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1、(10)申请公布号 CN 103042459 A (43)申请公布日 2013.04.17 CN 103042459 A *CN103042459A* (21)申请号 201310019560.7 (22)申请日 2013.01.18 B24B 27/06(2006.01) B24B 47/12(2006.01) (71)申请人 北京航空航天大学 地址 100191 北京市海淀区学院路 37 号 申请人 昌河飞机工业(集团)有限责任公司 (72)发明人 陈志同 蒋理科 于建华 徐义平 (74)专利代理机构 北京慧泉知识产权代理有限 公司 11232 代理人 王顺荣 唐爱华 (54) 发明名称 。
2、一种复合材料磨削切边装置 (57) 摘要 一种复合材料磨削切边装置， 它是由它是壳 体连接部分、 壳体部分、 动力输入部分、 运动变换 部分和工具部分组成， 其中壳体连接部分位于装 置最顶端， 壳体部分通过壳体连接部分与机床主 轴外壳连接 ； 动力输入部分位于机床主轴与壳体 上端盖之间 ； 运动变换部分的三根传动轴通过轴 承安装于壳体部分中， 其输入齿轮轴与动力输入 部分通过联轴节相连， 其两根输出齿轮轴的输出 端用于与工具部分连接并驱动两个工具做大小 相等方向相反的旋转运动 ； 工具部分位于壳体下 方， 并通过一组压紧螺母固定在运动变换部分的 两根输出齿轮轴上。 本发明可与数控机床直联， 结。
3、 构轻巧紧凑， 切割磨片同步等速旋转， 能对碳纤维 增强复合材料上下表面进行精准轮廓切割。 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 4 页 附图 5 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 2 页 说明书 4 页 附图 5 页 1/2 页 2 1. 一种复合材料磨削切边装置， 其特征在于 ： 该装置由壳体连接部分、 壳体部分、 动力 输入部分、 运动变换部分和工具部分组成， 其中壳体部分通过壳体连接部分与机床主轴外 壳或与机床主轴外壳保持相对静止的其它构件连接， 用于确保该装置的壳体部分与机床主 轴壳体保持固定连接 ； 动力输入部分用于将机床主轴。
4、输出的运动和动力传递给运动变换部 分 ； 运动变换部分的三根传动轴通过轴承安装于壳体部分中， 其输入齿轮轴的输入端与动 力输入部分通过联轴节和其它类似方式相连， 其两根输出齿轮轴的输出端用于与工具部分 连接并驱动工具部分的两个工具做大小相等方向相反的旋转运动 ； 所述的壳体连接部分由固定法兰和连接在壳体部分上端盖上的防转法兰组成， 固定法 兰位于防转法兰上方， 两者之间通过一组螺栓连接 ； 该固定法兰为圆环状类零件， 可通过调 整位于其上的四个螺母使整个壳体连接部分定心 ； 该防转法兰是两端法兰面平行的回转套 筒类零件， 通过上端面法兰与固定法兰连接， 防止壳体部分受力后转动 ； 所述的壳体部。
5、分是由下端盖、 内包骨架油封、 箱体下、 箱体中、 箱体上、 基准传递法兰 和上端盖组成， 内包骨架油封置于下端盖圆孔内， 箱体下、 箱体中和箱体上通过连接件固连 在一起， 上端盖与箱体上通过基准传递法兰定心连接 ； 该下端盖是中部设有通孔的圆盘状 零件 ； 该箱体下是其上设有两个均布通孔及多个连接孔的矩形件 ； 该箱体中是内心部透空 的凸形状件 ； 该箱体上是心部设有三个均布通孔的矩形件 ； 该基准传递法兰是圆环状类零 件 ； 该上端盖是其中部设有通孔及台阶的矩形件， 各接合面之间均采用 O 型圈密封方式， 伸 出轴端均采用内包骨架油封密封方式， 为高速齿轮机构和轴承提供了可靠的密封和润滑方。
6、 案 ； 所述的动力输入部分是由改装刀柄和联轴器组成， 两者之间相互连接， 该联轴器可容 许主轴轴线和该装置输入齿轮轴轴线存在一定偏差， 该联轴器与输入齿轮轴在壳体部分连 接于机床上后通过工艺孔实现相互连接 ； 所述的运动变换部分是由支撑一个一级主动齿轮的输入齿轮轴、 支撑一个一级从动齿 轮和一个二级主动齿轮的第一输出齿轮轴和支撑一个二级从动齿轮的第二输出齿轮轴组 成， 它们通过三组滚动轴承支撑于壳体部分中， 输入齿轮轴通过联轴节将主轴的运动和动 力传递到壳体部分中， 并通过一级主动齿轮传递到第一输出齿轮轴的一级从动齿轮 ； 第一 输出齿轮轴通过二级主动齿轮和二级从动齿轮将运动传递到第二输出齿。
7、轮轴 ； 该二级主动 齿轮和二级从动齿轮齿数相同， 但运动方向相反， 因此确保第一输出齿轮轴和第二输出齿 轮轴的转速大小相等方向相反 ； 所述的工具部分包括两个直径厚度相同的金刚石磨片或类似可用于切割复合材料的 其它工具， 它们通过内压板、 两个旋向相反的锁紧螺母件分别安装于第一和第二输出齿轮 轴上。 2. 根据权利要求 1 所述的一种复合材料磨削切边装置， 其特征在于 ： 所述运动变换部分是由支撑一个一级主动齿轮的输入齿轮轴、 支撑一个一级从动齿轮 和一个二级主动齿轮的第一输出齿轮轴和支撑一个二级从动齿轮的第二输出齿轮轴组成， 它们通过三组滚动轴承支撑于壳体部分中 ； 其中的输入齿轮轴通过联。
8、轴节将主轴的运动和 动力传递到壳体部分中， 并通过一级主动内齿轮机构传递到第一输出齿轮轴的一级从动外 齿轮 ； 第一输出齿轮轴通过二级主动外齿轮和二级从动外齿轮将运动传递到第二输出齿轮 轴 ； 所述的二级主动外齿轮和从动外齿轮齿数相同， 但运动方向相反， 因此确保第一输出齿 权 利 要 求 书 CN 103042459 A 2 2/2 页 3 轮轴和第二输出齿轮轴的转速大小相等方向相反。 权 利 要 求 书 CN 103042459 A 3 1/4 页 4 一种复合材料磨削切边装置 技术领域 0001 本发明涉及一种复合材料磨削切边装置， 该装置将磨削的方式应用于复合材料形 状切割， 通过所述。
9、切边装置将机床电主轴动力传递至工具部分实现对碳纤维增强复合材料 高效、 高质量磨削切边的方法及装置。属于复合材料加工技术领域。 背景技术 0002 碳纤维复合材料特别是高性能耐高温碳纤维复合材料以其优良的性能、 结构可设 计性、 减重、 长寿命等越来越广泛地应用于航空领域。但是以目前流行和常规的制造工艺 ： 真空袋 - 热压罐法、 液体成型法等所生产的零件都存在边缘效应， 必须进行周边的外形加 工。 0003 复合材料的加工是目前复材零件应用过程中成本较高、 周期较长、 风险较大的工 序之一， 加工成本占总成本的 10% 以上， 风险系数却占 15% 左右。由于国内的复合材料产业 链构建还存在。
10、很大的缺失， 配套的加工技术也未成气候， 投入到复合材料加工技术研究的 人力物力也不够， 与国外先进的机械切削加工技术研究有比较大差距。 0004 从当前的技术研究来看， 复合材料加工集中在三个方面 ： 机械切削加工、 高压水切 割加工、 手工磨削加工。 其中水切割加工精度不如机械加工， 而且受到零件尺寸和结构开敞 性、 可加工性的限制， 应用范围不如机械加工 ; 而手工加工精度最低， 重复性最低， 质量可 靠性差， 对操作人员的技能要求高， 人员培训的投入较大， 再加上劳动者保护和环境保护方 面的要求， 成本也在不断上升， 在先进的复合材料零件加工方面， 基本上不推荐使用手工加 工。 000。
11、5 复合材料的切削过程与金属的切削大不相同， 其切削刃产生切屑并非像大多数金 属那样通过剪切而生成， 而是通过折断以去除多余的复合材料。加工复合材料的一般原则 是， 采用有足够间隙的超锋利切削刃， 在获得光洁的切削效果的同时将刀具与工件间的摩 擦降到最低。 由于切削刃槽型的细微变化都会迅速导致过量切削热的产生进而发生切削刃 崩裂， 因此必须将刀具磨损降到最低。切削刀具需要轻快地进行切削， 产生最小的推力， 因 而需要各种刀具槽型来配合不同复合材料的不同加工特性。 由于金刚石和硬质合金都能经 得起各种碳纤维层压板复合材料的磨损， 经过特别改制的聚晶人造金刚石 (PCD) 焊接刀尖 或金刚石涂层刀。
12、尖具有最长的刀具寿命， 但是成本相当高， 通常在实际生产中还是采用硬 质合金刀具。但是不论是金刚石刀具还是硬质合金刀具， 其加工断面都存在分层缺陷。 发明内容 0006 本发明的目的是提供一种复合材料磨削切边装置， 该装置利用齿轮传递动力的运 动变换部分将磨削的方式应用于复合材料形状切割， 通过所述切边机构将机床电主轴动力 传递至等速金刚石磨片构成的工具部分实现对碳纤维增强复合材料高效、 高质量磨削切边 的方法及装置。 0007 本发明采用的技术方案的特征包括 ： 一种复合材料磨削切边装置， 它是由壳体连 说 明 书 CN 103042459 A 4 2/4 页 5 接部分、 壳体部分、 动力。
13、输入部分、 运动变换部分和工具部分组成。它们之间的位置连接及 结构关系是 ： 其中壳体连接部分位于整个装置最顶端， 壳体部分通过壳体连接部分与机床 主轴外壳或与机床主轴外壳保持相对静止的其它构件连接， 安装在机床主轴轴端 ； 动力输 入部分位于机床主轴与壳体部分上端盖之间， 两端分别与机床主轴刀柄和运动变换部分一 级主动齿轮轴连接 ； 运动变换部分的三根传动轴通过轴承安装于壳体部分中， 其输入齿轮 轴的输入端与动力输入部分通过联轴节和其它类似方式相连， 其两根输出齿轮轴的输出端 用于与工具部分连接并驱动工具部分的两个工具做大小相等方向相反的旋转运动 ； 工具部 分位于壳体部分下方， 并通过一组。
14、压紧螺母固定在运动变换部分的两根输出齿轮轴上。 0008 所述壳体连接部分由固定法兰和连接在箱体上端盖上的防转法兰组成， 固定法兰 位于防转法兰上方 ； 该固定法兰为圆环状类零件， 可通过调整位于其上的四个螺母使整个 壳体连接部分定心 ； 该防转法兰是是两端法兰面平行的回转套筒类零件， 通过上端面法兰 与固定法兰连接， 可以防止壳体部分受力后转动 ； 0009 所述运动变换部分是由输入齿轮轴、 第一输出齿轮轴、 第二输出齿轮轴、 深沟球轴 承-深沟球轴承组、 深沟球轴承-背对背双列角接触球轴承组等件组成， 它们之间的位置连 接及结构关系是 ： 输入齿轮轴通过其上安装的一级主动齿轮与第一输出齿轮。
15、轴上部的一级 从动齿轮啮合。 第一输出齿轮轴下部的二级主动齿轮与第二输出齿轮轴上的相同齿数的二 级从动齿轮啮合 ； 深沟球轴承 - 深沟球轴承组和深沟球轴承 - 背对背双列角接触球轴承组 分别安装在上述三轴相应的轴颈位置。该输入齿轮轴是普通台阶轴， 其上装有圆柱直齿轮 作为一级主动齿轮 ； 该第一输出齿轮轴是普通台阶轴， 其上部装有一级从动齿轮与一级主 动齿轮啮合， 其下部装有二级主动齿轮与第二输出齿轮轴上的相同齿数的二级从动齿轮啮 合 ； 该深沟球轴承 - 深沟球轴承组是标准市购件 ； 该深沟球轴承 - 背对背双列角接触球轴 承组也是标准市购件 ； 该运动变换部分是通过第一输出齿轮轴将机床主。
16、轴动力从输入齿轮 轴输出并传递至第二输出齿轮轴， 第一输出齿轮轴与第二输出齿轮轴呈对称布置， 同时输 出动力， 并且第一输出齿轮轴的二级主动齿轮和与之相啮合的第二输出齿轮轴的二级从动 齿轮为等齿传动， 从而使两输出齿轮轴等速、 反向旋转。运动变换部分通过固定端背对背 双列角接触球轴承、 热伸长端深沟球轴承支撑方式安装在壳体部分。壳体部分通过壳体连 接部分可靠安装于固定法兰上， 输入齿轮轴上端通过联轴器紧固连接在机床主轴改装刀柄 上。 0010 所述壳体部分是由下端盖、 内包骨架油封、 箱体下、 箱体中、 箱体上、 基准传递法兰 和上端盖组成， 它们之间的位置连接及结构关系是 ： 内包骨架油封置。
17、于下端盖圆孔内， 箱体 下、 箱体中和箱体上通过连接件固连在一起， 上端盖与箱体上通过基准传递法兰定心连接。 该下端盖是中部设有通孔的圆盘状零件 ； 该内包骨架油封是市购密封件 ； 该箱体下是其上 设有两个均布通孔及多个连接孔的矩形件 ； 该箱体中是内心部透空的凸形状件 ； 该箱体上 是心部设有三个均布通孔的矩形件 ； 该基准传递法兰是圆环状类零件 ； 该上端盖是其中部 设有通孔及台阶的矩形件。各接合面之间均采用 O 型圈密封方式， 伸出轴端均采用内包骨 架油封密封方式， 为高速齿轮机构和轴承提供了可靠的密封和润滑方案， 保证精密齿轮的 良好工作环境。 0011 所述工具部分， 包括内压板、 。
18、金刚石磨片、 锁紧螺母等件， 均为市购及自制件。 工具 部分的两金刚石磨片同位安装于第一输出齿轮轴与第二输出齿轮轴下端。 待加工复合材料 说 明 书 CN 103042459 A 5 3/4 页 6 从两高速反向旋转的金刚石磨片间通过时， 被高质量、 高效切削。 0012 所述动力输入部分是由改装刀柄和联轴器组成， 两者之间相互连接， 该联轴器可 容许主轴轴线和该装置输入齿轮轴轴线存在一定偏差， 该联轴器与输入齿轮轴在壳体部分 连接于机床上后通过工艺孔实现相互连接 ； 两件为自制及市购件。 0013 加工时， 通过调节机床主轴转速， 可以控制复合材料磨削切边机构的切削速度， 通 过机床进给轴联。
19、动插补， 可以控制复合材料磨削切边机构走出需要的复杂曲线形状， 并可 调整进给速度， 从而实现对碳纤维复合材料的稳定、 高质、 高效切边。 0014 其中， 所述运动变换部分是由支撑一个一级主动齿轮的输入齿轮轴、 支撑一个一 级从动齿轮和一个二级主动齿轮的第一输出齿轮轴和支撑一个二级从动齿轮的第二输出 齿轮轴组成， 它们通过三组滚动轴承支撑于壳体部分中。其中的输入齿轮轴通过联轴节将 主轴的运动和动力传递到壳体部分中， 并通过一级主动内齿轮机构传递到第一输出齿轮轴 的一级从动外齿轮 ； 第一输出齿轮轴通过二级主动外齿轮和二级从动外齿轮将运动传递到 第二输出齿轮轴 ； 所述的二级主动外齿轮和从动外。
20、齿轮齿数相同， 但运动方向相反， 因此确 保第一输出齿轮轴和第二输出齿轮轴的转速大小相等方向相反。 0015 优点及功效 ： 本发明通过一种高速运动变换部分将机床主轴动力平稳、 高效传递 至两等速反向旋转的金刚石磨片， 从而实现高效磨切碳纤维复合材料。其主要优点是通过 本发明将磨削的方式应用于碳纤维复合材料切削， 切边效率数十倍增加、 切削成本显著降 低。 附图说明 0016 图 1 是本发明复合材料磨削切边装置结构图。 0017 图 2 是本发明运动变换部分示意图。 0018 图 3 是本发明切边工作示意图。 0019 图 4 是本发明爆炸图。 0020 图 5 是本发明机构简图。 0021。
21、 图中标号说明如下 ： 0022 1 是改装刀柄， 2 壳体联接部分， 2-1 是固定法兰， 2-2 是防转法兰。 0023 3 是波纹管联轴器， 4 是深沟球轴承 （分别为 4-a、 4-b、 4-c-1、 4-c-2， 均为同一型号 深沟球轴承） ， 5 是运动变换部分， 5-1 是输入齿轮轴， 5-2 是第一输出齿轮轴 （5-2-m 为小齿 轮即一级从动齿轮、 5-2-n 为大齿轮即二级主动齿轮） ， 5-3 是第二输出齿轮轴。 0024 6是工具部分， 6-1是内压板， 6-2是金刚石磨片 （分别是6-2-a、 6-2-b） ， 6-3是锁紧 螺母。 0025 7 是下端盖， 8 是箱。
22、体下， 9 是箱体中， 10 是箱体上， 11 是上端盖。 0026 12是内包骨架油封， 13是基准传递法兰， 14是挡圈， 15是轴用弹性挡圈， 16是孔用 弹性挡圈。 0027 17 是背对背双列角接触球轴承 （分别是 17-a、 17-b） 。 0028 图 3 中 F1 与 F2 共同构成待切割复合材料， F1 为复合材料母体区域， F2 为复合材 料待切割边区域。 说 明 书 CN 103042459 A 6 4/4 页 7 具体实施方式 0029 以下结合附图说明本发明的实施例。 0030 图 1 为根据本发明的一个实施例的碳纤维复合材料磨削方式切边装置的结构示 意图。运动变换部。
23、分 5 依靠通过轴承支撑体系 （4、 17） 稳定安装于壳体之中的箱体下 8、 箱 体中 9 和箱体上 10。上端盖 11 和下端盖 7 分别密封连接于上、 下箱体之上。壳体连接部分 2 安装于壳体部分之上， 工具部分 6 安装于运动变换部分 5 的两输出端。 0031 如图 1、 图 4 所示， 上端盖 11 与箱体上 10 通过基准传递法兰 13 定心连接， 壳体连 接部分 2 的防转法兰 2-2 与上端盖 11 定心连接， 从而保证了壳体连接部分 2 与运动变换部 分 5 同心。两套工具部分 6 分别同等位置连接并固定于第一输出齿轮轴 5-2 和第二输出齿 轮轴 5-3 输出端。输入齿轮。
24、轴 5-1 通过波纹管联轴器 3 与改装刀柄 1 连接， 从而使主轴动 力传递至所述复合材料磨削切边装置。 0032 如图 3 所示， 当机床主轴顺时针旋转时， 内侧金刚石磨片逆时针旋转， 外侧金刚石 磨片顺时针旋转， 两者旋转方向相反， 旋转速度相等， 同时由于两者外径相等， 故线速度相 等。 当碳纤维复合材料进给通过两金刚石磨片中间时， 复合材料正反两面同时被切割， 形成 持续稳定的双侧磨削切割模式。如图 3 所示， F1 为复合材料母体区域， F2 为复合材料待切 割边区域。 0033 如图 4 所示， 内压板 6-1 上端开有矩形槽， 与第一输出齿轮轴 5-2、 第二输出齿轮 轴5-3。
25、的矩形凸肩配合， 内压板6-1下表面均匀覆盖一层橡胶， 以增大与金刚石磨片的摩擦 力， 从而防止金刚石磨片打滑和转动， 使之连接可靠。由于两金刚石磨片回转方向相反， 故 两个锁紧螺母 6-3 旋向相反， 以免工作过程中甩松， 造成安全隐患。 0034 图 5 为机构简图， 如图 5 和图 2 所示， 主轴动力通过波纹管联轴器 3 传递至输入齿 轮轴5-1， 输入齿轮轴5-1的一级主动齿轮与第一输出齿轮轴5-2的一级从动齿轮5-2-m啮 合， 将动力传递至第一输出齿轮轴 5-2， 第一输出齿轮轴 5-2 的二级主动齿轮 5-2-n 与第二 输出齿轮轴 5-3 上的二级从动齿轮啮合， 将动力传递至。
26、第二输出齿轮轴 5-3， 第一输出齿轮 轴5-2与第二输出齿轮轴5-3为等速输出轴， 将主轴动力等速分配传递至金刚石磨片6-2-a 和 6-2-b。轴承支撑体系如下， 输入齿轮轴 5-1 轴固定端和游动端都是深沟球轴承 4 支撑， 轴热伸长后自由窜动 ； 第一输出齿轮轴 5-2 和第二输出齿轮轴 5-3 固定端由背对背双列角 接触球轴承 17 支撑， 热伸长端由深沟球轴承 4 支撑。所述背对背双列角接触球轴承 17 上 端由孔用弹簧卡圈 16 组件限位、 下端由下端盖 7 限位。 0035 以上描述的实施例是为了说明本发明， 而非为了限定本发明。发明的范围由所附 加的权利要求的范围限定。 说 明 书 CN 103042459 A 7 1/5 页 8 图 1 说 明 书 附 图 CN 103042459 A 8 2/5 页 9 图 2 说 明 书 附 图 CN 103042459 A 9 3/5 页 10 图 3 说 明 书 附 图 CN 103042459 A 10 4/5 页 11 图 4 说 明 书 附 图 CN 103042459 A 11 5/5 页 12 图 5 说 明 书 附 图 CN 103042459 A 12 。