一种粉末增强搅拌摩擦铆焊方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉一种粉末增强搅拌摩擦铆焊装置，包括搅拌摩擦铆焊主轴、C型机架和工装台；搅拌摩擦铆焊主轴包括旋转机构、进给机构、振动/旋转混料机构和粉末给料机构；搅拌摩擦铆焊主轴用于实现铆钉的旋转运动和进给运动以及粉末的给料和混合；C型架用于固定搅拌摩擦铆焊主轴和工作台；工作台主要由测力传感器、传感器压头、工装模具和工装压板构成，用于装夹待铆焊接工件和实时测试主轴铆焊作用力。本发明专利技术可以实现室温下同种或异种轻量化板材之间的粉末增强搅拌摩擦铆焊，能够获得无匙孔缺陷、接头成形质量好、连接强度高的带有铆钉的搅拌摩擦铆焊接头，所需铆焊成形力较传统铆接小，具有效率更高、操作简便且能耗更低的优点。

【技术实现步骤摘要】
一种粉末增强搅拌摩擦铆焊方法及装置
本专利技术属于板材连接
，涉及一种粉末增强搅拌摩擦铆焊方法及装置。
技术介绍
随着航空航天、交通工具及石油化工等领域机械装备综合性能的不断提高，装备轻量化、一体化的不断实施。同种材料、异种材料、相同厚度和不同厚度的轻量化板材连接问题得到了广泛关注，目前适用于轻量化板材点连接的技术主要有铆接和搅拌摩擦点焊等。铆接技术利用金属塑性变形能力，通过板材之间或者板材与铆钉之间形成机械锁达到连接目的，但是铆接接头连接强度不高，铆接成形力大，气密性差，外观质量差。搅拌摩擦点焊技术利用搅拌头与金属材料的搅拌摩擦和挤压作用，使塑化的金属材料之间形成冶金结合接头，但是传统的搅拌摩擦点焊存在匙孔缺陷。虽然回抽式搅拌摩擦点焊可以解决匙孔问题，但是回抽式搅拌摩擦点焊存在HOOK缺陷等，影响接头冶金结合强度。
技术实现思路
为解决上述
技术介绍
中存在的问题，本专利技术提出一种粉末增强搅拌摩擦铆焊方法及装置，兼顾了固相焊接、铆接和复合材料加工的技术优势。实现室温下同种或异种轻量化板材之间的粉末增强搅拌摩擦铆焊，能够获得无匙孔缺陷、接头成形质量好、连接强度高的带有铆钉的搅拌摩擦铆焊接头，所需铆焊成形力较传统铆接小，具有效率更高、操作简便且能耗更低的优点。本专利技术解决上述问题的技术方案是：一种粉末增强搅拌摩擦铆焊装置，其特殊之处在于：包括搅拌摩擦铆焊主轴、C型机架和工装台；搅拌摩擦铆焊主轴包括旋转机构、进给机构、振动/旋转混料机构和粉末给料机构；搅拌摩擦铆焊主轴用于实现铆钉的旋转运动和进给运动以及粉末的给料和混合；C型架用于固定搅拌摩擦铆焊主轴和工作台；工作台主要由测力传感器、传感器压头、工装模具和工装压板构成，用于装夹待铆焊接工件和实时测试主轴铆焊作用力。进一步地，上述旋转机构包括中空主轴、下端轴承机构、中空伺服电机和上端轴承机构；中空主轴由下端轴承机构和上端轴承机构在竖直方向上固定，中空主轴的旋转运动依靠中空伺服电机驱动，中空伺服电机为中空内转子电机，中空伺服电机转子通过中空伺服电机转子键槽和中空主轴花键配合传动。进一步地，上述进给机构包括中空滚柱丝杠、丝杠螺母固定套、丝杠螺母、同步带、伺服电机和下端直线轴承；伺服电机和丝杠螺母固定套之间通过同步带传动，当装置执行进给运动时，伺服电机转动，带动丝杠螺母转动，则中空滚珠丝杠可在竖直方向上运动，同时，中空滚珠丝杠和旋转机构中的中空主轴以及上端轴承机构之间为机械连接，中空主轴与中空伺服电机转子之间通过花键配合，而且中空主轴的下端轴承机构外侧安装有下端直线轴承，所以中空滚珠丝杠可以带动中空主轴实现竖直方向上的上下往复运动。进一步地，上述振动/旋转混料机构包括混料螺杆、混料动力源和支撑轴承；粉末混料机构提供振动混料和旋转混料两种混料方式：当混料动力源为激振器时，所对应的支撑轴承为直线轴承，激振器驱动混料螺杆上下往复高频振动，同时中空主轴高速旋转，从而实现中空主轴型腔中粉末的振动混料；当混料动力源为伺服电机时，所对应的支撑轴承为滚动轴承，伺服电机驱动混料螺杆旋转，且旋转方向与中空主轴旋转方向相反，从而实现中空主轴型腔中粉末的旋转混料。进一步地，上述粉末给料机构包括空气压缩机、粉末给料泵、增强基粉末仓、母材粉末仓和导管；在空气压缩机的驱动下，粉末给料泵将增强基粉末仓中的增强基粉末和母材粉末仓中的母材粉末母材经导管注入到中空主轴型腔中。另外，基于上述一种粉末增强搅拌摩擦铆焊装置，本专利技术还提出一种粉末增强搅拌摩擦铆焊方法，其特征在于：1)定位准备阶段：将上板材和下板材装夹固定并叠放在工装模具上；铆钉与中空主轴的轴肩相配合并置于待铆接点上，中空主轴对铆钉与待铆接点部位施加一定的预紧力；粉末给料泵将母材粉末仓和增强基粉末仓中的粉末经导管输送到中空主轴型腔中，同时，混料螺杆在上下振动或者转动对中空主轴型腔中的粉末进行混合；2)摩擦预热阶段：使中空伺服电机转子带动中空主轴转动，铆钉对待铆接点部位进行局部摩擦预热；3)成形初期阶段：使中空伺服电机转子保持旋转，伺服电机驱动中空滚珠丝杠向下运动，高速旋转的铆钉扎入上板材中；通过铆钉的中心通孔注入的混合粉末，在铆钉的搅拌摩擦作用下与待铆接部位的金属材料充分混合，此时，混合粉末和待铆接部位的金属材料在摩擦热的作用下均达到塑化状态；4)成形阶段：使铆钉继续向下运动，直到铆钉的轴肩扎入上板材中，伺服电机给铆钉提供一定的顶锻压力；铆钉继续旋转，利用铆钉本身和其轴肩对待铆接点继续搅拌摩擦5～20秒，对混合粉末和待铆接部位的金属材料充分挤压和混合后，中空伺服电机停止转动；塑化的金属材料自然冷却后，与铆钉固化成形，获得铆焊接头，实现对上板材和下板材的粉末增强搅拌摩擦铆焊。5)回程阶段：待铆焊部位冷却固化后，伺服电机驱动中空滚珠丝杠向上运动，带动中空主轴回到初始位置，搅拌摩擦铆焊过程结束。进一步地，在步骤1)中，先在上板材待铆接部位中心预先加工一个沉孔，所述沉孔的位置与铆钉的中心通孔相对应。进一步地，所述上板材和下板材可以为相同厚度或者不同厚度的同种材料和异种材料的轻量化板材。进一步地，所述铆钉的材质为模具钢、工具钢、高速钢或硬质合金；铆钉的搅拌针几何结构为圆锥式、圆锥带螺纹式、三平面圆锥带螺纹式、圆柱式、圆柱带螺纹式或三平面圆柱带螺纹式，铆钉的轴肩几何结构为平面式、凹陷式、同心环式或涡状线式。进一步地，所述增强基粉末为多壁碳纳米管、石墨烯纳米片或钛粉，母材为待连接母材同材质粉末，粒度为300～2000目，增强基粉末占体积比为1％～10％。本专利技术的优点：(1)本专利技术成形效果好、成型力小。该交流伺服冲铆装置成形接头兼顾了固相焊缝与铆接的技术优势，具有机械结合与冶金结合，其抗拉、剪性能与铝合金母材相当甚至更为优异，螺纹铆钉作为搅拌针填入铆焊接头，获得平整美观的铆焊接头，铆钉对板材的微锻作用与冶金层面的结合使得铆焊接头具有更好的气密性，该交流伺服冲铆装置的搅拌头与多层板材发生摩擦生热将其加热至热塑性状态，相比于冷成形装置极大地降低了成型力；(2)设备寿命长、生产效率高。利用铆钉代替搅拌头对多层板材板材进行搅拌摩擦，可以有效的减少了搅拌头摩擦损耗，降低了搅拌摩擦铆焊的工艺度，提高搅拌头的使用寿命；相较于传统铆接，该交流伺服冲铆装置成形前不需要对板材预钻孔，工艺步骤更简化，有利于搅拌摩擦铆焊工艺的自动化生产，有效降低生产成本、提高生产效率；(3)分散多动力。采用三个伺服电机分别实现搅拌套旋转运动、搅拌针旋转运动与搅拌针冲压运动，相比于单一动力源可以减少传动机构规模，提高能量利用效率，且三个较低功率电机价格相比于单一高功率电机成本更低、结构形式更简单，搅拌针、搅拌套的旋转与冲压运动分别由不同动力源控制，可以单独进行一项运动也可实现多动运动的自由组合，工艺性能更好，适应性更加广泛；(4)伺服电直驱。该交流伺服冲铆装置摈弃了传统的液压本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种粉末增强搅拌摩擦铆焊装置，其特征在于：/n包括搅拌摩擦铆焊主轴(1)、C型机架(2)和工装台(3)；/n搅拌摩擦铆焊主轴(1)包括旋转机构(5)、进给机构(6)、振动/旋转混料机构(7)和粉末给料机构(8)；搅拌摩擦铆焊主轴(1)用于实现铆钉(4)的旋转运动和进给运动以及粉末的给料和混合；/nC型架(2)用于固定搅拌摩擦铆焊主轴(1)和工作台(3)；/n工作台(3)主要由测力传感器(301)、传感器压头(302)、工装模具(303)和工装压板(304)构成，用于装夹待铆焊接工件和实时测试主轴铆焊作用力。/n

【技术特征摘要】
1.一种粉末增强搅拌摩擦铆焊装置，其特征在于：
包括搅拌摩擦铆焊主轴(1)、C型机架(2)和工装台(3)；
搅拌摩擦铆焊主轴(1)包括旋转机构(5)、进给机构(6)、振动/旋转混料机构(7)和粉末给料机构(8)；搅拌摩擦铆焊主轴(1)用于实现铆钉(4)的旋转运动和进给运动以及粉末的给料和混合；
C型架(2)用于固定搅拌摩擦铆焊主轴(1)和工作台(3)；
工作台(3)主要由测力传感器(301)、传感器压头(302)、工装模具(303)和工装压板(304)构成，用于装夹待铆焊接工件和实时测试主轴铆焊作用力。


2.根据权利要求1所述的一种粉末增强搅拌摩擦铆焊装置，其特征在于：
所述旋转机构(5)包括中空主轴(501)、下端轴承机构(502)、中空伺服电机(503)和上端轴承机构(504)；
中空主轴(501)由下端轴承机构(502)和上端轴承机构(504)在竖直方向上固定，中空主轴(501)的旋转运动依靠中空伺服电机(503)驱动，中空伺服电机(503)为中空内转子电机，中空伺服电机转子(505)通过中空伺服电机转子键槽(507)和中空主轴花键(506)配合传动。


3.根据权利要求2所述的一种粉末增强搅拌摩擦铆焊装置，其特征在于：
所述进给机构(6)包括中空滚柱丝杠(601)、丝杠螺母固定套(602)、丝杠螺母(603)、同步带(604)、伺服电机(605)和下端直线轴承(606)；
伺服电机(605)和丝杠螺母固定套(602)之间通过同步带(604)传动，当装置执行进给运动时，伺服电机(605)转动，带动丝杠螺母(603)转动，则中空滚珠丝杠(601)可在竖直方向上运动，同时，中空滚珠丝杠(601)和旋转机构(5)中的中空主轴(501)以及上端轴承机构(504)之间为机械连接，中空主轴(501)与中空伺服电机转子(507)之间通过花键配合，而且中空主轴(501)的下端轴承机构(502)外侧安装有下端直线轴承(606)，所以中空滚珠丝杠(601)可以带动中空主轴(501)实现竖直方向上的上下往复运动。


4.根据权利要求3所述的一种粉末增强搅拌摩擦铆焊装置，其特征在于：
振动/旋转混料机构(7)包括混料螺杆(701)、混料动力源(702)和支撑轴承(703)；
粉末混料机构提供振动混料和旋转混料两种混料方式：当混料动力源(702)为激振器时，所对应的支撑轴承(703)为直线轴承，激振器驱动混料螺杆(701)上下往复高频振动，同时中空主轴(501)高速旋转，从而实现中空主轴型腔(508)中粉末的振动混料；当混料动力源(702)为伺服电机时，所对应的支撑轴承(703)为滚动轴承，伺服电机驱动混料螺杆(701)旋转，且旋转方向与中空主轴(501)旋转方向相反，从而实现中空主轴型腔(508)中粉末的旋转混料。


5.根据权利要求4所述的一种粉末增强搅拌摩擦铆焊装置，其特征在于：
所述粉末给料机构(8)包括空气压缩机、粉末给料泵(801)、增强基粉末仓(802)、母材粉末仓(803)和导管(804)；
在空气压缩机的驱动下，粉末给料泵(801)将增强基粉末...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵升吨，张鹏，王永飞，李靖祥，范淑琴，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61