專利名稱：差動螺旋制孔裝置及方法
技術領域：
本發(fā)明公開了一種用于孔系的螺旋制孔裝置，尤其涉及一種用差動螺旋制孔裝置 及方法，屬于柔性加工裝備技術領域。
背景技術：
隨著現(xiàn)代飛機高速、高機動性能要求的不斷提高，具有整體化、輕量化、模塊化等 結構特征的飛機骨架件對制孔精度要求也越來越高。面對大飛機批量化生產(chǎn)進程的不斷提 速，要實現(xiàn)航空難加工材料的高效率、高精度制孔，開發(fā)一些新的制孔工藝及其裝備勢在必 行。目前，對于航空領域的難加工材料，其制孔技術多采用傳統(tǒng)鉆削。但鉆孔是一個封 閉式連續(xù)切削過程，對于導熱較差的鈦合金而言，停滯于切削區(qū)域的大量熱量能迅速降低 刀具的使用壽命。其次，傳統(tǒng)鉆削的軸向力很大，容易導致碳纖增強復合材料出現(xiàn)撕裂、劈 裂、起毛、分層等致命性缺陷。為此，現(xiàn)行制孔流程常采用“預制底孔——擴孔——鉸孔”的 組合工序，同時因鉆孔會帶來連續(xù)切屑，需要增設大量拆裝排屑操作。就航空裝配領域大量 制孔而言，這些直接影響裝配的生產(chǎn)周期。螺旋銑孔是近年來一種新興的制孔技術，因具有 切削力小、加工精度好、制孔效率高等優(yōu)勢，得到了國內(nèi)外航空制造業(yè)的高度關注，國外已 出現(xiàn)部分螺旋銑孔裝置。美國專利PCT/SE2008/050719、US2003/0143049、PCT/SE03/00467 公開了幾種螺 旋銑孔方法及裝置，其裝置均包括刀具公轉半徑調(diào)節(jié)系統(tǒng)、刀具自轉系統(tǒng)、刀具公轉系統(tǒng)、 刀具軸向進給系統(tǒng)。四種子系統(tǒng)因相互實現(xiàn)了運動解耦，能夠接受獨立控制。但這些螺旋 銑孔裝置集成度不高，導致整機質(zhì)量偏重，這對與之配套的工作平臺的性能要求很高，尤其 是關節(jié)型機械手。此外，中國專利公開號CN101633060A，名稱自動螺旋銑孔單元，該銑孔單元主 要包括由刀具自轉系統(tǒng)、徑向偏移系統(tǒng)、公轉系統(tǒng)三部分，可用于一些高強度切削、難加工 材料的加工。但此螺旋銑孔單元因缺少軸向進給系統(tǒng)，使其工程應用受到了一定限制。另外，中國專利公開號CN101664821A，名稱銑孔裝置，該裝置具有公轉半徑調(diào) 節(jié)功能，但公轉半徑的大小因受到傳動齒輪尺寸的制約，使部分小孔徑的加工難以完成，而 且其軸向進給系統(tǒng)沒有給出相關實施詳案。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有螺旋銑孔裝置結構復雜、重量偏大及部分裝置無軸向進給機構或 制小孔能力較低等方面的不足，提出了一種差動螺旋制孔裝置及方法。一種差動螺旋制孔裝置，其特征在于該裝置主要包括中間帶有隔板的支撐筒，支 撐筒被隔板分成上支撐筒和下支撐筒，還包括安裝于支撐筒內(nèi)的用以實現(xiàn)刀桿螺旋運動 的螺旋進給機構、用于驅動刀桿自轉以及調(diào)整刀桿相對支撐筒的中心軸線偏移的自轉及徑 向調(diào)偏機構。所述的螺旋進給機構包括通過滑鍵結構安裝于上支撐筒內(nèi)的帶有內(nèi)螺紋的第一滑動筒、通過滑鍵結構安裝于下支撐筒內(nèi)的第二滑動筒、還包括安裝于隔板上的帶有 粗頭和細頭的T型絲桿，T型絲桿粗細兩頭的外螺紋旋向相反，T型絲桿粗頭與第一滑動筒 的內(nèi)螺紋配合，細頭與隔板的內(nèi)螺紋配合；上述T型絲桿細頭的末端通過軸承安裝于上述 第二滑動筒上，第二滑動筒設有用于驅動T型絲桿的第一電機及第一齒輪副；還包括通過 軸承安裝于第一滑動筒上部的公轉殼體，公轉殼體下端蓋安裝有導柱，導柱另一端穿過安 裝于T型絲桿粗頭端面的導套；上述自轉及徑向調(diào)偏機構包括安裝于公轉殼體下端蓋的 第二電機、依次安裝于公轉殼體內(nèi)的與第二電機相連的偏心調(diào)節(jié)小齒輪、與偏心調(diào)節(jié)小齒 輪配合的偏心調(diào)節(jié)大齒輪；還包括通過軸承安裝于公轉殼體上部的徑向偏移殼體，該自轉 及徑向調(diào)偏機構還包括依次安裝于偏心調(diào)節(jié)殼體內(nèi)與偏小調(diào)節(jié)大齒輪相互連的變速齒輪 副、以及安裝于變速齒輪副最后一級輸出齒輪上的刀桿；上述徑向偏移殼體與公轉殼體之 間還安裝有偏心調(diào)節(jié)蝸輪蝸桿，其中蝸桿安裝于公轉殼體上，蝸輪安裝于徑向偏移殼體上； 上述變速齒輪副最后一級齒輪的軸線與偏心調(diào)節(jié)小齒輪的軸線具有間距％，偏心調(diào)節(jié)范圍 為 0-2e0。一種利用所述差動螺旋制孔裝置實現(xiàn)螺旋制孔的方法，其特征在于包括以下過 程:A)刀桿螺旋進給時，第一電機通過第一齒輪副帶動T型絲桿旋轉，T型絲桿在隔板內(nèi)螺 紋約束下，帶動第二滑動筒一同沿支撐筒軸心線前后移動；T型絲桿粗頭與第一滑動筒內(nèi) 螺紋的配合使得第一滑動筒產(chǎn)生與T型絲桿運行方向相反的運動；由于上述兩種運動的疊 加使第一滑動筒獲得相對支撐筒的差動速度，即刀桿的軸向差動進給，刀桿的軸向差動進 給速度為V = n*(p2-pl)，其中n為第一電機轉速，ρ2為T型絲桿的細頭螺距，p1為T型 絲桿的粗頭螺距；刀桿軸向差動進給的同時，T型絲桿粗頭通過導柱帶動公轉殼體旋轉，由 于偏心調(diào)節(jié)殼體偏心安裝于公轉殼體上，從而實現(xiàn)刀桿的螺旋進給；B)刀桿自轉時，第二 電機相繼通過內(nèi)嚙合齒輪副、偏心調(diào)節(jié)齒輪副、變速齒輪副帶動刀桿旋轉；C)初始狀態(tài)變 速齒輪副最后一級輸出齒輪的軸線與第一電機軸線重合，即自轉和公轉的偏心距為0 ；刀 桿偏心調(diào)節(jié)時，驅動偏心調(diào)節(jié)蝸桿通過置于偏心調(diào)節(jié)殼體的蝸輪帶動變速齒輪副與刀桿一 同繞偏心調(diào)節(jié)小齒輪(2405)轉動，由于變速齒輪副最后一級輸出齒輪的軸線與偏心調(diào)節(jié) 小齒輪的軸線具有間距e0，所以刀桿偏心調(diào)節(jié)范圍為0-2e。本發(fā)明具有如下效果1、刀桿螺旋進給是由差動螺旋控制，易于實現(xiàn)軸向的小進 給切削，尤其適用于一些難加工材料孔系的優(yōu)質(zhì)高效制孔；2、采用一個差動螺旋進給機構 同時實現(xiàn)刀桿的軸向進給和公轉進給，簡化了裝置組成，降低了裝置重量；3、與第二電機 輸出軸相連的嚙合齒輪副的設置，有效解決了高速運動時電機直接與中間軸相連帶來的質(zhì) 量偏心問題；4、偏心調(diào)節(jié)刻度的設定，便于確定刀桿徑相對支撐筒軸線的公轉半徑；5、通 過多級齒輪副的優(yōu)化布置，實現(xiàn)刀桿軸線相對支撐筒中心軸線的較小偏心，使“以銑代鉆” 能實現(xiàn)一次成孔；6、徑向調(diào)偏機構使一把刀具能夠連續(xù)加工多種孔徑，大大提高了本裝置 的作業(yè)效率；7、裝置的各部件之間均采用高精度軸承進行連接，能有效保證整機的裝配精 度、運動傳遞精度。


圖1為根據(jù)本發(fā)明的難加工材料螺旋制孔裝置一較佳實施案例的結構示意圖，且 差動螺旋進給機構的軸向進給處于初始位置；
圖2為本發(fā)明的刀桿位于無偏心狀態(tài)的示意圖，且差動螺旋進給機構的軸向進給 處于最大位置；圖3為本發(fā)明的刀桿自轉的運動傳遞示意圖；圖4為本發(fā)明的刀桿公轉半徑調(diào)節(jié)的運動傳遞示意圖 是刀桿公轉半徑為零狀 態(tài)，4b為刀桿公轉半徑為最大值狀態(tài)；圖5為本發(fā)明的差動螺旋軸向進給的運動傳遞示意圖；圖中標號名稱1000、差動螺旋進給機構，2000、自轉及徑向偏移機構，1100、差動 螺旋軸向進給機構，1001、支撐筒，1001-1、支撐板，1001-2、上支撐筒，1001-3、下支撐筒， 1102、第一滑動筒，1103、滑鍵，1104、T型絲桿，1105、小齒輪，1106、第一電機，1107、第二 滑動筒，1108、大齒輪，1109、蓋板，1110、軸承端蓋一，1111、軸承，1112、導套，1113、軸承端 蓋二，1200、公轉進給機構，1201、公轉殼體，1202、公轉殼體端蓋，1203、導柱，1204、軸承， 1205、套筒，1206、防屑落端蓋一，2300、徑向偏移機構，2301、徑向偏移殼體，2302、蝸桿， 2303、蝸輪，2304、軸承，2305、徑向偏移殼體端蓋，2306、防屑落端蓋二，2400、刀桿自轉機 構，2401、第二電機，2402、內(nèi)嚙合大齒輪，2403、內(nèi)嚙合小齒輪，24004、中間軸I，2405、偏心 調(diào)節(jié)小齒輪，M06、偏心調(diào)節(jié)大齒輪，2407、多級變速齒輪副輸入軸，2408、過渡齒輪，2409、 多級變速齒輪副輸出齒輪，2410、軸承，2411、刀桿，2412、刀具，e 表示刀桿相對支撐筒中心 軸線的徑向偏移距離，e0 表示變速齒輪副最后一級輸出齒輪的軸線與偏心調(diào)節(jié)小齒輪的 軸線的間距。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施實例對本發(fā)明的差動螺旋制孔裝置及方法進行詳細闡 述。圖1是本發(fā)明公開的一種用于難加工材料的螺旋制孔裝置，該裝置主要包括中 間帶有隔板的支撐筒1101，支撐筒被隔板分成上支撐筒和下支撐筒，還包括安裝于支撐筒 內(nèi)的用以實現(xiàn)刀桿Mil螺旋運動的螺旋進給機構1000、用于驅動刀桿旋轉的自轉機構 2400，以及調(diào)整刀桿相對支撐筒的中心軸線偏移的徑向調(diào)偏機構2300 ；所述的螺旋進給機構1000主要由帶有內(nèi)螺紋的第一滑動筒1102、第二滑動筒 1107、帶有粗頭和細頭的T型絲桿1104組成。T型絲桿粗細兩頭的外螺紋旋向相反。T型 絲桿細頭安裝于支撐筒的中間隔板上，細頭末端還通過軸承與第二滑動筒1107相連。第二 滑動筒1107通過滑鍵結構安裝于下支撐筒內(nèi)，其上裝有用于驅動T型絲桿的第一電機1106 及第一齒輪副1105/1108。T型絲杠粗頭與通過滑鍵結構安裝于上支撐筒內(nèi)的第一滑動筒 1102的內(nèi)螺紋相連。第一滑動體1102內(nèi)孔的上部裝有公轉殼體1201，公轉殼體下端蓋1202 帶有導柱1203，導柱的另一端與T型絲桿粗頭端面的導套1112滑動相連。所述的自轉及徑向調(diào)偏機構2000主要包括安裝于公轉殼體下端蓋1202的第二電 機M01、通過軸承安裝于公轉殼體上部的徑向調(diào)偏機構2300和自轉傳動機構M00。第二 電機MOl通過輸出軸的內(nèi)嚙合大齒輪M06與中間軸I M04上內(nèi)嚙合小齒輪M03相連。 對于公轉殼體轉速較低情形，第二電機輸出軸可與中級軸I直接相連。中間軸I M04偏心 安裝在公轉殼體1201內(nèi)部，通過上端的偏心調(diào)節(jié)小齒輪M03與徑向偏移殼體2301內(nèi)部的 多級變速齒輪副的輸入軸上的偏心調(diào)節(jié)大齒輪M06相連，多級變速齒輪副最后一級輸出齒輪2409上裝有刀桿2411，刀桿同時經(jīng)過軸承偏心安裝在偏心偏移殼體端蓋2305上。上述的徑向調(diào)偏機構24OO的蝸輪蝸桿安裝在徑向偏移殼體2301與公轉殼體1201 之間，蝸桿2302安裝于公轉殼體內(nèi)部，蝸輪2303套裝于偏心調(diào)節(jié)殼體外圓上。安裝在公轉 殼體1201和偏心調(diào)節(jié)殼體2301的上端面的防屑落端蓋一 1206和防屑落端蓋二 2306設有 刀桿偏心調(diào)節(jié)定位的刻度指示，刻度指針在防屑落端蓋二上，定位刻度在防屑落端蓋一上，
所述刻度的間距是按照公式
權利要求
1.一種差動螺旋制孔裝置，其特征在于該裝置主要包括中間帶有隔板的支撐筒(1101)，支撐筒被隔板分成上支撐筒和下支撐 筒，還包括安裝于支撐筒內(nèi)的用以實現(xiàn)刀桿(2411)螺旋運動的螺旋進給機構(1000)、用于 驅動刀桿自轉以及調(diào)整刀桿相對支撐筒的中心軸線偏移的自轉及徑向調(diào)偏機構(2000)；所述的螺旋進給機構(1000)包括通過滑鍵結構安裝于上支撐筒內(nèi)的帶有內(nèi)螺紋的第一滑動筒(1102)、通過滑鍵結構安 裝于下支撐筒內(nèi)的第二滑動筒(1107)、還包括安裝于隔板上的帶有粗頭和細頭的T型絲桿 (1104)，T型絲桿粗細兩頭的外螺紋旋向相反，T型絲桿粗頭與第一滑動筒(1102)的內(nèi)螺紋 配合，細頭與隔板的內(nèi)螺紋配合；上述T型絲桿細頭的末端通過軸承安裝于上述第二滑動 筒上，第二滑動筒設有用于驅動T型絲桿的第一電機(1106)及第一齒輪副(1105/1108)；還包括通過軸承安裝于第一滑動筒(1102)上部的公轉殼體(1201)，公轉殼體下端蓋 (1202)安裝有導柱(1203)，導柱另一端穿過安裝于T型絲桿粗頭端面的導套(1112)；上述自轉及徑向調(diào)偏機構(2000)包括安裝于公轉殼體下端蓋(1202)的第二電機(2401)、依次安裝于公轉殼體(1201)內(nèi) 的與第二電機相連的偏心調(diào)節(jié)小齒輪(2405)、與偏心調(diào)節(jié)小齒輪配合的偏心調(diào)節(jié)大齒輪 (2406)；還包括通過軸承安裝于公轉殼體上部的徑向偏移殼體(2301)，該自轉及徑向調(diào)偏 機構(2000)還包括依次安裝于偏心調(diào)節(jié)殼體內(nèi)與偏小調(diào)節(jié)大齒輪相互連的變速齒輪副、 以及安裝于變速齒輪副最后一級輸出齒輪(2409)上的刀桿(2411)；上述徑向偏移殼體(2301)與公轉殼體(1201)之間還安裝有偏心調(diào)節(jié)蝸輪蝸桿，其中 蝸桿(2302)安裝于公轉殼體上，蝸輪(2303)安裝于徑向偏移殼體上；上述變速齒輪副最 后一級齒輪(2409)的軸線與偏心調(diào)節(jié)小齒輪(2405)的軸線具有間距％，偏心調(diào)節(jié)范圍為 0_2e0。
2.根據(jù)權利要求1所述的差動螺旋制孔裝置，其特征在于上述第二電機(2401)與偏心調(diào)節(jié)小齒輪(2403)之間還安裝有內(nèi)嚙合齒輪副，其中內(nèi) 嚙合大齒輪(2402)與第二電機相連，內(nèi)嚙合小齒輪(2403)與偏心調(diào)節(jié)小齒輪(2403)通過 中間軸1(2404)同軸相連；上述第二電機軸線與支撐筒(1101)中軸線重合。
3.根據(jù)權利要求1所述的差動螺旋制孔裝置，其特征在于上述的公轉殼體(1201)和偏心調(diào)節(jié)殼體(2301)的上端面分別裝有防屑落端蓋一 (1206)和防屑落端蓋二(2306)；防屑落端蓋一與防屑落端蓋二之間設有刀桿偏心調(diào)節(jié)定 位的刻度指示，刻度指針在防屑落端蓋二上，定位刻度在防屑落端蓋一上，所述刻度的間距是按照公式(e = 2e0*Sin(θ/(i*2))來設置，其中θ為蝸桿旋轉角度，i為蝸輪蝸桿傳動比，e 為刀桿相對支撐筒軸心線的徑向偏移。
4.一種利用權利要求1所述差動螺旋制孔裝置實現(xiàn)的螺旋制孔方法，其特征在于包括 以下過程A)刀桿螺旋進給時，第一電機(1106)通過第一齒輪副(1105/1108)帶動T型絲桿 (1104)旋轉，T型絲桿在隔板(1001-1)內(nèi)螺紋約束下，帶動第二滑動筒(1107) —同沿支撐 筒(1101)軸心線前后移動；T型絲桿粗頭與第一滑動筒(1102)內(nèi)螺紋的配合使得第一滑 動筒產(chǎn)生與T型絲桿運行方向相反的運動；由于上述兩種運動的疊加使第一滑動筒獲得相對支撐筒的差動速度，即刀桿的軸向差動進給，刀桿的軸向差動進給速度為V = n*(p2-pl)，其中η為第一電機轉速，ρ2為T型絲桿的細頭螺距，pi為T型絲桿的 粗頭螺距；刀桿軸向差動進給的同時，T型絲桿粗頭通過導柱帶動公轉殼體(1201)旋轉，由于偏 心調(diào)節(jié)殼體(2301)偏心安裝于公轉殼體上，從而實現(xiàn)刀桿的螺旋進給；B)刀桿自轉時，第二電機(2401)相繼通過內(nèi)嚙合齒輪副、偏心調(diào)節(jié)齒輪副、變速齒輪 副帶動刀桿旋轉；C)初始狀態(tài)變速齒輪副最后一級輸出齒輪的軸線與第一電機軸線重合，即自轉和公轉 的偏心距為0 ；刀桿偏心調(diào)節(jié)時，驅動偏心調(diào)節(jié)蝸桿通過置于偏心調(diào)節(jié)殼體的蝸輪帶動變 速齒輪副與刀桿一同繞偏心調(diào)節(jié)小齒輪(2405)轉動，由于變速齒輪副最后一級輸出齒輪 的軸線與偏心調(diào)節(jié)小齒輪的軸線具有間距兩，所以刀桿偏心調(diào)節(jié)范圍為0-2%。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種差動螺旋制孔裝置及方法，屬于柔性加工裝備技術領域。該裝置主要包括用于實現(xiàn)刀桿螺旋運動的差動螺旋進給機構、驅動刀桿旋轉的自轉機構，以及調(diào)整刀桿相對支撐筒的軸心線進行偏移的徑向調(diào)偏機構。其方法的特征在于制孔時刀桿的螺旋運動由差動螺旋進給機構控制，刀具的自轉是通過自轉機構實現(xiàn)。徑向調(diào)偏機構的設置，使刀桿相對支撐筒的公轉半徑可根據(jù)待制孔徑進行調(diào)整，加以差動組合螺旋易于實現(xiàn)小的軸向進給，使本發(fā)明的裝置與方法可用于鈦合金、碳纖增強復合材料等難加工材料的批量化制孔。此外，本裝置集成度高、重量輕盈，可用作一些機器人自動制孔系統(tǒng)的末端執(zhí)行單元。本發(fā)明涉及的裝置與方法能大大提高難加工零件制孔的質(zhì)量與效率。
文檔編號B23C3/02GK102145405SQ20111003889
公開日2011年8月10日 申請日期2011年2月16日 優(yōu)先權日2011年2月16日
發(fā)明者何寧, 單以才, 李亮, 楊吟飛, 秦曉杰, 章婷, 趙威, 錢甘 申請人:南京航空航天大學