一种大型复合筒的径向自动钻孔装置

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一种大型复合筒的径向自动钻孔装置\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种在大型复合筒的径向进行自动钻孔的装置。\n背景技术\n[0002] 在航空制造领域，有一种采用碳纤维复合材料制成的圆筒状零件，简称为复合筒。\n在复合筒的端部套装有金属端框，金属端框与复合筒的筒体通过螺栓在筒壁的径向上连接，因此需在端框和复合筒的筒体上沿径向加工出圆孔。复合筒的直径和长度均达数米以上，因此加工出的圆孔多达数百个。\n[0003] 目前，机械制造中的钻孔装置主要是钻床，普通钻床在钻孔加工时，利用钻具或钳工划线确定孔的位置，利用摇臂的运动来对刀；在定位精度要求高或不易定位的情况下，常使用数控钻床。但对于直径和长度均达数米以上的大型复合筒，在其筒壁上沿径向进行批量钻孔，目前尚未有专用钻床进行钻孔加工。若在普通钻床和数控钻床或数控多轴钻床进行钻孔加工，因钻床的零件加工范围小、且在圆柱面上进行钻孔对刀定位难度大，若对刀不准，易磨损钻套，造成孔位错误甚至钻套报废等难点而无法直接加工，若在原有钻床上进行结构改造，则改造难度大、成本高，无法满足批量生产的需要。\n[0004] 碳纤维复合材料属于难加工材料，若从外向里加工，难免出现复合筒体内壁纤维撕裂、分层现象，进一步增加了钻孔的难度，采用常规方法钻孔效率低下，难以满足生产需求。就已知的钻床而言，钻孔大家是单个地、或成对或者按多重排量方式进行操作，并再一个相应的钻架上加以引导。在使用单独操作的钻架和工具时，每个钻孔位置必须用钻床分别接近，钻孔刀具的调整要求操作人员具有相应的经验和技能，从而增加了操作和调节技术上的费用，每个单独钻孔的调整过程相当耗时，这对于批量钻孔而言，将对总加工时长影响甚大。在一般情况下，由于所加工的复合筒直径较大，所钻孔数较多，对规定的钻孔线和钻孔方向的偏离是不可避免的，除了增加钻床的调整时间外，还造成孔位错位，为了保证复合筒的钻孔质量，必须再加以孔位修整，再次造成增加附加工作量和增加成本甚至报废复合筒。\n发明内容\n[0005] 本发明的目的在于，针对大型复合筒上进行径向钻孔出现的对刀困难，钻孔效率低的问题，发明一种结构简单、且可实现对大型复合筒进行径向批量自动钻孔的装置。该钻孔装置采用从里向外加工方式，避免复合材料筒体内壁纤维撕裂、分层；采用双动力头钻孔，可同时加工第一排和第二排孔，更换钻孔位置时，仅转动待加工的复合筒，无需移动大型复合筒的径向自动钻孔装置，提高了加工范围。同时设计钻孔装置托架，用于钻孔装置的存放和安装，保证钻孔装置与筒体内壁不发生剐蹭。\n[0006] 本发明的技术方案如下：\n[0007] 一种大型复合筒的径向自动钻孔装置，包括托架、第一钻孔单元、第二钻孔单元、钻模和张紧装置。\n[0008] 托架主要由万向轮、X向手轮、Z向手轮和Y向移动机构等组成，通过万向轮在地面上任意移动，以方便工人搬运本发明的大型复合筒的径向自动钻孔装置，X向手轮、Z向手轮和Y向移动机构可方便实现大型复合筒的径向自动钻孔装置与待加工复合筒的对位。\n[0009] 钻模是本发明的主框架，为带钻模法兰的框架式结构，在与钻模法兰相对的一端有六个滑槽作为固定，钻模的外径小于复合筒筒体的内径，以防在装夹过程中剐蹭所述复合筒筒体的内壁。在钻模的外圆柱面上开有沿径向的三排孔，分别为第一排孔、第二排孔和测量孔，第一排孔和第二排孔内镶嵌有钻套，分别对应与要在复合筒上的孔位，用于本发明的大型复合筒的径向自动钻孔装置的对刀，测量孔用于探头接触所述复合筒的内表面，消除所述复合筒和钻模存在的圆度误差和装配误差，保证划窝深度一致。\n[0010] 本发明有两套钻孔单元，即第一钻孔单元和第二钻孔单元，第一钻孔单元和第二钻孔单元的结构相同，分别由左定位锥销、右定位锥销、右氮气弹簧、左氮气弹簧、探头、刀具、旋转电机、进给电机和进给机构组成。分别用于同时在复合筒钻出与所述的第一排孔和所述的第二排孔对应的孔。第一钻孔单元和所述的第二钻孔单元分别固定于转盘上，转盘可绕芯轴自由转动，在重力的作用下，第一钻孔单元和所述的第二钻孔单元自然下垂。\n[0011] 张紧装置由手柄、凸轮、顶杆、氮气弹簧、连杆和压板组成，用于支撑大型复合筒的径向自动钻孔装置，将大型复合筒的径向自动钻孔装置固定于所述的复合筒内壁上。复合筒由复合筒筒体和金属端框组成，使用本发明的大型复合筒的径向自动钻孔装置钻孔后，可在孔内插入螺钉，将所述的复合筒筒体和所述的金属端框紧固在一起。\n[0012] 本发明的有益效果是：所发明大型复合筒的径向自动钻孔装置可在大型复合筒壁上进行径向批量自动钻孔，更换钻孔位置时，仅转动待加工的复合筒，无需移动大型复合筒的径向自动钻孔装置，提高了加工范围。从里向外的钻孔方式可先加工复合筒筒体后加工金属端框，避免了复合材料筒体内壁纤维撕裂和分层。采用两套钻孔单元，且能实现独立自动对刀，可同时加工出两排孔。托架便于钻孔装置的存放和安装，三自由度的移动方式保证了钻孔装置与筒体内壁不发生剐蹭。\n附图说明\n[0013] 图1是本发明的大型复合筒的径向自动钻孔装置。\n[0014] 图2是托架的结构图。\n[0015] 图3是钻模的结构图。\n[0016] 图4是钻孔单元的结构图。\n[0017] 图5是钻孔单元I的半剖视图。\n[0018] 图6是张紧装置的结构图。\n[0019] 图7是钻孔装置加工复合筒时的示意图。\n[0020] 图8是图7中的局部剖视图。\n[0021] 图中：1托架；2第一钻孔单元；3第二钻孔单元；4钻模；5转盘；6芯轴；7张紧装置；8支架；9垫块；10万向轮；11X向手轮；12Z向手轮；13Y向移动机构；14第一排孔；15第二排孔；16测量孔；17滑槽；18钻模法兰；19左定位锥销；20右定位锥销；21右氮气弹簧；22左氮气弹簧；23探头；24刀具；25旋转电机；26进给电机；27进给机构；28手柄；29凸轮；30顶杆；31氮气弹簧；32连杆；33压板；34复合筒；35复合筒筒体；36金属端框。\n具体实施方式\n[0022] 结合技术方案和附图详细说明本发明的具体实施例。\n[0023] 如图1所示，钻模4的中心轴线水平放置，芯轴6的一端插入钻模4的滑槽17中心处，另一端由支架8固定。第一钻孔单元2和第二钻孔单元3分别与转盘5固定连接，转盘5中心孔中与钻模4的中心孔同轴，且用芯轴6贯穿，转盘5可绕芯轴芯轴6自由转动，无论钻模4绕自身轴如何转动，第一钻孔单元2和第二钻孔单元3在自身重力的作用下始终保证自由下垂状态。一组垫块9固定与钻模4的法兰18上，目的在于调整钻孔的轴向位置。钻模4放置与托架1上，以方便拖动和运输。\n[0024] 如图2所示，万向轮10保证托架1在地面上自由行走，X向手轮11可为螺旋结构，用于调整放置在托架1上的钻模4在X向精确左右移动，Z向手轮12可为螺旋结构，用于调整放置在托架1上的钻模4在Z向精确升降移动，Y向移动机构可保证放置在托架1上的钻模4沿其轴向前后移动。\n[0025] 如图3所示，钻模4为圆筒状结构，在钻模4的一端有钻模法兰18，在钻孔时，用于需用螺钉将钻模法兰18固定在待加工零件复合筒34的端面上。在另一端有六个滑槽17固定，滑槽17起到加强筋的作用。在钻模4的外圆柱面上开有沿径向的三排孔，分别为第一排孔14、第二排孔15和测量孔16，第一排孔14和第二排孔15内镶嵌有钻套，分别对应与要在复合筒34上的待钻孔位，用于本发明的大型复合筒的径向自动钻孔装置的对刀，测量孔16用于探头23接触复合筒34的内表面，消除复合筒34和钻模4存在的圆度误差和装配误差，保证划窝深度一致。\n[0026] 如图4和图5所示，第一钻孔单元2和第二钻孔单元3固定于转盘5上，第一钻孔单元2和第二钻孔单元3结构相同，以第一钻孔单元2说明其结构和功能。左定位锥销19在通电状态下，其前端的锥销在电磁作用下可伸出，可卡在钻模4的第一排孔14内，实现第一钻孔单元2的定位，从而保证刀具24自动对刀；断电时，在左氮气弹簧22的拉力下缩回，以避免钻模4转动时发生碰撞。同理，右定位锥销20在通电状态下，其前端的锥销在电磁作用下可伸出，断电时，在右氮气弹簧21的拉力下缩回。刀具24固定在旋转电机25的前端，在旋转电机25的驱动下转动钻孔。进给机构27在进给电机26带动下，驱动刀具24沿其轴向进给。探头23用于探测刀具24与复合筒34的距离，保证划窝深度一致。\n[0027] 如图6所示，张紧装置7为手动操作机构，手柄28与凸轮29固定连接，凸轮29上有与六个滑槽17对应的六个凸轮面。顶杆30头部与凸轮29接触，另一端连接氮气弹簧\n31，再与连杆32连接，连杆32与压板33铰接。操作时，扳动手柄28，带动凸轮29转动，顶杆30在凸轮29驱动下，从中心向圆周方向移动，带到氮气炭火31和连杆32移动，同时将压板33压紧在腹痛筒34的内壁上，将钻模4张紧。\n[0028] 以在一种大型复合筒的径向进行自动钻孔为例，说明本发明的示范性实施例。\n[0029] 将本发明的大型复合筒的径向自动钻孔装置固定于支架1上，将刀具24旋转电机安装于25前端，根据钻孔的轴向位置选择合适厚度的垫块9，安装与钻套4的钻套法兰18上。操作工人推动支架1接近待钻孔的复合筒34，调整X向手轮11和Z向手轮12，保证本发明的大型复合筒的径向自动钻孔装置钻模4与复合筒34同轴，然后推动Y向移动机构\n13，将钻模4推入复合筒34中，用螺钉将钻套法兰18固定于复合筒34的轴端。同时扳动手柄28，张紧后，保证本发明的大型复合筒的径向自动钻孔装置与复合筒34固定。卸下支架1与钻模4的连接螺栓，移走支架1，加工时的状态如图7所示。\n[0030] 如图8所示，转动复合筒34，使第一钻孔单元2的左定位锥销19和右定位锥销20大致对准钻套4上的第一排孔14，左定位锥销19和右定位锥销20同时通电，其前端的锥销插入钻套4的第一排孔14中，完成第一钻孔单元2的对刀过程，与第一钻孔单元2对刀相似，第二钻孔单元3与第二排孔15对刀。\n[0031] 进给电机26驱动刀具24向复合筒34进刀开始钻孔，钻孔结束后刀具24在进给电机26驱动下退出。对应第一钻孔单元2和第二钻孔单元3的左定位锥销19和右定位锥销20断电，右氮气弹簧21和左氮气弹簧22将定位锥销拉出，自此完成第一排孔14第一个孔和第二排孔15中第一个孔的加工。\n[0032] 顺时针转动转盘5，使第一钻孔单元2的左定位锥销19与第一排孔14第一个孔的轴线对齐，利用已加工的孔进行对刀，然后重复前面经给过程重复钻孔，直至与第一排孔14第一个孔和第二排孔15相对应的所用孔加工完毕。