一種用于薄壁金屬結構的鉆孔工具和鉆孔方法與流程

本發明屬于金屬結構加工的技術領域，涉及用于薄壁金屬結構的鉆孔，尤其是涉及鈦合金等高強度帶曲率的薄壁金屬結構的精確鉆孔。

背景技術：

飛機蒙皮、艦艇殼體、冷卻塔殼體等都屬于薄壁金屬結構，由于其承受的載荷較大，一般采用高強度的金屬材料制成，而且表面均帶有一定的曲率。這些高強度的薄壁金屬結構長期承受各種交變應力和載荷，有時會出現裂紋，甚至會產生各種撕裂狀帶尖角的孔洞等損傷，這些損傷的出現會導致薄壁金屬結構強度和剛度的下降，如未及時修復，繼續發展后則可能引發安全事故。

對于前述薄壁金屬結構的裂紋損傷，通常采用在裂紋末端鉆削止裂孔阻止裂紋擴展的方式，或鉆孔后采用鉚接修復方式對損傷進行修復。這些修復工作都需要進行鉆削止裂孔或鉚釘孔。手持氣鉆進行鉆削是常采用的鉆孔方式，但高強度金屬尤其是鈦合金材料的屈強比高、導熱性差屬于典型難加工材料，鉆削過程中鉆削軸向力大（約為45鋼的4至5倍），鉆削區溫度高，使得手持操作力過大，從而不利于持久工作；另外，鉆穿時的沖擊大，易損傷薄壁金屬結構內的構件；還有就是，手持鉆削過程中鉆頭軸心擺動幅度大，使得孔口尺寸和形狀誤差偏大，當薄壁金屬結構帶有曲率時誤差將進一步增大，這將嚴重影響后續鉚接等結構修理的質量。因此，傳統的基于普通金屬的鉆孔工具無法適用于高強度帶曲率的薄壁金屬結構的鉆孔。

技術實現要素：

針對使用手持氣鉆加工高強度帶曲率的薄壁金屬結構時存在的切削力大、切削區溫度高、切削精度低、不易實現長時間作業、易損傷內部構件等問題，本發明提出了一種用于薄壁金屬結構的鉆孔工具以及相應的鉆孔方法。

本發明提出的一種用于薄壁金屬結構的鉆孔工具，具體包括馬達、刀具夾頭、鉆頭、夾持及旋轉機構、支撐結構、調整及吸附機構；其中，刀具夾頭用于夾持鉆頭，刀具夾頭的上部通過活動連接的方式（諸如螺紋連接、卡扣連接等形式）安裝在馬達的下部；其中，夾持及旋轉機構則用于夾持固定馬達，并帶動馬達、刀具夾頭及鉆頭實現沿馬達軸向的旋轉進給；工作時，馬達通過刀具夾頭帶動鉆頭實現鉆孔，并通過夾持及旋轉機構帶動馬達、刀具夾頭及鉆頭實現沿馬達軸向的旋轉進給，進而實現邊鉆孔邊進給。

其中，支撐結構包括至少2個橫梁和相同數量的垂直支撐桿；各橫梁沿夾持及旋轉機構的周向等距分布，各橫梁的內側通過焊接等方式固接在夾持及旋轉機構的非旋轉部件上；垂直支撐桿通過螺紋連接等活動連接的方式垂直安裝在橫梁的外側；其中，調整及吸附機構包括與橫梁數量相同的水平支撐桿和吸盤；水平支撐桿的內側通過活動連接的方式水平安裝在垂直支撐桿的下部，并能夠沿垂直支撐桿上下移動和固定；水平支撐桿的外側通過銷軸與吸盤連接。

優選的，夾持及旋轉機構的非旋轉部件具體為一個上部開口的圓柱形殼體；殼體內放置旋轉環，殼體上部活動連接一個壓環；旋轉環穿出壓環的部分上安裝至少2個手柄；旋轉環的下部設置帶有內螺紋的孔，與帶有外螺紋的導向環配合，旋轉環轉動時能夠帶動導向環實現上/下方向的移動，從而實現前述的旋轉進給功能；在導向環的下方通過螺釘等活動連接方式連接一個開口鎖緊環；殼體的下部、旋轉環的上部、導向環和開口鎖緊環上均開設圓孔，馬達從圓孔中穿過并通過開口鎖緊環進行夾持和固定。

優選的，垂直支撐桿的下部設置外螺紋，水平支撐桿的內側設置帶有內螺紋的孔，通過內外螺紋的配合，實現水平支撐桿沿垂直支撐桿上下移動；通過設置螺紋，即使在承受比較大的鉆孔載荷作用下，整套鉆孔工具的高度也不易發生變化，從而確保圓孔的切削精度和切削質量。并在水平支撐桿的內側設有開口并裝有開口鎖緊裝置，其中開口為沿水平支撐桿長度方向的開口，開口一直通到水平支撐桿上的螺紋孔；開口鎖緊裝置通過夾緊開口，實現鎖緊功能，鎖緊時水平支撐桿不能相對垂直支撐桿轉動或移動。

優選的，在水平支撐桿與吸盤之間再加裝一個擺桿，擺桿外側通過銷軸與吸盤連接，水平支撐桿不再與吸盤直接連接。通過加裝擺桿，使得吸盤的可調整角度進一步增大，從而適應不同曲率的薄壁金屬結構，尤其是大曲率的薄壁金屬結構。并在水平支撐桿外側開有沿軸向的螺紋孔，該孔與擺桿上外螺紋配合；擺桿可通過螺紋相對于水平支撐桿伸出或縮回，從而適應不同曲率的薄壁金屬結構。擺桿上還螺接1個鎖緊螺母，當調整好擺桿相對于水平支撐桿的伸出長度后，通過鎖緊螺母將擺桿相對于水平支撐桿的位置鎖定，防止在切削過程中承受較大鉆孔載荷時引起調整及吸附機構的活動，進而導致切削精度和切削質量的下降。

優選的，橫梁中部設置通槽，垂直支撐桿能夠沿通槽向內或向外移動，從而適用于不同的圓孔切削半徑；垂直支撐桿的上部設置鎖緊螺栓，鎖緊螺栓穿過通槽與垂直支撐桿螺接；當調整好垂直支撐桿相對于橫梁的位置后，應通過鎖緊螺栓進行固定，將垂直支撐桿相對于橫梁的位置進行固定，防止在切削過程中承受較大鉆孔載荷時引起支撐結構的活動，進而導致切削精度和切削質量的下降。

優選的，馬達為氣動馬達，氣動馬達以壓縮空氣作為動力源，一方面可在缺乏電源的地方，諸如在野外或外場實現對飛機蒙皮等薄壁金屬結構的鉆孔；另一方面也可在使用電源不安全的情況下，諸如待鉆孔的艦艇殼體或壓力容器殼體等薄壁金屬結構周圍存在易燃易爆品的情況下進行鉆孔。

優選的，刀具夾頭為扳手夾緊式三爪鉆夾頭。

優選的，吸盤為帶有吸附手柄的無源吸盤。采用了無源吸盤，既方便了吸附操作，又避免有源吸盤中的氣體消耗。通過按壓手柄即可完成吸附，抬起手柄即可解除吸盤的吸附。

本發明還提出了一種基于上述鉆孔工具的鉆孔方法，該方法包括如下步驟：

步驟s1，將裝有刀具夾頭的馬達安裝到夾持及旋轉機構上并固定；

步驟s2，根據待鉆削的圓孔直徑選擇鉆頭的直徑，并安裝到刀具夾頭上；

步驟s3，檢查在夾持及旋轉機構的旋轉進給行程內，鉆頭能否進行完整的鉆孔，即鉆頭能否鉆透待鉆削的薄壁金屬結構；若能，則進入步驟s5；若不能，則進入步驟s4；

步驟s4，解除水平支撐桿與垂直支撐桿間的固定，向上或向下移動水平支撐桿至合適高度，并再次將水平支撐桿與垂直支撐桿進行固定；

步驟s5，將鉆孔工具移至待鉆削的薄壁金屬結構上，并將鉆頭垂直對準待鉆削的位置，調整吸盤的角度，并將吸盤吸附于薄壁金屬結構上；

步驟s6，開啟馬達，帶動鉆頭旋轉；

步驟s7，緩慢旋轉夾持及旋轉機構，帶動鉆頭進行旋轉進給，直至完成鉆孔；

步驟s8，關閉馬達，從薄壁金屬結構上拆下鉆孔工具。

優選的，在鉆孔工具中加裝擺桿的情況下，將步驟s5替換為：

將鉆孔工具移至待鉆孔的薄壁金屬結構上，并將鉆頭垂直對準待鉆孔的位置；

解除鎖緊螺母對擺桿的鎖定，根據薄壁金屬結構的曲率，通過調整擺桿相對水平支撐桿的伸出長度；然后調整吸盤的角度，確定吸盤的吸附位置；

旋轉鎖緊螺母鎖定擺桿，并將吸盤吸附于薄壁金屬結構上。

本發明的一種用于薄壁金屬結構的鉆孔工具具有結構簡單，便于安裝、拆卸和攜行，適用薄壁金屬結構的曲率大，切削精度高，能夠在大切削力作用下依然能長時間作業，不易損傷薄壁金屬結構內部構件等優點，尤其適用于在缺乏電源或不能使用電源的情況下對高強度薄壁金屬結構進行鉆孔。相應的切削方法，則具有使用方便，操作簡單，加工時不需手持工具，加工人員勞動強度低，切削質量高等優點。

附圖說明

圖1是鉆孔工具整體結構示意圖；

圖2是夾持及旋轉機構中部分部件示意圖；

圖3是支撐結構中橫梁示意圖；

圖4是水平支撐桿上開口位置示意圖。

具體實施方式

為了使本領域技術人員更好地理解本申請中的技術方案，下面結合本申請的附圖，對本申請實施例中技術方案進行描述。

實施例1：

如圖1所示，一種用于薄壁金屬結構的鉆孔工具，包括：馬達1、刀具夾頭2、鉆頭3、夾持及旋轉機構4、支撐結構5、調整及吸附機構6；

馬達1為氣動馬達；刀具夾頭2用于夾持鉆頭3，刀具夾頭2的上部通過螺紋連接的方式安裝在馬達1的下部。

夾持及旋轉機構4用于夾持固定馬達1，并帶動馬達1、刀具夾頭2及鉆頭3實現沿馬達1軸向的旋轉進給。夾持及旋轉機構4具體由殼體41、旋轉環42、壓環43、手柄44、導向環45、開口鎖緊環46組成，其中開口鎖緊環46為c型結構。其中殼體41為圓柱形的殼體，中空且上部開口；殼體41內放置旋轉環42，殼體41上部通過螺釘安裝一個壓環43；當旋轉環42承受向上的載荷時，壓環43能夠防止旋轉環42從殼體41中脫出；旋轉環42上部穿出壓環43，且在旋轉環42穿出壓環43的部分上安裝3個手柄44；如圖2所示，旋轉環42的下部設置帶有內螺紋的孔，其與帶有外螺紋的導向環45配合；在導向環45的下方通過螺釘連接一個開口鎖緊環46；殼體41的下部、旋轉環42的上部、導向環45和開口鎖緊環46上均開設圓孔。使用時，將馬達1依次從旋轉環42上部的圓孔、導向環45上的圓孔、開口鎖緊環46上的圓孔穿過，并用開口鎖緊環46夾緊并固定馬達1。工作時，通過用手把持手柄44，帶動旋轉環42沿圓周方向轉動，旋轉環42則通過其與導向環45之間的螺紋帶動導向環45、開口鎖緊環46、馬達1、刀具夾頭2及鉆頭3實現沿馬達1軸向的旋轉進給。

支撐結構5包括2個橫梁51和2個垂直支撐桿52；2個橫梁51沿夾持及旋轉機構4的圓周方向等距分布，2個橫梁51的內側均焊接在殼體41上。如圖3所示，橫梁51中部設置通槽511，垂直支撐桿52能夠沿通槽511向內或向外移動，用于尋找合適位置，實現吸盤62在待鉆削薄壁金屬結構上的更強吸附；垂直支撐桿52的上部設置鎖緊螺栓521，鎖緊螺栓521穿過通槽511與垂直支撐桿52螺接。

調整及吸附機構6包括與橫梁51數量相同的水平支撐桿61和吸盤62，本實施例中水平支撐桿61和吸盤62的數量均為2個；在垂直支撐桿52的下部設置外螺紋，并在水平支撐桿61的內側設置帶有內螺紋的孔；如圖4所示，水平支撐桿61的內側設有開口611，并裝有開口鎖緊裝置612。水平支撐桿61內側的螺紋孔與垂直支撐桿52下部的外螺紋相配合，水平支撐桿61能夠沿垂直支撐桿52上下移動，移動到合適位置后，通過開口鎖緊裝置612能夠將水平支撐桿61與垂直支撐桿52的相對位置進行固定。水平支撐桿61的外側通過銷軸63與吸盤62連接，其中吸盤62為帶有吸附手柄的無源吸盤。

利用前述的工具進行鉆孔時，主要包括以下步驟：

步驟s1，將裝有刀具夾頭2的馬達1安裝到夾持及旋轉機構4上，并通過開口鎖緊環46進行固定；

步驟s2，根據待鉆削的圓孔直徑選擇鉆頭3的直徑，并安裝到刀具夾頭2上；

步驟s3，檢查在夾持及旋轉機構4的旋轉進給行程內，鉆頭3能否進行完整的鉆孔，即一方面檢查鉆頭3在鉆孔前不能與薄壁金屬結構有干涉的問題，另一方面檢查鉆頭3能否鉆透薄壁金屬結構；若能進行完整的鉆孔，則進入步驟s5；若不能，則進入步驟s4；

步驟s4，通過開口鎖緊裝置612，解除水平支撐桿61與垂直支撐桿52間的固定，向上或向下移動水平支撐桿61至合適高度，并再次通過開口鎖緊裝置612將水平支撐桿61與垂直支撐桿52進行固定。

步驟s5，將鉆孔工具移至待鉆削的薄壁金屬結構上，并將鉆頭3對準待鉆削的位置，調整吸盤62的角度，并通過吸盤62上的吸附手柄將吸盤62吸附于薄壁金屬結構上；

步驟s6，開啟馬達1，帶動鉆頭3旋轉；

步驟s7，通過手柄44，緩慢旋轉夾持及旋轉機構4，帶動鉆頭3進行旋轉進給，直至完成圓孔的鉆削；

步驟s8，關閉馬達1，通過吸盤62的吸附手柄解除吸附，然后從薄壁金屬結構上拆下鉆孔工具。

實施例2：

本實施例中的鉆孔工具與實施例1中的基本相同，主要區別在于：在水平支撐桿61與吸盤62之間再加裝一個擺桿64，擺桿64外側通過銷軸63與吸盤62連接，水平支撐桿61不再與吸盤62直接連接。其目的主要在于，通過加裝擺桿64，使得吸盤62的可調整角度進一步增大，從而適應不同曲率的薄壁金屬結構，尤其是大曲率的薄壁金屬結構。

并在水平支撐桿61外側開有沿軸向的螺紋孔，該孔與擺桿64上外螺紋配合；擺桿64可通過螺紋相對于水平支撐桿61伸出或縮回，從而適應不同曲率的薄壁金屬結構。擺桿64上還螺接1個鎖緊螺母65，當調整好擺桿64相對于水平支撐桿61的伸出長度后，通過鎖緊螺母65將擺桿64相對于水平支撐桿61的位置鎖定，防止在切削過程中承受較大鉆孔載荷時引起調整及吸附機構6的活動，進而導致切削精度和切削質量的下降。

鉆孔工具通過本實施例的改進后，在利用本實施例中的鉆孔工具進行鉆孔時，方法也要進行適應性的調整，主要區別在于步驟s5。

應將實施例1中的步驟s5替換為：

將鉆孔工具移至待鉆削的薄壁金屬結構上，并將鉆頭3對準待鉆削的位置；

解除鎖緊螺母65對擺桿64的鎖定，根據薄壁金屬結構的曲率，通過調整擺桿64相對水平支撐桿61的伸出長度；然后調整吸盤62的角度，確定吸盤62的吸附位置；

旋轉鎖緊螺母65鎖定擺桿64，并將吸盤62吸附于薄壁金屬結構上。

其它步驟與實施例1中的步驟相同，就不一一贅述。

應該說明的是，本發明的鉆孔工具和方法，不僅適用于高強度帶曲率薄壁金屬結構的鉆孔，而且適用于其它各類金屬的鉆削。

最后應說明的是，以上所述僅為本發明的優選實施例，并不用于限制本發明，盡管參照前述實施例對發明進行了詳細的說明，對于本領域的技術人員來說，其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特征進行等同替換。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。