CN109158638B - 机械式低频振动钻削装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机械式低频振动钻削装置，带锥柄端面凸轮的下端外表面与所述装置外壳的内腔上部转动式连接，其内腔中设置有环状柔性铰链，所述环状柔性铰链的下端设置有振动输出杆，其上部设置有从动端面凸轮，所述带锥柄端面凸轮的下端面和所述从动端面凸轮的上端面均为正弦直纹曲面，所述装置外壳的内腔中部设置有固定盘，所述固定盘上沿圆周均布贯通孔，每一所述贯通孔内均设置有一个滑块，每一所述滑块的两端分别设置有滚轮，两个所述滚轮分别与所述带锥柄端面凸轮的下端面和从动端面凸轮的上端面滚动式接触。本发明利用主轴的旋转实现振动输出杆在高速旋转的同时产生低频轴向振动，实现钛合金、复合材料等难加工材料的精密高效钻削。

Description

机械式低频振动钻削装置

技术领域：

本发明涉及一种机械加工中钻孔设备，特别是涉及一种机械式低频振动钻削装置。

背景技术：

孔加工是机械加工中重要的工序之一。随着科学技术的发展，在一些难加工材料如钛合金、不锈钢、复合材料等上进行精密制孔的需求越来越高，特别是在这些材料上进行小深孔钻削时，由于钻头直径小、刚度差、强度低，钻头极易折断，由于材料韧性高，不易断屑和排屑，深孔钻削温度高等使得钻头磨损严重、孔加工质量难以保证。随着对孔加工质量和效率的要求不断提高，传统的钻削工艺已显示出极大的局限性，而近年来迅速发展的振动钻削技术在小深孔和难加工材料孔加工方面具有良好的工艺效果：振动钻孔能够显著降低钻削力、提高钻孔表面质量、提高孔的直线度、降低出口毛刺等，振动钻削工艺日益显示出其独特的优势及广阔的应用前景。

迄今为止，国内外不少学者对振动钻削技术和装备进行了大量的研究，也开发了不少用于振动钻削的装置。振动钻削装置主要分为高频振动和低频振动两类。高频振动钻削装置主要采用压电陶瓷驱动，具有良好的钻削效果，但是超声激振装置价格昂贵，而且存在有时不稳定的现象，特别是在运行过程中压电陶瓷和声学系统的发热现象无法得到彻底解决，制约了其在实际工程实践中的推广。低频振动钻削能够有效断屑、提高切削液的使用效果，有效降低切削温度，一定程度上可以提高钻头的刚度，起到改善工艺的效果，而且成本低廉，得到了一定的推广使用。

在已有的低频振动钻削装置中，主要有机械式、液压式、电磁式等驱动方式。液压式轴向振动装置的输出功率较大、负载能力强，可以加工大直径孔和深孔，但需增加液压系统、电液伺服装置等，成本较高。电磁式轴向振动装置具有结构简单，振动频率调节范围宽，但电磁激振器的功率较小，只适用于微小孔的加工，特别是如在旋转的主轴或刀柄上使用，还需要解决电传输问题，造成结构复杂，成本较高。机械式振动钻削装置结构简单，刚性好，使用寿命长，但目前振动装置往往采用偏心轮机构，振幅调节不方便，且需要额外提供动力源，无法直接安装在主轴上，难以实现工具或工件高速旋转的同时进行振动，同时这些装置中普遍采用弹簧产生弹性回复力，导致在振动钻削中工艺系统刚性差，振幅稳定性差，限制了振动制孔技术的应用。目前已有学者提出了安装在主轴端部利用主轴旋转作为动力实现工具轴向振动的装置，如专利“一种用于钻孔的振动装置”（申请号03137581.2，公开号CN1476949A，公开日期：2004.2.25）发明的振动装置可以将钻床主轴输入的回转运动转换成振动主轴的回转运动和轴向振动的复合运动，但该装置的主轴通过向心滚子轴承和直线轴承安装在中壳体内，从机床主轴到装置主轴具有较长的尺寸链，一定程度上限制了主轴的回转精度，此外该装置采用双面圆柱凸轮，无法实现振幅的快捷调整。专利“一种单点增量成形工具头轴向振动装置”（申请号CN201410637206.5，公开号106583538A，公开日期：2017.4.26）发明的单点增量成形工具头轴向振动装置，通过机床主轴的旋转带动带顶杆的工具头产生轴向振动，但该装置只能实现工具头的轴向振动，不能实现高速旋转的同时进行轴向振动。

发明内容：

本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种设计合理、装卸方便、振幅大小精确和振动稳定可靠的机械式低频振动钻削装置。

本发明的技术方案是：

一种机械式低频振动钻削装置，包括装置外壳和带锥柄端面凸轮，所述带锥柄端面凸轮的下端外表面与所述装置外壳的内腔上部转动式连接，所述带锥柄端面凸轮的内腔中设置有环状柔性铰链，所述环状柔性铰链的下端设置有振动输出杆，所述环状柔性铰链的上部设置有从动端面凸轮，所述带锥柄端面凸轮的下端面和所述从动端面凸轮的上端面均为正弦直纹曲面且二者形状参数完全一样，所述装置外壳的内腔中部设置有固定盘，所述固定盘上沿圆周均布贯通孔，每一所述贯通孔内均设置有一个滑块，所述滑块与所述贯通孔为滑动式配合，每一所述滑块的两端分别设置有滚轮，两个所述滚轮分别与所述带锥柄端面凸轮的下端面和从动端面凸轮的上端面滚动式接触。

所述从动端面凸轮的下端面为平面，紧贴于所述环状柔性铰链的圆环部分的上端面；所述从动端面凸轮的外圆面与调整螺母的内圆面之间采用间隙配合并通过滑键联接；所述环状柔性铰链顶部通过螺纹联接和锥面配合与带锥柄端面凸轮连接；所述固定盘通过螺钉与所述装置外壳相连，所述振动输出杆的上端与环状柔性铰链通过定位销和螺钉联接，下端安装有用于装夹刀具的弹簧夹头和螺母。

所述调整螺母为带锁定销的精密锁紧螺母，上部与从动端面凸轮间隙配合并通过滑键联接，下部与环状柔性铰链采用螺纹联接；所述滑键有两个，且对称安装在所述从动端面凸轮的两侧。

所述带锥柄端面凸轮的下端面和所述从动端面凸轮的上端面为包含三个或四个周期的正弦直纹曲面，正弦幅值为0.05-0.1mm。所述带锥柄端面凸轮的下端面和所述从动端面凸轮的上端面均要经过表面淬火或氮化处理或QPQ盐浴复合处理，表面硬度不低于55HRC。

所述环状柔性铰链为双排铰链，两排之间放置有两个支撑半圆盘，所述环状柔性铰链和支撑半圆盘通过螺钉和定位销联接。所述环状柔性铰链的截面可采用单边圆弧形或倒圆角直梁形结构；所述环状柔性铰链在铰链部分的圆周方向开出一些均匀分布的通孔或通槽。

所述固定盘包括固定盘外圈、固定盘内圈和滑块；所述固定盘内圈和固定盘外圈通过螺钉联接，所述滑块安装在所述固定盘内圈和固定盘外圈所围成的方形贯通孔内，且呈间隙配合，其数量与端面凸轮上正弦直纹曲面的正弦周期数相同。

所述滑块体材质为黄铜，所述固定盘内圈和固定盘外圈材质为轴承钢。所述滑块包含滑块体、上下两个支承滚轮轴承、卡环和支撑轴；所述支承滚轮轴承通过支撑轴安装在滑块体上。

本发明的有益效果是：

1、本发明能够直接安装在机床主轴上，利用主轴的旋转实现振动输出杆在高速旋转的同时产生低频轴向振动，实现钛合金、复合材料等难加工材料的精密高效钻削。

2、本发明采用基于端面凸轮和环状柔性铰链的振动装置，振幅大小精确，振动稳定可靠；振幅能连续无级调节，适应范围广。

3、本发明结构简单、紧凑，装卸方便；有效解决了难加工材料微小孔加工时的断屑排屑难题，改善切削液冷却润滑效果，延长刀具寿命和提高孔加工精度和质量，易于推广实施，具有良好的经济效益。

附图说明：

图1为机械式低频振动钻削装置的剖视结构示意图；

图2为图1中A-A剖面结构图；

图3为图1中固定盘的结构示意图；

图4为图3中B-B剖面结构图。

具体实施方式：

实施例：参见图1-图4，图中，1-拉钉，2-带锥柄端面凸轮，3-密封盖圈，4-压紧螺母，5-螺钉，6-角接触球轴承，7-隔套，8-装置外壳，9-角接触球轴承，10-螺钉，11-固定盘，12-从动端面凸轮，13-滑键，14-螺钉，15-环状柔性铰链，16-支撑半圆盘，17-密封环，18-调整螺母，19-螺钉，20-振动输出杆，21-螺钉，22-钻头，23-螺母，24-弹簧夹头，25-外壳固定柄，26-外壳固定杆，27-盖帽，28-定位销，111-固定盘内圈，112-固定盘内圈，113-滑块，1131-滑块体，1132-支承滚轮轴承，1133-卡环，1134-支撑轴，114-螺钉。

本发明的一种机械式低频振动钻削装置包含装置外壳8、带锥柄端面凸轮2、从动端面凸轮12、固定盘11、环状柔性铰链15和振动输出杆20等六个组成部分。

装置外壳通过外壳固定柄和外壳固定杆与机床主轴外套（未给出）相联，保证在装置工作时装置外壳不发生旋转。

带锥柄端面凸轮2的顶部为锥柄结构，可以做成BT、HSK、SK、ISO等不同的锥柄型式，用于与不同类型的机床主轴联接。如图1所示为BT50锥柄，锥度为 7:24，其具体规格尺寸可依照相关刀柄标准确定。带锥柄端面凸轮2的底部为正弦直纹曲面，根据加工对象的不同，可以选用具有不同正弦周期和振幅的正弦直纹面，一般可取3个或4个正弦周期、0.05-0.1mm的正弦幅值。正弦直纹面的正弦周期数和机床的主轴转速共同决定了振动装置的振动频率。

从动端面凸轮12的上端面也为正弦直纹曲面，且和带锥柄端面凸轮2的下端面的正弦直纹曲面形状参数完全一样，两个端面均要经过表面淬火或氮化处理或QPQ盐浴复合处理，表面硬度不低于55HRC。从动端面凸轮12的下端面为平面，紧贴于环状柔性铰链15的圆环部分的上端面，从动端面凸轮12的外圆面与调整螺母18的上部内圆面之间采用间隙配合并通过对称安装在从动端面凸轮12两侧的滑键13联接。调整螺母18的下部与环状柔性铰链15采用螺纹联接。调整螺母18为带锁定销的精密锁紧螺母，可以在调整螺母调整到一定位置后通过锁定销锁紧，结构更为紧凑。

通过转动调整螺母18可以使得从动端面凸轮12跟着做相应的旋转，从而调整从动端面凸轮12与带锥柄端面凸轮2上两个正弦直纹曲面之间的相对位置或相位差，实现振动输出杆20振幅的连续调整。具体地，设正弦直纹曲面的幅值为A₀，所产生振动的圆频率为ω，从动端面凸轮12与带锥柄端面凸轮2的相位差为φ，则振动输出杆20的振动位移A可由下式给出：

A=A₀cosωt- A₀cos(ωt-φ) =A₀cos(ωt+ψ)

其中ψ为所产生振动的相位角，tanψ = sinφ/(1-cosφ)

即当相位差φ为0时，振动输出杆20的振幅为0，不产生振动；当相位差φ逐渐增大，振动输出杆20的振幅也逐渐增大；当相位差φ为π时，振动输出杆20的振幅达到最大2A₀，即通过转动调整螺母18可以实现振动输出杆20的振幅从0到2A₀的连续调整。

环状柔性铰链15顶部通过螺纹联接和锥面配合与带锥柄端面凸轮2连接，保证二者之间的同心配合；如图1和图2所示，振动输出杆20的上端与环状柔性铰链15通过定位销28和螺钉21联接，并通过止口配合，保证了振动输出杆20和环状柔性铰链15的同轴度。通过以上几个零件之间的配合进一步保证了振动输出杆20前端装卡的刀具的回转精度。

环状柔性铰链15内部为圆柱部分，顶端与带锥柄端面凸轮2连接，具有极大的轴向刚度；环状柔性铰链15外部为圆环部分；内、外部之间采用单边圆弧形或倒圆角直梁形结构（指环状柔性铰链的截面形状）过渡，使得外部圆环部分在轴向上具有一定的柔度。当带锥柄端面凸轮2通过滑块113推动从动端面凸轮12振动时，环状柔性铰链15能够提供精确的弹性回复作用。环状柔性铰链15为双排铰链，两排之间放置有两个支撑半圆盘16，环状柔性铰链15和支撑半圆盘16通过螺钉21和定位销28联接成一个整体，双排铰链可以有效提高振动装置的侧向刚度和轴向振动的精度。此外，环状柔性铰链15可在铰链部分的圆周方向开出一些均匀分布的通孔或通槽，以改变柔性铰链的刚度，满足振动加工时不同振动频率的要求。

固定盘11安装在在两个端面凸轮之间，通过螺钉10与装置外壳8相连，保证在装置工作时固定盘不发生旋转。固定盘11包括固定盘外圈111、固定盘内圈112和滑块113，固定盘内圈111和固定盘外圈113通过螺钉114联接，滑块113安装在固定盘内圈111和固定盘外圈113所围成的方形槽内，且呈间隙配合，可以上下滑动，其数量与正弦直纹曲面的周期数相同，且均匀分布。在振动装置工作时，滑块113相当于凸轮机构的从动件，随着带锥柄端面凸轮2的旋转，滑块113在方形槽内上下滑动，进而带动从动端面凸轮12以及柔性铰链15的圆环部分和振动输出杆20的振动。滑块113包含滑块体1131、上下两个支承滚轮轴承1132、卡环1133和支撑轴1134；支承滚轮轴承1132通过支撑轴1134安装在滑块体1131上，一方面能够保证在工作中，承受较大的轴向力，同时也能够保证整个滑块与上下两个端面凸轮之间呈滚动摩擦接触，有效减少摩擦力。滑块体1131的材质为黄铜，固定盘内圈112和固定盘外圈113的材质为轴承钢，在脂润滑状态下，可以有效较小滑块体与固定盘内外圈之间的摩擦系数。

装置外壳8通过两个完全相同的角接触球轴承6和9安装在带锥柄端面凸轮2外部；角接触球轴承6和角接触轴承9之间用隔套7隔开；角接触球轴承6的内圈通过压紧螺母4来锁紧；密封盖圈3通过螺钉5安装在装置外壳8上端，同时顶住角接触球轴承6的外圈；密封环17通过螺钉19安装于装置外壳8下端。通过装置外壳8的上下两端安装的密封装置，保证了装置内部润滑脂的密封。外壳固定柄25通过螺钉固定在装置外壳8侧面；外壳固定杆26通过螺纹与外壳固定柄25联接；盖帽27通过螺纹安装在与外壳固定杆26上部。外壳固定柄25和外壳固定杆26内部有润滑油脂通道，和装置内腔连通，用于润滑油脂的补充。

本发明的一种机械式低频振动钻削装置的工作原理为：装置外壳8和固定盘11固定不转，机床主轴的转动使得带锥柄端面凸轮2转动，带锥柄端面凸轮2上具有正弦直纹面特征的端面对固定盘11中的滑块113产生激励作用，进一步通过滑块113、从动端面凸轮12及环状柔性铰链15的协调作用，实现振动输出杆20在高速旋转的同时产生轴向低频振动。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明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，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种机械式低频振动钻削装置，包括装置外壳和带锥柄端面凸轮，其特征是：所述带锥柄端面凸轮的下端外表面与所述装置外壳的内腔上部转动式连接，所述带锥柄端面凸轮的内腔中设置有环状柔性铰链，所述环状柔性铰链的下端设置有振动输出杆，所述环状柔性铰链的上部设置有从动端面凸轮，所述带锥柄端面凸轮的下端面和所述从动端面凸轮的上端面均为正弦直纹曲面且二者形状参数完全一样，所述装置外壳的内腔中部设置有固定盘，所述固定盘上沿圆周均布贯通孔，每一所述贯通孔内均设置有一个滑块，所述滑块与所述贯通孔为滑动式配合，每一所述滑块的两端分别设置有滚轮，两个所述滚轮分别与所述带锥柄端面凸轮的下端面和从动端面凸轮的上端面滚动式接触；

所述从动端面凸轮的下端面为平面，紧贴于所述环状柔性铰链的圆环部分的上端面；所述从动端面凸轮的外圆面与调整螺母的内圆面之间采用间隙配合并通过滑键联接；所述环状柔性铰链顶部通过螺纹联接和锥面配合与带锥柄端面凸轮连接；所述固定盘通过螺钉与所述装置外壳相连，所述振动输出杆的上端与环状柔性铰链通过定位销和螺钉联接，下端安装有用于装夹刀具的弹簧夹头和螺母；

所述固定盘包括固定盘外圈、固定盘内圈和滑块；所述固定盘内圈和固定盘外圈通过螺钉联接，所述滑块安装在所述固定盘内圈和固定盘外圈所围成的方形贯通孔内，且呈间隙配合，其数量与端面凸轮上正弦直纹曲面的正弦周期数相同。

2.根据权利要求1所述的机械式低频振动钻削装置，其特征是：所述调整螺母为带锁定销的精密锁紧螺母，上部与从动端面凸轮间隙配合并通过滑键联接，下部与环状柔性铰链采用螺纹联接；所述滑键有两个，且对称安装在所述从动端面凸轮的两侧。

3.根据权利要求1所述的机械式低频振动钻削装置，其特征是：所述带锥柄端面凸轮的下端面和所述从动端面凸轮的上端面为包含三个或四个周期的正弦直纹曲面，正弦幅值为0.05-0.1mm。

4.根据权利要求1所述的机械式低频振动钻削装置，其特征是：所述带锥柄端面凸轮的下端面和所述从动端面凸轮的上端面均经过表面淬火或氮化处理或QPQ盐浴复合处理，表面硬度不低于55HRC。

5.根据权利要求1所述的机械式低频振动钻削装置，其特征是：所述环状柔性铰链为双排铰链，两排之间放置有两个支撑半圆盘，所述环状柔性铰链和支撑半圆盘通过螺钉和定位销联接。

6.根据权利要求1所述的机械式低频振动钻削装置，其特征是：所述环状柔性铰链的截面采用单边圆弧形或倒圆角直梁形结构；所述环状柔性铰链在铰链部分的圆周方向开出一些均匀分布的通孔或通槽。

7.根据权利要求1所述的机械式低频振动钻削装置，其特征是：所述滑块体材质为黄铜，所述固定盘内圈和固定盘外圈材质为轴承钢。

8.根据权利要求1所述的机械式低频振动钻削装置，其特征是：所述滑块包含滑块体、上下两个支承滚轮轴承、卡环和支撑轴；所述支承滚轮轴承通过支撑轴安装在滑块体上。