復(fù)合軸向振動的旋轉(zhuǎn)消耗極摩擦焊若干關(guān)鍵技術(shù)研究

現(xiàn)有摩擦焊技術(shù)由于熱源輸入單一、空間成形軌跡適應(yīng)性差、難以連續(xù)填充材料和大頂鍛力等因素，極大地限制其推廣應(yīng)用。 課題創(chuàng)新提出了一種復(fù)合軸向振動的旋轉(zhuǎn)消耗極摩擦焊新技術(shù)。該技術(shù)借用消耗極旋轉(zhuǎn)及軸向振動摩擦生熱，使摩擦界面能量以高頻小位移方式輸入，以小頂鍛力實(shí)現(xiàn)界面附近材料雙向攪拌作用，提供了成形界面間塑變、流動、擴(kuò)散與再結(jié)晶過程所需的熱、力條件，最終形成消耗極與母材連續(xù)的冶金結(jié)合。課題在研究復(fù)合運(yùn)動作用下摩擦焊過程消耗極和融合區(qū)全局耦合動力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，掌握了其準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)過程與消耗極扭振等動力學(xué)行為特征；并以典型材料和結(jié)構(gòu)為對象進(jìn)行仿真與實(shí)驗(yàn)研究，定量分析了軸向振動參數(shù)等對連續(xù)填充過程影響，獲得了消耗極長壓桿扭振規(guī)律和小頂鍛力建立準(zhǔn)則，并搭建了該技術(shù)工藝系統(tǒng)原型。成果提供的振動摩擦復(fù)合、小頂鍛力、適于各類空間軌跡成形與便捷實(shí)施的新材料連接技術(shù)和理論，為摩擦焊技術(shù)應(yīng)用提供新途徑，具有重要理論與工程意義。

現(xiàn)有摩擦焊技術(shù)由于熱源輸入單一、空間成形軌跡適應(yīng)性差、難以連續(xù)填充材料和大頂鍛力等因素，極大地限制其推廣應(yīng)用。 申請者創(chuàng)新提出一種復(fù)合軸向振動的旋轉(zhuǎn)消耗極摩擦焊新技術(shù)。該技術(shù)借用消耗極旋轉(zhuǎn)及軸向振動摩擦生熱，使摩擦界面能量以高頻小位移方式輸入，以小頂鍛力實(shí)現(xiàn)界面附近材料雙向攪拌作用，提供成形界面間塑變、流動、擴(kuò)散與再結(jié)晶過程所需的熱、力條件，最終形成消耗極與母材連續(xù)的冶金結(jié)合。課題在研究復(fù)合運(yùn)動作用下摩擦焊過程消耗極和融合區(qū)全局耦合動力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，掌握其準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)過程與消耗極扭振等動力學(xué)行為特征；并以典型材料和結(jié)構(gòu)為對象進(jìn)行仿真與實(shí)驗(yàn)研究，定量分析軸向振動參數(shù)等對連續(xù)填充過程影響，獲得消耗極長壓桿扭振規(guī)律和小頂鍛力建立準(zhǔn)則，并搭建該技術(shù)工藝系統(tǒng)原型。成果提供的振動摩擦復(fù)合、小頂鍛力、適于各類空間軌跡成形與便捷實(shí)施的新材料連接技術(shù)和理論，將為摩擦焊技術(shù)應(yīng)用提供新途徑，具有重要理論與工程意義。

三軸向振動復(fù)合試驗(yàn)裝置專利目的

《三軸向振動復(fù)合試驗(yàn)裝置》提供一種三軸向振動復(fù)合試驗(yàn)裝置，其目的是在2009年2月前三軸向靜壓軸承式三軸振動復(fù)合裝置的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，既降低加工制作難度、降低成本，又近一步提高工作頻率的上限增大工作頻率范圍，增強(qiáng)抗傾覆力矩能力。

三軸向振動復(fù)合試驗(yàn)裝置技術(shù)方案

《三軸向振動復(fù)合試驗(yàn)裝置》采用的技術(shù)方案是：一種三軸向振動復(fù)合試驗(yàn)裝置，具有一個(gè)工作臺面，該工作臺面在垂直的Z軸向上經(jīng)第一傳振機(jī)構(gòu)連接Z軸向振動發(fā)生器，在水平的X軸向上經(jīng)第二軸向傳振機(jī)構(gòu)連接X軸向振動發(fā)生器，在水平的Y軸向上經(jīng)第三振動發(fā)生器連接Y軸向振動發(fā)生器，其特征在于：所述第二軸向傳振動機(jī)構(gòu)和第三軸向傳振機(jī)構(gòu)均為十字直線導(dǎo)軌副，所述十字直線導(dǎo)軌副包括滑塊、橫向?qū)к壱约翱v向?qū)к墸瑱M向?qū)к壓涂v向?qū)к壥纸徊娌贾糜诨瑝K的兩側(cè)，且與滑塊構(gòu)成滑動連接；橫向?qū)к壓涂v向?qū)к墐烧咧?，一者與X軸向或Y軸向振動發(fā)生器的固定連接，另一者與工作臺面固定連接；

所述第一軸向傳振機(jī)構(gòu)包括上、下夾板以及中心嵌板，所述上、下夾板上下相對水平布置，中心嵌板位于上、下夾板之間，上、下夾板相對夾持中心嵌板，中心嵌板的上表面與上夾板的下表面間隙配合形成上配合平面，中心嵌板的下表面與下夾板的上表面間隙配合形成下配合平面，上、下夾板或中心嵌板上設(shè)有向上配合平面間隙和下配合平面間隙注油的注油通道，泵入高壓油，在上配合平面間隙和下配合平面間隙中形成靜壓油膜，構(gòu)成靜壓平面軸承機(jī)構(gòu)；該靜壓平面軸承機(jī)構(gòu)與Z軸向振動發(fā)生器、工作臺面的連接關(guān)系為：

所述中心嵌板與工作臺面固定連接，所述上夾板或下夾板經(jīng)連接件與Z軸向振動發(fā)生器的固定連接；或者，所述上夾板或下夾板與工作臺面固定連接，或上夾板的上表面作為工作臺面；所述中心嵌板經(jīng)連接件與Z軸向振動發(fā)生器的固定連接。

上述兩個(gè)技術(shù)方案中的有關(guān)內(nèi)容解釋如下：

1、上述方案中，所述Z軸向、X軸向、Y軸向振動發(fā)生器可以采用電動振動臺、機(jī)械振動臺、液壓振動臺或機(jī)械振動機(jī)構(gòu)，其中機(jī)械振動機(jī)構(gòu)是指能夠產(chǎn)生機(jī)械振動的機(jī)構(gòu)。

2、上述方案中，所述上、下夾板穿置有拉力螺釘，上、下夾板通過拉力螺釘連接構(gòu)成可調(diào)間距式夾持結(jié)構(gòu)。使用時(shí)，可通過旋動拉力螺釘調(diào)整上、下夾板的間距，即調(diào)整配合平面間的間隙大小，調(diào)節(jié)靜壓油膜的剛度。

3、上述方案中，還包括一Z軸導(dǎo)向支架，該Z軸導(dǎo)向支架相對Z軸向振動發(fā)生器的臺體固定，所述Z軸導(dǎo)向支架上沿Z軸開設(shè)有導(dǎo)向孔，所述連接件中部穿過所述導(dǎo)向孔，所述導(dǎo)向孔的內(nèi)表面與連接件的外表面間隙配合構(gòu)成配合面，該配合面間泵入高壓油，形成靜壓油膜，構(gòu)成靜壓軸承導(dǎo)向結(jié)構(gòu)。

4、上述方案中，所述工作臺面的周向至Z軸導(dǎo)向支架周向之間連接有一環(huán)形防塵膜，利用環(huán)形防塵膜將試件工作臺至Z軸導(dǎo)向支架間在周向上封閉，以防灰塵等雜物進(jìn)入靜壓軸承處。

《三軸向振動復(fù)合試驗(yàn)裝置》的設(shè)計(jì)構(gòu)思是：該發(fā)明申請人對2009年2月前各類三軸振動復(fù)合試驗(yàn)裝置（特別是三軸向靜壓軸承式振動復(fù)合試驗(yàn)裝置）進(jìn)行了深入試驗(yàn)分析。經(jīng)多次試驗(yàn)論證，發(fā)現(xiàn)垂直Z軸向振動時(shí)的頻響特性、工作頻率上限等性能指標(biāo)較水平X軸向、水平Y(jié)軸向差很多，即垂直Z軸向的振動工作頻率即決定了整個(gè)裝置的工作頻率。故申請人在改進(jìn)三軸向靜壓軸承式振動復(fù)合試驗(yàn)裝置時(shí)，保留其垂直Z軸向上的靜壓平面軸承作為軸向傳振機(jī)構(gòu)，而將X軸向、Y軸向的軸向傳振機(jī)構(gòu)改為十字直線導(dǎo)軌副，可使三軸復(fù)合的工作頻率范圍提高至2000Hz以上。具體分析如下：因X軸向、Y軸向的軸向傳振機(jī)構(gòu)改為十字直線導(dǎo)軌副，使工作臺面?zhèn)炔坎挥弥脡毫κ┘影澹梢员M可能地縮短工作臺面至垂直Z軸向上的Z軸向振動發(fā)生器的距離（即降低了工作臺面），從而提高了整體的剛性、減少了運(yùn)動部件的質(zhì)量。剛性提高及運(yùn)動部質(zhì)量下降，這兩點(diǎn)使工作頻率上限近一步提高。并且，十字直線導(dǎo)軌副可采用外購件，從而簡化了結(jié)構(gòu)，降低了制造的難度，降低制造成本。

《三軸向振動復(fù)合試驗(yàn)裝置》有以下三種使用情況：

第一種：單軸向作用的振動試驗(yàn)；如進(jìn)行Z軸向振動試驗(yàn)時(shí)，只要起動Z軸向振動發(fā)生器發(fā)出Z軸向的振動，因工作臺面與振動發(fā)生器間經(jīng)第一軸向傳振機(jī)構(gòu)連接，軸向傳振方向正是Z軸向，而X軸向和Y軸向?yàn)樽杂苫瑒优浜?，Z軸向振動發(fā)生器發(fā)出的振動經(jīng)第一軸向傳振機(jī)構(gòu)傳遞給工作臺面，實(shí)現(xiàn)單Z軸向的振動試驗(yàn)。進(jìn)行X軸向和Y軸向振動時(shí)也只要起動相對應(yīng)方向上的振動發(fā)生器即可，工作過程與上述相似。

第二種：兩個(gè)軸方同時(shí)作用的復(fù)合振動試驗(yàn)；雖產(chǎn)品應(yīng)用中的振動環(huán)境本質(zhì)上是三軸同時(shí)發(fā)生的，當(dāng)其中一個(gè)軸向與其余兩向相比振動很小以至于可以忽略，或者其中一個(gè)軸向?qū)φ駝釉囼?yàn)的結(jié)果影響不大，我們可以對試件使用兩個(gè)軸向同時(shí)振動試驗(yàn)，相比兩個(gè)軸向分開振動，它可以更準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)真實(shí)工況。使用時(shí)，起動相對應(yīng)的兩個(gè)軸向上的振動發(fā)生器即可，它們發(fā)出的振動會經(jīng)軸向傳振機(jī)構(gòu)傳遞至工作臺面上迭加作用，實(shí)現(xiàn)兩軸向復(fù)合振動試驗(yàn)。

第三種：三個(gè)軸向同時(shí)作用的復(fù)合振動試驗(yàn)；三軸向復(fù)合振動最接近自然真實(shí)的環(huán)境。使用時(shí)，起動三個(gè)振動發(fā)生器，三個(gè)振動發(fā)生器發(fā)出的振動經(jīng)軸向傳振機(jī)構(gòu)同時(shí)迭加作用在工作臺面上，實(shí)現(xiàn)三軸向復(fù)合振動試驗(yàn)。

三軸向振動復(fù)合試驗(yàn)裝置改善效果

1、由于《三軸向振動復(fù)合試驗(yàn)裝置》的特殊結(jié)構(gòu)，因X軸向、Y軸向的軸向傳振機(jī)構(gòu)改為十字直線導(dǎo)軌副，使工作臺面?zhèn)炔坎挥貌贾脡毫κ┘影?，盡可能地縮短了工作臺面至垂直Z軸向上的Z軸向振動發(fā)生器的距離（即降低了工作臺面），從而提高了整體的剛性。

2、由于《三軸向振動復(fù)合試驗(yàn)裝置》的特殊結(jié)構(gòu)，因X軸向、Y軸向的軸向傳振機(jī)構(gòu)改為十字直線導(dǎo)軌副，使工作臺面?zhèn)炔坎挥貌贾脡毫κ┘影?，減少了中間立方體，同時(shí)減少了三軸向的運(yùn)動部件的質(zhì)量。

3、《三軸向振動復(fù)合試驗(yàn)裝置》剛性提高及運(yùn)動部質(zhì)量的下降，這兩點(diǎn)使工作頻率上限進(jìn)一步提高。

4、由于《三軸向振動復(fù)合試驗(yàn)裝置》的特殊結(jié)構(gòu)，因X軸向、Y軸向的軸向傳振機(jī)構(gòu)改為十字直線導(dǎo)軌副，降低工作臺面，從而提高了抗傾覆力矩的能力。

5、《三軸向振動復(fù)合試驗(yàn)裝置》十字直線導(dǎo)軌副可采用外購件，簡化了整體結(jié)構(gòu)，降低了制造的難度，大幅降低制造成本。

附圖1為2009年2月前十字導(dǎo)軌式三軸向振動復(fù)合試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)主視示意圖；

附圖2為附圖1的俯視示意圖；

附圖3為2009年2月前靜壓式三軸向振動復(fù)合試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

附圖4為《三軸向振動復(fù)合試驗(yàn)裝置》實(shí)施例一結(jié)構(gòu)主視示意圖；

附圖5為附圖4的俯視示意圖；

附圖6為《三軸向振動復(fù)合試驗(yàn)裝置》實(shí)施例二結(jié)構(gòu)主視示意圖；

附圖7為附圖6的俯視示意圖；

附圖8為《三軸向振動復(fù)合試驗(yàn)裝置》實(shí)施例三結(jié)構(gòu)俯視示意圖。

以上附圖中：1、工作臺面；2、振動發(fā)生器；3、十字交叉的直線導(dǎo)軌副；4、滑塊；5、橫向?qū)к墸?、縱向?qū)к墸?、中間立方體；8、壓力施加板；9、靜壓油膜；10、連接軸；11、；12、導(dǎo)軌；13、附加臺面；20、工作臺面；21、Z軸向振動發(fā)生器；22、X軸向振動發(fā)生器；23、Y軸向振動發(fā)生器；24、第一軸向傳振機(jī)構(gòu)；25、第二軸向傳振機(jī)構(gòu)；26、第三軸向傳振機(jī)構(gòu)；27、上夾板；28、下夾板；29、中心嵌板；30、注油通道；31、滑塊；32、橫向?qū)к墸?3、縱向?qū)к墸?4、拉力螺釘；35、Z軸導(dǎo)向支架；36、導(dǎo)向孔；37、連接件；38、靜壓油膜；39、環(huán)形防塵膜；40、直線導(dǎo)軌連接件；41、連接體；42、避讓槽；43、避讓槽；44、附加臺面；45、靜壓油膜。

1、一種三軸向振動復(fù)合試驗(yàn)裝置，具有一個(gè)工作臺面（20），該工作臺面（20）在垂直的Z軸向上經(jīng)第一傳振機(jī)構(gòu)（24）連接Z軸向振動發(fā)生器（21），在水平的X軸向上經(jīng)第二軸向傳振機(jī)構(gòu)（25）連接X軸向振動發(fā)生器（22），在水平的Y軸向上經(jīng)第三振動發(fā)生器（23）連接Y軸向振動發(fā)生器（23），其特征在于：所述第二軸向傳振動機(jī)構(gòu)（25）和第三軸向傳振機(jī)構(gòu)（26）均為十字直線導(dǎo)軌副，所述十字直線導(dǎo)軌副包括滑塊（31）、橫向?qū)к墸?2）以及縱向?qū)к墸?3），橫向?qū)к墸?2）和縱向?qū)к墸?3）十字交叉布置于滑塊（31）的兩側(cè)，且與滑塊（31）構(gòu)成滑動連接；橫向?qū)к墸?2）和縱向?qū)к墸?3）兩者中，一者與X軸向或Y軸向振動發(fā)生器的固定連接，另一者與工作臺面（20）固定連接；所述第一軸向傳振機(jī)構(gòu)（24）包括上、下夾板（27、28）以及中心嵌板（29），所述上、下夾板（27、28）上下相對水平布置，中心嵌板（29）位于上、下夾板（27、28）之間，上、下夾板（27、28）相對夾持中心嵌板（29），中心嵌板（29）的上表面與上夾板（27）的下表面間隙配合形成上配合平面，中心嵌板（29）的下表面與下夾板（28）的上表面間隙配合形成下配合平面，上、下夾板（27、28）或中心嵌板（29）上設(shè)有向上配合平面間隙和下配合平面間隙注油的注油通道（30），泵入高壓油，在上配合平面間隙和下配合平面間隙中形成靜壓油膜（45），構(gòu)成靜壓平面軸承機(jī)構(gòu)；該靜壓平面軸承機(jī)構(gòu)與Z軸向振動發(fā)生器（21）、工作臺面（20）的連接關(guān)系為：所述中心嵌板（29）與工作臺面（20）固定連接，所述上夾板（27）或下夾板（28）經(jīng)連接件（37）與Z軸向振動發(fā)生器（21）的固定連接；或者，所述上夾板（27）或下夾板（28）與工作臺面（20）固定連接，或上夾板（27）的上表面作為工作臺面（20）；所述中心嵌板（29）經(jīng)連接件（37）與Z軸向振動發(fā)生器（21）的固定連接。

2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的三軸向振動復(fù)合試驗(yàn)裝置，其特征在于：所述上、下夾板（27、28）設(shè)有拉力螺釘（34），上、下夾板（27、28）通過拉力螺釘（34）連接構(gòu)成可調(diào)間距式夾持結(jié)構(gòu)。

3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的三軸向振動復(fù)合試驗(yàn)裝置，其特征在于：還包括一Z軸導(dǎo)向支架（35），該Z軸導(dǎo)向支架（35）相對Z軸向振動發(fā)生器（21）的臺體固定，所述Z軸導(dǎo)向支架（35）上沿Z軸開設(shè)有導(dǎo)向孔（36），所述連接件（37）中部穿過所述導(dǎo)向孔（36），所述導(dǎo)向孔（36）的內(nèi)表面與連接件（37）的外表面間隙配合構(gòu)成配合面，泵入高壓油，該配合面間形成靜壓油膜（38），構(gòu)成靜壓軸承導(dǎo)向結(jié)構(gòu)。

4、根據(jù)權(quán)利要求3所述的三軸向振動復(fù)合試驗(yàn)裝置，其特征在于：所述工作臺面（20）的周向至Z軸導(dǎo)向支架（35）周向之間連接有一環(huán)形防塵膜（39）。