（中车株洲电力机车有限公司机车事业部湖南株洲412001）
摘要：介绍了长地板搅拌摩擦焊机焊接时震动剧烈故障的一种处理方法，对刀柄进行优化，并在现场进行了实际应用，提高了长地板搅拌摩擦焊机的使用性能，保证了焊接质量和生产效率。
关键词：搅拌摩擦焊机；主轴头；刀柄；优化
一、前言
搅拌摩擦焊接技术在铝合金等轻金属结构领域获得了一定发展，并被越来越广泛地应用于船舶制造、航空航天、轨道交通及陆路交通以及汽车制造等工业中，已经获得了显著的技术和经济效益。公司为顺应生产力的发展，引入了搅拌摩擦焊机这一新设备。
二、故障现象
长地板搅拌摩擦焊机在焊接时有剧烈振动，焊接表面成型差，焊缝融合经常出现飞边、沟槽、孔洞、未焊合等质量缺陷，给生产带来极大的影响。同时由于震动剧烈，导致监视的摄像头不能清晰成像，激光跟踪基本无法使用。
三、故障分析
长地板搅拌摩擦焊机的主体结构主要包括：床身、立柱、横梁、工作台、横滑板、垂滑板、主轴头、电控系统、操控台等。从现场设备的工作状态及查阅该设备电气控制系统信息分析，该设备的震动应该发生在主轴头系统，其他结构系统运行正常。
主轴头是进行工件加工的执行部件，是通过主轴自转带动搅拌头及搅拌针高速旋转，配合进给运动实现对列车铝合金型材的焊接，主要传递C轴回转运动、主轴高速转动（自转）、B轴摆角调节。主轴头通过安装架安装在溜板的直线导轨上，可沿导轨在Z向做往复直线运动。主轴头主要由安装架、主轴传动系统、C轴传动系统、B轴摆角调节系统、随焊压紧系统组成。随焊压紧系统是焊接过程中的辅助系统，通过气缸调节压紧轮与加工工件之间的压力，避免在焊接过程中出现工件错边的现象，影响焊接质量。
主轴组成结构图
如图所示，主轴传动系统通过高速旋转，带动下方轴头，辅以X、Y、Z轴传动系统及其他辅助系统，进行工件焊接。那么长地板搅拌摩擦焊机在焊接时所产生的剧烈振动在实地检查、分析，排除其他原因后，将问题集中在主轴头进行分析。现场采用震动检测仪进行检测后发现，轴头的振动位移峰值达到了约1mm，远远超过了搅拌头与主轴的同轴度须控制在0.05mm的范围值。轴头结构如下图所示：
轴头组成图
现场拆解轴头后，发现刀柄与主轴采用锥度配合没有问题，但配合的贴合面没有达到60%。同时采用百分表对搅拌头与刀柄之间的间隙进行测量发现有0.13mm的偏差，导致搅拌头、刀柄与主轴的同轴度相差甚远，是造成振动的一个原因；同时刀柄与主轴锁紧方式采用单一侧固式的锁紧螺母拉紧的方式，在多次更换、调整刀柄时导致螺母及丝扣磨损，以致刀柄无法锁死，出现松动，是造成振动的另一原因；进一步拆解后，又发现刀柄处传递扭矩的键和键槽出现磨损，键与键槽的配合已达不到标准配合要求，这也是导致振动的一个原因。
四、刀柄优化
1、针对刀柄与主轴之间的连接方式不科学，造成轴头与主轴同轴度超标的问题，将刀柄与主轴侧固式螺栓连接改为锥面贴合加法兰盘连接的方式，刀柄与主轴贴合面要求达到80%以上。在加强刀柄与主轴连接稳定刚性的同时，采用双键的方式来传递主轴的扭矩。解决用侧面锁紧螺栓固定刀柄而产生螺母及丝扣的磨损问题，同时也解决了因单键受力而导致的键与键槽磨损的问题。如下图所示：
2、针对搅拌头与刀柄之间存在固定偏心的问题，同样采用双锁紧对称螺栓进行固定，配合百分表进行搅拌头的安装固定，完全能够保证搅拌头与主轴之间的同轴度之间的误差小于0.05mm的要求，消除了因搅拌头与刀柄之间存在固定偏心而导致震动的问题。
3、在现场拆解刀柄时发现，将刀柄从主轴上拆下的时候，刀柄被死死粘合在主轴上，拆下后发现刀柄锥面出现麻坑类的溶蚀。分析发生此类问题的原因系由于焊接过程中所产生的热量未能及时散发，同时又由于轴头震动大，导致刀柄在高温中与主轴发生粘合及溶蚀问题。针对此问题，为了更快的散发焊接中产生的热量，减少热量向刀柄及主轴的传递。在刀柄与搅拌头连接的部分增加散热环，扩大散热面，确保焊接时产生的热量能够迅速散发，传递至刀柄及主轴的热量大大减少，提高了刀柄的使用寿命。
优化后的刀柄
五、结束语
完成刀柄改进优化后，主轴、刀柄和搅拌头在焊接时同轴度得到很好的保证，搅拌摩擦焊在焊接时振动几乎没有，监视的摄像头能清晰成像，激光能实现稳定的跟踪，设备焊接效率得到很大的提升，焊接产品质量得到保障。