0510-C型搅拌摩擦焊机机械结构设计【CAD图+说明书】
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C型搅拌摩擦焊机机械结构设计
前言
一项新兴额金属加工技术自方法发明、原理验证、技术改进到工业化推广应用一般要经历几十年甚至更长的时间。焊接技术也是一样，如钎焊、电弧焊、激光焊、电子束焊等都精力了类似的过程。但是搅拌焊不同，1991年英国焊接研究所（The welding Institute-TWI）发明了搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding，简称FSW)，伺候搅拌摩擦焊以任何一种焊接方法无可比拟的发展速度，迅速走出实验室，在国际工业制造领域（船舶、轨道列车、航空、航天、汽车、兵器电子电力等）得到大规模工程化应用。作为一项创新的固相连接方法，搅拌摩擦焊正在大步取代传统铝合金焊接方法，在铝合金结构制造及铝型材加工领域，迎来革命性的跨时代发展。
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开题报告 题目 一、 课题的意义 搅拌摩擦焊技术发明至今 14 年以来，无论在国外还是在国内，已经成功跨出试验研究阶段，发展成为在铝合金结构制造中可以替代熔焊技术的工业化实用的固相连接技术；这项新型的焊接技术在航空航天飞行器、高速舰船快艇、高速轨道列车、汽车等轻型化结构以及各种铝合金型材拼焊结构制造中，已经展示出显著的技术和经济效益，诸如：根除了熔焊所固有的焊接缺陷（气孔、凝固裂纹等）、提高了接头和结构的连接质量、降低了焊接变形等 ;并且在其他轻金属如镁、铜、锌等材 料结构的制造中也正在实施工程化应用。 与搅拌摩擦焊相适应的焊接新装备和搅拌工具的发展也非常快，为实施搅拌摩擦焊工艺方案（如消除搅拌匙孔）及提高各类材料接头的质量，各种类别的新型搅拌摩擦焊接设备、自动化装置及机器人搅拌摩擦焊机等相继问世。 搅拌摩擦焊目前的发展目标之一是攻克在高熔点金属材料连接中的难题，诸如：普通碳钢、不锈钢、钛合金、甚至高温合金等结构材料的固相连接，进一步优化搅拌工具的型体设计与材料选取，以及焊接过程参数的监控及焊接质量实时检测和控制 ,制订标准。 二 、 国内外研究概况及发展趋势（含文献综述） ： 1991 年 ,英国焊接研究所（ 明了搅拌摩擦焊（ 这项杰出的焊接技术发明正在为世界制造技术的进步做出贡献。 在国外 ,搅拌摩擦焊已经在诸多制造领域达到规模化、工业化的应用水平。如在船舶制造领域，在 1996 年搅拌摩擦焊就在挪威 司成功地应用在铝合金快速舰船的甲板、侧板等结构件的流水线制造。在轨道车辆制造领域，日本 司首先于 1997年将搅拌摩擦焊技术应用于列车车体的快速低成本制造，成 功实现了大壁板铝合金型材的工业化制造。在世界宇航制造领域，搅拌摩擦焊已经成功代替熔焊实现了大型空间运载工具如运载火箭和航天飞机等的大型高强铝合金燃料贮箱的制造，波音公司的 于 1999年首次成功发射升空。 2000年世界汽车工业，如美国 车公司等就利用搅拌摩擦焊实现了汽车悬挂支架、轻合金车轮、防撞缓冲器、发动机安装支架以及铝合金车身的焊接。 2002 年 8 月，美国月蚀航空公司利用 术研制出了全搅拌摩擦焊轻型商用飞机，并且首次试飞成功。 截至 2004 年 9 月，全世界约有 130 家各个行业的公司和大学、研究机构获得了英国焊接研究所授权的搅拌摩擦焊非独占性专利许可。已经有多个国家如：英国、美国、法国、德国、瑞典、日本和中国等 , 把搅拌摩擦焊技术扩大应用的同时 ,在世界范围内申请了与搅拌摩擦焊相关技术的专利 997 年起平均每年有 100 120 项搅拌摩擦焊技术专利申请 ;到 2004 年底，全世界已经公开的搅拌摩擦焊专利申请达到了 1218 项。 作为一种新型制造产业 ,搅拌摩擦焊技术正在世界范围内兴起！ 1 搅拌摩擦焊的技术特点 搅拌摩擦焊作为一项新型焊接方法，用 很短的时间就完成了从发明到工业化应用的历程。目前 ,在国际上还没有针对搅拌摩擦焊公布的统一技术术语标准，在搅拌摩擦焊专利许可协会的影响下，业界已经对搅拌摩擦焊方法中所涉及到的通用技术术语进行了定义和认可。图 1 示出了搅拌摩擦焊所用到的主要描述性术语。 图 1 搅拌摩擦焊原理示意与名词术语 搅拌摩擦焊技 术所涉及到的主要技术术语定义如下： 搅拌头（ 搅拌摩擦焊的施焊工具； 搅拌头轴肩（ 搅拌头与工件表面接触的肩台部分； 搅拌针（ 搅拌头插入工件的部分； 前进侧（ 焊接方向与搅拌头轴肩旋转方向一致的焊缝侧面； 回转侧（ 焊接方向与搅拌头轴肩旋转方向相反的焊缝侧面； 轴向压力（ 搅 拌摩擦焊是一种在机械力和摩擦热作用下的固相连接方法。如图 1 所示，搅拌摩擦焊过程中，一个柱形带特殊轴肩和针凸的搅拌头旋转着缓慢插入被焊接工件，搅拌头和被焊接材料之间的摩擦剪切阻力产生了摩擦热，使搅拌头邻近区域的材料热塑化（焊接温度一般不会达到和超过被焊接材料的熔点），当搅拌头旋转着向前移动时，热塑化的金属材料从搅拌头的前沿向后沿转移，并且在搅拌头轴肩与工件表层摩擦产热和锻压共同作用下，形成致密固相连接接头。 搅拌摩擦焊具有适合于自动化和机器人操作的诸多优点，对于有色金属材料（如铝、铜、镁、锌等）的连接 ,在焊接 方法、接头力学性能和生产效率上具有其他焊接方法无可比拟的优越性，它是一种高效、节能、环保型的新型连接技术。 但是搅拌摩擦焊也有其局限性，例如：焊缝末尾通常有匙孔存在（目前已可以实现无孔焊接）； 焊接时的机械力较大，需要焊接设备具有很好的刚性；与弧焊相比 ,缺少焊接操作的柔性；不能实现添丝焊接。 搅拌摩擦焊对材料的适应性很强，几乎可以焊接所有类型的铝合金材料，由于搅拌摩擦焊接过程较低的焊接温度和较小的热输入，一般搅拌摩擦焊接头具有变形小、接头性能优异等特点 ;可以焊接目前熔焊 “ 不能焊接 ” 和所谓 “ 难焊 ” 的金属材料如 ：列 ) 、 列 )和 8090、 2090 和 2195 铝合金 )等铝合金。 另外，搅拌摩擦焊对于镁合金、锌合金、铜合金、铅合金以及铝基复合材料等材料的板状对接或搭接的连接也是优先选择的焊接方法；目前，搅拌摩擦焊还成功地实现了不锈钢、钛合金甚至高温合金的优质连接。 搅拌摩擦焊可以较容易实现异种材料的连接，例如铝合金和不锈钢的搅拌摩擦焊接，利用搅拌摩擦焊可以较方便的实现铝钢板材之间的连接和铜铝复合焊接接头。 搅拌摩擦焊发明初期主要解决厚度 毫米的铝合金板 材焊接问题 ;1996 年，用 12 毫米的铝、镁、铜合金的连接 实现了 1225 毫米厚铝合金板的搅拌摩擦焊，并且在宇航结构件上得到应用 搅拌摩擦焊可以焊接 50 毫米厚的铜合金及 75 毫米厚度的铝合金零件和产品 ，英国焊接研究所已经能够单道单面实现 100 毫米厚铝合金板材的搅拌摩擦焊。迄今，在材料的厚度上，单道焊可以实现厚度为 00合金材料的焊接；双道焊可以焊接 180的对接板材。最近 ,又开发了可以连接 板的微型搅拌摩擦焊技术 . 搅拌摩擦焊是长 、直规则焊缝（平板对接和搭接）的理想焊接方法 3构的焊接 ,如筒形零件的环缝和纵缝 ;可以实现全位置空间焊接，如水平焊、垂直焊、仰焊以及任意位置和角度的轨道焊。图 2 示出了多种典型的搅拌摩擦焊接头形式，如多层对接、多层搭接、 T 形接头、 V 形接头、角接等。 与传统钨极氩弧焊（ 熔化极氩弧焊（ 接相比较，搅拌摩擦焊在接头力学性能上据有明显的优越性。例如 ,对于 的 2014合金， 接头性能比高 16 ;对于 米厚的 2014合金 ， 接头性能比 高 22 艺稳定，焊接接头质量容易保证。 图 2 搅拌摩擦焊的接头形式 搅拌摩擦焊接头的疲劳性能一般都优于熔焊接头。 1996 年英国焊接研究所对 6度的2014 22195083 7075铝合金进 行了搅拌摩擦焊接头的疲劳性能研究，结果表明搅拌摩擦焊接头的疲劳性能优于欧洲弧焊标准（ 3）。 2 搅拌摩擦焊在国外的发展 搅拌摩擦焊作为一种轻合金材料连接的优选焊接技术，已经从技术研究，迈向高层次的工程化和工业化应用阶段 ,形成了一个新的产业 : 搅拌摩擦焊设备的制造、搅拌摩擦焊产品的加工 欧的船舶制造工业、日本的高速列车制造等制造领域，搅拌摩擦焊得到了广泛的应用 ,均已形成新兴产业。 拌摩擦焊在铝合金结构制造中取代传统熔焊 搅拌摩擦焊已成功地实现了鋁合金、 镁合金构件制造大规模的工业化应用。下面列举一些典型的应用实例。 拌摩擦焊在船舶制造工业中的应用 早在 1995 年，挪威 司就将 术应用于船舶结构件的制造（见图 3），采用搅拌摩擦焊技术将普通型材拼接，制造用于造船业的宽幅型材。该焊接设备以及工艺已经获得 1996到 1999，已经成功焊接了 1700 块船舶面板，焊缝总长度超过 110 在造船领域 ,搅拌摩擦焊适用面很宽： 船甲板、侧板、船头、壳体、船舱防水壁板和地板 ,船舶的上层铝合金建筑结构 ,直升飞机起降平台 ,离岸水上观测站 ,船舶码头 ,水下工具和海洋运输工具 ,帆船的桅杆及结构件 ,船上制冷设备用的中空挤压铝板等。 图 3 挪威 用搅拌摩擦焊技术制造船用宽幅铝合金型材 拌摩擦焊在航空航天工业中的应用 航空航天飞行器铝合金结构件，如飞机机翼壁板、运载火箭燃料储箱等，选材多为熔焊焊接性较差的 2000 及 7000 系列鋁合金材料，而搅拌摩擦焊可以实现这些系列铝合金的优质连接 ,国外已经在飞机、火箭等宇航飞行器上得到应用。 采用搅拌摩擦焊提高了生产效率，降低了生产成本，对航空航天工业来说有着明显的经济效益。波音公司首先在加州的 厂将搅拌摩擦焊应用于 高的中间舱段的制造（纵缝，厚度 米 ， 2014 铝合金） ，该运载火箭于 1999 年 8 月 17 日成功发射升空。 2001 年 4 月 7 日， “ 火星探索号 ” 发射升空，采用搅拌摩擦焊技术，压力贮箱焊缝接头强度提高了 30 , 搅拌摩擦焊制造技术首次在压力结构件上得到可靠地应用。 波音公司在阿拉巴马州的 厂将搅拌摩擦焊技术用于制造 运载火箭中心助推器。 运载火箭贮箱直径为 5m,材料改为 2219合金。到 2002 年 4月为止，搅拌摩擦焊已成功焊接了 2100m 无缺陷焊缝应用于 I 火箭， 1200m 无缺陷焊缝应用于 V 火箭。采用搅 拌摩擦焊节约了 60的成本，制造周期由 23 天降低为 6 天。 欧洲 航公司将搅拌摩擦焊技术用于 发动机主承力框的制造（图 4），承力框的材料为 7075体结构由 12 块整体加工的带翼状加强的平板连接而成，结构制造中用搅拌摩擦焊代替了螺栓连接，为零件之间的连接和装配提供了较大的裕度，并可减轻结构重量，提高生产效率。 图 4 欧洲 司采用 造 发动机主承力框 目前，搅拌摩擦焊在飞机制造领域的开发和应用还处于验证阶段，主要利用 现飞机蒙皮和衍樑、筋条、加强件之间的连接，框架之间的连接、飞机预成型件的安装、飞机壁板和地板的焊接、飞机结构件和蒙皮的在役修理等，这些方面的搅拌摩擦焊制造已经在军用和民用飞机上得到验证飞行和部分应用。另外波音公司还成功地实现了飞机起落架舱门复杂曲线的搅拌摩擦焊焊接。 美国 机制造公司斥资 3 亿美元用于搅拌摩擦焊的飞机制造计划，其制造的第一架搅拌摩擦焊商用喷气客机（ 图 5）于 2002 年 8 月在美国进行了首飞测试。其机身蒙皮、翼肋、弦状支撑、飞机地板以及结构件的装配等铆接工序均由搅拌摩擦焊替代，提高了生产效率、节约了制造成本并且减轻了机身重量。 图 5 00 型商用喷气客机的搅拌摩擦焊焊接构件之一 搅拌摩擦焊在航空航天业的应用主要在以下几个方面：机翼、机身、尾翼；飞机油箱；飞机外挂燃料箱；运载火箭、航天飞机的低温燃料筒；军用和科学研究火箭和导弹；熔焊结构件的修理等。 拌摩擦焊在轨道交通及陆路交通工业中应用 在轨道交通行业，随着列车速度的不断提高，对列车减轻自重 ,提高接头强度及结构安全性要求越来越高。高速列车用铝合金挤压型材的连接方式，成为了制约发展的主导因素。由于搅拌摩擦焊焊接接头强度优于 焊接接头，并且缺陷率低，节约成本，所以目前 高速列车的制造 ,采用搅拌摩擦焊技术，已成为主流趋势。在该领域 ,比较典型的为日本日立公司，在做单层和双层挤压型材件连接时都采用了搅拌摩擦焊技术，用于市郊列车和快速列车车辆的制造。 日本轻金属公司已将 艺用于地铁车辆，采用这种工艺制造的工件长度已经超过了3头质量良好。由住友轻金属公司生产的挤压型材 接拼板 ,用于日本新干线车辆的制造（图 6 左），车辆时速可达 285 km/h。 法国的 司将搅拌摩擦焊应用于列车顶板的连接（图 6 右）。 图 6 左：日本住友轻金属公司 产的新干线列车壁板；右：法国阿尔斯通 造的列车车顶 目前 ,与轨道车辆相关方面的搅拌摩擦焊应用包括：高速列车箱体型材连接；油罐车及货物列车箱体连接；集装箱箱体；铁轨以及地下滚动托盘。 拌摩擦焊在汽车工业中应用 为了提高运载能力和速度，汽车制造呈现出材料多样化、轻量化、高强度化的发展趋势，铝合金 、镁合金等轻质合金材料所占的比重越来越大，相应的结构以及接头形式都在设法改进。搅拌摩擦焊技术的发明恰好满足了这种新材料、新结构对新型连接技术的需求。挪威 司采用搅拌摩擦焊技术制造汽车轮毂，将铸造或锻造的中心零件与锻铝制造的辐条连接起来，以获得良好的载荷传递性能并减轻重量。 美国 车公司采用搅拌摩擦焊制造汽车用悬挂连接臂 ,取得了很大经济效益。搅拌摩擦焊。另外，该公司还将搅拌摩擦焊技术用于缝合不等厚板坯料 (制造 ;采用缝合坯料 ,在优化结构强度和刚 度设计的同时 ,既大大减少了汽车制造中模具的数量 ,又缩短了工艺流程。 目前搅拌摩擦焊在汽车制造工业中的应用主要为：发动机引擎和汽车底盘车身支架；汽车轮毂；液压成型管附件；汽车车门预成型件；轿车车体空间框架；卡车车体；载货车的尾部升降平台汽车起重器；汽车燃料箱；旅行车车体；公共汽车和机场运输车；摩托车和自行车框架；铝合金电梯；逃生交通工具；铝合金汽车修理；镁合金和铝合金的连接。 搅拌摩擦点焊 (研究与技术开发 ,是汽车制造工业中的一个新热点 . 拌摩擦焊在其他工业中的应用 搅拌摩擦焊成功地解决 了轻合金金属的连接难题，在兵器、建筑、电力、能源、家电等工业中的应用也越来越广泛。 如在兵器工业，搅拌摩擦焊成功实现了坦克、装甲车的主体结构和防护装甲板的制造 ;在建筑行业 ,搅拌摩擦焊在民用建筑工业的应用主要为：铝合金桥梁 ,铝合金、铜合金、镁合金装饰板 ,门窗框架 ,铝合金管线 ,电厂和化学工厂的铝合金反应器 ,热交换器 ,中央空调 ,管状结构件制造等。在电力行业 ,搅拌摩擦焊的应用主要为：发动机壳体 ,电器连接件 ,电器封装等。在家电行业 ,主要应用为：冰箱散热板 ,厨房电器和设备 ,“ 白色 ”家用物品和工具 ,天然气、液化气储箱和 容器 ,金属家具等。 三 、 研究内容 机械系统设计分为四个部分： （ 1） 台设计； （ 2）升降台设计； （ 3）主轴箱设计； （ 4）外形尺寸设计。 四 、 目标、
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