鋁合金攪拌摩擦焊電主軸的結構設計與分析*

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安陽工學院，河南 安陽 455000)

攪拌摩擦焊(friction stir weld，FSW)是一種新型的固相連接技術，是上世紀末本世紀初最新的鋁及其合金的焊接技術，被譽為“世界焊接史上的第二次革命”。而電主軸是最近幾年在數控機床領域出現的將機床主軸與主軸電動機融為一體的新技術，是機床的核心功能部件，不再使用皮帶或齒輪傳動副，從而實現機床主軸系統的“零傳動”。作為兩種現代新型技術，鋁合金攪拌摩擦焊與高速電主軸的跨行有機融合，勢必成為一種主流技術，對鋁合金摩擦焊技術和電主軸技術兩者的發展有著里程碑的意義。

1 攪拌摩擦焊主軸發展趨勢

作為攪拌摩擦焊主要驅動部件，同時也是摩擦焊設備的主要核心功能部件主軸的發展卻不如摩擦焊技術的推進速度，早期采用電動機驅動的皮帶主軸或齒輪主軸，轉速可控性差，主軸振動大，焊接質量差，同時焊機結構龐大，部分采用變頻器驅動的主軸，但攪拌頭不能快速更換，長時間焊接會因攪拌頭溫升較高而損壞，容易造成焊接質量不穩定，同時影響焊接主軸的溫升，造成主軸壽命較短，可靠性低，生產效率低下。在摩擦焊接時，轉軸承受較大負荷，造成轉軸易變形彎曲，軸承損壞，主軸精度降低。隨著焊接機床技術的高速發展和實際需要，已無法滿足焊接設備高質量連續焊接的要求。因此，對攪拌摩擦焊主軸提出了更高的設計標準。

鋁合金攪拌摩擦焊主軸的發展趨勢主要表現在以下幾個方面:

(1)旋轉速度繼續向高速度方向發展;

(2)向承受更大的壓緊力發展;

(3)進一步向高精度、高可靠性、高穩定性和延長工作壽命方向發展;

(4)向夾具標準化、快速更換方向發展;

(5)向多功能、智能化、標準化方向發展。

2 鋁合金攪拌摩擦焊電主軸的結構設計

“鋁合金攪拌摩擦焊電主軸單元關鍵技術研究”是河南省教育廳科學技術研究重點資助項目，結合國內電主軸技術現狀和實際鋁合金摩擦焊接生產應用的需要，從實現鋁合金攪拌摩擦焊主軸速度與時間的可控性、高穩定、高焊接精度和高可靠性入手，在現有電主軸的技術基礎上，著重分析鋁合金攪拌摩擦焊主軸的關鍵技術，結合鋁合金攪拌摩擦焊的工藝加工特點，設計出適用于鋁合金攪拌摩擦焊專用電主軸MCHD1230 -3 -10/3——一種中空冷卻自動調節負荷鋁合金攪拌摩擦焊電主軸，軸端的夾具接口設計為標準接口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構布局、軸承配置及預緊

鋁合金攪拌摩擦焊電主軸采用電動機在主軸前后支承之間的結構布局，電動機選用內置電動機，轉子部件、平衡環、后軸承套過盈于軸上。該設計結構形式的鋁合金攪拌摩擦焊電主軸具有平穩性好、振動小、溫升低的特點，能夠滿足鋁合金攪拌摩擦焊電主軸使用性能的要求。

此結構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別，α=25°的軸向剛度較高，但徑向剛度和允許的轉速略低;α=15°的轉速可更高些，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。軸承預緊采用螺紋緊固連接的定位預緊方式，保證電主軸在高速運轉攪拌摩擦焊接時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的創新設計

針對電主軸在鋁合金攪拌摩擦焊接過程中的溫升分析，結合傳統冷卻方式的優點和不足，立足于本項目鋁合金攪拌摩擦焊電主軸的實際工況，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 外形表面設計有螺旋水槽，在水槽外部設置有外水套13，殼體10 為前軸承套件和定子部件12內置的結構，螺旋水槽覆蓋大部分的前軸承套件和全部的定子部件，這樣設計的目的是吸收前軸承套和定子部件所散發的熱量，而使鋁合金攪拌摩擦焊電主軸的外部溫度降低。

2.2.2 內部氣冷卻

(1)把裝配于軸體內部的拉桿24 設計成中空結構，后端裝上旋轉接頭23 通過氣管與外界的氣冷裝置連接，前端BT30 刀柄4 為中空結構，ER32 夾芯3 夾上摩擦攪拌頭1，這種結構既能冷卻轉子部件11 旋轉時受氣隙傳導過來轉子鐵芯所產生的熱量，又能冷卻攪拌頭1 工作時與工件摩擦產生的熱量。該設計方式達到降低軸芯內部溫升的目的，鋁合金攪拌摩擦焊電主軸內部的溫度也會明顯降低，使主軸內部的熱變形趨于合理。

(2)中空拉桿24 靠近轉子部件11 前端徑向部位設置有凹槽。該中空拉桿在靠近轉子部件11 后端部位設置有徑向氣孔與轉軸7 徑向氣孔連通，并在3 組徑向氣孔的相鄰兩側設置有密封環形槽，安裝有密封圈。中空拉桿24 靠近電動機前端徑向部位設置有凹槽。轉軸7 中部設置有3 組徑向均分氣孔，靠近電動機轉子部位的兩組徑向氣孔連通轉軸7 與轉子部件11 之間的氣腔，另1 組徑向氣孔與轉軸內部氣道連通，通到轉軸7 與前端蓋6 間隙處。

(3)冷卻循環路徑。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，將一定的冷卻液強制輸入到電主軸的內部，經螺旋水槽，然后到達出水口;內部冷卻通過外部氣冷裝置產生高壓冷卻氣，由旋轉接頭23 經中空拉桿24 型腔后分成兩路，一路由拉桿中空氣道經BT30 刀柄4 的中空結構，通過ER 夾芯3 的16 個縫隙噴出，到達攪拌頭1 與鋁合金焊接工件工作面，實現對轉軸7 和攪拌頭1 進行冷卻;一路高壓冷卻氣體經中空拉桿24 后段氣孔進入轉軸7 與轉子部件11 之間的氣腔，經轉軸7 中部氣孔、凹槽氣道，又進入轉軸7 前段內部氣道，最后到達轉軸7 與前端蓋6 間隙處，降低轉軸7 內部溫升，同時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設計

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，就容易進入冷卻液，冷卻液就會將軸承內的潤滑脂沖掉，這樣既起不到潤滑效果，又會增加溫升，達不到設計要求。油氣潤滑是在鋁合金攪拌摩擦焊電主軸殼體上設計進油口，通過油道再由外隔墊8、15 上專門設計4 個對稱均布的噴油嘴，如圖4 所示，在鋁合金攪拌摩擦焊電主軸工作時進行壓力噴射，這樣軸承中的滾珠就能均勻地得到潤滑油，達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產生的摩擦毀壞。這樣既能達到延長軸承的壽命，又保證了電主軸的設計壽命。同時高壓潤滑油氣在保證油氣潤滑軸承的同時，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 與轉軸7 之間的間隙進入電主軸內部，達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，該設計結構既能潤滑和冷卻軸承，又起到了密封的作用，達到了研究目的。

2.4 鋁合金攪拌摩擦焊電主軸軸端與攪拌頭聯接部位的設計

鋁合金攪拌摩擦焊電主軸軸端與攪拌頭刀柄聯接的三維四分之一剖視圖，如圖5 所示，根據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接采用標準7:24 錐度聯接，具有不自鎖、快速裝卸、制造成本低、使用可靠等優點。刀柄錐體在拉桿軸向拉力的作用下，緊緊地與轉子軸內錐孔面接觸，裝夾攪拌頭1 的刀柄錐體直接安裝在主軸內錐孔支承刀具，可以減小刀具的懸伸量，這種聯接只有一個尺寸即錐角需要加工到很高的精度，所以成本較低，應用非常廣泛。另外，鋁合金攪拌摩擦焊主軸與裝夾攪拌頭的刀柄聯接具有很高的重復安裝精度，以保證每次更換后精度不變，穩定重復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接必須有很高的聯接剛度和精度，同時對可能產生的振動有衰減作用。與此同時，刀柄也進行了優化設計，設計成中空結構的手動連接式刀柄，這樣既能通用于BT30 系列的各種手動換刀機床，又能進行冷卻降溫一體化結構的主軸刀柄。

2.5 鋁合金攪拌摩擦焊電主軸自動調節負荷機構設計

在鋁合金攪拌摩擦焊接時，轉軸7 承受較大徑向負荷，造成轉軸易變形彎曲，軸承損壞，主軸精度降低，焊接質量不高。為減少電主軸承受負荷，在主軸后部設計一種自動調節負荷的機構，如圖1 所示。

后大蓋28 靠近轉軸7 后端外徑臺階安裝有軸承25，通過螺紋段與壓緊螺母21 聯接，軸承25 外徑緊密安裝有從動體17，該從動體后端圓周設置有均布的孔，在孔底設置安裝有橡膠圈18，孔中設置安裝有減荷銷19，該減荷銷另一端與主動體20 圓周均布小孔配合安裝。在轉軸7 高速運轉同時，后壓蓋22 帶動主動體20 轉動，并通過均布的減荷銷19 帶動從動體17。在主軸摩擦焊接承受較大負荷時，由均布減荷銷19 與從動體橡膠圈18 的相互彈性作用及軸承25 的配合下，自動調節負荷大小。

3 檢測驗證

參照JB/T10801.2 -2007 標準，經河南省有關檢測部門檢測，該鋁合金攪拌摩擦焊電主軸各項主要指標達到設計要求，具體檢測數據如表1 所示。

從表1 可以得知，電主軸的主要檢測指標之一溫升，檢測數據驗證了主軸結構設計的合理性，為電主軸長時間持續工作提供有力的保證。

4 結語

高質量的攪拌摩擦焊焊接，有賴于焊接過程對各工藝參數的精確監控:主軸的負荷、攪拌頭的溫升、焊接主軸轉速及焊接速度等。電主軸作為新型焊接數控化設備的核心功能部件，在攪拌摩擦焊專業焊接設備中起著關鍵的作用，為焊接設備的批量化、數控化發展提供重要的技術支持。作為鋁合金攪拌摩擦焊接領域的專用電主軸，由于其工藝特殊性，如何更好地將摩擦焊技術與電主軸技術結合，在許多技術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目

［1］夏羅生，朱樹紅.基于UG 的攪拌主軸部件設計與運動仿真研究［J］.工具技術，2011(6):74 -77.

［2］趙維剛，張松.長鋁板專用攪拌摩擦焊接機床的系統設計與分析［J］.組合機床與自動化加工技術，2012(8):106 -109.

［3］孫宜華，杜良.攪拌摩擦焊的研究進展與應用［J］.新技術新工藝，2011(6)，70 -73.

［4］孔祥志，李長英，王家興，等.內裝式電主軸冷卻方式的探討［J］.機械工程師，2011(1):30 -31.

［5］閻樹田，許慶鵬.高速電主軸冷卻系統設計與研究［J］.機械與電子，2012(3):44 -46.