一种仿生木材旋转摩擦焊接装置的制造方法
【专利摘要】一种仿生木材旋转摩擦焊接装置，该装置包括手持式电钻、电钻夹头、U形圆筒、抓握?松手部件、T形顶杆和固定台；抓握?松手部件和T形顶杆安装在U形圆筒内部的中心位置；抓握?松手部件呈喇叭筒状，包括喇叭筒段和直筒段，其内部分别与木榫和T形顶杆相配合；且喇叭筒段沿周向均匀分成至少3个扇形瓣，内部呈仿生锯齿形结构；U形圆筒的内表面设有多个内导向块，喇叭筒段外表面设有多个外导向块，内导向块和外导向块相啮合。该仿生旋转摩擦焊接装置简单合理，能够实现木榫以较大加速度停止旋转，焊后对熔化界面的粘结强度和纤维缠绕程度影响较小。
【专利说明】
一种仿生木材旋转摩擦焊接装置
技术领域
[0001]本发明涉及一种木材旋转摩擦焊接装置，特别涉及一种仿生木材旋转摩擦焊接装置及方法，属于木材摩擦焊接技术领域。
【背景技术】
[0002]木材摩擦焊接是一种高效的、环保的木材之间连接技术。木材摩擦焊接技术在几秒钟内就能完成木材之间的连接，而且不需要任何胶黏剂，是一种没有任何环境污染的可持续绿色木材加工技术。目前，木材摩擦焊接主要分为线性的往复式摩擦焊接技术和木榫的高速旋转摩擦焊接技术。对于木材线性往复式摩擦焊接方法，主要是通过对焊接热塑性塑料的设备进行升级改造，在待焊木材之间施加压力，两块木材之间往复线性运动，在界面摩擦力的作用下，界面温度升高，使木材的木质素、纤维素和半纤维素等聚合物熔化、变形、缠绕等，在保持一定压力的作用下焊接界面聚合物冷却、凝固，完成木材的焊接。
[0003]对于木榫旋转摩擦焊接方法，主要是通过旋转电机带动木榫高速旋转焊入预先留好的直径小于木榫的基材的孔道中。由于过盈配合和高速旋转的作用，木榫和基材界面摩擦产生大量的热量，随温度升高，界面聚合物发生熔化、变形、缠绕等，随着旋转停止，完成木榫和基材间的焊接。旋转电机停机后，在惯性力的作用下，带动木榫还会继续旋转，直至缓慢停止，也就是说，木榫以较小的加速度进行减速。在这个过程中，旋转电机带动木榫缓慢停止，使熔化界面不能良好的粘结，且纤维缠绕程度降低，这严重的降低了焊后焊接界面强度。因此，针对木榫旋转摩擦焊接中存在的问题，亟需开发一种焊后以较大加速度停止旋转，且对界面成分和结构有较低影响的焊接装置。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种仿生木材旋转摩擦焊接装置，使其不仅结构简单，而且可使木榫以较大加速度停止旋转，从而起到焊后对熔化界面的粘结强度和纤维缠绕程度影响较小。
[0005]本发明的技术方案如下:
[0006]—种仿生木材旋转摩擦焊接装置，其特征在于:该装置包括手持式电钻、电钻夹头、U形圆筒、抓握-松手部件、T形顶杆和固定台；U形圆筒安装在电钻夹头上;抓握-松手部件和T形顶杆安装在U形圆筒内部的中心位置;抓握-松手部件包括喇叭筒段和直筒段，喇叭筒段的内部为圆柱形孔，该圆柱形孔表面呈仿生锯齿形结构，与木榫的外表面相配合;直筒段内部为阶梯形圆柱孔，分别与T形顶杆的凸台部分和直杆部分相配合，凸台部分的端部与木榫接触，直杆部分的端部通过螺钉固定在U形圆筒上;U形圆筒的内表面设有多个内导向块，喇叭筒段外表面设有多个外导向块，所述内导向块和外导向块相啮合。
[0007]本发明的技术特征还在于:喇叭筒段沿周向均匀分成至少3个扇形瓣，每个扇形瓣的外表面至少设有一个外导向块。
[0008]本发明的另一技术特征是，所述的抓握-松手部件采用弹簧钢材料。
[0009]本发明技术方案具有以下优点及突出性的技术效果:木榫以最大的加速度停止旋转，使焊接界面熔化区有足够的时间冷却、凝固，能够实现焊后界面最大限度的粘结在一起。同时，焊接过程中，界面纤维发生缠绕，界面部分聚合物熔化，更有利于纤维缠绕，而焊后木榫迅速停止旋转，使最大限度的纤维缠绕冻结在熔化、冷却和凝固的焊接界面中，这两种机理，提高了木榫旋转摩擦焊接界面的强度。
【附图说明】
[0010]图1是本发明提供的仿生木材旋转摩擦焊接装置的正视图。
[0011]图2是本发明的U形圆筒的剖面图。
[0012]图3是本发明的U形圆筒的左视图。
[0013]图4是抓握-松手部件与T形顶杆的安装结构示意图。
[0014]图5是本发明的抓握-松手部件的左视图。
[0015]图中:1-手持式电钻;2-电钻夹头;3-U形圆筒;4-抓握-松手部件;5-T形顶杆;6_螺钉;7-木榫;8-带孔基材;9-固定台；10-内导向块;11-外导向块。
【具体实施方式】
[0016]下面结合附图，对本发明的结构、原理和工作过程做进一步的说明和描述。
[0017]参阅图1所示，本发明提供的装置包括手持式电钻1、电钻夹头2、U形圆筒3、抓握-松手部件4、T形顶杆5和固定台9;U形圆筒3安装在电钻夹头2上;抓握-松手部件4和T形顶杆安装在U形圆筒3内部的中心位置;T形顶杆5包括凸台部分和直杆部分，凸台部分的端部与木榫7接触，直杆部分的端部通过螺钉6固定在U形圆筒3上，带孔基材8固定于固定台9上。
[0018]图2及图3为U形圆筒3的结构示意图，U形圆筒3的一端安装在电钻夹头2上，并通过螺栓6将T形顶杆5固定在其内部的中心位置;U形圆筒3的另一端的内表面均匀设有至少3个内导向块10。
[0019]图4是抓握-松手部件与T形顶杆的安装结构示意图，抓握-松手部件4外部呈喇叭筒状，一般采用弹簧钢材料制作。该部件包括喇叭筒段和直筒段，喇叭筒段外表面设有多个外导向块11，外导向块11与内导向块10啮合;喇叭筒段沿周向均匀分成至少3个扇形瓣，每个扇形瓣的外表面至少设有一个外导向块。喇叭筒段的内部为圆柱形孔，该圆柱形孔表面呈仿生锯齿形结构(如图5所示)，用于与木榫7的外表面相配合;直筒段内部为阶梯形圆柱孔，分别与T形顶杆的凸台部分和直杆部分相配合。
[0020]所述的U形圆筒3，内部表面连接有内导向块10，在焊接过程中，带动并压紧抓握-松手部件4高速旋转并夹紧木榫7，实现抓握-松手部件4的仿生抓握过程。
[0021]所述的抓握-松手部件4，在U形圆筒3的压力下，能够用较大的抓握力迅速夹紧木榫7，使木榫7能够随着手持式电钻I高速旋转，不发生打滑现象。
[0022]所述的T形顶杆5，一是能够顶住木榫7，使其在旋转过程中不发生后移;二是在焊接结束后，U形圆筒3后退后，抓握-松手部件4离开木榫7，一端的凸台带动抓握-松手部件4后退，实现抓握-松手部件4的仿生松手过程。
[0023]本发明的工作过程如下:
[0024]首先向前推动手持式电钻I，使木榫7—端顶到带孔基材8的孔道，另一端顶到T形顶杆的凸台上;开动手持式电钻I，高速旋转电钻夹头2带动U形圆筒3高速旋转，并继续向前推动手持式电钻I，U形圆筒3通过内部的内导向块10和抓握-松手部件4外部表面的外导向块11的啮合，带动抓握-松手部件4开始转动；同时，U形圆筒3作用在抓握-松手部件4外表面的力使内部握紧木榫7，在内部仿生锯齿形表面的作用下使握紧力更大，实现仿生抓握过程;继续向前推动，木榫7焊入到带孔基材8中；待焊接焊入过程结束后，立即向后拉动手持式电钻I，握紧-松手部件4后退，内部仿生锯齿形表面离开木榫7，此时，在T形顶杆5端部的凸台作用下，握紧-松手部件4后退，实现快速仿生松手过程，焊接结束。焊接过程中主要通过调节手持式电钻I的旋转速度和木榫7插入带孔基材8的速度(即手持式电钻I向前推动的速度)控制焊接界面质量。
[0025]木榫旋转焊接过程中，仿照灵长类生物在握住并拿起物体之前能够沿着物体的边缘滑动，抓紧物体;手指同时张开，迅速扔掉物体，基于此过程对抓握-松手部件进行仿生设计。抓握-松手部件在U形圆筒的作用下夹紧木榫，实现仿生抓握过程，进而带动木榫高速旋转，进行焊接。焊接结束后，抓握-松手部件离开木榫，T形顶杆带动抓握-松手部件后退，使木榫迅速停止旋转，实现仿生松手过程。
[0026]抓握-松手部件内表面具有仿蛇皮、螳螂臂和锯齿草等表面的锯齿形结构，具有方向性增大界面接触力的优异特性，使抓握-松手部件对木榫具有较大的抓握力，能够保证在旋转焊接过程中不发生打滑现象。
【主权项】
1.一种仿生木材旋转摩擦焊接装置，其特征在于:该装置包括手持式电钻(I)、电钻夹头(2)、U形圆筒(3)、抓握-松手部件(4)、T形顶杆(5)和固定台(9) ;U形圆筒(3)安装在电钻夹头(2)上;抓握-松手部件(4)和T形顶杆安装在U形圆筒(3)内部的中心位置;抓握-松手部件(4)呈喇叭筒状，包括喇叭筒段和直筒段，喇叭筒段的内部为圆柱形孔，该圆柱形孔表面呈仿生锯齿形结构，与木榫(7)的外表面相配合;直筒段内部为阶梯形圆柱孔，分别与T形顶杆的凸台部分和直杆部分相配合，凸台部分的端部与木榫(7)接触，直杆部分的端部通过螺钉(6)固定在U形圆筒(3)上;U形圆筒(3)的内表面设有多个内导向块(10)，喇叭筒段外表面设有多个外导向块(11)，所述内导向块(10)和外导向块(11)相啮合。2.如权利要求1所述的一种仿生木材旋转摩擦焊接装置，其特征在于:喇叭筒段沿周向均勾分成至少3个扇形瓣，每个扇形瓣的外表面至少设有一个外导向块(11)。3.如权利要求1或2所述的一种仿生木材旋转摩擦焊接装置，其特征在于，所述的抓握-松手部件(4)部件采用弹簧钢材料。
【文档编号】B23K20/12GK106079003SQ201610490785
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月28日
【发明人】田煜, 尹维, 山磊, 郑叶龙, 鲁鸿宇
【申请人】清华大学