一种能够实现摩擦增材和搅拌摩擦焊接的主轴系统

1.本发明属摩擦增材制造领域和搅拌摩擦焊接技术领域，尤其涉及一种能够实现摩擦增材和搅拌摩擦焊接的主轴系统。


背景技术：

2.随着绿色低碳的循环发展经济体系正在全面建立，摩擦增材属于一种绿色的工艺方式，不仅切合我国“碳中和“的发展目标，而且摩擦增材有其特有的优势，摩擦增材工艺对环境的影响因素要求比较低，普通大气环境下，真空环境下，水下环境等都可以利用摩擦增材工艺来实现增材过程；摩擦增材工艺属于固相连接过程，在整个增材过程中因其特有的工艺能有效的避免熔融增材过程的缺陷，由于摩擦增材突出的优势，目前备受广大学者，科研人员的广泛关注。目前国内无法买到具有摩擦增材功能的设备，各实验室、科研机构普遍通过对具有三轴移动功能的机床设备进行改装，来实现摩擦增材的目的，对原有设备的改装不仅会使原有设备丧失之前的功能，还会使改装过的设备故障率提高，而且目前的设备改装仅仅只能够完成摩擦增材工艺，摩擦增材与搅拌摩擦焊接两套工艺扔需要单独的两种设备来完成其设备利用率低。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种能够实现摩擦增材和搅拌摩擦焊接的主轴系统，以解决上述问题，提供增材过程中母材原料被压到基板上同时对母材原料提供扭矩的系统方案，然后能够基于一台设备完美实现摩擦增材和搅拌摩擦焊接两种工艺，提出了一种摩擦增材主轴必须与水平面垂直而搅拌摩擦焊接主轴需与水平面有一定夹角这一矛盾的解决方案，能够提高设备的利用率，而且方便快捷可靠性好。
4.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
5.一种能够实现摩擦增材和搅拌摩擦焊接的主轴系统，包括：
6.电机支架；所述电机支架上分别安装有动力驱动部和转动驱动部；
7.主轴旋转固定架；所述主轴旋转固定架安装于所述电机支架底部；所述主轴旋转固定架内通过衬套转动安装有主轴旋转支架；
8.旋转组件，所述旋转组件固定安装于所述主轴旋转支架内；所述旋转组件内固定安装有多边形母材原料；所述旋转组件底端与增材轴头/搅拌摩擦焊接转接头柔性配合。
9.所述多边形母材原料通过异步转速连接组件与所述动力驱动部传动连接；
10.所述主轴旋转支架一侧还安装有角度控制组件；所述角度控制组件用于调整主轴旋转支架的旋转角度；所述主轴旋转支架与转动驱动部传动连接。
11.在摩擦增材作业过程中，安装增材轴头，使动力驱动部，异步转速连接组件及多边形母材原料中轴线重合，所述转动驱动部使多边形母材原料旋转，开启进行作业；
12.在搅拌摩擦焊作业过程中，更换搅拌摩擦焊接转接头，通过角度控制组件使摩擦焊接转接头具有倾角，所述转动驱动部使摩擦焊接转接头旋转，进行搅拌摩擦焊接工艺。
13.优选的，所述旋转组件包括旋转主轴，所述旋转主轴内部中空且竖直设置，所述多边形母材原料竖直安装于所述旋转主轴内；所述旋转主轴外壁通过轴承安装于所述主轴外壳内，所述主轴外壳螺纹安装于所述主轴旋转支架底部中心；
14.所述主轴外壳与旋转主轴两端分别通过上固定挡油环和下固定挡油环密封连接；
15.所述旋转主轴底部外壁有螺纹，且螺纹安装有所述增材轴头/搅拌摩擦焊接转接头。
16.优选的，所述旋转主轴顶部还键连接有从动锥齿轮，所述从动锥齿轮通过锁死定位螺母轴向固定在所述旋转主轴上；所述从动锥齿轮与主动锥齿轮相啮合；所述主动锥齿轮固定安装在所述主动锥齿轮轴上；所述主动锥齿轮轴通过轴承转动安装在所述主轴旋转支架一侧，且所述主动锥齿轮轴与转动驱动部传动连接。
17.优选的，所述转动驱动部包括高频电机，所述高频电机底部传动安装有换向传动器；所述换向传动器与所述主动锥齿轮轴传动连接；所述高频电机固定安装在所述电机支架上。
18.优选的，所述主轴旋转支架另一侧向远离所述旋转主轴的方向延伸形成有啮合柱；所述角度控制组件与所述啮合柱上的啮合齿啮合；所述角度控制组件包括行星齿轮减速机和角度控制伺服电机；所述行星齿轮减速机一侧与所述啮合齿啮合传动，另一侧还与所述角度控制伺服电机传动连接；所述行星齿轮减速机固定安装在所述主轴旋转固定架一端。
19.优选的，所述动力驱动部包括直线伺服电机，所述直线伺服电机的输出端安装有直线电机推杆；所述直线电机推杆通过异步转速连接组件实现多边形母材原料在所述旋转主轴内竖直方向的给进活动。
20.优选的，所述异步转速连接组件包括异转速连接上盖；所述异转速连接上盖顶部与所述直线电机推杆接触配合；所述异转速连接上盖底部通过轴承与异转速连接轴承安装座同轴转动连接；所述异转速连接轴承安装座底面固定安装有异转速连接下安装座；所述异转速连接下安装座顶部中心固定安装有连接螺栓；所述连接螺栓贯穿异转速连接轴承安装座且与所述直线电机推杆螺纹连接。
21.优选的，所述异转速连接下安装座底面开设有安装槽，所述安装槽内嵌入柔性橡胶套，所述橡胶套与多边形母材原料摩擦配合。
22.优选的，所述旋转主轴外壁还安装有轴套。
23.所述搅拌摩擦焊接转接头底部中心孔以及侧面紧定螺钉安装搅拌摩擦焊接搅拌头。
24.与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：本发明利用异步转速连接组件对多边形母材原料进行套接，便于多边形母材原料的安装，同时利用旋转组件底部的可更换轴头给多边形母材原料提供转矩使母材原料能被直线电机推杆抵接的同时使其沿增材轴头轴心旋转，以实现多边形母材原料边下压边旋转的增材过程。
25.本发明所提供的结构方案在把增材轴头更换成搅拌摩擦焊接转接头时，通过角度控制伺服电机控制主轴旋转支架的转动能够完美实现可调节倾角的搅拌摩擦焊接工艺，且能够适配市场上已经标准化的搅拌摩擦焊搅拌头。本发明的结构合理，操作便捷，利用一套主轴系统能够实现摩擦增材和搅拌摩擦焊接两种工艺，对于设备的利用率高，安装方便，使
用性高能且有便于日常的维修保养等特点。
附图说明
26.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图：
27.图1为本发明主轴系统的外观示意图；
28.图2为本发明主轴系统剖视图；
29.图3为本发明异步转速连接组件示意图；
30.图4为本发明异步转速连接组件剖视图；
31.图5为主轴旋转支架示意图；
32.图6为主轴旋转支架剖视图；
33.图7为旋转主轴组件剖视图；
34.图8为搅拌摩擦焊接工作示意图；
35.图9为搅拌摩擦焊接转接头示意图；
36.其中：1、多边形母材原料；2、电机支架；3、直线伺服电机；4、直线电机推杆；5、异转速连接上盖；6、异转速连接轴承安装座；7、连接螺栓；8、异转速连接下安装座；9、橡胶套；10、高频电机；11、换向传动器；12、主轴旋转固定架；13、主动锥齿轮轴；14、轴承端盖；15、主动锥齿轮；16、从动锥齿轮；17、主轴旋转支架；18、主轴外壳；19、旋转主轴；20、上固定挡油环；21、下固定挡油环；22、锁死定位螺母；23、轴套；24、增材轴头；25、角度控制伺服电机；26、行星齿轮减速机；27、搅拌摩擦焊接转接头。
具体实施方式
37.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
38.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
39.实施例一：参照图1-9，本发明提供一种用于摩擦增材和搅拌摩擦焊接的主轴系统，包括电机支架2，电机支架2上刚性连接有直线伺服电机3，直线伺服电机3中的直线电机推杆4端部接触连接有异步转速连接组件，异步转速连接组件内套接有多边形母材原料1，多边形母材原料1上端面抵接于异步转速连接组件盲孔上端面，使多边形母材原料能被下压，多边形母材原料贯穿于空心旋转主轴19内部。
40.进一步的，通过高频电机10的动力输出能使空心的旋转主轴19旋转，且多边形母材原料1与增材轴头24滑动连接，均能随旋转主轴19共同旋转以实现摩擦增材工艺。
41.参照图中所示，角度控制伺服电机25与行星齿轮减速机26传动配合，行星齿轮减速机26传动配合于主轴旋转支架17，使主轴旋转支架17能够沿主轴旋转固定架12轴线转动
一定角度；
42.在搅拌摩擦焊接过程中使搅拌摩擦焊接转接头27固定连接于旋转主轴19底部，搅拌摩擦焊接转接头27能够固定连接市场上已经标准化的搅拌摩擦焊接搅拌头。
43.进一步的，在搅拌摩擦焊接工序中，搅拌头倾角对搅拌摩擦焊接的连接质量有重要影响，搅拌摩擦焊接工艺过程中必须要对搅拌头的倾角进行调节，通过本系统不仅能完成摩擦增材工艺，在更换搅拌摩擦焊接转接头27的基础上通过角度控制伺服电机25调节搅拌头倾角，能够实现两种工艺的切换，提高设备的利用率。
44.进一步优化方案，异步转速连接组件在旋转主轴19内自由上下移动，且无任何干涉，所述异步转速连接组件如图2,图3，图4所示，该组件包括与直线电机推杆4下端面接触相连接的异转速连接上盖5，异转速连接上盖5中心有能够使连接螺栓7通过的通孔，异转速连接上盖5转动连接于异转速连接轴承安装座6上；
45.在本发明的一个实施例中，异转速连接上盖5内台阶孔分别连接深沟球轴承和推力球轴承，异转速连接轴承安装座6上台阶连接深沟球轴承，异转速连接轴承安装座6下台阶连接推力球轴承，深沟球轴承只定心不承受任何轴向力，推力球轴承只承受轴向压力，通过推力球轴承向多边形母材原料1传递压力同时抵消旋转主轴19为多边形母材原料1提供的转速。
46.进一步的，连接螺栓7从底部贯穿于异转速连接轴承安装座6并与直线电机推杆4底部螺纹孔相连接，且连接螺栓7不随异转速连接轴承安装座6转动，通过连接螺栓7可使异步转速连接组件固连到直线电机推杆4上，异转速连接下安装座8底部有圆周布置的螺纹通孔与异转速连接轴承安装座6固定连接；异转速连接下安装座8下端面有阶梯孔，橡胶套9可嵌入安装在异转速连接下安装座8内，橡胶套9于多边形母材原料1顶端摩擦配合，使多边形母材原料1不因重力向下掉落。
47.进一步的优化方案，多边形母材原料1与增材轴头24配合且多边形母材原料1能沿增材轴头24内部的多边形孔上下滑动，增材轴头24与旋转主轴19底部通过螺纹固定配合，旋转主轴19通过轴承旋转配合安装于主轴外壳18内部，旋转主轴19端部键连接有从动锥齿轮16，轴上锁死定位螺母22能够将从动锥齿轮16沿轴向固定在旋转主轴19上，从动锥齿轮16传动啮合有主动锥齿轮15，主动锥齿轮15通过螺钉固定在主动锥齿轮轴13上，主动锥齿轮轴13转动连接在主轴旋转支架17内部，主动锥齿轮轴13与换向传动器11传动配合，换向传动器11与高频电机10传动配合，通过一系列转动配合，最终高频电机10转动时增材轴头24能带动多边形母材原料1同步转动。
48.在本发明的一个实施例中，主动锥齿轮轴13通过轴承端盖限定在主轴旋转支架17上，防止产生水平位移。
49.进一步的优化方案，主轴旋转固定架12固定安装在电机支架2底面两侧，且两侧主轴旋转固定架12两圆同心安装，主轴旋转固定架12内孔通过减少摩擦的衬套转动安装主轴旋转支架17，主轴旋转支架17底面中心开设有主轴外壳安装孔，主轴外壳18在主轴旋转支架17偏转角度时能够与直线电机推杆4同轴心。
50.当主轴旋转支架17在无偏转角度时直线电机推杆4可运动到旋转主轴19底部；在增材过程中直线电机推杆4能为多边形母材原料提供压力，且压力能够持续到直线电机推杆4运动到旋转主轴19底部，并且高频电机10转动时增材轴头24通过配合能为多边形母材
原料1提供扭矩，来实现摩擦增材的过程。
51.在完成需要的增材层之后，由于在增材过程中多边形母材原料1底端因压力和扭转作用使多边形母材原料1具有大于出料口的金属飞边，通过直线伺服电机3的回程操作，能够使多边形母材原料1与旋转主轴19内橡胶套9脱离从而达到退出和更换多边形母材原料1的过程。(装夹过程中通过橡胶套9变形使多边形母材原料1装夹部分产生摩擦阻力使母材原料1被装夹而不掉出。)
52.进一步的优化方案，主轴旋转支架17通过减小摩擦的自润滑衬套与主轴旋转固定架转动配合，主轴旋转支架17左端轴上有啮合柱与行星齿轮减速机26传动配合，角度控制伺服电机25与行星齿轮减速机26传动配合，在角度控制过程中主轴的角度变化不需要过快，但是需要足够的扭矩控制主轴头的角度具有一定的稳定性，通过行星齿轮减速机26能够极大增大扭矩，同时行星齿轮减速机26占用空间小标准化程度高，在本方案中通过角度控制伺服电机25可精确控制主轴旋转支架17的旋转角度；且根据锥齿轮的组合结构，在整个主轴系统旋转的同时，高频电机10仍能为旋转主轴19提供动力，且不影响传动比。在搅拌摩擦增材过程中，角度控制伺服电机25转动控制主轴系统沿主轴旋转固定架12轴向转动，使主轴达到搅拌摩擦焊接过程工艺要求的角度，在换上搅拌摩擦焊接转接头27之后配合搅拌摩擦焊接搅拌头，能够实现搅拌摩擦焊接工艺。
53.实施例二：本发明填充内切圆为20mm的六边形母材原料，本发明通过更改增材轴头24多形内孔以及多边形母材原料的形状可实现各种非圆柱铝合金或其他金属的增材过程，直线伺服电机3能够提供0-30kn的正压力，高频电机10能够提供130nm的扭矩转速为0-2000n/min，角度控制伺服电机25可控制旋转主轴19旋转
±5°
；
54.在本发明的一个实施例中，通过把本系统固定安装在具有三轴移动功能的机床上可实现由系统到设备的延伸，如示意图所示电机支架背部具有两排螺纹孔，通过螺纹连接，可以把该发明主轴系统直接挂载在机床的滑枕上，即可实现摩擦增材和搅拌摩擦焊接机床的开发。
55.本发明的工作过程：
①
摩擦增材过程中，启动角度控制伺服电机25控制主轴角度与水平面垂直，将多边形母材原料1从增材轴头24底部出入到异步转速连接组件的橡胶套9中，由于橡胶套9于多边形母材原料1之间存在的摩擦阻力，可使多边形母材原料1不因重力而掉落，启动高频电机10使增材轴头24内的多边形母材原料1旋转，启动直线伺服电机3下压多边形母材原料，以实现摩擦增材的整个过程。
56.②
启动直线伺服电机3使其复位，并确保直线电机推杆4底部所有零件不在旋转主轴19内，拆卸旋转主轴19底部的增材轴头24，更换为搅拌摩擦焊接转接头27，在搅拌摩擦焊接转接头27中装入搅拌摩擦焊接搅拌头(图中并未给出标准化的搅拌摩擦焊接搅拌头)，启动角度控制伺服电机25调节主轴到需要角度，启动高频电机10使旋转主轴19旋转。
57.进一步的，在更换为搅拌摩擦焊接转接头27之前，将旋转主轴19内的多边形母材原料1推出。
58.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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，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。
59.以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

技术特征：
1.一种能够实现摩擦增材和搅拌摩擦焊接的主轴系统，其特征在于，包括：电机支架(2)；所述电机支架(2)上分别安装有动力驱动部和转动驱动部；主轴旋转固定架(12)；所述主轴旋转固定架(12)安装于所述电机支架(2)底部；所述主轴旋转固定架(12)内通过衬套转动安装有主轴旋转支架(17)；旋转组件，所述旋转组件固定安装于所述主轴旋转支架(17)内；所述旋转组件内装夹有多边形母材原料(1)；所述旋转组件底端与增材轴头(24)/搅拌摩擦焊接转接头(27)柔性配合；所述多边形母材原料(1)通过异步转速连接组件与所述动力驱动部传动连接；所述主轴旋转支架(17)一侧还安装有角度控制组件；所述角度控制组件用于调整主轴旋转支架(17)的旋转角度；所述主轴旋转支架(17)与转动驱动部传动连接；在摩擦增材作业过程中，安装增材轴头(24)，使动力驱动部，异步转速连接组件及多边形母材原料(1)中轴线重合，所述转动驱动部使多边形母材原料(1)旋转，开启进行作业；在搅拌摩擦焊作业过程中，更换搅拌摩擦焊接转接头(27)，通过角度控制组件使摩擦焊接转接头(27)具有倾角，所述转动驱动部使摩擦焊接转接头(27)带动搅拌摩擦焊搅拌头旋转，进行搅拌摩擦焊接工艺。2.根据权利要求1所述的一种能够实现摩擦增材和搅拌摩擦焊接的主轴系统，其特征在于：所述旋转组件包括旋转主轴(19)，所述旋转主轴(19)内部中空且竖直设置，所述多边形母材原料(1)竖直安装于所述旋转主轴(19)内；所述旋转主轴(19)外壁通过轴承安装于所述主轴外壳(18)内，所述主轴外壳(18)螺纹安装于所述主轴旋转支架(17)底部中心；所述主轴外壳(18)与旋转主轴(19)两端分别通过上固定挡油环(20)和下固定挡油环(21)密封连接；所述旋转主轴(19)底部外壁有螺纹，且螺纹安装有所述增材轴头(24)/搅拌摩擦焊接转接头(27)。3.根据权利要求2所述的一种能够实现摩擦增材和搅拌摩擦焊接的主轴系统，其特征在于：所述旋转主轴(19)顶部还键连接有从动锥齿轮(16)，所述从动锥齿轮(16)通过锁死定位螺母(22)轴向固定在所述旋转主轴(19)上；所述从动锥齿轮(16)与主动锥齿轮(15)相啮合；所述主动锥齿轮(15)固定安装在所述主动锥齿轮轴(13)上；所述主动锥齿轮轴(13)通过轴承转动安装在所述主轴旋转支架(17)一侧，且所述主动锥齿轮轴(13)与转动驱动部传动连接。4.根据权利要求3所述的一种能够实现摩擦增材和搅拌摩擦焊接的主轴系统，其特征在于：所述转动驱动部包括高频电机(10)，所述高频电机(10)底部传动安装有换向传动器(11)；所述换向传动器(11)与所述主动锥齿轮轴(13)传动连接；所述高频电机(10)固定安装在所述电机支架(2)上。5.根据权利要求3所述的一种能够实现摩擦增材和搅拌摩擦焊接的主轴系统，其特征在于：所述主轴旋转支架(17)另一侧向远离所述旋转主轴(19)的方向延伸形成有啮合柱；所述角度控制组件与所述啮合柱上的啮合齿啮合；所述角度控制组件包括行星齿轮减速机(26)和角度控制伺服电机(25)；所述行星齿轮减速机(26)一侧与所述啮合柱啮合传动，另一侧还与所述角度控制伺服电机(25)传动连接；所述行星齿轮减速机(26)固定安装在所述主轴旋转固定架(12)一端。
6.根据权利要求2所述的一种能够实现摩擦增材和搅拌摩擦焊接的主轴系统，其特征在于：所述动力驱动部包括直线伺服电机(3)，所述直线伺服电机(3)的输出端安装有直线电机推杆(4)；所述直线电机推杆(4)通过异步转速连接组件实现多边形母材原料(1)在所述旋转主轴(19)内竖直方向的给进活动。7.根据权利要求6所述的一种能够实现摩擦增材和搅拌摩擦焊接的主轴系统，其特征在于：所述异步转速连接组件包括异转速连接上盖(5)；所述异转速连接上盖(5)顶部与所述直线电机推杆(4)接触配合；所述异转速连接上盖(5)底部通过轴承与异转速连接轴承安装座(6)同轴转动连接；所述异转速连接轴承安装座(6)底面固定安装有异转速连接下安装座(8)；所述异转速连接下安装座(8)顶部中心固定安装有连接螺栓(7)；所述连接螺栓(7)贯穿异转速连接轴承安装座(6)且与所述直线电机推杆(4)螺纹连接。8.根据权利要求7所述的一种能够实现摩擦增材和搅拌摩擦焊接的主轴系统，其特征在于：所述异转速连接下安装座(8)底面开设有安装槽，所述安装槽内嵌入柔性橡胶套(9)，所述橡胶套(9)与多边形母材原料(1)摩擦配合。9.根据权利要求2所述的一种能够实现摩擦增材和搅拌摩擦焊接的主轴系统，其特征在于：所述旋转主轴(19)外壁还安装有轴套(23)。10.根据权利要求1所述的一种能够实现摩擦增材和搅拌摩擦焊接的主轴系统，其特征在于：所述搅拌摩擦焊接转接头(27)底部中心孔以及侧面紧定螺钉安装所述搅拌摩擦焊接搅拌头。

技术总结
本发明公开一种能够实现摩擦增材和搅拌摩擦焊接的主轴系统，包括电机支架；电机支架上分别安装有动力驱动部和转动驱动部；主轴旋转固定架内通过衬套转动安装有主轴旋转支架；旋转组件固定安装于主轴旋转支架内；旋转组件内装夹有多边形母材原料；所述旋转组件与增材轴头/搅拌摩擦焊接转接头柔性配合。多边形母材原料通过异步转速连接组件与动力驱动部传动连接；主轴旋转支架一侧还安装有角度控制组件；主轴旋转支架与转动驱动部传动连接。本发明的结构合理，功能丰富实用，操作简单便捷，利用一套主轴系统既能够实现摩擦增材又能实现搅拌摩擦焊接，对于设备的利用率高，安装方便，使用性能高且有便于日常的维修保养等特点。使用性能高且有便于日常的维修保养等特点。使用性能高且有便于日常的维修保养等特点。


技术研发人员：王军 李宁 张亮 王会霞 付凯
受保护的技术使用者：河北科技大学
技术研发日：2023.05.25
技术公布日：2023/7/13