CN107282972A - 一种用于薄壁金属结构的钻孔工具和钻孔方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种用于薄壁金属结构的钻孔工具和钻孔方法，钻孔工具主要包括马达、刀具夹头、钻头、夹持及旋转机构、支撑结构、调整及吸附机构等，其中夹持及旋转机构能够实现对马达的夹持和固定，并带动马达实现旋转进给；其中支撑结构能够实现钻孔工具的支撑；其中调整及吸附机构则能够实现吸盘吸附角度的大范围调整。该工具具有便于拆装、携行，适用薄壁金属结构的曲率大，切削精度高，能够在大切削力作用下长时间作业等优点。使用该工具进行切削的方法，则具有使用方便，操作简单，加工时不需手持工具，加工人员劳动强度低，切削质量高等优点。

Description

一种用于薄壁金属结构的钻孔工具和钻孔方法

技术领域

本发明属于金属结构加工的技术领域，涉及用于薄壁金属结构的钻孔，尤其是涉及钛合金等高强度带曲率的薄壁金属结构的精确钻孔。

背景技术

飞机蒙皮、舰艇壳体、冷却塔壳体等都属于薄壁金属结构，由于其承受的载荷较大，一般采用高强度的金属材料制成，而且表面均带有一定的曲率。这些高强度的薄壁金属结构长期承受各种交变应力和载荷，有时会出现裂纹，甚至会产生各种撕裂状带尖角的孔洞等损伤，这些损伤的出现会导致薄壁金属结构强度和刚度的下降，如未及时修复，继续发展后则可能引发安全事故。

对于前述薄壁金属结构的裂纹损伤，通常采用在裂纹末端钻削止裂孔阻止裂纹扩展的方式，或钻孔后采用铆接修复方式对损伤进行修复。这些修复工作都需要进行钻削止裂孔或铆钉孔。手持气钻进行钻削是常采用的钻孔方式，但高强度金属尤其是钛合金材料的屈强比高、导热性差属于典型难加工材料，钻削过程中钻削轴向力大（约为45钢的4至5倍），钻削区温度高，使得手持操作力过大，从而不利于持久工作；另外，钻穿时的冲击大，易损伤薄壁金属结构内的构件；还有就是，手持钻削过程中钻头轴心摆动幅度大，使得孔口尺寸和形状误差偏大，当薄壁金属结构带有曲率时误差将进一步增大，这将严重影响后续铆接等结构修理的质量。因此，传统的基于普通金属的钻孔工具无法适用于高强度带曲率的薄壁金属结构的钻孔。

发明内容

针对使用手持气钻加工高强度带曲率的薄壁金属结构时存在的切削力大、切削区温度高、切削精度低、不易实现长时间作业、易损伤内部构件等问题，本发明提出了一种用于薄壁金属结构的钻孔工具以及相应的钻孔方法。

本发明提出的一种用于薄壁金属结构的钻孔工具，具体包括马达、刀具夹头、钻头、夹持及旋转机构、支撑结构、调整及吸附机构；其中，刀具夹头用于夹持钻头，刀具夹头的上部通过活动连接的方式（诸如螺纹连接、卡扣连接等形式）安装在马达的下部；其中，夹持及旋转机构则用于夹持固定马达，并带动马达、刀具夹头及钻头实现沿马达轴向的旋转进给；工作时，马达通过刀具夹头带动钻头实现钻孔，并通过夹持及旋转机构带动马达、刀具夹头及钻头实现沿马达轴向的旋转进给，进而实现边钻孔边进给。

其中，支撑结构包括至少2个横梁和相同数量的垂直支撑杆；各横梁沿夹持及旋转机构的周向等距分布，各横梁的内侧通过焊接等方式固接在夹持及旋转机构的非旋转部件上；垂直支撑杆通过螺纹连接等活动连接的方式垂直安装在横梁的外侧；其中，调整及吸附机构包括与横梁数量相同的水平支撑杆和吸盘；水平支撑杆的内侧通过活动连接的方式水平安装在垂直支撑杆的下部，并能够沿垂直支撑杆上下移动和固定；水平支撑杆的外侧通过销轴与吸盘连接。

优选的，夹持及旋转机构的非旋转部件具体为一个上部开口的圆柱形壳体；壳体内放置旋转环，壳体上部活动连接一个压环；旋转环穿出压环的部分上安装至少2个手柄；旋转环的下部设置带有内螺纹的孔，与带有外螺纹的导向环配合，旋转环转动时能够带动导向环实现上/下方向的移动，从而实现前述的旋转进给功能；在导向环的下方通过螺钉等活动连接方式连接一个开口锁紧环；壳体的下部、旋转环的上部、导向环和开口锁紧环上均开设圆孔，马达从圆孔中穿过并通过开口锁紧环进行夹持和固定。

优选的，垂直支撑杆的下部设置外螺纹，水平支撑杆的内侧设置带有内螺纹的孔，通过内外螺纹的配合，实现水平支撑杆沿垂直支撑杆上下移动；通过设置螺纹，即使在承受比较大的钻孔载荷作用下，整套钻孔工具的高度也不易发生变化，从而确保圆孔的切削精度和切削质量。并在水平支撑杆的内侧设有开口并装有开口锁紧装置，其中开口为沿水平支撑杆长度方向的开口，开口一直通到水平支撑杆上的螺纹孔；开口锁紧装置通过夹紧开口，实现锁紧功能，锁紧时水平支撑杆不能相对垂直支撑杆转动或移动。

优选的，在水平支撑杆与吸盘之间再加装一个摆杆，摆杆外侧通过销轴与吸盘连接，水平支撑杆不再与吸盘直接连接。通过加装摆杆，使得吸盘的可调整角度进一步增大，从而适应不同曲率的薄壁金属结构，尤其是大曲率的薄壁金属结构。并在水平支撑杆外侧开有沿轴向的螺纹孔，该孔与摆杆上外螺纹配合；摆杆可通过螺纹相对于水平支撑杆伸出或缩回，从而适应不同曲率的薄壁金属结构。摆杆上还螺接1个锁紧螺母，当调整好摆杆相对于水平支撑杆的伸出长度后，通过锁紧螺母将摆杆相对于水平支撑杆的位置锁定，防止在切削过程中承受较大钻孔载荷时引起调整及吸附机构的活动，进而导致切削精度和切削质量的下降。

优选的，横梁中部设置通槽，垂直支撑杆能够沿通槽向内或向外移动，从而适用于不同的圆孔切削半径；垂直支撑杆的上部设置锁紧螺栓，锁紧螺栓穿过通槽与垂直支撑杆螺接；当调整好垂直支撑杆相对于横梁的位置后，应通过锁紧螺栓进行固定，将垂直支撑杆相对于横梁的位置进行固定，防止在切削过程中承受较大钻孔载荷时引起支撑结构的活动，进而导致切削精度和切削质量的下降。

优选的，马达为气动马达，气动马达以压缩空气作为动力源，一方面可在缺乏电源的地方，诸如在野外或外场实现对飞机蒙皮等薄壁金属结构的钻孔；另一方面也可在使用电源不安全的情况下，诸如待钻孔的舰艇壳体或压力容器壳体等薄壁金属结构周围存在易燃易爆品的情况下进行钻孔。

优选的，刀具夹头为扳手夹紧式三爪钻夹头。

优选的，吸盘为带有吸附手柄的无源吸盘。采用了无源吸盘，既方便了吸附操作，又避免有源吸盘中的气体消耗。通过按压手柄即可完成吸附，抬起手柄即可解除吸盘的吸附。

本发明还提出了一种基于上述钻孔工具的钻孔方法，该方法包括如下步骤：

步骤S1，将装有刀具夹头的马达安装到夹持及旋转机构上并固定；

步骤S2，根据待钻削的圆孔直径选择钻头的直径，并安装到刀具夹头上；

步骤S3，检查在夹持及旋转机构的旋转进给行程内，钻头能否进行完整的钻孔，即钻头能否钻透待钻削的薄壁金属结构；若能，则进入步骤S5；若不能，则进入步骤S4；

步骤S4，解除水平支撑杆与垂直支撑杆间的固定，向上或向下移动水平支撑杆至合适高度，并再次将水平支撑杆与垂直支撑杆进行固定；

步骤S5，将钻孔工具移至待钻削的薄壁金属结构上，并将钻头垂直对准待钻削的位置，调整吸盘的角度，并将吸盘吸附于薄壁金属结构上；

步骤S6，开启马达，带动钻头旋转；

步骤S7，缓慢旋转夹持及旋转机构，带动钻头进行旋转进给，直至完成钻孔；

步骤S8，关闭马达，从薄壁金属结构上拆下钻孔工具。

优选的，在钻孔工具中加装摆杆的情况下，将步骤S5替换为：

将钻孔工具移至待钻孔的薄壁金属结构上，并将钻头垂直对准待钻孔的位置；

解除锁紧螺母对摆杆的锁定，根据薄壁金属结构的曲率，通过调整摆杆相对水平支撑杆的伸出长度；然后调整吸盘的角度，确定吸盘的吸附位置；

旋转锁紧螺母锁定摆杆，并将吸盘吸附于薄壁金属结构上。

本发明的一种用于薄壁金属结构的钻孔工具具有结构简单，便于安装、拆卸和携行，适用薄壁金属结构的曲率大，切削精度高，能够在大切削力作用下依然能长时间作业，不易损伤薄壁金属结构内部构件等优点，尤其适用于在缺乏电源或不能使用电源的情况下对高强度薄壁金属结构进行钻孔。相应的切削方法，则具有使用方便，操作简单，加工时不需手持工具，加工人员劳动强度低，切削质量高等优点。

附图说明

图1是钻孔工具整体结构示意图；

图2是夹持及旋转机构中部分部件示意图；

图3 是支撑结构中横梁示意图；

图4是水平支撑杆上开口位置示意图。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本申请中的技术方案，下面结合本申请的附图，对本申请实施例中技术方案进行描述。

实施例1：

如图1所示，一种用于薄壁金属结构的钻孔工具，包括：马达1、刀具夹头2、钻头3、夹持及旋转机构4、支撑结构5、调整及吸附机构6；

马达1为气动马达；刀具夹头2用于夹持钻头3，刀具夹头2的上部通过螺纹连接的方式安装在马达1的下部。

夹持及旋转机构4用于夹持固定马达1，并带动马达1、刀具夹头2及钻头3实现沿马达1轴向的旋转进给。夹持及旋转机构4具体由壳体41、旋转环42、压环43、手柄44、导向环45、开口锁紧环46组成，其中开口锁紧环46为C型结构。其中壳体41为圆柱形的壳体，中空且上部开口；壳体41内放置旋转环42，壳体41上部通过螺钉安装一个压环43；当旋转环42承受向上的载荷时，压环43能够防止旋转环42从壳体41中脱出；旋转环42上部穿出压环43，且在旋转环42穿出压环43的部分上安装3个手柄44；如图2所示，旋转环42的下部设置带有内螺纹的孔，其与带有外螺纹的导向环45配合；在导向环45的下方通过螺钉连接一个开口锁紧环46；壳体41的下部、旋转环42的上部、导向环45和开口锁紧环46上均开设圆孔。使用时，将马达1依次从旋转环42上部的圆孔、导向环45上的圆孔、开口锁紧环46上的圆孔穿过，并用开口锁紧环46夹紧并固定马达1。工作时，通过用手把持手柄44，带动旋转环42沿圆周方向转动，旋转环42则通过其与导向环45之间的螺纹带动导向环45、开口锁紧环46、马达1、刀具夹头2及钻头3实现沿马达1轴向的旋转进给。

支撑结构5包括2个横梁51和2个垂直支撑杆52；2个横梁51沿夹持及旋转机构4的圆周方向等距分布，2个横梁51的内侧均焊接在壳体41上。如图3所示，横梁51中部设置通槽511，垂直支撑杆52能够沿通槽511向内或向外移动，用于寻找合适位置，实现吸盘62在待钻削薄壁金属结构上的更强吸附；垂直支撑杆52的上部设置锁紧螺栓521，锁紧螺栓521穿过通槽511与垂直支撑杆52螺接。

调整及吸附机构6包括与横梁51数量相同的水平支撑杆61和吸盘62，本实施例中水平支撑杆61和吸盘62的数量均为2个；在垂直支撑杆52的下部设置外螺纹，并在水平支撑杆61的内侧设置带有内螺纹的孔；如图4所示，水平支撑杆61的内侧设有开口611，并装有开口锁紧装置612。水平支撑杆61内侧的螺纹孔与垂直支撑杆52下部的外螺纹相配合，水平支撑杆61能够沿垂直支撑杆52上下移动，移动到合适位置后，通过开口锁紧装置612能够将水平支撑杆61与垂直支撑杆52的相对位置进行固定。水平支撑杆61的外侧通过销轴63与吸盘62连接，其中吸盘62为带有吸附手柄的无源吸盘。

利用前述的工具进行钻孔时，主要包括以下步骤：

步骤S1，将装有刀具夹头2的马达1安装到夹持及旋转机构4上，并通过开口锁紧环46进行固定；

步骤S2，根据待钻削的圆孔直径选择钻头3的直径，并安装到刀具夹头2上；

步骤S3，检查在夹持及旋转机构4的旋转进给行程内，钻头3能否进行完整的钻孔，即一方面检查钻头3在钻孔前不能与薄壁金属结构有干涉的问题，另一方面检查钻头3能否钻透薄壁金属结构；若能进行完整的钻孔，则进入步骤S5；若不能，则进入步骤S4；

步骤S4，通过开口锁紧装置612，解除水平支撑杆61与垂直支撑杆52间的固定，向上或向下移动水平支撑杆61至合适高度，并再次通过开口锁紧装置612将水平支撑杆61与垂直支撑杆52进行固定。

步骤S5，将钻孔工具移至待钻削的薄壁金属结构上，并将钻头3对准待钻削的位置，调整吸盘62的角度，并通过吸盘62上的吸附手柄将吸盘62吸附于薄壁金属结构上；

步骤S6，开启马达1，带动钻头3旋转；

步骤S7，通过手柄44，缓慢旋转夹持及旋转机构4，带动钻头3进行旋转进给，直至完成圆孔的钻削；

步骤S8，关闭马达1，通过吸盘62的吸附手柄解除吸附，然后从薄壁金属结构上拆下钻孔工具。

实施例2：

本实施例中的钻孔工具与实施例1中的基本相同，主要区别在于：在水平支撑杆61与吸盘62之间再加装一个摆杆64，摆杆64外侧通过销轴63与吸盘62连接，水平支撑杆61不再与吸盘62直接连接。其目的主要在于，通过加装摆杆64，使得吸盘62的可调整角度进一步增大，从而适应不同曲率的薄壁金属结构，尤其是大曲率的薄壁金属结构。

并在水平支撑杆61外侧开有沿轴向的螺纹孔，该孔与摆杆64上外螺纹配合；摆杆64可通过螺纹相对于水平支撑杆61伸出或缩回，从而适应不同曲率的薄壁金属结构。摆杆64上还螺接1个锁紧螺母65，当调整好摆杆64相对于水平支撑杆61的伸出长度后，通过锁紧螺母65将摆杆64相对于水平支撑杆61的位置锁定，防止在切削过程中承受较大钻孔载荷时引起调整及吸附机构6的活动，进而导致切削精度和切削质量的下降。

钻孔工具通过本实施例的改进后，在利用本实施例中的钻孔工具进行钻孔时，方法也要进行适应性的调整，主要区别在于步骤S5。

应将实施例1中的步骤S5替换为：

将钻孔工具移至待钻削的薄壁金属结构上，并将钻头3对准待钻削的位置；

解除锁紧螺母65对摆杆64的锁定，根据薄壁金属结构的曲率，通过调整摆杆64相对水平支撑杆61的伸出长度；然后调整吸盘62的角度，确定吸盘62的吸附位置；

旋转锁紧螺母65锁定摆杆64，并将吸盘62吸附于薄壁金属结构上。

其它步骤与实施例1中的步骤相同，就不一一赘述。

应该说明的是，本发明的钻孔工具和方法，不仅适用于高强度带曲率薄壁金属结构的钻孔，而且适用于其它各类金属的钻削。

最后应说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于薄壁金属结构的钻孔工具，其特征在于，包括马达（1）、刀具夹头（2）、钻头（3）、夹持及旋转机构（4）、支撑结构（5）、调整及吸附机构（6）；

所述刀具夹头（2）用于夹持钻头（3），刀具夹头（2）的上部通过活动连接的方式安装在马达（1）的下部；

所述夹持及旋转机构（4）用于夹持固定马达（1），并带动马达（1）、刀具夹头（2）及钻头（3）实现沿马达（1）轴向的旋转进给；

所述支撑结构（5）包括至少2个横梁（51）和相同数量的垂直支撑杆（52）；各横梁（51）沿夹持及旋转机构（4）的周向等距分布，各横梁（51）的内侧固接在夹持及旋转机构（4）的非旋转部件上；垂直支撑杆（52）通过活动连接的方式垂直安装在横梁（51）的外侧；

所述调整及吸附机构（6）包括与横梁（51）数量相同的水平支撑杆（61）和吸盘（62）；水平支撑杆（61）的内侧通过活动连接的方式水平安装在垂直支撑杆（52）的下部，并能够沿垂直支撑杆（52）上下移动和固定；水平支撑杆（61）的外侧通过销轴（63）与吸盘（62）连接。

2.如权利要求1所述的钻孔工具，其特征在于，所述夹持及旋转机构（4）的非旋转部件具体为一个上部开口的圆柱形壳体（41）；壳体（41）内放置旋转环（42），壳体（41）上部活动连接一个压环（43）；旋转环（42）穿出压环（43）的部分上安装至少2个手柄（44）；旋转环（42）的下部设置带有内螺纹的孔，与带有外螺纹的导向环（45）配合；在导向环（45）的下方活动连接一个开口锁紧环（46）；壳体（41）的下部、旋转环（42）的上部、导向环（45）和开口锁紧环（46）上均开设圆孔。

3.如权利要求1或2所述的钻孔工具，其特征在于，垂直支撑杆（52）的下部设置外螺纹，水平支撑杆（61）的内侧设置带有内螺纹的孔，水平支撑杆（61）的内侧设有开口（611）并装有开口锁紧装置（612）。

4.如权利要求1或2所述的钻孔工具，其特征在于，在水平支撑杆（61）与吸盘（62）之间加装一个摆杆（64），摆杆（64）外侧通过销轴（63）与吸盘（62）连接；水平支撑杆（61）外侧开有沿轴向的螺纹孔，与摆杆（64）上外螺纹配合；摆杆（64）上还螺接1个锁紧螺母（65）。

5.如权利要求1或2所述的钻孔工具，其特征在于，横梁（51）中部设置通槽（511），垂直支撑杆（52）能够沿通槽（511）向内或向外移动；垂直支撑杆（52）的上部设置锁紧螺栓（521），锁紧螺栓（521）穿过通槽（511）与垂直支撑杆（52）螺接。

6.如权利要求1或2所述的钻孔工具，其特征在于，所述马达（1）为气动马达。

7.如权利要求1或2所述的钻孔工具，其特征在于，所述刀具夹头（2）为扳手夹紧式三爪钻夹头。

8.如权利要求1或2所述的钻孔工具，其特征在于，所述吸盘（62）为带有吸附手柄的无源吸盘。

9.一种用于薄壁金属结构的钻孔方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1，将装有刀具夹头（2）的马达（1）安装到夹持及旋转机构（4）上并固定；

步骤S2，根据待钻削的圆孔直径选择钻头（3）的直径，并安装到刀具夹头（2）上；

步骤S3，检查在夹持及旋转机构（4）的旋转进给行程内，钻头（3）能否进行完整的钻孔；若能，则进入步骤S5；若不能，则进入步骤S4；

步骤S4，解除水平支撑杆（61）与垂直支撑杆（52）间的固定，向上或向下移动水平支撑杆（61）至合适高度，并再次将水平支撑杆（61）与垂直支撑杆（52）进行固定；

步骤S5，将钻孔工具移至待钻削的薄壁金属结构上，并将钻头（3）垂直对准待钻削的位置，调整吸盘（62）的角度，并将吸盘（62）吸附于薄壁金属结构上；

步骤S6，开启马达（1），带动钻头（3）旋转；

步骤S7，缓慢旋转夹持及旋转机构（4），带动钻头（3）进行旋转进给，直至完成钻孔；

步骤S8，关闭马达（1），从薄壁金属结构上拆下钻孔工具。

10.如权利要求9所述的钻孔方法，其特征在于，在钻孔工具中加装摆杆（64）的情况下，将步骤S5替换为：

将钻孔工具移至待钻削的薄壁金属结构上，并将钻头（3）垂直对准待钻削的位置；

解除锁紧螺母（65）对摆杆（64）的锁定，根据薄壁金属结构的曲率，调整摆杆（64）相对水平支撑杆（61）的伸出长度；然后调整吸盘（62）的角度，确定吸盘（62）的吸附位置；

旋转锁紧螺母（65）锁定摆杆（64），并将吸盘（62）吸附于薄壁金属结构上。