专利名称：螺旋铣孔装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种螺旋铣孔方法及装置，尤其涉及大型工件多孔系的高效加工、难
加工材料生产中孔的高精度加工的螺旋铣孔方法与装置，属于切削加工技术领域。
背景技术：
装配制孔是飞机、大型飞行器制造装配的关键环节，制孔效率直接制约飞机总装周期，而制孔质量也将直接影响连接结构件的抗疲劳性能。对此，目前多采用传统的钻削加工技术。但是钻削制孔是一个连续的切削过程，对于导热较差的钛合金而言，钻削热量能迅速导致刀具的磨损失效。其次，传统钻削的轴向力很大，对于碳纤增强复合材料来说容易导致撕裂、劈裂、起毛、分层等致命性缺陷。此外，对于航空领域大量复杂孔系的装配制孔，采用传统的钻削方式需要大量的换刀操作，这直接影响装配制孔的生产效率。尤其随着航空结构件向着薄壁化、整体化和复杂化方向发展，机体结构长寿命、高质量、高效率、气动等方面的要求，使装配制孔比以往要求更高、更精；同时，复合材料、钛合金等难加工材料的用量大幅度增加，这些都为大飞机的装配采用新的制孔方法及其装置提出了明显需求。针对上述问题，目前一种基于螺旋铣削原理的制孔工艺，因具有切削力小、加工精度好、制孔效率高等优势，得到了国内外航空制造业及各大研究院所的高度重视。 美国专利US2003/0143049、 PCT/SE2008/050719、 PCT/SE03/00467公开了几种螺旋铣孔方法及装置，其工作原理都比较接近，刀具的径向偏移均是通过分别具有偏心内孔的内、外壳体的相对运动产生两次偏心调节来实现，且每个装置都是利用三个驱动系统实现刀具的自转、公转和轴向进给。其优点是刀具的自转、公转、轴向进给三者的速度可单独控制，而且通过内外壳体相互运动进行偏心调节，使整个装置的质量偏心带来的振动得到了很好抑制。但其装置组成复杂，增添了影响制孔精度的干扰因素，并且重量较大，这对与其配套的工作平台的性能要求很高，如工业机器人。 此外，中国申请(专利)号200910068518. 8，名称螺旋铣孔方法及装置，该装置也是由刀具的自转系统、旋转驱动系统、轴向进给系统、径向偏移机构四部分组成，但其径向偏移是采用一个外为椭圆、内为圆孔的内套筒与一蜗轮蜗杆传动副来实现。刀具的旋转速度是由旋转驱动装置带动一级齿轮传动来控制，而刀具的轴向进给是由带有进排气量的阀体来控制。
发明内容
本发明针对结构组成复杂易导致制造困难、制作成本高、加工精度难以保证以及重量大影响应用效益等方面的不足，基于螺旋铣削原理提出了一种利用一级丝杠传动实现刀具螺旋进给与以光栅尺辅助径向偏移定位的螺旋铣孔方法及装置。
—种螺旋铣孔装置，其特征在于 该装置包括用以实现刀具的轴向进给与公转的螺旋进给机构、用以调节刀具相对孔轴线公转半径的径向偏移机构、用于带动刀具自转的自转机构；
所述螺旋进给机构包括柱形壳体、通过滑槽安装于柱形壳体内的滑动支架、固定于滑动支架的公转电机、一端与公转电机输出轴相连并通过螺纹运动副安装于壳体内的柱形中空丝杠； 所述刀具自转机构包括自转电机，自转电机通过所述径向偏移机构安装于上述柱形中空丝杠的另一端。 所述径向偏移机构包括用于与中空丝杠固定相连的支撑端盖、用于与自转电机固定相连的偏移滑块，偏移滑块上固定安装或加工有齿条，支撑端盖上安装有与偏移滑块的齿条配合的驱动齿轮；支撑端盖与偏移滑块之间还设置有与上述齿条平行的滑槽限位结构，设置有锁紧螺钉和并紧螺栓。在支撑端盖与偏移滑块之间还设置有用于表示偏移量的光栅尺。所述驱动齿轮的内孔一端被套装于径向偏移滑块的固定芯轴上，另一端为内六角的扭转固定孔。 另外，上述刀具自转机构的电源供给是通过固定于中空丝杠底部的导电滑环与固定于滑动支架上的固定电极间的电性连接来实现。 —种根据上述螺旋铣孔装置的螺旋铣孔方法，其特征在于包括以下步骤 步骤1、刀具通过径向偏移机构相对孔的中心轴线被调至一定的偏置状态实现加
工孔半径调节； 步骤2、铣孔时，刀具的螺旋进给通过丝杠副实现，而刀具自转通过自转电机实现。
本发明具有如下效果1、由于轴向进给与公转是通过一级丝杠副实现，使螺旋铣孔装置结构变得简单易行，重量更轻，制造成本降低；2、因丝杠运动传递精度高，利用一级丝杠副同时实现轴向进给与公转使制孔精度得到了可靠保证；3、径向偏移调整采用一级齿轮齿条驱动，配以光栅尺使刀具与外壳体间能进行精确定位，从而保证制孔的尺寸精度；4、本发明涉及的方法与装置区别于传统钻削方式，切削力小，散热方便，刀具磨损小，可用于钛合金、碳纤复合增强材料等难加工材料的高精度孔系加工；5、本装置重量轻盈，可用作机器人自动制孔的末端制孔单元，实现一些特殊场合的自动制孔，如航空装配制孔；6、能实现一把刀具加工多种规格孔径，避免了频繁换刀，一次切削便可达到终孔尺寸，简化了工艺流程，提高了制孔效率。
图1为根据本发明的螺旋铣孔装置一较佳实施案例的结构示意图。 图2为本发明的刀具位于最大偏心状态，且螺旋进给机构的轴向进给处于初始位
置的示意图。 图3为本发明的刀具位于最大偏心状态，且螺旋进给机构的轴向进给处于最大位置的示意图。 图4为本发明的径向偏移机构沿图1剖切位置A-A的剖视图。 图5为图1的螺旋铣孔装置的底部向视图。 图6为本发明的螺旋铣孔方法一较佳实施案例的工作流程图。 图1 、图2、图3、图4、图5中标号名称1110、螺旋进给机构，1101 、柱形壳体，1102、
中空丝杠，1103、公转电机，1104、导线，1105、滑动支架，1106、固定螺栓，1107、固定电极，
1108、滑槽，1109、传动轴，1110、导电滑环，1111、并紧螺帽，1112、固定螺栓，1113、盖板二，
41114、盖板一，1115、丝杠副。 1200、径向偏移机构，1201、偏移滑块，1202、芯轴，1203、驱动齿轮，1204、光栅尺， 1205、支撑端盖，1206、并紧螺栓，1207、紧定螺钉。 1300、刀具自转机构，1301、自转电机，1302、刀具夹持机构，1303、刀具。 图中e :表示刀具径向偏移距离。 图6中标号名称401-404、方法实施步骤。
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施实例对本发明的螺旋铣孔装置及方法进行详细阐述。
图1是本发明公开的一种螺旋铣孔装置，该装置主要包括螺旋进给机构1100、径 向偏移机构1200、刀具自转机构1300。所述的径向偏移机构1200通过调整支撑端盖1205 经周向均布螺栓1112与螺旋进给机构1100相连，同时通过径向偏移滑块1201与刀具自转 机构1300固连。 刀具自转机构1300，其自转电机1301通过末端的刀具夹持机构1302与一定直径 的刀具1303相连。 螺旋进给机构包括柱形壳体1101、通过滑槽1108安装于壳体内的滑动支架1105、 固定于滑动支架1105的公转电机1103、底部与公转电机1103输出轴相连并通过螺纹运动 副安装于壳体内的中空丝杠1102，还包括通过径向偏移机构1200安装于中空丝杠1102上 部的自转电机1301，自转电机1301输出轴安装刀具1303 ;通过公转电机1103驱动中空丝 杠带动径向偏移机构1200和刀具1303同时进行轴向进给和公转。 径向偏移机构1200包括固定于中空丝杠1102上部的支撑端盖1205、还包括用 于固定自转电机的偏移滑块1201，偏移滑块1201 —侧通过齿条与安装于支撑端盖上的驱 动齿轮1203配合，另一侧通过燕尾槽与支撑端盖1205滑动互配，同时偏移滑块1201和支 撑端盖1205间还设置有锁紧螺钉1207和并紧螺栓1206，还包括用于显示偏移滑块1201与 支撑端盖1205相对偏移量的光栅尺1204。该光栅尺1204的滑块被固定在调整支撑端盖 1205和偏移滑块1201之一上，而导轨被固定在偏心调整支撑端盖1205和偏移滑块1201中 另一个上。上述驱动齿轮1203的内孔一端被套装于径向偏移滑块的固定芯轴1202上，另 一端为内六角的扭转固定孔。径向偏移机构1200上端面固定了一防屑落盖板一1113，其上 方中心部位装有一个随刀具径向偏移的防屑落盖板二 1114。 此外，刀具自转机构1300的电源供给是通过中空丝杠1102底部的导电滑环1110 在运转过程中始终与滑动支架1105上的固定电极1107间发生电性连接来实现。
本发明装置的工作原理如下铣孔时，首先根据孔的直径利用径向偏移机构1200 将刀具自转机构1300相对柱形壳体1101的轴线调至所需偏置状态，然后在螺旋进给机构 1100驱动下实现一把由自转电机1301带动的刀具对多种规格孔径进行连续的铣孔操作。 螺旋铣孔的一个较佳实施案例的工作流程如图6所示。 刀具自转机构1300，通过末端的刀具夹持机构1302实现刀具1303的换刀与装夹， 同时利用自转电机1301的调速功能来孔控制刀具1303的转速。 径向偏移调整如4所示。调整时，径向偏移机构1200，首先松开调整支撑端盖1205 上端面两并紧螺栓1206与一个侧面的紧定螺钉1207，利用专用扭转扳手旋转驱动齿轮
51203，在燕尾槽贴合面与齿轮齿条副的共同作用下偏移滑块1201带动刀具自转机构1300 沿着柱形壳体1101的径向进行滑移，具体调偏位置由固定在偏移滑块1201与调整支撑端 盖1205间的光栅尺1204及其外带数字显示器(图中未示出)来控制。到达所需位置时， 先拧紧侧向锁紧螺钉1207以消除齿轮齿条间传递间隙，然后并紧端面轴向并紧螺栓1206， 确保制孔时刀具自转机构1300与螺旋进给机构1100之间的准确定位。
螺旋进给机构1100工作时，该机构的公转电机1103通过传动轴1109带动中空丝 杠1102 —同产生周向旋转。由于该公转电机1103的滑动支架1105受到柱形壳体1101内 表面上四等分滑槽1108的周向约束以及柱形壳体1101与中空丝杠1102间的螺旋运动传 递，所述中空丝杠1102、公转电机1103及滑动支架1205将刀具自转机构1300、径向偏移机 构1200 —起沿着柱形壳体1101轴线方向前后移动，即完成刀具轴向的切削进给。图2、图 3分别表示中空丝杠1102处于轴向进给的初始位置和最大位置。因刀具自转机构1300经 偏移机构1200已调至相对柱形壳体1101处于偏置状态，所述刀具1303在进行轴向运动的 同时，也实现了相对孔轴线的螺旋式公转，即铣孔刀具也完成了公转的切削进给，最终以螺 旋进给达到螺旋铣孔目的。 以上所述仅为本发明涉及的螺旋铣孔装置及方法的一个较佳实施案例，但本发明 的实施范围并不局限于此例。
权利要求
一种螺旋铣孔装置，其特征在于该装置包括用以实现刀具(1303)的轴向进给与公转的螺旋进给机构(1100)、用以调节刀具(1303)相对孔轴线公转半径的径向偏移机构(1200)、用于带动刀具自转的自转机构(1300)；所述螺旋进给机构包括柱形壳体(1101)、通过滑槽(1108)安装于柱形壳体内的滑动支架(1105)、固定于滑动支架(1105)的公转电机(1103)、一端与公转电机(1103)输出轴相连并通过螺纹运动副安装于壳体内的柱形中空丝杠(1102)；所述刀具自转机构(1300)包括自转电机(1301)，自转电机通过所述径向偏移机构(1200)安装于上述柱形中空丝杠(1102)的另一端。
2. 根据权利要求1所述的螺旋铣孔装置，其特征在于上述径向偏移机构包括用于与中空丝杠(1102)固定相连的支撑端盖(1205)、用于与自转电机(1301)固定相连的偏移滑块(1201)，偏移滑块(1201)上固定安装或加工有齿条，支撑端盖(1205)上安装有与偏移滑块的齿条配合的驱动齿轮(1203);支撑端盖(1205)与偏移滑块(1201)之间还设置有与上述齿条平行的滑槽限位结构，设置有锁紧螺钉(1207)和并紧螺栓(1206)。
3. 根据权利要求2所述的螺旋铣孔装置，其特征在于上述支撑端盖(1205)与偏移滑块(1201)之间还设置有用于表示偏移量的光栅尺(1204)。
4. 根据权利要求2所述的螺旋铣孔装置，其特征在于上述驱动齿轮(1203)的内孔一端被套装于径向偏移滑块(1201)的固定芯轴(1202)上，另一端为内六角的扭转固定孔。
5. 根据权利要求l所述的螺旋铣孔装置，其特征在于上述刀具自转机构(1300)的电源供给是通过固定于中空丝杠(1102)底部的导电滑环(1110)与固定于滑动支架(1105)上的固定电极(1107)间的电性连接来实现。
6. —种利用权利要求1所述螺旋铣孔装置实现的螺旋铣孔方法，其特征在于包括以下步骤步骤1、刀具通过径向偏移机构相对孔的中心轴线被调至一定的偏置状态实现加工孔半径调节；步骤2、铣孔时，刀具的螺旋进给通过丝杠副实现，而刀具自转通过自转电机实现。
全文摘要
本发明涉及一种螺旋铣孔装置及方法，属于切削加工技术领域。该装置主要该装置包括用以实现刀具(1303)的轴向进给与公转的螺旋进给机构(1100)、用以调节刀具(1303)相对孔轴线公转半径的径向偏移机构(1200)、用于带动刀具自转的自转机构(1300)。本发明涉及的装置与方法能显著提高大型工件表面复杂孔系的制造质量与加工效率。
文档编号B23C3/00GK101786180SQ201010138419
公开日2010年7月28日 申请日期2010年3月31日 优先权日2010年3月31日
发明者何宁, 单以才, 卞荣, 李亮, 杨吟飞, 秦晓杰, 赵威, 陈建立 申请人:南京航空航天大学;南京信息职业技术学院