一种多功能搅拌摩擦焊机的制作方法

本发明涉及机加工领域，具体涉及一种多功能搅拌摩擦焊机。

背景技术：

搅拌摩擦焊工艺是自激光焊接问世以来最引人注目的焊接方法。它的出现将使铝合金等有色金属的连接技术发生重大变革，用搅拌摩擦焊方法焊接铝合金取得了很好的效果。

搅拌摩擦焊方法与常规摩擦焊一样，搅拌摩擦焊也是利用摩擦热与塑性变形热作为焊接热源，不同之处在于搅拌摩擦焊焊接过程是由一个圆柱体或其他形状(如带螺纹圆柱体)的搅拌针伸入到工件的接缝处，通过焊头的高速旋转，使其与焊接工件材料摩擦，从而使连接部位的材料温度升高软化，同时对材料进行搅拌摩擦来完成焊接的。在焊接过程中工件要刚性固定在背垫上，焊头边高速旋转，边沿工件的接缝与工件相对移动，焊头的突出段伸进材料内部进行摩擦和搅拌，焊头的肩部与工件表面摩擦生热，并用于防止塑性状态材料的溢出，同时可以起到清除表面氧化膜的作用。

在焊接过程中，搅拌针在旋转的同时伸入工件的接缝中，旋转搅拌头(主要是轴肩)与工件之间的摩擦热，使焊头前面的材料发生强烈塑性变形，然后随着焊头的移动，高度塑性变形的材料逐渐沉积在搅拌头的背后，从而形成搅拌摩擦焊焊缝。

搅拌摩擦焊接技术虽然是一项非常好的冷焊接技术，可用于焊接铝合金等材料。但是，搅拌摩擦焊接需要的扭矩非常大，旋转速度高，而且焊接深度(板材厚度)越大，焊接头需要的扭力也就越大。因此，大功率动力系统对于搅拌摩擦焊接来说非常重要，但是动力系统功率越大，设备越大，成本也就越高，而且功能单一。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供了一种多功能搅拌摩擦焊机，用于解决现有技术中搅拌摩擦焊机的体型大、功能单一的问题。

为此，根据本发明的实施例，该多功能搅拌摩擦焊机包括：

机架；

加工结构，所述加工结构安装在所述机架上，其至少能够输出用于对待加工工件进行搅拌摩擦焊接加工和/或旋转机械加工的旋转运动；及

驱动结构，所述驱动结构安装在所述机架上，所述驱动结构用于改变所述加工结构与所述待加工工件的相对位置，使得所述加工结构能够对所述待加工工件进行加工。

作为所述多功能搅拌摩擦焊机的进一步可选方案，所述旋转机械加工包括铣削、钻孔或镗孔。

作为所述多功能搅拌摩擦焊机的进一步可选方案，所述驱动结构包括能够输出沿第一方向往复运动的第一驱动机构，所述机架包括用于放置待加工工件的加工平台，所述加工平台安装在所述第一驱动机构上。

作为所述多功能搅拌摩擦焊机的进一步可选方案，所述驱动结构包括能够输出沿第二方向往复运动的第二驱动机构，所述机架包括支撑架，所述第二驱动机构安装在所述支撑架上，所述加工结构安装在所述第二驱动机构上。

作为所述多功能搅拌摩擦焊机的进一步可选方案，所述驱动结构包括能够输出沿第三方向往复运动的第三驱动机构，所述第三驱动机构安装在所述支撑架上，所述第二驱动机构安装在所述第三驱动机构上。

作为所述多功能搅拌摩擦焊机的进一步可选方案，所述第一方向、所述第二方向和所述第三方向彼此两两垂直。

作为所述多功能搅拌摩擦焊机的进一步可选方案，所述驱动结构还包括旋转驱动机构，所述旋转驱动机构安装在所述第三驱动机构上，所述第二驱动机构安装在所述旋转驱动机构上，所述旋转驱动机构用于输出摆转运动，使得所述加工结构能够在预设角度范围内进行摆动。

作为所述多功能搅拌摩擦焊机的进一步可选方案，所述加工结构包括液压系统、主轴、夹具及加工刀具，所述液压系统用于产生下压所述主轴的下压力和驱使所述主轴转动的转动力，所述夹具安装在所述主轴上，所述加工刀具安装在所述夹具上。

作为所述多功能搅拌摩擦焊机的进一步可选方案，所述液压系统包括依次连接的油箱、液压泵、电磁阀、液压马达、第一溢流阀及第二溢流阀，所述第一溢流阀连接有压力表，所述第二溢流阀连接有蓄能器。

作为所述多功能搅拌摩擦焊机的进一步可选方案，所述液压系统还包括抗冲击阀，所述抗冲击阀内设有可移动的活塞，所述活塞的两端开设有小节流孔，所述小节流孔分别连接到所述液压马达的两端。

本发明的有益效果：

依据以上实施例中的多功能搅拌摩擦焊机，由于加工结构能够输出旋转运动，该加工结构能够对待加工工件进行搅拌摩擦焊接加工和/或旋转机械加工，同时驱动结构能够改变加工结构与待加工工件的相对位置，使得加工结构能够方便对待加工工件进行相应的加工。本申请兼具搅拌摩擦焊接加工和旋转机械加工功能，使得在同一机器上能够实现对待加工工件的多种加工，能够实现在机器体型不变的条件下，扩展机器的功能，换言之，能够使得机器更加紧凑且功能多样化。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了根据本发明实施例所提供的一种多功能搅拌摩擦焊机的结构示意图；

图2示出了根据本发明实施例所提供的一种多功能搅拌摩擦焊机的另一角度的结构示意图；

图3示出了根据本发明实施例所提供的一种多功能搅拌摩擦焊机的第二驱动机构、第三驱动机构和旋转驱动机构的安装示意图；

图4示出了根据本发明实施例所提供的一种多功能搅拌摩擦焊机的第二驱动机构、第三驱动机构和旋转驱动机构的另一角度的安装示意图；

图5示出了根据本发明实施例所提供的一种多功能搅拌摩擦焊机的液压系统的原理图。

主要元件符号说明：

100-机架；200-加工结构；300-驱动结构；110-支撑底座；120-支撑架；130-加工平台；210-液压系统；220-主轴；230-夹具；240-加工刀具；310-第一驱动机构；320-第二驱动机构；330-第三驱动机构；340-旋转驱动机构；131-夹具；211-油箱；212-液压泵；213-电磁阀；214-液压马达；215-第一溢流阀；216-第二溢流阀；217-压力表；218-蓄能器；219-回油过滤器；311-第一导轨；321-第二导轨；322-第二丝杠组件；323-第二伺服马达；331-第三导轨；332-第三丝杠组件；333-第三伺服马达；341-旋转基板；342-旋转板；343-杆件；344-转轮；2101-吸油过滤器；2102-截止阀；2103-抗冲击阀；2104-三相异步电动机；3411-限位槽；3421-限位柱。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

实施例

本申请提供了一种多功能搅拌摩擦焊机，用于实现在对待加工工件进行搅拌摩擦焊接的基础上，还能对待加工工件进行其它机械方面的加工，例如下文中所介绍的旋转机械加工。

请参考图1-2，该多功能搅拌摩擦焊机包括机架100、加工结构200及驱动结构300。

其中，机架100用以起支撑作用，一方面支撑着待加工工件，另一方面用于安装加工结构200及驱动结构300，为加工结构200和驱动结构300构建合适的位置关系，并使得加工结构200能够与待加工工件形成良好的、适合加工的各种加工位。

加工结构200安装在机架100上，其至少能够输出用于对待加工工件进行搅拌摩擦焊接加工和/或旋转机械加工的旋转运动。

此处需要说明的是，搅拌摩擦焊接通过搅拌摩擦焊接头来实现，此时加工结构200应当设置搅拌摩擦焊接头，而旋转机械加工则可依靠铣刀等来实现，此时加工结构200应当设置铣刀。

另外，旋转机械加工是指能够依靠旋转运动而完成的各项加工，例如铣削、钻孔或者镗孔等。

驱动结构300安装在机架100上，驱动结构300用于改变加工结构200与待加工工件的相对位置，使得加工结构200能够对待加工工件进行加工。

如此，由于加工结构200能够输出旋转运动，该加工结构200能够对待加工工件进行搅拌摩擦焊接加工和/或旋转机械加工，同时驱动结构300能够改变加工结构200与待加工工件的相对位置，使得加工结构200能够方便对待加工工件进行相应的加工。本申请兼具搅拌摩擦焊接加工和旋转机械加工功能，使得在同一机器上能够实现对待加工工件的多种加工，能够实现在机器体型不变的条件下，扩展机器的功能，换言之，能够使得机器更加紧凑且功能多样化。

请继续参考图1-2，在本发明实施例中，机架100包括支撑底座110及安装在支撑底座110上并处于支撑底座110一端的支撑架120，该支撑架120呈龙门式，在支撑底座110上设置有可移动的加工平台130，待加工工件即安装在该加工平台130上，而加工结构200则安装在支撑架120上，此时加工结构200处于待加工工件的上方，驱动结构300用于驱动加工平台130在支撑底座110上移动，并驱动加工结构200在加工平台130的上方进行移动，最终使得加工结构200与待加工工件的相对位置能够调配到最适合加工的位置。

在某些实施例中，在加工平台130上设置有夹具131，该夹具131用于对待加工工件进行限位，使得待加工工件稳定的处于加工平台130上。

在某些实施例中，驱动结构300包括能够输出沿第一方向往复运动的第一驱动机构310，加工平台130安装在该第一驱动机构310上，使得加工平台130在第一驱动机构310的驱动下能够沿第一方向往复移动，从而使得待加工工件能够沿着第一方向往复移动。

在一些具体的实施例中，第一驱动机构310包括沿第一方向设置的第一导轨311、第一丝杠组件(图中未示出)及第一伺服马达(图中未示出)，加工平台130连接于该第一丝杠组件，第一伺服马达用于驱动第一丝杠组件动作，使得加工平台130能够沿着第一导轨311而移动。

此时，通过第一驱动机构310的作用即可使得加工平台130在支撑底座110上移动。

另外，驱动结构300还包括能够输出沿第二方向往复运动的第二驱动机构320，该第二驱动机构320安装在支撑架120上，而加工结构200则安装在第二驱动机构320上。

在一些具体的实施例中，第二驱动机构320包括沿第二方向设置的第二导轨321、第二丝杠组件322及第二伺服马达323，加工结构200连接于该第二丝杠组件322，第二伺服马达323用于驱动第二丝杠组件322动作，使得加工结构200能够沿着第二导轨321而移动。

进一步的，驱动结构300还可以包括能够输出沿第三方向往复运动的第三驱动机构330，第三驱动机构330安装在支撑架120上，第二驱动机构320安装在第三驱动机构330上。

在一些具体的实施例中，第三驱动机构330包括沿第三方向设置的第三导轨331、第三丝杠组件332及第三伺服马达333，第二驱动机构320连接于该第三丝杠组件332，第三伺服马达333用于驱动第三丝杠组件332动作，使得加工结构200和第二驱动机构320能够沿着第三导轨331而移动

由此，第三驱动机构330可以驱动第二驱动机构320，从而带动安装在第二驱动机构320上的加工结构200沿第三方向移动，同时第二驱动机构320还可以单独驱动加工结构200沿第二方向移动，再加上前述第一驱动机构310驱动加工平台130沿第一方向的移动，可确保加工结构200和待加工工件具有合适的加工位，便于各种加工的顺利进行。

另一方面，在对待加工工件进行搅拌摩擦焊接加工时，结合第一驱动机构310对加工平台130的驱动作用、第二驱动机构320和第三驱动机构330对加工结构200的驱动作用，可使得在简单夹具的条件下焊接复杂形状的待加工工件，甚至是曲面，乃至于不同高度多截面的焊接，改善了对夹具的要求，简化了焊接流程。同样的，在进行铣削等旋转机械加工时，也可根据待加工工件的表面轮廓而调整加工平台和/或加工结构的移动路线，提高各种加工路线的适应性，实现对各种复杂待加工工件的加工。

为了便于描述，现以图1所示的方位为例，前述第一方向、第二方向和第三方向彼此两两垂直，以传统的xyz坐标为例，第一方向可理解成y方向，第二方向可理解成z方向，而第三方向则可理解成x方向，通过驱动结构300的驱动作用可使得待加工工件和加工结构200在xyz三维空间内相对位置可调。

在某些实施例中，驱动结构300还可以包括旋转驱动机构340，该旋转驱动机构340安装在第三驱动机构330上，第二驱动机构320安装在旋转驱动机构340上，旋转驱动机构340用于输出摆转运动，使得加工结构200能够在预设角度范围内进行摆动。

该旋转驱动机构340的设置进一步扩展了驱动结构300的驱动作用，能够使得待加工工件和加工结构200具有更大的调节范围，此外，当加工结构200能够在预设角度范围内进行摆动后，可实现水平面上的二维图形连续焊缝的连续焊接，进一步提高了多功能搅拌摩擦焊机的焊接性能。

另外，加工结构200的摆动结合前述加工结构200沿第二方向(z方向)的移动，本发明实施例中的多功能搅拌摩擦焊机可实现水平固定的零件加工倾斜圆柱形孔。

此外，加工结构200的摆动结合前述加工结构200沿第三方向(x方向)的移动，本发明实施例中的多功能搅拌摩擦焊机可实现倾斜台阶与平面的铣削加工。

在一种具体的实施例中，请结合参考图1-4，该旋转驱动机构340包括旋转基板341及活动设置在旋转基板341上的旋转板342，该旋转板342能够围绕旋转基板341在一定角度范围内摆转，前述第二驱动机构320安装在该旋转板342上，第二驱动机构320和旋转基板341一起安装在第三驱动机构330上。

为了实现旋转板342在旋转基板341上的摆转，在旋转基板341的四角处各设有一限位槽3411，在旋转板342上设置有限位柱3421，该限位柱3421能够在限位槽3411内移动，同时在旋转板342的底部中心位置处设有一转轴(图中未示出)，当限位柱3421在限位槽3411内移动时，旋转板342即可在旋转基板341上发生摆转。

而为了便于调节，在旋转板342或者第二驱动机构320的背部还设置有调节组件，该调节组件至少包括一杆件343和一转轮344，通过旋转该转轮344能够使得杆件343伸缩，继而推动旋转板342进行摆转。

为了便于精确的把控加工结构摆转的角度，调节组件还可以设置带有指针的读数盘(图中未示出)。

在某些实施例中，为了避免加工平台130、加工结构200越过行程，可在它们的移动路径上设置限位传感器，用于限制它们移动的极限位置。例如可在第一方向上的两端各设置一个限位传感器，该限位传感器与整机的控制系统(如cnc数控中心)相连，通过控制系统控制加工平台130、加工结构200的移动。

请结合参考图1-2，在本发明实施例中，加工结构200包括液压系统210、主轴220、夹具230及加工刀具240，液压系统210用于产生下压主轴220的下压力和驱使主轴220转动的转动力，夹具230安装在主轴220上，加工刀具240安装在夹具230上。

结合前文所述，该加工刀具240可为搅拌摩擦焊接头或者铣刀等其它一些能够进行旋转机械加工的刀具。

液压系统210为主轴220的动作提供动力，主轴220则带动加工刀具240对待加工工件进行各种加工。

请参考图5，该液压系统210包括依次连接的油箱211、液压泵212、电磁阀213、液压马达214、第一溢流阀215及第二溢流阀216，第一溢流阀215连接有压力表217，第二溢流阀216连接有蓄能器218。

压力表217用于显示压力值。蓄能器218的作用在于降低液压波动峰值，例如在电磁阀213换向的时候，有一个瞬间，压力管道被封死，这时液压油的压力会突然冲高，蓄能器218能将压力脉冲大大降低

本申请在液压系统210中设置有第一溢流阀215和第二溢流阀216，其中第一溢流阀215和第二溢流阀216可采用同样的阀，是可以调节和控制压力的阀，第一溢流阀215调定压力在300bar(或者视情况调成其它数值)，并且不容许再调动，用来作为液压系统210的安全阀，使液压系统210的压力在任何情况下不会超过300bar。第二溢流阀216则用来作为调压阀，用户可以随便调动，如果希望压力大(例如焊接厚板)，可将压力调高，如果希望压力小(例如焊接薄板)，可以将压力调高。

由此，通过上述液压系统210的设置，通过调节第二溢流阀216，可使得搅拌摩擦焊接时得下压力可调，并保证下压力在搅拌摩擦焊接时始终保持定值，并且不会因下压量的大小变化而产生过大下压力，为高质量的搅拌摩擦焊接加工提供有利条件。

关于调压，需要说明的是，液压系统210的压力是由负载决定的，负载越大(加工刀具的扭矩，例如搅拌摩擦焊接头的扭矩)，液压系统210压力会自动变高，直到超过调压阀(第二溢流阀216)调定的压力，负载再变大，液压马达214就会停止转动，压力油全部经过调压阀进入低压管道，经过回油过滤器219回到油箱211，这时就需要调压阀调高压力。一般情况下，调压阀调高一点，不会出现停转现象，一般焊接6mm厚度的板，液压系统210压力实际值只有40到70bar(与搅拌摩擦焊接头形状和转速、横向移动速度有关)。

电磁阀213的作用是实现搅拌摩擦焊接头停转和正反转，本申请采用h形机能的电磁阀，在没有电磁铁动作的时候，电磁阀的阀芯位于中位，所有管道的油都和低压回油管(回油箱的油管)相通，所以液压系统210压力为低压，此时，液压泵212输出压力为低压，电机电流很小，当电磁阀通电后，阀芯动作，压力油经过液压马达214，推动液压马达214转动，然后变成低压油从回油管流向油箱211。

液压马达214的扭矩决定了压力的大小，扭矩来自搅拌摩擦焊接头的摩擦搅拌扭矩，所以，液压系统210的压力，实际上是由搅拌摩擦焊接头的扭矩决定的。

在某些实施例中，请参考图5，液压系统210还可以包括吸油过滤器2101，用于保证进入液压泵212中的液压油不含大的杂质，确保液压泵212不会过早磨损。

在某些实施例中，请参考图5，液压系统210还可以包括截止阀2102(又名开关阀或者球阀)，该截止阀2102平时必须打开，每次开机前必须检查截止阀2102是不是打开，如果没有打开，液压油不能进入液压泵212，一旦开机，液压泵212必然损坏。只有在需要维修维护液压系统210的时候，才关掉截止阀2102，使油箱211内的液压油不漏出来。

除以上所述外，请继续参考图5，液压系统210还设置有抗冲击阀2103，用于保护液压马达214和电磁阀213、管道系统的一种缓冲阀。

在该抗冲击阀2103内设有可移动的活塞，可以两头移动，在活塞的两端开设有小节流孔，该小节流孔分别连接到液压马达214的两端。

由此可以知道的是，当液压马达214转动进行搅拌摩擦焊接时，液压马达214的一端是进入的高压油，另一端是流出的低压油，如果停止转动，给电磁阀213断电，电磁阀213会变到中间位置，这时液压泵212的来的油会经过电磁阀213中位的h形通道流入回油管道回油箱211，液压马达214两端也都变成低压油，停止转动，但有个问题，在电磁阀213的阀芯从一端运动到中位的过程中，有一个瞬间，电磁阀213将所有通过它的管道锁闭封死，蓄能器218此时保护了液压泵212等，但液压马达214两端也会有问题，如果高速旋转的液压马达214两端的管道突然封死，由于液压马达214转动部件和搅拌系统转动部件的惯性作用，会导致液压马达214出油管的压力暴增，而液压马达214进油管压力由原来的高压油突然变成负压，这会造成很大冲击。抗冲击阀2103在正常搅拌作业时，其内部活塞受到压力油的作用，位于低压的一边，当电磁阀213动作时，压力油突然变成负压，低压一边突然出现高压，这时，活塞会向负压一边运动，由于两端有小孔节流作用，使活塞运动受到一定阻力，使活塞不至于运动过快过猛而损坏，同时小节流孔的作用也会使冲击高压转换成热能消散掉。

在某些具体的实施例中，液压系统210中液压泵212可采用轴向柱塞泵，液压马达214可采用轴向柱塞马达，该轴向柱塞泵可连接于三相异步电动机2104，三相异步电动机2104带动轴向柱塞泵，将油箱来的油加压输入管道，最高压力可以到320bar，最大流量(在1440rpm时)为36l/min。

进一步的，液压泵212可设置调速手柄，可以调节输出流量，达到调节液压马达214转速的目的。

关于液压系统210，最后需要说明的是，该液压系统210的油箱211可位于液压泵212的上方，减少了液压泵212的吸油负压值，提高了效率，对降低液压噪声也有一定作用。

在某些实施例中，为了实时的监测多功能搅拌摩擦焊机的转速，该多功能搅拌摩擦焊机的控制系统还可以设置激光转速计数器，该激光转速计数器可由激光探头、光感计数器和模拟信号转换器构成。

结合前文所述，该多功能搅拌摩擦焊机的控制系统可选择cnc数控中心，此时该多功能搅拌摩擦焊机的将传统的cnc加工和搅拌摩擦焊接加工融为一体，使得多功能搅拌摩擦焊机的功能多样化。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。。