CN107442927A - 一种原位回填式搅拌摩擦点焊主轴头机构 - Google Patents

Abstract

本发明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。

Description

一种原位回填式搅拌摩擦点焊主轴头机构

技术领域

本发明属于固相摩擦焊接技术领域，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。

背景技术

原位回填式搅拌摩擦点焊(Refill Friction Stir Spot Welding-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。

发明内容

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。本发明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，本发明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，所述空心主轴套与所述搅拌针内轴承座之间为间隙配合，两对第一角向轴承的内环同时与搅拌针内轴承座和第一内移动键固定；所述搅拌针外轴承座上设有第四键槽，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，所述第一外移动键的内侧与两对第一角向轴承相连接；所述空心主轴套的下部、位于第二内移动键的下方自内向外依次套装有轴肩内轴承座、两对第二角向轴承和所述轴肩外轴承座，所述空心主轴套与所述轴肩内轴承座之间为间隙配合，两对第二角向轴承的内环同时与轴肩内轴承座和第二内移动键固定；所述轴肩外轴承座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，所述第二外移动键的内侧与两对第二角向轴承相连接；所述搅拌针外轴承座和所述轴肩外轴承座的外径相同，所述下固定套筒套在所述搅拌针外轴承座和所述轴肩外轴承座的外回转面上，所述下固定套筒上设有位置与所述第一外移动键位置对应的第六键键槽和与所述第二外移动键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之外；所述第二外移动键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之外；所述旋转套筒套在所述下固定套筒上、并与所述下固定套筒间隙配合，所述旋转套筒的筒壁上设有与两个第一外移动键位置对应的第一通槽和与两个第二外移动键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；所述旋转套筒的底端设有外层固定套筒卡环，所述外层固定套筒卡环与所述下固定套筒固定；所述空心主轴套上部的连接端与机床旋转动力主轴机构的内孔配合，所述上固定轴套与所述机床旋转动力主轴机构固定，所述下固定套筒与所述上固定轴套固定。

与目前已有RFSSW设备比较本发明主轴头机构具有以下有益效果：

本发明主轴头机构可以实现RFSSW的全部工艺过程，是建造RFSSW设备的关键机械装置，可以有效降低目前RFSSW设备制造成本，促进RFSSW工艺在工业制造领域的广泛应用。

本发明主轴头机构设计加工灵活、结构简单维护成本低，搅拌工具轴肩和搅拌针与主轴头机构可以分离、拆卸安装，可以设计安装不同形状及尺寸的轴肩和搅拌针、适合不同板厚的RFSSW工艺，扩展RFSSW设备的应用范围。

采用本发明主轴头机构与普通铣床结合就可以建造RFSSW设备，实现RFSSW的全部工艺原理，这种设备制造成本低、操作简便及工艺过程稳定，为推广和应用RFSSW新工艺提供重要基础。

附图说明

图1(a)至图1(d)是原位回填式摩擦点焊(RFSSW)原理示意图；

图2是本发明主轴头外观结构图；

图3(a)是主轴头整体结构的全剖主视图；

图3(b)是主轴头整体结构的全剖侧视图；

图4(a)是本发明中主轴头内部结构立体图；

图4(b)是图4(a)所示主轴头内部结构全剖主视图；

图4(c)是图4(a)所示主轴头内部结构全剖侧视图；

图5(a)是本发明中主体结构空心主轴套的外观视图；

图5(b)是图5(a)所示主体结构空心主轴套的侧视图；

图5(c)是图5(a)所示主体结构空心主轴套的全剖主视图；

图5(d)是图5(a)所示主体结构空心主轴套的全剖侧视图；

图6(a)是本发明中搅拌针与轴肩套柄外观图；

图6(b)是图6(a)所示搅拌针与轴肩套柄的全剖侧视图；

图6(c)是图6(a)所示搅拌针与轴肩套柄的全剖主视图；

图7(a)是本发明中搅拌针套柄与搅拌针内部结构示意图；

图7(b)是图7(a)所示搅拌针套柄与搅拌针内部结构的全剖视图；

图8(a)是本发明中轴肩套柄与轴肩内部结构示意图；

图8(b)是图8(a)所示轴肩套柄与轴肩内部结构的全剖视图.

图中具体零部件如下；

1-机床旋转动力主轴机构 2-上固定轴套 3-下固定套筒

4-旋转套筒 5-空心主轴套 6-轴肩端盖

7-第一外移动键 8-第二外移动键 9-上固定轴套卡环

10-下固定套筒卡环 11-搅拌针外轴承座 12-搅拌针外轴承座卡环

13-轴肩外轴承座 14-轴肩外轴承座卡环 15-第一角向轴承

16-第二角向轴承 17-第一内移动键 18-第二内移动键

19-搅拌针内轴承座 20-搅拌针内轴承座卡环 21-轴肩内轴承座

22-轴肩内轴承座卡环 23-空心主轴套卡槽 24-长形阶梯通孔

25-搅拌针套柄 26-轴肩套柄 27-搅拌针

28-轴肩

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。

本发明提出的一种原位回填式搅拌摩擦点焊主轴头机构的设计构思是，针对目前RFSSW设备主轴头机构的局限性，提出完全不同于目前RFSSW设备中的主轴头运动控制机构，在该主轴头机构采用空心主轴嵌套方式即搅拌针的中心轴套在中间套筒轴内，而中间套筒轴再套在外部加紧环的空心轴内，通过三层空心轴的嵌套方式，再利用伺服电机控制这三层嵌套空心轴沿轴线上下移动；即采用主体结构空心主轴套侧面带有滑动键槽方式，将空心主轴内的轴肩和搅拌针沿轴向的上下移动转换到外层固定套筒上，高速旋转空心主轴套(同时带动轴肩和搅拌针旋转)与固定套筒之间通过高速角向轴承相连接，这样通过固定套筒外的带螺旋槽套筒的相对旋转，利用内外滑动键就可以实现空心主轴套内部轴肩与搅拌针沿轴线的上下移动，从而实现图1(a)、图1(b)、图1(c)和图1(d)示RFSSW全部工艺过程。

本发明提出的原位回填式搅拌摩擦点焊主轴头机构是通过改造普通铣床设备以实现RFSSW工艺原理的关键机构。如图2所示，该主轴头整体结构主要由两部分组成；一是与机床旋转动力主轴相连接的主体结构空心主轴套5，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2和外层的下固定套筒3，保持固定。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在一起形成主轴头机构。从整体结构来看，主要包括空心主轴套5、搅拌针27、上固定轴套2、下固定套筒3和旋转套筒4，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，所述空心主轴套5上设有空心主轴套卡槽23用于固定连接机床动力主轴，所述上固定轴套2与所述机床旋转动力主轴机构1固定，所述固定轴套2上设有上固定轴套卡环9，所述下固定套筒3设有下固定套筒卡环10。所述下固定套筒3与所述上固定轴套2固定。

如图5(a)、图5(b)、图5(c)和图5(d)所示，本发明中主体结构的空心主轴套5是该主轴头机构的最关键部件，由机床动力主轴带动旋转，并带动轴肩和搅拌针同时旋转。所述空心主轴套5的上部是标准锥形刀柄的连接端，该连接端与机床动力主轴锥形内孔刀柄连接，所述空心主轴套5的最下端固定连接最外层轴肩端盖6，该最外层轴肩端盖6相当于图1(a)、图1(b)、图1(c)和图1(d)工艺原理中加紧环作用，但其与空心主轴套5连接在一起，从而可以高速旋转；所述空心主轴套5内部是安装沿轴向上下移动的搅拌针套柄25和轴肩套柄26。所述空心主轴套5内设有定位台阶面，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。如图7(a)和图7(b)所示，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，如图5(c)和图5(d)所示，所述轴肩套柄26插入在搅拌针套柄25与所述空心主轴套5之间，所述轴肩套柄26的底部固定有带有搅拌针过孔的端盖28，如图7(a)、图7(b)和图8(a)、图8(b)所示，搅拌针27和轴肩28可方便拆卸和更换，根据不同焊接工艺需要设计不同形状及尺寸的搅拌针27和轴肩28，以满足不同状态下焊接过程。如图6(a)、图6(b)、图6(c)和图5(d)所示，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，用于拆卸安装搅拌针27，即所述长形阶梯通孔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°。

本发明中，搅拌针套柄25的上下移动通过搅拌针的第一内移动键17沿空心主轴套5上部侧面滑动键槽控制，轴肩套柄26的上下移动则通过轴肩内移动键18沿空心主轴套5下部侧面滑动键槽控制。这样当空心主轴套通过第一和第二内移动键17和18带动搅拌针套柄25和轴肩套柄26高速旋转的同时，第一、第二内移动键17和18沿滑动键槽移动则带动搅拌针套柄25和轴肩套柄26沿轴向上下移动。这是本发明实现搅拌针和轴肩高速旋转同时又能沿轴向上下移动的关键部件之一，由于第一和第二内移动键17和18随空心主轴套高速旋转，显然不可能直接驱动第一和第二内移动键17和18沿空心主轴套侧面的滑动键槽上下移动。必须采用一种连接机构将高速旋转的第一和第二内移动键17和18的动作转换到静止状态，以便驱动轴肩与搅拌针沿轴向上下移动。

如图4(a)、图4(b)和图4(c)所示，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，搅拌针外轴承座11设有搅拌针外轴承座卡环12，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。

如图4(b)和图4(c)所示，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，所述轴肩外轴承座13设有轴肩外轴承座卡环14，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，所述轴肩内轴承座21上设有轴肩内轴承座卡环22，两对第二角向轴承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。

如图4(a)所示，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，如图3(a)和图3(b)所示，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。

如图3(a)、图3(b)、图4(a)、图4(b)和图4(c)所示，本发明中，第一内移动键17通过键槽固定在搅拌针内轴承座19上，搅拌针内轴承座19与空心主轴套5是间隙配合，可沿其轴向上下滑动，搅拌针内轴承座19上安装的轴承采用角向轴承的目的是保证搅拌摩擦点焊过程中施加一定的轴向载荷，将第一角向轴承15安装在搅拌针外轴承座11上，而在搅拌针外轴承座11上通过键槽固定有搅拌针外移动键7，这样第一内移动键17高速旋转时通过第一角向轴承15与第一外移动键7相连接，而外移动键7可以保持静止，驱动外移动键7沿轴向上下移动，就可以通过搅拌针外轴承座11、第一角向轴承15、搅拌针内轴承座19和第一内移动键17带动搅拌针套柄25上下移动，实现搅拌针27高速旋转同时沿空心主轴套5轴向上下移动。同样道理，第二内移动键18通过键槽固定在轴肩内轴承座21上，轴肩内轴承座21与空心主轴套5也是间隙配合，在轴肩内轴承座21安装有两对第二角向轴承16，第二角向轴承16安装在轴肩外轴承座13上，在轴肩外轴承座13上通过键槽固定有第二外移动键8，这样第一内移动键18高速旋转时通过第二角向轴承16与第二外移动键8相连接，而第二外移动键8可以保持静止，驱动第一外移动键8沿轴向上下移动，就可以通过轴肩外轴承座13、第二角向轴承16、轴肩内轴承座21和第二内移动键18带动轴肩套柄26上下移动，实现轴肩高速旋转同时沿空心主轴套5轴向上下移动。

如图2、图3(a)和图3(b)所示，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，即第一通槽和第二通槽均为螺旋槽，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。所述旋转套筒4可以绕主轴轴线来回旋转±90°，驱动轴肩和搅拌针27沿轴向上下移动。本发明中带有螺旋槽的旋转套筒4上分别加工有4条1/4周长螺旋滑动键槽，其中上部加工向上旋转的2条1/4周长螺旋滑动键槽，用于连接第一外移动键7；下部加工向下旋转的2条1/4周长螺旋滑动键槽，用于连接第二外移动键8。这样带螺旋槽的旋转套筒4相对外层固定套筒3做±90°旋转运动时，它将驱动第一和第二外移动键7和8沿轴向上下移动(移动的距离是H1)，最终带动空心主轴套5内部的搅拌针套柄25和轴肩套柄26上下移动，实现原位回填的搅拌摩擦点焊工艺过程。

图3(a)和图3(b)示出了主轴头机构外层固定套筒3是与机床主轴的固定部件相连接，该外层固定套筒3内安装有搅拌针27和搅拌针外轴承座11和轴肩外轴承座13，它们之间是间隙配合，搅拌针外轴承座11和轴肩外轴承座13可沿外层固定套筒3轴向上下滑动。外层固定套筒3的侧面有滑动键槽，其中，第一、第二外移动键7和8通过滑动键槽与外部带螺旋槽旋转套筒4相连接，带螺旋槽的旋转套筒4与外层固定套筒3之间是间隙配合可以相对旋转运动。

本发明的主轴头机构是一种独立机械运动机构，可以与普通铣床动力主轴相结合，实现RFSSW的全部工艺原理。采用该主轴头机构即可以实现手动位移控制的轴肩和搅拌针的挤压回填移动，也可以增加伺服电机位移控制轴肩和搅拌针的上下移动。

采用该主轴头机构实现RFSSW工艺过程的主要过程如下：

(1)RFSSW设备的建造。首先根据铣床动力主轴刀柄尺寸设计本发明的主轴头机构并进行加工制造，将该主轴头机构安装在铣床动力主轴刀柄上，调试主轴头机构运动装置，使得主轴头机构在高速旋转的同时，又可以通过主轴头机构上带螺旋槽旋转套筒的相对旋转控制轴肩与搅拌针的上下移动，这样将原来的普通铣床改造为一台实现RFSSW工艺的搅拌摩擦点焊设备。

(2)搅拌工具轴肩与搅拌针的安装调试。根据搅拌摩擦点焊的工艺要求加工不同形状及尺寸的搅拌工具轴肩与搅拌针，安装调试搅拌工具系统为进行不同铝合金RFSSW工艺研究开发提供基础。

(3)RFSSW工艺试验及点焊接头加工。采用本发明主轴头机构改造的搅拌摩擦点焊设备，其最高旋转速度由原普通铣床动力主轴决定，主轴头的顶锻压力由原普通铣床主体结构刚度确定，搅拌摩擦点焊时间和搅拌工具的挤压回填动作可采用手动控制，这是最为基本的操作过程。如果需要通过伺服电机控制主轴机构的运动过程，则需要再增加PLC控制系统。

本发明提出的主轴头机构可实现轴肩与搅拌针沿轴向上下5mm范围的相对运动，因而可以实现厚度为1-4mm范围的铝合金板搭接点焊过程，其点焊工艺参数旋转速度为1000-2500rpm范围、焊接时间为0-20sec范围，针对不同厚度铝合金板由具体工艺试验确定。

本发明中带螺旋槽旋转套筒4上的1/4周长螺旋槽，从起始端到结束端的斜面相对高度是H1＝5mm，可以驱动搅拌针或轴肩沿空心主轴套轴向上下移动5mm距离，即图1(a)、图1(b)、图1(c)和图1(d)中的中间套筒和搅拌针的上下挤压回填距离是5mm深度，因而可以实现厚度(1-4mm)铝合金板的搭接点焊。

本发明主轴头机构是一种独立的机械装置，与具体机床的动力主轴系统相结合就可以实现原位回填搅拌摩擦点焊工艺过程，主轴头结构简单制造成本低、安装拆卸及操作维护方便，搅拌针与轴肩可方便拆卸、更换与安装，适用范围广及焊接过程稳定等优势，是实现原位回填式搅拌摩擦点焊工艺过程和制造新型搅拌摩擦点焊设备的关键主轴头机构。

采用该主轴头机构的原位回填式搅拌摩擦点焊工艺窗口范围主要为：焊接板厚度为1-4mm，主轴旋转速度在1000-2500rpm、点焊时间为5-20sec范围。根据铝合金板厚度、搅拌针及轴肩形状及尺寸，需要通过焊接工艺试验确定具体工艺参数。如对4mm厚度6061-T6铝合金板，在1500rpm旋转速度、焊接时间为10sec下可实现原位回填式搅拌摩擦点焊搭接焊；如对3mm厚度5A06-H112铝合金板，在1800rpm旋转速度、焊接时间为8sec下可实现原位回填式搅拌摩擦点焊搭接焊，焊点表面平整内部无焊接缺陷。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (1)

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。