一種復(fù)合式鋁合金攪拌摩擦焊主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)*

梁 興 張一寒 趙亞東

(①安陽萊工科技有限公司，河南 安陽 455000;②安陽工學(xué)院，河南 安陽 455000)

攪拌摩擦焊(friction stir weld，F(xiàn)SW)是一種新型的固相連接技術(shù)，主要用于傳統(tǒng)熔化焊方法難以焊接的低熔點(diǎn)合金材料的連接，是上世紀(jì)末本世紀(jì)初最新的鋁及其合金的焊接技術(shù)，被譽(yù)為“世界焊接史上的第二次革命”，無飛濺，無煙塵，不需要添加焊絲和保護(hù)氣體，焊后殘余應(yīng)力非常小，接頭性能良好;在焊接方法、接頭力學(xué)性能和生產(chǎn)效率上具有其他焊接方法無可比擬的優(yōu)越性，是一種高效、節(jié)能、環(huán)保型的新型連接技術(shù)，已廣泛應(yīng)用在船舶、鐵道、車輛、電機(jī)制造、飛機(jī)制造等領(lǐng)域。最初的攪拌摩擦焊設(shè)備是在立式銑床上加以改裝而成，作為攪拌摩擦焊主要驅(qū)動(dòng)部件，同時(shí)也是摩擦焊設(shè)備的主要核心功能部件的主軸，采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的皮帶主軸或齒輪軸，轉(zhuǎn)速可控性差，振動(dòng)大，焊接質(zhì)量差，同時(shí)焊接設(shè)備結(jié)構(gòu)龐大，部分采用變頻器驅(qū)動(dòng)的主軸，散熱效果差，攪拌頭與主軸為一體，損壞后不能快速更換，同時(shí)主軸不具備回抽功能，焊接后存在的匙孔不能及時(shí)消除，無法實(shí)現(xiàn)點(diǎn)焊功能，生產(chǎn)效率低下。

1 鋁合金攪拌摩擦焊主軸功能確定

“鋁合金攪拌摩擦焊電主軸單元關(guān)鍵技術(shù)研究”是2013年河南省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)資助項(xiàng)目，重點(diǎn)研究方向?yàn)殇X合金攪拌摩擦焊接主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面存在的問題，筆者公司為此項(xiàng)目協(xié)作單位。為解決目前鋁合金攪拌摩擦焊接主軸存在的問題，結(jié)合國內(nèi)鋁合金攪拌摩擦焊主軸技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀、攪拌摩擦焊工藝參數(shù)和實(shí)際鋁合金攪拌摩擦焊接生產(chǎn)應(yīng)用的需要，確定主軸實(shí)現(xiàn)功能如下:(1)主軸轉(zhuǎn)速可控可調(diào);(2)長(zhǎng)時(shí)間攪拌摩擦焊接，攪拌頭溫升低，主軸散熱好;(3)攪拌頭攪拌針損壞后，能及時(shí)快速更換;(4)主軸能回抽，可消除焊接后存在的匙孔;(5)焊接時(shí)，承受壓力可控;(6)氣體密封，防塵效果好;(7)主軸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，攪拌針插入深度可控;(8)整體設(shè)備簡(jiǎn)化，占用空間少，成本低。

2 復(fù)合式鋁合金攪拌摩擦焊主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

依據(jù)鋁合金攪拌摩擦焊主軸的功能要求，結(jié)合現(xiàn)有鋁合金攪拌摩擦焊主軸的結(jié)構(gòu)狀況，設(shè)計(jì)一種復(fù)合式鋁合金攪拌摩擦焊主軸。此鋁合金攪拌摩擦焊主軸為電動(dòng)機(jī)部分和摩擦焊主軸部分二合一的復(fù)合式結(jié)構(gòu)，電動(dòng)機(jī)主軸和摩擦焊主軸通過聯(lián)軸器聯(lián)接傳動(dòng)，如圖1、圖2 所示。

2.1 主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1.1 電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)

電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)部分后置，電動(dòng)機(jī)軸15 通過前后軸承13、20 套裝于電動(dòng)機(jī)外殼14 內(nèi)，由電動(dòng)機(jī)螺母22 和壓緊螺母18 固定，在電動(dòng)機(jī)軸15 與電動(dòng)機(jī)外殼14 之間設(shè)計(jì)有電動(dòng)機(jī)定子16 和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子21，電動(dòng)機(jī)外殼14 外圍設(shè)計(jì)有散熱筋結(jié)構(gòu)。電動(dòng)機(jī)軸15 為中空結(jié)構(gòu)，在電動(dòng)機(jī)軸15 內(nèi)部設(shè)計(jì)有軸向冷卻氣孔和壓力氣孔，電動(dòng)機(jī)軸下端內(nèi)部設(shè)計(jì)安裝有導(dǎo)氣管23，在導(dǎo)氣管中部設(shè)計(jì)有軸向冷卻氣孔和壓力氣孔。在電動(dòng)機(jī)軸15 上端設(shè)計(jì)安裝有旋轉(zhuǎn)接頭19，在旋轉(zhuǎn)接頭內(nèi)部設(shè)計(jì)有冷卻氣孔和壓力氣孔并外接高壓冷卻氣體和高壓氣體。

2.1.2 摩擦焊主軸結(jié)構(gòu)

摩擦焊主軸結(jié)構(gòu)部分前置，軸套7 外圍靠近電動(dòng)機(jī)外殼14 一端設(shè)計(jì)有齒條結(jié)構(gòu)和長(zhǎng)方形開口結(jié)構(gòu)，在軸套旋轉(zhuǎn)90°方向設(shè)計(jì)有鍵槽結(jié)構(gòu)，同時(shí)軸套7 下端徑向外圍設(shè)計(jì)安裝有直線軸承6。轉(zhuǎn)軸8 為中空結(jié)構(gòu)，內(nèi)部設(shè)計(jì)有臺(tái)階氣腔機(jī)構(gòu)，通過前、后軸承組5和20 套裝于軸套7 內(nèi)，下端內(nèi)表面匹配安裝有套軸29。在套軸29 中部設(shè)計(jì)有冷卻機(jī)構(gòu)，中部外圍設(shè)計(jì)有臺(tái)階結(jié)構(gòu)匹配安裝有前端蓋3，下端外圍設(shè)計(jì)有螺紋段安裝有鎖緊攪拌頭2，并在鎖緊攪拌頭2 外圍設(shè)計(jì)有均布鍵槽結(jié)構(gòu)。回抽軸25 為中空結(jié)構(gòu)，在軸內(nèi)部設(shè)計(jì)有軸向冷卻孔和壓力氣孔，上端設(shè)計(jì)有徑向通孔并安裝有連軸銷11，在連軸銷11 中部徑向設(shè)計(jì)有冷卻氣孔和壓力氣孔。在回抽軸25 下端內(nèi)部設(shè)計(jì)有螺紋段，并安裝有攪拌針1。同時(shí)，在回抽軸25下部設(shè)計(jì)有徑向臺(tái)階結(jié)構(gòu)，在徑向臺(tái)階外圓設(shè)計(jì)有2處凹槽結(jié)構(gòu)匹配安裝密封圈。攪拌針1 上端外徑部位設(shè)計(jì)有螺紋段并與套軸29 下端中部螺紋段匹配安裝。

2.2 冷卻氣路結(jié)構(gòu)

冷卻氣路結(jié)構(gòu)包括旋轉(zhuǎn)接頭19、電動(dòng)機(jī)軸15、導(dǎo)氣管23、連軸銷11、回抽軸25、套軸29、鎖緊攪拌頭2形成。電動(dòng)機(jī)軸15 中部軸向冷卻氣孔上端與旋轉(zhuǎn)接頭19 冷卻氣孔連接，下端與導(dǎo)氣管23 內(nèi)設(shè)置的冷卻氣孔連通，回抽軸25 內(nèi)部軸向冷卻氣孔上端與導(dǎo)氣管23 內(nèi)冷卻氣孔連通，回抽軸25 下端匹配設(shè)置安裝有套軸29，回抽軸25 軸向冷卻氣孔下端與套軸29 徑向氣孔連通，一路與套軸29 軸向氣孔連通。鎖緊攪拌頭2 設(shè)置有均布軸向氣孔，并與回抽軸25 軸向冷卻氣孔相通，最終形成從上端到下端依次連通旋轉(zhuǎn)接頭19、電動(dòng)機(jī)軸15、導(dǎo)氣管23、連軸銷11、回抽軸25、套軸29、鎖緊攪拌頭2，到達(dá)鎖緊攪拌頭2 端面的冷卻氣路。

2.3 氣腔壓力調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)

氣腔壓力調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)包括回抽軸25、上傳動(dòng)環(huán)24、下傳動(dòng)環(huán)27、轉(zhuǎn)軸8 形成?；爻檩S25 下部的臺(tái)階上下端與上下兩個(gè)傳動(dòng)環(huán)之間形成上下兩個(gè)密閉氣腔，回抽軸下部靠近兩個(gè)氣腔部位設(shè)置有徑向氣孔連通。在回抽軸內(nèi)部設(shè)置有兩個(gè)軸向的壓力氣孔，并與徑向氣孔連通。形成依次通過連軸銷11、導(dǎo)氣管23、電動(dòng)機(jī)軸15 和旋轉(zhuǎn)接頭19 的壓力氣路，最終外接高壓氣體。

3 復(fù)合式鋁合金攪拌摩擦焊主軸的工作運(yùn)行

復(fù)合式鋁合金攪拌摩擦焊主軸的工作運(yùn)行過程如下:

外接三相電源，通過電動(dòng)機(jī)定子16 和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子21 磁場(chǎng)對(duì)電流受力的作用驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)軸15 轉(zhuǎn)動(dòng)，通過聯(lián)軸器12 帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸8 轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)帶動(dòng)下端匹配安裝的套軸29 轉(zhuǎn)動(dòng)，并通過螺紋配合帶動(dòng)鎖緊攪拌頭2 轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)轉(zhuǎn)軸8 通過連軸銷11 帶動(dòng)回抽軸25 轉(zhuǎn)動(dòng)，通過回抽軸25 下端內(nèi)螺紋帶動(dòng)攪拌針1 旋轉(zhuǎn)。通過外部齒輪與軸套7 齒條嚙合傳動(dòng)，并在直線軸承6 配合下，該復(fù)合式鋁合金攪拌摩擦焊主軸可上下滑移，同時(shí)在軸套外圍的鍵槽起到定位作用，防止主軸軸向偏移，設(shè)計(jì)軸套上端外圍的長(zhǎng)方形開口結(jié)構(gòu)可調(diào)節(jié)聯(lián)軸器，控制攪拌針1 插入深度。

鎖緊攪拌頭2 與被焊接鋁合金工件快速摩擦產(chǎn)生摩擦熱，使接觸點(diǎn)鋁合金材料的溫度升高，強(qiáng)度下降，然后鎖緊攪拌頭2 和攪拌針1 沿著被焊鋁合金工件的待焊界面向前移動(dòng)，通過鎖緊攪拌頭2 和攪拌針1 對(duì)鋁合金材料的摩擦、攪拌，使待焊鋁合金材料加熱至熱塑性狀態(tài)，在攪拌頭2 高速旋轉(zhuǎn)的帶動(dòng)下，處于塑性狀態(tài)的鋁合金材料環(huán)繞攪拌針由前向后轉(zhuǎn)移，同時(shí)結(jié)合鎖緊攪拌頭對(duì)焊縫金屬的擠壓作用，在熱-機(jī)聯(lián)合作用下材料擴(kuò)散連接形成致密的金屬間固相連接。同時(shí)，高壓冷卻氣體由旋轉(zhuǎn)接頭19 進(jìn)入，通過電動(dòng)機(jī)軸15、導(dǎo)氣管23、連軸銷11、回抽軸25 軸向氣孔進(jìn)入到套軸29 徑向氣孔分成兩路，一路由套軸徑向氣孔到達(dá)套軸29 與前端蓋3 間隙處，起到密封作用，另一路由套軸徑向氣孔折向軸向氣孔，通過鎖緊攪拌頭2 均布?xì)饪讎姵?，到達(dá)攪拌頭與鋁合金焊接工件工作面，實(shí)現(xiàn)對(duì)鎖緊攪拌頭2 冷卻;外部高壓氣體由旋轉(zhuǎn)接頭19 兩個(gè)進(jìn)氣孔進(jìn)入，依次通過電動(dòng)機(jī)軸15、導(dǎo)氣管23、連軸銷11 的氣壓孔到達(dá)回抽軸25 與轉(zhuǎn)軸8 之間上下兩個(gè)氣腔，通過外部高壓氣體壓力的調(diào)節(jié)，控制上下兩個(gè)氣腔壓力，通過兩個(gè)氣腔產(chǎn)生的壓力差實(shí)現(xiàn)回抽軸25 的上下軸向滑移，控制攪拌針1 插入與回抽，消除攪拌摩擦焊遺留下來的匙孔，同時(shí)通過設(shè)備配置的壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)回抽軸的壓力控制，也為在不同工況下，焊接壓力工藝參數(shù)的調(diào)整提供改進(jìn)數(shù)據(jù)。

電動(dòng)機(jī)外殼14 設(shè)計(jì)的散熱筋結(jié)構(gòu)，在電動(dòng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，降低電動(dòng)機(jī)定子16 與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子21 產(chǎn)生的溫升;攪拌針1 損壞或鎖緊攪拌頭2 損壞，通過鎖緊攪拌頭外圍鍵槽結(jié)構(gòu)和攪拌針的螺紋及時(shí)拆卸更換。

4 結(jié)語

經(jīng)初步試驗(yàn)驗(yàn)證，此復(fù)合式鋁合金攪拌摩擦焊主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本實(shí)現(xiàn)主軸功能要求，主軸的各項(xiàng)指標(biāo)均符合有關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)，焊接設(shè)備整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，鋁合金構(gòu)件焊接質(zhì)量符合國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，該復(fù)合式鋁合金攪拌摩擦焊主軸已申請(qǐng)國家發(fā)明專利(申請(qǐng)?zhí)?201410309066.9)。

隨著鋁、鎂及其合金材料及合金焊接技術(shù)的發(fā)展，攪拌摩擦焊成為首選技術(shù)，作為新型焊接數(shù)控化設(shè)備核心功能部件的主軸也迅速發(fā)展，適應(yīng)焊接技術(shù)和焊接設(shè)備的自動(dòng)化需求。同時(shí)，對(duì)主軸功能也提出更多的需求，由單一功能逐步向多功能發(fā)展，由簡(jiǎn)單化逐步向智能化發(fā)展。通過主軸功能結(jié)構(gòu)及焊接工藝參數(shù)的逐步深入研究，分析兩者之間存在的關(guān)系，開發(fā)設(shè)計(jì)更加適合攪拌摩擦焊領(lǐng)域的主軸，為焊接設(shè)備的批量化、數(shù)控化發(fā)展提供重要的技術(shù)支持。

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