复合轴向振动的旋转消耗极摩擦焊若干关键技术研究

现有摩擦焊技术由于热源输入单一、空间成形轨迹适应性差、难以连续填充材料和大顶锻力等因素，极大地限制其推广应用。 课题创新提出了一种复合轴向振动的旋转消耗极摩擦焊新技术。该技术借用消耗极旋转及轴向振动摩擦生热，使摩擦界面能量以高频小位移方式输入，以小顶锻力实现界面附近材料双向搅拌作用，提供了成形界面间塑变、流动、扩散与再结晶过程所需的热、力条件，最终形成消耗极与母材连续的冶金结合。课题在研究复合运动作用下摩擦焊过程消耗极和融合区全局耦合动力学模型的基础上，掌握了其准稳态过程与消耗极扭振等动力学行为特征；并以典型材料和结构为对象进行仿真与实验研究，定量分析了轴向振动参数等对连续填充过程影响，获得了消耗极长压杆扭振规律和小顶锻力建立准则，并搭建了该技术工艺系统原型。成果提供的振动摩擦复合、小顶锻力、适于各类空间轨迹成形与便捷实施的新材料连接技术和理论，为摩擦焊技术应用提供新途径，具有重要理论与工程意义。

现有摩擦焊技术由于热源输入单一、空间成形轨迹适应性差、难以连续填充材料和大顶锻力等因素，极大地限制其推广应用。 申请者创新提出一种复合轴向振动的旋转消耗极摩擦焊新技术。该技术借用消耗极旋转及轴向振动摩擦生热，使摩擦界面能量以高频小位移方式输入，以小顶锻力实现界面附近材料双向搅拌作用，提供成形界面间塑变、流动、扩散与再结晶过程所需的热、力条件，最终形成消耗极与母材连续的冶金结合。课题在研究复合运动作用下摩擦焊过程消耗极和融合区全局耦合动力学模型的基础上，掌握其准稳态过程与消耗极扭振等动力学行为特征；并以典型材料和结构为对象进行仿真与实验研究，定量分析轴向振动参数等对连续填充过程影响，获得消耗极长压杆扭振规律和小顶锻力建立准则，并搭建该技术工艺系统原型。成果提供的振动摩擦复合、小顶锻力、适于各类空间轨迹成形与便捷实施的新材料连接技术和理论，将为摩擦焊技术应用提供新途径，具有重要理论与工程意义。

三轴向振动复合试验装置专利目的

《三轴向振动复合试验装置》提供一种三轴向振动复合试验装置，其目的是在2009年2月前三轴向静压轴承式三轴振动复合装置的基础上进行改进，既降低加工制作难度、降低成本，又近一步提高工作频率的上限增大工作频率范围，增强抗倾覆力矩能力。

三轴向振动复合试验装置技术方案

《三轴向振动复合试验装置》采用的技术方案是：一种三轴向振动复合试验装置，具有一个工作台面，该工作台面在垂直的Z轴向上经第一传振机构连接Z轴向振动发生器，在水平的X轴向上经第二轴向传振机构连接X轴向振动发生器，在水平的Y轴向上经第三振动发生器连接Y轴向振动发生器，其特征在于：所述第二轴向传振动机构和第三轴向传振机构均为十字直线导轨副，所述十字直线导轨副包括滑块、横向导轨以及纵向导轨，横向导轨和纵向导轨十字交叉布置于滑块的两侧，且与滑块构成滑动连接；横向导轨和纵向导轨两者中，一者与X轴向或Y轴向振动发生器的固定连接，另一者与工作台面固定连接；

所述第一轴向传振机构包括上、下夹板以及中心嵌板，所述上、下夹板上下相对水平布置，中心嵌板位于上、下夹板之间，上、下夹板相对夹持中心嵌板，中心嵌板的上表面与上夹板的下表面间隙配合形成上配合平面，中心嵌板的下表面与下夹板的上表面间隙配合形成下配合平面，上、下夹板或中心嵌板上设有向上配合平面间隙和下配合平面间隙注油的注油通道，泵入高压油，在上配合平面间隙和下配合平面间隙中形成静压油膜，构成静压平面轴承机构；该静压平面轴承机构与Z轴向振动发生器、工作台面的连接关系为：

所述中心嵌板与工作台面固定连接，所述上夹板或下夹板经连接件与Z轴向振动发生器的固定连接；或者，所述上夹板或下夹板与工作台面固定连接，或上夹板的上表面作为工作台面；所述中心嵌板经连接件与Z轴向振动发生器的固定连接。

上述两个技术方案中的有关内容解释如下：

1、上述方案中，所述Z轴向、X轴向、Y轴向振动发生器可以采用电动振动台、机械振动台、液压振动台或机械振动机构，其中机械振动机构是指能够产生机械振动的机构。

2、上述方案中，所述上、下夹板穿置有拉力螺钉，上、下夹板通过拉力螺钉连接构成可调间距式夹持结构。使用时，可通过旋动拉力螺钉调整上、下夹板的间距，即调整配合平面间的间隙大小，调节静压油膜的刚度。

3、上述方案中，还包括一Z轴导向支架，该Z轴导向支架相对Z轴向振动发生器的台体固定，所述Z轴导向支架上沿Z轴开设有导向孔，所述连接件中部穿过所述导向孔，所述导向孔的内表面与连接件的外表面间隙配合构成配合面，该配合面间泵入高压油，形成静压油膜，构成静压轴承导向结构。

4、上述方案中，所述工作台面的周向至Z轴导向支架周向之间连接有一环形防尘膜，利用环形防尘膜将试件工作台至Z轴导向支架间在周向上封闭，以防灰尘等杂物进入静压轴承处。

《三轴向振动复合试验装置》的设计构思是：该发明申请人对2009年2月前各类三轴振动复合试验装置（特别是三轴向静压轴承式振动复合试验装置）进行了深入试验分析。经多次试验论证，发现垂直Z轴向振动时的频响特性、工作频率上限等性能指标较水平X轴向、水平Y轴向差很多，即垂直Z轴向的振动工作频率即决定了整个装置的工作频率。故申请人在改进三轴向静压轴承式振动复合试验装置时，保留其垂直Z轴向上的静压平面轴承作为轴向传振机构，而将X轴向、Y轴向的轴向传振机构改为十字直线导轨副，可使三轴复合的工作频率范围提高至2000Hz以上。具体分析如下：因X轴向、Y轴向的轴向传振机构改为十字直线导轨副，使工作台面侧部不用置压力施加板，可以尽可能地缩短工作台面至垂直Z轴向上的Z轴向振动发生器的距离（即降低了工作台面），从而提高了整体的刚性、减少了运动部件的质量。刚性提高及运动部质量下降，这两点使工作频率上限近一步提高。并且，十字直线导轨副可采用外购件，从而简化了结构，降低了制造的难度，降低制造成本。

《三轴向振动复合试验装置》有以下三种使用情况：

第一种：单轴向作用的振动试验；如进行Z轴向振动试验时，只要起动Z轴向振动发生器发出Z轴向的振动，因工作台面与振动发生器间经第一轴向传振机构连接，轴向传振方向正是Z轴向，而X轴向和Y轴向为自由滑动配合，Z轴向振动发生器发出的振动经第一轴向传振机构传递给工作台面，实现单Z轴向的振动试验。进行X轴向和Y轴向振动时也只要起动相对应方向上的振动发生器即可，工作过程与上述相似。

第二种：两个轴方同时作用的复合振动试验；虽产品应用中的振动环境本质上是三轴同时发生的，当其中一个轴向与其余两向相比振动很小以至于可以忽略，或者其中一个轴向对振动试验的结果影响不大，我们可以对试件使用两个轴向同时振动试验，相比两个轴向分开振动，它可以更准确地复现真实工况。使用时，起动相对应的两个轴向上的振动发生器即可，它们发出的振动会经轴向传振机构传递至工作台面上迭加作用，实现两轴向复合振动试验。

第三种：三个轴向同时作用的复合振动试验；三轴向复合振动最接近自然真实的环境。使用时，起动三个振动发生器，三个振动发生器发出的振动经轴向传振机构同时迭加作用在工作台面上，实现三轴向复合振动试验。

三轴向振动复合试验装置改善效果

1、由于《三轴向振动复合试验装置》的特殊结构，因X轴向、Y轴向的轴向传振机构改为十字直线导轨副，使工作台面侧部不用布置压力施加板，尽可能地缩短了工作台面至垂直Z轴向上的Z轴向振动发生器的距离（即降低了工作台面），从而提高了整体的刚性。

2、由于《三轴向振动复合试验装置》的特殊结构，因X轴向、Y轴向的轴向传振机构改为十字直线导轨副，使工作台面侧部不用布置压力施加板，减少了中间立方体，同时减少了三轴向的运动部件的质量。

3、《三轴向振动复合试验装置》刚性提高及运动部质量的下降，这两点使工作频率上限进一步提高。

4、由于《三轴向振动复合试验装置》的特殊结构，因X轴向、Y轴向的轴向传振机构改为十字直线导轨副，降低工作台面，从而提高了抗倾覆力矩的能力。

5、《三轴向振动复合试验装置》十字直线导轨副可采用外购件，简化了整体结构，降低了制造的难度，大幅降低制造成本。

附图1为2009年2月前十字导轨式三轴向振动复合试验装置的结构主视示意图；

附图2为附图1的俯视示意图；

附图3为2009年2月前静压式三轴向振动复合试验装置的结构示意图；

附图4为《三轴向振动复合试验装置》实施例一结构主视示意图；

附图5为附图4的俯视示意图；

附图6为《三轴向振动复合试验装置》实施例二结构主视示意图；

附图7为附图6的俯视示意图；

附图8为《三轴向振动复合试验装置》实施例三结构俯视示意图。

以上附图中：1、工作台面；2、振动发生器；3、十字交叉的直线导轨副；4、滑块；5、横向导轨；6、纵向导轨；7、中间立方体；8、压力施加板；9、静压油膜；10、连接轴；11、；12、导轨；13、附加台面；20、工作台面；21、Z轴向振动发生器；22、X轴向振动发生器；23、Y轴向振动发生器；24、第一轴向传振机构；25、第二轴向传振机构；26、第三轴向传振机构；27、上夹板；28、下夹板；29、中心嵌板；30、注油通道；31、滑块；32、横向导轨；33、纵向导轨；34、拉力螺钉；35、Z轴导向支架；36、导向孔；37、连接件；38、静压油膜；39、环形防尘膜；40、直线导轨连接件；41、连接体；42、避让槽；43、避让槽；44、附加台面；45、静压油膜。

1、一种三轴向振动复合试验装置，具有一个工作台面（20），该工作台面（20）在垂直的Z轴向上经第一传振机构（24）连接Z轴向振动发生器（21），在水平的X轴向上经第二轴向传振机构（25）连接X轴向振动发生器（22），在水平的Y轴向上经第三振动发生器（23）连接Y轴向振动发生器（23），其特征在于：所述第二轴向传振动机构（25）和第三轴向传振机构（26）均为十字直线导轨副，所述十字直线导轨副包括滑块（31）、横向导轨（32）以及纵向导轨（33），横向导轨（32）和纵向导轨（33）十字交叉布置于滑块（31）的两侧，且与滑块（31）构成滑动连接；横向导轨（32）和纵向导轨（33）两者中，一者与X轴向或Y轴向振动发生器的固定连接，另一者与工作台面（20）固定连接；所述第一轴向传振机构（24）包括上、下夹板（27、28）以及中心嵌板（29），所述上、下夹板（27、28）上下相对水平布置，中心嵌板（29）位于上、下夹板（27、28）之间，上、下夹板（27、28）相对夹持中心嵌板（29），中心嵌板（29）的上表面与上夹板（27）的下表面间隙配合形成上配合平面，中心嵌板（29）的下表面与下夹板（28）的上表面间隙配合形成下配合平面，上、下夹板（27、28）或中心嵌板（29）上设有向上配合平面间隙和下配合平面间隙注油的注油通道（30），泵入高压油，在上配合平面间隙和下配合平面间隙中形成静压油膜（45），构成静压平面轴承机构；该静压平面轴承机构与Z轴向振动发生器（21）、工作台面（20）的连接关系为：所述中心嵌板（29）与工作台面（20）固定连接，所述上夹板（27）或下夹板（28）经连接件（37）与Z轴向振动发生器（21）的固定连接；或者，所述上夹板（27）或下夹板（28）与工作台面（20）固定连接，或上夹板（27）的上表面作为工作台面（20）；所述中心嵌板（29）经连接件（37）与Z轴向振动发生器（21）的固定连接。

2、根据权利要求1所述的三轴向振动复合试验装置，其特征在于：所述上、下夹板（27、28）设有拉力螺钉（34），上、下夹板（27、28）通过拉力螺钉（34）连接构成可调间距式夹持结构。

3、根据权利要求1所述的三轴向振动复合试验装置，其特征在于：还包括一Z轴导向支架（35），该Z轴导向支架（35）相对Z轴向振动发生器（21）的台体固定，所述Z轴导向支架（35）上沿Z轴开设有导向孔（36），所述连接件（37）中部穿过所述导向孔（36），所述导向孔（36）的内表面与连接件（37）的外表面间隙配合构成配合面，泵入高压油，该配合面间形成静压油膜（38），构成静压轴承导向结构。

4、根据权利要求3所述的三轴向振动复合试验装置，其特征在于：所述工作台面（20）的周向至Z轴导向支架（35）周向之间连接有一环形防尘膜（39）。