CN114178555A - 应用于摩擦增材制造装置的主轴结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种应用于摩擦增材制造装置的主轴结构，包括升降顶杆和旋转料盘，所述旋转料盘的外缘设有多个棱柱状料棒孔，料棒孔内设有料棒，所述应用于摩擦增材制造装置的主轴结构还包括主轴、主轴升降驱动机构和主轴旋转驱动机构，所述主轴包括主轴上段和主轴下段，所述主轴上段和主轴下段之间设有离合器，本发明的有益效果是由于采用上述技术方案，可以使摩擦增材过程中，料棒的轴向压力充足且稳定，可实现料棒的快速上料，料棒的上料过程精准、稳定，增材装置的整体强度更好，稳定性更高。

Description

应用于摩擦增材制造装置的主轴结构

技术领域

本发明涉及固相增材制造技术领域，具体的是一种应用于摩擦增材制造装置的主轴结构。

背景技术

在机械、电子、汽车、航天、航空、军工、交通、建材、能源等行业，其中约60％～80％的零部件需要依靠模具加工成型，因此模具加工亦被称为“工业制造之母”。但由于复杂零部件的需求日益迫切，传统的依靠模具加工的零部件已经无法满足产品的精度要求。而逐渐发展起来的增材制造技术(又称3D打印技术)，由于其具有灵活、高效、节能等特点，被广泛应用于复杂零部件的制造。

增材制造的类型主要包括：熔融沉积快速成型、光固化成型、三维粉末粘接、选择性激光烧结、分层实体制造、无模铸型制造和摩擦增材制造(FSAM)等，其中，摩擦增材制造作为一种固相非熔化增材制造方法，可实现增材件超细晶致密组织、第二相均匀弥散分布的高强高韧化设计，特别适用于诸如铝及铝合金、镁及镁合金、轻质金属复合材料等的制造。

摩擦增材制造的制造方式主要包括三种，以板材为进料的FSAM、沉积损耗式FSAM和以粉末为进料的FSAM，其中，沉积损耗式FSAM的材料利用率高、成型控制性较好、成型件性能优于基材。沉积损耗式FSAM的工作原理是将增材原料设置为柱状的料棒，将料棒垂直抵于基材的表面，通过动力机构使料棒相对于基材旋转，在料棒和基材贴合的表面摩擦生热，使得材料塑性软化，再通过对料棒施加轴向压力，在基材表面进行增材制造。

沉积损耗式FSAM的摩擦增材设备中需要给料棒提供扭矩和轴向压力，料棒的长度有限，在一次增材作业中往往需要用到多根料棒，料棒持续供给对于提高增材制造效率具有重要意义，料棒快速、稳定续接是料棒的持续供给前提，此外，对于多根料棒如何提供稳定且充足的轴向压力是摩擦增材设备设计者需要重点考虑的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种应用于摩擦增材制造装置的主轴结构，可实现摩擦增材制造过程中原料料棒的持续供给，料棒的轴向压力稳定，摩擦增材制造装置的生产效率高，安全性能高，使用寿命长。

本发明的技术方案是：

一种应用于摩擦增材制造装置的主轴结构，包括升降顶杆和旋转料盘，所述旋转料盘的外缘设有多个棱柱状料棒孔，料棒孔内设有料棒，

旋转料盘为圆柱状结构，料棒孔的轴线、升降顶杆的轴线和旋转料盘的轴线相互平行，料棒孔在旋转料盘外缘沿旋转料盘的圆周方向均匀分布，料棒孔轴线到旋转料盘轴线的间距与升降顶杆轴线到旋转料盘轴线的间距相等，通过转动旋转料盘可以使料棒孔的轴线依次与升降顶杆的轴线重合，从而可以使升降顶杆将料棒孔内的料棒推出，升降顶杆由动力机构驱动沿升降顶杆的轴线往复运动。

所述应用于摩擦增材制造装置的主轴结构还包括主轴、主轴升降驱动机构和主轴旋转驱动机构，所述主轴的轴线与升降顶杆的轴线重合，所述主轴的中轴处设有贯穿主轴的轴孔，轴孔与料棒相配合，所述主轴包括主轴上段和主轴下段，所述主轴升降驱动机构驱动主轴上段沿主轴轴线往复运动，主轴旋转驱动机构驱动主轴下段绕主轴轴线转动，主轴上段的下端设有上嵌合块，所述上嵌合块包括上楔形凸起，上嵌合块的中轴处设有与轴孔相配合的上料棒通孔，上嵌合块外套有离合器。

主轴设置于旋转料盘的下侧，当旋转料盘的料棒孔转动至与升降顶杆轴线重合的位置时，升降顶杆可以将料棒孔内的料棒向下顶出，由主轴上段的上端进入轴孔内。

主轴升降驱动机构驱动主轴上段沿主轴轴线往复运动，

主轴旋转驱动机构驱动主轴下段绕主轴轴线转动，

在上述方案中，在离合器的作用下主轴上段和主轴下段可同步转动，主轴上段和主轴下段的轴孔对齐，升降顶杆将料棒推出旋转料盘向主轴内进料，主轴由主轴旋转驱动机构驱动旋转，轴孔为与料棒相配合的棱柱状，主轴带动料棒转动，升降顶杆给料棒轴向的下压力，使料棒伸出主轴下端的部分相对于基材高速转动，在基材上进行摩擦增材。通过升降顶杆对料棒产生的轴向下压力充足且稳定。

所述离合器包括筒状的离合器壳体，离合器壳体的上、下两端分别设有环形的上端盖和下端盖，离合器的轴线与主轴的轴线重合，上端盖和下端盖垂直于主轴的轴线，上端盖和下端盖与离合器壳体固定相连，所述主轴上段与离合器的上端盖滑动相连，主轴上段和离合器之间设有周向限位机构，主轴上段和离合器之间设有驱动离合器向主轴下段滑动的压簧，所述下端盖靠近主轴下段的一侧设有上摩擦片，所述主轴下段的上端设有下嵌合块，所述下嵌合块包括下法兰盘和与上楔形凸起相对应的下楔形凸起，下嵌合块的中轴处设有与轴孔相配合的下料棒通孔，上楔形凸起和下楔形凸起相啮合使上料棒通孔和下料棒通孔相位对齐，所述下法兰盘的外缘设有与上摩擦片相配合的下摩擦片。

具体的，所述上楔形凸起的外周设有上法兰盘，所述上端盖和下端盖之间设有平行于主轴轴线的压簧导向柱，压簧导向柱贯穿上法兰盘并与上法兰盘滑动相连，所述压簧套于上法兰盘和下端盖之间的压簧导向柱上。

压簧导向柱的两端分别与上端盖和下端盖固定相连，压簧导向柱贯穿上法兰盘使主轴上段和离合器之间在主轴上段的周向上形成限位，离合器壳体和主轴上段同步转动。压簧在上法兰盘和下端盖之间被压缩，压簧在舒张的过程中，可以驱动离合器相对于主轴上段向下滑动。

上端盖和下端盖为圆环状，下端盖和离合器壳体一体成型，上端盖通过螺栓与离合器壳体固定相连。

上法兰盘与主轴上段的下端固定相连，上嵌合块的中轴处设有与轴孔相配合的上料棒通孔，上楔形凸起设置于上法兰盘远离主轴上段的一侧；

所述主轴下段的上端与下法兰盘固定相连，下嵌合块的中轴处设有与轴孔相配合的下料棒通孔，下楔形凸起设置于下法兰盘靠近主轴上段的一侧，圆环形的下端盖的中孔允许下楔形凸起通过，上楔形凸起位于离合器壳体内部，下楔形凸起进入离合器壳体与上楔形凸起啮合。

离合器的作用在于实现主轴的连续上料。当主轴内一根料棒用尽时，升降顶杆由轴孔内撤出，升至旋转料盘上方，升降顶杆对料棒的轴向压力解除，主轴升降驱动机构解除对主轴上段的下压力，并带动主轴上段上升，上法兰盘和下端盖之间的压簧舒张，上、下摩擦片之间的压力逐渐减小，直至上法兰盘通过上端盖带动离合器壳体上移，上、下摩擦片分离，主轴上段失去动力，停止转动，主轴下段依然保持转动。

上料时，首先转动旋转料盘，将填充有料棒的料棒孔与主轴的轴线对齐，再转动主轴上段，将主轴上段的轴孔与料棒孔相位对齐，升降顶杆将料棒孔内的料棒压入主轴上段，但未进入主轴下段，主轴升降驱动机构将主轴上段下压，主轴上段带动上嵌合块下压，上嵌合块的上法兰盘下压，上法兰盘和下端盖之间的压簧被压缩，进而带动离合器壳体的下端盖下压，下端盖上的上摩擦片和下法兰盘的下摩擦片接触，主轴下段一直是高速转动的，通过上、下摩擦片的接触，实现主轴上段和主轴下段的同步转动。

上楔形凸起和下楔形凸起为旋转对称结构，由4组楔形单体组成，每组楔形单体包括一个竖面和一个导向斜面，竖面和导向斜面相连形成齿。在上、下摩擦片的作用下，主轴上段和主轴下段逐渐同步转动，主轴升降驱动机构继续驱动主轴上段下压，压簧被进一步压缩，上楔形凸起和下楔形凸起开始接触，上楔形凸起的齿尖处接触下楔形凸起的导向斜面，主轴上段进一步下压，竖面和导向斜面相连的齿尖处沿导向斜面向下滑动，在导向斜面的作用下，主轴上段和主轴下段发生小角度的相对转动，最终使上楔形凸起和下楔形凸起完全啮合成完整的柱状，此时，主轴上段的轴孔、上料棒通孔、下料棒通孔和主轴下段的轴孔完全相位对齐，主轴上段和主轴下段同步转动。升降顶杆继续下压，将料棒由主轴上段压入主轴下段，最后由主轴下段的下端输出，进行旋转增材。

上述方案中，通过离合器可实现在主轴下段不停机的情况下，进行上料操作，可极大的提高了工作效率。上楔形凸起和下楔形凸起使棱柱状的上料棒通孔和下料棒通孔相位对齐，从而保证料棒由主轴上段向主轴下段输送。此外，离合器上还设置了压簧，压簧可在上、下离合器分体接触时，提高主轴上段提速的稳定性，更重要的是，其先将上嵌合块提升至与下嵌合块相近的转速，再进行上楔形凸起和下楔形凸起的啮合动作，防止了在上嵌合块和下嵌合块转速差较高的情况下，上楔形凸起和下楔形凸起啮合过程中剧烈的齿碰撞。

所述旋转料盘通过旋转分度台驱动旋转，所述主轴上端的外周设有棱柱状的下凸缘，具体的，上凸缘设置于主轴上段上端的外周，所述料棒孔的下端设有棱柱状的上凸缘，所述上凸缘的一侧设有楔形块，楔形块通过动力机构驱动沿垂直于主轴轴线方向往复运动。

通过旋转分度台可精确的实现料棒孔和顶杆的轴线对齐，但是，主轴上段减速至停止后，主轴上段的轴孔难以保证与料棒孔相位对齐，在料棒孔和主轴上段的上端设置棱柱状上凸缘和下凸缘可以辅助主轴上段的轴孔与料棒孔相位对齐。上凸缘和下凸缘为与料棒孔和轴孔形状相同的棱柱状，将上凸缘和下凸缘的一个侧边对齐，即可保证轴孔和料棒孔的相位对齐。楔形块的斜边与上凸缘的一个侧边平行，楔形块的斜边推动主轴上段转动，直至下凸缘的一个侧边与楔形块的斜边平行，进而使上凸缘和下凸缘的侧边对齐。

具体的，轴孔和上、下凸缘均为正方形。

所述主轴外套有轴壳，所述主轴上段和主轴下段分别通过轴承与轴壳相连。

轴壳上设有2个通孔分别与主轴升降驱动机构和主轴旋转驱动机构相配合。

所述上端盖上设有下刹车片，轴壳内设有与下刹车片相配合的上刹车片。主轴升降驱动机构将主轴上段升起后，上离合器分体和下离合器分体分离，上、下刹车片接触，使主轴上段迅速降速，减少上料过程中的耗时。

所述主轴升降驱动机构包括升降机构和连杆，连杆的一端与升降机构的活动端相连，连杆的另一端与主轴上段轴承相连。

所述升降机构为电动推杆、液压推杆或丝杠中的任意一种，升降机构设置于轴壳外侧，连杆经壳体上的轴孔与轴壳内的主轴上段轴承相连。

所述主轴旋转驱动机构包括电机，电机的输出轴上设有第一同步带轮，主轴下段设有第二同步带轮，第一同步带轮和第二同步带轮通过同步带相连。电机设置于轴壳外侧，同步带经轴壳上的通孔与第一、第二同步带轮相连。

所述主轴下段的下端设有水冷装置。主轴下段的下端处，料棒与基材高速相对旋转，进而摩擦生热，进行摩擦增材，通过水冷设置，可降低主轴下段的温度，避免了主轴上结构的损坏。

所述料棒孔的截面为正方形，所述上嵌合块和下嵌合块为旋转对称结构，上嵌合块和下嵌合块的旋转角为90°，上楔形凸起和下楔形凸起分别由4个楔形单体组成，每个楔形单体由一个竖面和一个导向斜面组成，相邻的楔形单体的中前一个楔形单体的竖面的底部与后一个楔形单体导向斜面的底部相连，4个楔形单体组成连续的波浪结构。

在本发明另一个可选的方案中，所述主轴上段包括远离主轴下段的圆柱段和靠近主轴下段的棱柱段，棱柱段外套有滑套，滑套内孔为与棱柱段外周相配合的棱柱状，滑套贯穿上端盖并与上端盖滑动相连。圆柱段通过轴承与轴壳相连，棱柱段处通过滑套与离合器壳体相配合。

具体的，滑套的外周面为圆柱面，圆柱面的直径与环形上端盖的中孔直径相配合，滑套外侧与上端盖滑动相连。棱柱段截面为正六边形，滑套内孔的截面为与棱柱段相配合的正六边形，滑套与棱柱段可以轴向滑动，但不能周向相对旋转。主轴升降驱动机构连接于滑套上。

所述上端盖上侧的滑套上固定设有环形外压板，上端盖和外压板之间设有平行于主轴轴线压簧导向柱，压簧导向柱一端与上端盖固定相连，另一端贯穿外压板并与外压板滑动相连，外压板和上端盖之间的压簧导向柱外套有压簧。压簧导向柱在滑套和上端盖之间形成周向限位。主轴上段的棱柱段与滑套周向限位，滑套与离合器的上端盖周向限位，最终使主轴上段与离合器壳体周向限位，实现同步转动。

所述滑套的内侧设有环形的内压板，棱柱段的中部设有与环形内压板中孔相配合的滑槽，滑槽处套有蓄能弹簧，蓄能弹簧的一端与内压板相抵，另一端与滑槽的下槽面相抵。滑槽为棱柱段外周的环形槽，滑槽处棱柱段的周面为圆柱面，内压板的中孔为圆形，内压板与滑槽滑动相连。

所述滑套下侧的主轴上段周面上设有卡槽，所述离合器壳体上设有与卡槽相配合的卡块，所述滑套上设有驱动卡块脱离卡槽的卡块触杆。

具体的，离合器壳体内设有连接架，连接架远离离合器壳体的端部靠近滑套下侧的棱柱段，连接架远离离合器壳体的端部通过铰轴铰接有卡块，卡块为条状，卡块的中部与铰轴转动相连。卡块和铰轴之间设有扭簧，扭簧使卡块的一端抵于棱柱段的周面上，在滑套带动主轴上段相对于离合器轴向滑动时，卡块与棱柱段的周面相对滑动。当卡块滑动至卡槽处时，即可与卡槽嵌合，从而在主轴上段和离合器之间形成轴向限位。当滑套向下滑动时，由于主轴上段和离合器之间被限位，滑套只能相对于主轴上段和离合器向下滑动，卡块触杆接触到卡块远离卡槽的一端，使卡块旋转，进而从卡槽内脱出，主轴上段和离合器之间的轴向限位被解除。

具体的，所述支架为杆状，支架靠近主轴上段的一端设有U形槽，铰轴设置于U形槽内，U形槽的底部到铰轴的间距小于铰轴到卡块端部的间距，上述设置使卡块位于卡槽内时，只能在卡块触杆的作用下单向转动，而不能反向转动，用于承载主轴上段的下行压力。

使用时，主轴升降驱动机构带动滑套下压，滑套通过外压板和压簧驱动离合器壳体下压，使上、下摩擦片接触，主轴上段开始提速，主轴上段和主轴下段的速度差逐渐缩小。在滑套下压的过程中，由于卡块和卡槽的轴向限位，滑套上的内压板和滑槽的下槽面之间的间距逐渐缩小，蓄能弹簧被压缩，滑套相对于主轴上段向下滑动，当滑套继续向下滑动，卡块触杆触及卡块，使卡块绕轴转动，卡块从卡槽内脱出，在蓄能弹簧的作用下，主轴上段加速下行，使主轴上段的上楔形凸起与下楔形凸起快速啮合。

主轴上段的快速下行，使上楔形凸起与下楔形凸起之间即使存在稍大的速度差，上、下楔形凸起可以快速啮合，大大减少了上楔形凸起与下楔形凸起啮合过程的打齿的概率。制造精度要求低、降低成本。长时间工作后，摩擦片磨损、各弹簧疲劳，存在一定误差时仍可正常工作，进一步延长使用寿命长。

本发明具有的优点和积极效果是：由于采用上述技术方案，可以使摩擦增材过程中，料棒的轴向压力充足且稳定，可实现料棒的快速上料，料棒的上料过程精准、稳定，增材装置的整体强度更好，稳定性更高。

附图说明

图1是本发明的结构原理示意图

图2是旋转料盘的结构原理示意图

图3是图1中A处的细节图

图4是主轴的结构原理示意图

图5是实施例1离合器的结构原理示意图

图6是实施例2离合器的结构原理示意图

图7是实施例2滑套与主轴上段的棱柱段的截面示意图

图8是实施例2滑槽处主轴上段的棱柱段与滑套的截面示意图

图中：

1、升降顶杆 2、旋转料盘 3、料棒

4、主轴 5、离合器 6、楔形块

7、轴壳 8、水冷装置 9、基材

21、料棒孔 41、主轴上段 42、主轴下段

43、轴孔 53、滑套 71、上刹车片

211、上凸缘 411、下凸缘 511、离合器壳体

512、上端盖 513、下端盖 514、上嵌合块

515a、压簧 516a、压簧导向柱 515b、压簧

516b、压簧导向柱 517、上摩擦片 521、下法兰盘

522、下楔形凸起 523、下摩擦片 531、外压板

532、滑槽 533、内压板 534、蓄能弹簧

535、卡槽 536、卡块 537、卡块触杆

5121、下刹车片 5141、上法兰盘 5142、上楔形凸起

5221、竖面 5222、导向斜面

具体实施方式

实施例1：

如图1-5所示，本发明：

一种应用于摩擦增材制造装置的主轴结构，包括升降顶杆1和旋转料盘2，所述旋转料盘的外缘设有多个截面为正方形的料棒孔21，料棒孔21内设有截面为正方形的料棒3，升降顶杆1由电动推杆驱动，沿升降顶杆1的轴线方向往复运动，所述应用于摩擦增材制造装置的主轴结构还包括主轴4、主轴升降驱动机构和主轴旋转驱动机构，所述主轴的轴线与升降顶杆1的轴线重合，所述主轴4的中轴处设有贯穿主轴的轴孔43，轴孔的截面为正方形，所述主轴包括主轴上段41和主轴下段42，

主轴升降驱动机构驱动主轴上段沿主轴轴线往复运动，

主轴旋转驱动机构驱动主轴下段绕主轴轴线转动，

主轴上段41的下端设有上嵌合块514，所述上嵌合块包括上楔形凸起5142，上嵌合块5142的中轴处设有与轴孔相配合的上料棒通孔，上嵌合块514外套有离合器5，所述离合器5包括筒状的离合器壳体511，离合器壳体511的上、下两端分别设有环形的上端盖512和下端盖513，上端盖和下端盖与离合器壳体511固定相连，所述主轴上段41与离合器的上端盖512滑动相连，

所述上楔形凸起5142的外周设有上法兰盘5141，所述上端盖和下端盖之间设有平行于主轴轴线的压簧导向柱516a，压簧导向柱贯516穿上法兰盘5141并与上法兰盘滑动相连，所述压簧515a套于上法兰盘5141和下端盖513之间的压簧导向柱516a上。

所述下端盖513靠近主轴下段的一侧设有上摩擦片517，所述主轴下段42的上端设有下嵌合块，所述下嵌合块包括下法兰盘521和与上楔形凸起5142相对应的下楔形凸起522，下嵌合块的中轴处设有与轴孔相配合的下料棒通孔，上楔形凸起和下楔形凸起相啮合使上料棒通孔和下料棒通孔相位对齐，所述下法兰盘521的外缘设有与上摩擦片517相配合的下摩擦片523。

所述旋转料盘2通过旋转分度台驱动旋转，所述主轴上端的外周设有正方形的下凸缘411，所述料棒孔21的下端设有正方形的上凸缘211，所述上凸缘的一侧设有楔形块6，楔形块6通过电动推杆驱动沿垂直于主轴轴线方向往复运动。

所述主轴4外套有轴壳7，所述主轴上段和主轴下段分别通过轴承与轴壳7相连。

所述上端盖512上侧设有下刹车片5121，轴壳内设有与下刹车片相配合的上刹车片71。

所述主轴升降驱动机构包括电动推杆和连杆，连杆的一端与电动推杆的活动端相连，连杆的另一端穿过轴壳与主轴上段轴承相连。

所述主轴旋转驱动机构包括电机，电机的输出轴上设有第一同步带轮，主轴下段设有第二同步带轮，第一同步带轮和第二同步带轮通过同步带相连，轴壳上设有与同步带相配合的通孔。

所述主轴下段的下端设有水冷装置8。

所述上嵌合块和下嵌合块为旋转对称结构，上嵌合块和下嵌合块的旋转角为90°，上楔形凸起5142和下楔形凸起522分别由4个楔形单体组成，每个楔形单体由一个竖面和一个导向斜面组成，相邻的楔形单体的中前一个楔形单体的竖面5221的底部与后一个楔形单体导向斜面5222的底部相连，4个楔形单体组成连续的波浪结构。

本实例的工作过程：

升降顶杆1将料棒3推出旋转料盘2向主轴内进料，主轴4通过主轴旋转驱动机构旋转，主轴带动料棒3转动，升降顶杆1给料棒轴向的下压力，使料棒伸出主轴4下端的部分相对于基材9高速转动，在基材9上进行摩擦增材。

当主轴4内一根料棒3用尽时，升降顶杆1由轴孔43内撤出，升至旋转料盘2上方，升降顶杆1对料棒3的轴向压力解除，主轴旋转升降机构解除对主轴上段41的下压力，并带动主轴上段41上升，上法兰盘5141和下端盖513之间的压簧515a舒张，上、下摩擦片之间的压力逐渐减小，直至上法兰盘5141通过上端盖512带动离合器壳体511上移，上、下摩擦片分离，主轴上段41失去动力，停止转动。

上料时，首先转动旋转料盘2，将填充有料棒的料棒孔21与主轴4的轴线对齐，再转动主轴上段41，将主轴上段的轴孔43与料棒孔21相位对齐，升降顶杆1将料棒孔内的料棒3压入主轴上段41，但未进入主轴下段，主轴升降驱动机构将主轴上段41下压，主轴上段带动上嵌合块下压，上嵌合块的上法兰盘5141下压，上法兰盘5141和下端盖513之间的压簧515a被压缩，进而带动离合器壳体的下端盖513下压，下端盖上的上摩擦片和下法兰盘的下摩擦片接触，主轴下段一直是高速转动的，通过上、下摩擦片的接触，实现主轴上段41和主轴下段42的同步转动。

主轴升降驱动机构继续驱动主轴上段41下压，压簧515a被进一步压缩，上楔形凸起5142和下楔形凸起522开始接触，竖面5221和导向斜面5222相连的夹角处接触导向斜面，主轴上段41进一步下压，竖面和导向斜面相连的夹角处沿导向斜面向下滑动，同时主轴上段41和主轴下段42发生小角度的相对转动，最终使上楔形凸起和下楔形凸起完全啮合成完整的柱状，此时，主轴上段的轴孔、上料棒通孔、下料棒通孔和主轴下段的轴孔完全相位对齐，主轴上段和主轴下段同步转动。升降顶杆1继续下压，将料棒3由主轴上段41压入主轴下段42，最后由主轴下段42的下端输出，进行旋转增材。

实施例2：

实施例2与实施例1的区别在于离合器5的结构。

所述上端盖512处的主轴上段外侧套有滑套53，滑套53外侧与上端盖512滑动相连，滑套53内侧与主轴上段41滑动相连，主轴升降驱动机构连接于滑套53上。所述滑套53外固定设有环形外压板531，所述上端盖512的上侧设有平行于主轴轴线的压簧导向柱516b，压簧导向柱516b的下端与上端盖512相连，压簧导向柱516b的上端贯穿外压板531并与外压板531滑动相连，压簧515b导向柱516b在滑套53和上端盖512之间形成周向限位。外压板531和上端盖512之间压簧515b导向柱516b外套有压簧515b，压簧515b的两端分别与外压板531和上端盖512固定相连，所述滑套53内侧的主轴上段的周面上设有滑槽532，滑套53内侧面上设有套于滑槽532的环形内压板533，棱柱状的滑套内孔与主轴上段的棱柱段在主轴上段和滑套53之间形成周向限位，通过滑套内孔与棱柱段相配合的棱柱结构和压簧导向柱516b，最终在离合器壳体511和主轴上段41之间形成周向限位。

内压板533和滑槽532的下槽面之间设有蓄能弹簧534，蓄能弹簧534的上下两端分别与内压板533和滑槽532固定相连，所述滑套53下侧的主轴上段周面上设有卡槽535，所述离合器壳体511上设有与卡槽535相配合的卡块536，所述滑套53上设有驱动卡块536脱离卡槽535的卡块触杆537。

具体的，离合器壳体511内设有连接架，连接架由离合器壳体内壁指向主轴上段，连接架远离离合器壳体511的端部靠近滑套53下侧的主轴上段，连接架远离离合器壳体的端部通过铰轴铰接有卡块536，卡块536为条状，卡块536的中部与铰轴转动相连。卡块536和铰轴之间设有扭簧，使卡块536的一端抵于主轴上段的周面上，在主轴上段41相对于离合器5滑动时，卡块536与主轴上段41的周面相对滑动。当卡块滑动至卡槽535处时，即可与卡槽535嵌合，从而在主轴上段41和离合器5之间形成轴向限位。当滑套53相对于主轴上段41向下滑动时，卡块触杆537接触到卡块536远离卡槽535的一端，使卡块536旋转，进而从卡槽535内脱出，主轴上段41和离合器5之间的轴向限位被解除。

使用时，主轴升降驱动机构带动滑套53下压，滑套53通过外压板531和压簧515b驱动离合器壳体511下压，使上、下摩擦片接触，主轴上段41开始提速，主轴上段41和主轴下段42的速度差逐渐缩小。在滑套53下压的过程中，由于卡块536和卡槽535的轴线限位，滑套53上的内压板533和滑槽536的下槽面之间的间距逐渐缩小，蓄能弹簧534被压缩，滑套53相对于主轴上段向下滑动，当滑套53继续向下滑动，卡块触杆537触及卡块536，卡块536从卡槽535内脱出，在蓄能弹簧534的作用下，主轴上段41具有很大的下行加速度，使主轴上段的上楔形凸起5142与下楔形凸起522快速啮合。

上楔形凸起5142与下楔形凸起522的分离过程：

主轴升降驱动机构带动滑套53上移，外压板531和上端盖512之间的压簧515b舒张，滑套53相对于离合器壳体511上移，滑套53通过蓄能弹簧534带动主轴上段41相对于离合器壳体511上移，在扭簧的作用下，卡块536重新嵌入卡槽535内，主轴上段41上移即带动上楔形凸起5142与下楔形凸起522分离。

以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (10)

1.一种应用于摩擦增材制造装置的主轴结构，包括升降顶杆和旋转料盘，所述旋转料盘的外缘设有多个棱柱状料棒孔，料棒孔内设有料棒，其特征在于：所述应用于摩擦增材制造装置的主轴结构还包括主轴、主轴升降驱动机构和主轴旋转驱动机构，所述主轴的轴线与升降顶杆的轴线重合，所述主轴的中轴处设有贯穿主轴的轴孔，轴孔与料棒相配合，所述主轴包括主轴上段和主轴下段，所述主轴升降驱动机构驱动主轴上段沿主轴轴线往复运动，主轴旋转驱动机构驱动主轴下段绕主轴轴线转动，主轴上段的下端设有上嵌合块，所述上嵌合块包括上楔形凸起，上嵌合块的中轴处设有与轴孔相配合的上料棒通孔，上嵌合块外套有离合器，所述离合器包括筒状的离合器壳体，离合器壳体的上、下两端分别设有环形的上端盖和下端盖，上端盖和下端盖与离合器壳体固定相连，所述主轴上段与离合器的上端盖滑动相连，主轴上段和离合器之间设有周向限位机构，主轴上段和离合器之间设有驱动离合器向主轴下段滑动的压簧，所述下端盖靠近主轴下段的一侧设有上摩擦片，所述主轴下段的上端设有下嵌合块，所述下嵌合块包括下法兰盘和与上楔形凸起相对应的下楔形凸起，下嵌合块的中轴处设有与轴孔相配合的下料棒通孔，上楔形凸起和下楔形凸起相啮合使上料棒通孔和下料棒通孔相位对齐，所述下法兰盘的外缘设有与上摩擦片相配合的下摩擦片。

2.根据权利要求1所述的应用于摩擦增材制造装置的主轴结构，其特征在于：所述上楔形凸起的外周设有上法兰盘，所述上端盖和下端盖之间设有平行于主轴轴线的压簧导向柱，压簧导向柱贯穿上法兰盘并与上法兰盘滑动相连，所述压簧套于上法兰盘和下端盖之间的压簧导向柱上。

3.根据权利要求1所述的应用于摩擦增材制造装置的主轴结构，其特征在于：所述主轴上段包括远离主轴下段的圆柱段和靠近主轴下段的棱柱段，棱柱段外套有滑套，滑套内孔为与棱柱段外周相配合的棱柱状，滑套贯穿上端盖并与上端盖滑动相连，所述上端盖上侧的滑套上固定设有环形外压板，上端盖和外压板之间设有平行于主轴轴线压簧导向柱，压簧导向柱一端与上端盖固定相连，另一端贯穿外压板并与外压板滑动相连，外压板和上端盖之间的压簧导向柱外套有压簧，所述滑套的内侧设有环形的内压板，棱柱段的中部设有与环形内压板中孔相配合的滑槽，滑槽处的棱柱段外侧套有蓄能弹簧，蓄能弹簧的一端与内压板相抵，另一端与滑槽的下槽面相抵，所述滑套下侧的主轴上段周面上设有卡槽，所述离合器壳体上设有与卡槽相配合的卡块，所述滑套上设有驱动卡块脱离卡槽的卡块触杆。

4.根据权利要求1所述的应用于摩擦增材制造装置的主轴结构，其特征在于：所述旋转料盘通过旋转分度台驱动旋转，所述主轴上端的外周设有棱柱状的下凸缘，所述料棒孔的下端设有棱柱状的上凸缘，所述上凸缘的一侧设有楔形块，楔形块通过动力机构驱动沿垂直于主轴轴线方向往复运动。

5.根据权利要求1所述的应用于摩擦增材制造装置的主轴结构，其特征在于：所述主轴外套有轴壳，所述主轴上段和主轴下段分别通过轴承与轴壳相连。

6.根据权利要求5所述的应用于摩擦增材制造装置的主轴结构，其特征在于：所述上端盖上设有下刹车片，轴壳内设有与下刹车片相配合的上刹车片。

7.根据权利要求1所述的应用于摩擦增材制造装置的主轴结构，其特征在于：所述主轴升降驱动机构包括升降机构和连杆，连杆的一端与升降机构的活动端相连，连杆的另一端与主轴上段轴承相连。

8.根据权利要求1所述的应用于摩擦增材制造装置的主轴结构，其特征在于：所述主轴旋转驱动机构包括电机，电机的输出轴上设有第一同步带轮，主轴下段设有第二同步带轮，第一同步带轮和第二同步带轮通过同步带相连。

9.根据权利要求1所述的应用于摩擦增材制造装置的主轴结构，其特征在于：所述主轴下段的下端设有水冷装置。

10.根据权利要求1所述的应用于摩擦增材制造装置的主轴结构，其特征在于：所述料棒孔的截面为正n边形，所述上嵌合块和下嵌合块为旋转对称结构，上嵌合块和下嵌合块的旋转角为360°/n。

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