CN109079203A - 一种用于自动进给钻的模块化微啄装置 - Google Patents

一种用于自动进给钻的模块化微啄装置 Download PDF

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Abstract

本发明一种用于自动进给钻的模块化微啄装置属于切削加工领域，涉及一种用于钻削加工的自动进给钻的模块化微啄装置。该装置由主轴旋转滑动机构，微啄核心机构，复位机构三部分组成。主轴旋转滑动机构由主轴,角接触球轴承，外花键套，内花键筒，孔挡圈和轴挡圈构成。微啄核心机构由推力轴承，外花键螺母，微啄滚子圈，内花键滑环和起伏面螺母B5构成；复位机构由弹簧底座螺母和弹簧组成。采用模块化设计，设置了三系列九类微啄装置，满足了不同加工要求下的啄钻动作。微啄装置提高了自动进给钻的整体加工性能，增强钻削叠层的断屑能力，减少切削热的累积，降低切削区域的温度，有效的降低刀具磨损，提高叠层孔壁质量和刀具寿命，具有实用性。

Description

一种用于自动进给钻的模块化微啄装置
技术领域
本发明属于切削加工领域，涉及一种用于钻削加工的自动进给钻的模块化微啄装置
背景技术
复合材料具有很多优良的特性，已广泛应用于航空航天、国防军工等高端装备制造领域。复合材料结构件装配时通常需要与作为承载支撑件(骨架或支架)的钛合金和铝合金等金属零件局部连接，形成叠层构件，在减轻质量的同时利用材料的不同特点来获得更优良的综合性能。在实际生产中，复合材料/金属叠层广泛采用螺栓或铆钉连接方式，连接孔的质量极大地影响装配质量，并且，制孔往往是装配前的最后一个环节，若该过程中发生零件缺陷将可能产生不可挽回的巨大损失。统计数据表明，装配过程中超过60％的报废零件都是因为制孔质量不合格导致的。
此外，由于复合材料和金属具有不同的机械和热学特性，使得加工复合材料/金属叠层板时刀具磨损、破损非常快速，从而影响孔加工质量。Kyung—Hee Park发现，钻削复材/金属叠层板材料时刀具磨损的主要原因是金属中硬质物和硬质纤维的刮擦以及切屑的粘结。而且金属钻孔过程切屑连续，不易折断，容易缠刀对孔壁造成刮擦，降低孔壁质量。目前，常通过在钻削时添加主轴的微啄辅助运动来解决金属钻削的断屑问题，减少切屑的缠刀和粘结现象，同时可以在一定程度上增加散热，降低温度，有利于提高了刀具寿命和孔壁质量。然而由于飞机零部件结构复杂，装配过程中许多连接孔需要在复杂、狭小空间内完成，如中央翼盒对接孔、平尾外伸段对接孔等，数字化机床主轴干涉无法下探，不能满足加工可达性要求。必须采用手工设备，如自动进给钻等，对该部位进行手工加工。
上海飞机制造有限公司和北京航空航天大学研发的一种可换装的精益自动进给钻，专利号CN201210199677，该设备可以实现自动进给钻孔功能。但该设备缺乏微啄机构，对于复合材料/金属叠层制孔并不适用。Jeremy Dean Watford等人发明了一种摆动推力轴承，专利号US20170136591A1，该推力轴承上下轴承圈之间形成了一个沿着轴线方向摆动的轨道，球形滚珠放置在轨道内，沿着轨道的方向转动，随着起伏面的转动实现主轴震动，可以实现微啄效果，但是此推力轴承任意时间上下轴承圈和球滚子都是点接触，轴向力大时点接触压力巨大，磨损严重，寿命低。目前，国内市场上使用的自动进给钻，缺少能够在保证使用寿命的前提下，实现微啄加工要求的可靠机构，无法完成断屑功能，切屑对孔壁的刮擦仍较为严重，加工质量不高。
发明内容
本发明针对复合材料/金属叠层钻削加工的过程中，切削热累积和金属切屑缠刀划伤孔壁，影响孔壁质量的问题，发明了一种用于复合材料/金属叠层自动进给钻的模块化微啄装置。通过微啄滚子圈和起伏面螺母配合使用，将转动的动力分出一部分用于轴向小幅度周期性运动。微啄滚子圈中含有滚子支撑架，支撑架保证滚子的相对位置保持不变，滚子和起伏面任意时刻线接触，保证了轴向跳动的任意时刻都是线接触，比点接触更加稳定、可靠、寿命长，主轴带动滚子在起伏面上转动，随着径向位置的改变，轴向起伏高度周期性变化，滚子带动微啄滚子圈轴向周期性运动，进而带动主轴微啄。通过更换不同数量和大小的滚子，同时使用相应的起伏面螺母，可以实现不同的微啄振幅和频率，以满足不同材料及工况时对微啄参数的使用需求。
本发明采用的技术方案是一种用于自动进给钻的模块化微啄装置，其特征是：该装置由主轴旋转滑动机构，微啄核心机构，复位机构三部分组成；
所述主轴旋转滑动机构由主轴A1,角接触球轴承A2，外花键套A3，内花键筒A4，孔挡圈A5，轴挡圈A6构成；主轴A1的左面安装在装有弹簧C2的弹簧底座螺母C1的内孔中，主轴A1的右端和外花键套A3之间通过角接触球轴承A2装配，主轴A1与角接触球轴承A2采用过渡配合，外花键套A3和角接触球轴承采用基轴制小过盈配合，孔挡圈A5和轴挡圈A6限制主轴A1和外花键套A3之间的轴向移动，外花键套A3和内花键筒A4通过花键配合，内花键筒比外花键套两侧各长1mm～3mm，实现主轴A1在外花键套A3的内孔中旋转的同时整体同步在内花键筒A4中轴向自由运动；
所述微啄核心机构由推力轴承B1，轴端螺母B2，微啄滚子圈B3，滑环B4，起伏面螺母B5构成；轴端螺母B2为阶梯状，左端加工有螺纹与主轴A1右端螺纹连接，推力轴承B1安装在阶梯外圆上，滑环B4安装在推力轴承B1的右面，滑环B4与轴端螺母B2花键配合，滑环B4比轴端螺母B2两端各长1mm～1.5mm；微啄滚子圈B3安装在推力轴承B1与起伏面螺母B5之间，推力轴承B1和微啄滚子圈B3靠摩擦力与滑环B4同步，在起伏面螺母B5的起伏面上旋转；在微啄滚子圈B3中，若干个圆柱滚子B3b均匀安装在滚子支架B3a中；圆柱滚子个数和起伏面螺母B5起伏面的波峰/波谷数相同，数目选取范围3～5个，起伏波振幅0.1mm～0.5mm；起伏面螺母B5还有阶梯外圆柱面和外螺纹，起伏面螺母B5通过外螺纹与内花键筒A4右端螺纹连接；
起伏面螺母B5上的起伏面的设计：起伏面中半径R所对应的起伏线展开方程为:
其中，y-起伏高度，x-圆周路程；波峰波谷之间高度为a时，定义波谷高度为0，波峰1为起点；
所述复位机构由弹簧底座螺母C1和弹簧C2组成；弹簧C2安装在弹簧螺母C1上，弹簧螺母C1通过螺纹连接在内花键筒A4上；弹簧C2由弹簧螺母C1定位并支撑，安装后有预压缩，弹簧伸缩范围为6mm～10mm，给转动滑动块施加轴向力，起复位作用。
一种用于自动进给钻的模块化微啄装置，其特征是，该模块化微啄装置包括可替换的不同规格微啄滚子圈和起伏面螺母3系列9组，每一系列的滚子和波峰/波谷数相同，分别为3个、4个和5个，起伏面螺母总高度保持不变，起伏峰值分别取0.1mm、0.2mm和0.3mm；每次使用只需更换微啄滚子圈，并使用配套的起伏面螺母构成了九种微啄频率和幅值的组合，用以满足不同材料及工况需求，实现了微啄机构的模块化和快速适配要求。
本发明的有益效果是通过将本机构安装在自动进给钻主轴上，克服了传统钻孔金属切屑连续的问题，在主轴自动进给钻孔的同时实现了高速微啄，有利于金属断屑，减少长切屑产生，避免了切屑缠刀，减少了对孔壁的刮擦，显著提升了加工质量。同时微啄动作还能够在一定程度上减少切削热的累积，降低切削区域温度，较好地抑制了刀具的磨损。采用模块化思想，设置了三系列九类微啄装置，满足了不同加工要求下的啄钻动作。有效的降低刀具磨损，提高叠层孔壁质量和刀具寿命，具有实用性。
附图说明
图1为自动进给钻整体结构示意图，其中，1-钻头，2-主轴转动动力输入机构，3-主轴进给机构，4-微啄装置；
图2为本发明微啄装置的剖视图，图3为微啄核心机构轴测图，图4为起伏面螺母轴测图。其中，A1-主轴,A2-角接触球轴承,A3外花键套,A4-内花键筒,A5-孔挡圈,A6-轴挡圈；B1-推力轴承,B2-轴端螺母,B3-微啄滚子圈,B3a-滚子支架,B3b-圆柱滚子,B4-滑环,B5-起伏面螺母；C1-弹簧底座螺母,C2-弹簧。
图5a)为起伏面设计平面图，其中，1、3、5、7-波峰，2、4、6、8-波谷，R-起伏面中半径，R30-起伏面外圆半径，R16-起伏面内圆半径。
图5b)为运动正弦曲线图。其中，Y-起伏高度(mm)，X-圆周路程(mm)，1、3、5、7-波峰线，2、4、6、8-波谷线。
具体实施方法
下面结合附图和技术方案详细说明本发明的具体实施。
如图1所示为自动进给钻的整体结构示意图，主轴动力输入机构2带动主轴A1旋转，进而带动钻头1旋转，主轴进给机构3推动主轴A1在旋转的同时进给，实现钻头1的自动进给钻孔，微啄装置4安装在主轴A1和主轴进给机构3之间，微啄核心机构推动主轴旋转滑动轴向周期性运动，进而带动主轴和钻头轴向微啄，实现钻头1自动进给钻孔的同时高速微啄，促使金属断屑，减少缠屑对孔壁的刮擦，提高加工质量。复位机构保证微啄机构的稳定运行。
图2为本实施例的微啄装置，该装置由主轴旋转滑动机构，微啄核心机构，复位机构三部分组成；所述主轴旋转滑动机构由主轴A1,角接触球轴承A2，外花键套A3，内花键筒A4，孔挡圈A5，轴挡圈A6构成。主轴旋转滑动机构可以使主轴在内花键筒A4内旋转的同时轴向自由滑动。微啄核心机构由推力轴承B1，轴端螺母B2，微啄滚子圈B3，滑环B4，起伏面螺母B5构成。微啄核心机构，通过微啄滚子圈B3在起伏面螺母B5上的旋转运动，实现微啄核心机构B的小振幅周期性轴向震动，微啄核心机构再推动主轴旋转滑动机构A轴向小振幅周期性震动，进而带动主轴和钻头轴向微啄。复位机构由弹簧底座螺母C1和弹簧C2组成；在主轴A1缺乏轴向力时，复位机构C提供足够的轴向力，保证微啄机构的稳定运转。
如图3所示为微啄核心机构轴测图。旋转任意时刻滚子和起伏面螺母的起伏面线接触，保证了滚子轴向周期性起伏时受力稳定。起伏面螺母B5可以更换，可以通过更换不同起伏高度的起伏面螺母来改变微啄幅度，可以同时改变微啄滚子圈滚子数目和起伏面波峰/波谷数目来改变微啄频率,本实施例滚子数目选取4个。4个圆柱滚子B3b安装在滚子支架B3a中，保证任意时刻同时和起伏面线接触，微啄滚子圈旋转过程中和起伏面螺母任意时刻都是多条线接触，比一系列的滚珠点接触承受更大的轴向力，能更加稳定可靠地实现主轴微啄；微啄频率和转速匹配，微啄滚子圈中滚子个数和起伏面螺母波峰(波谷)保持一致，共同决定了每转微啄的次数，保证断屑长度保持一致，不随转速变化；
如图4所示为起伏面螺母轴测图，图5a)、b)为起伏面螺母起伏面设计示意图，本实施例设计适合四个圆柱滚子的起伏面，如图起伏面上有1、3、5、7-4个波峰线，2、4、6、8-4个波谷线，任意时刻沿着直径方向，起伏面均为一条等高水平线，保证起伏面与圆柱滚子的线接触。图5b)中波峰波谷之间高度为a＝0.2mm，滚子个数为4时依据前面的起伏线展开方程，对应的起伏圆周线展开图。
本实施例的微啄装置的具体结构如下：
主轴A1通过两个对装的角接触球轴承A2与外花键套A3连接，主轴A1与角接触球轴承A2采用过渡配合，同时孔挡圈A5和轴挡圈A6限制角接触球轴承A2的轴向自由度，保证主轴A1能在外花键套A3内高速旋转的同时能够承受两个方向的轴向力，实现主轴A1、角接触球轴承A2和外花键套A3形成一个旋转滑动块，外花键套A3和角接触球轴承采用基轴制小过盈配合，旋转滑动块轴向同步运动；内花键套A3和外花键筒A4通过花键连接，内花键筒A4比外花键套A3两端各长2mm，轴向无定位限制，旋转滑动快可在内花键筒内轴向自由滑动。
微啄核心机构的轴端螺母B2和主轴A1通过螺纹连接，同步转动；轴端螺母B2和内花键滑环B4通过花键配合，滑环B4比轴端螺母B2两端各长1mm，无轴向固定。滑环B4比轴端螺母B2两侧各宽1mm，同步转动；推力轴承B1和微啄滚子圈B3与轴端螺母B2采用间隙配合；滑环B4带动微啄滚子圈B3同步转动，微啄滚子圈B3在起伏面螺母B5的起伏面上转动，轴向位置随起伏高度周期性变化，起伏面振幅取0.2mm，微啄滚子圈B3推动推力轴承B1轴向周期性跳动，进而推动旋转滑动块，最终推动主轴A1和钻头1轴向周期性跳动，实现微啄。圆柱形滚子比球形滚珠的点接触能承受更大的轴向力，能更加稳定可靠地实现主轴微啄，提升钻金属孔的断屑能力。
复位机构的弹簧C2安装在弹簧底座螺母C1的内腔中，正常安装后处于压缩状态，弹簧伸缩范围为6～8mm，另一端在内花键筒A4内，给外花键套A3提供足够的复位轴向力，任何时候微啄滚子圈B3都能与起伏面螺母B5紧密贴合，进而保证微啄机构的稳定性。
微啄装置能够极大地提高自动进给钻的整体加工性能，增强钻削叠层的断屑能力，减少切削热的累积，降低切削区域的温度，从根本上避免了长切屑缠刀对孔壁的刮擦，同时有效的降低对刀具的磨损，能极大地提高叠层孔壁质量和刀具寿命，具有很强的实用性。

Claims (2)

1.一种用于自动进给钻的模块化微啄装置，其特征是：该装置由主轴旋转滑动机构，微啄核心机构，复位机构三部分组成；
所述主轴旋转滑动机构由主轴(A1),角接触球轴承(A2)，外花键套(A3)，内花键筒(A4)，孔挡圈(A5)，轴挡圈(A6)构成；主轴(A1)的左面安装在装有弹簧(C2)的弹簧底座螺母(C1)的内孔中，主轴(A1)的右端和外花键套(A3)之间通过角接触球轴承(A2)装配，主轴(A1)与角接触球轴承(A2)采用过渡配合，外花键套(A3)和角接触球轴承采用基轴制小过盈配合，孔挡圈(A5)和轴挡圈(A6)限制主轴(A1)和外花键套(A3)之间的轴向移动，外花键套(A3)和内花键筒(A4)通过花键配合，内花键筒比外花键套两侧各长1mm～3mm，实现主轴(A1)在外花键套(A3)的内孔中旋转的同时整体同步在内花键筒(A4)中轴向自由运动；
所述微啄核心机构由推力轴承(B1)，轴端螺母(B2)，微啄滚子圈(B3)，滑环(B4)，起伏面螺母(B5)构成；轴端螺母(B2)为阶梯状，左端加工有螺纹与主轴(A1)右端螺纹连接，推力轴承(B1)安装在阶梯外圆上，滑环(B4)安装在推力轴承(B1)的右面，滑环(B4)与轴端螺母(B2)花键配合，滑环(B4)比轴端螺母(B2)两端各长1mm～1.5mm；微啄滚子圈(B3)安装在推力轴承(B1)与起伏面螺母(B5)之间，推力轴承(B1)和微啄滚子圈(B3)靠摩擦力与滑环(B4)同步，在起伏面螺母(B5)的起伏面上旋转；在微啄滚子圈(B3)中，若干个圆柱滚子(B3b)均匀安装在滚子支架(B3a)中；圆柱滚子个数和起伏面螺母(B5)起伏面的波峰/波谷数相同，数目选取范围3～5个，起伏波振幅0.1mm～0.5mm；起伏面螺母(B5)还有阶梯外圆柱面和外螺纹，起伏面螺母(B5)通过外螺纹与内花键筒(A4)右端螺纹连接；
起伏面螺母(B5)上起伏面的设计：起伏面中半径R所对应的起伏线展开方程为:
其中，y-起伏高度，x-圆周路程；波峰波谷之间高度为a时，定义波谷高度为0，波峰1为起点；
所述复位机构由弹簧底座螺母(C1)和弹簧(C2)组成；弹簧(C2)安装在弹簧螺母(C1)上，弹簧螺母(C1)通过螺纹连接在内花键筒(A4)上；弹簧(C2)由弹簧螺母(C1)定位并支撑，安装后有预压缩，弹簧伸缩范围为6mm～10mm，给转动滑动块施加轴向力，起复位作用。
2.如权利要求1所述的一种用于自动进给钻的模块化微啄装置，其特征是，该模块化微啄装置包括可替换的不同规格微啄滚子圈和起伏面螺母3系列9组，每一系列的滚子和波峰(波谷)数相同，分别为3个、4个和5个，起伏面螺母总高度保持不变，起伏峰值分别取0.1mm、0.2mm和0.3mm；每次使用只需更换微啄滚子圈，并使用配套的起伏面螺母构成了九种微啄频率和幅值的组合，用以满足不同材料及工况需求，实现了微啄机构的模块化和快速适配要求。
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