专利名称：一种用于螺旋铣装置的偏移机构的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种 用于螺旋铣装置的偏移机构。
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。为了提高飞机的运载能力，降低飞机自重，铝合金、钛合金、碳纤维复合材料(CFRP)等广泛应用在航空领域。钛合金、碳纤维复合材料是典型的难加工材料，加之现代飞机结构的长寿命、隐身、结构互换性等，对装配制孔提出了更高质量、高精度的要求。传统的航空装配孔的制孔工艺一般包括钻底孔、扩孔、铰孔、锪沉孔等工序，在两种材料一体化装配制孔过程中，一般还在扩孔完成后，拆开两种材料进行清理，重新定位，再铰孔，这导致加工效率极低。制孔成为航空装配制造过程最繁重的机械加工工序之一。因此传统的钻孔已经不能满足现在航空产业对制孔质量的要求。螺旋铣孔是一种新型制孔工艺，是用一把小于孔直径的刀具通过自身自转的同时围绕着制孔中心以一定偏移量做公转的螺旋制孔工艺。螺旋铣孔实质是一个“以铣代钻”过程，利用螺旋进给的方式实现钻削运动。PCT/SE94/00085公开了一种利用上述加工工艺制孔的手动工具。该实用新型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。尽管上述实用新型公开了螺旋铣的工作原理，但是这种已公开的实用新型并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。
实用新型内容为了解决上述技术问题，本实用新型公开了一种用于螺旋铣装置的偏移机构，其中，所述螺旋铣装置具有自转驱动件、刀具自转主轴、公转驱动件以及公转轴，所述刀具自转主轴由所述自转驱动件驱动，所述公转轴由所述公转驱动件驱动，藉此，所述刀具自转主轴自转并绕所述公转轴公转，所述公转轴上还具有中央通孔；其特征在于，所述偏移机构包括外楔块、内楔块和动力源；其中，所述外楔块可滑动地容纳在所述中央通孔中并由所述动力源驱动而沿第一方向运动，所述外楔块还具有滑槽；所述内楔块位于所述外楔块的滑槽内并且被所述外楔块带动而沿第二方向运动，所述内楔块用于固定所述自转驱动件；其中，当所述动力源驱动所述外楔块沿第一方向运动时，所述内楔块被所述外楔块带动而沿第二方向运动从而改变所述刀具自转主轴的轴心和所述公转轴的轴心之间的距离。优选地，所述动力源为直线电机。优选地，所述第一方向与所述第二方向彼此垂直。优选地，所述内楔块与所述外楔块的滑槽具有互补的形状。[0010]更优选地，所述外楔块的滑槽的截面形状为长方形。可选择地，所述外楔块的滑槽的截面形状为被切去一个角部的长方形。优选地，所述内楔块的截面形状为被切去两个角部的长方形。本实用新型的偏移机构用于螺旋铣装置中，该螺旋铣装置可以用于加工航空难加工材料如钛合金、复合材料装配孔。随着复合材料、钛合金等难加工材料广泛被应用在航空领域中，大大增大了在航空中制孔难度。航空中大量不同规格的孔的直径一般为4 15mm，本实用新型能利用一把直径为4 8mm的刀具对不同规格的孔进行加工。将本实用新型的偏移机构用于螺旋铣装置中，一把刀具就可加工不同直径的孔，且一次成型。通过改变刀具和走刀路径可以一次成型形状复杂的孔，如阶梯孔、异型孔、锥形孔。在新型高强度复合材料如碳化纤维等上也能保证非常高的孔质量。本实用新型只需要一把刀具就可以加工不同直径高质量的孔，减少了换刀时间，大大缩小了企业的刀具库存，而且不需要再进行精加工就能得到高质量的加工孔，大大提高了加工效率。
为了解释本实用新型，将在下文中参考附图描述其示例性实施方式，附图中图I示意性地示出了一种优选实施方式的螺旋铣装置的刀具自转机构示意图；图2示意性地示出了一种优选实施方式的螺旋铣装置的公转机构示意图；图3示意性地示出了一种优选实施方式的螺旋铣装置的偏移机构的分解示意图；图4示意性地示出了图3中的螺旋铣装置的偏移机构的组装示意图；图5示意性地示出了图2的公转机构的公转轴的放大图；图6示意性地示出了图4所示的偏移机构，其中去除了公转轴；图7示意性地示出了图6的左视图；图8示意性地示出了图4的螺旋铣装置的偏移机构的截面图；图9示意性地示出了螺旋铣装置的组装平面图。不同图中的相似特征由相似的附图标记指示。
具体实施方式
本实用新型是基于螺旋铣的加工工艺而设计的。所谓螺旋铣，实质是一个断续铣削加工过程，其显著的特点就是由两种运动的合成，第一主运动是主轴的高速旋转，第二主运动是刀具中心轴绕孔中心做旋转运动的同时沿Z轴向下进给。如图I-图3所示，螺旋铣装置包括刀具自转机构100、公转机构200和径向偏移机构。相应地，该装置具有三个动力单元，第一个动力装置用于实现刀具自转主轴的高速自转；第二个动力装置用于刀具自转主轴绕中心公转；第三个动力装置用于实现刀具自转主轴的中心与公转机构的中心的偏移。具体地，参考图1，在刀具自转机构100中，刀具自转主轴102(8卩，自转轴)通过一个气动马达104来驱动而转动。气动马达104连接到空压机(未示出)，并且在空压机和气动马达104之间还设置有溢流阀、流量控制阀(均未示出)。其中，空压机用于产生高压气体；气动马达用于把高压气体转化为机械能；溢流阀是一种压力控制阀，在气压设备中主要起定压溢流作用和安全保护作用，在此，该溢流阀可以调节上述空压机输出的压力；流量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，从而调节执行元件的运动速度的阀体，在此，该流量阀可以调节进入气动马达的流量。由于气动马达104的输出转矩与空气压力有关，同时气动马达104的转速与通过气动马达104的流量有关，故可以通过调节溢流阀和流量阀来控制气动马达104输出稳定的转速。参考图2，在公转机构200中，公转轴202可旋转地支承在前轴承座204和后轴承座205上，该公转轴202的一端固定连接大齿轮206，典型地，通过键连接的方式。具体地，该公转轴202的端部具有中心方形孔208，用以容纳下述的自转机构100和偏移机构。由图5可知，该公转轴202的方形孔208的内部具有外楔块容纳凹槽部209，此外，该公转轴202的弧形表面上还凹设有定位凹槽部210，定位凹槽部210进一步地向内凹设有连通到方形孔208的连接孔。步进电机214的驱动轴固定连接到小齿轮216的中心上，典型地，通过键连接的方式；大齿轮206和小齿轮216直接啮合在一起，藉此，公转轴202可以在步进电机214的驱动下做旋转运动。如图3-图9所示，在偏移机构中，外楔块302容纳在公转轴202的外楔块容纳凹槽部209中，并且该外楔块302和公转轴202的方形孔208被设置为该外楔块302只能在 该外楔块容纳凹槽部209内沿竖直方向运动。此外，该外楔块302的上表面具有孔304，该外楔块302的内部是中空的，且该中空的截面形状类似于被切去一个角部的长方形。内楔块306具有孔308，并且，该内楔块306被成形以使得其截面形状类似于被切去两个角部的长方形；这样，孔308可以将气动马达104安装在其中；当该内楔块306嵌入到容纳在外楔块容纳凹槽部209内的外楔块302的中空部分时，该内楔块306的切去角部部分的形状恰好和外楔块302的中空部分配合在一起，而且该内楔块306和方形孔208 (除外楔块容纳凹槽部209外)的上下表面间隙配合，即只能在方向孔208内沿水平方向做直线运动。直线电机310安装到公转轴202的定位凹槽部210中，且直线电机310的输出轴通过连接孔连接到外楔块302的上表面上的孔304上。当将刀具自转机构100、公转机构200以及偏移机构全部装配好后，可以安装上挡板，该挡板允许刀具自转主轴102露出并且将限制内楔块306在轴向上的窜动。当应用上述螺旋铣装置进行操作时，气动马达104固定安装在内楔块306内随着内楔块306的移动而移动，刀具自转主轴102在气动马达104的驱动下做旋转运动，同时，外楔块302在直线电机310的驱动下做上下方向的平动，由于内楔块306在上下方向的运动受公转轴202中的方形孔208 (除外楔块容纳凹槽部209外)的上、下表面的限制，故当外楔块302从上向下运动时，内楔块306从左向右运动，当外楔块302从下向上运动时，内楔块306从右向左运动。图8中示出了刀具自转主轴102的中心处于与公转轴202的中心相重合的位置，无论外楔块302在直线电机310的驱动下向上还是向下运动均可以使刀具自转主轴102在内楔块306的带动下将刀具自转主轴102的中心相对于公转轴202的中心(即，待加工孔的中心)的径向偏移。这样，刀具就同时做自转和公转从而实现刀具的螺旋线进给。本领域技术领域人员应当可以理解，上述自转机构的驱动装置还可以包括气囊等。其中气囊的目的在于降低噪音。本领域的技术人员应当可以理解，上述自转机构的驱动装置还可以采用电动方式，例如该驱动装置由电主轴来实现。其中，所谓电主轴是“高频主轴”的简称，作为一种机电一体化的产品，它把机床主传动链的长度缩短为零，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。电主轴一般由无外壳电机、主轴、轴承、主轴单元壳体、驱动模块和冷却装置等组成。对于自转机构而言，气动驱动方式和电动驱动方式各有优缺点，例如，气动的好处为结构紧凑、空间位置小、成本 低、操作简单，但是也有不足，诸如噪声，回转精度相对低，电主轴好处为机械效率高、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。当本实用新型的偏移机构安装于螺旋铣装置后，该螺旋铣装置可以被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。与传统的加工工具相比，明显提高了加工效率、加工质量、减低加工成本、节约产品开发生产周期，而且该实用新型便于实现自动化。具体表现如下I.提高孔质量相对于传统的打孔技术，螺旋铣孔显著地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。刀具直径比孔径小，便于排除切屑，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.缩短研制周期和节约加工成本在航空领域，尤其在制造加工飞机的零部件时，该技术将会大大缩短研发周期和降低成本。该技术可用同一把刀加工不同直径复杂形状的孔，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。这也预示着，今后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。这些工序在使用新的螺旋铣孔技术后，都将会消除。在飞机制造业中使用螺旋铣孔技术，能大大缩短加工周期，降低生产成本。3.高度自动化本实用新型是模块化的螺旋铣装置，可以和机械手或大飞机装配中心相配合，组成机翼壁板制孔机构、长桁柔性制孔机构、柔性跟踪制孔单元、小型移动式自动制孔单元、机器人制孔机构等。在数控机构的操纵下，容易实现高度的自动化，缩短加工时间，降低加工成本。本实用新型的偏移机构安装于螺旋铣装置后，该螺旋铣装置进行钻孔加工与传统的装置进行加工有许多不同之处。主要表现在其一，在应用传统的钻孔装置进行钻孔的过程中，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。而且，传统的钻孔装置进行钻孔的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。而应用本实用新型的螺旋铣装置则在刀具自转的同时还有刀具的公转，故可以大大增加刀具的使用寿命并能够获得良好的加工表面质量。其二、应用传统的钻孔装置的制孔工艺一般包括钻底孔、扩孔、铰孔、锪沉孔等工序，在两种材料一体化装配制孔过程中，一般还在扩孔完成后，拆开两种材料进行清理，重新定位，再铰孔，这导致加工效率极低。而本实用新型可以一次加工出满足航空制孔要求的孔。本实用新型不以任何方式限制于在说明书和附图中呈现的示例性实施方式。示出以及描述的实施方式(的部分)的所有组合明确地理解为并入该说明书之内并且明确地理 解为落入本实用新型的范围内。而且，在如权利要求书概括的本实用新型的范围内，很多变形是可能的。此外，不应该将权利要求书中的任何参考标记构造为限制本实用新型的范围。
权利要求1.一种用于螺旋铣装置的偏移机构，其中，所述螺旋铣装置具有自转驱动件、刀具自转主轴、公转驱动件以及公转轴,所述刀具自转主轴由所述自转驱动件驱动，所述公转轴由所述公转驱动件驱动，藉此，所述刀具自转主轴自转并绕所述公转轴公转，所述公转轴上还具有中央通孔；其特征在于，所述偏移机构包括外楔块、内楔块和动力源； 其中，所述外楔块可滑动地容纳在所述中央通孔中并由所述动力源驱动而沿第一方向运动，所述外楔块还具有滑槽； 所述内楔块位于所述外楔块的滑槽内并且被所述外楔块带动而沿第二方向运动，所述内楔块用于固定所述自转驱动件；其中， 当所述动力源驱动所述外楔块沿第一方向运动时，所述内楔块被所述外楔块带动而沿第二方向运动从而改变所述刀具自转主轴的轴心和所述公转轴的轴心之间的距离。
2.根据权利要求I所述的偏移机构，其特征在于，所述动力源为直线电机。
3.根据权利要求I所述的偏移机构，其特征在于，所述第一方向与所述第二方向彼此垂直。
4.根据权利要求I所述的偏移机构，其特征在于，所述内楔块与所述外楔块的滑槽具有互补的形状。
5.根据权利要求4所述的偏移机构，其特征在于，所述外楔块的滑槽的截面形状为长方形。
6.根据权利要求4所述的偏移机构，其特征在于，所述外楔块的滑槽的截面形状为被切去一个角部的长方形。
7.根据权利要求5或6所述的偏移机构，其特征在于，所述内楔块的截面形状为被切去两个角部的长方形。
专利摘要一种用于螺旋铣装置的偏移机构，其中，螺旋铣装置具有自转驱动件、刀具自转主轴、公转驱动件以及公转轴，刀具自转主轴由自转驱动件驱动，公转轴由公转驱动件驱动，藉此，刀具自转主轴自转并绕公转轴公转，公转轴上还具有中央通孔，偏移机构包括外楔块、内楔块和动力源；其中，外楔块可滑动地容纳在中央通孔中并由动力源驱动而沿第一方向运动，外楔块还具有滑槽；内楔块位于外楔块的滑槽内并且被外楔块带动而沿第二方向运动，内楔块用于固定所述自转驱动件；其中，当动力源驱动外楔块沿第一方向运动时，内楔块被外楔块带动而沿第二方向运动从而改变刀具自转主轴的轴心和公转轴的轴心之间的距离。
文档编号B23Q5/00GK202715864SQ20122021835
公开日2013年2月6日 申请日期2012年5月15日 优先权日2012年5月15日
发明者秦旭达, 陈磊, 贾昊, 陆翠, 张洪州, 王斌, 蒋红宇, 江东跃 申请人:上海飞机制造有限公司, 天津大学