鋁合金攪拌摩擦焊電主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析*

梁 興 張一寒 趙亞東

(①安陽萊工科技有限公司，河南 安陽 455000;②安陽工學(xué)院，河南 安陽 455000)

攪拌摩擦焊(friction stir weld，F(xiàn)SW)是一種新型的固相連接技術(shù)，是上世紀(jì)末本世紀(jì)初最新的鋁及其合金的焊接技術(shù)，被譽(yù)為“世界焊接史上的第二次革命”。而電主軸是最近幾年在數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域出現(xiàn)的將機(jī)床主軸與主軸電動(dòng)機(jī)融為一體的新技術(shù)，是機(jī)床的核心功能部件，不再使用皮帶或齒輪傳動(dòng)副，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)床主軸系統(tǒng)的“零傳動(dòng)”。作為兩種現(xiàn)代新型技術(shù)，鋁合金攪拌摩擦焊與高速電主軸的跨行有機(jī)融合，勢必成為一種主流技術(shù)，對鋁合金摩擦焊技術(shù)和電主軸技術(shù)兩者的發(fā)展有著里程碑的意義。

1 攪拌摩擦焊主軸發(fā)展趨勢

作為攪拌摩擦焊主要驅(qū)動(dòng)部件，同時(shí)也是摩擦焊設(shè)備的主要核心功能部件主軸的發(fā)展卻不如摩擦焊技術(shù)的推進(jìn)速度，早期采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的皮帶主軸或齒輪主軸，轉(zhuǎn)速可控性差，主軸振動(dòng)大，焊接質(zhì)量差，同時(shí)焊機(jī)結(jié)構(gòu)龐大，部分采用變頻器驅(qū)動(dòng)的主軸，但攪拌頭不能快速更換，長時(shí)間焊接會(huì)因攪拌頭溫升較高而損壞，容易造成焊接質(zhì)量不穩(wěn)定，同時(shí)影響焊接主軸的溫升，造成主軸壽命較短，可靠性低，生產(chǎn)效率低下。在摩擦焊接時(shí)，轉(zhuǎn)軸承受較大負(fù)荷，造成轉(zhuǎn)軸易變形彎曲，軸承損壞，主軸精度降低。隨著焊接機(jī)床技術(shù)的高速發(fā)展和實(shí)際需要，已無法滿足焊接設(shè)備高質(zhì)量連續(xù)焊接的要求。因此，對攪拌摩擦焊主軸提出了更高的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

鋁合金攪拌摩擦焊主軸的發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

(1)旋轉(zhuǎn)速度繼續(xù)向高速度方向發(fā)展;

(2)向承受更大的壓緊力發(fā)展;

(3)進(jìn)一步向高精度、高可靠性、高穩(wěn)定性和延長工作壽命方向發(fā)展;

(4)向夾具標(biāo)準(zhǔn)化、快速更換方向發(fā)展;

(5)向多功能、智能化、標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展。

2 鋁合金攪拌摩擦焊電主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

“鋁合金攪拌摩擦焊電主軸單元關(guān)鍵技術(shù)研究”是河南省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)資助項(xiàng)目，結(jié)合國內(nèi)電主軸技術(shù)現(xiàn)狀和實(shí)際鋁合金摩擦焊接生產(chǎn)應(yīng)用的需要，從實(shí)現(xiàn)鋁合金攪拌摩擦焊主軸速度與時(shí)間的可控性、高穩(wěn)定、高焊接精度和高可靠性入手，在現(xiàn)有電主軸的技術(shù)基礎(chǔ)上，著重分析鋁合金攪拌摩擦焊主軸的關(guān)鍵技術(shù)，結(jié)合鋁合金攪拌摩擦焊的工藝加工特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出適用于鋁合金攪拌摩擦焊專用電主軸MCHD1230 -3 -10/3——一種中空冷卻自動(dòng)調(diào)節(jié)負(fù)荷鋁合金攪拌摩擦焊電主軸，軸端的夾具接口設(shè)計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)接口BT30，便于夾具及攪拌頭的更換，如圖1 所示。

2.1 鋁合金攪拌摩擦焊電主軸整體結(jié)構(gòu)布局、軸承配置及預(yù)緊

鋁合金攪拌摩擦焊電主軸采用電動(dòng)機(jī)在主軸前后支承之間的結(jié)構(gòu)布局，電動(dòng)機(jī)選用內(nèi)置電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)子部件、平衡環(huán)、后軸承套過盈于軸上。該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)形式的鋁合金攪拌摩擦焊電主軸具有平穩(wěn)性好、振動(dòng)小、溫升低的特點(diǎn)，能夠滿足鋁合金攪拌摩擦焊電主軸使用性能的要求。

此結(jié)構(gòu)選用的軸承為角接觸球軸承，常用的接觸角有兩種:α=25°和α=15°。隨接觸角的不同有所區(qū)別，α=25°的軸向剛度較高，但徑向剛度和允許的轉(zhuǎn)速略低;α=15°的轉(zhuǎn)速可更高些，但軸向剛度較低。分析鋁合金攪拌摩擦焊電主軸受力情況，軸向剛度大，角接觸球軸承接觸角選用25°(AC)。

目前基本軸承組配方式為DB、DF、DT 這3 種，如圖2 所示，分別為背靠背、面對面、同向組配，這3 種組配方式兩個(gè)軸承都能共同承受徑向載荷。背靠背和面對面組配都能承受雙向軸向載荷，同向組配只能承受單向軸向載荷。

針對本項(xiàng)目研究方向和分析軸承配置，考慮鋁合金攪拌摩擦焊電主軸須有較大的剛度和承載能力，選用前軸承套件為3 套TBT 配置，后軸承套件為2 套DB配置。軸承預(yù)緊采用螺紋緊固連接的定位預(yù)緊方式，保證電主軸在高速運(yùn)轉(zhuǎn)攪拌摩擦焊接時(shí)能夠承受更大的壓緊力。

2.2 鋁合金攪拌摩擦焊電主軸冷卻系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

針對電主軸在鋁合金攪拌摩擦焊接過程中的溫升分析，結(jié)合傳統(tǒng)冷卻方式的優(yōu)點(diǎn)和不足，立足于本項(xiàng)目鋁合金攪拌摩擦焊電主軸的實(shí)際工況，確定鋁合金攪拌摩擦焊電主軸外部采用液體冷卻(如圖3 所示)，內(nèi)部采用氣冷的方式。

2.2.1 外部液體冷卻

殼體10 外形表面設(shè)計(jì)有螺旋水槽，在水槽外部設(shè)置有外水套13，殼體10 為前軸承套件和定子部件12內(nèi)置的結(jié)構(gòu)，螺旋水槽覆蓋大部分的前軸承套件和全部的定子部件，這樣設(shè)計(jì)的目的是吸收前軸承套和定子部件所散發(fā)的熱量，而使鋁合金攪拌摩擦焊電主軸的外部溫度降低。

2.2.2 內(nèi)部氣冷卻

(1)把裝配于軸體內(nèi)部的拉桿24 設(shè)計(jì)成中空結(jié)構(gòu)，后端裝上旋轉(zhuǎn)接頭23 通過氣管與外界的氣冷裝置連接，前端BT30 刀柄4 為中空結(jié)構(gòu)，ER32 夾芯3 夾上摩擦攪拌頭1，這種結(jié)構(gòu)既能冷卻轉(zhuǎn)子部件11 旋轉(zhuǎn)時(shí)受氣隙傳導(dǎo)過來轉(zhuǎn)子鐵芯所產(chǎn)生的熱量，又能冷卻攪拌頭1 工作時(shí)與工件摩擦產(chǎn)生的熱量。該設(shè)計(jì)方式達(dá)到降低軸芯內(nèi)部溫升的目的，鋁合金攪拌摩擦焊電主軸內(nèi)部的溫度也會(huì)明顯降低，使主軸內(nèi)部的熱變形趨于合理。

(2)中空拉桿24 靠近轉(zhuǎn)子部件11 前端徑向部位設(shè)置有凹槽。該中空拉桿在靠近轉(zhuǎn)子部件11 后端部位設(shè)置有徑向氣孔與轉(zhuǎn)軸7 徑向氣孔連通，并在3 組徑向氣孔的相鄰兩側(cè)設(shè)置有密封環(huán)形槽，安裝有密封圈。中空拉桿24 靠近電動(dòng)機(jī)前端徑向部位設(shè)置有凹槽。轉(zhuǎn)軸7 中部設(shè)置有3 組徑向均分氣孔，靠近電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子部位的兩組徑向氣孔連通轉(zhuǎn)軸7 與轉(zhuǎn)子部件11 之間的氣腔，另1 組徑向氣孔與轉(zhuǎn)軸內(nèi)部氣道連通，通到轉(zhuǎn)軸7 與前端蓋6 間隙處。

(3)冷卻循環(huán)路徑。外部冷卻是通過鋁合金攪拌摩擦焊電主軸后端附近的入水口，將一定的冷卻液強(qiáng)制輸入到電主軸的內(nèi)部，經(jīng)螺旋水槽，然后到達(dá)出水口;內(nèi)部冷卻通過外部氣冷裝置產(chǎn)生高壓冷卻氣，由旋轉(zhuǎn)接頭23 經(jīng)中空拉桿24 型腔后分成兩路，一路由拉桿中空氣道經(jīng)BT30 刀柄4 的中空結(jié)構(gòu)，通過ER 夾芯3 的16 個(gè)縫隙噴出，到達(dá)攪拌頭1 與鋁合金焊接工件工作面，實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)軸7 和攪拌頭1 進(jìn)行冷卻;一路高壓冷卻氣體經(jīng)中空拉桿24 后段氣孔進(jìn)入轉(zhuǎn)軸7 與轉(zhuǎn)子部件11 之間的氣腔，經(jīng)轉(zhuǎn)軸7 中部氣孔、凹槽氣道，又進(jìn)入轉(zhuǎn)軸7 前段內(nèi)部氣道，最后到達(dá)轉(zhuǎn)軸7 與前端蓋6 間隙處，降低轉(zhuǎn)軸7 內(nèi)部溫升，同時(shí)高壓氣體起到密封作用。

2.3 鋁合金攪拌摩擦焊電主軸的潤滑及密封技術(shù)設(shè)計(jì)

鋁合金攪拌摩擦焊電主軸的潤滑和密封是相輔相成、密不可分的。例如脂潤滑電主軸的軸承雖然涂有油脂，但目的是潤滑軸承和冷卻軸承，如果前端蓋與軸的配合間隙過大，就容易進(jìn)入冷卻液，冷卻液就會(huì)將軸承內(nèi)的潤滑脂沖掉，這樣既起不到潤滑效果，又會(huì)增加溫升，達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。油氣潤滑是在鋁合金攪拌摩擦焊電主軸殼體上設(shè)計(jì)進(jìn)油口，通過油道再由外隔墊8、15 上專門設(shè)計(jì)4 個(gè)對稱均布的噴油嘴，如圖4 所示，在鋁合金攪拌摩擦焊電主軸工作時(shí)進(jìn)行壓力噴射，這樣軸承中的滾珠就能均勻地得到潤滑油，達(dá)到潤滑軸承和冷卻軸承的目的，減少滾珠在滾道里由于高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的摩擦毀壞。這樣既能達(dá)到延長軸承的壽命，又保證了電主軸的設(shè)計(jì)壽命。同時(shí)高壓潤滑油氣在保證油氣潤滑軸承的同時(shí)，通過軸承間隙傳到前端蓋與軸的配合處，起到密封的作用，阻止外面粉塵由前端蓋6 與轉(zhuǎn)軸7 之間的間隙進(jìn)入電主軸內(nèi)部，達(dá)到良好的防塵密封效果。

本課題的研究兼顧潤滑與密封的特性，該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)既能潤滑和冷卻軸承，又起到了密封的作用，達(dá)到了研究目的。

2.4 鋁合金攪拌摩擦焊電主軸軸端與攪拌頭聯(lián)接部位的設(shè)計(jì)

鋁合金攪拌摩擦焊電主軸軸端與攪拌頭刀柄聯(lián)接的三維四分之一剖視圖，如圖5 所示，根據(jù)此剖視圖可以明顯地看到刀具與軸的配合連接方式。

鋁合金攪拌摩擦焊電主軸軸端聯(lián)接采用標(biāo)準(zhǔn)7:24 錐度聯(lián)接，具有不自鎖、快速裝卸、制造成本低、使用可靠等優(yōu)點(diǎn)。刀柄錐體在拉桿軸向拉力的作用下，緊緊地與轉(zhuǎn)子軸內(nèi)錐孔面接觸，裝夾攪拌頭1 的刀柄錐體直接安裝在主軸內(nèi)錐孔支承刀具，可以減小刀具的懸伸量，這種聯(lián)接只有一個(gè)尺寸即錐角需要加工到很高的精度，所以成本較低，應(yīng)用非常廣泛。另外，鋁合金攪拌摩擦焊主軸與裝夾攪拌頭的刀柄聯(lián)接具有很高的重復(fù)安裝精度，以保證每次更換后精度不變，穩(wěn)定重復(fù)的定位精度有利于提高更換速度和保持高的工作可靠性。鋁合金攪拌摩擦焊主軸與裝夾攪拌頭的刀具聯(lián)接必須有很高的聯(lián)接剛度和精度，同時(shí)對可能產(chǎn)生的振動(dòng)有衰減作用。與此同時(shí)，刀柄也進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)成中空結(jié)構(gòu)的手動(dòng)連接式刀柄，這樣既能通用于BT30 系列的各種手動(dòng)換刀機(jī)床，又能進(jìn)行冷卻降溫一體化結(jié)構(gòu)的主軸刀柄。

2.5 鋁合金攪拌摩擦焊電主軸自動(dòng)調(diào)節(jié)負(fù)荷機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

在鋁合金攪拌摩擦焊接時(shí)，轉(zhuǎn)軸7 承受較大徑向負(fù)荷，造成轉(zhuǎn)軸易變形彎曲，軸承損壞，主軸精度降低，焊接質(zhì)量不高。為減少電主軸承受負(fù)荷，在主軸后部設(shè)計(jì)一種自動(dòng)調(diào)節(jié)負(fù)荷的機(jī)構(gòu)，如圖1 所示。

后大蓋28 靠近轉(zhuǎn)軸7 后端外徑臺(tái)階安裝有軸承25，通過螺紋段與壓緊螺母21 聯(lián)接，軸承25 外徑緊密安裝有從動(dòng)體17，該從動(dòng)體后端圓周設(shè)置有均布的孔，在孔底設(shè)置安裝有橡膠圈18，孔中設(shè)置安裝有減荷銷19，該減荷銷另一端與主動(dòng)體20 圓周均布小孔配合安裝。在轉(zhuǎn)軸7 高速運(yùn)轉(zhuǎn)同時(shí)，后壓蓋22 帶動(dòng)主動(dòng)體20 轉(zhuǎn)動(dòng)，并通過均布的減荷銷19 帶動(dòng)從動(dòng)體17。在主軸摩擦焊接承受較大負(fù)荷時(shí)，由均布減荷銷19 與從動(dòng)體橡膠圈18 的相互彈性作用及軸承25 的配合下，自動(dòng)調(diào)節(jié)負(fù)荷大小。

3 檢測驗(yàn)證

參照J(rèn)B/T10801.2 -2007 標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)河南省有關(guān)檢測部門檢測，該鋁合金攪拌摩擦焊電主軸各項(xiàng)主要指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，具體檢測數(shù)據(jù)如表1 所示。

從表1 可以得知，電主軸的主要檢測指標(biāo)之一溫升，檢測數(shù)據(jù)驗(yàn)證了主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，為電主軸長時(shí)間持續(xù)工作提供有力的保證。

4 結(jié)語

高質(zhì)量的攪拌摩擦焊焊接，有賴于焊接過程對各工藝參數(shù)的精確監(jiān)控:主軸的負(fù)荷、攪拌頭的溫升、焊接主軸轉(zhuǎn)速及焊接速度等。電主軸作為新型焊接數(shù)控化設(shè)備的核心功能部件，在攪拌摩擦焊專業(yè)焊接設(shè)備中起著關(guān)鍵的作用，為焊接設(shè)備的批量化、數(shù)控化發(fā)展提供重要的技術(shù)支持。作為鋁合金攪拌摩擦焊接領(lǐng)域的專用電主軸，由于其工藝特殊性，如何更好地將摩擦焊技術(shù)與電主軸技術(shù)結(jié)合，在許多技術(shù)方面還存在不少問題需要研究解決。

表1 鋁合金攪拌摩擦焊電主軸檢測項(xiàng)目

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