CN114603625A - 一种内嵌有智控冷风集尘罩的铣削执行器压力脚 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内嵌有智控冷风集尘罩的铣削执行器压力脚，包括压脚支撑架、智能检测单元、压紧端盖和智控冷风集尘罩。压脚支撑架前表面装有智能检测单元，中间为智控冷风集尘罩，通过压紧端盖固定。智控冷风集尘罩内部含有吸屑腔和冷风腔两部分，外部连接有低速冷风管、中速冷风管、高速冷风管和L型吸屑管道。冷风腔内部设有螺旋组合流道，连通于涡流循环槽。吸屑腔内部设有扇形腔，与L型吸屑管道相连通。本发明将压力脚的吸屑功能、冷却功能和压力检测功能相结合，在制孔过程中实现了制冷、吸屑功能的自动化控制，解决了温度高导致的制孔质量差以及切屑难收集等问题，有效的提高了制孔精度和加工效率。

Description

一种内嵌有智控冷风集尘罩的铣削执行器压力脚

技术领域

本发明涉及铣削制孔加工技术领域，具体涉及一种内嵌有智控冷风集尘罩的铣削执行器压力脚。

背景技术

随着航空航天事业的蓬勃发展，碳纤维增强复合材料(CFRP)以其质轻高强的优良特性，愈发被广泛应用。然而在对碳纤维增强复合材料(CFRP)进行制孔的过程中，受其内部纤维相的磨蚀作用，切削区温度很高，极易诱发加工损伤，导致构件承载能力和使用寿命随之下降。其次由于碳纤维增强复合材料(CFRP)在铣削制孔过程中产生大量由断裂碳纤维丝和树脂基颗粒组成的粉状切屑，所以无法采用传统切削液冲走碳纤维增强复合材料(CFRP)切屑。现阶碳纤维增强复合材料(CFRP)铣削加工产生切屑的排出方式，仍然以人工手持吸尘器排屑为主，这种排屑方式效率低，降低了碳纤维增强复合材料(CFRP)制孔质量且污染环境，同时也危害人们的身体健康。因此，需要一种更加智能创新的加工工艺或装置，对切削区进行冷却及自动吸屑，提升碳纤维增强复合材料(CFRP)的加工质量和制孔精度。

发明内容

本发明的目的是针对铣削执行器装置在加工碳纤维增强复合材料时切削区温度高及切屑难收集问题，提供一种具有冷却效果明显、吸屑效率高并且具有压力检测功能的铣削执行器压力脚装置。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案，一种内嵌有智控冷风集尘罩的铣削执行器压力脚，包括压脚支撑架、智能检测单元、压紧端盖、智控冷风集尘罩。该压力脚装置套设在主轴单元底部，沿主轴单元轴线分布。轴线前端的智能检测单元与工件相接触，智能检测单元前端胶粘有弹性气密胶封环，可以紧密的贴合工件，使装置形成密闭环境。智能检测单元中部为环形安装板，该环形安装板后端面开有3个均布的卡槽，卡槽内安装有压力检测模块。通过压力检测模块来实时检测所受的压力变化，进一步控制冷却、吸屑气路的通断。该智能检测单元安装于压脚支撑架的主视图前端面，所述的压脚支撑架下部设有基座板，通过螺钉连接固定在滑轨上。在基座板上设有4个支撑肋板，均匀分布于支撑架两侧，对整个压脚装置起到支撑连接的作用。在支撑基座的上方的智控冷风集尘罩固定单元，用于固定智控冷风集尘罩。该智控冷风集尘罩固定单元左部设有低速冷风流道槽；右部设有中速冷风流道槽；上部设有高速冷风流道槽；下部设有吸屑流道槽。分别用于定位安装低速冷风管、中速冷风管、高速冷风管和L形吸屑管。在压脚支撑架内部连接智控冷风集尘罩，该本体中心位置含有同主轴同心的切削通道。沿着轴线方向的冷风腔和吸屑腔分布于上下两侧，节省了工作空间同时可以保证吸屑与冷却功能互不干涉。所述智控冷风集尘罩可通过3D打印的方法制造，可以实现复杂流道结构的设计，可根据不同加工方式设计改变内部流道，方便快捷。

所述的冷风腔位于智控冷风集尘罩下部，冷风腔中心开有涡流循环槽，可以保证涡流冷风在该槽内循环吹至加工区域。其外侧包括入口直径为12mm低速冷风管、入口直径为10mm中速冷风管和入口直径为8mm高速冷风管，分别连接于涡流管冷气端。其内部包括三条螺旋流道，冷气导流至螺旋流道内形成随着刀具转动方向一致的冷风涡流，在相同气压条件下入口直径越小出口流速越高，形成的涡流中心温度越低。低温涡流气体作用于刀具与工件的切削区域达到冷却效果。所述吸屑腔位于冷风排屑罩的上部，其设有扇形腔、侧边吸屑槽和环形流道，外部连接一个L形吸屑管道，L形吸屑管道连接于真空发生器，可使吸屑腔内保持负压状态，可将加工过程中产生的切屑随着扇形腔入口吸入腔内。所述的压紧端盖，连接压脚支撑架的后端面，使智控冷风集尘罩的固定于压脚支撑架内。

所述的冷却、吸屑及压力检测的铣削执行器压力脚的工作方法，步骤如下：

a)将该压力脚装置固定于铣削执行器的轨道上，装置开机通电；

b)气缸推动压力脚向前运动，当压力脚装置压紧工件时，智能检测单元受力增加发出信号并反馈给控制电路，控制铣削铣执行器开始铣孔加工；

c)当刀具开始接触到工件时智能检测单元受力减小，控制电路接收到信号，启动空气压缩机使制冷系统开始工作；

d)制冷系统中涡流管与空气压缩机相连接，涡流管冷气端分别连接于智控冷风集尘罩的低速冷风流道、中速冷风流道和高速冷风流道，高压冷气经过冷风腔内部的螺旋组合流道使气体导入涡流循环槽内形成高速涡流，高速涡流气体的内外层产生能量分离，使内层气体温度低于入口气体温度，内层气体作用于刀具加工区域使冷却效果明显提升，根据加工状况可控制三条冷风流道的进气开关，来调节涡流转速，进一步控制加工区域的中心温度；

e)当刀具铣通工件时，智能检测单元受力增加，该模块发射信号控制空气压缩机断电，并启动真空发生器，真空发生器连接于L形吸屑管道使吸屑腔形成负压状态，吸入加工产生的切屑。在电路中接入时间继电器，设定时间，吸屑完成后控制真空发生器断电。

本发明的增益效果是：本发明将压脚的吸屑功能、冷却功能和压力检测功能相结合。利用智能检测单元实时检测刀具与工件在不同加工阶段轴向力的变化，快速发射信号反馈给控制电路。实现了在不同加工阶段自动控制装置制冷、吸屑功能的使用。可调节低速冷风管、中速冷风管和高速冷风管的进气控制开关来实现不同工况下的进气压力，不同压力的气体经过内部螺旋组合管道喷出形成不同转速的涡流，依据能量分离效应使涡流内层气体温度低于进气温度。加工工件时，该低温涡流作用于切削区有效的改善了加工区域因温度高导致诱发加工损伤、孔精度下降的问题。吸屑腔位于冷风腔上侧，保证了吸屑功能和冷却功能互不干涉，加工过程中产生的切屑可快速的通过两个扇形集屑腔吸入，解决了排屑效率低、环境污染的问题。

本发明的智控冷风集尘罩可通过3D打印的方法制造，可以实现复杂流道结构的设计，可根据不同加工方式设计改变内部流道，方便快捷。

附图说明

图1是本发明一种内嵌有智控冷风集尘罩的铣削执行器压力脚的三维立体图；

图2是本发明压脚支撑架的三维立体图；

图3是本发明智能检测单元的三维立体图；

图4是本发明环形安装板的三维立体图；

图5是本发明压紧端盖的三维立体图；

图6是本发明智控冷风集尘罩的三维立体图；

图7是图5所示智控冷风集尘罩的左视图；

图8是图6所示的A-A剖视示意图；

图9是图6所示的B-B剖视示意图；

图10是图6所示的C-C剖视示意图；

图11是本发明冷风腔内部流道的三维立体图；

图12是本发明一种内嵌有智控冷风集尘罩的铣削执行器压力脚一个实施案例的主剖视图。

图中：1、压脚支撑架，2、智能检测单元，3、压紧端盖，4、智控冷风集尘罩，1-1、基座板，1-2、支撑肋板，1-3、低速冷风流道槽，1-4、吸屑流道槽，1-5、中速冷风流道槽，1-6、刀具穿孔，1-7、智控冷风集尘罩固定单元，1-8、高速冷风流道槽，2-1、环形安装板，2-2、弹性气密胶封环，2-3、压力检测模块，3-1、环形凹槽，4-1、低速冷风管，4-2、L形吸屑管，4-3、切削通道，4-4、高速冷风流道，4-5、中速冷风流道，4-6、吸屑腔，4-7、涡流循环槽，4-8、冷风腔，4-9、扇形腔，4-10、侧边吸屑槽，4-11、弧形流道，4-12、螺旋组合流道，Ⅰ、螺旋流道，Ⅱ、流道出口，Ⅲ、过渡连接段管道。

具体实施方式

下面结合附图及实施例中的对本发明进行清楚完整的描述，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种内嵌有智控冷风集尘罩的铣削执行器压力脚，使用于安装在铣削执行器前端，用于铣孔过程中对刀具切削区降温，对加工过程产生的切屑进行高效排屑，同时可以检测加工过程中刀具所受的轴向力，并通过检测压力的变化来调控制冷、吸屑功能的使用。如图12所示，具有冷却、吸屑及压力检测功能的铣削执行器压力脚的一个实施案例的主剖视图。包括铣削执行器的主轴刀柄单元、专用铣刀、厚度为6mm的碳纤维增强复合材料(CFRP)板、压力脚单元、安装于压脚单元前端的智能检测单元。

如图1所示一种内嵌有智控冷风集尘罩的铣削执行器压力脚的外形尺寸为282mm×97mm×262mm，包括压脚支撑架1、智能检测单元2、压紧端盖3、智控冷风集尘罩4。如图2所示压脚支撑架1，设有基座板1-1、支撑肋板1-2、低速冷风流道槽1-3、吸屑流道槽1-4、中速冷风流道槽1-5、刀具穿孔1-6、智控冷风集尘罩固定单元1-7和高速冷风流道槽1-8。所述基座板1-1位于压脚支撑架的下端，外形轮廓呈梯形。基座板1-1开有螺纹孔数量为8个，对称分布于基座板的两侧，用于压力脚与导轨的连接。所述的支撑肋板1-2数量为4个，均匀分布于支撑架两侧，对整个压脚装置起到支撑连接的作用。所述的低速冷风流道槽1-3分布于智控冷风集尘罩固定单元1-7左侧，连通于压脚架主视图后端面，所述中速冷风流道槽1-5位于智控冷风集尘罩固定单元1-7右侧，所述的高速冷风流道槽1-8位于智控冷风集尘罩固定单元1-7上侧，分别用于固定安装低速冷风管、中速冷风管和高速冷风管。所述吸屑流道槽1-4分布于智控冷风集尘罩固定单元1-7的下部，连通于压脚支撑架主视图后端面，所述智控冷风集尘罩固定单元1-7位于支撑基座的上方，其内部是一个直径为150mm的圆柱形腔体，用于固定安装智控冷风集尘罩。所述刀具穿孔1-7位于智控冷风集尘罩固定单元中心，直径为50mm。压脚支撑架前端面开有3个均布于刀具穿孔外圆周的螺纹孔，压脚支撑架后端面开有12个安装孔来固定压紧端盖。

如图3、4所示智能检测单元2前端胶粘有弹性气密胶封环2-2，所述智能检测单元2中间部分为环形安装板2-1，所述环形安装板2-1后端面开有3个均布的卡槽2-4，所述卡槽2-4内侧为阶梯圆孔，外侧为贯通的矩形槽，所述卡槽2-4下端面开有螺纹通孔。卡槽2-4内安装有测力范围为0-7.5kN的压力检测模块2-3，用于检测加工过程中轴向力的变化，进一步来控制装置中制冷、吸屑功能的控制开关，实现了自动化控制。智能检测单元2用螺钉固定在压脚支撑架上，达到预紧安装的效果。

如图5所示压紧端盖3的环形凹槽3-1直径为155mm。在端盖外圆周开有均匀分布的沉头孔，所述压紧端盖3通过螺钉固定于压脚支撑架1后端面，用于夹紧智控冷风集尘罩4。

如图6所示智控冷风集尘罩4，其特征在于：该本体为直径150mm的圆柱体，中心位置含有直径50mm、高度55mm的切削通道4-3，该本体内部含有冷风腔4-8和吸屑腔4-6分布于上下两侧，节省了工作空间同时可以保证吸屑与冷却功能互不干涉。

如图10、11所示冷风腔4-8，其特征在于：所述的冷风腔4-8内部包含三条螺旋组合流道4-12，分别对应连接入口直径为12mm的低速冷风流道4-1、入口直径10mm中速冷风流道4-5和入口直径8mm高速冷风流道4-4。在过渡连接段管道Ⅲ直径由外到内呈比例减小，小径端紧接于一段螺旋流道Ⅰ，所述螺旋流道前半段螺旋轨迹为涡状线，后半段为螺旋线，出口流道Ⅱ与螺旋流道Ⅰ的末端相衔接，流道出口相切于冷风腔4-8内的涡流循环槽4-7内壁，整体流道线形呈斐波那契螺旋线状。冷风腔4-8中心开有直径为60mm、高度18mm涡流循环槽4-7。所述的低速冷风流道4-1、中速冷风流道4-5和高速冷风流道4-4与涡流管制冷端相连接，涡流管进气压力为0.6MPa。在相同进气压力条件下，入口直径越小导致进气压力越大。高压气体通过螺旋组合流道4-12导入涡流循环槽，产生高速涡流。高速涡流在涡流循环槽4-7内产生能量分离效应，使内层气体温度低于入口气体温度，低温冷气作用于加工区域，改善了加工区域因温度高导致诱发加工损伤、孔精度下降的问题。

如图9所示吸屑腔4-6，其特征在于：两个扇形腔4-9对称分布在吸屑腔4-6的两侧。所述扇形腔4-9上、下表面呈流线形，靠进中心通孔的的出口位置呈喇叭状，下表面的扇形周边开有侧边吸屑槽4-10，可以更加流畅的吸入切屑。其中一个扇形腔(4-9)与L形吸屑管道4-3相连通，两个扇形腔4-9通过两条弧形流道4-11相连通，在L形吸屑管4-2连接于真空发生器，所述真空发生器负压为2.7kPa。所述的L形吸屑管4-2水平段截面外轮廓呈矩形，截面内部管道呈圆形，垂直段截面内外轮廓均为圆形。

所述一种内嵌有智控冷风集尘罩的铣削执行器压力脚的工作方法，步骤如下：

将该压力脚装置固定于铣削执行器的轨道上，装置开机通电。气缸推动压力脚向前运动直至压紧碳纤维增强复合材料(CFRP)板，气缸停止工作。智控模块发射信号控制铣削铣执行器开始铣孔加工。主轴刀柄单元轴向进给，当刀具单元初始接触工件，智控模块检测到压力减小，控制电路接收信号并让空气压缩机开始工作。空气压缩机为涡流管提供入口压力为0.6Mpa的高压气体，把涡流管冷气端口与智控冷风集尘罩的冷风流道相连，高压冷气经过所述冷风腔内部的螺旋组合流道，使冷气在涡流槽内形成高速冷风涡流，高速涡流内外产生能量分离，中心温度降低可以使刀具加工区域冷却效果提升。制冷系统中涡流管与空气压缩机相连接，空气压缩机为涡流管提供入口压力为0.6Mpa的高压气体。涡流管冷气端分别接入智控冷风集尘罩的低速冷风流道4-1、中速冷风流道4-5和高速冷风流道4-4。高压冷气经过冷风腔4-8内部的螺旋组合流道4-1使气体导入涡流槽内形成高速涡流。高速涡流气体的内外层产生能量分离，使内层气体温度低于入口气体温度，内层低温气体作用于刀具加工区域使冷却效果明显提升。根据加工要求分别控制低速冷风流道、中速冷风流道和高速冷风流道的进气开关，调节涡流转速，进一步控制加工区域的中心温度。当刀具铣穿碳纤维增强复合材料(CFRP)板的瞬间，智控模块检测到压力增加，发射信号控制空气压缩机断电，同时启动真空发生器。真空发生器连接于L形吸屑管道使吸屑腔形成负压状态，切屑沿着轴线方向被吸入吸屑腔内。电路中接入时间继电器，设定时间为15s，吸屑完成后控制真空发生器断电，达到高效收集切屑的目的。

Claims (9)

1.一种内嵌有智控冷风集尘罩的铣削执行器压力脚，其特征在于：包括压脚支撑架(1)、智能检测单元(2)、压紧端盖(3)、智控冷风集尘罩(4)，所述压脚支撑架(1)设有基座板(1-1)、支撑肋板(1-2)、低速冷风流道槽(1-3)、吸屑流道槽(1-4)、中速冷风流道槽(1-5)、刀具穿孔(1-6)、智控冷风集尘罩固定单元(1-7)和高速冷风流道槽(1-8)，所述智能检测单元(2)包括环形安装板(2-1)、弹性气密胶封环(2-2)和压力检测模块(2-3)，所述智控冷风集尘罩(4)内部分为冷风腔(4-8)、吸屑腔(4-6)两部分，所述冷风腔(4-8)位于智控冷风集尘罩(4)下部，其外侧包括低速冷风管(4-1)、中速冷风管(4-5)和高速冷风管(4-4)，其内部包括三条螺旋流道(4-12)，其中心位置有涡流循环槽(4-7)，所述吸屑腔(4-8)位于冷风排屑罩的上部，其内部设有扇形腔(4-9)、侧边吸屑槽(4-10)和环形流道(4-11)，外部连接一个L形吸屑管道(4-3)，所述压紧端盖(3)设有环形凹槽(3-1)。

2.根据权利要求1所述的压脚支撑架(1)，其特征在于：所述基座板(1-1)位于压脚支撑架的下端，外形轮廓呈梯形，所述的支撑肋板(1-2)数量为4个，均匀分布于支撑架两侧，所述的低速冷风流道槽(1-3)分布于智控冷风集尘罩固定腔(1-7)左侧，连通于压脚架主视图后端面，所述中速冷风流道槽(1-5)位于智控冷风集尘罩固定腔(1-7)右侧，所述的高速冷风流道槽(1-8)位于智控冷风集尘罩固定腔(1-7)上侧，所述吸屑流道槽(1-4)分布于智控冷风集尘罩固定腔(1-7)的下侧，连通于压脚支撑架后端面，所述智控冷风集尘罩固定单元(1-7)位于支撑基座的上方，其内部是一个圆柱形腔体，所述刀具穿孔(1-6)位于智控冷风集尘罩固定单元中心，直径大于铣削执行器所用刀柄直径5-10mm。

3.根据权利要求1所述智能检测单元(2)，其特征在于：所述智能检测单元(2)前端胶粘有弹性气密胶封环(2-2)，所述智能检测单元(2)后端为环形安装板(2-1)，所述环形安装板(2-1)后端面开有3个均布的卡槽(2-4)，所述卡槽(2-4)内安装有压力检测模块(2-3)，所述压力检测模块(2-3)通过螺钉固定在压脚支撑架上。

4.根据权利要求1所述的智控冷风集尘罩(4)，其特征在于：该本体外形为圆柱体，中心位置有同刀具穿孔(1-5)直径相同的切削通道(4-3)，该本体内部含有冷风腔(4-8)和吸屑腔(4-6)分布于上下两侧。冷风腔中心开有涡流循环槽(4-7)，直径大于所述切削通道(4-3)直径5-15mm。

5.根据权利要求4所述的冷风腔(4-8)，其特征在于：所述的冷风腔(4-8) 内部包含三条螺旋组合流道(4-12)，分别连接外部的低速冷风流道(4-1)、中速冷风流道(4-5)和高速冷风流道(4-4)，在过渡连接段管道(Ⅲ)直径随管道长度成比例减小，小径端紧接于一段螺旋流道(Ⅰ)，所述螺旋流道(Ⅰ)的轨迹线前半段为涡状线，后半段为螺旋线，所述流道出口(Ⅱ)与所述螺旋流道(Ⅰ)的末端相衔接，所述流道出口相切于冷风腔(4-8)内的涡流循环槽(4-7)内壁，整体流道线形呈斐波那契螺旋线状。

6.根据权利要求4所述的低速冷风管(4-1)、中速冷风管(4-5)和高速冷风管(4-4)其特征在于：三条冷风管均相切于智控冷风集尘罩(4)的外壁，内部流道轮廓为圆台形，连通于冷风腔(4-8)，外部轮廓截面形状为矩形，低速冷风管(4-1)入口直径12mm，中速冷风管(4-5)入口直径10mm,高速冷风管(4-4)入口直径8mm，三条冷风管沿智控冷风集尘罩(4)外壁均匀分布，低速冷风管(4-1)和中速冷风管(4-5)末端接有一段V形管。

7.根据权利要求4所述吸屑腔(4-6)，其特征在于：两个扇形腔(4-9)对称分布在吸屑腔(4-6)的两侧，所述扇形腔(4-9)上、下表面呈流线形，靠进中心切削通道(4-3)的出口位置呈喇叭状，下表面的扇形周边开有侧边吸屑槽(4-10)，其中一个扇形腔(4-9)与L形吸屑管道(4-3)相连通，两个扇形腔(4-9)通过两条弧形流道(4-11)相连通，在L形吸屑管连接于真空发生器，所述的L形吸屑管(4-2)，该管道水平段截面外轮廓呈矩形，截面内部呈圆形，垂直段截面内外轮廓均为圆形。

8.根据权利要求1所述压紧端盖(3)，其特征在于：所述压紧端盖(3)的环形凹槽(3-1)直径大于智控冷风集尘罩(4)外径5mm,该压紧端盖(3)通过螺钉与压脚支撑架(1)和智控冷风集尘罩(4)相连接。

9.利用权利要求1所述的冷却、吸屑及压力检测的铣削执行器压力脚的工作方法，其特征在于：

a)将该压力脚装置固定于铣削执行器的轨道上，装置开机通电；

b)气缸推动压力脚向前运动，当压力脚装置压紧工件时，智能检测单元(2)受力增加发出信号并反馈给控制电路，控制铣削铣执行器开始铣孔加工；

c)当刀具开始接触工件时智能检测单元(2)受力减小，控制电路接收信号，启动空气压缩机使制冷系统开始工作；

d)制冷系统中涡流管与空气压缩机相连接，涡流管冷气端分别接入智控冷风集尘罩的低速冷风流道(4-1)、中速冷风流道(4-5)和高速冷风流道(4-4)，高压冷气经过冷风腔(4-8)内部的螺旋组合流道(4-12)使气体导入涡流槽内形成高速涡流，高速涡流气体的内外层产生能量分离，使内层气体温度低于入口气体温度，内层低温气体作用于刀具加工区域使冷却效果明显提升，根据加工状况控制三条冷风流道的进气开关，调节涡流转速，进一步控制加工区域的中心温度；

e)当刀具铣通工件时，智能检测单元(2)受力增加，该模块发出信号控制空气压缩机断电，同时启动真空发生器，真空发生器连接于L形吸屑管道(4-3)，使吸屑腔(4-6)保持负压状态，吸入加工产生的切屑，在电路中接入时间继电器，设定时间，吸屑完成后控制真空发生器断电。

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