CN112384320A - 内轴机加工工具 - Google Patents

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Abstract

用于对带有内孔(3)的轴(2)进行内部机加工的机加工工具，例如飞机发动机涡轮轴(风扇中间轴)。该机加工工具具有外部镗杆(6)支撑装置(5)和镗杆(6)，该镗杆(6)被构造成具有比位于轴(2)的内孔(3)的一侧(4)上的最小开口小的直径。镗杆(6)具有能够径向伸缩的切削刀片(7)，并且镗杆(6)的端部部分(6b)能够转动地连接到镗杆(6)的主体部分(6a)。端部部分(6b)设置有一个或多个能够径向移动的导向垫(8)，该导向垫由导向垫直径设定单元(14)远程控制，并且其中，该能够径向伸缩的切削刀片(7)由切削直径设定单元(13)远程控制。

Description

内轴机加工工具
技术领域
本发明涉及一种用于对具有内孔的轴(例如飞机发动机涡轮轴)进行内部机加工的机加工工具。
背景技术
美国专利公开文件US-B-8,839,699公开了一种长轴内表面机加工设备。长轴支撑装置固定长轴以防止弯曲，该长轴具有内孔，使用头部支撑装置可以从长轴的一端将机加工头部轴向地定位在该内孔中。刀片驱动装置从长轴的另一端与机加工头部联接，以转动地驱动机加工头部的刀片。由于刀片驱动装置和头部支撑装置位于长轴的相反部分处，因此这种布置需要很大的空间。此外，长轴的内表面可能会被支撑装置的支撑辊损坏，并且支撑装置不能应用于直径轴向变化的孔。
德国专利公开文件DE-A-1086110公开了一种用于对具有内孔的轴进行内部机加工的机加工工具。该工具包括镗杆、切削刀片和能够转动地连接到镗杆的主体部分的端部部分。镗杆的端部部分设置有一个或多个能够径向移动的导向垫。
美国专利公开文件US6,394,710公开了一种具有基体的工具，在该基体上安装有至少一个刀架，优选为摇杆型刀架，从而可以相对于工具的轴线横向地调节工具。
欧洲专利公开文件EP-A-2136962公开了一种用于加工内孔的工具，其中，管磨损垫用于压靠在工件的内部上，以将主轴头部推向相对侧。
美国专利公开文件US8,839,699公开了一种用于切割长轴的内表面的设备，该设备包括镗杆，该镗杆利用三组或更多组能够径向移动的自由辊，该自由辊可以转动，以允许并支撑镗杆的转动以及沿轴向的运动。
发明内容
本发明寻求提供一种改进的机加工工具和机加工方法，该机加工工具和机加工方法特别适合于机加工细长轴的内孔，即使内孔的内径轮廓在轴的一侧或两侧上包括狭窄的开口。
根据本发明，提供了一种如上所限定的机加工工具，其包括外部的镗杆支撑装置，具有比位于轴的内孔的一侧上的最小开口小的直径的镗杆，该镗杆包括：能够径向伸缩的切削刀片，并且镗杆的端部部分能够转动地连接到镗杆的主体部分，其中，该端部部分设置有一个或多个能够径向移动的导向垫。更具体地说，提供了一种如权利要求1所限定的方法。这允许非常精确地机加工细长轴的内孔的内表面。
附图说明
下面将参考附图更详细地讨论本发明，其中：
图1示出了具有异形内孔的轴的剖视图；
图2示出了根据本发明的机加工工具的实施例的剖视图；
图3示出了根据本发明的机加工工具的实施例的镗杆的局部立体图；和
图4示出了根据本发明的机加工工具的实施例的示意图。
具体实施方式
下面参考多个示例性实施例讨论本发明，并且本发明总体上涉及轴的内孔的机加工。这种具有内孔的轴例如是用作飞机发动机涡轮轴(风扇中间轴)，更具体地用于消除轴中可能出现的内部腐蚀。图1示出了具有异型内孔3的轴2的剖视图，该内孔在该示例中具有受限开口，受限开口在轴2的一端4处具有直径ds。在长期使用之后，内孔3的表面面积可能有内部腐蚀。该腐蚀必须按照飞机相关的维护中常规的严格规定的要求进行清除。然而，由于被腐蚀的轴2不能被组装到发动机中，并且如果不能进行修理，则必须申报报废，因此本发明的实施例将特别有益于参与飞机发动机维护的各方人员或机构，也有利于飞机操作员。注意，去除腐蚀所需的机加工操作正在转动，但是由于这类轴2的内部区域的较差的访问性，因此机加工操作远非容易的事。如图1的示例所示，内孔3具有变化的截面，在一端处可能具有较小的开口直径，不同的截面具有圆柱形的内孔部分或锥形内孔部分，并且仍然具有直径ds的受限开口，使对长度较长的内孔3的访问变得复杂。
尝试机加工轴2的内孔3时遇到的特定问题是，由于缺乏适当和合适的工具支撑，无法执行正常的机加工操作。没有工具支撑，内孔3的所需表面光洁度和尺寸精度就无法满足。由于该限制，已经开发了一种特殊的机加工工具，如本文中参照多个示例性实施例所描述的。
使这种类型的机加工操作难以执行的其它因素是，在某些应用中，待机加工的材料非常硬(例如，硬化钢54HRc)，并且如上所述，轴2的内孔3在轴2的两侧具有较小的直径区域，这妨碍了机加工操作。
根据本发明的第一方面，提供了一种用于对具有内孔3的轴2进行内部机加工的机加工工具，其中，该机加工工具包括外部的镗杆支撑装置5和镗杆6，如图2的剖视图，以及图3的局部立体图中所示的。在轴2的内孔3的一侧4上，镗杆6具有小于直径为ds的最小开口的直径db，参见上面的图1。此外，镗杆6包括能够径向伸缩的切削刀片7，以及镗杆6的端部部分6b，端部部分6b能够转动地连接到镗杆6的主体部分6a。最后，端部部分6b设置有一个或多个能够径向移动的导向垫8。使用本发明的机加工工具，可以仅从一侧4访问内孔3，并且还使得镗杆6被完全支撑以允许精确的机加工。外部的杆支撑装置5可以例如实施为支撑轴承，在镗杆6的插入和拔出过程中，支撑轴承与轴2的一端4保持一定距离，即远离切削刀片7(和轴6的端部部分6a)。该外部的杆支撑装置5防止镗杆6与在轴的内孔3的一侧4上且直径为ds的最小开口碰撞，参见上面的图1，因为镗杆6由于其质量可能向下弯曲至少10毫米而发生该碰撞。支撑垫8通过在机加工操作期间对轴2提供刚性支撑来确保能够获得所需的尺寸精度、跳动精度和表面光洁度。缺少适当的机加工工具支撑会导致振动，振动会导致较差的表面光洁度。
注意，如图2和3的示例性实施例所示，镗杆6可以包括主体部分6a和端部部分6b，其中，镗杆6的端部部分6b相对于镗杆6的主体部分6a能够转动地连接。一个或多个能够径向移动的导向垫8被构造成将端部部分6b能够释放地夹持到轴2的内孔3上。由于能够径向伸缩的切削刀片7设置在主体部分6a上，因此该构造允许以非常精确和受控的方式在孔3的内表面上操作。
由于切削刀片7是能够径向伸缩的，因此对于具有内孔3的特定类型的轴2，可以选择尽可能大的镗杆直径db，以便在轴2的较长长度上获得足够的刚性。在示例性实施例中，能够操作的机加工长度为2130mm，最小直径为92mm，因此能够操作的机加工长度与镗杆(6)的直径的比率可以是20(更具体地为23)的数量级，并且可能在10至30的范围内。
通过在镗杆6的端部部分6b中具有支撑垫8，其中端部部分6b可以相对于镗杆6的主体部分6a转动，可以具有机加工工具的(相对于内孔3的表面)不转动的支撑件。这也使得能够机加工轴2的内部区域，否则，利用现有的解决方案根本无法对轴2的内部区域进行机加工。这些支撑垫8可以(例如，使用连续监测的延伸压力，参见下文)跟随内孔3的内径沿轴向方向的变化。如果没有这些支撑垫8，则机加工工具的镗杆6由于其质量而可能向下弯曲至少10mm。这使得无法进行机加工，并且导致机加工工具与轴2之间发生碰撞。
由于镗杆6的保持支撑垫8的转动端部部分6b，因此轴2的内孔3的内表面没有损坏。支撑垫8仅在轴向上相对于内孔3的内表面滑动。在另外的示例性实施例中，端部部分6b设置有例如成120°的间隔(即围绕端部部分6b的周向均匀地分布)的至少三个能够径向移动的导向垫8。这允许镗杆6在内孔3中的精确轴向对准。引导垫8可以包括塑料材料，甚至进一步减少了损坏内孔3的机会。
在又一实施例中，镗杆6的主体部分6a连接到轴向驱动单元11，以允许通过在内孔3中左右移动镗杆6而沿着内孔3的大部分进行机加工(和测量)。轴向驱动单元11可以以各种方式实施，在图2所示的实施例中示出了各种方式的一个示例。这里，轴向驱动单元包括连接至转动轴线21的马达20，该马达20设置有蜗轮22。蜗轮22的转动引起固定至(由外部的镗杆支撑装置5支撑的)镗杆6的连接元件23的平移(左右)运动。
当镗杆6在使用过程中沿轴向移动时，如图2和3中的示例性实施例所示的切削刀片7被控制成沿预定路径行进。由于该特征，可以使机加工工具的镗杆6的直径db的直径尽可能大并且镗杆6尽可能是刚性的。如上所述，机加工工具的刚性是成功的机加工操作的关键特征。为此，在本发明的另一方面，提供一种操作根据本文所述实施例中的任一个的机加工工具的方法，该方法包括通过基于能够径向伸缩的切削刀片7的轴向位置以调节能够径向伸缩的切削刀片7的切削直径来根据预定的机加工轮廓来机加工内孔3。可以例如使用计算机数字控制(CNC)单元在各种控制系统的实施例中获得精确的控制。
要注意的是，不能通过带有内孔3的轴2的传统检查工具来测量内径。机加工操作之前、期间和之后的可见性甚至可能需要定制的视觉设备，并且所需的最小表面光洁度可能需要定制的表面光洁度测量工具。为了解决这些问题，在另一实施例中，镗杆6的主体部分6a还包括内孔直径测量装置9，该内孔直径测量装置9轴向定位在能够径向伸缩的切削刀片7附近。作为示例，内孔直径测量装置9是基于激光的测量装置9，如图3的局部立体图所示。
如图3的实施例中所示，基于激光的测量装置9与切削刀片7共同定位在镗杆6的主体部分6a中，并且如实线所示，使用远离镗杆6指向的激光束。基于激光的测量装置9可以内置在机加工工具的镗杆6中，例如，如图3所示，内置在镗杆6的主体部分6a内的专用腔中。内孔测量装置9布置成用于测量距离，该距离可以被重新计算以确定内孔3的轴向轮廓。
内孔直径测量装置9可以包括如图3中的实施例所示的保护盖9a，以便在转动期间保护(敏感的)电子和光学部件不受例如冷却液体的环境影响。
在操作中，在本发明的方法的另一实施例中，(内置激光)内孔直径测量装置9在机加工操作之前和之后测量位于可程控位置处的内径。确定内径的常规检查工具是不可用的。
为此，如上所述的方法的实施例可以进一步包括在机加工内孔3之前和/或之后测量内孔直径轴向轮廓。机加工前的测量可以用于确定初始轮廓，使初始轮廓与所需轮廓匹配，并确定例如内部腐蚀存在的位置。但是，这是可选的，也可以使用预存储的轮廓执行机加工。然后可以使用机加工之后的测量值来检查内孔3是否在所需规格内。
在另一实施例中，测量包括在沿着内孔3的多个预定轴向位置处测量内孔直径轴向轮廓。当进行足够的测量时，或使用内孔3的轮廓(例如，内孔3的多个平直形状的截面、锥形形状的截面、和/或复杂形状的截面)的已知参数，可以确定内孔的直径的适当的轴向轮廓。
在又一个实施例中，该方法可以包括将所测量的内孔直径轴向轮廓转换成预定的机加工轮廓。该预定的机加工轮廓然后可以例如依次用于多个轴2的批处理。
CNC单元可以实现为单个单元，也可以实现为(可能互连的)单独的控制单元的组合。这允许可以使用定制的CNC控制软件能够对内孔3的锥形直径和位于非机加工区域和机加工区域之间的平滑过渡部进行加工。
在另一实施例中，能够径向伸缩的切削刀片7由(数字控制的)切削直径设定单元13远程控制。在图2的剖视图中示出了其实施方式，其中，切割直径设定单元13包括马达24，马达24转动地驱动设置有蜗轮单元26的轴25。这提供了杆27的平移运动，该平移运动被转换单元28转换为切削刀片7的径向延伸运动，如箭头所示。
在另一个实施例中，能够径向移动的导向垫8由(数字控制的)导向垫直径设定单元14远程控制。在图2的横截面中所示的实施例中，导向垫直径设定单元14包括大部分位于镗杆6的端部部分6b中的多个部件。在该实施例中，电致动器30布置成使连杆31沿轴向方向(向左的箭头)移动，并且经由转换元件32使导向垫8沿径向(朝向导向垫8的箭头)伸出。电致动器30经由电线33被驱动，电线33被引导穿过镗杆6的内部区域。
在另一个实施例中，导向垫直径设定单元14还可以例如在一个或多个能够径向移动的导向垫(8)处设置有扭矩感测装置。这允许布置反馈控制回路，以在操作期间精确地保持镗杆6在内孔3内居中。
替代地或附加地，能够径向移动的导向垫或其部件可以装配有力传感器，以允许(例如再次使用反馈控制回路)连续监测导向垫8的伸出压力。
为了对机加工工具进行操作控制，在另一个实施例中设置了工具控制单元16，该工具控制单元16连接至可选的现有的轴向驱动单元11、切削直径设定单元13、导向垫直径设定单元14、和/或内孔直径测量装置9。该示例性设置在图4的示意图中示出。
注意，对于机加工操作，轴2可以被转动地驱动，即沿周向方向驱动，而镗杆6仅轴向地移动而不转动。为此，机加工工具可以进一步包括(可以连接至工具控制单元16并由工具控制单元16控制的)转动驱动单元12。
在对轴2的内孔3进行机加工时，可能会在轴2内积聚产生的金属屑和/或其它碎屑，并且必须在该金属屑和/或其它碎屑能够干扰机加工操作或损坏机加工区域之前清除这些金属屑和/或其它碎屑。在本发明的机加工工具的另一实施例中，机加工所需的冷却剂被向后冲灌，从而防止被困在导向垫8和轴2的内孔3的内表面之间，否则冷却剂被困在导向垫8和轴2的内孔3的内表面之间可能导致内表面的损坏。在构造上明智地，该机加工工具还可以包括冷却剂供应装置，该冷却剂供应装置布置成在操作期间沿从导向垫(8)到能够径向伸缩的切削刀片(7)的方向，即朝着内孔3的一端，冲灌冷却剂液体。
上面已经参考附图中所示的多个示例性实施例描述了本发明。一些部件或元件的修改和替代实施方式是可能的，并且被包括在所附权利要求中限定的保护范围内。

Claims (13)

1.一种用于对具有内孔(3)的轴(2)进行内部机加工的机加工工具，包括：
外部镗杆(6)支撑装置(5)，
镗杆(6)，所述镗杆被构造成具有比位于轴(2)的待在内部进行机加工的内孔(3)的一侧(4)上的最小开口小的直径，所述镗杆(6)包括：
能够径向伸缩的切削刀片(7)，以及
所述镗杆(6)的端部部分(6b)，所述端部部分能够转动地连接到所述镗杆(6)的主体部分(6a)，
其中，所述端部部分(6b)设置有一个或多个能够径向移动的导向垫(8)，所述导向垫由导向垫直径设定单元(14)远程控制，并且其中，所述能够径向伸缩的切削刀片(7)由切削直径设定单元(13)远程控制。
2.根据权利要求1所述的机加工工具，其中，所述端部部分(6b)设有至少三个能够径向移动的导向垫(8)。
3.根据权利要求1或2所述的机加工工具，其中，所述导向垫(8)包括塑料材料。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的机加工工具，所述镗杆(6)的主体部分(6a)还包括内孔直径测量装置(9)，所述内孔直径测量装置(9)轴向地定位在所述能够径向伸缩的切削刀片(7)附近。
5.根据权利要求4所述的机加工工具，其中，所述内孔直径测量装置(9)是基于激光的测量装置(9)。
6.根据权利要求4或5所述的机加工工具，其中，所述内孔直径测量装置(9)包括保护盖(9a)。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的机加工工具，还包括冷却剂供应装置，所述冷却剂供应装置布置成在操作期间沿从所述导向垫(8)到所述能够径向伸缩的切削刀片(7)的方向冲灌冷却剂液体。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的机加工工具，其中，所述导向垫直径设定单元(14)设置有扭矩感测装置。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的机加工工具，还包括工具控制单元(16)，在存在轴向驱动单元(11)、切削直径设定单元(13)、导向垫直径设定单元(14)和/或内孔直径测量装置(9)的情况下，所述工具控制单元连接至所述轴向驱动单元(11)、切削直径设定单元(13)、导向垫直径设定单元(14)和/或内孔直径测量装置(9)中的每一个。
10.一种操作根据权利要求1至9中任一项所述的机加工工具的方法，
所述方法包括：通过远程控制所述一个或多个能够径向移动的导向垫(8)，并通过根据能够径向伸缩的切削刀片(7)的轴向位置远程控制能够径向伸缩的切削刀片(7)的切削直径的调节，来根据预定的机加工轮廓机加工所述内孔(3)。
11.根据权利要求10所述的方法，还包括在机加工所述内孔(3)之前和/或之后测量内孔直径轴向轮廓。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，测量内孔直径轴向轮廓包括在沿着所述内孔(3)的多个预定轴向位置处测量所述内孔直径轴向轮廓。
13.根据权利要求12所述的方法，还包括将所测量的内孔直径轴向轮廓转换成预定的机加工轮廓。
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