CN111014765B - 一种软轴驱动的空间螺旋孔加工装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种软轴驱动的空间螺旋孔加工装置，包括支撑架、转动连接于支撑架的螺旋管、驱动螺旋管旋转的螺旋管驱动装置，螺旋管内设有软轴，软轴的一端固接球形刀头，软轴的另外一端连接软轴驱动装置，球形刀头随软轴旋转，球形刀头位于螺旋管的一端，螺旋管旋转360度螺旋管给进或者后退一个螺距。工艺实施方便简单，装夹和调整操作容易，装置成本低廉，能够在一块整体的材料上，特别是非金属材料上加工出完整的空间螺旋孔，可以用于对已经加工出的空间螺旋孔实现机械抛光或研磨，降低螺旋孔的表面粗糙度，便于在模具上加工出螺旋状的冷却水道，减少冷却水压力损失，提高冷却效率；实现等距冷却，从而提高制品的表面质量。

Description

一种软轴驱动的空间螺旋孔加工装置

技术领域

本发明涉及机械制造领域，特别是涉及一种软轴驱动的空间螺旋孔加工装置。

背景技术

目前涉及空间螺旋孔加工的工艺方法主要是电火花加工，或电解加工等特种加工手段：如申请号200710064289.3“一种弯曲孔的电火花/电解加工方法及其装置”，该装置包括具有两个转动自由度的工作台、固定在工作台上的工件21、电极、电极方向控制机构、进给驱动装置以及盛有工作液的工作液容器。电极方向控制机构能保持电极时刻指向铅垂方向，进给驱动装置则能驱动电极沿目标孔的轴线进给。若要加工直孔，则需要在电极进给过程中使工作台和工件21的方向保持不变；若要加工弯曲孔，则需在电极进给的过程中使工作台和工件21不断发生转动。与现有技术相比，本发明使弯曲孔加工中电极方向的控制得到简化，能够容易地实现三维弯曲孔加工，扩大孔加工的范围和提高弯曲孔加工的精度。

申请号201811382874.2“一种空间螺旋孔的电火花加工装置和方法”和201811383437.2“一种空间螺旋孔电火花加工装置”都是采用电火花工艺技术实施空间螺旋孔的加工。201811382874.2采用内联系传动链实现加工进给工具下降一个导程，其工件21与工作台旋转360度，201811383437.2采用了滚珠丝杠导程仿形式实现进给时保证工具下降一个导程，其螺旋管电极自身旋转360度。

日本电气通信大学机械工程与智能系统系的石田与竹内发明了一种用于模具三维冷却通道加工用的自主式弯曲孔加工装置，并称其为“自动放电间隙控制器”。这一装置巧妙地运用了一个螺旋压缩弹簧和一个有形状记忆合金制成的伸长式弹簧,使之具有自行走和放电间隙自动调节功能。

目前还未见道采用传统机械加工方法来实现空间螺旋孔加工的方法和装置。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种软轴驱动的空间螺旋孔加工装置，其基于“软轴驱动”实现高速主运动的思路，发明一种能够适合于空间螺旋孔加工的新思路、新方法和新装置；除了金属等导电材料加工外，还可解决非金属材料如木材的空间螺旋孔加工问题，扩大应用面；为相关应用行业，如模具的等距冷却水道，电动汽车电动机冷却提供更为先进科学冷却方法和手段。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种软轴驱动的空间螺旋孔加工装置，包括支撑架、转动连接于支撑架的螺旋管、驱动螺旋管旋转的螺旋管驱动装置，螺旋管内设有软轴，软轴的一端固接球形刀头，软轴的另外一端连接软轴驱动装置，球形刀头随软轴旋转，球形刀头位于螺旋管的一端，螺旋管旋转360度螺旋管给进或者后退一个螺距。

进一步，螺旋管驱动装置包括滚珠丝杠和滚珠螺母，螺旋管固接于滚珠丝杠，滚珠螺母固接于支撑架，滚珠丝杠转动连接于滚珠螺母，软轴穿过滚珠丝杠连接于螺旋管，滚珠丝杠设有用于转动滚珠丝杠的手把。

进一步，球形刀头包括弧形刃部以及阶梯轴，阶梯轴固接于弧形刃部的一端，弧形刃部以中心线为轴心旋转，阶梯轴固接于软轴。

进一步，弧形刃部的前刀面上开凹槽形成正前角，弧形刃部的后刀面还需要铲背，形成正后角。

进一步，弧形刃部包括第一刃部和第二刃部，第一刃部和第二刃部沿弧形刃部交错开分屑槽。

进一步，弧形刃部的顶端设有锥形的中心钻头。

进一步，球形刀头可拆卸连接于阶梯轴，弧形刃部还设有刀具夹板，刀具夹板固接于阶梯轴。

进一步，阶梯轴外套接有角接触轴承，角接触轴承位于螺旋管内。

进一步，角接触轴承的两端设有防尘密封圈。

进一步，支撑架上还设有浮动托架，浮动托架包括空套凹槽轮、凹槽轮支架、弹簧以及支撑杆，支撑杆固接于支撑架，空套凹槽轮转动连接于凹槽轮支架，凹槽轮支架套接于支撑杆，弹簧套接于支撑杆，弹簧的一端抵接于支撑架，弹簧的另外一端抵接于凹槽轮支架，软轴绕过空套凹槽轮。

总的说来，本发明具有如下优点：

工艺实施方便简单，装夹和调整操作容易，装置成本低廉，能够在一块整体的材料上，特别是非金属材料上加工出完整的空间螺旋孔，可以用于对已经加工出的空间螺旋孔实现机械抛光或研磨，降低螺旋孔的表面粗糙度，便于在模具上加工出螺旋状的冷却水道，减少冷却水压力损失，提高冷却效率；实现等距冷却，从而提高制品的表面质量。

附图说明

图1为本发明一种软轴驱动的空间螺旋孔加工装置的总体结构示意图。

图2为本发明一种软轴驱动的空间螺旋孔加工装置的球形刀头与螺旋管连接结构示意图。

其中图1、图2中包括有：

1-电动机 2-限位盘 3-软轴 4-弹簧 5-空套凹槽轮 6-凹槽轮支架 7-凹槽轮轴10-手把固定架 12-手把 13-滚珠丝杠 15-滚珠 16-滚珠螺母 18-螺旋管 19-定位销 20-垫铁 21-工件 22-底座 23-球形刀头 25-支撑架 26-阶梯轴 27-第一刃部 28-中心钻头29-第二刃部 30-刀具夹板 31-夹持螺钉 32-内卡圈 33-角接触轴承 34-外卡圈 36-软轴外皮 37-软轴内芯 39-带螺母端盖 40-防尘密封圈 41-轴承座 42-刀片支座。

具体实施方式

下面来对本发明做进一步详细的说明。

如图1、图2所示，一种软轴驱动的空间螺旋孔加工装置，包括支撑架25、转动连接于支撑架25的螺旋管18、驱动螺旋管18旋转的螺旋管驱动装置，螺旋管18内设有软轴3，软轴3的一端固接球形刀头23，软轴3的另外一端连接软轴驱动装置，球形刀头23随软轴3旋转，球形刀头23位于螺旋管18的一端，螺旋管18旋转360度螺旋管18给进或者后退一个螺距。

螺旋管驱动装置包括滚珠丝杠13和滚珠螺母16，螺旋管18固接于滚珠丝杠13，滚珠螺母16固接于支撑架25，滚珠丝杠13转动连接于滚珠螺母16，软轴3穿过滚珠丝杠13连接于螺旋管18，滚珠丝杠13设有用于转动滚珠丝杠13的手把12。

球形刀头23包括弧形刃部以及阶梯轴26，阶梯轴26固接于弧形刃部的一端，弧形刃部以中心线为轴心旋转，阶梯轴26固接于软轴3。

弧形刃部的前刀面上开凹槽形成正前角，弧形刃部的后刀面还需要铲背，形成正后角。弧形刃部包括第一刃部27和第二刃部29，第一刃部27和第二刃部29沿弧形刃部交错开分屑槽。弧形刃部的顶端设有锥形的中心钻头28。

球形刀头23可拆卸连接于阶梯轴26，弧形刃部还设有刀具夹板30，刀具夹板30固接于阶梯轴26。

阶梯轴26外套接有角接触轴承33，角接触轴承33位于螺旋管18内。

角接触轴承33的两端设有防尘密封圈40。

支撑架25上还设有浮动托架，浮动托架包括空套凹槽轮5、凹槽轮支架6、弹簧4以及支撑杆，支撑杆固接于支撑架25，空套凹槽轮5转动连接于凹槽轮支架6，凹槽轮支架6套接于支撑杆，弹簧4套接于支撑杆，弹簧4的一端抵接于支撑架25，弹簧4的另外一端抵接于凹槽轮支架6，软轴3绕过空套凹槽轮5。

底座22、支撑架25通过定位销19和内六角螺钉实现定位和固定连接，充当装置或机器的床身，其他所有零部件都安装或附着其上。工件21通过垫铁20固定于底座22上面，这样工件21的底部漏空，便于工具头加工穿通时让刀。

电动机1或风动动力头通过六角螺栓及螺母与支撑架25的侧面固定。软轴3与电动机1的主轴固定连接，软轴3的软轴内芯37旋转，而其外保护层是不旋转的。软轴3由限位盘2、弹簧4、空套凹槽轮5、凹槽轮支架6和凹槽轮轴7组成的浮动托架支撑并始终保持适当绷紧。软轴3从螺旋管18上部直线端穿入，在下部的螺旋管18端头穿出后与球形刀头23连接，这样电动机1的动力和运动就可以传递给球形刀头23，作为切削机械加工的主运动。螺旋管18的上部直线端分别由各三颗的六角螺钉固定于滚珠丝杠13的中心。滚珠丝杠13通过滚珠15与滚珠螺母16实现活动连接。滚珠螺母16由固定螺钉固定于支撑架25上。手把12的螺纹段旋入摇杆即手把固定架10的螺纹孔内并由锁紧螺母锁紧，以防松脱。内六角螺钉将摇杆即手把固定架10固定在滚珠丝杠13的阶梯轴26上。

浮动托架支撑的限位盘2可以防止其余组建弹出、弹簧4确保空套凹槽轮5、凹槽轮支架6和凹槽轮轴7及软轴3上下浮动并且适当绷紧。空套凹槽轮5通过凹槽轮轴7固定于叉形的凹槽轮支架6上。

空间螺旋孔加工的操作过程如下：电动机1开起后，软轴3将动力和运动传递至球形刀头23，实现机械加工必须的主运动。旋转手把12，带动滚珠丝杠13、螺旋管18及球形刀头23旋转并下移，实现螺旋式的进给运动(f、θ)。而滚珠丝杠13的导程与螺旋管18的导程都为L，这样手把12旋转一周，球形刀头23也相应地旋转一周并下移L导程，从而加工出一个导程或螺距的闭合式的空间螺旋孔；加工完备后反方向旋转手把12，则可将球形刀头23及螺旋管18从已经加工的可将螺旋孔里退出来。

图2是特殊刀具与软轴3连接图：特殊刀具主要是指球形刀头23，弧形刃部主要有第一刃部27、中心钻头28、第二刃部29和刀片支座42等构成，高速钢的中心钻头28和硬质合金的第一刃部27和第二刃部29采用焊接手段固定于刀片支座42上。刀杆部分主要是安装轴承的阶梯轴26和刀具夹板30，球形刀头23的刀片支座42的凹槽(图中虚线)与刀具夹板30的凸起部位定位，通过夹持螺钉31与刀具夹板30稳固连接。球形刀头23的阶梯轴26与角接触轴承33内圈采用过盈配合并由外卡圈34防止轴向蹿动，工作时轴承内圈与刀杆一起高速转动；软轴内芯37插入阶梯轴26的尾部内孔里并由螺钉锁紧，这样软轴内芯37的高速转动就可传递给刀杆及整个刀头。角接触轴承33自带防尘密封圈40，其外圈位于轴承座41内孔里，并由带螺母端盖39轴向固定并调整轴承球体与内、外圈的间隙。轴承座41的外圆部分插入螺旋管18的阶梯内孔里，右端压住不会转动的软轴外皮36，左端有内卡圈32固定。这样连接方式确保了轴承外圈、轴承座41、软轴外皮36和螺旋管18都不会高速旋转，而只随滚珠丝杠13做螺旋式的低速进给运动(f、θ)。

球形刀头23的回转直径必须大于螺旋管18的外径，一方面保证螺旋管18不会与已经加工成的可将螺旋孔干涉，另一方面也给切屑的排除提供空间；

手动旋转做进给运动时不宜太快，视手感力度而定；

球形刀头23的安装时，需要人为下压浮动托架支撑，使得软轴3的下端拉出螺旋管18的端口，才能方便软轴内芯37的固定夹持操作；

开始加工时，球形刀头23因受力的影响不易钻入工件21，工件21的上表面需要人为设置工艺凸台，只有刀头全部进入工件21上表面后，可以将工艺凸台打磨掉或拆除。

第一刃部27和第二刃部29呈现中心对称的布局，刀片弧形主切削刃的前刀面上开凹槽形成正前角，刀片后刀面还需要铲背，形成正后角。

为了分屑形成细窄的切屑，第一刃部27和第二刃部29沿弧形主切削刃可以交错(错齿)开分屑槽。

已经加工出的空间螺旋孔，还可更换刀头(球形磨头或软砂轮等)进一步实现机械抛光或研磨，降低空间螺旋孔的表面粗糙度。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种软轴驱动的空间螺旋孔加工装置，其特征在于：包括支撑架、转动连接于支撑架的螺旋管、驱动螺旋管旋转的螺旋管驱动装置，螺旋管内设有软轴，软轴的一端固接球形刀头，软轴的另外一端连接软轴驱动装置，球形刀头随软轴旋转，球形刀头位于螺旋管的一端，螺旋管旋转360度螺旋管进给 或者后退一个螺距；

支撑架上还设有浮动托架，浮动托架包括空套凹槽轮、凹槽轮支架、弹簧以及支撑杆，支撑杆固接于支撑架，空套凹槽轮转动连接于凹槽轮支架，凹槽轮支架套接于支撑杆，弹簧套接于支撑杆，弹簧的一端抵接于支撑架，弹簧的另外一端抵接于凹槽轮支架，软轴绕过空套凹槽轮。

2.按照权利要求1所述的一种软轴驱动的空间螺旋孔加工装置，其特征在于：螺旋管驱动装置包括滚珠丝杠和滚珠螺母，螺旋管固接于滚珠丝杠，滚珠螺母固接于支撑架，滚珠丝杠转动连接于滚珠螺母，软轴穿过滚珠丝杠连接于螺旋管，滚珠丝杠设有用于转动滚珠丝杠的手把。

3.按照权利要求2所述的一种软轴驱动的空间螺旋孔加工装置，其特征在于：球形刀头包括弧形刃部以及阶梯轴，阶梯轴固接于弧形刃部的一端，弧形刃部以中心线为轴心旋转，阶梯轴固接于软轴。

4.按照权利要求3所述的一种软轴驱动的空间螺旋孔加工装置，其特征在于：弧形刃部的前刀面上开凹槽形成正前角，弧形刃部的后刀面还需要铲背，形成正后角。

5.按照权利要求3所述的一种软轴驱动的空间螺旋孔加工装置，其特征在于：弧形刃部包括第一刃部和第二刃部，第一刃部和第二刃部沿弧形刃部交错开分屑槽。

6.按照权利要求3所述的一种软轴驱动的空间螺旋孔加工装置，其特征在于：弧形刃部的顶端设有锥形的中心钻头。

7.按照权利要求6所述的一种软轴驱动的空间螺旋孔加工装置，其特征在于：弧形刃部还设有刀具夹板，刀具夹板固接于阶梯轴。

8.按照权利要求7所述的一种软轴驱动的空间螺旋孔加工装置，其特征在于：阶梯轴外套接有角接触轴承，角接触轴承位于螺旋管内。

9.按照权利要求8所述的一种软轴驱动的空间螺旋孔加工装置，其特征在于：角接触轴承的两端设有防尘密封圈。

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