CN114083109B - 可调偏心距线性振动组件及线性摩擦焊装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种可调偏心距线性振动组件，包括储能单元、线性振动滑台和旋转曲轴连杆振动单元；其中，所述储能单元用于储存所述线性振动滑台由于惯性力产生的惯性势能并转换为弹性势能，从而辅助旋转曲轴连杆振动单元振动；所述储能单元下端通过支撑杆连接所述线性振动滑台，所述线性振动滑台的端面固接有用于固定被焊构件的线性振动焊接夹具；所述线性振动滑台的下端活动连接所述旋转曲轴连杆振动单元，使所述旋转曲轴连杆振动单元能够驱动所述线性振动滑台上下往复运动调整偏心位移，实现在高速旋转的同时又调整偏心矩，从而实现振动往复运动中振幅的精确控制。本发明还公开包含可调偏心距线性振动组件的线性摩擦焊装置。

Description

可调偏心距线性振动组件及线性摩擦焊装置

技术领域

本发明属于固相摩擦焊接与增材制造技术领域，具体涉及一种可调偏心距线性振动组件及增材用的线性摩擦焊装置，可实现金属材料线性摩擦焊工艺过程，也可基于线性摩擦焊拼接焊原理实现三维金属块体材料的增材制造工艺过程。

背景技术

目前在大量试验研究与工业化应用基础上已开发了许多具体摩擦焊工艺；如旋转摩擦焊、惯性摩擦焊、搅拌摩擦焊及线性摩擦焊工艺等、并在实验室中对各种基于摩擦焊原理的金属增材制造工艺进行了深入探索。其中线性摩擦焊(Linear Friction Welding，LFW)作为一种先进、高效及高可靠性固相摩擦焊接技术，它可以将传统摩擦焊原理扩展到各种非轴对称截面金属构件的焊接，在航空航天结构制造与维修等工业领域具有明显优势。采用LFW进行增材制造首先要将复杂零件划分为简单部件、然后基于拼焊组装原理将简单部件用LFW拼焊在一起并进行后续机械加工成形，这样可制备出各种复杂形状金属构件，从而极大节省高附加值高性能原材料、节省加工时间，而且将有效降低制造成本和提高生产效率。

由于LFW焊缝具有达到或超过母材的优异力学性能，这种拼接焊固相摩擦增材制造方法一直是航空工业领域普遍关注的金属构件加工方法。但是到目前为止LFW技术在国内外均没有扩展到如高速客车、电力行业及汽车制造等民用工业领域，其关键原因是采用液压驱动式LFW设备制造难度大成本高、并且随着设备振动往复运动摩擦力及顶锻压力的提高其设备制造成本急剧增加。

实现变振幅控制的大载荷振动往复运动单元是制造LFW设备的关键内容。目前国外工业化LFW设备均采用液压驱动式振动往复运动单元，属于压力控制往复运动模式LFW设备，具有振动频率高、摩擦力及顶锻力大等优势，但是液压式LFW设备成本明显很高。采用机械振动往复单元的LFW设备属于位移控制模式摩擦焊设备，具有振动往复推力高、振幅大及频率低等优势；并可以明显降低LFW设备的制造成本，扩大线性摩擦焊技术应用领域。

CN1709630A公开的“振动单元”中采用固定偏心距的偏心轴带动主摇臂摆动，将旋转运动转换为线性振动的机械单元，并通过控制主摇臂长短实现变振幅的线性振动控制，采用该振动单元可制备机械振动式线性摩擦焊设备；但由于该机械振动单元较复杂、传递振动载荷零件多导致振动效率低及噪声大的局限性，使得基于该振动单元的线性摩擦焊设备主要限制在实验室领域。CN103153520A公开的“具有多个偏心轮的线性摩擦焊系统”采用多个偏心轮组合形成可调偏心距的旋转主轴，再结合传动单元可实现线性振动、并通过旋转不同偏心轮控制线性振幅的变化；但该机械振动式线性摩擦焊需要采用两个大功率电机控制线性振动中偏心轮组合的相对运动，使得该线性摩擦焊设备的机械单元及控制系统比较复杂，该设备已由美国APCI公司联合爱迪生焊接研究所(EWI)研制开发并成功应用于铁路钢轨的线性摩擦对接焊。CN106891090 A公开的“储能振动单元”基于已有国内专利CN1709630A中的振动单元，将惯性摩擦焊中储能飞轮与偏心曲轴直接固定连接，并与驱动电机采用离合器连接，通过电机驱动储能飞轮旋转储能以实现线性振动摩擦焊工艺过程。但在振动单元方面与已有国内专利CN1709630A比较没有提出新结构，储能飞轮连接在固定偏心距的旋转曲轴上将产生更大振动冲击及噪声影响。CN110587115 A公开的“一种新型的线性摩擦焊接装置”中采用双凸轮单元实现线性振动，并采用行星变相位单元调整待焊件上下线性振动幅度，实现对焊接振动幅值的控制。但其双凸轮振动单元与齿轮行星变相位单元组合的变振幅控制振动系统复杂、涉及的机械零件多，导致传递效率低及噪声大的局限性。

采用机械振动往复单元研制开发的线性摩擦焊设备的最大优势是制造成本明显低于液压式LFW设备，有可能将LFW技术由高附加值的航空制造领域扩展到更广泛的民用工程机械制造领域，但在机械振动往复运动单元设计研制、振动能量利用效率、焊接质量控制及高载荷LFW设备开发方面仍存在局限性，目前国内还没有应用于工业生产的低成本LFW设备。

发明内容

为了克服现有线性摩擦焊设备的局限性，本发明提出一种可调偏心距线性振动组件及其线性摩擦焊装置，所述装置采用可调偏心距的曲轴连杆振动往复运动单元，该曲轴在高速旋转的同时可实现偏心位移的连续调整，从无偏心状态的同轴旋转轴转变为具有给定振幅的偏心曲轴旋转轴，实现在高频振动过程中振幅(在±5mm范围或更高)的连续调整，这样通过连杆直接连接线性摩擦焊夹持焊件的滑台；将旋转运动转换为线性振动往复运动，驱动滑台带动焊件进行高频振动往复运动实现线性摩擦焊工艺。其次是在振动滑台的另一端安装有与曲轴连杆振动往复运动单元相配合的储能单元，该单元可储存振动滑台等由于质量而产生的惯性势能，将其转换为弹性势能储存在弹性振动单元中，并在改变振动方向时释放弹性势能并辅助驱动旋转曲轴连杆振动单元；这样可有效提高曲轴连杆振动单元的振动能量利用率。第三是将惯性摩擦焊原理中的储能惯性飞轮单元与旋转曲轴连杆振动单元相连接，通过主伺服电机首先驱动储能惯性飞轮单元、再驱动曲轴连接振动单元，这样利用储能惯性飞轮单元储存的惯性势能扩大振动能量，从而在小功率主伺服电机下就可实现高载荷的线性摩擦焊工艺过程，为开发低成本、高载荷及机械式位移控制线性摩擦焊设备提供重要基础。

一种可调偏心距线性振动组件包括储能单元、线性振动滑台、和旋转曲轴连杆振动单元；其中，所述储能单元用于储存所述线性振动滑台由于惯性力产生的惯性势能并转换为弹性势能，从而辅助旋转曲轴连杆振动单元振动；所述储能单元下端通过支撑杆连接所述线性振动滑台，所述线性振动滑台的端面固接有用于固定被焊构件的线性振动焊接夹具；所述线性振动滑台的下端通过旋转轴和轴承可转动连接所述旋转曲轴连杆振动单元，使所述旋转曲轴连杆振动单元能够驱动所述线性振动滑台做垂直往复运动。

其中，所述旋转曲轴连杆振动单元包括与所述线性振动滑台的下端连接的线性振动连杆和可调偏心距旋转曲轴单元；所述线性振动连杆的下端有环形部用于穿过所述可调偏心距旋转曲轴单元，所述可调偏心距旋转曲轴单元由同轴设置的第一旋转轴，第二旋转轴，第三旋转轴和第四旋转轴组成，所述第四旋转轴穿过所述述线性振动连杆的环形部，所述第四旋转轴的两端端部分别卡接所述第一旋转轴和第二旋转轴的端部，第三旋转轴同轴的穿过第二旋转轴及第四旋转轴的轴心并伸入所述第一旋转轴；且所述第四旋转轴设置有轴向的第一通道，所述第一通道的至少部分内壁设置有带倾角的斜面；所述第一旋转轴的另一端连接主伺服电机，所述第三旋转轴的末端连接一辅助伺服电机，且所述第四旋转轴的两端端部设置有向外伸出的凸块，所述第一旋转轴和第二旋转轴的端部具有与所述凸块的轮廓对应的凹槽；所述凸块和凹槽配合使第四旋转轴与所述第一旋转轴和第二旋转轴卡接，从而使所述第四旋转轴能够在第一旋转轴和第二旋转轴带动下相对所述线性振动连杆的环形部旋转，以及第三旋转轴在辅助伺服电机的作用下沿轴向位移，推动所述第四旋转轴在第一通道的斜面的作用下沿使所述凸块沿凹槽的侧壁上下滑动。

进一步的，所述第一旋转轴设置有轴向的第二通道，所述第二旋转轴设置有轴向的第三通道，所述第二通道和第三通道的截面轮廓相同；且所述第三旋转轴由第二区段和一体成型设置在所述第二区段两侧的第一区段和第三区段组成，且所述第二区段的至少部分内壁设置有与所述第一通道的斜面适配的带倾角的斜面；所述第一区段和第三区段的截面轮廓分别与所述第二通道和第三通道截面轮廓适配，所述第二区段的内轮廓与所述第四旋转轴的第一通道的轮廓适配；且所述第二区段长度小于所述第四旋转轴的轴向长度从而使所述第三旋转轴的第二区段在第一通道内水平滑动，从而带动第四旋转轴在斜面的作用下沿凹槽的侧壁上下滑动。

进一步的，所述第四旋转轴的第一通道具有矩形截面；所述第二通道和第三通道具有圆形截面；所述第一旋转轴一端为封闭端，另一端插入所述第四旋转轴的一端，所述第二旋转轴一端插入所述第四旋转轴的另一端，一端为自由端；第三旋转轴从所述第二旋转轴的自由端穿过第二旋转轴抵达所述第一旋转轴的封闭端，且所述第三旋转轴的第二区段具有矩形截面，所述第一区段和第三区段具有圆形截面；而且在所述第二区段的上下两个端面分别安装有具有斜面的第一楔形滑块，且上下端面的第一楔形滑块朝向相反；在第四旋转轴的第一通道的顶部和底部分别安装有具有斜面的第二楔形滑块，且两个第二楔形滑块朝向相反；所述第一楔形滑块和第二楔形滑块为滑动配合连接，用于实现所述第四旋转轴的偏心位移。

进一步的，所述储能单元为填充压缩气体的高压容器，其端部为活塞，所述活塞与所述支撑杆固定连接，所述储能单元用于将所述线性振动滑台及线性振动焊接夹具和夹持的焊件的质量在线性振动过程中产生的惯性势能转换为弹性势能并存储，随后在线性振动过程中不断释放弹性势能促进振动往复运动。

本发明的第二个目的公开一种包含所述可调偏心距线性振动组件的增材用线性摩擦焊装置，包括焊接机床垂直框架和焊接机床水平框架，所述焊接机床垂直框架内设置有垂直于所述焊接机床水平框架的可调偏心距线性振动组件，所述可调偏心距线性振动组件包括储能单元、线性振动滑台、线性振动焊接夹具和旋转曲轴连杆振动单元；所述储能单元固定在所述焊接机床垂直框架上，在焊接机床水平框架上从左至右依次设置有主伺服电机、惯性旋转轮系统、旋转曲轴连杆振动单元和辅助伺服电机；所述焊接机床垂直框架的一侧且位于所述辅助伺服电机上部设置有平行于焊接机床水平框架的焊件安装工作平台，所述焊件安装工作平台上设置有焊接刚性固定夹具用于固定被焊构件，一顶锻液压驱动单元抵在焊件安装工作平台的侧壁上用于推动焊件安装工作平台；其中所述储能惯性旋转轮系统用于将主伺服电机传送的转动能量传递至所述可调偏心距线性振动组件转换为线性振动能量；所述可调偏心距线性振动组件用于实现线性振动往复运动，所述辅助伺服电机用于推动所述旋转曲轴连杆振动单元中的第三旋转轴，使所述旋转曲轴连杆振动单元上下往复运动调整偏心位移，再配合顶锻液压驱动单元推动焊件安装工作平台从而完成线性摩擦焊工艺过程。

进一步的，所述储能惯性旋转轮系统由固定在同一中心轴上具有不同直径和质量的旋转轮组成，所述中心轴一端连接所述主伺服电机，另一端连接所述第一旋转轴。

进一步的，所述主伺服电机转速范围为600-4500rpm，其对应的旋转曲轴连杆振动单元频率范围为10-75Hz；可调振幅范围为0到±5mm。

进一步的，所述第四旋转轴偏心位移Δr、第一楔形滑块的斜面倾角α与第三旋转轴的轴向位移d之间具有以下函数关系：Δr＝d×tan(α)，通过加工不同斜面倾角α以实现可调偏心距线性振动组件的不同振幅范围调整。

与现有技术相比，本发明有益效果及显著进步在于：

本发明所述的可调偏心距线性振动组件中的旋转曲轴连杆振动单元利用四个同轴的旋转轮组成转动组件，在伺服电机和辅助伺服电机的作用下，所述可调偏心距线性振动组件能够实现轴向旋转的同时又能实现纵向移动，即在高速旋转的同时又可调整偏心距离；采用旋转曲轴偏心位移控制模式，可实现振动往复运动中振幅的精确控制，保证振动过程中焊接位置的精确对准；

由于线性振动滑台及线性振动焊接夹具和夹持的焊件的质量在线性振动过程中会产生惯性势能，本发明的储能单元充分利用产生的惯性势力，将产生惯性势能转换为弹性势能，并在线性振动过程中不断释放弹性势能促进振动往复运动，从而有效提高曲轴连杆振动单元的能量利用效率，并降低振动系统的冲击及噪声影响；

本发明所述的线性摩擦焊装置采用主伺服电机驱动储能惯性旋转轮系统与可调偏心距线性振动组件相结合方式，可实现摩擦力100吨以上高载荷连续驱动线性摩擦焊工艺及“惯性线性摩擦工艺”-两种线性摩擦焊接工艺模式，为开发创新的“惯性线性摩擦工艺”提供关键基础；以及

与液压式LFW设备比较制造成本明显降低，在相同载荷水平下近似为液压式LFW设备制造成本的20％-40％，采用位移控制模式其振幅控制精度更高；与目前公开的机械式LFW设备比较，线性振动单元最简单、振动能量传递效率高及振幅控制过程更为稳定可靠。

附图说明

图1是本发明所述可调偏心距线性振动组件的振动原理图；

图2是实施例中可调偏心距线性振动组件的结构图；其中，(a)是所述可调偏心距线性振动组件的侧视图；(b)是所述可调偏心距线性振动组件的主视图；(c)是所述可调偏心距线性振动组件的立体图；

图3是实施例中可调偏心距旋转曲轴单元的结构图；其中，(a)是所述可调偏心距旋转曲轴单元的剖视图；(b)是所述可调偏心距旋转曲轴单元的爆炸图；

图4示出图3所示的可调偏心距旋转曲轴单元的偏心运动状态；其中，(a)和(b)分别是无偏心状态的横向和纵向剖示图，(c)和(d)分别是最大偏心距状态的横向和纵向剖示图；

图5是本发明所述带可调偏心距旋转曲轴增材用线性摩擦焊装置的立体结构图；

图6是根据图5所示的整体结构图的立体剖示图；

图7是根据图5所示的整体结构图的侧面剖示图。

图中：

2：偏心距 6：焊接机床垂直框架

7：旋转曲轴连杆振动单元 8：储能惯性旋转轮系统

9：储能单元 10：主伺服电机

11：顶锻液压驱动单元 12：焊件安装工作平台

13：焊接刚性固定夹具 14：焊接机床水平框架

15：线性振动滑台 16：线性振动焊接夹具

17：线性振动连杆 18：可调偏心距旋转曲轴单元

19：辅助伺服电机 20：曲轴安装箱体

21：曲轴同步轮 22：储能旋转轴同步轮

23：主伺服电机离合器 24：旋转轴向移动单元

25：第一旋转轴 26：第二旋转轴

27：第三旋转轴 28：第四旋转轴

29：承载支撑轴承 30：第一楔形滑块

31：第二区段 32：第二楔形滑块

33：第一通道 34：第二通道

35：第三通道 2801：凸块

151：导轨 36：第一区段

37：第三区段

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案、有益效果及显著进步更加清楚，下面，将结合本发明实施例中所提供的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所有描述的这些实施例仅是本发明的部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

如图5-7所示，一种带有可调偏心距线性振动组件的增材用线性摩擦焊装置，由焊接机床垂直框架6和焊接机床水平框架14构成整个线性摩擦焊装置的刚性固定基体，所述焊接机床垂直框架6内安装有垂直于所述焊接机床水平框架14的可调偏心距线性振动组件。如图2-3所示，所述可调偏心距线性振动组件包括储能单元9、线性振动滑台15、线性振动焊接夹具16、和旋转曲轴连杆振动单元7；其中储能单元9固定在所述焊接机床垂直框架6上，如图2(C)所示，所述线性振动滑台15的侧壁有导轨151用于沿焊接机床垂直框架6的垂直承载导轨上(图中未详细画出)上下移动。所述储能单元9下端通过支撑杆连接所述线性振动滑台15，所述线性振动滑台15的端面采用高强螺栓刚性固定线性振动焊接夹具16用于固定被焊构件。所述线性振动滑台15的下端通过旋转轴和轴承可转动连接所述旋转曲轴连杆振动单元7，使所述旋转曲轴连杆振动单元7能够驱动所述线性振动滑台15做垂直往复运动。

所述储能单元9为在钢制的高压容器中填充压缩气体(惰性气体)，所述储能单元9的端部为活塞，所述活塞与所述支撑杆固定连接；所述线性振动滑台15顶升时压缩气体驱动活塞与支撑杆形成弹性振动单元；通过调整压缩气体的内部压力可调整储能单元的刚度，以满足各种旋转曲轴连杆振动单元7的储能要求。这样旋转曲轴连杆振动单元7在开始启动时采用低压力降低弹性振动单元的刚度，同时调整偏心位移使得曲轴连杆振动单元的振幅为最小值(0到±1mm)；使得旋转曲轴连杆振动单元容易启动振动，然后随着储能旋转轮系统储存足够的惯性势能后，调整旋转曲轴偏心距达到线性摩擦焊预定的振幅(±5mm)，同时增加主电转速达到线性摩擦焊预定振动频率；并在顶锻液压驱动单元作用下最终完成线性摩擦焊工艺过程，不仅能降低对主伺服电机驱动力与功率的要求，还能有效提高线性振动系统的能量利用效率。而且由于线性振动滑台15及线性振动焊接夹具16和夹持的焊件等的质量在线性振动过程中会产生惯性势能，其质量越大产生的惯性势能也越大；当只采用主伺服电机10驱动可调偏心距旋转曲轴单元18产生振动往复运动时，为了克服线性振动滑台15及线性振动焊接夹具16与焊接件等产生的惯性势能，势必消耗主伺服电机10产生的部分振动能量，这将导致旋转曲轴连杆振动单元能量利用率明显降低。为充分利用线性振动滑台15及线性焊接夹具16与焊件等产生的惯性势能，在线性振动滑台的另一侧安装有储能单元9，所述储能单元9能够储存线性振动滑台15及线性振动焊接夹具16与被焊接工件等由于惯性产生的弹性势能，并在旋转曲轴连杆振动单元7进行相反运动时，释放所储存的弹性势能促进线性振动往复运动，提高振动能量利用效率、并降低振动产生的冲击及噪声影响。

如图3所示，所述旋转曲轴连杆振动单元7包括线性振动连杆17和可调偏心距旋转曲轴单元18；其中，所述线性振动连杆17的下端有环形部(即承载轴承)用于穿过所述可调偏心距旋转曲轴单元18；所述可调偏心距旋转曲轴单元18由同轴设置的第一旋转轴25，第二旋转轴26，第三旋转轴27和第四旋转轴28组成，如图3(b)所示，所述曲轴安装箱体20中通过承载支撑轴承29安装固定有第一旋转轴25、第二旋转轴26及第四旋转轴28。所述第四旋转轴28穿过所述述线性振动连杆17的环形部，且所述第四旋转轴28的两端端部设置有向外伸出的凸块2801，所述第一旋转轴25和第二旋转轴26的端部具有与所述凸块的轮廓对应的凹槽，所述凸块2801和凹槽配合使第四旋转轴28与所述第一旋转轴25和第二旋转轴26卡接，第三旋转轴27同轴的穿过第二旋转轴26及第四旋转轴28的轴心并伸入所述第一旋转轴25；且所述第四旋转轴设置有轴向的第一通道33，所述第一通道的至少部分内壁设置有带倾角的斜面；所述第一旋转轴25的另一端连接主伺服电机，所述第三旋转轴27的末端连接一辅助伺服电机，从而使所述第四旋转轴28能够在第一旋转轴25和第二旋转轴26带动下旋转，以及第三旋转轴27在辅助伺服电机的作用下沿轴向位移，推动所述第四旋转轴28在第一通道的斜面的作用下沿使所述凸块沿凹槽的侧壁上下滑动。

如图3(a)所示，所述第一旋转轴25设置有轴向且具有圆形截面的第二通道34，所述第二通道一端为封闭端，另一端连接所述第四旋转轴28的一端；所述第二旋转轴26设置有轴向且具有圆形截面的第三通道35，所述第二通道和第三通道的截面轮廓相同；所述第三通道35一端连接所述第四旋转轴28的另一端，一端为自由端；第三旋转轴27同轴安装在第一旋转轴25、第二旋转轴26及第三旋转轴28中间位置，且所述第三旋转轴27从所述第二旋转轴26的自由端穿过第二旋转轴26抵达所述第一旋转轴25的封闭端；如图3(b)所示，且所述第三旋转轴27由具有矩形截面的第二区段31和一体成型设置在所述第二区段两侧具有圆形截面的第一区段36和第三区段37组成；所述第一区段36的截面轮廓与所述第一旋转轴25内的第二通道截面轮廓适配，所述第三区段37的截面轮廓和第二旋转轴26的第三通道35截面轮廓适配，所述第二区段31的内轮廓与所述第四旋转轴的第一通道33的轮廓适配；图3(b)右侧示出第三旋转轴27，在所述第二区段31的上下两个端面分别安装有具有斜面的第一楔形滑块30，且上下端面的第一楔形滑块30朝向相反；如图4所示，在第四旋转轴28的第一通道33的顶部和底部分别安装有具有斜面的第二楔形滑块32，且两个第二楔形滑块32朝向相反；所述第一楔形滑块30和第二楔形滑块32为滑动配合连接，用于实现所述第四旋转轴28的偏心位移。且所述第二区段31长度小于所述第四旋转轴28的轴向长度从而使所述第三旋转轴27的第二区段31在第一通道33内水平滑动，从而带动第四旋转轴28沿所述斜面上下滑动。实际使用时，当主伺服电机10驱动第一旋转轴25和第二旋转轴26高速旋转时，由于所述第四旋转轴28与所述第一旋转轴25和第二旋转轴26卡接，从而传递扭矩带动第四旋转轴28高速旋转运动；同时第四旋转轴28还能在斜面的作用下沿所述凹槽平行方向上下滑动，用于实现旋转轴28偏心位移的调整；所述第三旋转轴27同轴的安装在第一、第二和第三旋转轴25,26,28的中间通道位置，在高速旋转的同时可轴向移动，通过安装在中心轴向移动旋转轴27上的双斜面部件实现旋转轴28的偏心位移调整，从而实现线性振动振幅的精确控制调整。如图4(a)和4(b)所示，此时所述第三旋转轴27在辅助伺服电机19的旋转丝杠作用下从第一旋转轴25向第二旋转轴26方向移动，所述第一楔形滑块30和第二楔形滑块32滑动，两个滑块分别从彼此最低处向最高处滑动，在斜面的作用下，使所述凸块沿凹槽的侧壁上升，所述第四旋转轴28带动线性振动连杆17顶升，达到无偏心状态，图4(c)和4(d)所示，所述第三旋转轴27在辅助伺服电机19的旋转丝杠作用下向第一旋转轴25方向移动，此时所述第四旋转轴28带动线性振动连杆17下落，使所述凸块沿凹槽侧壁下降，从而使第四旋转轴28下落并随第一旋转轴和第二旋转轴高速旋转。

图1示出可调偏心距线性振动组件的振动原理图，其中可调偏心距旋转曲轴单元18与线性振动连杆17组成可调偏心距线性振动组件，线性振动连杆17直接与固定有焊件的线性振动滑台15连接；而线性振动滑台15再与储能单元9相连接，这样可调偏心距旋转曲轴单元18高速旋转时通过线性振动连杆17将旋转运动转换为线性振动滑台15的振动往复运动；其中可调偏心距旋转曲轴单元18的偏心距2在曲轴高速旋转同时是可调整的，当可调偏心距旋转曲轴单元18的偏心距2为0时没有振动往复运动输出，此时可调偏心距旋转曲轴单元18高速旋转但线性振动滑台15保持静止没有振动往复运动；当偏心距2为±5mm时所述可调偏心距旋转曲轴单元18高速旋转将带动线性振动连杆17驱动线性振动滑台15进行振幅为±5mm振动往复运动；此时储能单元9将线性振动滑台15振动产生的惯性势能转换储存为弹性势能，在振动往复运动转换方向时不断释放弹性势能以抵消线性振动滑台15惯性力产生的负能量消耗，辅助促进可调偏心距旋转曲轴单元18连接振动单元的往复运动，有效提高振动系统能量利用效率。目前曲轴连杆的旋转振动机构是最为常见的机械式振动结构形式，如汽车发动机及各种振动工程机械中广泛应用曲轴连杆往复运动机构等。但常见的曲轴连杆振动机构中，其旋转曲轴的偏心距是完全固定不变的，因而不能实现变振幅的振动往复运动。

如图5-7所示，所述带可调偏心距旋转曲轴增材用线性摩擦焊装置，采用常用的卧式焊接机床基体，在焊接机床水平框架14上从左至右依次设置有主伺服电机10、惯性旋转轮系统8、旋转曲轴连杆振动单元7和辅助伺服电机19；所述焊接机床垂直框架6的右侧且在所述辅助伺服电机19上部设置有焊件安装工作平台12，所述焊件安装工作平台12上设置有焊接刚性固定夹具13用于固定被焊构件，一顶锻液压驱动单元11抵在焊件安装工作平台12的侧壁上用于推动焊件安装工作平台12。

如图6所示，其中所述主伺服电机10通过主伺服电机离合器23带动所述惯性旋转轮系统8，将主伺服电机转动能量放大以惯性势能方式储存在惯性旋转轮系统8中；然后再通过储能旋转轴同步轮22和曲轴同步轮21，将转动惯性势能传递给曲轴安装箱体20中的旋转曲轴连杆振动单元7的第一旋转轴25，用于带动所述第一旋转轴25和第二旋转轴26旋转，以及通过凸台与凹槽配合施加扭矩带动所述第四旋转轴28高速旋转运动，并带动安装在其内部的第三移动旋转轴27高速旋转。可调偏心距旋转曲轴单元18穿过线性振动连杆17的环形部并在其中旋转、再通过承载轴承与线性振动滑台15连接，这样将转动惯性势能转换为线性振动能量、驱动线性振动滑台15进行往复运动，通过顶锻液压驱动单元11推动焊件安装工作平台12，在焊接刚性固定夹具13上固定被焊构件，然后顶锻在线性振动滑台15的线性振动焊接夹具16上固定的被焊构件端面，通过振动往复运动实现线性摩擦焊工艺过程。

所述第三旋转轴27的端部通过一旋转轴向移动单元24连接辅助伺服电机19，所述旋转轴向移动单元24在旋转的同时可实现轴向移动(图中未画出)；这样通过辅助伺服电机19控制所连接旋转丝杠(图中未画出)的旋转运动，可实现所述第三旋转轴27沿轴向位移的精确控制，再通过第四旋转轴28第一楔形滑块30与第二楔形滑块32配合运动，可实现第四旋转轴28偏心位移的精确调控。其中第四旋转轴28偏心位移Δr、第一楔形滑块30的斜面倾角α与第三旋转轴27的轴向位移d之间具有以下函数关系：Δr＝d×tan(α)；如当斜面角度α＝15°时；调整偏心位移为Δr＝0到±5mm时需要调整的轴向位移d＝0-18.66mm；通过设计加工不同斜面倾角α就可以实现曲轴连杆振动单元的不同振幅范围调整。与目前公开的机械式线性摩擦焊振动单元及LFW设备系统比较(如CN 1709630 A及CN 103153520 A等)，本发明机械振动系统所包括的传动部件最少、传动效率更高及振动往复运动更稳定可靠。

所选择的储能惯性旋转轮系统8由固定在同一中心轴上具有不同直径和质量的旋转轮组成，所述主伺服电机10的功率大小决定着线性摩擦力的高低，如采用75kW伺服电机和厚度60mm及直径700mm质量178kg、直径600mm质量130kg及500mm质量91kg飞轮等组成储能惯性旋转轮系统8，可实现100吨-150吨线性摩擦力的焊接工艺过程。通过单个旋转轮、两个旋转轮及多个旋转轮的组合可形成多种质量等级的惯性势能，以满足不同的“惯性线性摩擦工艺”要求；其原理类似传统的惯性摩擦焊工艺，但在此储能惯性旋转轮系统是与本发明的线性振动系统应用相结合、建立了一种创新的“惯性线性摩擦工艺原理”，这在目前已公开的液压式或机械式LFW设备中都没有涉及这种工艺原理。

本发明的线性摩擦焊装置的关键焊接工艺参数包括：主伺服电机转速范围为600-4500rpm，其对应的曲轴连杆振动单元频率范围为10-75Hz；可调振幅范围为0到±5mm或更高，振动频率低时如30Hz对应大振幅如±5mm或更高，而振动频率高时如50Hz对应小振幅如±3mm或更低；采用主伺服电机驱动振动单元并结合储能惯性旋转轮系统的线性振动摩擦力可达到50-100吨范围；顶锻力可达到100-150吨范围。本发明的线性摩擦焊装置可应用于各种金属材料如钛合金、镍基合金、高强钢及合金钢、铝镁合金及铜合金的线性摩擦焊工艺；采用三维块体金属材料基于拼焊原理可实现金属结构的增材制造工艺。

实例1：采用75kW主伺服驱动电机和厚度60mm及直径700mm质量178kg、直径600mm质量130kg与直径500mm质量91kg三种飞轮组成的储能惯性旋转轮系统，在振动频率为75Hz时振幅为±3mm，可实现80-100吨线性摩擦力、顶锻力为100-150吨的线性摩擦焊接工艺，对接焊钛合金构件截面为10000mm²。

实例2：采用30kW主伺服驱动电机和厚度60mm及直径600mm质量130kg、直径500mm质量91kg与直径400mm质量58kg三种飞轮组成的储能惯性旋转轮系统，在振动频率为35Hz时振幅为±5mm，可实现20-50吨线性摩擦力、顶锻力为50吨的线性摩擦焊接工艺，对接焊镍基合金构件截面为5000mm²。

实例3；采用25kW主伺服驱动电机和厚度60mm及直径600mm质量130kg、直径500mm质量91kg与直径400mm质量58kg三种飞轮组成的储能惯性旋转轮系统，在振动频率为45Hz时振幅为±4mm，对应线性摩擦力为20吨及顶锻力为30吨，可实现长宽厚度为50×30×10mm的三维块体钛合金的拼接焊增材制造工艺，制备各种形状的带加筋条或凸台的钛合金板及框构件。

以上各实施例和具体案例仅用以说明本发明的技术方案，而非是对其的限制，尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，本领域技术人员根据本说明书内容所做出的非本质改进和调整或者替换，均属本发明所要求保护的范围。

Claims (8)

1.一种可调偏心距线性振动组件，其特征在于，包括储能单元(9)、线性振动滑台(15)和旋转曲轴连杆振动单元(7)；其中，所述储能单元(9)用于储存所述线性振动滑台(15)由于惯性力产生的惯性势能并转换为弹性势能，从而辅助旋转曲轴连杆振动单元(7)振动；所述储能单元(9)下端通过支撑杆连接所述线性振动滑台(15)，所述线性振动滑台(15)的端面固接有用于固定被焊构件的线性振动焊接夹具(16)；所述线性振动滑台(15)的下端转动连接所述旋转曲轴连杆振动单元(7)，使所述旋转曲轴连杆振动单元(7)能够驱动所述线性振动滑台(15)做垂直往复运动；

其中，所述旋转曲轴连杆振动单元(7)包括与所述线性振动滑台(15)的下端连接的线性振动连杆(17)和可调偏心距旋转曲轴单元(18)；所述线性振动连杆(17)的下端有环形部用于穿过所述可调偏心距旋转曲轴单元(18)，所述可调偏心距旋转曲轴单元(18)由同轴设置的第一旋转轴(25)，第二旋转轴(26)，第三旋转轴(27)和第四旋转轴(28)组成，所述第四旋转轴(28)穿过所述线性振动连杆(17)的环形部，所述第四旋转轴(28)的两端端部分别卡接所述第一旋转轴(25)和第二旋转轴(26)的端部，第三旋转轴(27)同轴地穿过第二旋转轴(26)及第四旋转轴(28)的轴心并伸入所述第一旋转轴(25)；且所述第四旋转轴(28)设置有轴向的第一通道(33)，所述第一通道的至少部分内壁设置有带倾角的斜面，且所述第三旋转轴(27)的至少部分内壁设置有与所述第一通道(33)的斜面适配且位置对应的斜面；所述第一旋转轴(25)的另一端连接主伺服电机(10)，所述第三旋转轴(27)的末端连接一辅助伺服电机(19)，且所述第四旋转轴(28)的两端端部设置有向外伸出的凸块(2801)，所述第一旋转轴(25)和第二旋转轴(26)的端部具有与所述凸块(2801)的轮廓对应的凹槽；所述凸块(2801)和凹槽配合使第四旋转轴(28)与所述第一旋转轴(25)和第二旋转轴(26)卡接，从而使所述第四旋转轴(28)能够在第一旋转轴(25)和第二旋转轴(26)带动下相对所述线性振动连杆(17)的环形部旋转，以及第三旋转轴(27)在辅助伺服电机(19)的作用下沿轴向位移，推动所述第四旋转轴(28)带动所述线性振动连杆(17)在第一通道(33)的斜面和所述第三旋转轴(27)的斜面的作用下使所述凸块沿凹槽的侧壁上下滑动。

2.根据权利要求1所述可调偏心距线性振动组件，其特征在于，所述第一旋转轴(25)设置有轴向的第二通道(34)，所述第二旋转轴(26)设置有轴向的第三通道(35)，所述第二通道(34)和第三通道(35)的截面轮廓相同；且所述第三旋转轴(27)由第二区段(31)和一体成型设置在所述第二区段(31)两侧的第一区段(36)和第三区段(37)组成，且所述第二区段(31)的至少部分内壁设置有与所述第一通道(33)的斜面适配的带倾角的斜面；所述第一区段(36)和第三区段(37)的截面轮廓分别与所述第二通道(34)和第三通道(35)截面轮廓适配，所述第二区段(31)的内轮廓与所述第四旋转轴(28)的第一通道(33)的轮廓适配；且所述第二区段(31)长度小于所述第四旋转轴(28)的轴向长度从而使所述第三旋转轴(27)的第二区段(31)在第一通道(33)内水平滑动，从而带动第四旋转轴(28)在斜面的作用下沿凹槽的侧壁上下滑动。

3.根据权利要求2所述可调偏心距线性振动组件，其特征在于，所述第四旋转轴(28)的第一通道(33)具有矩形截面；所述第二通道(34)和第三通道(35)具有圆形截面；所述第一旋转轴(25)一端为封闭端，另一端插入所述第四旋转轴(28)的一端，所述第二旋转轴(26)一端插入所述第四旋转轴(28)的另一端，一端为自由端；第三旋转轴(27)从所述第二旋转轴(26)的自由端穿过第二旋转轴(26)抵达所述第一旋转轴(25)的封闭端，且所述第三旋转轴(27)的第二区段(31)具有矩形截面，所述第一区段(36)和第三区段(37)具有圆形截面；而且在所述第二区段(31)的上下两个端面分别安装有具有斜面的第一楔形滑块(30)，且上下端面的第一楔形滑块(30)朝向相反；在第四旋转轴(28)的第一通道(33)的顶部和底部分别安装有具有斜面的第二楔形滑块(32)，且两个第二楔形滑块(32)朝向相反；所述第一楔形滑块(30)和第二楔形滑块(32)为滑动配合连接，用于实现所述第四旋转轴(28)的偏心位移。

4.根据权利要求1所述可调偏心距线性振动组件，其特征在于，所述储能单元(9)为填充压缩气体的高压容器，其端部为活塞，所述活塞与所述支撑杆固定连接，所述储能单元(9)用于将所述线性振动滑台(15)及线性振动焊接夹具(16)和夹持的焊件的质量在线性振动过程中产生的惯性势能转换为弹性势能并存储，随后在线性振动过程中不断释放弹性势能促进振动往复运动。

5.一种包含如权利要求1所述的可调偏心距线性振动组件的线性摩擦焊装置，包括焊接机床垂直框架(6)和焊接机床水平框架(14)，其特征在于，所述焊接机床垂直框架(6)内设置有垂直于所述焊接机床水平框架(14)的可调偏心距线性振动组件，所述可调偏心距线性振动组件包括储能单元(9)、线性振动滑台(15)、和旋转曲轴连杆振动单元(7)；所述储能单元(9)固定在所述焊接机床垂直框架(6)上，在焊接机床水平框架(14)上从左至右依次设置有主伺服电机(10)、惯性旋转轮系统(8)、旋转曲轴连杆振动单元(7)和辅助伺服电机(19)；所述焊接机床垂直框架(6)的一侧且位于所述辅助伺服电机(19)上部设置有平行于焊接机床水平框架(14)的焊件安装工作平台(12)，所述焊件安装工作平台(12)上设置有焊接刚性固定夹具(13)用于固定被焊构件，一顶锻液压驱动单元(11)抵在焊件安装工作平台(12)的侧壁上用于推动焊件安装工作平台(12)；其中所述储能惯性旋转轮系统(8)用于将主伺服电机(10)传送的转动能量传递至所述可调偏心距线性振动组件转换为线性振动能量；所述可调偏心距线性振动组件用于实现线性振动往复运动，所述辅助伺服电机(19)用于推动所述旋转曲轴连杆振动单元(7)中的第三旋转轴(27)，使所述旋转曲轴连杆振动单元(7)上下往复运动调整偏心位移，再配合顶锻液压驱动单元(11)推动焊件安装工作平台(12)从而完成线性摩擦焊工艺过程。

6.如权利要求5所述的线性摩擦焊装置，其特征在于所述储能惯性旋转轮系统(8)由固定在同一中心轴上具有不同直径和质量的旋转轮组成，所述中心轴一端连接所述主伺服电机(10)，另一端连接所述第一旋转轴(25)。

7.如权利要求5所述的线性摩擦焊装置，其特征在于所述主伺服电机(10)转速范围为600-4500rpm，其对应的旋转曲轴连杆振动单元(7)频率范围为10-75Hz，可调振幅范围为0到±5mm。

8.如权利要求5所述的线性摩擦焊装置，其特征在于，所述第四旋转轴(28)偏心位移Δr、第一楔形滑块(30)的斜面倾角α与第三旋转轴(27)的轴向位移d之间具有以下函数关系：Δr＝d×tan(α)，通过加工不同斜面倾角α以实现可调偏心距线性振动组件的不同振幅范围调整。

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