CN113441800A - 一种基于热胀冷缩驱动的空间曲线长孔加工装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于热胀冷缩驱动的空间曲线长孔加工装置，涉及空间曲线长孔的复合加工工艺技术领域。本发明包括底座，底座顶端的一端固定有支撑架，支撑架顶端的一侧装配有Z轴向移动机构，支撑架的内侧固定有安装板，安装板的一侧面固定有四个电热丝控制器，底座上表面的中部装配有X轴向移动机构，X轴向移动机构的上方装配有Y轴向移动机构，Y轴向移动机构的上方装配有加工件。本发明通过对结构的设计，有效解决空间曲线孔无法加工的问题，消除加工表面重铸层对疲劳寿命的影响，解决了长期困扰业界的空间曲线孔加工难题。

Description

一种基于热胀冷缩驱动的空间曲线长孔加工装置

技术领域

本发明属于空间曲线长孔的复合加工工艺技术领域，特别是涉及一种基于热胀冷缩驱动的空间曲线长孔加工装置。

背景技术

冷却流道是新一代航空叶片、精密塑料模具等承受热机复杂载荷共同作用的高性能部件实现冷却的重要空间曲线长孔，国内对曲线孔研究较少，现有技术中采用钻孔等传统工艺往往无法加工复杂的空间曲线长孔，已经有研究者在这方面做了大量的尝试工作，而是主要采用电火花加工工艺；

刘永红等按照仿生学原理设计了基于SMA驱动的曲线孔仿生电火花加工机器人，何山等研究新型曲线孔电火花加工机器人，通过SMA弹簧松紧来控制机器人的移动和停止，通过仿真分析研究复杂的曲线孔加工，但未开展相应的实验研究，他们都是通过特殊设计的板簧或机构将球形工具逐渐深入孔内，虽能加工出单曲率或平面曲线孔，但是电火花加工工具损耗严重，形状稳定性不能确保；且加工定位基准远离被加工位置，位置精度难以保证；另外，电火花加工后被加工件表面会产生重铸层，叶片、模具等高性能零部件将承受极端或复杂载荷作用，冷却孔加工重铸层直接影响其工作寿命，甚至带来灾难性后果；

由于受现有的孔机加工技术的限制，目前采用的冷却流道往往不是空间曲线长孔，而是由多段直线孔替代，这会使其温度梯度增大、降低冷却效率；而且，直孔加工的辅助工艺孔削弱零件结构强度，并在两孔交接处存在明显应力集中现象，大大降低了零部件的载荷极限与疲劳寿命；同时，由于结构限制有时还无法在最优冷却区域加工流道，最优的设计方案难以完全实现。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于热胀冷缩驱动的空间曲线长孔加工装置，以解决现有的问题：空间曲线长孔无法加工，难以减少加工表面重铸层对疲劳寿命的影响。

为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：一种基于热胀冷缩驱动的空间曲线长孔加工装置，包括底座，所述底座顶端的一端固定有支撑架，所述支撑架顶端的一侧装配有Z轴向移动机构，所述支撑架的内侧固定有安装板，所述安装板的一侧面固定有四个电热丝控制器，所述底座上表面的中部装配有X轴向移动机构，所述X轴向移动机构的上方装配有Y轴向移动机构，所述Y轴向移动机构的上方装配有加工件；

所述Z轴向移动机构的一侧还装配有热胀冷缩驱动多自由度引导机构。

进一步地，所述热胀冷缩驱动多自由度引导机构包括填料式伸缩补偿机构、球墨铸铁管、柔性薄膜加热器、尼龙介质、关节件、喷嘴探头、导电线、水管与激光光纤，所述填料式伸缩补偿机构的下方装配有球墨铸铁管，所述球墨铸铁管的内壁装配有四个柔性薄膜加热器，所述球墨铸铁管的内部还装配有若干个关节件，位于最下方的所述关节件的底端固定有喷嘴探头，所述球墨铸铁管的内部还装配有导电线、水管与激光光纤，且所述导电线、水管与激光光纤均穿过关节件的中部，所述水管与激光光纤的一端位于喷嘴探头处，所述柔性薄膜加热器的内部的其余空间还填充有尼龙介质。

进一步地，所述填料式伸缩补偿机构包括有外套筒、支撑圈、丝堵、压紧法兰、石棉盘梗、填充料与内套筒，所述外套筒的内侧装配有内套筒，所述内套筒一端的外侧装配有支撑圈，所述支撑圈位于外套筒和内套筒之间，所述外套筒与内套筒之间还装配有石棉盘梗，且所述石棉盘梗内设有填充料，所述外套筒的外侧且对应填充料的位置装配有丝堵，所述外套筒的另一端固定有压紧法兰。

进一步地，所述关节件的顶端设有半球型的凸块，所述关节件的底端设有凹陷的半球型槽孔。

进一步地，所述支撑架的形状为倒立的U形。

本发明具有以下有益效果：

本发明通过对结构的设计，有效解决空间曲线孔无法加工的问题，消除加工表面重铸层对疲劳寿命的影响，解决了长期困扰业界的空间曲线孔加工难题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中的一种SMA驱动进给式曲线孔电火花加工仿生机器人结构示意图；

图2为本发明的结构示意图；

图3为本发明热胀冷缩驱动多自由度引导机构的结构示意图；

图4为本发明填料式伸缩补偿机构的结构示意图；

图5为本发明关节件的俯视图；

图6为本发明关节件的剖面图；

图7为本发明若干个关节件的连接示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、底座；2、支撑架；3、Z轴向移动机构；4、X轴向移动机构；5、Y轴向移动机构；6、安装板；7、电热丝控制器；8、加工件；9、热胀冷缩驱动多自由度引导机构；10、填料式伸缩补偿机构；11、球墨铸铁管；12、柔性薄膜加热器；13、尼龙介质；14、关节件；15、喷嘴探头；16、导电线；17、水管；18、激光光纤；19、外套筒；20、支撑圈；21、丝堵；22、压紧法兰；23、石棉盘梗；24、填料；25、内套筒。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-7所示，本发明为一种基于热胀冷缩驱动的空间曲线长孔加工装置，包括底座1，底座1顶端的一端固定有支撑架2，支撑架2的形状为倒立的U形，支撑架2顶端的一侧装配有Z轴向移动机构3，支撑架2的内侧固定有安装板6，安装板6的一侧面固定有四个电热丝控制器7，安装板6用于电热丝控制器7进行安装，底座1上表面的中部装配有X轴向移动机构4，X轴向移动机构4的上方装配有Y轴向移动机构5，Y轴向移动机构5的上方装配有加工件8，X轴向移动机构4可以带动加工件8进行X轴方向移动，Y轴向移动机构5可以带动加工件8进行Y轴方向移动；

进一步地，Z轴向移动机构3的一侧还装配有热胀冷缩驱动多自由度引导机构9，Z轴向移动机构3可以带动热胀冷缩驱动多自由度引导机构9进行Z轴方向的移动。

具体的，热胀冷缩驱动多自由度引导机构9包括填料式伸缩补偿机构10、球墨铸铁管11、柔性薄膜加热器12、尼龙介质13、关节件14、喷嘴探头15、导电线16、水管17与激光光纤18，填料式伸缩补偿机构10的下方装配有球墨铸铁管11，采用球墨铸铁管11是因为高温运行管道在运行中必然会出现管道热伸长现象，球墨铸铁管11做为滑入式柔性承插接口，只要在管接口之间留下适当的安装间隙，就能保证接口之间完全释放热补偿伸长量，使管道在热状态下稳定安全运行，减少了供热管道建设成本，并增加了安全运行可靠性；

进一步地，球墨铸铁管11的内壁装配有四个柔性薄膜加热器12，四个柔性薄膜加热器12分别与一个电热丝控制器7电性连接，可分别控制四个柔性薄膜加热器12的温度，球墨铸铁管11的中部位置还装配有用于监测球墨铸铁管11内温度和压强的温度传感器和压力传感器，球墨铸铁管11的内部还装配有若干个关节件14，关节件14的顶端设有半球型的凸块，关节件14的底端设有凹陷的半球型槽孔，位于最下方的关节件14的底端固定有喷嘴探头15，球墨铸铁管11的内部还装配有导电线16、水管17与激光光纤18，且导电线16、水管17与激光光纤18均穿过关节件14的中部，水管17与激光光纤18的一端位于喷嘴探头15处，水管17的另一端连接有输液泵，水管17用于输送电解液，能够对加工部位进行冷却，激光光纤18处用于发射激光，用于对加工件8进行加工，柔性薄膜加热器12的内部的其余空间还填充有尼龙介质13，采用尼龙介质13是因为其具有较好的热胀冷缩性、力学性能、耐热性、耐磨损性、耐化学溶剂性、自润滑性和一定程度的阻燃性；

具体的，填料式伸缩补偿机构10包括有外套筒19、支撑圈20、丝堵21、压紧法兰22、石棉盘梗23、填充料24与内套筒25，外套筒19的内侧装配有内套筒25，内套筒25一端的外侧装配有支撑圈20，支撑圈20位于外套筒19和内套筒25之间，外套筒19与内套筒25之间还装配有石棉盘梗23，且石棉盘梗23内设有填充料24，外套筒19的外侧且对应填充料24的位置装配有丝堵21，外套筒19的另一端固定有压紧法兰22，通过特制的注射工具，可将填充料24在高压的作用下注入石棉盘梗23内，填补石棉盘梗23内的间隙，且填充料24具有内胀作用，可将石棉盘梗23预挤压紧,从而能达到密封效果，同时它可通过注射填料来保障补偿器的密封性能,不需停工停产就能消除所发生的泄漏。

本实施例的一个具体应用为：在对加工件8进行加工时，首先将加工件8固定在Y轴向移动机构5上，启动装置，通过Z轴向移动机构3能够控制热胀冷缩驱动多自由度引导机构9整体的高度，在进行加工时，电热丝控制器7控制四个柔性薄膜加热器12的温度，实现对球墨铸铁管11内尼龙介质13所处环境温度的控制，实现对其热胀冷缩性的控制，当尼龙介质13受热膨胀时，通过控制填料式伸缩补偿机构10上的丝堵21添加石棉盘梗23，以填塞管内所有间隙，当导热介质冷却时，通过丝堵21将多余石棉盘梗23排出，通过尼龙介质13的热胀冷缩性来控制若干个关节件14的曲率，通过对四个球墨铸铁管11的单独控制，可以形成任意方位的空间曲率，且在加工过程中不同的调节热胀冷缩驱动多自由度引导机构9的曲率，从而不断变化局部曲率的大小和方位，同时控制加工件8与热胀冷缩驱动多自由度引导机构9移动，进行空间曲线孔的复合加工，通过激光光纤18在激光加工的间隙内，水管17处喷出的电解液束对加工区域进行有效地冷却，及时地带走在加工区域烧蚀的热量，通过激光光纤18射出的激光束对工件待加工区域进行加工，累积形成空间曲线长孔，激光辅助电化学加工过程中，激光能和离子能共同作用，使材料表面无重铸层，而且在激光照射区域易产生“局部效应”，提高激光照射区域材料的去除速度30～50%，有利于材料局部定向去除。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (5)

1.一种基于热胀冷缩驱动的空间曲线长孔加工装置，其特征在于：包括底座（1），所述底座（1）顶端的一端固定有支撑架（2），所述支撑架（2）顶端的一侧装配有Z轴向移动机构（3），所述支撑架（2）的内侧固定有安装板（6），所述安装板（6）的一侧面固定有四个电热丝控制器（7），所述底座（1）上表面的中部装配有X轴向移动机构（4），所述X轴向移动机构（4）的上方装配有Y轴向移动机构（5），所述Y轴向移动机构（5）的上方装配有加工件（8）；

所述Z轴向移动机构（3）的一侧还装配有热胀冷缩驱动多自由度引导机构（9）。

2.根据权利要求1所述的一种基于热胀冷缩驱动的空间曲线长孔加工装置，其特征在于：所述热胀冷缩驱动多自由度引导机构（9）包括填料式伸缩补偿机构（10）、球墨铸铁管（11）、柔性薄膜加热器（12）、尼龙介质（13）、关节件（14）、喷嘴探头（15）、导电线（16）、水管（17）与激光光纤（18），所述填料式伸缩补偿机构（10）的下方装配有球墨铸铁管（11），所述球墨铸铁管（11）的内壁装配有四个柔性薄膜加热器（12），所述球墨铸铁管（11）的内部还装配有若干个关节件（14），位于最下方的所述关节件（14）的底端固定有喷嘴探头（15），所述球墨铸铁管（11）的内部还装配有导电线（16）、水管（17）与激光光纤（18），且所述导电线（16）、水管（17）与激光光纤（18）均穿过关节件（14）的中部，所述水管（17）与激光光纤（18）的一端位于喷嘴探头（15）处，所述柔性薄膜加热器（12）的内部的其余空间还填充有尼龙介质（13）。

3.根据权利要求2所述的一种基于热胀冷缩驱动的空间曲线长孔加工装置，其特征在于：所述填料式伸缩补偿机构（10）包括有外套筒（19）、支撑圈（20）、丝堵（21）、压紧法兰（22）、石棉盘梗（23）、填充料（24）与内套筒（25），所述外套筒（19）的内侧装配有内套筒（25），所述内套筒（25）一端的外侧装配有支撑圈（20），所述支撑圈（20）位于外套筒（19）和内套筒（25）之间，所述外套筒（19）与内套筒（25）之间还装配有石棉盘梗（23），且所述石棉盘梗（23）内设有填充料（24），所述外套筒（19）的外侧且对应填充料（24）的位置装配有丝堵（21），所述外套筒（19）的另一端固定有压紧法兰（22）。

4.根据权利要求2所述的一种基于热胀冷缩驱动的空间曲线长孔加工装置，其特征在于：所述关节件（14）的顶端设有半球型的凸块，所述关节件（14）的底端设有凹陷的半球型槽孔。

5.根据权利要求1所述的一种基于热胀冷缩驱动的空间曲线长孔加工装置，其特征在于：所述支撑架（2）的形状为倒立的U形。

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