CN107052560A - 一种实现带轴肩的摩擦堆焊的主轴*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现带轴肩的摩擦堆焊的主轴***，包括圆棒耗材和圆筒外壳、圆筒外壳内同轴的空心主轴、沿空心主轴内孔上下滑动的轴套、与空心主轴下端固定的自锁加紧机构和刚性轴套。圆棒耗材上端与轴套固定、下端通过自锁加紧机构和刚性轴套与工件表面接触。当空心主轴高速旋转时，将通过轴套和下端自锁加紧机构带动圆棒耗材与刚性轴套高速旋转、同时轴套沿空心主轴向下移动，使得圆棒耗材在高速旋转同时又能沿轴向向下移动，刚性轴套起到非消耗轴肩摩擦挤压作用，从而实现带轴肩的摩擦堆焊工艺过程。采用这种主轴***不仅可以提高圆棒耗材利用率，而且有效消除传统摩擦堆焊层边缘的弱连接缺陷，获得力学性能更为优异的摩擦堆焊层。

Description

一种实现带轴肩的摩擦堆焊的主轴***

技术领域

本发明属于固相摩擦焊接技术领域，具体涉及一种实现带轴肩的摩擦堆焊的主轴***。

背景技术

摩擦堆焊是一种特殊的材料表面堆焊与加工技术，它是采用摩擦焊的原理实材料堆焊过程的先进工艺方法。如图1所示，摩擦堆焊主要原理描述如下：首先将需要堆焊的材料加工成一定尺寸圆棒状耗材2，其次对圆棒耗材施加高速旋转作用、并在高速旋转的同时施加一定轴向顶锻压力；这样在高速旋转和轴向压力的共同作用下，当圆棒耗材2与基材表面1接触时必然会产生大量摩擦加热作用，耗材摩擦界面附近材料发生明显软化并进入热塑性状态；由于基材体积大其热传导率明显高于圆棒耗材2一侧，因而摩擦热源大部分集中在圆棒耗材2摩擦界面附近，使得耗材摩擦界面附近材料不断进入热塑性状态并形成大量耗材飞边3环绕在耗材端部；此时当圆棒耗材2沿基材表面横向移动时，摩擦加热形成的热塑性材料就会连续不断地过渡到基材表面而(由堆焊层4)形成连续堆焊焊缝。

由于在该过程中耗材完全处于软化的热塑性状态不会产生熔化，因而与传统熔化堆焊工艺比较，摩擦堆焊具有以下优势：(1)摩擦堆焊过程不会产生熔化和凝固过程，从而有效避免了与材料凝固有关的各种冶金缺陷如微裂纹、气孔及夹杂等熔焊缺陷的产生，所获得的堆焊层为压应力状态的锻造组织；(2)在高速旋转摩擦热源与顶锻压力的共同作用下，摩擦堆焊层组织结构致密、晶粒细小并具有良好力学性能；(3)可以实现熔焊工艺很难堆焊的各种异种金属的堆焊过程、制备具有特殊各种性能的梯度堆焊层；(4)堆焊过程属于机械加工过程，无烟尘飞溅、无弧光和辐射污染、且摩擦热源效率高，是一种绿色环保与高效的材料表面加工方法；(5)堆焊设备类似重载数控机床装备、堆焊过程容易实现自动化、生产效率高；(6)由于堆焊过程属于固相焊接过程，很容易实现基材表面的全位置堆焊工艺。

目前在国外发达国家工业领域，摩擦堆焊技术已获得广泛关注并进行了许多应用基础研究，该技术已经用于制造零部件的局部表面耐磨损及耐腐蚀复合层，如各种闸板阀表面抗腐蚀涂层加工、各种刀刃和耐磨部件的耐磨层制造及修复等。许多试验表明：摩擦堆焊技术在摩擦轧制、零件快速制造、复合材料制备、机械工程结构局部修复及再制造等堆焊与加工制造领域具有广泛的应用潜力。

但传统摩擦堆焊过程仍存在以下主要问题：(1)圆棒耗材的利用率低。由于在传统摩擦堆焊过程中，没有对耗材摩擦界面附近材料进行限制约束，大部分耗材将形成飞边而消耗掉，从而不能有效过渡到基材表面形成堆焊缝，造成堆焊耗材的利用率明显降低。试验表明，只有圆棒耗材的中心部位的少部分材料(圆棒中心1/3半径内)才能过渡到基材表面形成堆焊层，而其余的材料均形成飞边包裹在耗材周围。(2)堆焊层界面连接强度不均匀，中心区域高而两边缘处连接强度明显降低并容易产生弱连接缺陷。由于耗材摩擦界面压力明显不均匀、中心高而边缘低，所形成的堆焊层两边缘会产生未焊合缺陷。因此传统堆焊层边缘很容易产生弱连接缺陷，连接强度低。尤其在进行多道堆焊时，后道堆焊缝需搭接于前道焊缝边缘位置才能改善整个堆焊层内连接强度，但在某些情况下仍不能完全消除堆焊层边缘与基材表面的未焊合缺陷，这将对整个堆焊层焊接质量产生严重影响。

为了获得良好堆焊层连接强度，在进行多道堆焊时必须采用机加工方法将前堆焊缝两边缘的未焊合区域切除掉才能进行邻近焊道堆焊，这不仅进一步浪费堆焊材料并使得堆焊工艺复杂化，而且使得摩擦堆焊技术在工程中很难应用于基材表面的大面积堆焊层制备。

发明内容

为了克服传统摩擦堆焊工艺过程产生的上述局限性，有效提高摩擦堆焊耗材的利用率、消除堆焊层边缘弱连接缺陷及进一步改善摩擦堆焊层的焊接质量。本发明提出一种带轴肩的摩擦堆焊加工方法及其实现装置，采用这种方法和具体装置不仅可以有效限制和挤压耗材产生的飞边、提高耗材利用率，而且由于轴肩产生的顶锻压力使得耗材摩擦界面均匀受力、可以有效消除摩擦堆焊层边缘的弱连接缺陷。从根本上改善传统摩擦堆焊工艺过程，实现多道连续及大面积的摩擦堆焊过程，有效拓宽传统摩擦堆焊技术的应用范围并获得力学性能更为优异的摩擦堆焊层。

为了解决上述技术问题，本发明提出的一种实现带轴肩的摩擦堆焊的主轴***，包括圆棒耗材和圆筒外壳，所述圆筒外壳内同轴的设有空心主轴，所述空心主轴的两端均从所述圆筒外壳的两端穿出，所述圆棒耗材设置在所述空心主轴内，所述空心主轴的下端设有耗材自锁加紧机构，所述耗材自锁加紧机构的下端固定有刚性轴套，所述刚性轴套形成了非消耗刚性轴肩，所述刚性轴套设有与所述空心主轴同轴的通孔，所述圆棒耗材的上端从所述空心主轴的上端穿出，所述圆棒耗材的下端依次从穿出所述空心主轴和所述刚性轴套穿出，所述空心主轴的侧壁上设有径向对称的两个滑动键通槽，所述空心主轴的下部设有主动力轮，所述圆筒外壳的下部设有与圆筒外壳贯通的开口，所述开口的位置与所述主动力轮的轴向位置对应，所述圆筒外壳的上端和下端均通过承载角向轴承和法兰盘支撑所述空心主轴转动，驱动装置将动力传递给主动力轮，从而带动所述空心主轴旋转；所述圆棒耗材的上端固定有轴套，所述轴套与所述空心主轴之间为滑动配合；所述轴套上固定有径向对称的两个滑动键，两个滑动键分别嵌装在两个滑动键通槽内；所述耗材自锁加紧机构包括一个筒体、两个滑动轮和四个楔形块，所述滑动轮的外回转表面为圆弧凹面，圆弧凹面的曲率半径与所述圆棒耗材的外径一致；所述筒体套在所述空心主轴下端的轴段上，在该轴段上设有用于安装圆弧凹面滑动轮的安装槽和用于安装滑动轮旋转轴的椭圆孔，所述滑动轮的圆弧凹面与所述圆棒耗材的外表面之间为过渡配合，四个楔形块分别设置在所述筒体与所述滑动轮旋转轴之间，所述筒体的底部设有与四个楔形块位置分别对应的螺纹孔，每个螺纹孔内设有顶紧螺栓；所述顶紧螺栓锁紧顶住楔形块，所述耗材自锁夹紧机构使得圆棒耗材棒在整个长度范围内承受均匀的扭矩作用的同时沿轴向上下移动，从而实现摩擦堆焊工艺。

进一步讲，本发明实现带轴肩的摩擦堆焊的主轴***，其中，所述滑动轮的圆弧凹面在轴向断面的中心角为70°～90°。

所述刚性轴套通孔的内径比圆棒耗材的外径大1mm或所述刚性轴套与所述圆棒耗材之间为滑动配合。

本发明实现带轴肩的摩擦堆焊的主轴***是实现带轴肩摩擦堆焊工艺、建造摩擦堆焊设备的关键机构***。与传统摩擦堆焊比较本发明具有以下有益效果：

(1)使用本发明主轴***实现摩擦堆焊加工时，能有效限制圆柱耗材飞边的产生并最大限度提高耗材的利用率。从根本上改进传统摩擦堆焊对耗材无限制约束的状态，采用非消耗刚性轴肩限制约束摩擦界面附近软化耗材，有效限制耗材飞边的产生从而明显提高耗材的利用率。

(2)使用本发明主轴***实现摩擦堆焊加工时，能增加摩擦界面边缘轴向压力、提高边缘连接强度并消除堆焊层边缘的焊接缺陷，有效增加摩擦堆焊层宽度并进一步提高耗材利用率和堆焊层焊接质量，为实现多道多层较大面积的摩擦堆焊层提供基础。

(3)本发明主轴***按设计要求可以实现不同直径(如10-20mm等)和长度400-1000mm等圆棒耗材的摩擦堆焊工艺，所获得的摩擦堆焊层长度与宽度明显高于传统摩擦堆焊层的尺寸限制条件。传统摩擦堆焊完全靠圆棒耗材自身尺寸承受轴向压力和旋转扭矩作用，因此耗材直径不能太小其长度也不能很长，否则无法完成摩擦堆焊工艺过程。而本发明采用带键槽空心主轴、固定圆棒耗材轴套、角向承载轴承、耗材底部斜面自锁加紧机构与非消耗轴肩***限制和约束耗材，可以采用不同直径和长度较大的耗材实现摩擦堆焊过程，有效拓宽摩擦堆焊工艺的应用领域。

(4)采用本发明的主轴***替换传统摩擦堆焊设备的主轴***，就可以实现本发明提出的带轴肩摩擦堆焊工艺原理。该装置操作简便、工艺过程可靠稳定，是推广和应用带轴肩摩擦堆焊新工艺的关键机构。

附图说明

图1是传统摩擦堆焊过程示意图；

图2是本发明带轴肩的摩擦堆焊过程示意图；

图3-1是本发明带轴肩的摩擦堆焊主轴***的外观结构示意图；

图3-2是图3-1所示摩擦堆焊主轴***另一个视角的外观局部结构放大示意图；

图3-3是图3-1所示摩擦堆焊主轴***的主视图；

图3-4是图3-1所示摩擦堆焊主轴***的侧视图；

图3-5是图3-1所示摩擦堆焊主轴***的全剖主视图；

图4-1是图3-5中所示主轴的主视图；

图4-2是图4-1中所示主轴的侧视图；

图4-3是图4-1中所示主轴的立体结构示意图；

图4-4是图4-3中去掉上轴承后的主轴结构的侧视图；

图5-1是主轴及其底部的自锁加紧机构的全剖主视图；

图5-2是图5-1所示主轴及其底部的自锁加紧机构的全剖侧视图；

图5-3是图5-1所示主轴及其底部的自锁加紧机构的局部立体结构示意图；

图6-1是本发明中主轴的全剖立体结构示意图；

图6-2是图6-1所示主轴另一个视角的全剖立体结构示意图；

图7-1是本发明中主轴底部的楔形自锁加紧机构的立体结构示意图；

图7-2是图7-1所示楔形自锁加紧机构另一视角的立体结构示意图；

图中：

1-基板表面 2-圆棒耗材 3-耗材飞边 4-堆焊层

5-刚性轴肩 6-空心主轴 7-轴套 8-自锁加紧机构

9-刚性轴套 10-外壳 11-主动力轮 12-承载角向轴承

13-圆棒耗材 14-滑动键 15-滑动键通槽 16-滑动轮

17-销钉螺纹孔 18-楔形块 19-螺纹孔 20-椭圆孔

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。

图1示出的为传统摩擦堆焊过程，堆焊过程中圆棒耗材2在高速旋转的同时，施加轴向压力顶锻挤压基材表面1并沿基材表面1横向移动，由于旋转摩擦加热和顶锻压力作用在摩擦界处面形成耗材飞边3同时，耗材逐步过渡到基材表面1形成堆焊层4。在该过程中耗材摩擦面附近完全自由没有限制约束，耗材不仅承受轴向压力作用还承受扭矩作用，因此圆棒耗材2直径不能过小、长度也不能太长，否则很难完成摩擦堆焊工艺过程。随堆焊过程不断进行，所形成的耗材飞边3不断增加并包裹向耗材的上部。所形成的堆焊层4宽度小于圆棒耗材2的直径，且堆焊层4两边缘由于压力降低容易产生弱连接缺陷。此外由于圆棒耗材2长度限制，很难制备较长的摩擦堆焊层4。

图2示出了本发明带轴肩的摩擦堆焊工艺原理示意，与图1所示的传统摩擦堆焊过程的根本不同是在耗材摩擦界面附近增加一个非消耗的刚性轴肩(有刚性轴套5形成)，该刚性轴肩与圆棒耗材2同轴套在摩擦界面附近。在堆焊过程中该刚性轴肩与圆棒耗材2同时高速旋转并沿基材表面1横向移动，但不接触基材表面1并与基材表面1始终保持1-2mm距离。这样刚性轴肩5的圆孔内壁与圆棒耗材2旋转速度相同，两者之间不会产生摩擦加热，圆棒耗材2只是沿刚性轴肩5的圆孔轴向在顶锻压力作用下上下移动，有效限制摩擦界面附近由于圆棒耗材2软化产生的侧向膨胀，刚性轴肩不接触基材表面1因而与基材之间也不会摩擦力作用；此外刚性轴肩5又向下挤压耗材产生的耗材飞边3，有效限制约束耗材飞边3的产生。这样所形成的堆焊层4的宽度近似为圆柱耗材2的直径尺寸，且堆焊层4两边缘由于刚性轴肩5压力和限制可显著增加堆焊缝两边缘的连接强度，消除可能产生的弱连接缺陷，实现多道连续及大面积的摩擦堆焊过程，并有效拓宽传统摩擦堆焊技术的应用范围、获得力学性能更为优异的摩擦堆焊层。

本发明是在如图2所示的带轴肩摩擦堆焊工艺原理的基础上，为实现该工艺过程提出了一种实现带轴肩的摩擦堆焊的主轴***，其整体结构及局部构件参见下述附图，图3-1和图3-2是本发明主轴***的外观结构图；图3-3、图3-4和图3-5分别为本发明主轴***的主视图、侧视图和全剖视图；图4-1、图4-2和图4-3是本发明中主轴的主视图、侧视图和整体结构示意图，图4-4是去掉上轴承后的主轴结构的侧视图；图5-1、图5-2和图5-3是本发明中主轴及其底部堆焊圆棒耗材自锁加紧机构示意图，图6-1和图6-2是本发明中主轴的结构示意图；图7-1和图7-2是本发明中主轴底部的楔形自锁加紧机构详细示意图。

结合上述个附图对本发明可以实现带轴肩的摩擦堆焊的主轴***的结构进行如下描述，如图3-5所示，该主轴***包括圆棒耗材13和圆筒外壳10，所述圆筒外壳10内同轴的设有空心主轴6，所述空心主轴6的两端均从所述圆筒外壳10的两端穿出，所述圆棒耗材13设置在所述空心主轴6内，所述空心主轴6的下端设有耗材自锁加紧机构8，所述耗材自锁加紧机构8的下端固定有刚性轴套9，所述刚性轴套9形成了非消耗刚性轴肩，所述刚性轴套9设有与所述空心主轴6同轴的通孔，所述圆棒耗材13的上端从所述空心主轴6的上端穿出，所述圆棒耗材13的下端依次从穿出所述空心主轴6和所述刚性轴套9穿出；所述刚性轴套通孔的内径比圆棒耗材13的外径大1mm或所述刚性轴套与所述圆棒耗材13之间为滑动配合。

如图3-1、图3-2、图3-3、图3-4和图3-5所示，所述空心主轴6的侧壁上设有径向对称的两个滑动键通槽15，所述空心主轴6的下部设有主动力轮11，所述圆筒外壳10的下部设有与圆筒外壳10贯通的开口，所述开口的位置与所述主动力轮11的轴向位置对应，所述圆筒外壳10的上端和下端均通过承载角向轴承12和法兰盘(法兰盘上的螺栓孔同轴刚性固定连接，图中未画出固定螺栓孔)支撑所述空心主轴6转动，所述承载角向轴承12用于支撑带滑动键通槽15的空心主轴6的高速旋转运动、并施加轴向顶锻压力，驱动装置将动力传递给主动力轮11，从而带动所述空心主轴6旋转。

如图3-5和图4-1、图4-2、图4-3、图4-4、图5-1和图6-1所示，所述圆棒耗材13的上端固定有轴套7，所述轴套7与所述空心主轴6之间为滑动配合；所述轴套7上固定有径向对称的两个滑动键14，两个滑动键14分别嵌装在两个滑动键通槽15内。

本发明主轴***中，空心主轴6与轴套7及耗材自锁加紧机构8上下各部分之间可以通过法兰盘配合高强度螺栓连接，非常方便该主轴***的安装拆卸与维护保养，对于易损耗的承载角向轴承12也便于更换，在外壳10上开有矩形开口，非常方便与主轴动力电机皮带相连接，也可以在设计阶段就考虑主轴动力电机安装位置，从而将本发明主轴***与主动力电机集成在一起形成独立的可完成带轴肩摩擦堆焊工艺的完整主轴头动力***。

本发明主轴***中，如图3-5所示，空心主轴6是该主轴动力***装置的最关键部件，在该主轴两端安装有承载角向轴承12以支撑该空心主轴6运动，空心主轴6上安装有皮带轮作为主动力轮11，该主动力轮11与设备主轴动力电机相联系(图中未画出主动力电机与连接皮带部件)，用于传递旋转主动力源给带有滑动键通槽15的空心主轴6。

本发明主轴***中，设置在空心主轴6下端的耗材自锁加紧机构8和非消耗刚性轴肩9，其中，自锁加紧机构8用于在底部固定圆棒耗材13，而由刚性轴套5形成的非消耗刚性轴轴肩需要采用耐磨损耐高温模具钢制作，其中，轴肩的内孔直径应大于圆棒耗材1mm或是两者之间为滑动配合，以保证圆棒耗材棒13能沿轴向不受力的上下移动。空心主轴6内部是完全贯穿的不同直径的内孔，其中上部的较大尺寸的内孔直径稍微大于用来固定圆棒耗材棒13上端的轴套7的外径，这样轴套7可沿空心主轴6内孔沿轴向移动是不受力的滑动配合；空心主轴6下端连接的刚性轴套9的内孔直径与圆棒耗材棒13的外径一致，以保证圆棒耗材13沿空心主轴6内孔轴向上下移动、并穿过刚性轴套9内孔可以不受力的上下滑动。空心主轴6上部大部分区域(如图4-3、图4-4和图5-1所示)沿直径方向开有滑动键通槽15，该键槽的长度决定圆棒耗材13沿轴向的移动行程，是决定摩擦堆焊焊缝长度的关键参数；键槽内通过两个滑动键14将固定圆圆棒耗材13上端的轴套7与空心主轴6完全刚性的相固定联系，但固定后轴套7在空心主轴6内孔中由于滑动键14的刚性限制，只能沿滑动键通槽15不受力的上下滑动。在空心主轴6中滑动键14起到以下重要作用；一是将轴套7与空心主轴6刚性固定在一起；二是空心主轴6高速旋转时将通过滑动键14带动轴套7高速旋转，而轴套7上又刚性固定有圆棒耗材13，因而带动耗材高速旋转；三是在保证轴套7高速旋转的同时，滑动键14又能沿滑动键通槽15上下移动，从而实现耗材的轴向上下移动，以实现摩擦耗材的堆焊工艺过程。

如图5-2和图6-2所示，空心主轴6的剖视图及局部图中，可以看出本发明主轴***中，固定圆棒耗材13上端的轴套7上开有安装销钉的螺栓孔17，用于旋进顶丝以固定圆棒耗材棒13；轴套7上沿直径两边又固定有滑动键14，用于将轴套7与空心主轴6固定在一起，同时保证轴套7与空心主轴6同步高速旋转。

空心主轴6的下端带有两个圆弧凹面滑动轮的耗材自锁加紧装置8和非消耗轴肩9，用于加紧耗材的同时保证耗材沿轴向能上下移动，非消耗刚性轴肩在限制约束软化耗材13的同时，施加顶锻压力限制耗材飞边的形成，并挤压摩擦面边缘增加摩擦压力、提高边缘连接强度和堆焊层宽度。空心主轴6的长度决定摩擦堆焊可实现的堆焊缝长度，并起到支撑限制圆棒耗材棒13的侧向弯曲，因此本发明装置可实现不同直径(如10-20mm等)长度为400-1000mm圆棒耗材的摩擦堆焊工艺，极大拓宽了传统摩擦堆焊工艺应用范围。

如图3-5、图4-1、图4-3、图5-3、图7-1和图7-2所示，所述耗材自锁加紧机构8包括一个筒体、两个滑动轮16和四个楔形块18，所述滑动轮16的外回转表面为圆弧凹面，圆弧凹面的曲率半径与所述圆棒耗材的外径一致，所述滑动轮16的圆弧凹面在轴向断面的中心角为70°～90°。所述筒体套在所述空心主轴6下端的轴段上，在该轴段上设有用于安装圆弧凹面滑动轮16的安装槽和用于安装滑动轮旋转轴的椭圆孔20，所述滑动轮16的圆弧凹面与所述圆棒耗材13的外表面之间为过渡配合，四个楔形块18分别设置在所述筒体与所述滑动轮旋转轴之间，所述筒体的底部设有与四个楔形块18位置分别对应的螺纹孔19，每个螺纹孔19内设有顶紧螺栓(图中未画出)；所述顶紧螺栓锁紧顶住楔形块18。自锁加紧机构8实际工作时，通过螺栓孔19的顶紧螺栓挤压四个楔形块18，楔形块18横向移动推动滑动轮16的旋转轴沿椭圆内孔20横向移动，整个过程完全是刚性接触位移，以此实现对耗材底部的径向自锁加紧，同时允许耗材沿轴向上下移动。该加紧机构8的重要作用是加紧耗材起到支撑作用、并与轴套7配合分别在耗材的上端与下端施加旋转扭矩，所述耗材自锁夹紧机构使得圆棒耗材棒13在整个长度范围内都承受比较均匀扭矩作用，同时又能保证耗材沿轴向上下移动，使得摩擦堆焊工艺过程能有效实施进行。

在本发明主轴***中，空心主轴6、轴套7、耗材自锁加紧机构8、非消耗刚性轴套(肩)9和圆棒耗材13是整体的固定在带键槽空心主轴6上进行整体旋转和上下移动，该整体部件带动圆棒耗材13既进行高速旋转又施加轴向压力，同时随主轴***横向移动，以实现摩擦堆焊过程的全部运动。

本发明装置是建造带轴肩摩擦堆焊设备的关键机构***。采用该主轴***替换传统摩擦堆焊设备的主轴***，就可以实现本发明提出的带轴肩摩擦堆焊工艺原理。在带有本发明主轴***的摩擦堆焊设备工作过程中，首先，按尺寸要求加工圆棒耗材13，并在圆棒耗材13上端加工出一个小平面，以便在轴套7中通过螺栓孔17旋进顶丝螺栓以固定该圆棒耗材13；其次，将加工好的圆棒耗材13从刚性轴套(肩)9处穿进带有滑键通槽15的空心主轴6中，同时将带小平面的圆棒耗材13上端***轴套7中，轴套7的侧面采用顶丝螺栓通过螺栓孔17刚性固定圆棒耗材13上端；第三，通过本发明中的耗材自锁加紧机构8加紧耗材的下端，通过螺栓孔19旋进四个顶紧螺栓，四个顶紧螺栓要保证均匀旋进使得四个楔形块18对称均匀移动，以保证两个带有圆弧凹面的滑动轮16对圆棒耗材13的对中加紧；最后，移动刚性轴套(肩)9使得端面距离被堆焊基材表面有1-2mm间隙，按规定旋转速度、轴向压力机横向移动速度启动主轴电机进行堆焊，即可获得与圆棒耗材13直径宽度基本相同、厚度为1-2mm的摩擦堆焊层。

本发明装置具有结构比较简单、安装拆卸及操作维护方便，整体结构刚度大、堆焊过程可靠稳定、摩擦堆焊寿命长等突出优势，是实现带轴肩摩擦堆焊工艺原理和制造新型摩擦堆焊设备的关键主轴机构***。采用该装置的摩擦堆焊工艺窗口范围主要为：旋转速度在3000-5000rpm、轴向顶锻压力在800kg-3000kg、横向移动速度在100mm/min-300mm/min范围。根据圆棒耗材直径不同，选择适合堆焊参数即可获得与耗材直径宽度基本相同、厚度为1-2mm的摩擦堆焊层。

如在X65钢材表面采用Q235B直径为16mm的圆棒耗材，在3500rpm旋转速度、1200kg顶锻压力及100mm/min横向移动速度下，可获得宽度约为16mm、厚度为1.2mm的摩擦堆焊层。

如在X52钢材表面采用X52直径为20mm的圆棒耗材，在4500rpm旋转速度、1800kg顶锻压力及200mm/min横向移动速度下，可获得宽度约为20mm、厚度为1.6mm的摩擦堆焊层。

综上，本发明提出一种带轴肩的摩擦堆焊加工方法及其实现装置，采用非消耗轴肩对耗材摩擦界面附近进行刚性约束，限制耗材飞边的产生；并对耗材飞边和摩擦界面施加顶锻压力，使得摩擦界面面积增加、摩擦界面边缘摩擦压力增大，扩大摩擦堆焊层的宽度和消除堆焊层边缘的弱连接缺陷。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (3)

1.一种实现带轴肩的摩擦堆焊的主轴***，包括圆棒耗材(13)和圆筒外壳(10)，其特征在于：

所述圆筒外壳(10)内同轴的设有空心主轴(6)，所述空心主轴(6)的两端均从所述圆筒外壳(10)的两端穿出，所述圆棒耗材(13)设置在所述空心主轴(6)内，所述空心主轴(6)的下端设有耗材自锁加紧机构(8)，所述耗材自锁加紧机构(8)的下端固定有刚性轴套(9)，所述刚性轴套(9)形成了非消耗刚性轴肩，所述刚性轴套(9)设有与所述空心主轴(6)同轴的通孔，所述圆棒耗材(13)的上端从所述空心主轴(6)的上端穿出，所述圆棒耗材(13)的下端依次从穿出所述空心主轴(6)和所述刚性轴套(9)穿出，

所述空心主轴(6)的侧壁上设有径向对称的两个滑动键通槽(15)，所述空心主轴(6)的下部设有主动力轮(11)，所述圆筒外壳(10)的下部设有与圆筒外壳(10)贯通的开口，所述开口的位置与所述主动力轮(11)的轴向位置对应，所述圆筒外壳(10)的上端和下端均通过承载角向轴承(12)和法兰盘支撑所述空心主轴(6)转动，驱动装置将动力传递给主动力轮(11)，从而带动所述空心主轴(6)旋转；

所述圆棒耗材(13)的上端固定有轴套(7)，所述轴套(7)与所述空心主轴(6)之间为滑动配合；所述轴套(7)上固定有径向对称的两个滑动键(14)，两个滑动键(14)分别嵌装在两个滑动键通槽(15)内；

所述耗材自锁加紧机构(8)包括一个筒体、两个滑动轮(16)和四个楔形块(18)，所述滑动轮(16)的外回转表面为圆弧凹面，圆弧凹面的曲率半径与所述圆棒耗材的外径一致；所述筒体套在所述空心主轴(6)下端的轴段上，在该轴段上设有用于安装圆弧凹面滑动轮(16)的安装槽和用于安装滑动轮旋转轴的椭圆孔(20)，所述滑动轮(16)的圆弧凹面与所述圆棒耗材(13)的外表面之间为过渡配合，四个楔形块(18)分别设置在所述筒体与所述滑动轮旋转轴之间，所述筒体的底部设有与四个楔形块(18)位置分别对应的螺纹孔(19)，每个螺纹孔(19)内设有顶紧螺栓；所述顶紧螺栓锁紧顶住楔形块(18)，所述耗材自锁夹紧机构使得圆棒耗材棒(13)在整个长度范围内承受均匀的扭矩作用的同时沿轴向上下移动，从而实现摩擦堆焊工艺。

2.根据权利要求1所述实现带轴肩的摩擦堆焊的主轴***，其特征在于，所述滑动轮(16)的圆弧凹面在轴向断面的中心角为70°～90°。

3.根据权利要求1所述实现带轴肩的摩擦堆焊的主轴***，其特征在于，所述刚性轴套通孔的内径比圆棒耗材(13)的外径大1mm或所述刚性轴套与所述圆棒耗材(13)之间为滑动配合。