一种倾角偏心复合铣孔装置及工作方法与流程

本发明属于碳纤维复合材料制孔领域，具体地说，涉及一种倾角偏心复合铣孔装置及工作方法。

背景技术：

随着航空先进制造技术的进步与发展，以碳纤维复合材料为代表的典型高性能航空材料得到了更加广泛的应用，并且实现了飞机整体结构轻量化、低能耗、提高结构可靠性等优势。在飞机装配过程中，连接孔的加工质量对于实现飞机的使用寿命及安全性有着重要的影响。使用传统钻孔工艺加工复合材料加工时，极易出现分层、撕裂、毛刺等加工缺陷，且刀具磨损严重，加工精度和质量低。为解决以碳纤维复合材料为代表的典型难加工材料加工时产生的缺陷，螺旋铣孔工艺应运而生。

与传统钻削制孔方法相比，螺旋铣孔方法，有效降低了切削过程中的轴向力，切入和切出更为平稳，有效抑制了制孔时加工表面撕裂、分层等缺陷的产生。螺旋铣加工特点在于刀具直径小于加工孔的直径，通过调整偏心距可实现同一把刀具加工出不同的孔径。近几年，螺旋铣孔工艺因良好的加工特性已逐渐取代传统钻孔，在加工复合材料等难加工材料中得到一定的推广和应用。但是使用传统机床进行螺旋铣孔加工时导致加工精度低、操作复杂、加工效率低，不能达到螺旋铣孔工艺原有的加工效果，因此开发新型螺旋铣孔装置代替传统加工机床已成为推广螺旋铣加工的关键。

现有公开发明的螺旋铣孔装置(公开号为cn102408351a)，其虽与传统加工机床相比具有体积小、质量轻、更易操作等优势。但同时仍存在一些缺陷，如偏心调整轴旋转角度精度低、偏心调整轴与公转轴转动一致性差、加工孔径受限等问题。尤其，在针对碳纤维复合材料大孔径(直径为15mm-25mm)螺旋铣孔时，现有螺旋铣孔装置仍然存在很多问题，因刀具自转轴线与公转轴线相距较大，更加容易产生刀具震颤、制孔精度低等问题，影响孔加工质量，且加工件出口处毛刺仍较为严重，甚至出现出口处纤维不能切断的现象。因此，需要一种更为先进或创新的制孔工艺方法及装置以实现高效率、高精度、高质量和加工孔径更广的螺旋铣制孔加工。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种倾角偏心复合铣孔装置及工作方法，在进行碳纤维复合材料制孔时，可倾角和偏心复合作用进行大孔径铣孔，同时保证制孔质量及精度。

该装置调节精度高、工作稳定性好，且提供了一种新型倾角铣孔方式，能够倾角偏心复合作用铣孔，且具有切削力低、散热空间大，制孔质量高等优点。

实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种倾角偏心复合铣孔装置，包括倾角调整模块、偏心调整模块、测力模块、机座模块、公转模块及直线进给模块；所述的倾角调整模块位于所述的装置中部；偏心调整模块位于倾角调整模块外侧；测力模块安装在倾角调整模块上；公转模块置于机座模块上；机座模块通过直线进给模块实现装置进给。

本发明相对于现有技术的有益效果是：

1、本发明的一种倾角偏心复合铣孔装置及工作方法，可在一定范围内调节刀具与进给轴线的倾角，并在公转状态下，使刀具保持一倾角角度围绕进给轴线旋转，形成螺旋式的倾角加工。用该方法对碳纤维复合材料板制孔，相比于钻孔和螺旋铣孔，具有更大的散热空间，出入口毛刺更少，且轴向力与径向力均相比降低，在刀具寿命得到保证的同时，提高了制孔的表面质量与精度。在切削工件时，刀具受到的切削力通过电主轴支撑传递到测力模块上，能够实时对切削力进行采集，通过调节倾角调整模块和偏心调整模块，可以集成倾角偏心复合作用铣孔，对较大孔径(直径15mm-25mm)进行铣削加工，并仍能保证加工it9级加工精度。

2、本发明通过倾角调整模块可调整刀具与中心轴线的倾斜度，通过偏心调整模块可调整刀具与中心轴线的偏心距，且可通过倾角调整模块与偏心调整模块的复合作用实现大直径螺旋铣孔加工。本发明在倾角调整模块和偏心调整模块上均装有编码器和锁紧器，可实现高精确，高稳定性加工。相比于其他螺旋铣孔装置，本发明具有加工范围广、自动化程度高，且加工质量更可靠等优势。

附图说明

图1为本发明的倾角偏心复合铣孔装置整体结构主剖视图；

图2为倾角调整模块和测力模块装配的主剖视图；

图3为偏心调整模块的主剖视图；

图4为倾角调整原理图；

图5为偏心调整原理图；

图6为倾角偏心复合调整原理图；

图7为图1的a处局部放大图；

图8为图2的b处局部放大图；

图9为图3的c处局部放大图；

上述图中涉及到的部件名称及标号如下：

图中，刀具1、电主轴2、轴套3、前鼓形环4、前凹形环5、变倾角套筒内环6、内滑套7、外滑套8、后鼓形环9、后凹形环10、变倾角套筒11、定位环12、倾角旋转驱动器13、倾角旋转编码器14、倾角锁紧器15、变偏心套筒16、偏心外套筒17、内法兰套筒18、外法兰套筒19、偏心旋转驱动器20、偏心旋转编码器21、偏心锁紧器22、力传感器23、前受力环24、后受力环25、导电滑环26、滑环固定套筒27、圆柱滚子轴承28、隔套29、同步带30、外壳31、支撑座32、大带轮33、底座34、导轨35、滑块36、滚珠丝杠37、进给伺服电机38、压脚装置39、工件夹具40。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地叙述。

具体实施方式一：如图1-图3所示，本实施方式披露了一种倾角偏心复合铣孔装置，包括倾角调整模块、偏心调整模块、测力模块、机座模块、公转模块及直线进给模块；

所述的倾角调整模块位于所述的装置中部；偏心调整模块位于倾角调整模块外侧；测力模块安装在倾角调整模块上；公转模块置于机座模块上；机座模块通过直线进给模块实现装置进给。

具体实施方式二：如图1-图9所示，本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，所述的倾角调整模块包括刀具1、电主轴2、轴套3、前鼓形环4、前凹形环5、变倾角套筒内环6、内滑套7、外滑套8、后鼓形环9、后凹形环10、变倾角套筒11、多个定位环12、倾角旋转驱动器13、倾角旋转编码器14、倾角锁紧器15；所述的偏心调整模块包括变偏心套筒16、偏心外套筒17、内法兰套筒18、外法兰套筒19、偏心旋转驱动器20、偏心旋转编码器21、偏心锁紧器22；所述的测力模块包括三个力传感器23、前受力环24及后受力环25；所述的机座模块包括导电滑环26、滑环固定套筒27、两个圆柱滚子轴承28、隔套29、外壳31及支撑座32；所述的公转模块包括同步带30、小带轮、大带轮33及公转伺服电机；所述的直线进给模块包括底座34、导轨35、滑块36、滚珠丝杠37、进给伺服电机38；

刀具1安装在电主轴2前端，电主轴2外侧固定套装有轴套3(安装轴套3一是实现了对电主轴2的保护，二是实现了与其他结构的安装连接)；前鼓形环4固定套装在轴套3前部，前鼓形环4外侧装有前凹形环5，前鼓形环4和前凹形环5之间设有润滑脂槽一，前鼓形环4和前凹形环5之间通过圆弧面连接，能够相互转动(目的是当调整倾角时，能够保持前鼓形环4中心位置不变)；变倾角套筒内环6固定安装于前凹形环5外侧，变偏心套筒16固定套装在变倾角套筒内环6外侧；内滑套7固定套装于轴套3外侧的后部，内滑套7外侧装有后鼓形环9且二者间隙配合，后鼓形环9外侧与后凹形环10圆弧连接，后凹形环10外侧装有外滑套8，外滑套8外侧固定装有变倾角套筒11，变倾角套筒11套设在变偏心套筒16内，变偏心套筒16与变倾角套筒11通过倾角旋转驱动器13连接，并且两者在倾角旋转驱动器13作用下可以发生相对转动；前鼓形环4前端、内滑套7前端和后端、外滑套8前端均分别安装有定位环12(定位环12起到轴向固定作用)，后鼓形环9和后凹形环10之间设有润滑脂槽二；

变倾角套筒11为偏心套筒，变倾角套筒11后端外侧安装有倾角旋转驱动器13和倾角旋转编码器14(倾角旋转编码器14能够实时对倾角旋转驱动器13的旋转角度进行检测。倾角旋转编码器14还可用于在加工前或加工时实现对倾角角度的调零和校准)，变偏心套筒16后端与内法兰套筒18前端(通过螺栓)可拆卸连接；内法兰套筒18后端外侧由前至后安装有偏心旋转驱动器20和偏心旋转编码器21(偏心旋转编码器21能够实时对偏心旋转驱动器20的旋转角度进行检测，还可用于偏心距的调零和校准)；偏心外套筒17套装在变偏心套筒16外侧，偏心外套筒17后端与外法兰套筒19前端(通过螺栓)可拆卸连接，偏心外套筒17外侧通过两个圆柱滚子轴承28与外壳31相连接(提供内部支撑和公转条件)，两个圆柱滚子轴承28之间设置有隔套29；外法兰套筒19内的后部与偏心旋转驱动器20的外圈相连接，外法兰套筒19外侧固定装有大带轮33(通过外法兰套筒19带动整体内部结构实现公转)，大带轮33通过同步带30与固定在公转伺服电机上的小带轮相连接，公转伺服电机固定安装在支撑座32上(同电主轴2一起进给或退回)，公转模块通过同步带30带动外法兰套筒19，进而带动偏心外套筒17在圆柱滚子轴承28内实现公转；

偏心锁紧器22位于偏心旋转驱动器20上(能够实现偏心旋转驱动器20内部定子和转子任一位置的锁定，保持加工过程中倾角角度及偏心距不变)；偏心旋转驱动器20通过带动变偏心套筒16在偏心外套筒17内旋转，带动变偏心套筒16内部结构整体产生径向偏移，从而调整偏心距；倾角锁紧器15设置在倾角旋转驱动器13上；倾角旋转驱动器13内圈转子与变倾角套筒11外壁相连接，倾角旋转驱动器13外圈定子与变偏心套筒16内壁相连接(可以控制变倾角套筒11在变偏心套筒16内转动，使电主轴2后部产生径向偏移，后鼓形环9中心点产生偏移，而前鼓形环4中心点位置不变，以此来调整刀具倾角角度)；

前受力环24和后受力环25均固定套装在轴套3外侧并位于后鼓形环9前端，前受力环24和后受力环25之间均匀固定有三个力传感器23(三个力传感器均匀分布是为了使前受力环24和后受力环25受力均匀，避免测力不准确)，导电滑环26安装于滑环固定套筒27外侧，滑环固定套筒27与外壳31后端相连接；外壳31安装于支撑座32上(以保证工作过程中整体装置的稳定性。机座模块实现了对装置内部倾角模块、偏心模块的支撑和防护)；所述的支撑座32固定安装在滑块36上；所述的导轨35、滑块36、滚珠丝杠37、进给伺服电机38均安装在底座34上，进给伺服电机38通过滚珠丝杠37带动支撑座32在导轨35上做直线运动，实现装置的进给。

具体实施方式三：如图2、图8所示：本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，所述的前受力环24为圆形环，前受力环24端面上沿轴向设有多个螺纹孔一；后受力环25为阶梯形环(为圆环)，且后受力环25端面上沿轴向设有多个与螺纹孔一一一对应的螺纹孔二，三个力传感器23均匀分布于前受力环24与后受力环25之间并用螺栓固定；前受力环24前侧和后受力环25后侧分别通过定位环12定位(测力模块实现了加工过程中切削力的实时检测和采集，为后续刀具磨损分析提供依据)。

具体实施方式四：如图1、图7所示，本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，所述的公转模块还包括倾角偏心复合铣孔装置还包括压脚装置39和工件夹具40；所述的底座34上安装有压脚装置39和工件夹具40；所述的工件夹具40安装于底座34最前端(用于固定工件)；所述的压脚装置39位于工件夹具40和支撑座32之间(压脚装置39能够压紧工件增加预紧力，提高加工稳定性。加工过程中可以通过进给伺服电机38控制压脚装置39进给。压脚装置39与工件材料接触并产生预紧力，提高制孔过程中工件材料的稳定性)。压脚装置39本身结构是现有技术。

具体实施方式五：如图1、图3、图7、图9所示，本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，电主轴2的电缆线通过导电滑环内孔引出(有效解决了装置公转时绕线的问题)。

具体实施方式六：如图1-图9所示，本实施方式是一种具体实施方式二-五任一具体实施方式所述的倾角偏心复合铣孔装置的工作方法，包括以下步骤：

a、根据目标孔直径和刀具1直径确定刀具1倾角角度和偏心量；

b、倾角旋转驱动器13和偏心旋转驱动器20零点调零并锁死；

c、启动倾角旋转驱动器13，带动变倾角套筒11在变偏心套筒16内旋转，由于变倾角套筒11的偏心作用导致安装在电主轴2后部的后凹形环10中心点向下偏移，但前端变倾角套筒内环6位置不变，即前凹形环5中心点不变，在前凹形环5和后凹形环10与前鼓形环4和后鼓形环9圆弧面接触作用下，电主轴2倾斜产生倾角，同时后凹形环10和后鼓形环9会在外滑套8和内滑套7内窜动，倾角调整结束后，启动倾角锁紧器15锁死倾角旋转驱动器13；

d、启动偏心旋转驱动器20，带动变偏心套筒16在偏心外套筒17内旋转，同时变偏心套筒16带动内部所有电主轴结构共同旋转，在变偏心套筒16的偏心作用下产生偏心距，偏心调整结束后，启动偏心锁紧器22锁死偏心旋转驱动器20；

e、启动公转伺服电机开始公转；

f、启动电主轴2，实现刀具1的自转；

g、启动压脚装置39进给，同时启动进给伺服电机38实现刀具1的直线进给，直至制孔完成。

具体实施方式七：如图2、图3所示，本实施方式是对具体实施方式六作出的进一步说明，步骤b中，利用倾角旋转编码器14和偏心旋转编码器21检查倾角旋转驱动器13和偏心旋转驱动器20零点位置，该位置调零并锁死。

实施例1：

如图2、图8所示，所述的刀具1安装在电主轴2上，前鼓形环4中心与后鼓形环9中心位置相距114.5mm；倾角范围为0～3°，偏心范围为0-4mm。所述的轴套4内圆面直径为119mm，长320mm，外径为阶梯式，前端外圆面直径为136mm，后端外圆面直径为132mm。轴套3前部具有端盖，轴套3的端盖上布置有螺纹连接孔一，轴套3外壁中部具有轴肩，轴套3外壁上分布有4个环形定位槽一，轴套3不仅具有保护内部电主轴2的作用，还起到与外部调倾角等结构的连接作用。

如图2、图8所示，所述的测力模块的前受力环24内圆面直径为136mm，外圆面直径为160mm，宽5mm，前受力环24端面上沿轴向设有多个螺纹孔一。所述的测力模块的后受力环25为阶梯形，内圆面直径为136mm，外圆面直径为从160mm变化到150mm第一阶梯外圆面直径为160mm，第二阶梯外圆面直径为150mm，且后受力环25上开设有螺纹孔二并与前受力环24螺纹孔一位置大小相一致(后受力环25端面上沿轴向设有多个与螺纹孔一一一对应的螺纹孔二)。在固定力传感器23时，要使前受力环24和后受力环25之间有一定较小的预载荷，在开始测力前，可以先对预加载荷进行清零操作再进行测量切削力，如果无预加载荷会致使测力不准确。

如图2、图8所示，所述的变倾角套筒内环6内圆面直径为190mm，外圆面直径为218mm，长110mm，且内径圆心轴线偏离外径圆心轴线6mm，变倾角套筒内环6前端具有端盖，变倾角套筒内环6的端盖上布置有螺纹连接孔二。

如图2、图8所示，所述的鼓形环(指前鼓形环4和后鼓形环9)内圆面直径为136mm，宽80mm，外侧呈鼓形圆弧状。所述的凹形环(指前凹形环5和后凹形环10)外圆面直径径为190mm，宽70mm，内侧呈内凹圆弧状，且可以与鼓形环相匹配(即前鼓形环4和前凹形环5相匹配，后鼓形环9和后凹形环10相匹配)；所述的后鼓形环9前后两侧均与内滑套7的定位环12留有1mm间隙。

如图3、图9所示，所述的变倾角套筒11为阶梯筒形，第一阶梯外圆面直径为218mm，长228mm，前端内圆面直径为196mm且中间设有一环形定位槽二(开设在变倾角套筒11的内壁上)，后端内圆面直径为190mm，且内径圆心轴线偏离外径圆心轴线4mm；第二阶梯外径小于第一阶梯，且第二阶梯上安装有偏心旋转驱动器20。

如图2、图8所示，所述的内滑套7外圆面直径为136mm，内圆面直径为132mm，长82mm。所述的外滑套8外圆面直径为196mm，内圆面直径为190mm，长82mm；所述的内滑套7和外滑套8材料均为金属铜。

实施例2：

如图4所示，为倾角调整原理图，实线为初始位置刀具中心线，虚线为调整后的刀具中心线，变倾角套筒11在变偏心套筒16内旋转，从图中能够看到随着变倾角套筒11的旋转，上下两侧的筒壁(即指变倾角套筒11的筒壁)厚度发生变化，由于变倾角套筒11的偏心作用导致安装在电主轴2后部的后凹形环10中心点向下偏移；由于前端变倾角套筒内环6与变偏心套筒16为固定连接，所以位置不变，前凹形环5中心点o不变；在凹形环(指前凹形环5和指后凹形环10)与鼓形环(指前鼓形环4和后鼓形环9)圆弧接触支撑下，电主轴2倾斜产生倾角，同时后凹形环10和后鼓形环9会在外滑套8和内滑套7内产生微小窜动，图中实线与虚线间的夹角就为此时的偏角角度。变倾角套筒旋转一周时，倾角θ角度调整范围为0-3°，倾角为0°时，可仅调整偏心进行螺旋铣孔。图4中o1点为倾角调整后的前鼓形环4中心点。

实施例3：

如图5所示，为偏心调整原理图，实线为初始位置刀具中心线，虚线为调整后的刀具中心线，能够清楚的看到，随着变偏心套筒16在偏心外套筒17内旋转，上下两侧的筒壁(指变偏心套筒16的筒壁)厚度发生改变，变偏心套筒16带动内部所有电主轴结构共同旋转，在变偏心套筒16的偏心作用下产生偏心距e，图中实线与虚线的间距就为此时的偏心距。变偏心套筒16旋转一周时，偏心距e调整范围为0-4mm。偏心距e为0时，可仅调整倾角进行铣孔。图5中o2点为偏心调整后的前鼓形环中心点。

实施例4：

如图6所示，为倾角偏心共同作用原理图，调整顺序以从内到外为原则，首先调整倾角角度，倾角角度调整完成后固定锁死，然后再调整偏心距。首先，将倾角旋转驱动器13和偏心旋转驱动器20调回零点位置并锁死；然后解除倾角锁紧器15锁死状态，启动倾角旋转驱动器13带动变倾角套筒11在变偏心套筒16内旋转，由于变倾角套筒11的偏心作用导致安装在电主轴2后部的后凹形环10中心点向下偏移，但前端变倾角套筒内环6位置不变，前凹形环5中心点不变，在凹形环(指前凹形环5和指后凹形环10)与鼓形环(指前鼓形环4和后鼓形环9)圆弧接触作用下，电主轴2倾斜产生倾角θ，同时后凹形环10和后鼓形环9会在外滑套8和内滑套7内微小窜动，倾角调节结束，倾角旋转编码器14检测旋转角度，倾角锁紧器15锁死倾角旋转驱动器13；之后，偏心锁紧器22解除锁死状态，偏心旋转驱动器20驱动变偏心套筒16在偏心外套筒17内旋转，同时变偏心套筒16带动内部所有电主轴结构共同旋转，在变偏心套筒16的偏心作用下产生偏心距，偏心调节结束，偏心旋转编码器21检测旋转角度，偏心锁紧器22锁死偏心旋转驱动器20。图中实线与虚线分别代表着初始中心轴线和倾角偏心共同作用下调整后的中心轴线，制孔半径明显增大，制孔直径增大范围为0-14mm。制孔直径取0时，可以为无偏心偏角的正常钻孔。

本发明中的刀具1、倾角旋转驱动器13、倾角旋转编码器14、倾角锁紧器15、偏心旋转驱动器20、偏心旋转编码器21、偏心锁紧器22、力传感器23、圆柱滚子轴承28、同步带30、滚珠丝杠37、进给伺服电机38均为外购件。

一种倾角偏心复合铣孔装置及工作方法的工作原理：

根据目标孔直径和刀具直径选择加工方式：倾角铣孔、偏心铣孔、偏心偏角复合铣孔；若选择倾角铣孔方式，则通过控制变倾角套筒11在变偏心套筒16内转动，使电主轴2后部产生径向偏移，后鼓形环9中心点产生偏移，而前鼓形环4中心点位置不变，以此来调整刀具1倾角角度；若选择偏心铣孔方式，则通过偏心旋转驱动器20带动变偏心套筒16在偏心外套筒17内旋转，带动变偏心套筒16内部结构整体产生径向偏移，从而调整偏心距；若选择偏角偏心复合铣孔方式，则先通过倾角调整模块调整倾角，倾角锁死后再通过偏心调整模块调整偏心距，从而实现偏角偏心复合功能。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。