专利名称：自动螺旋铣孔单元的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种大型飞机装配过程中，自动钻铆装备是必备的装备，尤其涉及自动螺旋 铣孔单元。
背景技术：
现在我国正处于制造技术快速发展的时期，切削加工作为制造技术的主要基础工艺。航 空航天是制造业最为重要的组成部分之一，是高新技术最为富集的产业。在航空制造中，大 量零部件都需要进行装配，需要加工成千上万的孔。现代飞机装配对自动制孔提出了新的要 求。由于现代飞机结构长寿命、隐身、结构互换性等的要求，所以要求装配制孔更精、更严;其次复合材料、钛合金等难加工材料应用比重加大，这提高了制孔的难度；飞机特别是大 型飞机对大量大尺寸孔的要求高效高质量，这也提高了制孔的难度。在传统的钻孔过程中，主轴中心的线速度为零，即其钻头的中心不参与切削，而这一中 心区域工件材料的去除完全是依靠钻机向下的推力将其挤出的，因而钻孔加工时的钻头所承 受的Z向力非常大，在加工钛合金等高硬度材料时，刀具的快速磨损失效是很普遍的现象。 传统钻孔加工过程是一个连续的切削过程，刀刃与工件始终接触，切削时刀刃与工件接触面 温度很高，钛合金的导热性又比较差，切削过程导致热量的累积，这也将加速刀具的磨损失 效导致加工表面质量下降。PCT申请PCT/SE94/00085公开了一种利用上述加工工艺制孔的手动工具。该专利包括 一个可以绕其自身的轴线和一个主轴线旋转的刀具夹具， 一个用于沿位于该点表面的垂直方 向上调节该刀具夹具的转动轴线部件， 一个相对于工件的轴向进给部件， 一个用于调节刀具 夹具的主轴线和旋转轴线之间的径向距离的部件。该专利已公开的手动工具不能提供一种切 实可行的使用性方案而且它远不能满足航空领域中对孔加工质量的要求。因为它的明显缺陷 在于定位靠手动，这样严重影响到孔的位置精度，而且手持，不能提供太大的刚度，这也3会影响到孔的同轴度和表面质量。对于该手动工具的一个基本要求就是质量轻和便于使用， 而该专利并没有提供一种结构紧凑且质量轻的结构。发明内容本发明的目的在于克服已有技术的不足，提供一种只需要一把刀具、不需要再进行精加 工，就可以加工不同直径的高质量的孔，减少了换刀时间，大大縮小了企业的刀具库存，大 大提高了效率的自动螺旋铣孔单元。本发明的自动螺旋铣孔单元，它包括刀具自转系统、径向偏移系统、公转系统，它还包 括一个具有内孔的套筒，所述的套筒的内孔的轴线与所述的套筒的外圆周的轴线为偏心设置 ，在所述的套筒外通过轴承连接有机架，所述的刀具自转系统包括具有圆筒外壳的驱动装置 ，所述的驱动装置通过轴承可转动地设置在所述的套筒内孔内，所述的驱动装置的输出轴与 一个夹有刀具的卡具相连，所述的驱动装置的输出轴与驱动装置的外壳的轴线偏置设置，所 述的径向偏移系统包括一台具有电磁刹车器的步进电机，步进电机的法兰与所述的套筒固定 相连并且其输出轴与所述的驱动装置的外壳同轴线固定相连，所述的公转系统包括旋转电机 ，所述的旋转电机的内圈固联在套筒上、外圈固联在机架上。本发明结构应用在高强度难切削、难加工材料的加工上，例如钛合金，复合材料等， 尤其应用到航空航天领域的制造装配中。它与传统的加工工具相比，明显提高了加工效率、 加工质量、降低了加工成本、节约了产品开发生产周期，而且本结构便于实现自动化。具体 表现如下1. 提高孔质量相对于传统的打孔技术，螺旋铣孔显著的提高了孔质量和强度。螺旋铣孔属于断续间歇 的切削，较低的铣削力使得所加工的孔无毛刺。散热快，切削温度低。刀具直径比孔小，切 屑很好的得到排除，极大地降低了孔表面的粗糙度，在加工复合型材料的情况下，消除了以 往传统打孔由于刀尖钝化导致的脱层、剥离，孔表面质量低的情况。2. 縮短研制周期和节约企业加工成本在制造加工飞机时，该技术将会大大縮短研发周期和降低企业成本花费。因为该技术， 同一把刀可加工不同直径的孔，复杂形状的孔，由于其加工具有高质量的性能，可以节省传 统的锪锥孔，铰孔等工作。这样使得加工孔的刀具种类型号会不断减少。就整个研制周期来 看，螺旋铣孔工艺会减少很多工序，如分解拆卸后对不同孔分别进行毛刺去除处理，铰孔清除冷却液，再进行组装。这些工序在采用本发明装置后都将会消除。在飞机制造业中使用本 发明装置螺旋铣孔技术，能大大縮短加工周期，降低成本。 3.高度自动化
本装置是模块化的钻孔单元，而且它和机械手或大飞机装配中心相配合，组成机翼壁板 制孔系统、长桁柔性制孔系统、柔性跟踪制孔单元、小型移动式自动制孔单元、机器人制孔 系统等。在数控系统的操纵下，容易实现高度的自动化，縮短加工时间，降低加工成本。
图l是螺旋铣孔加工示意图； 图2是螺旋铣孔运动示意图3是本发明的自动螺旋铣孔单元的结构示意图;
图4是本发明的铣孔单元的偏移原理图； 图5是本发明采用的电磁刹车器的结构示意图。
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
如图1一2所示，本发明的结构是基于一种螺旋铣的加工工艺而研制出来的。因而，螺旋 铣的原理也就是本发明的精髓。如图1所示，其中l指刀具中心运动轨迹、2指孔中心线、3指 轴向进给方向、4指刀具、5指刀具中心线。螺旋铣孔工艺过程是一个"以铣代钻"过程，利 用螺旋进给的方式实现切削运动。螺旋铣孔过程的运动是由主轴的"自转"运动和刀具绕孔 中心线的"公转"运动以及主轴的Z向进给，这三个运动复合而成的，这种特殊的运动方式 决定了螺旋铣孔过程的优势。图2中2-l指所加工的孔，2-2指刀具中心走过的轨迹，2-3指刀 具某时刻刀具的位置。为某所加工孔的中心，02某时刻刀具的中心。
如图3所示的本发明自动螺旋钻孔单元，它包括刀具自转系统13、径向偏移系统14、公转 系统15，它还包括一个具有内孔的套筒5，所述的套筒5的内孔的轴线与所述的套筒的外圆周 的轴线为偏心设置，在所述的套筒5外通过轴承连接有机架6，所述的刀具自转系统包括具有 圆筒外壳的驱动装置9，所述的驱动装置9通过轴承4可转动地设置在所述的套筒内孔内，轴 承4的一端连接有轴承压盖3。所述的驱动装置9的输出轴与一个夹有刀具1的卡具2相连，所述的驱动装置9的输出轴与驱动装置的外壳的轴线偏心置设置，所述的径向偏移系统包括一 台具有电磁刹车器11的步进电机12，步进电机12的法兰与套筒固定相连并且其输出轴与所述 的驱动装置9的外壳同轴线固定相连，所述的公转系统包括旋转电机，所述的旋转电机的内 圈固联在套筒5上、外圈固联在机架6上。套筒内孔和驱动装置外壳之间以及套筒外壁与机架 6之间设置有密封圈8。
本装置的工作原理如下
刀具1在绕着刀具中心线17自转的同时又在绕着机架轴线18公转，这样用螺旋铣的加工 工艺来实现孔的加工。刀具的自转由气动马达9或电主轴来实现的。径向偏移是通过气动马 达9与套筒5相对转动实现的。套筒的内轮廓和外轮廓是偏心圆，而且马达和刀具的轴线也是 不重合的，所以通过调整气动马达和套筒的相对转动就能调整机架轴线和刀具轴线的距离， 从而调整径向偏移距离。公转是通过旋转电机内圈与套筒5固联，旋转电机的外圈与机架固 联的一个旋转电机实现的。在公转时，气动马达与套筒5通过电磁刹车器11固联，由于刀具 与气动马达9不同心，所以刀具的轴线17会沿着机架的轴线18做转动，完成公转。
自转系统的实现有两条途径。途径一气动方式。采用气动马达，气动马达市场有售， 气动马达结构主要包括进气门、气动马达、气囊、空压机、溢流阀、流量控制阀。其中空 压机、溢流阀、流量控制阀是外置的。空压机是用来产生高压气体的。溢流阀用于调节空压 机输出的压力，流量控制阀用于调节进入马达的流量。转矩与压力有关，转速与流量有关。 溢流阀一种压力控制阀。在气压设备中主要起定压溢流作用和安全保护作用。流量控制阀是 在一定压力差下，依靠改变节流口液阻的大小来控制节流口的流量，从而调节执行元件(液 压缸或液压马达)运动速度的阀体。气动马达是把高压气体转化为机械能的装置，气囊10的 目的是降低噪音。途径二电动方式，由电主轴来实现。电主轴在市场有售。电主轴是"高
频主轴"的简称，作为一种机电一体化的高科技产品它把机床主传动链的长度縮短为零，实 现了机床的"零传动"，具有结构紧凑、机械效率高、可获得极高的回转速度、回转精度高 、噪声低、振动小等优点。电主轴由无外壳电机、主轴、轴承、主轴单元壳体、驱动模块和
冷却装置等组成。对比两种方式气动的好处是结构紧凑、空间位置小、成本低、操作简单 ，但是有噪声，回转精度相对低一点，电主轴好处是机械效率高、可获得极高的回转速度、 回转精度高、噪声低、更利于自动控制、振动小，但是空间位置大，造价高。
径向偏移机构是通过套筒5和气动马达的相对转动来实现的。当系统工作时，径向偏移
量是恒定的，即套筒和气动马达没有相对转动，本发明是通过一个电磁刹车器实现套筒和气
6动马达的固联的。而旋转运动是用一个步进电机来完成的。也可以在厂家购得步进电机与电 磁刹车器的集成产品。如图4所示的图中，是套筒外轮廓的圆心也是机架的圆心；02是套 筒内轮廓的圆心，由于安装关系，02也是启动马达的中心；03是刀具的轴线。由此可知Oi 02 为套筒的偏心距，0203气动马达的偏心距。公转时，套筒在绕(^转动，所以(^是公转的轴心 ，同时也是加工孔的中心；而气动马达绕着03自转，所以Oi 03为刀具的径向偏移距离，而加 工的孔的半径为C^03与刀具半径之和。调整Oi 03的距离就可以调整所要加工的孔的直径。实 现的方法是气动马达在套筒内的转动。也就是03绕着(^转动。设径向偏移距离为L，那么有 如下关系
Oi 02+ 02 03《L《I 02- 02 03 I
电磁刹车器ll市场有售是一种断电刹车的装置，工作原理如图5所示定子壳体内装有 线圈ll-l，该线圈为涂有合成树脂的铜线。当电流流过线圈时，当电流流过线圈时，会产生 磁场，在磁场的引力作用下，电枢ll-2会朝摩擦衬片运动，于是将制动扭矩传递给输出转子 11-3。输出转子带动套在其上的步进电机的输出轴转动，从而带动驱动装置9的外壳转动。 而当断电之后，弹性片会将电枢拉回其原始位置，将输出转子锁死，实现步进电机的输出轴 制动，从而使驱动装置9的外壳停止转动。这样可以确保在加工状态下，驱动装置9的轴线不 能移动，确保孔的加工直径。 一般电动机都是连续旋转，而步进电动却是一步一步转动的， 故叫步进电动机。每输入一个脉冲信号，该电动机就转过一定的角度。因此步进电动机是一 种把脉冲变为角度位移的执行元件。步进电动机的转子为多极分布，定子上嵌有多相星形连 接的控制绕组，由专门电源输入电脉冲信号，每输入一个脉冲信号，步进电动机的转子就前 进一步。由于输入的是脉冲信号，输出的角位移是断续的。当给定确定的径向偏移量之后就 可以计算出套筒和气动马达的相对转动角度，进而给步进电机相应的信号，即可完成径向偏 移。
公转系统由一个旋转电机来实现。旋转电机由一个初级环和次级环组成。初级环包括线 圈系统、次级环由永磁体系统组成。当初级通电以后，电磁力在次级上的作用表现为相应的 扭矩。该电机机构紧凑，轴向设计简短。公转系统利用了该类电机的大中空内径的特性，内 圈固联在套筒上，外圈固联在机架上，实现了公转。
权利要求
1.自动螺旋铣孔单元，它包括刀具自转系统、径向偏移系统、公转系统，其特征在于它还包括一个具有内孔的套筒，所述的套筒的内孔的轴线与所述的套筒的外圆周的轴线为偏心设置，在所述的套筒外通过轴承连接有机架，所述的刀具自转系统包括具有圆筒外壳的驱动装置，所述的驱动装置通过轴承可转动地设置在所述的套筒内孔内，所述的驱动装置的输出轴与一个夹有刀具的卡具相连，所述的驱动装置的输出轴与驱动装置的外壳的轴线偏置设置，所述的径向偏移系统包括一台具有电磁刹车器的步进电机，步进电机的法兰与所述的套筒固定相连并且其输出轴与所述的驱动装置的外壳同轴线固定相连，所述的公转系统包括旋转电机，所述的旋转电机的内圈固联在套筒上、外圈固联在机架上。
2 根据权利要求l所述的自动螺旋铣孔单元，其特征在于所述的驱 动装置为气动马达。
3 根据权利要求l所述的自动螺旋铣孔单元，其特征在于所述的 驱动装置为电主轴。
全文摘要
本发明公开了自动螺旋铣孔单元，它包括刀具自转系统、径向偏移系统、公转系统，它还包括一个具有内孔的套筒，套筒的内孔的轴线与套筒的外圆周的轴线为偏心设置，在套筒外连接有机架，刀具自转系统包括具有圆筒外壳的驱动装置，驱动装置可转动地设置在套筒内孔内，驱动装置的输出轴与一个夹有刀具的卡具相连，驱动装置的输出轴与驱动装置的外壳的轴线偏置设置，径向偏移系统包括一台具有电磁刹车器的步进电机，步进电机的法兰与套筒固定相连并且其输出轴与驱动装置的外壳同轴线固定相连，公转系统包括旋转电机，旋转电机的内圈固联在套筒上、外圈固联在机架上。本发明结构应用在高强度难切削、难加工材料的加工上，明显提高了加工效率、加工质量。
文档编号B23C3/00GK101633060SQ20091030602
公开日2010年1月27日 申请日期2009年8月25日 优先权日2009年8月25日
发明者冀晓来, 松 滑, 琦 王, 秦旭达 申请人:天津大学