CN109014261A - 精准导向定位的阶梯深孔精镗加工装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种精准导向定位的阶梯深孔精镗加工装置。该装置的前刀体与后刀体通过方牙螺纹联接，前后刀体可拆卸，用以匹配不同长短的前后刀体。前刀体和后刀体两者的前端外圆周径向都安装一个镗刀头与两个弹性导向机构，前刀体和后刀体两者的轴向滞后外圆周径向都均匀安装三个压电定位机构，弹性导向机构和智能定位机构分别对镗刀进行导向和定位。该精准导向定位的阶梯深孔精镗加工装置能够实现最大效率的复合工序加工，一次性对刀进给加工完成阶梯孔，提高了阶梯孔表面相互位置精度，有助于提高阶梯深孔的同轴度和直线度。

Description

精准导向定位的阶梯深孔精镗加工装置

技术领域

本发明属于机械精密加工设备及制造技术领域，尤其涉及一种精准导向定位的阶梯深孔精镗加工装置。

背景技术

在冷加工的精密级阶梯深孔工序中，两种以上直径的同轴阶梯孔，一般可一次装夹镗削完成。但当工件的长径比很大，钻杆的长径比也很大时，镗杆细长，刚性、稳定性差，在加工过程中易下沉或振动，刀尖点常因振动或镗杆弯曲而产生挠度位置发生变化，容易产生镗偏，要想获得高精度的工件内孔壁质量很困难。

发明内容

本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种精准导向定位的阶梯深孔精镗加工装置，该装置结构相对简单，可以为镗削加工提供精准导向与定位，提高了阶梯深孔的同轴度和直线度。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：精准导向定位的阶梯深孔精镗加工装置，包括同轴向设置且均呈圆柱形的前刀体和后刀体，前刀体的外径小于后刀体的外径，前刀体内部沿轴向方向开设有前中心孔，后刀体内部沿轴向方向开设有后中心孔，后中心孔前端与前中心孔后端连通；前刀体的外圆周前侧设有沿周向分布的一个前刀头和两个前弹性导向机构，前刀体的外圆周后侧设有沿周向分布的三个前压电定位机构，后刀体的外圆周前侧设有沿周向分布的一个后刀头和两个后弹性导向机构，后刀体的外圆周后侧设有沿周向分布的三个后压电定位机构；

前中心孔和后中心孔内沿轴向方向设置有分别与前压电定位机构和后压电定位机构连接的弹性供电线路；前弹性导向机构和前压电定位机构均可沿前刀体的径向方向自适应伸缩调节；后弹性导向机构和后压电定位机构均可沿后刀体的径向方向自适应伸缩调节。

前弹性导向机构和后弹性导向机构的结构相同；

后弹性导向机构的结构包括第一压块、槽型块、导向键、限位柱和弹簧，后刀体圆周面上开设有第一台阶槽，第一压块通过第一螺钉固定安装到第一台阶槽的台阶处并与后刀体外圆周表面齐平，第一压块中部开设有内外通透的第一导孔，槽型块设置在第一台阶槽内，导向键通过第二螺钉安装到槽型块的外侧面的槽内，导向键穿设在第一导孔内并向外凸出于第一压块，限位柱固定设在槽型块内侧面，弹簧套在限位柱上，弹簧内端和外端分别与第一台阶槽的槽底和槽型块内侧面顶压配合。

前压电定位机构和后压电定位机构的结构相同；

后压电定位机构包括第二压块、定位键、凸型块、第一压电驱动单元和第二压电驱动单元，后刀体圆周面上开设有第二台阶槽，第二压块通过第三螺钉固定安装到第二台阶槽的台阶处并与后刀体外圆周表面齐平，第二压块中部开设有内外通透的第二导孔，凸型块、第一压电驱动单元和第二压电驱动单元设置在第二台阶槽内，定位键穿设在第二导孔内并向外凸出于第二压块，第一压电驱动单元通过第四螺钉固定在第二压块的内侧面上，第一压电驱动单元中部开设有透孔，凸型块的外部伸入到透孔内并与定位键通过第五螺钉连接，第二压电驱动单元设置在第二台阶槽的槽底并与凸型块的内侧面接触；第二压电驱动单元与弹性供电线路连接。

弹性供电线路包括沿前中心孔的中心线设置的第一主导线管和沿后中心孔的中心线设置的第二主导线管，第一主导线管的后端与第二主导线管的前端通过线管接头连接，前中心孔内设置有用于支撑第一主导线管的第一弹性支架，后中心孔内设置有用于支撑第二主导线管的第二弹性支架，前刀体内部沿径向方向开设有与前刀体上的第二台阶槽底部连通的第一穿线孔，第一穿线孔与第一主导线管之间通过第一支导线管连接，后刀体内部沿径向方向开设有与后刀体上的第二台阶槽底部连通的第二穿线孔，第二穿线孔与第二主导线管之间通过第二支导线管连接，第一主导线管、第二主导线管、第一支导线管和第二支导线管内穿设有为第一压电驱动单元及第二压电驱动单元连接的压电电源导线和压电信号导线；

第一弹性支架和第二弹性支架的中心均设置有一个安装孔，第一弹性支架和第二弹性支架上在安装孔的周围均匀开设有四个排屑孔，第一主导线管穿设在第一弹性支架的安装孔内，第二主导线管穿设在第二弹性支架的安装孔内。

第一压电驱动单元包括第一绝缘层、第二绝缘层、第一膜片和第一压电驱动体，第一膜片紧贴于第一压电驱动体的外侧面上，第一绝缘层设置在第一膜片的外侧面，第二绝缘层设置在第一压电驱动体的内侧面。

第二压电驱动单元包括第三绝缘层、第四绝缘层、第二膜片和第二压电驱动体，第二膜片紧贴于第二压电驱动体的外侧面上，第三绝缘层设置在第二膜片的外侧面，第四绝缘层设置在第二压电驱动体的内侧面。

两个前弹性导向机构在前刀体外圆周表面沿周向以90度角度设有两个，前刀头与其中一个前弹性导向机构关于前刀体的中心线对称布置，一个前刀头和两个前弹性导向机构形成三点定圆原理；同理，后弹性导向机构在后刀体外圆周表面沿周向以90度角度设有两个，后刀头与其中一个后弹性导向机构关于后刀体的中心线对称布置，一个后刀头和两个后弹性导向机构形成三点定圆原理。

三个前压电定位机构沿前刀体的圆周方向均匀布置，三个后压电定位机构沿后刀体的圆周方向均匀布置。

后中心孔的前端部设置有内方牙螺纹，前刀体后端部的外圆周设置有外方牙螺纹，前刀体后端伸入并螺纹连接到后中心孔内。

采用上述技术方案，本发明中的各部件的工作原理及功能作用为：限位柱用以限定弹簧的位置并对弹簧导向。第一压块防止槽型块被弹出第一台阶槽。当本发明置于待加工的工件内孔时，若导向键与工件内孔壁接触，接触压力通过导向键传至弹簧，使弹簧压缩产生位移，导向键沿径向内移，使导向键与工件内孔壁保持适当接触力；若导向键与工件内孔壁不接触，则更换高度不同的导向键或更换不同压缩量的弹簧。总之，保证本发明进入工件内孔后，能使得导向键以自适应压力接触工件内孔壁。前弹性导向机构和后弹性导向机构在工作中能对导向键做实时调整，实时保证装置中导向键能与精加工内孔壁有良好的接触状态。

凸型块被第一压电单元限制，定位键的整体径向伸出是依赖于第二压块、凸型块和第一压电单元间的结构的相互牵限和谐动。当本发明置于待加工的工件内孔时，若工件内孔壁不平整，且定位键径向伸出的高度比工件内孔大，定位键受到工件内孔壁的压力，压力通过凸型块传至第二压电驱动单元，使第二压电驱单元中第二压电驱动体产生变形，调整定位键的径向伸出高度与适应位置，以保证定位键与工件内孔壁的良好接触状态；若定位键与工件内孔壁没有接触，第二压电驱动单元受外部电信号的的作用，使第二压电驱动体发生变形，并驱动定位键沿径向往内孔壁方向移动，直到与工件内孔壁接触停止，也保证了定位键与工件内孔壁良好接触状态；若定位键回程不充分，导致定位键不能回到准确位置，则第一压电驱动单元受外部电信号的作用，驱动第一压电驱动体发生形变，并驱动定位键沿径向向轴心线方向回缩。定位键与工件内孔壁的良好接触状态依靠装置的外部控制单元中对压电陶瓷的预设形变，该形变是依靠算法由二者间良好的接触压力状态标定的理想形变量。在镗削过程中通过第一压电驱动单元和第二压电驱动单元的换能作用，对定位键做精密自适应调整，实时保持压电定位机构形成精准定位作用。

第一主导线管和第一支导线管通过第一弹性支架进行支护，第二主导线管和第二支导线管通过第二弹性支架进行支护，可有效保护压电电源导线和压电信号导线在装置旋转和刀具切削过程中不被破坏。切屑通过周向外围的排屑孔流出。

综上所述，本发明具有以下有益效果：本发明相对现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步性，具体地说，整个装置由于方牙螺纹连接结构、压电定位机构和弹性导向机构的优化布置，可以最大程度地降低精密深孔切削中的精准导向定位的难题，有效地保证了精密阶梯深孔镗削加工的同轴度和直线度。该精准导向定位的阶梯深孔精镗加工装置在镗削精加工前，可根据不同的工况条件中阶梯孔的尺寸大小，选用不同长度和直径的前刀体与后刀体，适用于加工不同长径比的阶梯深孔。通过弹性导向机构对导向键做实时调整，实时保证装置中导向键能与精加工内孔壁的接触导向；通过智能定位机构中压电驱动单元的换能作用对定位键做精调整，实现定位键精密配合，实时保证装置中定位键的定位作用。该阶梯深孔精镗加工装置能够实现复合工序加工，一次加工阶梯孔，避免了位置误差，提高阶梯深孔的同轴度和直线度。

附图说明

图1是本发明沿轴向方向的剖视图；

图2是本发明的右视图；

图3是图1中后刀体上的后弹性导向机构的放大示意图；

图4是图1中后刀体上后压电定位机构的放大示意图

图5是图1中线管接头的放大示意图

图6是图1中沿A-A向的截面图；

图7是图1中沿B-B向的截面图；

图8是图1中后刀体上的第二弹性支架的示意图；

图9是图4中第一压电驱动单元的放大示意图；

图10是图4中第二压电驱动单元的放大示意图。

具体实施方式

如图1-图10所示，本发明的精准导向定位的阶梯深孔精镗加工装置，包括同轴向设置且均呈圆柱形的前刀体1和后刀体2，前刀体1的外径小于后刀体2的外径，前刀体1内部沿轴向方向开设有前中心孔3，后刀体2内部沿轴向方向开设有后中心孔4，后中心孔4前端与前中心孔3后端连通；前刀体1的外圆周前侧设有沿周向分布的一个前刀头5和两个前弹性导向机构6，前刀体1的外圆周后侧设有沿周向分布的三个前压电定位机构7，后刀体2的外圆周前侧设有沿周向分布的一个后刀头8和两个后弹性导向机构9，后刀体2的外圆周后侧设有沿周向分布的三个后压电定位机构10；

前中心孔3和后中心孔4内沿轴向方向设置有分别与前压电定位机构7和后压电定位机构10连接的弹性供电线路；前弹性导向机构6和前压电定位机构7均可沿前刀体1的径向方向自适应伸缩调节；后弹性导向机构9和后压电定位机构10均可沿后刀体2的径向方向自适应伸缩调节。

前弹性导向机构6和后弹性导向机构9的结构相同；

后弹性导向机构9的结构包括第一压块11、槽型块12、导向键13、限位柱14和弹簧15，后刀体2圆周面上开设有第一台阶槽16，第一压块11通过第一螺钉17固定安装到第一台阶槽16的台阶处并与后刀体2外圆周表面齐平，第一压块11中部开设有内外通透的第一导孔，槽型块12设置在第一台阶槽16内，导向键13通过第二螺钉18安装到槽型块12的外侧面的槽内，导向键13穿设在第一导孔内并向外凸出于第一压块11，限位柱14固定设在槽型块12内侧面，弹簧15套在限位柱14上，弹簧15内端和外端分别与第一台阶槽16的槽底和槽型块12内侧面顶压配合。

前压电定位机构7和后压电定位机构10的结构相同；

后压电定位机构10包括第二压块19、定位键20、凸型块21、第一压电驱动单元22和第二压电驱动单元23，后刀体2圆周面上开设有第二台阶槽24，第二压块19通过第三螺钉25固定安装到第二台阶槽24的台阶处并与后刀体2外圆周表面齐平，第二压块19中部开设有内外通透的第二导孔，凸型块21、第一压电驱动单元22和第二压电驱动单元23设置在第二台阶槽24内，定位键20穿设在第二导孔内并向外凸出于第二压块19，第一压电驱动单元22通过第四螺钉26固定在第二压块19的内侧面上，第一压电驱动单元22中部开设有透孔，凸型块21的外部伸入到透孔内并与定位键20通过第五螺钉27连接，第二压电驱动单元23设置在第二台阶槽24的槽底并与凸型块21的内侧面接触；第二压电驱动单元23与弹性供电线路连接。

弹性供电线路包括沿前中心孔3的中心线设置的第一主导线管28和沿后中心孔4的中心线设置的第二主导线管29，第一主导线管28的后端与第二主导线管29的前端通过线管接头30连接，前中心孔3内设置有用于支撑第一主导线管28的第一弹性支架31，后中心孔4内设置有用于支撑第二主导线管29的第二弹性支架32，前刀体1内部沿径向方向开设有与前刀体1上的第二台阶槽24底部连通的第一穿线孔，第一穿线孔与第一主导线管28之间通过第一支导线管33连接，后刀体2内部沿径向方向开设有与后刀体2上的第二台阶槽24底部连通的第二穿线孔，第二穿线孔与第二主导线管29之间通过第二支导线管34连接，第一主导线管28、第二主导线管29、第一支导线管33和第二支导线管34内穿设有为第一压电驱动单元22及第二压电驱动单元23连接的压电电源导线35和压电信号导线36；

第一弹性支架31和第二弹性支架32的中心均设置有一个安装孔37，第一弹性支架31和第二弹性支架32上在安装孔37的周围均匀开设有四个排屑孔38，第一主导线管28穿设在第一弹性支架31的安装孔37内，第二主导线管29穿设在第二弹性支架32的安装孔37内。

第一压电驱动单元22包括第一绝缘层39、第二绝缘层40、第一膜片41和第一压电驱动体42，第一膜片41紧贴于第一压电驱动体42的外侧面上，第一绝缘层39设置在第一膜片41的外侧面，第二绝缘层40设置在第一压电驱动体42的内侧面。

第二压电驱动单元23包括第三绝缘层43、第四绝缘层44、第二膜片45和第二压电驱动体46，第二膜片45紧贴于第二压电驱动体46的外侧面上，第三绝缘层43设置在第二膜片45的外侧面，第四绝缘层44设置在第二压电驱动体46的内侧面。

两个前弹性导向机构6在前刀体1外圆周表面沿周向以90度角度设有两个，前刀头5与其中一个前弹性导向机构6关于前刀体1的中心线对称布置，一个前刀头5和两个前弹性导向机构6形成三点定圆原理；同理，后弹性导向机构9在后刀体2外圆周表面沿周向以90度角度设有两个，后刀头8与其中一个后弹性导向机构9关于后刀体2的中心线对称布置，一个后刀头8和两个后弹性导向机构9形成三点定圆原理。

三个前压电定位机构7沿前刀体1的圆周方向均匀布置，三个后压电定位机构10沿后刀体2的圆周方向均匀布置。

后中心孔4的前端部设置有内方牙螺纹，前刀体1后端部的外圆周设置有外方牙螺纹，前刀体1后端伸入并螺纹连接到后中心孔4内。

本发明中的各部件的工作原理及功能作用为：限位柱14用以限定弹簧15的位置并对弹簧15导向。第一压块11防止槽型块12被弹出第一台阶槽16。当本发明置于待加工的工件内孔时，若导向键13与工件内孔壁接触，接触压力通过导向键13传至弹簧15，使弹簧15压缩产生位移，导向键13沿径向内移，使导向键13与工件内孔壁保持适当接触力；若导向键13与工件内孔壁不接触，则更换高度不同的导向键13或更换不同压缩量的弹簧15。总之，保证本发明进入工件内孔后，能使得导向键13以自适应压力接触工件内孔壁。前弹性导向机构6和后弹性导向机构9在工作中能对导向键13做实时调整，实时保证装置中导向键13能与精加工内孔壁有良好的接触状态。

凸型块21被第一压电单元限制，定位键20的整体径向伸出是依赖于第二压块19、凸型块21和第一压电单元间的结构的相互牵限和谐动。当本发明置于待加工的工件内孔时，若工件内孔壁不平整，且定位键20径向伸出的高度比工件内孔大，定位键20受到工件内孔壁的压力，压力通过凸型块21传至第二压电驱动单元23，使第二压电驱单元中第二压电驱动体46产生变形，调整定位键20的径向伸出高度与适应位置，以保证定位键20与工件内孔壁的良好接触状态；若定位键20与工件内孔壁没有接触，第二压电驱动单元23受外部电信号的的作用，使第二压电驱动体46发生变形，并驱动定位键20沿径向往内孔壁方向移动，直到与工件内孔壁接触停止，也保证了定位键20与工件内孔壁良好接触状态；若定位键20回程不充分，导致定位键20不能回到准确位置，则第一压电驱动单元22受外部电信号的作用，驱动第一压电驱动体42发生形变，并驱动定位键20沿径向向轴心线方向回缩。定位键20与工件内孔壁的良好接触状态依靠装置的外部控制单元中对压电陶瓷的预设形变，该形变是依靠算法由二者间良好的接触压力状态标定的理想形变量。在镗削过程中通过第一压电驱动单元22和第二压电驱动单元23的换能作用，对定位键20做精密自适应调整，实时保持压电定位机构形成精准定位作用。

第一主导线管28和第一支导线管33通过第一弹性支架31进行支护，第二主导线管29和第二支导线管34通过第二弹性支架32进行支护，可有效保护压电电源导线35和压电信号导线36在装置旋转和刀具切削过程中不被破坏。切屑通过周向外围的排屑孔38流出。

本实施例并非对本发明的形状、材料、结构等作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.精准导向定位的阶梯深孔精镗加工装置，包括同轴向设置且均呈圆柱形的前刀体和后刀体，前刀体的外径小于后刀体的外径，其特征在于：前刀体内部沿轴向方向开设有前中心孔，后刀体内部沿轴向方向开设有后中心孔，后中心孔前端与前中心孔后端连通；前刀体的外圆周前侧设有沿周向分布的一个前刀头和两个前弹性导向机构，前刀体的外圆周后侧设有沿周向分布的三个前压电定位机构，后刀体的外圆周前侧设有沿周向分布的一个后刀头和两个后弹性导向机构，后刀体的外圆周后侧设有沿周向分布的三个后压电定位机构；

前中心孔和后中心孔内沿轴向方向设置有分别与前压电定位机构和后压电定位机构连接的弹性供电线路；前弹性导向机构和前压电定位机构均可沿前刀体的径向方向自适应伸缩调节；后弹性导向机构和后压电定位机构均可沿后刀体的径向方向自适应伸缩调节。

2.根据权利要求1所述的精准导向定位的阶梯深孔精镗加工装置，其特征在于：前弹性导向机构和后弹性导向机构的结构相同；

后弹性导向机构的结构包括第一压块、槽型块、导向键、限位柱和弹簧，后刀体圆周面上开设有第一台阶槽，第一压块通过第一螺钉固定安装到第一台阶槽的台阶处并与后刀体外圆周表面齐平，第一压块中部开设有内外通透的第一导孔，槽型块设置在第一台阶槽内，导向键通过第二螺钉安装到槽型块的外侧面的槽内，导向键穿设在第一导孔内并向外凸出于第一压块，限位柱固定设在槽型块内侧面，弹簧套在限位柱上，弹簧内端和外端分别与第一台阶槽的槽底和槽型块内侧面顶压配合。

3.根据权利要求1所述的精准导向定位的阶梯深孔精镗加工装置，其特征在于：前压电定位机构和后压电定位机构的结构相同；

后压电定位机构包括第二压块、定位键、凸型块、第一压电驱动单元和第二压电驱动单元，后刀体圆周面上开设有第二台阶槽，第二压块通过第三螺钉固定安装到第二台阶槽的台阶处并与后刀体外圆周表面齐平，第二压块中部开设有内外通透的第二导孔，凸型块、第一压电驱动单元和第二压电驱动单元设置在第二台阶槽内，定位键穿设在第二导孔内并向外凸出于第二压块，第一压电驱动单元通过第四螺钉固定在第二压块的内侧面上，第一压电驱动单元中部开设有透孔，凸型块的外部伸入到透孔内并与定位键通过第五螺钉连接，第二压电驱动单元设置在第二台阶槽的槽底并与凸型块的内侧面接触；第二压电驱动单元与弹性供电线路连接。

4.根据权利要求3所述的精准导向定位的阶梯深孔精镗加工装置，其特征在于：弹性供电线路包括沿前中心孔的中心线设置的第一主导线管和沿后中心孔的中心线设置的第二主导线管，第一主导线管的后端与第二主导线管的前端通过线管接头连接，前中心孔内设置有用于支撑第一主导线管的第一弹性支架，后中心孔内设置有用于支撑第二主导线管的第二弹性支架，前刀体内部沿径向方向开设有与前刀体上的第二台阶槽底部连通的第一穿线孔，第一穿线孔与第一主导线管之间通过第一支导线管连接，后刀体内部沿径向方向开设有与后刀体上的第二台阶槽底部连通的第二穿线孔，第二穿线孔与第二主导线管之间通过第二支导线管连接，第一主导线管、第二主导线管、第一支导线管和第二支导线管内穿设有为第一压电驱动单元及第二压电驱动单元连接的压电电源导线和压电信号导线；

第一弹性支架和第二弹性支架的中心均设置有一个安装孔，第一弹性支架和第二弹性支架上在安装孔的周围均匀开设有四个排屑孔，第一主导线管穿设在第一弹性支架的安装孔内，第二主导线管穿设在第二弹性支架的安装孔内。

5.根据权利要求3所述的精准导向定位的阶梯深孔精镗加工装置，其特征在于：第一压电驱动单元包括第一绝缘层、第二绝缘层、第一膜片和第一压电驱动体，第一膜片紧贴于第一压电驱动体的外侧面上，第一绝缘层设置在第一膜片的外侧面，第二绝缘层设置在第一压电驱动体的内侧面。

6.根据权利要求3所述的精准导向定位的阶梯深孔精镗加工装置，其特征在于：第二压电驱动单元包括第三绝缘层、第四绝缘层、第二膜片和第二压电驱动体，第二膜片紧贴于第二压电驱动体的外侧面上，第三绝缘层设置在第二膜片的外侧面，第四绝缘层设置在第二压电驱动体的内侧面。

7.根据权利要求1所述的精准导向定位的阶梯深孔精镗加工装置，其特征在于：两个前弹性导向机构在前刀体外圆周表面沿周向以90度角度设有两个，前刀头与其中一个前弹性导向机构关于前刀体的中心线对称布置，一个前刀头和两个前弹性导向机构形成三点定圆原理；同理，后弹性导向机构在后刀体外圆周表面沿周向以90度角度设有两个，后刀头与其中一个后弹性导向机构关于后刀体的中心线对称布置，一个后刀头和两个后弹性导向机构形成三点定圆原理。

8.根据权利要求1所述的精准导向定位的阶梯深孔精镗加工装置，其特征在于：三个前压电定位机构沿前刀体的圆周方向均匀布置，三个后压电定位机构沿后刀体的圆周方向均匀布置。

9.根据权利要求1所述的精准导向定位的阶梯深孔精镗加工装置，其特征在于：后中心孔的前端部设置有内方牙螺纹，前刀体后端部的外圆周设置有外方牙螺纹，前刀体后端伸入并螺纹连接到后中心孔内。