专利名称：变参数振动钻削微孔的方法及其设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种加工微孔的装置，具体地说是指一种变参数振动钻削微孔的方法及其设备。
背景技术：
在航空、航天、汽车等工业领域大量零件上有长径比大的微孔加工工艺要求，微孔的加工质量如表面粗糙度、形状精度、出口毛刺等直接关系到产品的质量。目前，国内外加工微小孔(直径小于1mm)的主要方法有普通钻削、高速钻削、电火花加工、电火花复合超声振动加工和激光加工等。这些加工工艺方法存在一些问题，如电火花加工和激光加工的微小孔表面有加工硬化层，形状精度不高。另外，国内外也出现了振动微小孔加工的工艺设备，但其存在的问题是灵活性差，自动化程度低，在加工微小孔时不能根据不同的加工阶段选择合适的加工参数，如转速、振动幅度、振动品率和进给量等，为了进一步提高微小孔的加工质量，减少工艺路线，本发明人提出了变参数振动钻削微孔的方法和设备，该设备可以有效提高加工工艺的灵活性，针对不同的微孔和零件材料选择合适的加工参数，同时，设备结构设计紧凑，安装方便灵活，可以应用到许多种场合。
发明内容
本发明的目的是提供一种不同于传统钻削加工的特种加工方法，是在传统钻削加工的基础上使钻削工具产生一个轴向振动，从而有效改善加工条件，提高微孔加工质量和效率，特别针对难加工材料的微小孔钻削问题，可以有效解决加工工艺难题，提高自动化水平和灵活性。
本发明的一种变参数振动钻削微孔的方法，是在每一次钻削过程中根据钻削阶段的不同，分别采用不同的加工参数，钻削阶段可分为入钻阶段、钻削中阶段、出钻阶段三个阶段，加工参数设定为钻头振动频率、钻头振动幅度、钻头回转速度、钻头进给速度四个参数。
所述的钻削方法，设定工件表面至孔深0.5mm处为入钻阶段，孔深0.5mm处至距工件底面0.5mm处为钻削中阶段，钻头距工件底面0.5mm处为出钻阶段，根据划分的三个钻削阶段，结合工件材料和钻孔工艺要求设定加工参数为振动频率1～1000Hz、振动幅度1～10um、主轴转速0～27000rpm、进给速度1～20um/r。
所述的钻削方法，可以根据加工材料的不同和钻削孔径的变化分阶段调整加工参数。
所述的钻削方法，可以钻削直径为0.1mm～2mm的微孔，长径比达10∶1的细长孔。
本发明的一种变参数振动钻削微孔设备，由控制器、电源、步进电机、弹簧夹头、外套筒组成，其外套筒内设有连接联轴器、滚珠丝杠的丝杠支撑，电机的输出轴连在联轴器上，联轴器的另一端连接滚珠丝杠，滚珠丝杠、直流高速电机套在主轴电机支撑内，主轴电机支撑通过压板同铜套连成一体，电机固定在压板上并接电源，压板下端的铜套内设有压电陶瓷和弹簧，电机的输出轴连接主轴，弹簧夹头将钻头固定在高速精密主轴上。
所述的钻削设备，其步进电机输出轴通过联轴器带动滚珠丝杠产生转动，滚珠丝杠将回转运动转化为主轴电机支撑的轴线方向的直线运动，通过压板和弹簧的共同作用，对压电陶瓷施加一定的预紧力，带动高速精密主轴产生轴向进给，为钻头切削提供轴向进给。
所述的钻削设备，其激振源采用压电陶瓷产生1～1000Hz低频振动提供。
所述的钻削设备，其特征在于压电陶瓷产生的低频振动直接激励高速精密主轴产生1～10um振幅的响应。
所述的钻削设备，其弹簧夹子采用精密弹簧夹头，保证了安装钻头良好的钻头回转精度。
所述的钻削设备，同轴式的主轴进给方式，通过步进电机直接驱动滚珠丝杠的方式，带动高速精密主轴、压电陶瓷、直流高速电机一同进给。
本发明采用同轴使进给装置，优点是整个设备体积小、结构简单紧凑、进给平稳，可以将设备安装在任意机架上，轴线可以朝向任意位置，大大提高设备应用的灵活性和可靠性。
图1是本发明的设备结构示意图。
图2是将本发明的设备安装在普通钻孔操作架上示意图。
图3是本发明的设备钻削微小孔同普通微孔钻在轴向力方面的比较图。
图中1.步进电机 2.外套筒 3.滚珠丝杠 4.控制器 5.电源 6.直流高速电机 7.压电陶瓷 8.高速精密主轴 9.弹簧 10.铜套 11.精密弹簧夹头 12.联轴器 13.主轴电机支撑 14.压板 15.架子具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步的说明。
本发明的变参数振动钻削微孔方法，是根据钻削加工处于不同的阶段选取不同的加工参数，钻削加工包括三个阶段入钻阶段、钻削阶段、出钻阶段。入钻阶段要求能够保证钻头有很高的回转中心度，顺利入钻；钻削阶段要保证能够顺利断屑、排屑、冷却液能够较好的冷却、润滑钻头，提高钻头寿命；出钻阶段要求出口毛刺小，钻削力不会突然增大而导致钻头断裂。为此，在这三个阶段必须选择不同的加工参数，加工参数包括主轴转速、进给速度、钻头振动频率、钻头振动幅度。
在本发明中，设定工件表面至孔深0.5mm处为入钻阶段，孔深0.5mm处至距工件底面0.5mm处为钻削中阶段，钻头距工件底面0.5mm处位出钻阶段；根据划分的三个钻削阶段，结合工件材料和钻孔工艺要求分别在如下范围内设定加工参数振动频率(1～1000Hz)、振动幅度(1～10um)、主轴转速(0～27000rpm)、进给速度(1～20um/r)。
请参见图1所示，本发明的一种变参数振动钻削微孔设备，由控制器4、电源5、步进电机1、精密弹簧夹头11、外套筒2组成，其外套筒2内设有连接联轴器12、滚珠丝杠3的丝杠支撑，电机1的输出轴连在联轴器12上，联轴器12的另一端连接滚珠丝杠3，滚珠丝杠3、直流高速电机6套在主轴电机支撑13内，主轴电机支撑13通过压板14同铜套10连成一体，电机6固定在压板14上并接电源5，压板14下端的铜套10内设有压电陶瓷7和弹簧9，电机6的输出轴连接主轴8，精密弹簧夹头11将钻头固定在高速精密主轴8上。通过给压电陶瓷7施加1～1000Hz的交流电压使压电陶瓷7产生相同频率的伸缩，最后直接推动高速精密主轴8整体产生轴向振动，通过控制器4调节电源5的驱动频率和驱动电压，可以使钻头产生轴向不同频率和振幅的振动。本发明的主轴结构采用了压电陶瓷7上激振高速精密主轴8的方式，由于高速精密主轴8很轻，很容易被激振并产生较大振幅。高速精密主轴8的最高转速可以达到30,000r/min，而且带有精密弹簧夹头11，可以保证钻头的回转精度达到1um。本发明的主轴驱动电机选用了无级变速直流高速电机6，通过控制器4可以调节直流高速电机的转速。为防止钻头在加工过程中由于进给不均匀而造成损伤，本发明采用同轴式进给方式，这种进给方式是由步进电机1直接驱动滚珠丝杠3带动铜套10随直流高速电机6、压电陶瓷7、高速精密主轴8、弹簧9一起进给，最小进给为一个控制脉冲进给1um，并且不存在爬行现象。
本发明采用的变参数振动微孔钻削工艺可以使钻削微小孔时，特别是钻削难加工材料、复合材料时，在不同的钻削阶段选择不同的加工参数，而且参数选择范围很广，保证了加工质量同时，提高了加工效率。而且，变参数加工可以使本发明的设备可以取得广泛的应用，灵活性大大提高。
本发明采用压电陶瓷7激振高速精密主轴8产生振动的方式是钻头11产生轴向振动，这种结构的优点是振动体重量轻，容易起振，而且激振体体积小、功率大、结构紧凑，可以使整个设备的体积减小。
本发明采用同轴使进给装置，优点是整个设备体积小、结构简单紧凑、进给平稳，可以将设备安装在任意机架上，轴线可以朝向任意位置，大大提高设备应用的灵活性和可靠性。
如图3所示，是变参数振动微孔钻削设备钻削微小孔同普通微孔钻在轴向力方面的比较图，从图中可以看到变参数振动微孔钻削轴向力大大降低，而且变化平稳，特别是入钻和出钻阶段，没有轴向力突然升高的阶段，有利于提高钻头寿命、减小出口毛刺。通过具体实例可以看到，本发明通过变参数振动钻削可以有效提高加工质量和提高钻头寿命。
本发明的变参数振动钻削微孔设备可以将其安装在普通台钻的架子15上，可以方便的代替普通台钻，实现变参数振动微孔钻削设备，而且自动化程度大大提高。
例如在45号钢材料上钻削直径为0.5mm的孔，通过给压电陶瓷7施加频率为500～1000Hz、600v的交流驱动电压，使高速精密主轴8产生3～7um振幅的轴向振动。通过控制器4分别设定入钻阶段的参数(振动频率500Hz、振幅7um、转速23000r、进给速度1um/r)，钻削阶段的参数(振动频率750Hz、振幅5um、转速20000r、进给速度2um/r)和出钻阶段的参数(振动频率1000Hz、振幅3um、转速20000r、进给速度0.5um/r)，然后启动钻削微孔。本发明可以加工直径为0.1mm～2mm的微孔，微孔长径比可以达到20∶1，钻头寿命可以提高5～10以上，切削力可以下降一半以上。
本发明的设备有效改善了加工条件，提高了微孔加工质量和效率，特别针对难加工材料的微小孔钻削，可以得到有效解决，提高了自动化水平和灵活性。
权利要求
1.一种变参数振动钻削微孔的方法，其特征在于每一次钻削过程中根据钻削阶段的不同，分别采用不同的加工参数，钻削阶段可分为入钻阶段、钻削中阶段、出钻阶段三个阶段，加工参数设定为钻头振动频率、钻头振动幅度、钻头回转速度、钻头进给速度四个参数。
2.根据权利要求1所述的钻削方法，其特征在于设定工件表面至孔深0.5mm处为入钻阶段，孔深0.5mm处至距工件底面0.5mm处为钻削中阶段，钻头距工件底面0.5mm处为出钻阶段，根据划分的三个钻削阶段，结合工件材料和钻孔工艺要求设定加工参数为振动频率1～1000Hz、振动幅度1～10um、主轴转速0～27000rpm、进给速度1～20um/r。
3.根据权利要求1、2所述的钻削方法，其特征在于可以根据加工材料的不同和钻削孔径的变化分阶段调整加工参数。
4.根据权利要求1、2所述的钻削方法，其特征在于可以钻削直径为0.1mm～2mm的微孔，长径比达10∶1的细长孔。
5.一种变参数振动钻削微孔设备，由控制器、电源、步进电机、弹簧夹头、外套筒(2)组成，其特征在于外套筒(2)内设有连接联轴器(12)、滚珠丝杠(3)的丝杠支撑，电机(1)的输出轴连在联轴器(12)上，联轴器(12)的另一端连接滚珠丝杠(3)，滚珠丝杠(3)、直流高速电机(6)套在主轴电机支撑(13)内，主轴电机支撑(13)通过压板(14)同铜套(10)连成一体，电机(6)固定在压板(14)上并接电源(5)，压板(14)下端的铜套(10)内设有压电陶瓷(7)和弹簧(9)，电机(6)的输出轴连接主轴(8)，弹簧夹头(11)将钻头固定在高速精密主轴(8)上。
6.根据权利要求5所述的钻削设备，其特征在于步进电机(1)输出轴通过联轴器(12)带动滚珠丝杠(3)产生转动，滚珠丝杠(3)将回转运动转化为主轴电机支撑(13)的轴线方向的直线运动，通过压板(14)和弹簧(9)的共同作用，对压电陶瓷(7)施加一定的预紧力，带动高速精密主轴(8)产生轴向进给，为钻头切削提供轴向进给。
7.根据权利要求5所述的钻削设备，其特征在于激振源采用压电陶瓷(7)产生1～1000Hz低频振动提供。
8根据权利要求5所述的钻削设备，其特征在于压电陶瓷(7)产生的低频振动直接激励高速精密主轴(8)产生1～10um振幅的响应。
9.根据权利要求5所述的钻削设备，其特征在于弹簧夹头采用精密弹簧夹头(11)，保证了安装钻头良好的钻头回转精度。
10.根据权利要求5所述的钻削设备，其特征在于同轴式的主轴进给方式，通过步进电机(1)直接驱动滚珠丝杠(3)的方式，带动高速精密主轴(8)、压电陶瓷(7)、直流高速电机(6)一同进给。
全文摘要
本发明公开了一种变参数振动钻削微孔的方法及其设备，该设备由控制器、电源、步进电机、精密弹簧夹头、外套筒组成，其外套筒内设有连接联轴器、滚珠丝杠的丝杠支撑，电机的输出轴连在联轴器上，联轴器的另一端连接滚珠丝杠，滚珠丝杠、直流高速电机套在主轴电机支撑内，主轴电机支撑通过压板同铜套连成一体，电机固定在压板上并接电源，压板下端的铜套内设有压电陶瓷和弹簧，电机的输出轴连接主轴，精密弹簧夹头将钻头固定在高速精密主轴上。该方法为每一次钻削过程中根据钻削阶段的不同，分别采用不同的加工参数，钻削阶段可分为入钻阶段、钻削中阶段、出钻阶段三个阶段，加工参数设定为钻头振动频率、钻头振动幅度、钻头回转速度、钻头进给速度四个参数。
文档编号B23B41/00GK1418747SQ0215869
公开日2003年5月21日 申请日期2002年12月26日 优先权日2002年12月26日
发明者张德远, 陈志同, 季远, 姜兴刚 申请人:北京航空航天大学