中，a为所述碳刷的横截面宽度，d为所述铜环宽度，c为所述电极绝缘套的壁厚，R为所述超声套筒的底部半径，e_max为所述变幅杆的轴线的最大偏心量，e_max满足以下公式：

e_max＝e₁+e₂，

e₁为所述内偏心套筒的偏心量，e₂为所述外偏心套筒的偏心量。

所述两个铜环分别通过引线与所述换能器的正极和负极连接，所述换能器为压电陶瓷换能器。

所述螺旋铣孔自转驱动装置包括与所述超声套筒连接的从动带轮Ⅰ，与所述主轴支架连接的电机Ⅰ，所述电机Ⅰ的输出端设有主动带轮Ⅰ，所述从动带轮Ⅰ与所述主动带轮Ⅰ之间通过皮带Ⅰ连接。

所述螺旋铣孔公转驱动装置包括与所述外偏心套筒连接的从动带轮Ⅱ，与所述主轴支架连接的电机Ⅱ，所述电机Ⅱ的输出端设有主动带轮Ⅱ，所述从动带轮Ⅱ与所述主动带轮Ⅱ之间通过皮带Ⅱ连接。

所述进给系统包括底板，与所述变幅杆的轴线平行的两条导轨和步进电机，所述主轴支架通过引导滑块与所述导轨连接，所述步进电机的输出端上设有驱动所述主轴支架沿所述导轨运动的丝杠，所述丝杠通过丝杠支撑座与所述底板连接。

所述内偏心套筒的前端还设有主轴端盖，所述主轴端盖具有所述变幅杆穿过的孔。

本发明还公开了一种使用上述所述的一种超声螺旋铣孔装置进行超声螺旋铣孔加工方法，其具有如下步骤：

S1、所述蜗杆沿其轴向移动实现所述变幅杆的轴线的偏心量的调节，所述变幅杆的轴线的偏心量满足以下公式：

其中，e为所述变幅杆的轴线的偏心量，D₁为所述铣刀直径，D₂为待加工孔直径；

S2、开启与所述换能器连接的超声电源，调节所述一种超声螺旋铣孔装置的谐振频率；

S3、启动所述电机Ⅰ和所述电机Ⅱ，控制所述一种超声螺旋铣孔装置进行螺旋铣孔；

S4、当切削力小于等于已设定切削力上限时，切削正常进行，直至制孔结束；当切削力大于已设定切削力上限时，进行超声辅助钻削，直至切削力小于等于已设定切削力上限，超声辅助取消，直至制孔结束。

螺旋铣孔过程中由所述环形力传感器对切削力进行实时测量，即所述铣刀受到的切削力通过所述弹簧夹、所述变幅杆和环形法兰传递给所述环形力传感器，所述换能器根据切削过程中切削力的变化情况实时调整超声功率，以保障制孔质量的一致性。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、制孔质量高。本发明兼具超声辅助钻削和螺旋铣孔的优势，可有效降低切削力，提高切削质量。

2、制孔质量一致性好。本发明可利用内置环形力传感器在切削过程中对切削力进行实时测量，同时换能器根据切削过程中切削力的变化情况实时调整超声功率，以保障制孔质量的一致性。

3、加工稳定性好。超声套筒的铜环-碳刷设计可保证在偏心调节及加工过程中碳刷与铜环一直接触，保证了超声能量的实时传输，提高了加工过程的稳定性。

基于上述理由本发明可在螺旋铣孔等领域广泛推广。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明的具体实施方式中一种超声螺旋铣孔装置的空间结构示意图。

图2是本发明的具体实施方式中一种超声螺旋铣孔装置(除进给系统外)的剖视图。

图3是图2中I部放大结构示意图。

图4是本发明的具体实施方式中超声套筒的底部与碳刷接触示意图。

图5是本发明的实施例2中一种使用一种超声螺旋铣孔装置进行超声螺旋铣孔加工方法的流程图。

图6是本发明的实施例2中偏心量的计算方法示意图。

具体实施方式

一种超声螺旋铣孔装置，包括主轴支架，超声套筒，内偏心套筒，外偏心套筒，变幅杆和位于所述超声套筒内的换能器，所述变幅杆通过弹簧夹头与制孔工具连接，所述制孔工具为铣刀或砂轮，

所述变幅杆通过环形法兰与所述换能器连接，所述环形法兰通过用于测量所述环形法兰轴向和径向受力情况的环形力传感器与所述超声套筒的内壁连接，所述超声套筒的底部设有两个同心铜环，所述铜环与所述超声套筒之间设有电极绝缘套，所述两个铜环分别与所述换能器的正极和负极连接，所述主轴支架上设有碳刷支架，所述碳刷支架上设有与所述铜环接触的碳刷，所述碳刷通过碳刷套与所述碳刷支架连接，所述碳刷套内设有将所述碳刷压在所述铜环上的弹簧套，

所述超声套筒的外壁通过轴承与所述内偏心套筒的内壁连接，

所述内偏心套筒的外壁与所述外偏心套筒的内壁可滑动连接，

所述内偏心套筒的前端伸出所述外偏心套筒，且与涡轮连接，所述外偏心套筒上设有与所述涡轮相匹配的蜗杆，

所述主轴支架具有容纳所述外偏心套筒的通孔，

所述外偏心套筒的外壁通过轴承与所述通孔的内壁连接，

所述一种超声螺旋铣孔装置还包括与所述超声套筒连接的螺旋铣孔自转驱动装置、与所述外偏心套筒连接的螺旋铣孔公转驱动装置和驱动所述主轴支架沿所述变幅杆的轴线进给的进给系统，

切削加工前，通过所述蜗轮和所述蜗杆的相对运动使得所述内偏心套筒与所述外偏心套筒产生相对转动，进而改变所述变幅杆的轴线的偏心量。

所述超声套筒具有容纳所述环形力传感器的凹槽，所述环形力传感器具有环形凹槽，所述环形法兰的侧壁通过所述环形凹槽的槽壁与所述凹槽的槽壁连接，所述环形法兰的一侧端面通过所述环形凹槽的槽底与所述凹槽的槽底连接，所述环形凹槽的槽深与所述环形法兰的厚度相匹配，

所述环形凹槽的槽底伸出所述凹槽的槽底且与所述换能器的外壁间隙配合，

所述环形法兰和所述环形力传感器通过环形压板与所述凹槽的槽底压紧，

所述环形压板与所述超声套筒的内壁螺纹连接。

所述两个铜环分别通过引线与所述换能器的正极和负极连接，所述换能器为压电陶瓷换能器。

所述螺旋铣孔自转驱动装置包括与所述超声套筒连接的从动带轮Ⅰ，与所述主轴支架连接的电机Ⅰ，所述电机Ⅰ的输出端设有主动带轮Ⅰ，所述从动带轮Ⅰ与所述主动带轮Ⅰ之间通过皮带Ⅰ连接。

所述螺旋铣孔公转驱动装置包括与所述外偏心套筒连接的从动带轮Ⅱ，与所述主轴支架连接的电机Ⅱ，所述电机Ⅱ的输出端设有主动带轮Ⅱ，所述从动带轮Ⅱ与所述主动带轮Ⅱ之间通过皮带Ⅱ连接。

所述进给系统包括底板，与所述变幅杆的轴线平行的两条导轨和步进电机，所述主轴支架通过引导滑块与所述导轨连接，所述步进电机的输出端上设有驱动所述主轴支架沿所述导轨运动的丝杠，所述丝杠通过丝杠支撑座与所述底板连接。

所述内偏心套筒的前端还设有主轴端盖，所述主轴端盖具有所述变幅杆穿过的孔。

一种使用上述所述的一种超声螺旋铣孔装置进行超声螺旋铣孔加工方法，具有如下步骤：

S1、所述蜗杆沿其轴向移动实现所述变幅杆的轴线的偏心量的调节，所述变幅杆的轴线的偏心量满足以下公式：

其中，e为所述变幅杆的轴线的偏心量，D₁为所述铣刀直径，D₂为待加工孔直径；

S2、开启与所述换能器连接的超声电源，调节所述一种超声螺旋铣孔装置的谐振频率；

S3、启动所述电机Ⅰ和所述电机Ⅱ，控制所述一种超声螺旋铣孔装置进行螺旋铣孔；

S4、当切削力小于等于已设定切削力上限时，切削正常进行，直至制孔结束；当切削力大于已设定切削力上限时，进行超声辅助钻削，直至切削力小于等于已设定切削力上限，超声辅助取消，直至制孔结束。

实施例1

如图1-图4所示，一种超声螺旋铣孔装置，包括主轴支架1，超声套筒2，内偏心套筒3，外偏心套筒4，变幅杆5和位于所述超声套筒2内的换能器6，所述变幅杆5通过弹簧夹头7与铣刀8连接，

所述变幅杆5通过环形法兰9与所述换能器6连接，所述环形法兰9通过用于测量所述环形法兰9轴向和径向受力情况的环形力传感器10与所述超声套筒2的内壁连接，所述超声套筒2的底部设有两个同心铜环11，所述铜环11与所述超声套筒2之间设有电极绝缘套12，所述两个铜环11分别与所述换能器6的正极13和负极14连接，所述主轴支架1上设有碳刷支架15，所述碳刷支架15上设有与所述铜环11接触的碳刷16，所述碳刷16通过碳刷套17与所述碳刷支架15连接，所述碳刷套17内设有将所述碳刷16压在所述铜环11上的弹簧套18，

所述超声套筒2的外壁通过轴承19与所述内偏心套筒3的内壁连接，

所述内偏心套筒3的外壁与所述外偏心套筒4的内壁可滑动连接，

所述内偏心套筒3的前端伸出所述外偏心套筒4，且与涡轮20连接，所述外偏心套筒4上设有与所述涡轮20相匹配的蜗杆21，

所述主轴支架1具有容纳所述外偏心套筒4的通孔，

所述外偏心套筒4的外壁通过轴承19与所述通孔的内壁连接，

所述一种超声螺旋铣孔装置还包括与所述超声套筒2连接的螺旋铣孔自转驱动装置、与所述外偏心套筒4连接的螺旋铣孔公转驱动装置和驱动所述主轴支架1沿所述变幅杆5的轴线进给的进给系统，

切削加工前，通过所述蜗轮20和所述蜗杆21的相对运动使得所述内偏心套筒3与所述外偏心套筒4产生相对转动，进而改变所述变幅杆5的轴线的偏心量。

所述超声套筒2具有容纳所述环形力传感器10的凹槽22，所述环形力传感器10具有环形凹槽23，所述环形法兰9的侧壁通过所述环形凹槽23的槽壁与所述凹槽22的槽壁连接，所述环形法兰9的一侧端面通过所述环形凹槽23的槽底与所述凹槽22的槽底连接，所述环形凹槽23的槽深与所述环形法兰9的厚度相匹配，

所述环形凹槽23的槽底伸出所述凹槽22的槽底且与所述换能器6的外壁间隙配合，

所述环形法兰9和所述环形力传感器10通过环形压板24与所述凹槽22的槽底压紧，

所述环形压板24与所述超声套筒2的内壁螺纹连接。

所述两个铜环11分别通过引线25与所述换能器6的正极13和负极14连接，所述换能器6为压电陶瓷换能器。

所述螺旋铣孔自转驱动装置包括与所述超声套筒2连接的从动带轮Ⅰ26，与所述主轴支架1连接的电机Ⅰ27，所述电机Ⅰ27的输出端设有主动带轮Ⅰ28，所述从动带轮Ⅰ26与所述主动带轮Ⅰ28之间通过皮带Ⅰ29连接。

所述螺旋铣孔公转驱动装置包括与所述外偏心套筒4连接的从动带轮Ⅱ30，与所述主轴支架1连接的电机Ⅱ31，所述电机Ⅱ31的输出端设有主动带轮Ⅱ32，所述从动带轮Ⅱ30与所述主动带轮Ⅱ32之间通过皮带Ⅱ33连接。

所述进给系统包括底板34，与所述变幅杆5的轴线平行的两条导轨35和步进电机36，所述主轴支架1通过引导滑块37与所述导轨35连接，所述步进电机36的输出端上设有驱动所述主轴支架1沿所述导轨35运动的丝杠38，所述丝杠38通过丝杠支撑座与所述底板34连接。

所述内偏心套筒3的前端还设有主轴端盖39，所述主轴端盖39具有所述变幅杆5穿过的孔。

实施例2

如图1-图6，一种使用实施例1所述的一种超声螺旋铣孔装置进行超声螺旋铣孔加工方法，具有如下步骤：

S1、所述蜗杆21沿其轴向移动实现所述变幅杆5的轴线的偏心量的调节，所述变幅杆5的轴线的偏心量满足以下公式：

其中，e为所述变幅杆5的轴线的偏心量，满足公式D₁为所述铣刀8直径，D₂为待加工孔直径，e₁为所述内偏心套筒3的偏心量，e₂为所述外偏心套筒4的偏心量，α为所述内偏心套筒3与所述外偏心套筒4的相对偏角；

S2、开启与所述换能器6连接的超声电源，调节所述一种超声螺旋铣孔装置的谐振频率α；

S3、启动所述电机Ⅰ27和所述电机Ⅱ31，控制所述一种超声螺旋铣孔装置进行螺旋铣孔；

S4、当切削力小于等于已设定切削力上限时，切削正常进行，直至制孔结束；当切削力大于已设定切削力上限时，进行超声辅助钻削，直至切削力小于等于已设定切削力上限，超声辅助取消，直至制孔结束。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种超声螺旋铣孔装置，其特征在于：包括主轴支架，超声套筒，内偏心套筒，外偏心套筒，变幅杆和位于所述超声套筒内的换能器，所述变幅杆通过弹簧夹头与制孔工具连接，所述制孔工具为铣刀或砂轮，

所述变幅杆通过环形法兰与所述换能器连接，所述环形法兰通过用于测量所述环形法兰轴向和径向受力情况的环形力传感器与所述超声套筒的内壁连接，所述超声套筒的底部设有两个同心铜环，所述铜环与所述超声套筒之间设有电极绝缘套，所述两个铜环分别与所述换能器的正极和负极连接，所述主轴支架上设有碳刷支架，所述碳刷支架上设有与所述铜环接触的碳刷，所述碳刷通过碳刷套与所述碳刷支架连接，所述碳刷套内设有将所述碳刷压在所述铜环上的弹簧套，

所述超声套筒的外壁通过轴承与所述内偏心套筒的内壁连接，

所述内偏心套筒的外壁与所述外偏心套筒的内壁可滑动连接，

所述内偏心套筒的前端伸出所述外偏心套筒，且与涡轮连接，所述外偏心套筒上设有与所述涡轮相匹配的蜗杆，

所述主轴支架具有容纳所述外偏心套筒的通孔，

所述外偏心套筒的外壁通过轴承与所述通孔的内壁连接，

所述一种超声螺旋铣孔装置还包括与所述超声套筒连接的螺旋铣孔自转驱动装置、与所述外偏心套筒连接的螺旋铣孔公转驱动装置和驱动所述主轴支架沿所述变幅杆的轴线进给的进给系统，

切削加工前，通过所述蜗轮和所述蜗杆的相对运动使得所述内偏心套筒与所述外偏心套筒产生相对转动，进而改变所述变幅杆的轴线的偏心量。

2.根据权利要求1所述的一种超声螺旋铣孔装置，其特征在于：所述超声套筒具有容纳所述环形力传感器的凹槽，所述环形力传感器具有环形凹槽，所述环形法兰的侧壁通过所述环形凹槽的槽壁与所述凹槽的槽壁连接，所述环形法兰的一侧端面通过所述环形凹槽的槽底与所述凹槽的槽底连接，所述环形凹槽的槽深与所述环形法兰的厚度相匹配，

所述环形凹槽的槽底伸出所述凹槽的槽底且与所述换能器的外壁间隙配合，

所述环形法兰和所述环形力传感器通过环形压板与所述凹槽的槽底压紧，

所述环形压板与所述超声套筒的内壁螺纹连接。

3.根据权利要求1所述的一种超声螺旋铣孔装置，其特征在于：所述两个铜环分别通过引线与所述换能器的正极和负极连接，所述换能器为压电陶瓷换能器。

4.根据权利要求1所述的一种超声螺旋铣孔装置，其特征在于：所述螺旋铣孔自转驱动装置包括与所述超声套筒连接的从动带轮Ⅰ，与所述主轴支架连接的电机Ⅰ，所述电机Ⅰ的输出端设有主动带轮Ⅰ，所述从动带轮Ⅰ与所述主动带轮Ⅰ之间通过皮带Ⅰ连接。

5.根据权利要求1所述的一种超声螺旋铣孔装置，其特征在于：所述螺旋铣孔公转驱动装置包括与所述外偏心套筒连接的从动带轮Ⅱ，与所述主轴支架连接的电机Ⅱ，所述电机Ⅱ的输出端设有主动带轮Ⅱ，所述从动带轮Ⅱ与所述主动带轮Ⅱ之间通过皮带Ⅱ连接。

6.根据权利要求1所述的一种超声螺旋铣孔装置，其特征在于：所述进给系统包括底板，与所述变幅杆的轴线平行的两条导轨和步进电机，所述主轴支架通过引导滑块与所述导轨连接，所述步进电机的输出端上设有驱动所述主轴支架沿所述导轨运动的丝杠，所述丝杠通过丝杠支撑座与所述底板连接。

7.根据权利要求1所述的一种超声螺旋铣孔装置，其特征在于：所述内偏心套筒的前端还设有主轴端盖，所述主轴端盖具有所述变幅杆穿过的孔。

8.一种使用权利要求1-7任一权利要求所述的一种超声螺旋铣孔装置进行超声螺旋铣孔加工方法，其特征在于具有如下步骤：

S1、所述蜗杆沿其轴向移动实现所述变幅杆的轴线的偏心量的调节，所述变幅杆的轴线的偏心量满足以下公式：

其中，e为所述变幅杆的轴线的偏心量，D₁为所述铣刀直径，D₂为待加工孔直径；

S2、开启与所述换能器连接的超声电源，调节所述一种超声螺旋铣孔装置的谐振频率；

S3、启动所述电机Ⅰ和所述电机Ⅱ，控制所述一种超声螺旋铣孔装置进行螺旋铣孔；

S4、当切削力小于等于已设定切削力上限时，切削正常进行，直至制孔结束；当切削力大于已设定切削力上限时，进行超声辅助钻削，直至切削力小于等于已设定切削力上限，超声辅助取消，直至制孔结束。