專利名稱：自動螺旋銑孔單元的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種大型飛機裝配過程中，自動鉆鉚裝備是必備的裝備，尤其涉及自動螺旋 銑孔單元。
背景技術：
現(xiàn)在我國正處于制造技術快速發(fā)展的時期，切削加工作為制造技術的主要基礎工藝。航 空航天是制造業(yè)最為重要的組成部分之一，是高新技術最為富集的產業(yè)。在航空制造中，大 量零部件都需要進行裝配，需要加工成千上萬的孔?，F(xiàn)代飛機裝配對自動制孔提出了新的要 求。由于現(xiàn)代飛機結構長壽命、隱身、結構互換性等的要求，所以要求裝配制孔更精、更嚴;其次復合材料、鈦合金等難加工材料應用比重加大，這提高了制孔的難度；飛機特別是大 型飛機對大量大尺寸孔的要求高效高質量，這也提高了制孔的難度。在傳統(tǒng)的鉆孔過程中，主軸中心的線速度為零，即其鉆頭的中心不參與切削，而這一中 心區(qū)域工件材料的去除完全是依靠鉆機向下的推力將其擠出的，因而鉆孔加工時的鉆頭所承 受的Z向力非常大，在加工鈦合金等高硬度材料時，刀具的快速磨損失效是很普遍的現(xiàn)象。 傳統(tǒng)鉆孔加工過程是一個連續(xù)的切削過程，刀刃與工件始終接觸，切削時刀刃與工件接觸面 溫度很高，鈦合金的導熱性又比較差，切削過程導致熱量的累積，這也將加速刀具的磨損失 效導致加工表面質量下降。PCT申請PCT/SE94/00085公開了一種利用上述加工工藝制孔的手動工具。該專利包括 一個可以繞其自身的軸線和一個主軸線旋轉的刀具夾具， 一個用于沿位于該點表面的垂直方 向上調節(jié)該刀具夾具的轉動軸線部件， 一個相對于工件的軸向進給部件， 一個用于調節(jié)刀具 夾具的主軸線和旋轉軸線之間的徑向距離的部件。該專利已公開的手動工具不能提供一種切 實可行的使用性方案而且它遠不能滿足航空領域中對孔加工質量的要求。因為它的明顯缺陷 在于定位靠手動，這樣嚴重影響到孔的位置精度，而且手持，不能提供太大的剛度，這也3會影響到孔的同軸度和表面質量。對于該手動工具的一個基本要求就是質量輕和便于使用， 而該專利并沒有提供一種結構緊湊且質量輕的結構。發(fā)明內容本發(fā)明的目的在于克服已有技術的不足，提供一種只需要一把刀具、不需要再進行精加 工，就可以加工不同直徑的高質量的孔，減少了換刀時間，大大縮小了企業(yè)的刀具庫存，大 大提高了效率的自動螺旋銑孔單元。本發(fā)明的自動螺旋銑孔單元，它包括刀具自轉系統(tǒng)、徑向偏移系統(tǒng)、公轉系統(tǒng)，它還包 括一個具有內孔的套筒，所述的套筒的內孔的軸線與所述的套筒的外圓周的軸線為偏心設置 ，在所述的套筒外通過軸承連接有機架，所述的刀具自轉系統(tǒng)包括具有圓筒外殼的驅動裝置 ，所述的驅動裝置通過軸承可轉動地設置在所述的套筒內孔內，所述的驅動裝置的輸出軸與 一個夾有刀具的卡具相連，所述的驅動裝置的輸出軸與驅動裝置的外殼的軸線偏置設置，所 述的徑向偏移系統(tǒng)包括一臺具有電磁剎車器的步進電機，步進電機的法蘭與所述的套筒固定 相連并且其輸出軸與所述的驅動裝置的外殼同軸線固定相連，所述的公轉系統(tǒng)包括旋轉電機 ，所述的旋轉電機的內圈固聯(lián)在套筒上、外圈固聯(lián)在機架上。本發(fā)明結構應用在高強度難切削、難加工材料的加工上，例如鈦合金，復合材料等， 尤其應用到航空航天領域的制造裝配中。它與傳統(tǒng)的加工工具相比，明顯提高了加工效率、 加工質量、降低了加工成本、節(jié)約了產品開發(fā)生產周期，而且本結構便于實現(xiàn)自動化。具體 表現(xiàn)如下1. 提高孔質量相對于傳統(tǒng)的打孔技術，螺旋銑孔顯著的提高了孔質量和強度。螺旋銑孔屬于斷續(xù)間歇 的切削，較低的銑削力使得所加工的孔無毛刺。散熱快，切削溫度低。刀具直徑比孔小，切 屑很好的得到排除，極大地降低了孔表面的粗糙度，在加工復合型材料的情況下，消除了以 往傳統(tǒng)打孔由于刀尖鈍化導致的脫層、剝離，孔表面質量低的情況。2. 縮短研制周期和節(jié)約企業(yè)加工成本在制造加工飛機時，該技術將會大大縮短研發(fā)周期和降低企業(yè)成本花費。因為該技術， 同一把刀可加工不同直徑的孔，復雜形狀的孔，由于其加工具有高質量的性能，可以節(jié)省傳 統(tǒng)的锪錐孔，鉸孔等工作。這樣使得加工孔的刀具種類型號會不斷減少。就整個研制周期來 看，螺旋銑孔工藝會減少很多工序，如分解拆卸后對不同孔分別進行毛刺去除處理，鉸孔清除冷卻液，再進行組裝。這些工序在采用本發(fā)明裝置后都將會消除。在飛機制造業(yè)中使用本 發(fā)明裝置螺旋銑孔技術，能大大縮短加工周期，降低成本。 3.高度自動化
本裝置是模塊化的鉆孔單元，而且它和機械手或大飛機裝配中心相配合，組成機翼壁板 制孔系統(tǒng)、長桁柔性制孔系統(tǒng)、柔性跟蹤制孔單元、小型移動式自動制孔單元、機器人制孔 系統(tǒng)等。在數(shù)控系統(tǒng)的操縱下，容易實現(xiàn)高度的自動化，縮短加工時間，降低加工成本。


圖l是螺旋銑孔加工示意圖； 圖2是螺旋銑孔運動示意圖3是本發(fā)明的自動螺旋銑孔單元的結構示意圖;
圖4是本發(fā)明的銑孔單元的偏移原理圖； 圖5是本發(fā)明采用的電磁剎車器的結構示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細描述。
如圖1一2所示，本發(fā)明的結構是基于一種螺旋銑的加工工藝而研制出來的。因而，螺旋 銑的原理也就是本發(fā)明的精髓。如圖1所示，其中l(wèi)指刀具中心運動軌跡、2指孔中心線、3指 軸向進給方向、4指刀具、5指刀具中心線。螺旋銑孔工藝過程是一個"以銑代鉆"過程，利 用螺旋進給的方式實現(xiàn)切削運動。螺旋銑孔過程的運動是由主軸的"自轉"運動和刀具繞孔 中心線的"公轉"運動以及主軸的Z向進給，這三個運動復合而成的，這種特殊的運動方式 決定了螺旋銑孔過程的優(yōu)勢。圖2中2-l指所加工的孔，2-2指刀具中心走過的軌跡，2-3指刀 具某時刻刀具的位置。為某所加工孔的中心，02某時刻刀具的中心。
如圖3所示的本發(fā)明自動螺旋鉆孔單元，它包括刀具自轉系統(tǒng)13、徑向偏移系統(tǒng)14、公轉 系統(tǒng)15，它還包括一個具有內孔的套筒5，所述的套筒5的內孔的軸線與所述的套筒的外圓周 的軸線為偏心設置，在所述的套筒5外通過軸承連接有機架6，所述的刀具自轉系統(tǒng)包括具有 圓筒外殼的驅動裝置9，所述的驅動裝置9通過軸承4可轉動地設置在所述的套筒內孔內，軸 承4的一端連接有軸承壓蓋3。所述的驅動裝置9的輸出軸與一個夾有刀具1的卡具2相連，所述的驅動裝置9的輸出軸與驅動裝置的外殼的軸線偏心置設置，所述的徑向偏移系統(tǒng)包括一 臺具有電磁剎車器11的步進電機12，步進電機12的法蘭與套筒固定相連并且其輸出軸與所述 的驅動裝置9的外殼同軸線固定相連，所述的公轉系統(tǒng)包括旋轉電機，所述的旋轉電機的內 圈固聯(lián)在套筒5上、外圈固聯(lián)在機架6上。套筒內孔和驅動裝置外殼之間以及套筒外壁與機架 6之間設置有密封圈8。
本裝置的工作原理如下
刀具1在繞著刀具中心線17自轉的同時又在繞著機架軸線18公轉，這樣用螺旋銑的加工 工藝來實現(xiàn)孔的加工。刀具的自轉由氣動馬達9或電主軸來實現(xiàn)的。徑向偏移是通過氣動馬 達9與套筒5相對轉動實現(xiàn)的。套筒的內輪廓和外輪廓是偏心圓，而且馬達和刀具的軸線也是 不重合的，所以通過調整氣動馬達和套筒的相對轉動就能調整機架軸線和刀具軸線的距離， 從而調整徑向偏移距離。公轉是通過旋轉電機內圈與套筒5固聯(lián)，旋轉電機的外圈與機架固 聯(lián)的一個旋轉電機實現(xiàn)的。在公轉時，氣動馬達與套筒5通過電磁剎車器11固聯(lián)，由于刀具 與氣動馬達9不同心，所以刀具的軸線17會沿著機架的軸線18做轉動，完成公轉。
自轉系統(tǒng)的實現(xiàn)有兩條途徑。途徑一氣動方式。采用氣動馬達，氣動馬達市場有售， 氣動馬達結構主要包括進氣門、氣動馬達、氣囊、空壓機、溢流閥、流量控制閥。其中空 壓機、溢流閥、流量控制閥是外置的?？諌簷C是用來產生高壓氣體的。溢流閥用于調節(jié)空壓 機輸出的壓力，流量控制閥用于調節(jié)進入馬達的流量。轉矩與壓力有關，轉速與流量有關。 溢流閥一種壓力控制閥。在氣壓設備中主要起定壓溢流作用和安全保護作用。流量控制閥是 在一定壓力差下，依靠改變節(jié)流口液阻的大小來控制節(jié)流口的流量，從而調節(jié)執(zhí)行元件(液 壓缸或液壓馬達)運動速度的閥體。氣動馬達是把高壓氣體轉化為機械能的裝置，氣囊10的 目的是降低噪音。途徑二電動方式，由電主軸來實現(xiàn)。電主軸在市場有售。電主軸是"高
頻主軸"的簡稱，作為一種機電一體化的高科技產品它把機床主傳動鏈的長度縮短為零，實 現(xiàn)了機床的"零傳動"，具有結構緊湊、機械效率高、可獲得極高的回轉速度、回轉精度高 、噪聲低、振動小等優(yōu)點。電主軸由無外殼電機、主軸、軸承、主軸單元殼體、驅動模塊和
冷卻裝置等組成。對比兩種方式氣動的好處是結構緊湊、空間位置小、成本低、操作簡單 ，但是有噪聲，回轉精度相對低一點，電主軸好處是機械效率高、可獲得極高的回轉速度、 回轉精度高、噪聲低、更利于自動控制、振動小，但是空間位置大，造價高。
徑向偏移機構是通過套筒5和氣動馬達的相對轉動來實現(xiàn)的。當系統(tǒng)工作時，徑向偏移
量是恒定的，即套筒和氣動馬達沒有相對轉動，本發(fā)明是通過一個電磁剎車器實現(xiàn)套筒和氣
6動馬達的固聯(lián)的。而旋轉運動是用一個步進電機來完成的。也可以在廠家購得步進電機與電 磁剎車器的集成產品。如圖4所示的圖中，是套筒外輪廓的圓心也是機架的圓心；02是套 筒內輪廓的圓心，由于安裝關系，02也是啟動馬達的中心；03是刀具的軸線。由此可知Oi 02 為套筒的偏心距，0203氣動馬達的偏心距。公轉時，套筒在繞(^轉動，所以(^是公轉的軸心 ，同時也是加工孔的中心；而氣動馬達繞著03自轉，所以Oi 03為刀具的徑向偏移距離，而加 工的孔的半徑為C^03與刀具半徑之和。調整Oi 03的距離就可以調整所要加工的孔的直徑。實 現(xiàn)的方法是氣動馬達在套筒內的轉動。也就是03繞著(^轉動。設徑向偏移距離為L，那么有 如下關系
Oi 02+ 02 03《L《I 02- 02 03 I
電磁剎車器ll市場有售是一種斷電剎車的裝置，工作原理如圖5所示定子殼體內裝有 線圈ll-l，該線圈為涂有合成樹脂的銅線。當電流流過線圈時，當電流流過線圈時，會產生 磁場，在磁場的引力作用下，電樞l(wèi)l-2會朝摩擦襯片運動，于是將制動扭矩傳遞給輸出轉子 11-3。輸出轉子帶動套在其上的步進電機的輸出軸轉動，從而帶動驅動裝置9的外殼轉動。 而當斷電之后，彈性片會將電樞拉回其原始位置，將輸出轉子鎖死，實現(xiàn)步進電機的輸出軸 制動，從而使驅動裝置9的外殼停止轉動。這樣可以確保在加工狀態(tài)下，驅動裝置9的軸線不 能移動，確保孔的加工直徑。 一般電動機都是連續(xù)旋轉，而步進電動卻是一步一步轉動的， 故叫步進電動機。每輸入一個脈沖信號，該電動機就轉過一定的角度。因此步進電動機是一 種把脈沖變?yōu)榻嵌任灰频膱?zhí)行元件。步進電動機的轉子為多極分布，定子上嵌有多相星形連 接的控制繞組，由專門電源輸入電脈沖信號，每輸入一個脈沖信號，步進電動機的轉子就前 進一步。由于輸入的是脈沖信號，輸出的角位移是斷續(xù)的。當給定確定的徑向偏移量之后就 可以計算出套筒和氣動馬達的相對轉動角度，進而給步進電機相應的信號，即可完成徑向偏 移。
公轉系統(tǒng)由一個旋轉電機來實現(xiàn)。旋轉電機由一個初級環(huán)和次級環(huán)組成。初級環(huán)包括線 圈系統(tǒng)、次級環(huán)由永磁體系統(tǒng)組成。當初級通電以后，電磁力在次級上的作用表現(xiàn)為相應的 扭矩。該電機機構緊湊，軸向設計簡短。公轉系統(tǒng)利用了該類電機的大中空內徑的特性，內 圈固聯(lián)在套筒上，外圈固聯(lián)在機架上，實現(xiàn)了公轉。
權利要求
1.自動螺旋銑孔單元，它包括刀具自轉系統(tǒng)、徑向偏移系統(tǒng)、公轉系統(tǒng)，其特征在于它還包括一個具有內孔的套筒，所述的套筒的內孔的軸線與所述的套筒的外圓周的軸線為偏心設置，在所述的套筒外通過軸承連接有機架，所述的刀具自轉系統(tǒng)包括具有圓筒外殼的驅動裝置，所述的驅動裝置通過軸承可轉動地設置在所述的套筒內孔內，所述的驅動裝置的輸出軸與一個夾有刀具的卡具相連，所述的驅動裝置的輸出軸與驅動裝置的外殼的軸線偏置設置，所述的徑向偏移系統(tǒng)包括一臺具有電磁剎車器的步進電機，步進電機的法蘭與所述的套筒固定相連并且其輸出軸與所述的驅動裝置的外殼同軸線固定相連，所述的公轉系統(tǒng)包括旋轉電機，所述的旋轉電機的內圈固聯(lián)在套筒上、外圈固聯(lián)在機架上。
2 根據權利要求l所述的自動螺旋銑孔單元，其特征在于所述的驅 動裝置為氣動馬達。
3 根據權利要求l所述的自動螺旋銑孔單元，其特征在于所述的 驅動裝置為電主軸。
全文摘要
本發(fā)明公開了自動螺旋銑孔單元，它包括刀具自轉系統(tǒng)、徑向偏移系統(tǒng)、公轉系統(tǒng)，它還包括一個具有內孔的套筒，套筒的內孔的軸線與套筒的外圓周的軸線為偏心設置，在套筒外連接有機架，刀具自轉系統(tǒng)包括具有圓筒外殼的驅動裝置，驅動裝置可轉動地設置在套筒內孔內，驅動裝置的輸出軸與一個夾有刀具的卡具相連，驅動裝置的輸出軸與驅動裝置的外殼的軸線偏置設置，徑向偏移系統(tǒng)包括一臺具有電磁剎車器的步進電機，步進電機的法蘭與套筒固定相連并且其輸出軸與驅動裝置的外殼同軸線固定相連，公轉系統(tǒng)包括旋轉電機，旋轉電機的內圈固聯(lián)在套筒上、外圈固聯(lián)在機架上。本發(fā)明結構應用在高強度難切削、難加工材料的加工上，明顯提高了加工效率、加工質量。
文檔編號B23C3/00GK101633060SQ20091030602
公開日2010年1月27日 申請日期2009年8月25日 優(yōu)先權日2009年8月25日
發(fā)明者冀曉來, 松 滑, 琦 王, 秦旭達 申請人:天津大學