一种原位回填式搅拌摩擦点焊主轴头机构制造技术

本发明专利技术公开了一种原位回填式搅拌摩擦点焊主轴头机构，由两部分组成；一是与机床旋转动力主轴相连接的主体结构空心主轴套，可以高速旋转；二是与机床主轴固定部分相连接的上固定轴套和外层的下固定套筒。这两部分(内部旋转、外部固定)之间通过四对角向轴承和其它零部件集成在一起形成主轴头机构。本发明专利技术主轴头机构是一种独立的机械运动机构，可实现原位回填式摩擦点焊(RFSSW)的全部工艺过程。本发明专利技术结构简单容易维护、其搅拌工具可以方便拆卸、更换与安装，将本发明专利技术主轴头机构与普通铣床动力主轴相结合，就可以实现RFSSW全部工艺过程，从而有效降低RFSSW设备的制造成本，为RFSSW工艺的广泛推广应用提供重要基础。

【技术实现步骤摘要】
一种原位回填式搅拌摩擦点焊主轴头机构
本专利技术属于固相摩擦焊接
，具体涉及一种实现原位回填式搅拌摩擦点焊工艺过程的主轴头机构。
技术介绍
原位回填式搅拌摩擦点焊(RefillFrictionStirSpotWelding-RFSSW)是德国GKSS研究中心于1999年开发的一种创新固相摩擦点焊接技术。采用这种方法进行铝合金点焊接后，焊缝表面平整、焊点中心没有凹孔，其点焊缝外观与传统电阻点焊缝类似。因而在轻量化铝合金结构制造领域如航空、航天及汽车工业领域等具有广泛的应用前景。RFSSW工艺原理如图1(a)、图1(b)、图1(c)和图1(d)所示。该工艺采用分离的搅拌工具轴肩和搅拌针，在保持轴肩和搅拌针高速旋转的同时，可以精确控制轴肩与搅拌针沿轴线上下的相对运动，通过搅拌针回填与轴肩的挤压作用，使得摩擦加热塑性流动金属在原位顶锻形成焊点，其焊缝表面平整、不存在搅拌针产生的凹孔缺陷。RFSSW过程主要分四个阶段；1)、摩擦加热阶段：如图1(a)，外部加紧环紧密挤压在工件表面形成限制模具作用，中间套筒(类似搅拌工具轴肩)和搅拌针紧密接触工件表面并挤压高速旋转、摩擦加热工件待焊部位，使局部材料塑性软化；2)、原位挤压阶段：如图1(b)，高速旋转中间套筒沿轴向挤压进行局部焊材内部，同时高速旋转搅拌针回撤到一定位置，焊点处塑性材料在轴肩挤压下填充到搅拌针回撤的空间位置；3)、原位回填阶段：如图1(c)在高速旋转中间套筒回撤到初始位置的同时，高速旋转搅拌针向下顶锻挤压被填充空间的塑性材料，使得热塑性材料流动回填到原来的焊点中心轴区域；4)、焊缝形成阶段：当中间套筒和搅拌针均移动到原始工件表面位置后，继续保持顶锻挤压一定时间，分离搅拌工具与工件表面完成焊接过程，最终形成的搅拌摩擦点焊搭接接头，如图1(d)所示。RFSSW的连接机理是搅拌针与轴肩周围摩擦热源与金属材料塑性流动相互作用的结果，材料冶金连接产生在轴肩挤压和搅拌针回撤后、再共同顶锻下形成的再结晶的搅拌区域中。搅拌工具轴肩和搅拌针的高速旋转、上下挤压及顶锻回填作用和特殊形状，不仅在搅拌针周围、也沿轴向使材料产生塑性流动，这一区域在搅拌针与轴肩旋转、挤压、粉碎等机械力作用下，形成致密组织特征并赋予搅拌摩擦点焊接头优异的力学性能。与铝合金传统电阻点焊比较，RFSSW具有以下优势：1)、焊缝质量高：搅拌摩擦点焊过程中材料不会被熔化，焊接热输入较低，焊缝区域几乎没有热变形，点焊接头具有优异结合强度、焊接质量稳定；2)、焊接过程能耗低：搅拌摩擦点焊所消耗的电能主要用于伺服电动机上，用电量明显低于传统电阻点焊设备，不需要大容量的电源供应设备，整个辅助设备成本明显低于电阻点焊系统。试验表明，搅拌摩擦点焊所消耗的能量可以降低99％，其每焊点电能消耗仅为电阻焊的1％，明显降低生产成本；3)、辅助投资降低：搅拌摩擦点焊过程，不需要如电阻焊那样的各种辅助设备如焊接计时器、焊接变压器和大电流连接电缆、冷却焊枪的冷却水管道、驱动焊枪的压缩空气及电极修复装置等，因而辅助设备投资成本将明显降低；4)、搅拌工具寿命长：铝合金搅拌摩擦点焊的搅拌工具，具有很强的耐磨损和抗损耗特性，可经历了10万次摩擦点连接后也没有损耗现象；5)、焊接过程绿色环保：搅拌摩擦点焊工作环境没有灰尘和烟雾，不需要大电流，生产过程是清洁的，不会产生任何电磁噪声污染。目前RFSSW技术已进行了许多应用基础研究并在汽车、航空及航天等领域获得应用。2006年德国将该技术应用于奥迪汽车铝合金部件制造中，与电阻点焊比较其接头强度提高30％-40％，点焊过程生产效率高、工艺重复性好；2007年美国将该技术用于老化飞机铝合金结构铆接接头修复；美国洛·马宇航公司将该技术作为宇航铆接零部件的高效、高可靠连接技术，替代了大部分的传统手工钻铆和自动钻铆工艺，实现了铝合金铆接构件的低噪声绿色制造。2010年国内已将RFSSW引进到航天结构制造领域，并通过设备开发与工艺研究证实该技术在轻量化铝合金结构制造领域具有广泛发展潜力。但在工业推广应用中RFSSW技术仍存在以下主要问题：1)、与传统电阻点焊设备比较，RFSSW设备明显投资成本高、严重阻碍其推广应用。RFSSW工艺的核心是搅拌摩擦点焊工具和主轴头机构，需要多个伺服电机的精确控制才能实现其原位回填的工艺原理，这导致设备主轴头机构和控制过程十分复杂，加之专利技术的限制使得RFSSW设备制造成本明显很高；2)、搅拌工具加热不均匀容易产生点焊环状缺陷。由于搅拌工具的加紧环静止，而中间套筒与搅拌针高速旋转摩擦加热工件，在加紧环和中间套筒与工件的接触表面产生明显的加热不均匀，当中间套筒上下移动时将在焊核周围产生不充分塑性流动，从而形成围绕焊核的环状缺陷，这将对摩擦点焊接头的力学性能产生严重影响。
技术实现思路
为了克服目前RFSSW技术的上述局限性，简化主轴头机构和降低设备制造成本，改进搅拌摩擦点焊工艺过程并进一步改善RFSSW接头力学性能。本专利技术提供一种原位回填式搅拌摩擦点焊主轴头机构，该主轴头机构是一种独立的机械运动机构，可实现图1(a)、图1(b)、图1(c)和图1(d)所示的全部工艺过程。该主轴头结构简单容易维护、其搅拌工具可以方便拆卸、更换与安装，将该主轴头机构与普通铣床动力主轴相结合，就可以实现RFSSW全部工艺过程，从而有效降低RFSSW设备的制造成本，为RFSSW工艺的广泛推广应用提供重要基础。为了解决上述技术问题，本专利技术提出的一种原位回填式搅拌摩擦点焊主轴头机构，包括空心主轴套、搅拌针、上固定轴套、下固定套筒和旋转套筒；所述空心主轴套的上部是标准锥形刀柄的连接端；所述空心主轴套内设有定位台阶面，所述空心主轴套内设有搅拌针套柄，所述搅拌针套柄的顶部与所述定位台阶面之间的距离为H；所述空心主轴套侧壁的上部设有两个径向对称布置的第一键槽，所述第一键槽为通槽，所述搅拌针套柄与所述空心主轴套之间设有两个径向对称布置的第一内移动键，所述第一内移动键穿过所述空心主轴套侧壁上的第一键槽突出于所述空心主轴套之外；所述第一键槽的长度比所述第一内移动键的长度长H1，H1小于H；所述搅拌针套柄的下部设有搅拌针的安装孔，所述搅拌针的上部插入在该安装孔中，所述搅拌针套柄与所述空心主轴套之间插入有一轴肩套柄，所述轴肩套柄的底部固定有带有搅拌针过孔的端盖，所述轴肩套柄外壁的顶部设有两个径向对称布置的第二键槽，所述空心主轴套的侧壁上在与所述第二键槽对应位置处设有第三键槽，所述第三键槽是通槽，所述轴肩套柄与所述空心主轴套之间设有两个径向对称布置的第二内移动键，所述第二内移动键穿过所述空心主轴套侧壁上的第三键槽突出于所述空心主轴套之外；所述第二键槽的长度不所述第二内移动键长度长H1；所述空心主轴套的底部固定有轴肩端盖，所述轴肩端盖设有中心孔，所述搅拌针的底部穿入所述中心孔；所述搅拌针套柄的底部设有两个径向螺纹孔，所述空心主轴套和所述轴肩套柄上与所述两个径向螺纹孔位置对应处设有长形阶梯通孔，所述长形阶梯通孔内设有沉头螺钉用于固定所述搅拌针；两个第一内移动键的对称平面与两个第二内移动键的对称平面相交90°；所述空心主轴套的上部、位于第一内移动键的上方自内向外依次套装有搅拌针内轴承座、两对第一角向轴承和搅拌针外轴承座本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种原位回填式搅拌摩擦点焊主轴头机构，包括空心主轴套(5)、搅拌针(27)、上固定轴套(2)、下固定套筒(3)和旋转套筒(4)；其特征在于：所述空心主轴套(5)的上部是标准锥形刀柄的连接端；所述空心主轴套(5)内设有定位台阶面，所述空心主轴套(5)内设有搅拌针套柄(25)，所述搅拌针套柄(25)的顶部与所述定位台阶面之间的距离为H；所述空心主轴套(5)侧壁的上部设有两个径向对称布置的第一键槽，所述第一键槽为通槽，所述搅拌针套柄(25)与所述空心主轴套(5)之间设有两个径向对称布置的第一内移动键(17)，所述第一内移动键(17)穿过所述空心主轴套(5)侧壁上的第一键槽突出于所述空心主轴套(5)之外；所述第一键槽的长度比所述第一内移动键(17)的长度长H1，H1小于H；所述搅拌针套柄(25)的下部设有搅拌针的安装孔，所述搅拌针(27)的上部插入在该安装孔中，所述搅拌针套柄(25)与所述空心主轴套(5)之间插入有一轴肩套柄(26)，所述轴肩套柄(26)的底部固定有带有搅拌针过孔的端盖(28)，所述轴肩套柄(26)外壁的顶部设有两个径向对称布置的第二键槽，所述空心主轴套(5)的侧壁上在与所述第二键槽对应位置处设有第三键槽，所述第三键槽是通槽，所述轴肩套柄(26)与所述空心主轴套(5)之间设有两个径向对称布置的第二内移动键(18)，所述第二内移动键(18)穿过所述空心主轴套(5)侧壁上的第三键槽突出于所述空心主轴套(5)之外；所述第二键槽的长度不所述第二内移动键(18)长度长H1；所述空心主轴套(5)的底部固定有轴肩端盖(6)，所述轴肩端盖(6)设有中心孔，所述搅拌针(27)的底部穿入所述中心孔；所述搅拌针套柄(25)的底部设有两个径向螺纹孔，所述空心主轴套(5)和所述轴肩套柄(26)上与所述两个径向螺纹孔位置对应处设有长形阶梯通孔(24)，所述长形阶梯通孔(24)内设有沉头螺钉用于固定所述搅拌针(27)；两个第一内移动键(17)的对称平面与两个第二内移动键(18)的对称平面相交90°；所述空心主轴套(5)的上部、位于第一内移动键(17)的上方自内向外依次套装有搅拌针内轴承座(19)、两对第一角向轴承(15)和搅拌针外轴承座(11)，所述空心主轴套(5)与所述搅拌针内轴承座(19)之间为间隙配合，两对第一角向轴承(15)的内环同时与搅拌针内轴承座(19)和第一内移动键(17)固定；所述搅拌针外轴承座(11)上设有第四键槽，所述第四键槽为通槽，所述第四键槽内固定有第一外移动键(7)，所述第一外移动键(7)的内侧与两对第一角向轴承(15)相连接；所述空心主轴套(5)的下部、位于第二内移动键(18)的下方自内向外依次套装有轴肩内轴承座(21)、两对第二角向轴承(16)和所述轴肩外轴承座(13)，所述空心主轴套(5)与所述轴肩内轴承座(21)之间为间隙配合，两对第二角向轴承(16)的内环同时与轴肩内轴承座(21)和第二内移动键(18)固定；所述轴肩外轴承座(13)上设有两个径向对称布置的第五键槽，所述第五键槽为通槽，所述第五键槽内固定有第二外移动键(8)，所述第二外移动键(8)的内侧与两对第二角向轴承(16)相连接；所述搅拌针外轴承座(11)和所述轴肩外轴承座(13)的外径相同，所述下固定套筒(3)套在所述搅拌针外轴承座(11)和所述轴肩外轴承座(13)的外回转面上，所述下固定套筒(3)上设有位置与所述第一外移动键(7)位置对应的第六键键槽和与所述第二外移动键(8)位置对应的第七键键槽，所述第六键槽和第七键槽均为通槽；所述第一外移动键(7)的外侧穿过所述第四键槽和第六键槽后突出于所述下固定套筒(3)之外；所述第二外移动键(8)的外侧穿过所述第五键槽和第七键槽后突出于所述下固定套筒(3)之外；所述旋转套筒(4)套在所述下固定套筒(3)上、并与所述下固定套筒(3)间隙配合，所述旋转套筒(4)的筒壁上设有与两个第一外移动键(7)位置对应的第一通槽和与两个第二外移动键(8)位置对应的第二通槽，所述第一通槽和第二通槽的底面均为螺旋面，所述第一通槽底面和第二通槽底面的螺旋升角的角度相同、方向相反；所述第一通槽底面两端的高度差和所述第二通槽底面两端的高度差均为H1；所述旋转套筒(4)的底端设有外层固定套筒卡环(10)，所述外层固定套筒卡环(10)与所述下固定套筒(3)固定；所述空心主轴套(5)上部的连接端与机床旋转动力主轴机构(1)的内孔配合，所述上固定轴套(2)与所述机床旋转动力主轴机构(1)固定，所述下固定套筒(3)与所述上固定轴套(2)固定。...

【技术特征摘要】
1.一种原位回填式搅拌摩擦点焊主轴头机构，包括空心主轴套(5)、搅拌针(27)、上固定轴套(2)、下固定套筒(3)和旋转套筒(4)；其特征在于：所述空心主轴套(5)的上部是标准锥形刀柄的连接端；所述空心主轴套(5)内设有定位台阶面，所述空心主轴套(5)内设有搅拌针套柄(25)，所述搅拌针套柄(25)的顶部与所述定位台阶面之间的距离为H；所述空心主轴套(5)侧壁的上部设有两个径向对称布置的第一键槽，所述第一键槽为通槽，所述搅拌针套柄(25)与所述空心主轴套(5)之间设有两个径向对称布置的第一内移动键(17)，所述第一内移动键(17)穿过所述空心主轴套(5)侧壁上的第一键槽突出于所述空心主轴套(5)之外；所述第一键槽的长度比所述第一内移动键(17)的长度长H1，H1小于H；所述搅拌针套柄(25)的下部设有搅拌针的安装孔，所述搅拌针(27)的上部插入在该安装孔中，所述搅拌针套柄(25)与所述空心主轴套(5)之间插入有一轴肩套柄(26)，所述轴肩套柄(26)的底部固定有带有搅拌针过孔的端盖(28)，所述轴肩套柄(26)外壁的顶部设有两个径向对称布置的第二键槽，所述空心主轴套(5)的侧壁上在与所述第二键槽对应位置处设有第三键槽，所述第三键槽是通槽，所述轴肩套柄(26)与所述空心主轴套(5)之间设有两个径向对称布置的第二内移动键(18)，所述第二内移动键(18)穿过所述空心主轴套(5)侧壁上的第三键槽突出于所述空心主轴套(5)之外；所述第二键槽的长度不所述第二内移动键(18)长度长H1；所述空心主轴套(5)的底部固定有轴肩端盖(6)，所述轴肩端盖(6)设有中心孔，所述搅拌针(27)的底部穿入所述中心孔；所述搅拌针套柄(25)的底部设有两个径向螺纹孔，所述空心主轴套(5)和所述轴肩套柄(26)上与所述两个径向螺纹孔位置对应处设有长形阶梯通孔(24)，所述长形阶梯通孔(24)内设有沉头螺钉用于固定所述搅拌针(27)；两个第一内移动键(17)的对称平面与两个第二内移动键(18)的对称平面相交90°；所述空心主轴套(5)的上部、位于第一内移动键(17)的上方自内向外依次套装有搅拌针内轴承座(19)、两对第一角向轴承(15)和搅拌针外轴承座(11)，所述空心主轴套(5)与所述搅拌针内...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨新岐，李建波，秦红珊，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12