多层板材搅拌摩擦铆焊用四电机直驱式交流伺服冲铆装置及冲铆机
阅读说明：本技术 多层板材搅拌摩擦铆焊用四电机直驱式交流伺服冲铆装置及冲铆机 (Four-motor direct-drive type alternating-current servo punching and riveting device for multilayer plate friction stir rivet welding and punching and riveting machine ) 是由 范淑琴 卢孟康 赵升吨 张鹏 于 2020-06-24 设计创作，主要内容包括：本发明涉一种多层板材搅拌摩擦铆焊用四电机直驱式交流伺服冲铆装置,包括搅拌套旋转系统、搅拌针旋转系统、搅拌针冲压系统、搅拌头系统；第一力矩电机转子通过第一中空主轴实现对搅拌套夹头的直接驱动实现旋转运动；轴承套筒实现对顶针的轴向驱动；所述搅拌针旋转系统包括第一交流伺服电机、花键轴；交流伺服电机驱动花键轴,花键轴与顶针通过花键副连接实现顶针旋转运动的同时保留其轴向自由度。本发明可以实现搅拌套旋转、搅拌针旋转与搅拌针冲压三种运动的任意配合,能够解决搅拌摩擦点焊工艺留下的退出匙孔缺陷,并在冶金结合的基础上加入机械结合,可以获得连接强度高、外观质量好、连接紧密的铆焊连接点。(The invention relates to a four-motor direct-drive alternating-current servo punching and riveting device for friction stir rivet welding of a multilayer plate, which comprises a stirring sleeve rotating system, a stirring pin punching system and a stirring head system; the first torque motor rotor directly drives the stirring sleeve chuck through the first hollow main shaft to realize rotary motion; the bearing sleeve realizes axial driving of the thimble; the stirring pin rotating system comprises a first alternating current servo motor and a spline shaft; the alternating current servo motor drives the spline shaft, and the spline shaft and the ejector pin are connected through the spline pair to realize the rotation motion of the ejector pin and simultaneously keep the axial degree of freedom of the ejector pin. The invention can realize the arbitrary coordination of three motions of stirring sleeve rotation, stirring pin rotation and stirring pin punching, can solve the problem of key hole exit defect left by the friction stir spot welding process, and can obtain rivet welding connection points with high connection strength, good appearance quality and tight connection by adding mechanical combination on the basis of metallurgical combination.)
技术领域
本发明属于交流伺服冲铆设备领域，涉及一种多层板材搅拌摩擦铆焊用四电机直驱式交流伺服冲铆装置及冲铆机。
背景技术
多层板材常规的连接方法主要有螺栓固连、铆接、熔化焊、钎焊及固相焊等，但螺栓固连和铆接工件的气密性较差、外观质量较差，而且未能实现冶金结合。传统的铆接工艺都要求对铆接材料进行预冲孔，然后再用铆钉进行固连，这样的铆接工艺复杂、外观差、效率低、密封性能差且不易实现自动化。冲铆固连可以实现多层板材的连接，连接质量优于点焊，但铆接时尾部出现突出铆扣不够平齐，且只能单点连接；多层板材熔化焊过程中热输入量过大且难以控制，严重影响接头的可靠性。钎焊能实现多层板材的连接，但钎焊效率低，工艺较难控制，对于工件尺寸及外形也有特殊的要求，不利于批量生产。搅拌摩擦点焊属于固相焊接的一种，由于基体在连接过程中保持固态，因此接头的性能一般不受限于金属间化合物，比较适用于多层板材的连接，但退出匙孔却影响了接头外观和接头固连质量。现有的多层板材连接技术很难完全满足航空航天、军工武器装备、汽车及石油石化等行业中多层板材制造的要求。
搅拌摩擦点焊和冲铆连接在多层板材的连接上都表现出各自的技术优势与不足，搅拌摩擦铆焊是一种兼顾固相焊接和铆接技术优势的新工艺、新方法，相较于其他连接工艺在连接方法和接头强度上具有很大的优势。多层板材搅拌摩擦铆焊工艺是在搅拌摩擦点焊的基础上，将新型螺纹铆钉作为搅拌针压入铆焊接头中，填补搅拌摩擦点焊工艺留下的退出匙孔缺陷，并在冶金结合的基础上加入铆钉的机械结合，是一种全新的多层板材连接技术。双层铝合金搅拌摩擦铆焊用交流伺服冲铆装置在国内外研究均处于起步阶段，相关研究成果相对较少，近年来交流伺服冲铆装置不断受到人们的认识和关注。因此，开发优质高效的多层板材搅拌摩擦铆焊用交流伺服冲铆装置对实现多层板材的高性能连接，提升我国军工武器装备整体性能，推动军工武器装备轻量化、一体化发展具有非常重要的意义。
哈尔滨工业大学周利等人研发了一种回填式搅拌摩擦点焊装置，可以搅拌针、搅拌套的回抽与旋转，该装置搅拌套与搅拌针通过伺服电机直驱同步旋转，未能实现其分步旋转与单独旋转控制，且其搅拌针与搅拌套的冲压系统均由伺服电机通过皮带轮与中空滚珠丝杠实现运动传递，传动机构过于冗杂，传动效率低，精度控制较差。
发明内容
为解决上述背景技术中存在的问题，本发明提出一种多层板材搅拌摩擦铆焊用四电机直驱式交流伺服冲铆装置，可以实现搅拌套旋转、搅拌针旋转与搅拌针冲压三种运动的任意配合，能够解决搅拌摩擦点焊工艺留下的退出匙孔缺陷，并在冶金结合的基础上加入机械结合，可以获得连接强度高、外观质量好、连接紧密的铆焊连接点，且该装置相较于传统搅拌摩擦点焊设备具备成型力小、生产效率高、设备寿命长等优势。
本发明解决上述问题的技术方案是：一种多层板材搅拌摩擦铆焊用四电机直驱式交流伺服冲铆装置，其特殊之处在于：
包括搅拌套旋转系统、搅拌针旋转系统、搅拌针冲压系统、搅拌头系统；
所述搅拌套旋转系统包括第一力矩电机定子、第一力矩电机转子、第一中空主轴、第一旋变定子、第一旋变转子、搅拌套夹头；所述第一中空主轴与第一力矩电机转子固连并通过螺纹与搅拌套夹头连接，第一旋变转子固定在第一中空主轴上；第一力矩电机转子通过第一中空主轴实现对搅拌套夹头的直接驱动实现旋转运动；
所述搅拌针冲压系统包括第二力矩电机定子、第二力矩电机转子、第二中空主轴、第二旋变定子、第二旋变转子、波发生器、刚性轮、柔性轮、轴承套筒上端盖、轴承套筒、轴承套筒下端盖、机身连接筒、推力球轴承、第五深沟球轴承、轴承挡圈、锁紧螺母、顶针、刚性轮支架；其中第二中空主轴与第二力矩电机转子固连并经过波发生器、刚性轮、柔性轮的谐波减速后通过螺纹驱动轴承套筒上端盖进行轴向运动，第二旋变转子固定在第二中空主轴上，波发生器连接在第二中空主轴上，刚性轮连接在刚性轮支架上，柔性轮通过螺纹与轴承套筒上端盖连接，轴承套筒与机身连接筒通过键连接限制其旋转自由度，轴承套筒通过锁紧螺母、第五深沟球轴承、轴承挡圈与推力球轴承实现对顶针的轴向驱动；
所述搅拌针旋转系统包括第一交流伺服电机、花键轴；其中交流伺服电机驱动花键轴，花键轴与顶针通过花键副连接实现顶针旋转运动的同时保留其轴向自由度；
所述搅拌头系统包括搅拌套夹头、搅拌针夹头、第一胀紧套、第二胀紧套、第二直线轴承、搅拌套、搅拌针；搅拌套夹头通过螺纹连接在第一中空主轴上，搅拌针夹头通过螺纹连接在顶针上，搅拌套与搅拌套夹头通过第一胀紧套连接，搅拌针与搅拌针夹头通过第二胀紧套连接，搅拌针通过第二直线轴承旋转支撑于搅拌套夹头上。
进一步地，所述搅拌套旋转系统还包括第一力矩电机机壳、第一法兰端盖、第二法兰端盖、第一深沟球轴承、第二深沟球轴承、第一旋变支架；其中第一力矩电机定子固定在力矩电机机壳上，第一中空主轴通过第一深沟球轴承与第二深沟球轴承旋转支撑于第一法兰端盖与第二法兰端盖上，第一旋变定子固定在第一旋变支架上。
进一步地，所述搅拌针冲压系统还包括第二力矩电机机壳、第三法兰端盖、第四法兰端盖、第二旋变定子支架、第三深沟球轴承、第四深沟球轴承。其中第二力矩电机定子固定在第二力矩电机机壳上，第二中空主轴通过第三深沟球轴承与第四深沟球轴承旋转支撑于第三法兰端盖与第四法兰端盖上，第二旋变定子固定在第二旋变定子支架上。
进一步地，所述搅拌针旋转系统还包括第一孔输出行星减速机、第一深沟球轴承第一直线轴承；其中交流伺服电机通过孔输出行星减速机直接驱动花键轴，花键轴通过第一深沟球轴承旋转支撑于第二中空主轴上，顶针通过第一直线轴承支撑于第一中空主轴上。
另外，本申请还提出一种包括上述多层板材搅拌摩擦铆焊用四电机直驱式交流伺服冲铆装置的冲铆机，其特征在于：
还包括机架、机身升降系统、工作台，所述工作台设置在机架上，驱动装置、设置在工作台上，所述机身升降系统用于驱动多层板材搅拌摩擦铆焊用四电机直驱式交流伺服冲铆装置上下移动。
进一步地，所述机身升降系统包括第二交流伺服电机、第二孔输出行星减速机、减速机座板、丝杠、螺母，其中第二孔输出行星减速机固定在减速器座板上并将第二交流伺服电机的转速与扭矩传递到丝杠上驱动螺母上下运动。
本发明的优点：
(1)本发明成形效果好、成型力小。该交流伺服冲铆装置成形接头兼顾了固相焊缝与铆接的技术优势，具有机械结合与冶金结合，其抗拉、剪性能与铝合金母材相当甚至更为优异，螺纹铆钉作为搅拌针填入铆焊接头，获得平整美观的铆焊接头，铆钉对板材的微锻作用与冶金层面的结合使得铆焊接头具有更好的气密性，该交流伺服冲铆装置的搅拌头与多层板材发生摩擦生热将其加热至热塑性状态，相比于冷成形装置极大地降低了成型力；
(2)设备寿命长、生产效率高。利用铆钉代替搅拌头对多层板材板材进行搅拌摩擦，可以有效的减少了搅拌头摩擦损耗，降低了搅拌摩擦铆焊的工艺度，提高搅拌头的使用寿命；相较于传统铆接，该交流伺服冲铆装置成形前不需要对板材预钻孔，工艺步骤更简化，有利于搅拌摩擦铆焊工艺的自动化生产，有效降低生产成本、提高生产效率；
(3)分散多动力。采用三个伺服电机分别实现搅拌套旋转运动、搅拌针旋转运动与搅拌针冲压运动，相比于单一动力源可以减少传动机构规模，提高能量利用效率，且三个较低功率电机价格相比于单一高功率电机成本更低、结构形式更简单，搅拌针、搅拌套的旋转与冲压运动分别由不同动力源控制，可以单独进行一项运动也可实现多动运动的自由组合，工艺性能更好，适应性更加广泛；
(4)伺服电直驱。该交流伺服冲铆装置摈弃了传统的液压传动与气压传动，伺服电机的精度高、响应快、高速性能好，抗过载能力强，且低于运行平稳，能够满足搅拌摩擦铆焊对转速变化范围的要求，电机直接驱动搅拌针与搅拌套实现旋转与冲压运动，省去了中间冗杂的传动机构，提高机械效率，减小故障率。
附图说明
图1为本发明四电机直驱式交流伺服冲铆装置主轴剖视图；
图2为本发明四电机直驱式交流伺服冲铆装置主轴等轴测视图；
图3为本发明四电机直驱式交流伺服冲铆装置搅拌套旋转系统剖视图；
图4为本发明四电机直驱式交流伺服冲铆装置搅拌针冲压系统剖视图；
图5为本发明四电机直驱式交流伺服冲铆装置搅拌针旋转系统剖视图；
图6为本发明四电机直驱式交流伺服冲铆装置搅拌头系统剖视图；
图7为本发明一种冲铆机机身总成等轴测视图。
图8为本发明多功能底座轴侧图；
图9为本发明多功能底座剖视图；
图10为本发明机身升降系统剖视图；
图11为本发明四电机直驱式交流伺服冲铆装置与超声震动结合方案图；
图12为本发明四电机直驱式交流伺服冲铆装置工艺原理图；
图13为本发明四电机直驱式交流伺服冲铆装置运动方案图。
图中标号说明：1、搅拌套旋转系统，2、搅拌针旋转系统，3、搅拌针冲压系统，4、搅拌头系统，5、多功能底座，6、机身升降系统，7、超声激振器，
101、第一力矩电机机壳，102、第一力矩电机定子，103、第一力矩电机转子，104、第一中空主轴，105、第一法兰端盖，106、第二法兰端盖，107、第一旋变定子，108、第一旋变转子，109、第一深沟球轴承，110、第二深沟球轴承，111、第一旋变支架，112、主轴下端盖，113、搅拌套夹头，
201、第二力矩电机机壳，202、第二力矩电机定子，203、第二力矩电机转子，204、第二中空主轴，205、第三法兰端盖，206、第四法兰端盖，207、第二旋变定子支架，208、第二旋变定子，209、第二旋变转子，210、第三深沟球轴承，211、第四深沟球轴承，212、波发生器，213、刚性轮，214、柔性轮，215、轴承套筒上端盖，216、轴承套筒，217、轴承套筒下端盖，218、机身连接筒，219、推力球轴承，220、第五深沟球轴承，221、轴承挡圈，222、锁紧螺母，223、顶针，224、刚性轮支架，
301、第一交流伺服电机，302、第一孔输出行星减速机，303、花键轴，304、第一深沟球轴承，305、第一直线轴承；
401、搅拌套夹头，402、搅拌针夹头，403、第一胀紧套，404、第二胀紧套，405、第二直线轴承，406、搅拌套，407、搅拌针，
501、夹具，502、夹具底座，503、压力传感器，504、传感器底座，
601、第二交流伺服电机，602、第二孔输出行星减速机，603、减速机座板，604、机身上板，605、丝杠，606、螺母，607、螺母座，608、机身下板，609、导轨座板，610、导轨，611、滑块，612、主轴固定架，613、L型架，614、吊环。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。
参见图1、图2，一种多层板材搅拌摩擦铆焊用四电机直驱式交流伺服冲铆装置包括以下四个部分：包括搅拌套旋转系统1、搅拌针冲压系统2、搅拌针旋转系统3、搅拌头系统4。
参见图3，所述搅拌套旋转系统1包括第一力矩电机机壳101、第一力矩电机定子102、第一力矩电机转子103、第一中空主轴104、第一法兰端盖105、第二法兰端盖106、第一旋变定子107、第一旋变转子108、第一深沟球轴承109、第二深沟球轴承110，第一旋变支架111、主轴下端盖112、搅拌套夹头113。其中力矩电机定子固定在力矩电机机壳上，第一中空主轴104与第一力矩电机转子103固连并通过螺纹与搅拌套夹头113连接，第一中空主轴104通过第一深沟球轴承109与第二深沟球轴承110旋转支撑于第一法兰端盖105与第二法兰端盖106上，第一旋变转子108固定在第一中空主轴104上，第一旋变定子107固定在第一旋变支架111上，第一旋变转子108固定在第一中空主轴104上。第一力矩电机转子103通过第一中空主轴104实现对搅拌套夹头113的直接驱动实现旋转运动。
参见图4，所述搅拌针冲压系统2包括第二力矩电机机壳201、第二力矩电机定子202、第二力矩电机转子203、第二中空主轴204、第三法兰端盖205、第四法兰端盖206、第二旋变定子支架207、第二旋变定子208、第二旋变转子209、第三第二深沟球轴承10、第四第二深沟球轴承11、波发生器212、刚性轮213、柔性轮214、轴承套筒上端盖215、轴承套筒216、轴承套筒下端盖217、机身连接筒218、推力球轴承219、第五第二深沟球轴承20、轴承挡圈221、锁紧螺母222、顶针223、刚性轮支架224。其中第二力矩电机定子202固定在第二力矩电机机壳201上，第二中空主轴204通过第三第二深沟球轴承10与第四第二深沟球轴承11旋转支撑于第三法兰端盖205与第四法兰端盖206上，第二中空主轴204与第二力矩电机转子203固连并经过波发生器212、刚性轮213、柔性轮214的谐波减速后通过螺纹驱动轴承套筒上端盖215进行轴向运动，第二旋变定子208固定在旋变2支架207上，第二旋变转子209固定在第二中空主轴204上，波发生器212连接在第二中空主轴204上，刚性轮213连接在刚性轮支架224上，柔性轮214通过螺纹与轴承套筒上端盖215连接，轴承套筒216与机身连接筒218通过键连接限制其旋转自由度，轴承套筒216通过锁紧螺母222、第五第二深沟球轴承20、轴承挡圈221与推力球轴承219实现对顶针223的轴向驱动。
参见图5，所述搅拌针旋转系统3包括第一交流伺服电机301、第一孔输出行星减速机302、花键轴303、第一深沟球轴承304、第一直线轴承305。其中交流伺服电机301通过孔输出行星减速机302直接驱动花键轴303，花键轴303通过第一深沟球轴承304旋转支撑于第二中空主轴204上，花键轴303与顶针223通过花键副连接实现顶针223旋转运动的同时保留其轴向自由度，顶针223通过第一直线轴承306支撑于第一中空主轴104上。
参见图6，所述搅拌头系统4包括搅拌套夹头401、搅拌针夹头402、第一胀紧套403、第二胀紧套404、第二直线轴承405、搅拌套406、搅拌针407。搅拌套夹头401通过螺纹连接在第一中空主轴104上，搅拌针夹头402通过螺纹连接在顶针223上，搅拌套406与搅拌套夹头401通过第一胀紧套403连接，搅拌针407与搅拌针夹头402通过第二胀紧套404连接，搅拌针407通过第二直线轴承405旋转支撑于搅拌套夹头401上。
参加图8，所述多功能夹具底座5包括装夹模具501、底座502、压力传感器503、固定板504。其中装夹模具501可以实现坯料板材的对接、搭接与十字拼接等多种连接方案的装夹，压力传感器可以配合热电偶反馈压力信号与温度信号。
参见图7为包含一种多动力多层板材搅拌摩擦铆焊用交流伺服冲铆装置的冲铆机，包括上述的一种多层板材搅拌摩擦铆焊用四电机直驱式交流伺服冲铆装置，还包括机架、机身升降系统、工作台，所述工作台设置在机架上，驱动装置、设置在工作台上，所述机身升降系统用于驱动多层板材搅拌摩擦铆焊用四电机直驱式交流伺服冲铆装置上下移动。
参见图10，机身升降系统6包括第二交流伺服电机601、第二孔输出行星减速机602、减速机座板603、机身上板604、丝杠605、螺母606、螺母座607、机身下板608、导轨座板609、导轨610、滑块611、主轴固定架612、L型架613、吊环614，其中第二孔输出行星减速机602固定在减速器座板603上并将第二交流伺服电机601的转速与扭矩传递到丝杠605上驱动螺母606上下运动。
参见图11，一种多层板材搅拌摩擦铆焊用四电机直驱式交流伺服冲铆装置工作台上设有多功能夹具底座5并可配合超声激振器7。超声激振器7可以在成型过程对接头进行微锻使得晶粒细化接头力学性能与气密性更好。
参见图12，一种多层板材搅拌摩擦铆焊用四电机直驱式交流伺服冲铆装置，可以实现多层板材搅拌摩擦铆焊工艺，包括以下步骤：
a.将多层板材搭接固定于多功能多功能底座5上；
b.搅拌头系统4整体向下运动将待连接点处新型铆钉进行定位并施加一定预紧力；
c.搅拌套406与搅拌针407按照设定的转速旋转，让搅拌套406的轴肩与新型铆钉端面与多层板材表面剧烈摩擦，生成大量摩擦热将板材局部加热至塑化状态；
d.搅拌套406停止旋转，搅拌针407在旋转的同时往下冲压，将新型铆钉压入塑化的金属板材内；
e.搅拌针407停止冲压并保压旋转一定时间让塑化的轻质合金金属新型纹铆钉充分结合，将新型铆钉包裹镶嵌形成机械结合；
f.搅拌套406与搅拌针407停止旋转，退出连接点，自然冷却后形成致密的搅拌摩擦铆焊接头。
参见图13，所述搅拌针407具有旋转自由度与沿轴向直线运动自由度，搅拌套406具有旋转自由度，搅拌头系统4具有沿轴向直线运动自由度，搅拌套406转速为500～1200r/min，搅拌针407转速为700～1200rpm，搅拌针406冲压速度为5～20mm/s，搅拌针407下压量为3～10mm。
本发明一种多层板材搅拌摩擦铆焊用四电机直驱式交流伺服冲铆装置，可以实现搅拌针、搅拌套旋转与冲压运动的分步控制与运动组合，且搅拌针与搅拌套的运动完全由伺服电机直接驱动，装置结构简单、传动效率高、可靠性高，控制精度高。
以上所述仅为本发明的实施例，并非以此限制本发明的保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的系统领域，均同理包括在本发明的保护范围内。