CN110496996B - 一种应用于手持式气动枪式钻的超声辅助钻孔装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于手持式气动枪式钻的超声辅助钻孔装置，包括钻头、夹紧螺母、变幅杆、碳刷、保护外壳前端盖、保护外壳后端盖、保护外壳固定螺钉、集电环、固定套螺母、集电环固定套、固定套紧定螺钉、铜片Ⅰ、压电陶瓷Ⅰ、铜片Ⅱ、压电陶瓷Ⅱ、铜片Ⅲ、后盖板、垫圈、气钻。驱动主轴连接在变幅杆上，铜片Ⅰ、压电陶瓷Ⅰ、铜片Ⅱ、压电陶瓷Ⅱ、铜片Ⅲ以及后盖板固定在驱动主轴与变幅杆之间；集电环固定在后盖板上；保护外壳通过后端盖固定在气钻的前体盖上，保护外壳上开有方孔用来固定碳刷。超声辅助钻孔装置利用超声振动辅助钻削，减小了钻削时的切削力及切削温度；能够应用于航空叠层材料紧固件的高质量钻孔加工。

Description

一种应用于手持式气动枪式钻的超声辅助钻孔装置

技术领域

本发明涉及一种超声振动钻孔技术领域，特别是涉及一种应用于手持式气动枪式钻的超声辅助钻孔装置。该超声振动钻孔装置适用于对碳纤维复合材料与钛合金叠层紧固件的精密钻孔加工。

背景技术

气钻是一种手持式气动工具，主要用于对金属构件的钻孔工作，尤其适用于薄壁壳体件和铝镁等轻合金构件上的钻孔工作，广泛应用于家电制造、房屋装修、汽车船舶制造、航空航天工业制造及维修行业，气钻的体积小，重量轻，噪音低，可根据作业程度自由控制转速。然而，气钻的转速低、控制精度较低，不适合切削加工深小孔，尤其是加工航空叠层材料，航空叠层材料主要是由碳纤维复合材料与钛合金板组成的，传统的气钻钻削航空叠层材料比较困难。

超声辅助钻孔就是在普通钻削的基础上增加一个周期性的振动使切削用量按某种规律变化，以达到改善切削性能的一种新颖的加工方法。传统的超声振动设备结构复杂，体积笨重，常用于各种机床或者加工中心上面，此类超声振动设备的便携性较差，限制了超声技术在手动工具中的应用。近年来复合材料与金属材料构成的叠层板材在飞机机翼和尾翼上的应用越来越广泛，而在飞机上该叠层构件的装配则需要钻削大量的铆接和螺纹连接孔，将超声加工技术和传统钻削技术进行结合，可获得良好的钻削效果；如可以降低切削力、提高加工精度、延长刀具使用寿命的优点。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种应用于手持式气动枪式钻的超声辅助钻孔装置，为飞机蒙皮装配现场中对碳纤维复合材料和钛合金叠层紧固件提供一种高质量、低成本钻孔加工方法。

本发明采用如下技术方案：一种应用于手持式气动枪式钻的超声辅助钻孔装置，包括钻头、枪式气钻，变幅杆、碳刷、保护外壳前端盖、保护外壳后端盖、集电环、铜片Ⅰ、压电陶瓷Ⅰ、铜片Ⅱ、压电陶瓷Ⅱ、铜片Ⅲ、驱动主轴、后盖板；

夹心式换能器包括变幅杆、铜片Ⅰ、压电陶瓷Ⅰ、铜片Ⅱ、压电陶瓷Ⅱ、铜片Ⅲ、后盖板；换能器供电部分包括集电环、保护外壳前端盖、保护外壳后端盖、碳刷；所述变幅杆、驱动主轴构成夹紧装置；所述钻头、变幅杆构成刀具夹持装置；

所述驱动主轴与变幅杆尾部转动连接，所述铜片Ⅰ、压电陶瓷Ⅰ、铜片Ⅱ、压电陶瓷Ⅱ、铜片Ⅲ、后盖板设于变幅杆、驱动主轴之间，所述钻头连接于变幅杆首端，所述集电环固定在后盖板上，所述碳刷固定安装在保护外壳前端盖，保护外壳前端盖于保护外壳后端盖相互配合连接，所述保护外壳后端盖固定连接在前体盖上，所述前体盖与枪体固定连接；

所述铜片Ⅰ、铜片Ⅱ、铜片Ⅲ与集电环电性连接，所述碳刷底部与集电环的铜环接触。

进一步的，所述变幅杆采用的结构为阶梯变幅杆，变幅杆的首端为小端，变幅杆的小端轴向中心为一圆台孔，变幅杆小端的外端为外螺纹段，变幅杆的尾端为大端，变幅杆大端的轴向中心为内螺纹孔，所述钻头通过夹紧螺母与圆台孔连接。

进一步的，所述驱动主轴的外部从一段到另一端为外螺纹段、小端光滑段，所述小端光滑段上依次套接有铜片Ⅰ、压电陶瓷Ⅰ、铜片Ⅱ、压电陶瓷Ⅱ、铜片Ⅲ、后盖板、垫圈，所述驱动主轴外螺纹段与所述变幅杆大端的内螺纹孔连接，所述垫圈装配于驱动主轴、后盖板之间。

进一步的，所述集电环与固定套固定连接，所述固定套尾部上开有关于中心对称的螺纹孔，固定套紧定螺钉通过所述螺纹孔将固定套与后盖板固定连接，且固定套上开有键槽，所述铜片Ⅰ、铜片Ⅱ、铜片Ⅲ与集电环连接的导线均通过键槽。

进一步的，所述保护外壳前端盖上方开有两个方孔，所述碳刷通过碳刷固定螺钉固定安装在方孔内，所述保护外壳后端盖开有一凸台，凸台上方开有内螺纹孔，保护外壳固定螺钉通过内螺纹孔将保护外壳后端盖与前体盖前端固定连接。

进一步的，所述保护外壳前端盖尾部开有一内螺纹槽，所述保护外壳后端盖前端设有外螺纹段，所述外螺纹段旋入所述内螺纹槽中。

工作原理：按下气钻的扳机，气钻驱动主轴转动，主轴带动变幅杆和后盖板旋转，运动着的变幅杆将旋转运动传递到夹紧螺母处，夹紧螺母带动钻头旋转，从而实现对复合材料进行钻孔加工；后盖板旋转带动固定套和集电环旋转，固定套将集电环固定，使得固定套、集电环能够和后盖板一起旋转；碳刷固定在保护外壳上，碳刷底部与集电环接触，解决了换能器的旋转供电；保护外壳后端盖上开有螺纹孔和固定圆环，使得保护外壳后端盖能够固定在枪体的前体盖上不发生滑动；由此实现了气钻将运动通过超声换能器传递给钻头。

与现有技术相比，本发明具有的优点：超声换能器通电后将产生纵向振动，使得原本为连续的钻削运动变为具有周期性的高频振动，能够降低钻削时的切削力及减小钻透材料时的冲击力。进一步的，所述超声换能器产生的高频振动传递到钻头上时，其刀具与工件之间的高频振动能提高所加工孔的表面质量，能够减少孔进口处和出口处的毛刺、撕裂损伤，从而有效的提高加工质量。

1.本发明的超声振动钻孔装置的驱动主轴直接和变幅杆相连，钻头通过夹紧螺母固定在变幅杆上，不但便于更换钻头，而且还使得驱动主轴的旋转运动能够直接的传递到钻头上，能够减少能量的损失；

2.本发明的超声振动钻孔装置的换能器采用的是夹心式压电换能器结构，中央陶瓷堆由若干压电陶瓷环组成，可以根据实际需要安装不同振动形式的压电陶瓷；

3.本发明的超声振动钻孔装置的变幅杆所采用的结构为阶梯变幅杆，其振动放大倍数最大，适合对难加工的碳纤维复合材料进行钻孔加工，亦可根据实际需要更换其他形状的变幅杆；

4.本发明的超声振动钻孔装置的集电环固定套通过螺钉固定在后盖板上，此结构既能固定集电环，又不会对影响变幅杆的纵向振动；集电环固定套采用螺钉固定方便拆卸及更换零部件；

5.本发明的超声振动钻孔装置实现了超声振动工具的小型化的设计，特别是可以直接和普通气钻配套使用。

附图说明

图1是本发明的纵向截面剖视图。

图2是本发明的钻削加工状态示意图。

图3是本发明的整体爆炸结构示意图。

图4是本发明的换能器与钻头的结构图。

图5是未装配保护外壳、集电环、固定套、固定套螺母的超声振动钻孔装置的结构图。

图6是本发明中的固定套和固定套螺母结构图。

图7是本发明中装配集电环的固定套和固定套螺母。

图8是本发明中保护外壳前端盖、保护外壳后端盖及碳刷结构图。

附图标记说明:1-钻头；2-夹紧螺母；3-变幅杆；4-铜片Ⅰ；5-压电陶瓷Ⅰ；6-铜片Ⅱ；7-压电陶瓷Ⅱ；8-铜片Ⅲ；9-后盖板；10-保护外壳后端盖；11-垫圈；12-驱动主轴；13-固定套螺母；14-碳刷；15-碳刷固定螺钉；16-集电环；17-保护外壳前端盖；18-固定套紧定螺钉；19-固定套；20-保护外壳固定螺钉；21-前体盖；22-枪体；23-扳机；24-航空叠层材料。

具体实施方式

下面对本发明进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

在本实施例中，需要理解的是，术语“中间”、“上”、“下”、“顶部”、“右侧”、“左端”、“上方”、“背面”、“中部”、等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明的目的是提供一种应用于手持式气动枪式钻的超声辅助钻孔装置，以解决上述现有技术存在的问题，为手持式气动枪式钻提供一个高频纵向振动，使得其在钻孔的时候能够减小切削力，提高钻孔的表面质量。

本发明的目的是提供一种应用于手持式气动枪式钻的超声辅助钻孔装置，包括钻头(1)、夹紧螺母(2)、变幅杆(3)、碳刷(14)、保护外壳前端盖(17)、保护外壳后端盖(10)、保护外壳固定螺钉(20)、集电环(16)、固定套螺母(13)、固定套(19)、固定套紧定螺钉(18)、铜片Ⅰ(4)、压电陶瓷Ⅰ(5)、铜片Ⅱ(6)、压电陶瓷Ⅱ(7)、铜片Ⅲ(8)、后盖板(9)、垫圈(11)、驱动主轴(12)、枪体(22)。

本发明提供一种应用于手持式气动枪式钻的超声辅助钻孔装置，所述变幅杆(3)尾部的轴向中心为内螺纹孔，变幅杆(3)的外部从一端到另一端为外螺纹段、圆台孔、变幅杆小端、变幅杆大端、内螺纹段；所述外螺纹段与所述夹紧螺母(2)套接，所述钻头(1)通过所述夹紧螺母(2)固定在所述圆台孔内；所述内螺纹段与所述驱动主轴(12)外螺纹段相连，所述驱动主轴(12)光滑段上套接有铜片Ⅰ(4)、压电陶瓷Ⅰ(5)、铜片Ⅱ(6)、压电陶瓷Ⅱ(7)、铜片Ⅲ(8)、后盖板(9)、垫圈(11)；

本发明提供一种应用于手持式气动枪式钻的超声辅助钻孔装置，所述固定套(19)为一阶梯套管，固定套(19)大端侧壁开有四个均匀分布的螺纹孔，所述固定套紧定螺钉(18)旋入所述螺纹孔内，使得所述固定套(19)能够固定在所述后盖板(9)上，所述固定套(19)的小端从一端到另一端为外螺纹段、光滑段，所述光滑段上开有键槽；所述集电环(16)套接在所述固定套光滑段上，所述集电环(16)内部开有键槽，所述铜片Ⅰ(4)、铜片Ⅱ(6)、铜片Ⅲ(8)顶部设有接线孔，通过导线连接其顶部的接线孔，导线穿过所述键槽连接到集电环(16)导柱上，固定套螺母(13)旋入固定套(19)外螺纹段上，通过固定套螺母(13)将集电环(16)固定；

本发明提供一种应用于手持式气动枪式钻的超声辅助钻孔装置，所述保护外壳前端盖(17)为一圆筒，圆筒外壁上开有方槽，所述碳刷(14)通过碳刷固定螺钉(15)固定在保护外壳前端盖(17)上；保护外壳前端盖(17)底部开有螺纹槽；所述保护外壳后端盖(10)前端有一外螺纹段，使得保护外壳前端盖(17)、保护外壳后端盖(10)能够通过螺纹旋紧；保护外壳后端盖(10)尾部设有螺纹孔，保护外壳固定螺钉(20)旋入后可以将保护外壳后端盖(10)与前体盖(21)固定。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

请参考图1与图3，本发明提供一种应用于手持式气动枪式钻的超声辅助钻孔装置，包括钻头1、夹紧螺母2、变幅杆3、铜片Ⅰ、压电陶瓷Ⅰ5、铜片Ⅱ6、压电陶瓷Ⅱ7、铜片Ⅲ8、后盖板9、保护外壳后端盖10、垫圈11、驱动主轴12、固定套螺母13、碳刷14、碳刷固定螺钉15、集电环16、保护外壳前端盖17、固定套紧定螺钉18、固定套19、保护外壳固定螺钉20、前体盖21、枪体22、扳机23、航空叠层材料24。

请参考图2，本发明的一种应用于手持式气动枪式钻的超声辅助钻孔装置工作时，按下扳机23后气钻驱动主轴12旋转，旋转的驱动主轴将动力传递到变幅杆3上，变幅杆3带动夹紧螺母2和钻头1旋转，驱动主轴12同时将带动后盖板9转动，固定套19与集电环16也随着后盖板9旋转，通过碳刷14对旋转的集电环供电，超声换能器开始工作，使得钻头1在钻削航空叠层材料24的时候产生一个高频超声振动，有效的提高孔的加工质量。

请参考图4，变幅杆3、铜片Ⅰ4、压电陶瓷Ⅰ5、铜片Ⅱ6、压电陶瓷Ⅱ7、铜片Ⅲ8、后盖板9构成超声换能器，铜片Ⅰ4和铜片Ⅲ8为换能器输入负极，铜片Ⅱ6为换能器输入正极，变幅杆3小端有一外螺纹段及圆台孔，夹紧螺母2旋入变幅杆小端的外螺纹段上，钻头1伸入夹紧螺母2中，通过夹紧螺母的夹紧作用可以将钻头1固定在变幅杆3上。

请参考图5，变幅杆3尾部开有一内螺纹孔，驱动主轴12外螺纹段穿过垫圈11、后盖板9、铜片Ⅲ8、压电陶瓷Ⅱ7、铜片Ⅱ6、压电陶瓷Ⅰ5、铜片Ⅰ4后旋入变幅杆尾部的内螺纹段，旋紧螺纹即可固定上述零件。

请参考图6-7，固定套19光滑段上开有键槽，便于连接铜片的导线通过，所述固定套通过固定套紧定螺钉固定在后盖板9上，集电环16套在固定套光滑段上，通过旋紧固定套螺母13可将集电环固定在固定套19上。

请参考图8，保护外壳前端盖17上开有方孔及螺纹孔所述碳刷14通过碳刷固定螺钉15固定在保护外壳前端盖17上，使得碳刷14底部能够刚好与集电环16接触，碳刷14顶部与外部电源相连接；保护外壳前端盖17尾部开有一螺纹槽，使得保护外壳后端盖10的外螺纹段能够旋入，保护外壳后端盖10上开有两个螺纹孔，通过保护外壳固定螺钉20可将保护外壳后端盖10固定在气钻的前体盖21上。

不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种应用于手持式气动枪式钻的超声辅助钻孔装置，包括钻头(1)、枪体(22)，其特征在于，还包括变幅杆(3)、碳刷(14)、保护外壳前端盖(17)、保护外壳后端盖(10)、集电环(16)、铜片Ⅰ(4)、压电陶瓷Ⅰ(5)、铜片Ⅱ(6)、压电陶瓷Ⅱ(7)、铜片Ⅲ(8)、驱动主轴(12)、后盖板(9)；

夹心式换能器包括变幅杆(3)、铜片Ⅰ(4)、压电陶瓷Ⅰ(5)、铜片Ⅱ(6)、压电陶瓷Ⅱ(7)、铜片Ⅲ(8)、后盖板(9)；换能器供电部分包括集电环(16)、保护外壳前端盖(17)、保护外壳后端盖(10)、碳刷(14)；所述变幅杆(3)、驱动主轴(12)构成夹紧装置；所述钻头(1)、变幅杆(3)构成刀具夹持装置；

所述驱动主轴(12)与变幅杆(3)尾部转动连接，所述铜片Ⅰ(4)、压电陶瓷Ⅰ(5)、铜片Ⅱ(6)、压电陶瓷Ⅱ(7)、铜片Ⅲ(8)、后盖板(9)设于变幅杆(3)、驱动主轴(12)之间，所述钻头(1)连接于变幅杆(3)首端，所述集电环(16)固定在后盖板(9)上，所述碳刷(14)固定安装在保护外壳前端盖(17)，保护外壳前端盖(17)与保护外壳后端盖(10)相互配合连接，所述保护外壳后端盖(10)固定连接在前体盖(21)上，所述前体盖(21)与枪体(22)固定连接；

所述铜片Ⅰ(4)、铜片Ⅱ(6)、铜片Ⅲ(8)与集电环(16)电性连接，所述碳刷(14)底部与集电环(16)的铜环接触；

所述变幅杆(3)采用的结构为阶梯变幅杆(3)，变幅杆(3)的首端为小端，变幅杆(3)的小端轴向中心为一圆台孔，变幅杆(3)小端的外端为外螺纹段，变幅杆(3)的尾端为大端，变幅杆(3)大端的轴向中心为内螺纹孔，所述钻头通过夹紧螺母(2)与圆台孔连接；

所述驱动主轴(12)的外部从一端到另一端为外螺纹段、小端光滑段，所述小端光滑段上依次套接有铜片Ⅰ(4)、压电陶瓷Ⅰ(5)、铜片Ⅱ(6)、压电陶瓷Ⅱ(7)、铜片Ⅲ(8)、后盖板(9)、垫圈(11)，所述驱动主轴(12)外螺纹段与所述变幅杆(3)大端的内螺纹孔连接，所述垫圈(11)装配于驱动主轴(12)、后盖板(9)之间；

所述集电环(16)与固定套(19)固定连接，所述固定套(19)尾部上开有关于中心对称的螺纹孔，固定套紧定螺钉(18)通过所述螺纹孔将固定套(19)与后盖板(9)固定连接，且固定套(19)上开有键槽，所述驱动主轴(12)的小端光滑段和变幅杆(3)的大端均设置在所述固定套(19)内。

2.根据权利要求1所述的应用于手持式气动枪式钻的超声辅助钻孔装置，其特征在于，所述保护外壳前端盖(17)上方开有两个方孔，所述碳刷(14)通过碳刷固定螺钉(15)固定安装在方孔内，所述保护外壳后端盖(10)开有一凸台，凸台上方开有内螺纹孔，保护外壳固定螺钉(20)通过内螺纹孔将保护外壳后端盖(10)与前体盖(21)前端固定连接。

3.根据权利要求1所述的应用于手持式气动枪式钻的超声辅助钻孔装置，其特征在于，所述保护外壳前端盖(17)尾部开有一内螺纹槽，所述保护外壳后端盖(10)前端设有外螺纹段，所述外螺纹段旋入所述内螺纹槽中。

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