CN108568550A - 用于薄壁结构的钻孔系统 - Google Patents

Abstract

一种用于薄壁结构的钻孔系统，其可以批量地加工诸如航空发动机短舱的声衬的碳纤维复合材料蜂窝夹层结构上的消声孔。其中转轴在所述壳体内由轴承可转动支撑，用于连接钻头；叶盘设置在壳体内，固定在所述转轴上；其还包括在所述壳体上设置在所述叶盘上游侧的气压接入口，用于接入气压以驱动所述叶盘；以及还包括在所述壳体上设置在所述叶盘下游侧的气体出口；所述钻模包括模体，所述模体具有面对工件被加工表面的表面以及多个安装孔，多个所述钻孔装置对应所述多个安装孔分别安装，所述表面用于露出所述钻头，所述多个安装孔的位置根据工件的被加工小孔的行距和排距设定。

Description

用于薄壁结构的钻孔系统

技术领域

本发明涉及钻孔系统，尤其涉及用于薄壁结构上进行批量打孔的钻孔系统。

背景技术

目前，钻孔工艺主要有机械切削加工和特种加工。传统的机械切削加工方法简单，工艺成熟，钻孔设备和工具种类繁杂，但同时也存在刀具磨损快，加工效率低的问题。特种加工方法包括激光加工、水射流切割、电火花加工等，特种加工在复合材料薄壁结构钻孔上的应用存在一些局限性，如激光钻孔工艺，容易引起孔边材料的烧蚀，水射流切割非常适合在薄壁结构上切削，但在加工过程中，树脂基体容易吸收水分，导致纤维拔出、内部脱粘、分层等缺陷。

对于金属薄壁结构，如消声金属管，薄壁的金属管上布满了小孔，这些小孔的加工极其耗时，采用传统的钻孔设备加工精度相对较低，且孔边容易因进给力过大而导致变形；如果采用数控加工，制造成本非常高。

对于复合材料薄壁结构，如航空发动机短舱的声衬，通常为碳纤维复合材料蜂窝夹层结构，高速气流通过的涵道表面会产生很大的噪声，需要在声衬的面板上制备很多直径约为0.75mm～1.6mm的小孔，孔间距一般在1.5mm～3mm，达到降低进排气噪声的目的。利用电驱动的传统钻孔工艺能够满足声衬面板的钻孔要求，但每次只能钻一个孔，由于消声孔的尺寸小、数量大，所以效率低，加工周期长。其他的钻孔工艺，如激光钻孔、电火花等，不适合应用于碳纤维复合材料结构的小孔加工。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于薄壁结构的钻孔系统，其可以批量地加工诸如航空发动机短舱的声衬的碳纤维复合材料蜂窝夹层结构上的消声孔。

根据本发明的用于薄壁结构的钻孔系统，包括钻模和钻孔装置，所述钻孔装置包括壳体、转轴、叶盘，转轴在所述壳体内由轴承可转动支撑，用于连接钻头；叶盘设置在壳体内，固定在所述转轴上；其还包括在所述壳体上设置在所述叶盘上游侧的气压接入口，用于接入气压以驱动所述叶盘；以及还包括在所述壳体上设置在所述叶盘下游侧的气体出口；所述钻模包括模体，所述模体具有面对工件被加工表面的表面以及多个安装孔，多个所述钻孔装置对应所述多个安装孔分别安装，所述表面用于露出所述钻头，所述多个安装孔的位置根据工件的被加工小孔的行距和排距设定。

在一实施例中，所述轴承安装在可轴向滑动的轴承座上，所述轴承座由弹簧支撑在所述壳体中。

在一实施例中，所述转轴的相反于所述钻头的一端由顶杆抵顶，所述顶杆可滑动地插在所述壳体的导向孔中并由弹簧朝所述转轴的所述一端施加弹性压力。

在一实施例中，所述转轴的所述一端为尖端，所述顶杆具有接收所述尖端的对中孔。

在一实施例中，所述壳体沿整个周向设置有多个气压接入口以及多个气体出口，所述壳体在所述叶盘的上游侧具有与所述气压接入口相通的腔体，并且在所述叶盘的下游侧具有与所述气体出口相通的另一个腔体；所述模体提供有气压接入通道、在各个所述安装孔的孔壁上开设的连通该气压接入通道的分流孔以及在各个所述安装孔的孔壁上开设的排气孔，各所述分流孔对接至少一个所述气压接入口，所述排气孔对接至少一个所述气体出口。

在一实施例中，该钻孔系统还包括气压控制系统，所述气压控制系统用于向所述气压接入口输出设定的气压。

在一实施例中，所述气压控制系统包括用于调节空气流量的节流阀以及设置在所述节流阀下游侧的用于调节空气压力的溢流阀。

在一实施例中，所述模体的所述表面具有跟随工件的被加工表面的形状，以便于与工件的被加工表面贴合。

在一实施例中，所述轴承为角接触球轴承。

在一实施例中，所述壳体外周壁上设置有第一环形槽和第二环形槽，所述多个气压接入口形成于所述第一环形槽中，所述多个气体出口设置在第二环形槽中，所述第一环形槽与所述安装孔的内壁围成环形的进气通道，所述第二环形槽与所述安装孔的内壁围成环形的排气通道。

根据本发明的钻孔系统，其具有新颖的结构形式，利用气动压力驱动，通过调节气体的流量控制钻头的转速，可以调节叶盘的压力差获得钻孔需要的进给力，完成钻孔工序；

此外，钻孔装置结构紧凑，体积小，多个钻孔装置安装在钻模上，实现批量加工消声孔；钻模底面可以根据钻孔表面的形状来加工，方便在曲面上钻孔；并且气动控制简单，工作速度快，压缩空气获取容易，易于实现；批量加工小孔，可以提高生产效率，降低制造成本；由于结构简单，体积小巧，易于在工厂实现自动化。

附图说明

本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：

图1为根据本发明的用于薄壁结构的钻孔系统的示意图。

图2为根据本发明的用于薄壁结构的钻孔系统的钻模的立体图。

图3为根据本发明的用于薄壁结构的钻孔系统的钻模的一个变型的立体图。

图4为根据本发明的用于薄壁结构的钻孔系统的钻孔装置的立体图。

图5为沿图4中A-A线的剖视图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。

需要注意的是，附图均仅作为示例，其并非是按照等比例的条件绘制的，并且不应该以此作为对本发明实际要求的保护范围构成限制。

如图1所示，在本发明的一实施例中，用于薄壁结构的钻孔系统包括钻孔装置1和钻模2。同时结合图2，钻模2包括模体20、在模体20上设置的多个安装孔6，模体20具有与工件相对的表面21。多个钻孔装置1对应多个安装孔6分别安装。模体20还提供有气压接入通道7，气压接入通道7在图2中沿模体20的长度方向在模体20的中线从一头延伸到另一头，安装孔6成阵列排布，其根据工件上需要加工出的小孔的行距和排距来排布。模体20还具有多个排气孔5。安装孔6的侧壁上设置有进气口71以及排气口72，进气口71与气压接入通道7相通，排气口72与排气孔5相通。作为可选的方式，对应每个安装孔6分配设置排气孔5与其排气口72相通。气压接入通道7引入气压后，再通过进气口71分配到各个安装孔6。在另一实施例中，安装孔6内的接入气压也可以单独配送。

如图4和图5所示，钻孔装置包括壳体9，设置在壳体9内的叶盘12、转轴11、轴承座14。叶盘12具有多个叶片，可由气压驱动，叶盘12安装固定在转轴11上，转轴11通过轴承13固定在轴承座14上，叶盘12将壳体9内部分成叶盘12上游侧的腔体I和叶盘12下游侧的腔体II。叶盘12的外周侧具有第一环形槽91和第二环形槽92，沿第一环形槽91的周向形成有多个贯穿壳体9的壳壁的气压接入口910，沿第二环形槽92的周向形成有多个贯穿壳体9的壳壁的气体出口920。气压接入口910与腔体I相通，气体出口920与腔体II相通。设定的气压从气压接入口910进入到腔体I，对叶盘12施加驱动力，以使叶盘12带动转轴11在轴承13的支撑下转动。转轴11的下端连接钻头15，钻头15对工件的表面进行孔的加工。

继续参图5，轴承座14呈圆筒状，其上端具有法兰141，法兰141和壳体9的内壁之间设置有弹簧142，轴承座14由弹簧142支撑在壳体9内，壳体9的底壁93上还设置有导向孔930，轴承座14从导向孔930中穿出，由导向孔930进行轴向移动导向，从气压接入口910引入的设定气压，驱动叶盘12转动，随着工件上的孔的深度的增加，轴承座14在弹簧142的弹性支撑下沿着导向孔930进行相应的轴向移动。

继续参照图5，在转轴11的上端，即相反于钻头15的一端，设置有顶杆10，顶杆10与转轴11的上端相顶的端部具有凸缘100，弹簧101设置在壳体9的顶壁和凸缘100之间，在顶杆10上施加向下的弹性压力，以使顶杆10与转轴11的上端相抵顶。壳体9的顶壁具有定位孔94，顶杆10的杆部从定位孔94中穿出，并可在其中滑动。在轴承座14移动的过程中，顶杆10随动于转轴11。转轴11的上端可以是尖端，相应地，顶杆10的端部可以具有接收尖端的凹坑102。

结合图1、图2、图4、图5，钻孔装置1置入到安装孔6之后，第一环形槽91与安装孔6的侧壁相配合，围成环形的进气通道。如图1所示，气压挤入通道7通过其压缩空气进口引入压缩空气，再通过进气口71引入到前述进气通道，通过图4所示的第一环形槽91的底壁上的气压接入口910进入到腔体I，对叶盘12施压驱动压力，以使叶盘12转动。做功后的气体从叶盘12进入到腔体II，随后通过气体出口920进入到环形的出气通道，该出气通道可以使第二环形槽92与安装孔6的孔壁之间合围而成，随后气体通过排气口72排出到排气孔5。

在图1中，钻孔系统还包括溢流阀3，其为调节空气压力，获得满足钻孔需求的进给力，以及节流阀4，其为用于调节空气流量Q，达到调节钻孔需求的转速。压缩空气可以直接从工厂的气源获取，经过压力和流量调节，驱动钻孔装置旋转。用于产生气压的气体不限于空气，也可以替换成惰性气体，或者在一些特别场合方便于获取的气体。

如图2所示，模体20面对工件的表面21为平面。如图3所示，模体20面对工件的表面8可以加工成曲面，与工件表面贴合在一起，使在曲面上钻孔更容易对中和实施。

再参照图5，作为一个可选的实施方式，叶盘12过盈装配在旋转轴11上，当气流通过叶盘，带动叶盘12和旋转轴11高速旋转而产生切削力，并且二者连接固定。轴承13可以选择为角接触球轴承，可承受轴向和径向载荷，分别在轴向和径向对旋转轴起支撑作用。导向轴承座14容许钻头15在不工作时隐藏在壳体9内，引入气压，驱动叶盘12转动，旋转轴11做进给运动时，其在轴线向上起导向和限位作用，同时作为安装轴承的轴承座，顺利引导钻头15突出壳体9，对工件进行加工。钻头15为可更换钻头。

根据本发明的钻孔系统的工作原理为：当钻孔装置1安装到钻模2上，钻孔装置1的壳体9上的第一环槽91与进气管路、腔体Ⅰ形成封闭的空间，压缩气体以设定的流量Q(使旋转轴的转速满足钻孔要求)通过第一环槽91流入腔体Ⅰ。叶盘12的结构由叶片和中间的圆盘组成，压缩气体流过叶片，带动叶盘12和旋转轴11高速旋转，然后压缩气体进入腔体Ⅱ，通过第二环槽9-2从排气孔5排出，由于腔体Ⅰ压力和腔体Ⅱ的压力不一样，叶盘12的上下表面的压力差将推动叶盘12、旋转轴11及钻头15产生进给运动，进给力的大小可以通过压缩气体的输入压力来调节。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。

Claims (10)

1.用于薄壁结构的钻孔系统，其特征在于，包括钻模和钻孔装置，所述钻孔装置包括：

壳体；

在所述壳体内由轴承可转动支撑的转轴，所述转轴用于连接钻头；

设置在壳体内的叶盘，固定在所述转轴上；

在所述壳体上设置在所述叶盘上游侧的气压接入口，用于接入气压以驱动所述叶盘；以及

在所述壳体上设置在所述叶盘下游侧的气体出口；

所述钻模包括：

模体，所述模体具有面对工件被加工表面的表面以及多个安装孔，多个所述钻孔装置对应所述多个安装孔分别安装，所述表面用于露出所述钻头，所述多个安装孔的位置根据工件的被加工小孔的行距和排距设定。

2.如权利要求1所述的钻孔系统，其特征在于，所述轴承安装在可轴向滑动的轴承座上，所述轴承座由弹簧支撑在所述壳体中。

3.如权利要求1所述的钻孔系统，其特征在于，所述转轴的相反于所述钻头的一端由顶杆抵顶，所述顶杆可滑动地插在所述壳体的导向孔中并由弹簧朝所述转轴的所述一端施加弹性压力。

4.如权利要求3所述的钻孔系统，其特征在于，所述转轴的所述一端为尖端，所述顶杆具有接收所述尖端的对中孔。

5.如权利要求1所述的钻孔系统，其特征在于，所述壳体沿整个周向设置有多个气压接入口以及多个气体出口，所述壳体在所述叶盘的上游侧具有与所述气压接入口相通的腔体，并且在所述叶盘的下游侧具有与所述气体出口相通的另一个腔体；所述模体提供有气压接入通道、在各个所述安装孔的孔壁上开设的连通该气压接入通道的分流孔以及在各个所述安装孔的孔壁上开设的排气孔，各所述分流孔对接至少一个所述气压接入口，所述排气孔对接至少一个所述气体出口。

6.如权利要求1所述的钻孔系统，其特征在于，该钻孔系统还包括气压控制系统，所述气压控制系统用于向所述气压接入口输出设定的气压。

7.如权利要求6所述的钻孔系统，其特征在于，所述气压控制系统包括用于调节空气流量的节流阀以及设置在所述节流阀下游侧的用于调节空气压力的溢流阀。

8.如权利要求1所述的钻孔系统，其特征在于，所述模体的所述表面具有跟随工件的被加工表面的形状，以便于与工件的被加工表面贴合。

9.如权利要求1所述的钻孔系统，其特征在于，所述轴承为角接触球轴承。

10.如权利要求5所述的钻孔系统，其特征在于，所述壳体外周壁上设置有第一环形槽和第二环形槽，所述多个气压接入口形成于所述第一环形槽中，所述多个气体出口设置在第二环形槽中，所述第一环形槽与所述安装孔的内壁围成环形的进气通道，所述第二环形槽与所述安装孔的内壁围成环形的排气通道。