专利名称：可回抽搅拌摩擦焊主轴头的制作方法
技术领域：
本实用新型属于焊接技术，涉及对搅拌摩擦焊机的改进。
背景技术：
搅拌摩擦焊是一种新型的焊接方法。这种焊接装置中，直接参与焊缝成型的部分称作搅拌头，参见图1，它由两部分组成搅拌针1和轴肩2。通常情况下，搅拌针与轴肩是一体的。其缺点是搅拌摩擦焊焊接完成后，搅拌头离开焊缝时会在焊缝上留下一个凹坑，称作匙孔，如图1所示。随着焊接件厚度增加，匙孔更加明显，匙孔的存在不仅影响了焊缝的美观，也会在一定程度上影响焊缝性能。在许多应用领域都需要消除搅拌摩擦焊工艺中的匙孔。为了消除匙孔，通常采取一些工艺措施。对于直线焊缝，可以在焊缝末端增加一块金属，称作引焊板。将焊缝延长到引焊板上，使匙孔遗留在引焊板上，焊后将引焊板切除，从而消除匙孔。对于平面曲线及空间曲线焊缝，采用引焊板的方法比较难于实现，因此常常采用手工补焊方法。但是手工补焊既增加了工序，补焊点也会影响焊缝外观和性能。如果将搅拌针与轴肩分离，并将控制系统与搅拌针相连，以控制搅拌针的伸缩，就可以使匙孔问题得到妥善解决。在美国专利5.697.544中，用液压方式来驱动搅拌针，因主轴转速较高，且主轴尺寸较大，回转密封磨损快，容易渗漏，油液滴在搅拌摩擦焊缝上有燃烧的可能性，影响生产安全。此外，这种结构十分复杂，产品成本高。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种用于搅拌摩擦焊机的、通过机械驱动控制搅拌针回抽的主轴头，在搅拌摩擦焊焊接过程中自动消除匙孔，保证焊接的高质量和生产过程的安全。此外，简化结构，降低产品成本。
本实用新型的技术方案是一种可回抽搅拌摩擦焊主轴头，包括一个带有贯通内腔的壳体21，在壳体21内通过两个轴承30安装着一根带有贯通内孔的主轴3，带有中心孔的端盖29将壳体21的前端口封盖，主轴3的前部从端盖29的中心孔伸出，主轴3的前端是直径较小的轴肩2，搅拌针1位于主轴3中心孔的前端，与轴肩2的中心孔保持很小的间隙，搅拌针1的前端面可以伸出轴肩的前端面一定距离，在壳体21的后端固定着电机11，其输出轴伸进壳体21内腔与主轴3的后端通过键连接，其特征在于，(1)在壳体21内腔的后部有一个滑套腔31，该腔体的一部分侧壁沿径向延展形成一个截面为矩形的驱动腔30，在滑套腔31与驱动腔30相对的侧壁上有一个平行于主轴3轴线的槽孔32；(2)在主轴3位于滑套腔31的部位有一个沿直径贯通的、平行于轴线的槽孔33，在主轴3的内孔中有一个拉杆4，它的前端与搅拌针1牢固连接，它的后端与槽孔33对应的位置有一个沿直径贯通的销孔，有一个滑套19，它是一个带有矩形截面环形槽26的套筒，它的内径与主轴3的外径滑配合，在环形槽26的一侧有沿直径贯通的销孔，滑套19套在主轴3上，销轴20穿在环形槽26的销孔、主轴3的槽孔33和拉杆4的销孔中，将三者结合成可相对轴向移动的连接形式；(3)有一个拨叉8，由拨叉柄23和两个拨叉臂25组成，拨叉柄上有一个铰链孔，铰链轴9将拨叉8连接到铰链座34上，铰链座固定在滑套腔31与驱动腔30交界处的壳体上，拨叉柄23位于驱动腔30内，拨叉柄23的下端面上有扇形齿，与安装在驱动腔30内的齿轮7啮合，齿轮7通过键与一个变速箱6的输出轴连接，变速箱6的输入轴与固定在驱动腔30外壳上的伺服电机5的驱动轴连接，每个拨叉臂25的上端头内侧通过轴22安装着一个轴承10，拨叉臂25位于滑套19的两侧，两个轴承10位于滑套19的环形槽26中；(4)在壳体21上槽孔32的部位固定着一个位移测量机构，它由安装平台12、位移传感器13、轴承14、连杆17、滑块16、两个限位开关15和导轨18组成，滑块16受滑轨的导向可沿轴向移动，滑块16的一个侧面与固定在平台12上的位移传感器13的测头接触，滑块16的上部两侧固定着两个限位开关15，滑块16的下端面与连杆17连接，连杆17通过槽孔32伸进滑套腔31内，轴承14固定在连杆17的下端，并位于滑套19的环形槽26中。导轨18用螺钉37，位移传感器13用螺钉38固定在平台12上，限位开关15用螺母36固定在支架35上。
本实用新型的优点是采用机械传动回抽搅拌针，避免了液压式漏油带来的危害。结构简单，成本低。通过闭环控制，搅拌针的回抽位移精度高。
图1是搅拌摩擦焊形成匙孔示意图。
图2是本实用新型主轴头结构示意图。
图3是拨叉8的结构示意图。
图4是滑套19的结构示意图。
图5是位移测量机构的结构示意图。
具体实施方式
下面对本实用新型做进一步详细说明。参见图2，为了便于说明，规定图中左方为主轴头的前方，右方为后方。本实用新型主轴头包括一个带有贯通内腔的壳体21，在壳体21内通过两个轴承30安装着一根带有贯通内孔的主轴3，带有中心孔的端盖29将壳体21的前端口封盖。主轴3的前部从端盖29的中心孔伸出，主轴3的前端是直径较小的轴肩2，搅拌针1位于主轴3中心孔的前端，与轴肩2的中心孔保持很小的间隙，以便即能保证搅拌针1沿轴向移动，又能防止焊接过程中焊缝金属被挤进搅拌针1与轴肩2之间的缝隙中。轴肩与搅拌针之间的配合间隙很小，在搅拌针直径为φ3-φ30时，轴肩与搅拌针之间的配合间隙仅为0.003-0.005mm之间。搅拌针1的前端面可以伸出轴肩的前端面一定距离，即图2中，搅拌针端面A与轴肩端面B之间的距离，这个距离随搅拌针1的移动而改变。改变搅拌针的伸出量，可以实现不同厚度工件的焊接。在壳体21的后端固定着电机11，其输出轴伸进壳体21内腔与主轴3的后端通过键连接，为主轴3提供驱动力。本实用新型的改进在于以下结构(1)壳体的改变。在壳体21内腔的后部有一个滑套腔31，该腔体的一部分侧壁沿径向延展形成一个截面为矩形的驱动腔30，在滑套腔31与驱动腔30相对的侧壁上有一个平行于主轴3轴线的槽孔32。
(2)搅拌针1的旋转驱动。参见图2、4，在主轴3位于滑套腔31的部位有一个沿直径贯通的、平行于轴线的槽孔33。在主轴3的内孔中有一个拉杆4，它的前端与搅拌针1牢固连接，它的后端与槽孔33对应的位置有一个沿直径贯通的销孔。有一个滑套19，它是一个带有矩形截面环形槽26的套筒，它的内径与主轴3的外径滑配合，在环形槽26的一侧有沿直径贯通的销孔，滑套19套在主轴3上，销轴20穿在环形槽26的销孔、主轴3的槽孔33和拉杆4的销孔中，将三者结合成可相对轴向移动的连接形式。参见图4，为了便于加工装配，所说的销轴20由轴28和螺钉27组成，轴28的两端有沿轴向的螺纹孔，螺钉27拧在该螺纹孔中。滑套19是一个重要的连接部件，它的内表面3跟主轴的外表面配合，并能在外表面上滑动。当电机11驱动主轴3旋转时，通过销轴20带动滑套19和拉杆4转动，从而带动搅拌针1旋转。驱动电机11为可变速电机，以便根据被焊零件的厚度改变搅拌头的旋转速度，一般在500～1500r/min范围内，变速电机的功率通常小于30kW，可以对厚度为50mm以内的铝合金零部件进行焊接。
(3)搅拌针1的轴向运动。搅拌针1在主轴3的中心，并随主轴3旋转。主轴3的另一端与驱动电机11直接相连，这种布局可以使机械结构更紧凑。在这种封闭的结构中，要使搅拌针1移动是比较困难的。本实用新型采用如下机构实现搅拌针1的轴向运动。参见图2、3，有一个拨叉8，由拨叉柄23和两个拨叉臂25组成，拨叉柄23上有一个铰链孔，铰链轴9将拨叉8连接到铰链座34上，铰链座固定在滑套腔31与驱动腔30交界处的壳体上。拨叉柄23位于驱动腔30内，拨叉柄23的下端面上有扇形齿，与安装在驱动腔30内的齿轮7啮合。齿轮7通过键与一个变速箱6的输出轴连接，变速箱6的输入轴与固定在驱动腔30外壳上的伺服电机5的驱动轴连接。每个拨叉臂25的上端头内侧通过轴22安装着一个轴承10，拨叉臂25位于滑套19的两侧，两个轴承10位于滑套19的环形槽26中。
滑套19在移动搅拌针1的过程中起到了重要作用，它可以在销轴20的带动下随主轴3旋转，并可以沿主轴轴向往复运动，从而带动搅拌针1的轴向运动。搅拌针1的伺服驱动过程如下伺服电机5通过变速箱6、齿轮7、拨叉柄23上的扇形齿、拨叉臂25上的轴承10拨动滑块19轴向移动。轴承10在滑块19的驱动下旋转，减小了与环形槽26槽壁的摩擦。伺服电机5可使搅拌针1的伸缩实现无级变速，移动速度范围在20～150mm/min之间。回抽速度过快将使焊缝变得疏松，伺服电机5通过变速箱6降低转速、增大力矩，并通过扇形齿轮将驱动力矩转换为轴向力以克服搅拌针1与焊缝材料的摩擦力和搅拌针1与轴肩2内孔的摩擦力。搅拌针1伸缩的驱动力为200～400N，搅拌针1在回抽时受到焊缝向上的推力，这对搅拌针1回抽是有利的。
(4)搅拌针1的位移量控制。搅拌摩擦焊焊接过程中，搅拌针1插入到接头中，由于轴肩2直径大于搅拌针1的直径，且紧贴于焊缝表面，所以搅拌摩擦焊焊接过程的可视性比较差。搅拌针1的工作长度即伸出量会影响焊缝深度，并进而影响焊接质量和生产效率。但是搅拌针1的回抽过程无法凭肉眼观察，无法在焊接过程中测量搅拌针1的伸出量和回抽量。因此需要高精度的控制系统，控制搅拌针的位置和移动。为了测量搅拌针1的位移量，在壳体21上槽孔32的部位固定着一个位移测量机构，参见图2、5，它由平台12、位移传感器13、轴承14、连杆17、滑块16、两个限位开关15和导轨18组成，滑块16受滑轨的导向可沿轴向移动，滑块16的一个侧面与固定在平台12上的位移传感器13的测头接触，滑块16的上部两侧固定着两个限位开关15，滑块16的下端面与连杆17连接，连杆17通过槽孔32伸进滑套腔31内，轴承14固定在连杆17的下端，并位于滑套19的环形槽26中。导轨18用螺钉37，位移传感器13用螺钉38固定在平台12上，限位开关15用螺母36固定在支架35上。滑块16的位移量即搅拌针1的位移量，位移传感器13感受到滑块16的位移量以后，输入一个数字化闭环控制电路控制搅拌针的伸缩过程，该控制电路解算出搅拌针1的当前位置，并与预先输入的预期位置进行比较，通过控制伺服电机5的正反转动对搅拌针1的位置进行调整，直至符合预定的位置要求。该控制电路可以精确控制搅拌针1的伸缩量，其精度可以达到±0.005mm。由于采用了闭环控制方式，本实用新型可以成功消除传动间隙对伸缩量的影响。
搅拌针1回抽极限位置的控制是通过限位开关15来控制的。拨叉8是一个带有扇形齿的零件，在搅拌针1伸缩过程中，拨叉8只在一定角度范围内摆动，其摆动幅度通过限位开关15设定，当摆动到极限位置时，滑块16触发某个限位开关15，发出关闭信号，经控制电路传至伺服电机5使其停止转动。
权利要求1.一种可回抽搅拌摩擦焊主轴头，包括一个带有贯通内腔的壳体[21]，在壳体[21]内通过两个轴承[30]安装着一根带有贯通内孔的主轴[3]，带有中心孔的端盖[29]将壳体[21]的前端口封盖，主轴[3]的前部从端盖[29]的中心孔伸出，主轴[3]的前端是直径较小的轴肩[2]，搅拌针[1]位于主轴[3]中心孔的前端，与轴肩[2]的中心孔保持很小的间隙，搅拌针[1]的前端面可以伸出轴肩的前端面一定距离，在壳体[21]的后端固定着电机[11]，其输出轴伸进壳体[21]内腔与主轴[3]的后端通过键连接，其特征在于，(1)在壳体[21]内腔的后部有一个滑套腔[31]，该腔体的一部分侧壁沿径向延展形成一个截面为矩形的驱动腔[30]，在滑套腔[31]与驱动腔[30]相对的侧壁上有一个平行于主轴[3]轴线的槽孔[32]；(2)在主轴[3]位于滑套腔[31]的部位有一个沿直径贯通的、平行于轴线的槽孔[33]，在主轴[3]的内孔中有一个拉杆[4]，它的前端与搅拌针[1]牢固连接，它的后端与槽孔[33]对应的位置有一个沿直径贯通的销孔，有一个滑套[19]，它是一个带有矩形截面环形槽[26]的套筒，它的内径与主轴[3]的外径滑配合，在环形槽[26]的一侧有沿直径贯通的销孔，滑套[19]套在主轴[3]上，销轴[20]穿在环形槽[26]的销孔、主轴[3]的槽孔[33]和拉杆[4]的销孔中，将三者结合成可相对轴向移动的连接形式；(3)有一个拨叉[8]，由拨叉柄[23]和两个拨叉臂[25]组成，拨叉柄上有一个铰链孔，铰链轴[9]将拨叉[8]连接到铰链座[34]上，铰链座固定在滑套腔[31]与驱动腔[30]交界处的壳体上，拨叉柄[23]位于驱动腔[30]内，拨叉柄[23]的下端面上有扇形齿，与安装在驱动腔[30]内的齿轮[7]啮合，齿轮[7]通过键与一个变速箱[6]的输出轴连接，变速箱[6]的输入轴与固定在驱动腔[30]外壳上的伺服电机[5]的驱动轴连接，每个拨叉臂[25]的上端头内侧通过轴[22]安装着一个轴承[10]，拨叉臂[25]位于滑套[19]的两侧，两个轴承[10]位于滑套[19]的环形槽[26]中；(4)在壳体[21]上槽孔[32]的部位固定着一个位移测量机构，它由安装平台[12]、位移传感器[13]、轴承[14]、连杆[17]、滑块[16]、两个限位开关[15]和导轨[18]组成，滑块[16]受滑轨的导向可沿轴向移动，滑块[16]的一个侧面与位移传感器[13]的测头接触，滑块[16]的上部两侧有两个金属感应块E、D，当E、D随滑块运动靠近限位开关[15]时，限位开关便发出信号，滑块[16]的下端面与连杆[17]连接，连杆[17]通过槽孔[32]伸进滑套腔[31]内，轴承[14]固定在连杆[17]的下端，并位于滑套[19]的环形槽[26]中，导轨[18]用螺钉[37]，位移传感器[13]用螺钉[38]固定在平台[12]上，限位开关[15]用螺母[36]固定在支架[35]上。
2.根据权利要求1所述的搅拌摩擦焊主轴头，其特征在于，所说的销轴[20]由轴[28]和螺钉[27]组成，轴[28]的两端有沿轴向的螺纹孔，螺钉[27]拧在该螺纹孔中。
专利摘要本实用新型属于焊接技术，涉及对搅拌摩擦焊机的改进。它包括壳体21、主轴3、搅拌针1和电机11，其特征在于，在壳体21后部有滑套腔31和驱动腔30；在主轴3上有槽孔33，在主轴3的内孔中有拉杆4，它的前端与搅拌针1连接，后端有一个销孔，滑套19套在主轴3上，销轴20将主轴3、拉杆4和滑套19结合成可相对轴向移动的连接形式；有一个拨叉8，其下端通过齿轮7、变速箱6与伺服电机5连接，拨叉臂25的上端通过轴22与滑套19连接；在壳体21上槽孔32的部位固定着一个位移测量机构。本实用新型采用机械传动回抽搅拌针，避免了液压式漏油带来的危害。结构简单，成本低。通过闭环控制，搅拌针的回抽位移精度高。
文档编号B23K20/12GK2675320SQ20042000340
公开日2005年2月2日 申请日期2004年2月9日 优先权日2004年2月9日
发明者王方国 申请人:中国航空工业第一集团公司北京航空制造工程研究所