[发明专利]一种利用环状可拆分工具加工工件内表面的方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用环状可拆分工具加工工件内表面的方法和装置，属于机械加工技术领域。

背景技术

在机械工程中，构成动联结或静联结都基本需要用到内封闭表面，如内圆柱面、内圆锥面、内齿轮面、内螺旋面、内花键面，这些表面的应用几乎与外表面一样普遍和广泛。在航空发动机行业，还有一些半封闭的表面，如安装叶片的涡轮盘榫槽，这种类型的表面目前几乎只能采用拉削加工方法，其设备昂贵、刀具数量多、成本高、准备周期长。由于受到固有思维方法的限制，前人基本默认这些内封闭表面或者半封闭表面都必须基本采用比其尺寸更小的工具加工，如加工内孔用内圆磨头、圆柱铣刀、加工内齿轮用齿轮插刀。但对于经过淬火的表面，磨削几乎是最合理的加工方法，如内齿轮的成形磨削加工等。但此时如果采用小尺寸砂轮，那么砂轮的旋转速度必须很高，且系统刚性也会很低。总之，采用小尺寸工具加工时，因为受到被加工对象内部空间的限制，其支撑系统的刚性一般都很差，因此切削力和磨削力就不能太大，而用砂轮加工时转速需要很高，参与磨削的磨料数量比较少，这些问题严重制约了一些重要内形面加工精度的提升、加工效率的提升和加工成本的降低。目前遇到的主要问题是，精密减速器的内齿轮一般只能采用插齿加工方法，常规磨削方法因成本高效率低而难以获得大面积推广，发动机涡轮盘榫头采用拉削方法加工，成本高且准备周期长，因此迫切需要发展先进的内表面先进加工技术和装备。

发明内容

（1）本发明一种利用环状可拆分工具加工工件内表面的方法，它是一种利用比工件内曲面尺寸大的旋转工具加工内表面的新方法，其要点是将工具制作成环状，并通过合理的结构设计可以使环状工具穿过工件并对其内表面进行加工。图1是本发明提出的利用环状可拆分工具加工工件内表面的方法的原理图。图中,工件和工具都具有环形结构，但不限定其截面为圆形，可以是包含圆形在内的所有其它形状，如多段折线组成的封闭形状、椭圆形状、折线和渐开线组成的折线形状等等。显然，这些形状可以用来加工多种内表面。如渐开线可以用来加工内齿轮，折线组合可以用来加工涡轮盘的榫槽。

本发明一种利用环状可拆分工具加工工件内表面的方法，该方法包括如下步骤：

步骤一：依据待加工的盘形工件内表面的形状，按照成形法或展成法原理设计环状工具或砂轮的工作面（刀具切削刃或砂轮磨料最高点所在母线绕其自身轴线回转而成的表面）的母线形状.图6c、图7b中的工具工作面A的形状即是需要设计的工具的母线形状。当采用成形法加工时，该形状与被加工内曲线一致，当采用展成法加工时，A的母线可以是任意的可和被加工表面构成共轭运动关系的曲线。

步骤二：将环状工具设计成图6a、b、c所示的对开式结构，图7a、b所示的扇形结构，或图8所示的C形开口结构之一。其中对开结构是将环状工具分成基本对称但在结合面处具有斜面或其它结构表面的两半部分，二者可以分开和合并，容许工件与工具形成相互穿越的双环结构，如图1所示。其中的扇形结构是将工具分解成可以具有搭接部位可通过螺钉销钉等连接成一个整体的方式。其中的C形结构是将工具开一个缺口，容许工件从缺口中进入并形成图1所示的相互贯穿结构。前两种在轴承的约束下都具有完整的封闭构形，因此可以采用单点驱动，第三种方式即C型方式中工具不完整，因此需要采用两点以上的驱动点来保证运动的连续性。

步骤三：设计一种可实现环状工具和工件相互穿越的环状工具驱动动力头。

图4a、4b、4c分别是一种利用大尺寸空心扁平可拆分环状工具加工小直径零件内表面的环状工具驱动动力头的主视图、左视图和俯视图。图4a、4b、4c中，环状工具上部306通过左、右轴承319、320支撑于由件305、307、315、317组成的动力头上部壳体中，环状工具下部303通过左、右轴承319、320的下部滚动体支撑于由件301、302、325、326组成的动力头下部壳体中,上下两部分壳体可通过一对定位销311来确定其连接状态的相对位置关系，动力头上下部分各自壳体通过壳体连接螺钉328连接在一起，左、右导向板324、327通过滑板螺钉323连接于动力头开合单元6的工作台面上，用于控制动力头下部开合时能具有确定的运动位置和轨迹。环状工具主轴电机314通过齿形带传动系统313、334、333、332、331和齿轮传动系统330、329、321、322驱动环状工具的内齿轮使其做连续的速度可控的旋转运动。