CN107932286A - 一种斜螺旋加工单元、加工设备与加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及精密加工领域，公开了一种斜螺旋加工单元、加工设备与加工方法，其中斜螺旋加工单元包括外壳、公转定子、公转转子与驱动装置，其中，公转定子与外壳连接，公转转子与驱动装置连接，以使驱动装置可相对公转转子绕一公共轴心发生公转，驱动装置包括可绕自身轴心发生自转的驱动轴，且驱动轴的自转轴心相对驱动装置的公转轴心倾斜。本发明中刀具端面上磨粒/切削刃切削速度接近零的区域不会与工件材料接触，从而解决了普通螺旋磨削/铣削中的速度零点问题。

Description

一种斜螺旋加工单元、加工设备与加工方法
技术领域
本发明涉及精密机加领域，具体是涉及螺旋加工领域，尤其是涉及一种斜螺旋加工单元、加工设备与加工方法。
背景技术
螺旋铣孔是一项发展较为成熟的加工工艺，刀具通过绕自身轴心的自转、绕公共轴心的公转以及轴线的进给实现螺旋铣削。然而现有的螺旋铣孔设备存在缺陷：现有技术中刀具的端面与待加工工件的表面平行且贴合，故刀具的中心区域也会参与加工，而刀具的中心区域切削速度接近于零，在加工过程此区域不是通过切削的方式去除材料，而是通过挤压的方式去除材料，因此加工质量极差、同时也容易损坏刀具；此外，刀具端面与工件的表面贴合也会影响加工过程中的排屑。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种斜螺旋加工单元，以解决现有技术加工质量差、刀具易损坏、排屑不畅等问题。
本发明还公开了一种应用上述斜螺旋加工单元的斜螺旋加工设备。
本发明还公开了一种斜螺旋加工方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种斜螺旋加工单元，包括外壳、公转定子、公转转子与驱动装置，其中，公转定子与外壳连接，公转转子与驱动装置连接，以使驱动装置可相对公转转子绕一公共轴心发生公转，驱动装置包括可绕自身轴心发生自转的驱动轴，且驱动轴的自转轴心相对驱动装置的公转轴心倾斜。
作为上述方案的进一步改进方式，还包括安装座，安装座与外壳的内壁转动连接，公转转子与安装座固定连接，安装座内具有倾斜的安装孔，安装孔的倾角等于自转轴心与公转轴心之间的倾角，驱动装置固定在安装孔内。
作为上述方案的进一步改进方式，还包括套接在外壳内部的第一套筒，外壳的内壁上设有台阶，公转定子的底部与台阶抵接，第一套筒的底部与公转定子的顶部抵接。
作为上述方案的进一步改进方式，驱动轴可沿自转轴心的方向进行超声振动。
作为上述方案的进一步改进方式，驱动装置为超声主轴。
一种斜螺旋加工设备，包括上述斜螺旋加工单元。
作为上述方案的进一步改进方式，还包括机架、工作台、工作台座与直线模组，工作台座与机架连接，并可相对机架绕一水平转轴转动，工作台与工作台座连接，并可相对工作台座绕一竖直转轴转动，直线模组与机架连接，斜螺旋加工单元可通过直线模组相对机架沿竖直方向与水平方向移动。
一种斜螺旋加工方法，其包括以下步骤，使刀具相对待加工工件的表面倾斜，然后刀具通过绕自身轴心的自转、绕一公共轴心的公转以及沿公共轴心方向的进给以在工件上加工出孔。
作为上述方案的进一步改进方式，在孔的深度加工至设定深度后，使刀具沿孔的径向进给设定的长度，以在工件上加工出槽。
作为上述方案的进一步改进方式，刀具在加工过程中沿自转轴心的方向持续进行超声振动。
本发明的有益效果是：
1、由于W形孔底上V形沟的存在，刀具的端面上磨粒/切削刃切削速度接近零的区域不会与工件材料接触，从而解决了普通螺旋磨削/铣削中的速度零点问题。
2、由于V形沟以及刀具外周与孔内壁之间的V形空间的存在，切屑可以较为容易的从加工区域排出，从而可以大幅度减轻切屑堵塞的现象，减小加工作用力，提高加工效率和提高刀具工作寿命。
3、由于磨粒/切削刃周期性的切入与切出作用，即断续磨削/切削现象的发生，故可以促进磨屑/切屑的细粒化，有利于磨屑/切屑的排出，同时也有利于磨削液进入底面加工区域，降低加工温度。
4、在加工通孔时，摆动的刀具还可以在出口处进行倒工，从而去除出口处残留的切屑，提高出口处的加工质量。
5、在本发明的优选实施例中，超声波电主轴通过轴向高频振动辅助刀具进行斜螺旋开孔加工，刀具斜螺旋使得单向的超声在各个方向都有分量,超声的传播使刀具表面各点往复运动形成大量的“锉”，斜螺旋使得“锉”群的方向不断地变化，使得孔内壁表面更光滑，出口撕裂少、毛刺少。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明一个实施例的立体示意图；
图2是本发明一个实施例的剖视图；
图3是本发明斜螺旋加工设备一个实施例的立体示意图。
具体实施方式
以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、方案和效果。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，如无特殊说明，当某一特征被称为“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接固定、连接在另一个特征上，也可以间接地固定、连接在另一个特征上。此外，本发明中所使用的上、下、左、右、前、后等描述仅仅是相对于附图中本发明各组成部分的相互位置关系来说的。
此外，除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与本技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，而不是为了限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的组合。
参照图1、图2，分别示出了本发明一个实施例的立体示意图与剖面示意图，图2中隐藏驱动装置的内部结构。如图所示，斜螺旋加工单元包括外壳110、公转定子120、公转转子130、安装座140与驱动装置150。
公转定子120与外壳110的外壁固定连接连接，优选的安装方式为：外壳110的内壁上设有台阶111，沿图示方向，台阶111以上的内壁直径大于台阶111以下上的内壁直径，公转定子120的底端搁置在第一台阶上，进行下方的定位。
公转定子120的上方沿竖直向上的方向依次设有第二套筒160与第一套筒170，第一套筒170的顶部设有台阶边，该台阶边与外壳110的顶部端面抵接。第一套筒170的底部与第二套筒160的顶部抵接，第二套筒160的底部与公转定子120的顶部抵接，从而实现公转定子120的完全定位，同时也便于外壳110的加工与公转定子120的装配。此外，也可以是第一套筒170的底部直接与公转定子120的顶部抵接。
安装座140安装在外壳110的内部，其外形优选为匹配外壳110内部腔体的筒状结构。公转转子130固定在安装座140的外壁上，如此，在通电后安装座140可以相对外壳110绕公转轴心a转动。
优选地，安装座140与外壳110之间设有轴承180，轴承180分别设置在安装座140的上下两端。
安装座140的内部设有一通孔，该通孔的轴心b相对公转轴心a具有一倾角θ，倾角的数值可以根据需要调整°
驱动装置150固定安装在安装座140上的通孔内，可与安装座140一体绕公转轴心a转动。驱动装置150具有可绕自身轴心发生自转的驱动轴151，驱动轴151与上述通孔同轴，即驱动轴151的自转轴心相对公转轴心a具有相同的倾角θ。
基于上述，安装座140带动驱动装置150发生公转，而驱动装置150整体相对公转轴心a倾斜，故刀具做圆锥摆动，结合驱动轴的自转以及加工单元整体相对于工件向下的进给运动，刀具将会在工件上逐渐形成截面底部近似为W形的盲孔，并最终形成具有一定深度的盲孔或通孔。
本发明具有以下优点：
1、由于W形孔底上V形沟的存在，刀具的端面上磨粒/切削刃切削速度接近零的区域不会与工件材料接触，从而解决了普通螺旋磨削/铣削中的速度零点问题。
2、由于V形沟以及刀具外周与孔内壁之间的V形空间的存在，切屑可以较为容易的从加工区域排出，从而可以大幅度减轻切屑堵塞的现象，减小加工作用力，提高加工效率和提高刀具工作寿命。
3、由于磨粒/切削刃周期性的切入与切出作用，即断续磨削/切削现象的发生，故可以促进磨屑/切屑的细粒化，有利于磨屑/切屑的排出，同时也有利于磨削液进入底面加工区域，降低加工温度。
4、在加工通孔时，摆动的刀具还可以在出口处进行倒工，从而去除出口处残留的切屑，提高出口处的加工质量。
此外，本实施例驱动装置150可以视为电机转子的一部分，即驱动装置150、安装座140、公转定子120与公转转子130共同组成电机，故本实施例无需设置额外的外部动力源驱动刀具发生公转，从而有助于缩小加工单元的体积，简化加工单元的结构。
作为本发明中驱动装置150的优选方案，驱动装置150采用电主轴，电主轴与上述的公转定子120、公转转子130均可以采用公知的技术，本发明对此不作具体限定。
优选地，驱动轴151可沿自转轴心的方向进行超声振动，即实现超声辅助切削功能，通过轴向高频振动辅助刀具进行斜螺旋开孔加工，刀具斜螺旋使得单向的超声在各个方向都有分量,超声的传播使刀具表面各点往复运动形成大量的“锉”，斜螺旋使得“锉”群的方向不断地变化，使得孔内壁表面更光滑，出口撕裂少、毛刺少。
为了验证超声辅助斜螺旋开孔加工方法的优越性，本发明进行以下实验验证，实验选用的工件材料都为碳纤维增强复合材料，切削加工条件相同，如表1所示：
表1
刀具(硬质合金) D＝9.5mm,立铣刀
刀具旋转速度 5000r·min-1
刀具公转速度 270r·min-1
进给速度 25mm·min-1
孔直径 12mm
实验次数 5
本实验中，与普通斜螺旋开孔的不同之处在于：刀具被施加刀具轴向超声振动。超声振动加工条件如表2所示：
表2
频率 30kHz
振幅 1.5μm
经实验得出，孔的内表面粗糙度均值对比如下表3：
表3
方法 Ra RZ
普通斜螺旋开孔 1.1μm 7.3μm
超声辅助斜螺旋开孔 0.9μm 5.6μm
经实验得出，孔的入口边缘撕裂区域面积均值对比如下表4：
表4
加工方法 入口边缘撕裂区域面积
普通斜螺旋开孔 2.5mm2
超声辅助斜螺旋开孔 1.1mm2
经实验得出，孔的出口边缘撕裂区域面积均值对比如下表5：
表5
加工方法 出口边缘撕裂区域面积
普通斜螺旋开孔 1.09mm2
超声辅助斜螺旋开孔 0.43mm2
本实验中采用了相同的切削加工条件，实验结果如表3至5所示，本发明的超声辅助斜螺旋开孔加工装置与普通的斜螺旋开孔加工装置相比可以改善铣孔的内表面粗糙度和孔入、出口边缘的撕裂，降低碳纤维复合材料在铣孔时产生的分层和毛边的现象。其中，Ra表示：轮廓算术平均偏差，在取样长度内轮廓偏距绝对值的算术平均值；Rz表示：微观不平度十点高度，在取样长度内五个最大的轮廓峰高的平均值与五个最大的轮廓谷深的平均值之和。孔的入、出口边缘撕裂区域使用电子显微镜测得。
基于上述，本发明的驱动装置150优选采用超声主轴，其中超声主轴可以采用公知的技术，同时，本发明也不限定超声振动的频率范围，只需满足超声润滑功能即可。
本发明还公开了一种斜螺旋加工设备，参照图3，示出了本发明斜螺旋加工设备一个实施例的立体示意图。如图所示，斜螺旋加工设备包括机架200、工作台300、工作台座400、直线模组500与上述的斜螺旋加工单元100。
其中工作台座400与机架200连接，并可相对机架200绕一水平转轴(图示为Y轴)转动。工作台300与工作台座400连接，并可相对工作台座400绕一竖直转轴(图示为Z轴)转动。直线模组500与机架200连接，其可以带动斜螺旋加工单元100相对机架200沿竖直方向(图示为Z轴)与水平方向(图示为X轴、Y轴)移动，即本实施例中的加工设备可以实现斜螺旋加工单元100五个自由度上的运动。
斜螺旋加工单元100的运动自由度还可以根据需要增减，本发明对此不做限定。
除上述固定式的加工设备之外，本发明也可以采用便携式的加工设备。
本发明还公开了一种斜螺旋加工方法，其包括以下步骤：首先，使刀具相对待加工工件的表面倾斜一定的角度，然后驱动刀具发生绕自身轴心的自转、绕一公共轴心的公转以及沿公共轴心方向的进给，结合三种运动便可以在工件上加工出盲孔或者通孔。
近一步地，本发明还包括有槽的加工方法，具体是通过上述步骤使孔达到设定深度，然后驱动刀具沿孔的径向进给设定的长度，便可以在工件上加工出槽。
优选地，刀具在加工过程中还可以沿自转轴心的方向持续进行超声振动，如上所述，刀具斜螺旋使得单向的超声在各个方向都有分量，超声的传播使刀具表面各点往复运动形成大量的“锉”，斜螺旋使得“锉”群的方向不断地变化，使得孔内壁表面更光滑，出口撕裂少、毛刺少。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种斜螺旋加工单元，其特征在于，包括外壳、公转定子、公转转子与驱动装置，其中，所述公转定子与所述外壳连接，所述公转转子与所述驱动装置连接，以使所述驱动装置可相对所述公转转子绕一公共轴心发生公转，所述驱动装置包括可绕自身轴心发生自转的驱动轴，且所述驱动轴的自转轴心相对所述驱动装置的公转轴心倾斜。
2.根据权利要求1所述的斜螺旋加工单元，其特征在于，还包括安装座，所述安装座与所述外壳的内壁转动连接，所述公转转子与所述安装座固定连接，所述安装座内具有倾斜的安装孔，所述安装孔的倾角等于所述自转轴心与所述公转轴心之间的倾角，所述驱动装置固定在所述安装孔内。
3.根据权利要求2所述的斜螺旋加工单元，其特征在于，还包括套接在所述外壳内部的第一套筒，所述外壳的内壁上设有台阶，所述公转定子的底部与所述台阶抵接，所述第一套筒的底部与所述公转定子的顶部抵接。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的斜螺旋加工单元，其特征在于，所述驱动轴可沿所述自转轴心的方向进行超声振动。
5.根据权利要求4所述的斜螺旋加工单元，其特征在于，所述驱动装置为超声主轴。
6.一种斜螺旋加工设备，其特征在于，包括权利要求1至5中任一项所述的斜螺旋加工单元。
7.根据权利要求6所述的斜螺旋加工设备，其特征在于，还包括机架、工作台、工作台座与直线模组，所述工作台座与所述机架连接，并可相对所述机架绕一水平转轴转动，所述工作台与所述工作台座连接，并可相对所述工作台座绕一竖直转轴转动，所述直线模组与所述机架连接，所述斜螺旋加工单元可通过所述直线模组相对所述机架沿竖直方向与水平方向移动。
8.一种斜螺旋加工方法，其包括以下步骤，使刀具相对待加工工件的表面倾斜，然后刀具通过绕自身轴心的自转、绕一公共轴心的公转以及沿公共轴心方向的进给以在工件上加工出孔。
9.根据权利要求8所述的斜螺旋加工方法，其特征在于，在所述孔的深度加工至设定深度后，使刀具沿所述孔的径向进给设定的长度，以在工件上加工出槽。
10.根据权利要求8或9所述的斜螺旋加工方法，其特征在于，所述刀具在加工过程中沿自转轴心的方向持续进行超声振动。
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Assignee: Shenzhen Meifei Precision Co.,Ltd.

Assignor: SOUTH University OF SCIENCE AND TECHNOLOGY OF CHINA

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Denomination of invention: Oblique spiral processing unit, processing equipment and processing method

License type: Exclusive License

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