搅拌摩擦焊用锥螺纹连接式加工工具结构

　　在航空航天铝合金构件、轨道交通铝型材拼接、新能源汽车电池托盘焊接的生产现场，搅拌摩擦焊工艺凭借无熔化焊接、变形量小、接头强度高的优势，已经逐步替代传统熔焊成为轻合金连接的主流方案，而FSW工具也就是搅拌头，是整套焊接工艺里直接决定焊缝成型质量、焊接效率、作业稳定性的核心执行部件。本次建模的这款锥螺纹连接式FSW工具，针对中小吨位搅拌摩擦焊设备的快换需求设计，整体采用同轴阶梯轴结构，下部为大直径夹持定位段，上部为工作轴段，两段衔接处做了直角过渡的轴肩结构，轴肩端面在焊接过程中会直接接触被焊工件表面，一方面承担塑化金属的密封阻挡作用，避免搅拌区域的软化金属从焊缝边缘溢出，另一方面通过轴肩与工件的摩擦生热，补充焊缝表层的热输入量，避免焊缝表层出现未焊透、沟槽等成型缺陷。下部夹持段的外表面加工有标准锥螺纹结构，这种锥螺纹连接的设计，相比直柄夹头夹持的方式，具备更好的自锁性能与同轴度保持能力，在焊接过程中承受大扭矩、轴向锻压力的复杂载荷工况下，不会出现工具打滑、轴向窜动的问题，同时锥螺纹的锥面配合可以实现安装过程的自动对中，减少换刀时的找正时间，适配快换式工装刀柄的安装需求，安装时只需要按照规定扭矩将工具旋入设备主轴的锥螺纹安装孔，即可保证工具回转轴线与主轴轴线的同轴度控制在0.02mm以内，满足高速旋转焊接的动平衡要求。

　　上部工作轴段为等直径圆柱结构，根据不同被焊材料的厚度，可以在轴段端部加工对应轮廓的搅拌针特征，建模时保留了工作轴段的完整外圆基准面，方便后续根据具体焊接工艺参数修改搅拌针的长度、直径、螺纹纹路、凹槽特征，不需要重新调整整体的夹持定位结构。从安装边界来看，下部夹持段的锥螺纹规格适配行业内通用的中小功率FSW设备主轴接口，大直径段的外径尺寸匹配主轴端面的定位止口，安装后工具的伸出长度可以根据焊接作业的操作空间进行微调，锥螺纹的连接长度设计预留了足够的螺纹啮合余量，即使在满负载焊接6mm厚度6系铝合金板材的工况下，螺纹连接部位的接触应力也远低于材料的许用应力值，不会出现螺纹滑牙、断裂的失效问题。

　　设计过程中特意将轴肩的过渡直角做了微小的倒角处理，避免热处理和焊接作业过程中应力集中导致的轴肩边缘开裂，同时轴肩端面的平面度公差在建模时按照0.01mm的精度要求设置基准，保证焊接时轴肩与工件表面的接触压力均匀，避免焊缝出现局部压痕过深或者未压实的缺陷。不同于整体式不可拆卸的搅拌头结构，这种锥螺纹连接的结构可以单独更换上部工作轴段部分，当搅拌针磨损到寿命极限后，不需要更换整个夹持段，只需要更换工作段即可降低耗材成本，同时夹持段可以重复使用，减少了工装备件的库存种类。

　　在实际生产场景中，这类工具主要适配台式搅拌摩擦焊设备、机器人搭载的搅拌摩擦焊末端执行器，用于平面直缝、环缝的轻合金构件焊接作业，安装时需要保证锥螺纹配合面的清洁度，避免铁屑、油污残留导致配合面接触不良，影响扭矩传递效率，作业前需要先做空转动平衡测试，确认工具径向跳动量在允许范围内再起弧焊接，避免因为跳动过大导致焊缝出现隧道型缺陷。建模过程中所有回转面均采用同轴度基准约束，锥螺纹的牙型、锥度严格按照通用密封锥螺纹的参数绘制，保证加工后的实物可以直接与标准主轴接口适配，不需要二次修配，轴肩与工作轴段、夹持段的衔接位置均做了应力释放的结构优化，减少焊接过程中热传导带来的结构变形，保证工具在长时间连续焊接作业下的尺寸稳定性。