储水筒筒体用滚轮架设计及其焊接工艺设计

摘 要 焊接装备就是在焊接生产中与焊接工序相配合，有利于实现焊接生产机械化，自动化，有利于提高装配焊接质量，促使焊接生产过程加速进行的各种辅助装置和设备。 焊接滚轮架是借助主动滚轮与焊件之间的摩接力带动焊接旋转的变位机械。焊接滚轮架主要用于筒形焊件的装配与焊接。若对主、从动滚轮的高度作适当调整，也可进行锥体、分段不等径回转体的装配与焊接。对于一些非圆长形焊件，若将其装卡在特制的环形卡箍内，也可在焊接滚轮架上进行装焊作业。为了焊接不同直径的焊件，焊接滚轮架的滚轮间距应能调节。 焊接滚轮架的使用能大大提高焊 缝质量，减轻劳动强度，提高生产效率。焊接滚轮架按结构形式分为两类：第一类是长轴式滚轮架。第二类是组合式滚轮架。本文主要对组合式 25对轴、键等主要构件进行了校核。结果表明各主要部件符合要求。该滚轮架结构简单，使用方便灵活，对焊件的适应性很强。设计中充分的考虑了滚轮架的合理性和经济性等因素。 关键词：焊接，工装夹具，滚轮架 目 录 第一部分： 焊接滚轮架的设计 一、设计内容 . 错误 !未定义书签。 计内容 . 错误 !未定义书签。 定参数 . 错误 !未定义书签。 二、设计方案分析及确定 . 错误 !未定义书签。 轮架类型的确定 . 错误 !未定义书签。 动方案的确定 . 错误 !未定义书签。 三、 滚轮形式及尺寸参数的确定 . 错误 !未定义书签。 轮形式的确定 . 错误 !未定义书签。 轮尺寸及中心距的确定 . 错误 !未定义书签。 接滚轮架传动部分的设计 . 错误 !未定义书签。 四、 滚轮架受力分析及校核 . 错误 !未定义书签。 接滚轮轴的设计及校核 . 错误 !未定义书签。 杆轴的设计与计算 . 错误 !未定义书签。 五、滚轮架零部件的设计与选择 . 错误 !未定义书签。 承端盖的设计 . 错误 !未定义书签。 的选择 . 19 轴器的选择 . 20 架的设计 . 21 第二部分：储水筒筒体焊接工艺设计 六、任务描述 . 错误 !未定义书签。 七、焊接母材 304 不锈钢简介 . 错误 !未定义书签。 八、 工艺 . 错误 !未定义书签。 九、焊接操作 . 错误 !未定义书签。 第三部分：结论 第一部分：焊接滚轮架的分析设计 一、 设计内容 计内容 本次课程设计的题目为 焊接滚轮架及储水筒焊接 工艺设计。设计内容主要包括产品的形状设计和制造工艺。 设计 应按照所指定的产品类型、产品形状和工作要求作出合理的产品工艺分析，制定出相应的制造工艺和焊接工艺，同时对几种拟订的设计方案加以比较，选出最合理的一种，完成设计总图。 主要包括： （ 1）根据焊接工艺要求，设计焊接滚轮架； （ 2）绘制出全套工程图纸； （ 3）完成设计计算并编写说明书。 定设计参数 长度 l=1000度 h=2径 D=1000过这次设计所采用是 304不锈钢，估计密 度为 可以的到所需要设计的滚轮架的承重为 焊接滚轮的圆周速度： V=6h 中心角： 11045 二、设计方案分析及确定 轮架类型的确定 案一：滚轮架类型：长轴式滚轮架 滚轮沿两平行轴排列，与驱动装置相联的一排为主动滚轮，另一排为从动滚轮。也有两排均为主动滚轮的，主要用于细长薄型焊件的组对与焊接，一般由用户根据焊件情况设计定制。如图 图 轴式滚轮架 驱 动方案：一台电动机带动两个滚轮，即用一台发动机带动两排滚轮，实现两排均为主动轮的传动方案。 案二：滚轮架类型：组合式滚轮架 组合式滚轮架 ,如图 主动滚轮架，从动滚轮架，混合式滚轮架都是独立的，使用时可根据焊件的重量和长度进行任意组合，其组合比例也不仅是1与 1的组合。因此，使用方便灵活，对焊件的适应性很强，是目前应用最广泛的结构形式。 图 合式滚轮架 驱动方案：一台电动机只驱动一个滚轮架，如图 2中的 案的选定： 本次设计的采用组合式滚轮架，使用时可根据焊件的重量和长度进行任意组合，其组合比例也不是 1与 1的组合；同时可以无级调速，焊速调节范围广；因此，使用方便灵活，对焊件的适应性很强。 动方案的确定 轮驱动方案的拟定 为使焊接滚轮架的滚轮间距调节方便可靠，组合便利，采用主动轮单独驱动的设计方案，即每个主动轮单独利用一台电动机和减速机构驱动。不过要注意解决好各主动轮的同步问题，在选用电动机和减速机结构上要尽量选用特性一致且经过实测的使用。针对该设计方案选择一对主动轮单独驱动的滚 轮架。 动方案的确定 整个传动过程实质上是一个减速过程，且总的传动比比较大，可以采用三级减速：一级蜗轮蜗杆减速；二级齿轮减速器减速；三级蜗轮蜗杆减速。 三、滚轮架形式及其尺寸参数的确定 轮形式的确定 滚轮架的滚轮结构主要有四种类型，不同类型滚轮的特点及其适用范围如表 表 轮形式选择 类型 特点 使用范围 钢轮 承载能力强，制造简单 一般用于重型焊件和需预热处理的焊件以及额定在和大于 60胶轮 钢轮外包橡胶，摩擦力大， 传动平稳但橡胶易压坏 一般用于 10组合轮 钢轮与橡胶轮相结合，承载能力比橡胶轮高，传动平稳 一般多用于 1060履带轮 大面积履带和焊件接触，有利于防止薄壁工件的变形，传动平稳但结构较复杂。 用于轻型，薄壁大直径的焊件及有色金属容器 由于这次设计的滚轮承重较小，故选用胶轮即能满足设计要求。 轮尺寸及中心距确定 轮尺寸的确定 根据设计要求及由滚轮架载重，结合表 =200 表 轮直直径选择参考表 滚轮直径 定 载 重 量 体 工 件直径 6 10 25 60 100 160 250 最 小直径 最 大直径 200 + 200 1000 250 + + + 250 1600 315 + + + 315 2500 400 + + 400 3150 500 + + + + 500 4000 630 + + + + 630 5000 800 + + + + 800 6300 1000 + + 1000 8000 1250 + 1250 轮中心距的确定 当中心角的 130时支反力和圆周力急剧增大，相反，当 角太小时，滚轮架上的筒体焊件放置有可能不稳定。因此在实际应用中为使焊件在滚轮架上获得可靠的稳定性，并保证焊件可以平稳的转动，我国制定的焊接滚轮架行业标准（ 33003规定中心角 应在 45度到 110度之间。 21 1 0s m a xm a x 1000+200） *=983m a xm 1000+200） *=459 故 459L 983综合考虑经济效益、空间占用、方便运输等因素，最终取定中心距调节范围为 460L 980接滚轮架传动部分的设计 轮架电动机的选择 焊接滚轮架多采用直流电动机驱动，降压调速。 焊接滚轮架的行业标准（ 9187 规定了不同吨位的焊接滚轮架的电动机最小功率 ,见表 表 由前面可知，设计 的额定重量小于 用两个单独驱动的滚轮架，因此选择功率 P=数 1000r/号为 动比的确定 传动比的计算 根据焊接 滚轮架行业标准（ 9187， V=660m/s，故主动滚轮转速范围为 60 )/(1 0 00 =ss 由于采用的是降压调速，故选用 n=s 即可满足调速要求。由电动机的转速计算出总传动比： n=1000m/s /s=629 动比的分配 整个传动过程，分三级进行减速，传动比的分配如下：第一级采用蜗轮蜗杆减速机进行减速，传动动比为 ；第二级采用齿轮减速机进行减速，传动比为 ;第三级采用蜗轮蜗杆减速，传动比为 5。 因为 =9*3*25=600与 628相差不是不是很大，故可以满足设计使用的要求。 轮架滚轮尺寸的确定 由于滚轮架的额定载荷小于 以选用胶轮结构 。滚轮直径为200轮宽为 70、滚轮架受力分析计算与设计校核 接滚轮轴的设计计算及校核 接滚轮轴的设计计算及校核 图 31 焊件 2 主动滚轮 3 从动滚轮 图 3所示为焊件滚轮架及焊件的受力简图，图中 2为一列主动滚轮， 3为一列从动滚轮。当重量为 G、其偏心距 e=0 的筒体焊件 1静置在主、从动滚轮座上时，则主、从动滚轮上的支反力相等，即 22)(22c o 式中 中心角； D 焊件直径； 滚轮直径； L 主、从动滚轮之间的横向距离； 当 即 110 时， 000/2/=2616N 当 即 45 时， 000/2/=1624N 当焊件的偏向距不为零时，在主动滚轮圆周力 时针转动，则焊件是受力情况如图 2所示。图中 轮作用到焊件上的反力。此时 2s i o i i nc o o ) 2s o o ) 1c o ss s (3) 1c o sb s (4) 与主动滚轮轴搭配的轴承圆锥 滚子轴承，故 f=轮采用橡胶轮，故 = 初定滚轮轴径 0 2 r b=200/(0+2*37 取 b=40当 110 时： 由（ 1）（ 2）（ 3）（ 4）式得： 736N 615N 30N 0N 当 45 时： 由（ 1）（ 2）（ 3）（ 4）式得： 698N 623N 20N 0N 通过比较上述两组计算结果，可发现第组的计算结果较大，故后续计算应采 用第组的计算结果进行计算。 由于同一列上的滚轮数量为 2，即 2以载荷作用不均匀系数1则 作用在一个主动滚轮上的载荷 1121 =2739N 作用在一个从动滚轮上的载荷 i 2222 =2615N 设主动滚轮轴上两轴承中点间的距离 L=400在 1P 的作用下，主动滚轮轴的弯曲力矩 1*L/4=400 1370/4=137000N 于是独立驱动的主动滚轮，所以每一轮轴所承受的扭矩 21211 22 =10199 N 以主动滚轮所受的当量弯矩 22 =137379 N 主动滚轮轴采用 45钢制造，查机械设计 b=590，则 = b/90/2=295则 主动滚轮轴的计算直径 310 =d0以试设计成功。 为了维修的方便，及简化设计工作，从动滚轮的轴径也取同一数值，即 d、=20 动滚轮轴的设计与计算 主动滚轮轴与轴承配合处的尺寸在前面已经计算： d=80里就不在重复计算，主动滚轮轴与蜗轮和圆螺母配合处的最小轴径计算 ： 3m i n 10 3 7 . 9 5m m （该主动滚轮轴采用 45钢制造， b=590许用安全系数取，2 ，则 = b/90/2=295；这就是说只要主动滚轮轴的最小轴径大于 7可满足使用要求，该轴的其它尺寸根据经验设计，主动滚轮轴的尺寸如下图所示： 由于该轴在设计时是按强度进行设计的，这里可不必重新校核轴的强度了。由于轴承是标准件，在设计轴的同时，需根据与轴承配合的轴径（ d=20对应的轴承型号，选用圆锥滚子轴承，型号为：滚动轴承 30304297 1994。 杆轴的设计与计算 4. 涡轮轴的设计 蜗杆与十字滑块联轴器配 合处的轴径最小，为便于联轴器的安装，取蜗杆的最小轴径与摆线针轮减速器的输出轴径相等，即实际的最小轴径 0 设计尺寸如下图所示： 杆轴的强度校核计算 ： 蜗杆材料为 45 钢，调质处理，查机械设计 90M 安全系数取 2，则 = b/90/2=295杆最小轴径可根据蜗杆所受的扭矩进行校核计算，蜗轮的工作扭矩为 n=10199 N 杆为单头，故 ，设蜗杆的工作扭矩为 1T ,则 5 5211 6 . 1 2 4 * 1 0 0 . 6 9 8 1 03 3 0 . 7 m 533m i 1 1 0 0 . 6 9 8 1 0 1 3 . 3 6 3 0 2 9 5Td m m m m 故，满足设计使用要求。 由于轴承为标准件，在设计轴径的同时，需根据轴径选择所需轴承的型号。这里由于所受轴向力向里，考虑到设计的经济性，这里决定选用圆锥滚子轴承；根据蜗杆轴与轴承配合处的轴径为 d=20确定出所需轴承的型号为：滚动轴承 30304 297 1994。 轮蜗杆传动的设计与计算 杆功率与材料的选择 蜗杆的输入功率 *带轮 *1*2=式中 带轮 V 带传动的效率， 轮； 1 摆线针轮减速机的传动效率， ； 2 联轴器的传动效率， ； 蜗杆的转速 n2=n1/000/24=杆采用 45钢，表面高频淬火，硬度为 4555轮齿圈材料采用属模铸造，内圈采用 45钢制成。 要参数的计算 根据传动比 5，查机械设计表 121 1Z,Z2=1=25 采用蜗轮的工作转矩 n=10199N/机械设计表 12 20 ，设计使用期限为 10年（4000h），则应力循环次数 N=600*(1000/3/8/25)*24000=06 寿命系数 故许用应力 M P 202201 由于是钢蜗杆与铜蜗轮配对使用，故 160 确定中心距 a a =136 3轮及蜗杆的主要尺寸参数表 名称 符号 计算公式及结果 心距 a a=136 蜗杆轴向模数 m m=杆头数 1=1 蜗轮齿数 2=i 5 传动比 i i=25 蜗杆直径系数 q 16 齿顶高系数 1 蜗杆轴向齿距 x = m=杆导程 z = 杆轴截面齿廓压力角 =20 间隙 C C=（ m，取 C=杆齿顶高 m 蜗杆齿根高 1蜗杆齿高 1h 1h = 1 1杆分度圆直径 1d 20 五、滚轮架零部件结构的设计与选择 承端盖的设计 如下图所示，根据轴承座孔（外圈）直径 170械设计课程设计表 4 6查得轴承端盖螺钉直径为 2钉数目为 4个。如图 2 4所示，由机械设计课程设计 -(1015 得 580=D+ 00 e=（ 1 e=12 0+ 50 轴承端盖、轴承透盖都是按照此尺寸设计。 及联轴器的选择 动滚轮轴上键的选择及型号确定 键的链接采用普通平键联接，这种键应用最广，普通平键按照 键的端部形状分为：圆头、方头、和单圆头三种。为了减小轴在加工过程中所引起的应力集中，这里决定选用 据与键配合的轴径 d=85=236机械设计 课程设计 可得所需键的型号，与蜗轮配合处的轴径 d=75长 L=75机械设计课程设计 轮轴上键的选择及型号确定 蜗杆轴与凸缘联轴器轴器配合处需用一个键，为了减小轴在加工过程中所引起的应力集中，这里也选用 据与键配合的轴径 d=30轴长L=60机械设计课程设计 轴器的选择 根据蜗杆轴的轴径大小查机械设计课程设计进行确定。选择凸缘联轴器，型号 名称 公 称扭矩范围 轴径范围 最大转速范围 特点 应用条件 凸缘连轴器 1020000 10180 140013000 结构简单，成本低可传动较大扭距，但不等消除冲击。对所连两轴间的偏移缺乏补偿能力 经常用于荷载平稳有轻度冲击的条件下，链接低速和刚性不大的两轴。 25600 1565 380010000 外形尺寸小，飞轮力矩小 用于小功率，高转速，没用急剧冲击载荷的情况下 十字滑块联轴器 12020000 15150 100250 结构紧凑，尺寸小，寿命长。但制造比较复杂 无较大冲击，转速不高的，存在两轴径向相对位移时采用 架的设计 机架零件支撑着机器中的全部零件，保证组成机器的各零件处于正确的工作位置，承受各零件的作用力，并传递到基础上。 每台机器都有各自的特殊功能，因而，为满足这些特殊要求，机架零件具有各自的结构形状。常见的机架结构形状可以分为以下几类机座类，如各种机床的机身；底座类，如由电动机、减速器和卷筒组成的电动绞车的底座；箱体类，如速器的机体。 由于机架零件形状复杂，一般多采用铸件。铸铁因具有铸造性能 好、价廉、吸收振动能力强及刚度高等特点，在机架零件中应用最广。受载情况严重的机架零件，可用铸钢。 对于结构简单、生产批量不大的大中型机架，常用由型钢和钢板焊接成的焊接件。它质量小，生产工期短，不同部件可用不同牌号的钢材。焊接的机架零件质量比铸造的可减轻 40左右。为提高强度和刚度在接头处常焊以加强板和加强筋。为减少机械加工，应在机架上安装各部件的支承面处焊有钢板，以便区分加工面。焊后应热处理消除内应力。 由于结构简单，生产批量不大，所以该焊接滚轮架的机架部分采用工字钢和钢板焊接而成。 第二部分：储 水筒筒体焊接工艺设计 六、任务描述 按给定的基本母材设计压力容器椭圆形型封头与设备筒体处的焊接接头型式及坡口型式 ,选择合适的焊接方法及焊接材料 七、焊接母材 304 不锈钢简介 304不锈钢是一种通用性的不锈钢材料，防锈性能比 200系列的不锈钢材料要强。耐高温方面也比较好，一般使用温度极限小于 650。 304 不锈钢具有优良的不锈耐腐蚀性能和较好的抗晶间腐蚀性能。对氧化性酸，在实验中得出：浓度 65%的沸腾温度以下的硝酸中， 304不锈钢具有很强的抗腐蚀性。对碱溶液及大部分有机酸和无机酸亦具有良好的耐腐蚀能力。 304不锈钢化学牌号为 06304不锈钢化学成份 C P S - 物理性能： 抗拉强度 b ( 520 条件屈服强度 205 伸长率 5 (%) 40 断面收缩率 (%) 60 硬度： 187 90 200、 工艺 一种非熔化极惰性气体保护焊，其工艺过程：在惰性气体保护下，通过钨极与薄壁不锈钢板之间产生电弧产生的热熔化钢板的对接而形成熔池来产生焊缝，属于自熔化焊接。不锈钢薄板采用钨极氩弧焊比其它焊接方法有非常好的优越性能：焊缝质量高；电弧热量集中，功率密度大，热影响区小；单面焊双面成型，明弧操作，便于对电弧熔 池的观察；板材表面及焊缝质量好。 因此，采用 接方法对薄壁不锈钢板进行焊接适应了现代产品高质量的要求，是焊接生产由手工向自动化发展的标志。 焊接电流 焊接电流是钨极氩弧焊最主要的工艺参数，电弧热量正比于焊接电流，要改变电弧功率主要通过改变焊接电流的大小来实现。焊接时，增加焊接电流可以增加熔深和熔宽，即可焊的板厚增加。在焊接条件和其它工艺参数不变的情况下，一定厚度的薄壁不锈钢板的焊接电流只能在一定范围内调节，超出此范围，就会产生焊接缺陷。 焊接速度 焊接速度与线能量有关，线能量反比于焊接速度，焊接速度决 定着对每单位长度焊缝所提供的能量，同时影响熔深和熔宽，焊接速度的快慢直接影响焊缝的质量。如果提高焊接速度，线能量将会降低，可避免金属过热，减少热影响区，熔深和熔宽也减小。因此在保证焊接质量的前提下，尽量提高焊接速 度。但焊接速度过快会产生保护效果差，焊缝正反面不均匀和未焊透等缺陷。所以在钨极氩弧焊的时候，焊接速度比较才能保证焊接质量。 电弧电压和电弧长度 电弧的热量也正比与电弧电压，根据钨极氩弧焊的电弧静特性，焊接过程中电弧电压只与电弧的高度有关，而对焊接电流影响很小。因此，在焊接电流一定的情况下，改变电弧电 压可以电弧的功率。电弧电压和弧长存在一个简单的线性函数关系，当弧长增加时，电弧电压成正比增加，电弧功率增加。但电弧长度超出一定的范围后，在弧长增加的同时，弧柱的截面积也增加，热效率降低，保护效果变差。焊接时电弧长度对热影响区有直接的影响。薄壁不锈钢板焊接时，钨极伸出喷嘴的长度一般在 8右，电弧的长度控制在 2 4、焊接电极 钨极氩弧时采用的电极材料一般为铈钨和钍钨，焊接时要求电极有发射电子能力强、容易引弧、电弧的稳定性好，尤其在高温的时候不易熔化，许用电流大等性能。目前被广泛使用的铈 钨具有电子逸出功比钍钨电极低 10%；弧束细长，热量集中，可提高电流密度 5使用寿命长，是钍钨的一倍；引弧容易、方便、稳定优点。所以，铈钨的使用率更高。在选定电极材料后，要根据焊接电流的大小选择合适直径的电极，不同直径的电极有不同电流使用范围见表 外钨极的形状对焊接有一定的影响。电极端部的锥角和端部平台直径对电弧的稳定和焊缝成形有重要的影响。端部角度如果太小，电流密度将提高，焊缝容易产生弧坑，所以不同直径的钨极角和平台要求是不一样的，具体见表 表 径 电1 流 直流正接 15 80 70150 150250 250400 400500 500750 直流反接 1020 1530 2540 4055 5580 交流 20 60 60120 100180 160250 200320 290390 表 极直径l 部直径d 部角度 12 20 25 30 35 45 60 90 保护气体 气是一种单原子惰性气体，它即不与金属反应，也不熔于金属中，本身的导热系数小，高温时不分解。但用氩气作为保护气时焊接速度慢，生产效率低。 用 2混合气体可以提高电弧能量，增加焊接速度。在氩气中加入氢气，可以提高电弧电压，从而提高电弧热功率，增加熔深，提高焊接速度。表 别用 r+ 表 护气种类 板厚 接电流 A 焊接速度mm/r 0 400 0 300 0 800 0 800 可见，采用 合气体可明显提高焊接速度。用 合气体焊接 接速度比纯氩快 50%，此外还有防止咬边和抑制 此，采用 2 混合气体不仅可以获得优质焊缝而且还可以保证焊接生产效率，克服了氩弧焊速度慢的缺点，是逐渐被接受的保护气体。 九、焊接操作 在不锈钢薄板的 中，要获得高质量的焊缝