CN104070288B - 一种复合式铝合金搅拌摩擦焊主轴 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合式铝合金搅拌摩擦焊主轴，外接三相电源通过电机定子和电机转子驱动电机轴，通过联轴器连轴销带动转轴转动，同时通过连轴销带动回抽轴转动，通过转轴与回抽轴形成的上下两个气腔压力差，使回抽轴上下滑移首先搅拌针的回抽，消除搅拌摩擦焊遗留的匙孔，同时，利用轴套外围齿条键槽结构，使主轴上下滑移控制搅拌针插入深度，搅拌头采用螺纹配合及时更换。该复合式铝合金搅拌摩擦焊主轴结构合理，转速可控，中空气冷散热好，气压控制搅拌针回抽，主轴可提升，消除匙孔，设备简化，占用空间少，成本低。

Description

一种复合式铝合金搅拌摩擦焊主轴

技术领域

本发明属于搅拌摩擦焊设备领域，特别涉及一种复合式铝合金搅拌摩擦焊主轴。

背景技术

搅拌摩擦焊是一种新型的固态连接技术，简称FSW。其具有工艺简单、无需焊前清理、能保持原合金的冶金性能以及易于实现机械化与自动化等优点。目前搅拌摩擦焊技术正在广泛应用于航天航空，交通运输等铝合金构件的连接制造。在铝合金搅拌摩擦焊接设备中，主轴的研制开发应用刚刚开始，存在结构复杂、转速可控性差、主轴振动大和压力不易控制，造成铝合金构件焊接质量差，在焊接结束时，终端存在匙孔，难以消除，并不易实现点焊，主轴密封差，长时间搅拌摩擦焊接，电机散热条件差，搅拌头长时间使用摩擦损坏不能及时更换，造成焊接质量不稳定，焊接设备复杂，主轴成本高，占用空间大。

发明内容

本发明针对现有铝合金搅拌摩擦焊技术存在的不足和缺陷，提供一种复合式铝合金搅拌摩擦焊主轴。

本发明所采用的技术方案：一种复合式铝合金搅拌摩擦焊主轴，包括搅拌针、锁紧搅拌头、前端盖、轴套、转轴、回抽轴、电机外壳、电机轴、电机定子、电机转子、后盖、联轴器、上、下传动环、连轴销，所述电机轴通过前后电机轴承套装于电机外壳内，由电机螺母和压紧螺母固定，该电机轴与电机外壳之间设置有电机定子和电机转子，所述电机外壳外围设置有散热筋结构，所述轴套外围靠近电机外壳一端设置有齿条结构和长方形开口结构，该轴套旋转90度设置有键槽结构，该轴套下端径向外围设置安装有直线轴承，在轴套和前端盖之间还设置安装用于密封轴承的密封环和密封盖，所述电机轴为中空结构，该电机轴内部设置有轴向冷却气孔和压力气孔，电机轴下端内部设置安装有导气管，该导气管中部设置有轴向冷却气孔和压力气孔，电机轴上端设置安装有旋转接头，该旋转接头内部设置有冷却气孔和压力气孔外接高压冷却气体和高压气体，所述转轴通过前、后轴承组套装于轴套内，由前螺母和后螺母锁紧固定，该转轴为中空结构，转轴内部设置有台阶气腔机构，下端内表面匹配安装有套轴，该套轴下端径向外围设置有螺纹段安装有锁紧搅拌头，该锁紧搅拌头径向外围设置有均布键槽结构，所述套轴中部设置有冷却气路机构，套轴中部径向设置有台阶结构匹配安装有前端盖，所述回抽轴为中空结构，该回抽轴内部设置有轴向冷却气孔和压力气孔，回抽轴上端设置有径向通孔安装有连轴销，该连轴销中部径向设置有冷却气孔和压力气孔，该回抽轴下端内部设置有螺纹段安装有搅拌针，该回抽轴下部设置有径向台阶结构，该径向台阶结构外围设置有2处凹槽结构匹配安装有密封圈，所述搅拌针上端外径部位设置有螺纹段与套轴下端中部螺纹段匹配安装。

所述冷却气路机构包括旋转接头、电机轴、导气管、连轴销、回抽轴、套轴、锁紧搅拌头形成，所述电机轴中部轴向冷却气孔上端与旋转接头冷却气孔连接，下端与导气管内设置的冷却气孔连通，所述回抽轴内部轴向冷却气孔上端与导气管内冷却气孔连通，该回抽轴下端匹配设置安装有套轴，该回抽轴轴向冷却气孔下端与套轴径向气孔连通，一路与套轴轴向气孔连通，所述锁紧搅拌头设置有均布轴向气孔与回抽轴轴向冷却气孔相通，到达锁紧搅拌头端面，最终形成从上端到下端依次连通旋转接头、电机轴、导气管、连轴销、回抽轴、套轴、锁紧搅拌头的冷却气路。

所述台阶气腔机构包括回抽轴、上传动环、下传动环、转轴形成，所述回抽轴下部的台阶上下端与上下两个传动环之间形成上下两个密闭气腔，回抽轴下部靠近两个气腔部位设置有径向气孔连通，该回抽轴内部设置有两个轴向的压力气孔与径向气孔连通，依次通过连轴销、导气管、电机轴和旋转接头的压力气孔，最终外接高压气体。

本发明的有益效果是：1.电机驱动，转速可控；2.电机后置，散热好；3.搅拌头搅拌针损坏后，能及时更换；4.气压控制回抽，可消除匙孔；5.焊接压力可控；6.中空气冷却，降低焊接搅拌头温升；7.气体密封，防尘效果好；8.结构简单，主轴可提升，搅拌针插入深度可控，整体设备简化，占用空间少，成本低。

附图说明

图1为本发明一种复合式铝合金搅拌摩擦焊主轴的剖面结构示意图；

图2是图1的左视图。

图中标号1为搅拌针，2为锁紧搅拌头，3为前端盖，4为密封环，5为前轴承组，6为直线轴承，7为轴套，8为转轴，9为后轴承组，10为后螺母，11为连轴销，12为联轴器，13、20分别为前后电机轴承，14为电机外壳，15为电机轴，16为电机定子，17为后盖，18为压紧螺母，19为旋转接头，21为电机转子，22为电机螺母，23为导气管，24为上传动环，25为回抽轴，26为前螺母，27为下传动环，28为密封盖，29为套轴。

具体实施方式

下面结合图1和图2并通过具体的实施方式对本发明的复合式铝合金搅拌摩擦焊主轴做更加详说明。

图1、2所示，本发明的一种复合式铝合金搅拌摩擦焊主轴，包括搅拌针1、锁紧搅拌头2、前端盖3、轴套7、转轴8、回抽轴25、电机外壳14、电机轴15、电机定子16、电机转子21，后盖17，联轴器12，上、下传动环24和27、连轴销11，所述电机轴15通过前后电机轴承13、20套装于电机外壳14内，由电机螺母22和压紧螺母18锁紧固定，该电机轴与电机外壳之间设置有电机定子16和电机转子21，所述电机外壳14外围设置有散热筋结构，所述轴套7外围靠近电机外壳一端设置有齿条结构和长方形开口结构，该轴套旋转90度设置有键槽结构，该轴套下端径向外围设置安装有直线轴承6，在轴套和前端盖之间还设置安装用于密封轴承的密封环4和密封盖28，所述电机轴15为中空结构，该电机轴内部设置有轴向冷却气孔和压力气孔，电机轴下端内部设置安装有导气管23，该导气管中部设置有轴向冷却气孔和压力气孔，电机轴上端设置安装有旋转接头19，该旋转接头内部设置有冷却气孔和压力气孔外接高压冷却气体和高压气体，所述转轴8通过前、后轴承组5、9套装于轴套7内，由前螺母26和后螺母10锁紧固定，该转轴8为中空结构，转轴内部设置有台阶气腔机构，下端内表面匹配安装有套轴29，该套轴下端径向外围设置有螺纹段安装有锁紧搅拌头2，该锁紧搅拌头径向外围设置有均布键槽结构，所述套轴29中部设置有冷却气路机构，套轴中部径向设置有台阶结构匹配安装有前端盖3，所述回抽轴25为中空结构，该回抽轴内部设置有轴向冷却气孔和压力气孔，回抽轴上端设置有径向通孔安装有连轴销11，该连轴销中部径向设置有冷却气孔和压力气孔，该回抽轴下端内部设置有螺纹段安装有搅拌针1，该回抽轴下部设置有径向台阶结构，该径向台阶结构外围设置有2处凹槽结构匹配安装有密封圈，所述搅拌针1上端外径部位设置有螺纹段与套轴下端中部螺纹段匹配安装。

所述冷却气路机构包括旋转接头19、电机轴15、导气管23、连轴销11、回抽轴25、套轴29、锁紧搅拌头2形成，所述电机轴15中部轴向冷却气孔上端与旋转接头19冷却气孔连接，下端与导气管23内设置的冷却气孔连通，所述回抽轴25内部轴向冷却气孔上端与导气管23内冷却气孔连通，该回抽轴下端匹配设置安装有套轴29，该回抽轴轴向冷却气孔下端与套轴29径向气孔连通，一路与套轴轴向气孔连通，所述锁紧搅拌头2设置有均布轴向气孔与回抽轴25轴向冷却气孔相通，到达锁紧搅拌头2端面，最终形成从上端到下端依次连通旋转接头19、电机轴15、导气管23、连轴销11、回抽轴25、套轴29、锁紧搅拌头2的冷却气路。

所述台阶气腔机构包括回抽轴25、上传动环24、下传动环27、转轴8形成，所述回抽轴25下部的台阶上下端与上下两个传动环之间形成上下两个密闭气腔，回抽轴下部靠近两个气腔部位设置有径向气孔连通，该回抽轴内部设置有两个轴向的压力气孔与径向气孔连通，依次通过连轴销11、导气管23、电机轴15和旋转接头19的压力气孔，最终外接高压气体。

本发明的使用过程或工作状态：通过外接三相电源连接，通过电机定子16和电机转子21驱动本发明的电机轴15转动，通过联轴器12带动转轴8转动，同时带动下端匹配安装的套轴29转动，该套轴通过螺纹配合带动锁紧搅拌头2转动，转轴8通过连轴销11带动回抽轴25的转动，通过回抽轴下端内螺纹带动搅拌针1旋转，通过外部齿轮与轴套7齿条啮合传动，并在直线轴承6配合下，该复合式铝合金搅拌摩擦焊主轴可上下滑移，同时在轴套外围的键槽起到定位作用，防止主轴轴向偏移，设置轴套上端外围的长方形开口结构可调节联轴器，控制搅拌针1插入深度，锁紧搅拌头2与被焊接铝合金工件快速摩擦产生摩擦热，使接触点铝合金材料的温度升高，强度下降，然后锁紧搅拌头2和搅拌针1沿着被焊铝合金工件的待焊界面向前移动，通过锁紧搅拌头2和搅拌针1对铝合金材料的摩擦、搅拌，使待焊铝合金材料加热至热塑性状态，在锁紧搅拌头2高速旋转的带动下，处于塑性状态的铝合金材料环绕搅拌针由前向后转移，同时结合锁紧搅拌头对焊缝金属的挤压作用，在热-机联合作用下材料扩散连接形成致密的金属间固相连接。同时，高压冷却气体由旋转接头19进入，通过电机轴15、导气管23、连轴销11、回抽轴25轴向气孔进入到套轴29径向气孔分成两路，一路由套轴径向气孔到达套轴29与前端盖3间隙处，起到密封作用；一路由套轴径向气孔折向轴向气通过锁紧搅拌头2均布气孔喷出，到达锁紧搅拌头与铝合金焊接工件工作面，实现对锁紧搅拌头2冷却；外部高压气体由旋转接头19两个进气孔进入，依次通过电机轴15、导气管23、连轴销11的气压孔到达回抽轴25与转轴8之间上下两个气腔，通过外部高压气体压力的调节，控制上下两个气腔压力，通过两个气腔产生的压力差实现回抽轴的上下轴向滑移，控制搅拌针1插入与回抽，消除搅拌摩擦焊遗留下来的匙孔。

电机外壳14设置的散热筋结构，在电机高速运转时，降低电机定子16与电机转子21产生的温升；搅拌针1损坏或锁紧搅拌头2损坏，通过锁紧搅拌头外围键槽结构和搅拌针的螺纹及时拆卸更换。

Claims (3)

1.一种复合式铝合金搅拌摩擦焊主轴，包括搅拌针、锁紧搅拌头、前端盖、轴套、转轴、回抽轴、电机外壳、电机轴、电机定子、电机转子、后盖、联轴器、上、下传动环、连轴销，所述电机轴通过前后电机轴承套装于电机外壳内，由电机螺母和压紧螺母固定，该电机轴与电机外壳之间设置有电机定子和电机转子，所述电机外壳外围设置有散热筋结构，所述轴套外围靠近电机外壳一端设置有齿条结构和长方形开口结构，该轴套旋转90度设置有键槽结构，该轴套下端径向外围设置安装有直线轴承，在轴套和前端盖之间还设置安装用于密封轴承的密封环和密封盖，所述电机轴为中空结构，该电机轴内部设置有轴向冷却气孔和压力气孔，电机轴下端内部设置安装有导气管，该导气管中部设置有轴向冷却气孔和压力气孔，电机轴上端设置安装有旋转接头，该旋转接头内部设置有冷却气孔和压力气孔外接高压冷却气体和高压气体，所述转轴通过前、后轴承组套装于轴套内，由前螺母和后螺母锁紧固定，该转轴为中空结构，转轴内部设置有台阶气腔机构，下端内表面匹配安装有套轴，该套轴下端径向外围设置有螺纹段安装有锁紧搅拌头，该锁紧搅拌头径向外围设置有均布键槽结构，所述套轴中部设置有冷却气路机构，套轴中部径向设置有台阶结构匹配安装有前端盖，所述回抽轴为中空结构，该回抽轴内部设置有轴向冷却气孔和压力气孔，回抽轴上端设置有径向通孔安装有连轴销，该连轴销中部径向设置有冷却气孔和压力气孔，该回抽轴下端内部设置有螺纹段安装有搅拌针，该回抽轴下部设置有径向台阶结构，该径向台阶结构外围设置有2处凹槽结构匹配安装有密封圈，所述搅拌针上端外径部位设置有螺纹段与套轴下端中部螺纹段匹配安装。

2.根据权利要求1的复合式铝合金搅拌摩擦焊主轴，其特征在于：所述冷却气路机构包括旋转接头、电机轴、导气管、连轴销、回抽轴、套轴、锁紧搅拌头形成，所述电机轴中部轴向冷却气孔上端与旋转接头冷却气孔连接，下端与导气管内设置的冷却气孔连通，所述回抽轴内部轴向冷却气孔上端与导气管内冷却气孔连通，该回抽轴下端匹配设置安装有套轴，该回抽轴轴向冷却气孔下端与套轴径向气孔连通，一路与套轴轴向气孔连通，所述锁紧搅拌头设置有均布轴向气孔与回抽轴轴向冷却气孔相通，到达锁紧搅拌头端面，最终形成从上端到下端依次连通旋转接头、电机轴、导气管、连轴销、回抽轴、套轴、锁紧搅拌头的冷却气路。

3.根据权利要求1的复合式铝合金搅拌摩擦焊主轴，其特征在于：所述台阶气腔机构包括回抽轴、上传动环、下传动环、转轴形成，所述回抽轴下部的台阶上下端与上下两个传动环之间形成上下两个密闭气腔，回抽轴下部靠近两个气腔部位设置有径向气孔连通，该回抽轴内部设置有两个轴向的压力气孔与径向气孔连通，依次通过连轴销、导气管、电机轴和旋转接头的压力气孔，最终外接高压气体。