一种适合于小直径工件摩擦焊接的主轴机构、焊接装置及方法与流程

技术特征：
1.一种适合于小直径工件摩擦焊接的主轴机构，其特征在于：所述主轴机构（40）包括管状的主轴腔体（409），主轴腔体（409）的内部转动的安装有主轴（410），所述主轴（410）的前端部与锥套（415）连接，后端与主轴驱动轮（405）连接，锥套（415）内滑动的安装有与之相配合的弹性夹头（416），弹性夹头（416）远离主轴（410）的一端安装有夹具（417），弹性夹头（416）靠主轴（410）的一端与安装在主轴（410）内的拉管（411）连接，拉管（411）与回转油缸（401）的伸缩杆连接，回转油缸（401）与主轴驱动轮（405）连接固定，拉管（411）内安装有顶杆（412）；使用状态下，回转油缸（401）的伸缩杆回缩使弹性夹头（416）收缩，从而使夹具（417）夹紧套管（50）和待焊工件（60），待焊工件（60）位于套管（50）内并与顶杆（412）抵靠。2.根据权利要求1所述的一种适合于小直径工件摩擦焊接的主轴机构，其特征在于：所述主轴腔体（409）的内部靠近两端分别设有后主轴轴承（408a）和前主轴轴承（408b），主轴（410）安装在两个主轴轴承的内圈，后主轴轴承（408a）在远离前主轴轴承（408b）一侧设有顶环（406），顶环（406）套装在主轴（410）上，顶环（406）一侧抵靠后主轴轴承（408a）的内圈，另一侧与安装在主轴（410）后端部的主轴驱动轮（405）抵靠，所述主轴（410）的后端部设有外螺纹，环形螺母（404）安装在外螺纹上抵靠主轴驱动轮（405），从而使主轴（410）在主轴腔体（409）内定位转动；主轴腔体（409）的两端分别安装有前端盖（413）和后端盖（407），前端盖（413）和后端盖（407）分别套装在主轴（410）上，将前后主轴轴承密封，顶环（406）位于后端盖（407）与主轴（410）之间，顶环（406）与后端盖（407）间隙配合。3.根据权利要求1所述的一种适合于小直径工件摩擦焊接的主轴机构，其特征在于：所述主轴（410）的前端部安装有过渡环（414），过渡环（414）一侧连接在主轴（410）的前端部，另一侧与锥套（415）连接固定。4.根据权利要求1所述的一种适合于小直径工件摩擦焊接的主轴机构，其特征在于：所述回转油缸（401）通过转接法兰（402）与主轴驱动轮（405）连接，转接法兰（402）一侧与回转油缸（401）连接固定，另一侧与主轴驱动轮（405）连接固定。5.根据权利要求1所述的一种适合于小直径工件摩擦焊接的主轴机构，其特征在于：所述拉管（411）一端与弹性夹头（416）螺纹连接，所述弹性夹头（416）靠主轴（410）的一端设有内螺纹，拉管（411）端部设有外螺纹；所述拉管（411）另一端通过连接轴（403）与回转油缸（401）的伸缩杆连接，所述顶杆（412）远离夹具（417）的一端抵靠在连接轴（403）的端部。6.根据权利要求1所述的一种适合于小直径工件摩擦焊接的主轴机构（40），其特征在于：所述夹具（417）由多个扇形部件组成，所述夹具包括轴体（4171），轴体（4171）的中部外壁设有凸缘（4172），凸缘（4172）设有安装孔与弹性夹头（416）螺栓连接，轴体（4171）位于弹性夹头（416）内的一端中心设有用于待焊工件（60）穿过的定位通道（4173），轴体（4171）另一端的中心设有用于夹持套管（50）的夹持通道（4174），定位通道（4173）与夹持通道（4174）连通，位于夹持通道（4174）一侧的轴体（4171）上设有紧固螺纹孔（4175），紧固螺栓（418）安装在紧固螺纹孔（4175）中。7.一种适合于小直径工件摩擦焊接的焊接装置，其特征在于：包括机座（10）、滑台机构（20）、顶推机构（30）、主轴箱（70），以及权利要求1~6任意一项所述的主轴机构（40）；所述机座包括底座（11），底座（11）的两端上侧分别安装有左支撑体（12）和右支撑体（13），左支撑体（12）和右支撑体（13）向上延伸，顶部通过横梁（14）连接，所述主轴箱（70）固定安装在底座（11）上，一侧与左支撑体（12）连接固定，主轴机构（40）安装在主轴箱（70）上，弹性夹头
（416）一端朝向右支撑体（13），用于驱动主轴（410）转动的第一电机（71）安装主轴箱（70）内，第一电机（71）的输出轴安装有带轮，通过皮带与主轴驱动轮（405）配合传动，所述顶推机构（30）安装在右支撑体（13）内，所述左支撑体（12）和右支撑体（13）之间的底座（11）上设有滑道（15），滑台机构（20）与滑道（15）配合连接，通过顶推机构（30）的推拉，滑台机构（20）能够沿滑道（15）导向滑动；所述滑台机构（20）靠主轴机构（40）一侧设有夹台（21），夹台（21）能够左右和上下滑动。8.根据权利要求7所述的一种适合于小直径工件摩擦焊接的焊接装置，其特征在于：所述滑台机构（20）包括滑座（201），滑座（201）底部与滑道（15）滑动配合连接，滑座（201）侧面通过横向的第一直线导轨副（202）与夹台（21）连接，滑座（201）与第一直线导轨副（202）垂直的侧面固定安装有第一伺服电机（204），第一伺服电机（204）通过第一滚珠丝杆副（203）驱动夹台（21）沿左右运动；所述夹台（21）包括滑台底座（211），滑台底座（211）远离滑座（201）一侧设有纵向的第二直线导轨副（212）与夹板（214）连接，滑台底座（211）的顶部安装有第二伺服电机（213），第二伺服电机（213）通过滚珠丝杆副驱动夹板（214）上下运动；所述夹板（214）设有定位板（215）和/或夹持机构（216），用于对放置在夹板（214）上的待焊钢板（80）进行固定。9.根据权利要求7所述的一种适合于小直径工件摩擦焊接的焊接装置，其特征在于：所述顶推机构（30）包括外管体（31），外管体（31）内靠近两端分别设有转管轴承（311），转管轴承（311）的内圈安装有转管（32），外管体（31）的两端分别安装有密封环（312），密封环（312）套装在转管（32）外，转管（32）靠滑台机构（20）一端固定安装有管状螺母（33），另一端安装有皮带轮（34），所述转管（32）位于皮带轮（34）与靠近皮带轮（34）一侧的转管轴承（311）之间设有定位环（38），皮带轮（34）一侧抵靠定位环（38）使转管（32）在外管体（31）内定位转动，位于皮带轮（34）另一侧的转管（32）上安装有圆螺母（35），圆螺母（35）抵靠皮带轮（34），使皮带轮（34）定位在转管（32）上；顶推丝杆（36）转动的安装在管状螺母（33）内，顶推丝杆（36）一端设有柔性连接器（37）与滑台机构（20）连接；用于驱动转管（32）转动的第二电机（39）安装在顶推机构（30）下方的底座（11）上，第二电机（39）的输出轴设有带轮通过皮带与皮带轮（34）配合传动，使顶推丝杆（36）伸缩，从而推动滑台机构（20）移动；所述柔性连接器（37）包括固定头（371）、第一连接环（372）、第二连接环（373）和过渡连接体（374），所述固定头（371）固定安装在顶推丝杆（36）端部，固定头（371）的直径大于顶推丝杆（36）的直径，第一连接环（372）套在固定头（371）外部并与第二连接环（373）连接固定，第二连接环（373）与滑台机构（20）连接固定，固定头（371）在第一连接环（372）具有间隙，过渡连接体（374）安装在第一连接环（372）内，一侧与固定头（371）限位配合，另一侧与第二连接环（373）限位配合，从而限制顶推丝杆（36）转动。10.采用权利要求7-9任意一项所述一种适合于小直径工件摩擦焊接的焊接装置的焊接方法，其特征在于，它包括以下步骤：s1. 将待焊工件（60）和套管（50）安装到夹具（417）上，待焊工件（60）一端与顶杆（412）抵靠，另一端位于套管（50）内，并与套管（50）端部存在间隔；回转油缸（401）的伸缩杆回缩使弹性夹头（416）后移，驱动夹具（417）夹紧套管（50）和待焊工件（60），拧紧紧固螺栓（418），将套管（50）和待焊工件（60）压紧；s2. 将待焊钢板（80）放置在夹板（214）上，并通过定位板（215）和/或夹持机构（216）将
待焊钢板（80）固定，当待焊钢板（80）对应待焊工件（60）的焊接位置不符合要求时，启动第一伺服电机（204）和/或第二伺服电机（213），从而调整待焊钢板（80）的焊接位置；s3. 启动第一电机（71），主轴（410）转动，待焊工件（60）和套管（50）以相同角速度旋转；s4. 第二电机（39）启动，带动转管（32）转动，转管（32）转动带动管状螺母（33）转动，从而使顶推丝杆（36）伸出，推动滑台机构（20）向待焊工件（60）一侧移动，从而使待焊钢板（80）逐渐前移，套管（50）与待焊钢板（80）接触，此时在摩擦作用下进行对待焊钢板（80）进行预热；顶推丝杆（36）前端安装有压力传感器，精确控制摩擦焊接顶锻压力的大小；s5. 一级摩擦阶段：随着摩擦的进行，套管（50）前端材料不断的消耗，直至套管（50）内部的待焊工件（60）与待焊钢板（80）接触；s6. 二级摩擦阶段：顶锻力增加，待焊工件（60）和套管（50）前端的材料不断被消耗，且在摩擦热和旋转力作用下发生剧烈的塑性变形，同时焊合面积不断增加；s7. 顶锻阶段：主轴（410）停止旋转，顶推机构（30）施加更大的顶锻力，完成待焊工件（60）与待焊钢板（80）的焊接，同时多余的塑性金属被排出形成飞边；s8. 回转油缸（401）的伸缩杆伸出使弹性夹头（416）前移，夹具（417）松开套管（50），松开紧固螺栓（418），滑台机构（20）回原位，将套管（50）和待焊工件（60）取出，再从夹板（214）上取下钢板。

技术总结
一种适合于小直径工件摩擦焊接的主轴机构、焊接装置及方法，包括机座、滑台机构、顶推机构、主轴箱，以及主轴机构；主轴机构包括管状的主轴腔体，主轴位于主轴腔体的内部并与主轴腔体轴承连接，主轴的前端部与锥套连接，锥套内滑动的安装有与之相配合的弹性夹头，弹性夹头远离主轴的一端安装有夹具，所述弹性夹头靠主轴的一端与安装在主轴内的拉管连接，拉管与回转油缸的伸缩杆连接，所述回转油缸与主轴驱动轮连接固定，拉管内安装有顶杆。通过上述结构，主轴机构能够夹持套管和定位待焊工件，对摩擦焊设备旋转主轴要求降低，套管防止待焊工件颤动，并能够使待焊工件与待焊钢板之间均匀升温，焊接质量稳定，提高工件与钢板之间焊接的力学性能。的力学性能。的力学性能。


技术研发人员：曾凡勇 肖志威 曹平 郑秀华 郑佳辉 张涛 陈洪
受保护的技术使用者：中国核工业第二二建设有限公司
技术研发日：2022.09.06
技术公布日：2022/11/25