机械毕业设计（论文）-双搅拌轴搅拌摩擦焊焊机设计【全套图纸PROE三维】

浙浙江江理理工工大大学学 本科毕业设计（论文） 题题 目目 双搅拌轴搅拌摩擦焊机设计双搅拌轴搅拌摩擦焊机设计 学学 院院 机械与自动控制学院机械与自动控制学院 专业班级专业班级 0909 机械设计制造及其自动化（机械设计制造及其自动化（4 4）班）班 姓姓 名名 学学 号号 指导教师指导教师 系系 主主 任任 学院院长学院院长 胡旭东胡旭东 二二一三一三年年五五月月十二十二日日 全套图纸，加全套图纸，加 153893706153893706 浙浙 江江 理理 工工 大大 学学 机械与自动控制学院机械与自动控制学院 毕业设计诚信说明 我谨在此保证：本人所做的毕业设计，凡引用他人的研究成果 均已在参考文献或注释中列出。设计说明书与图纸均由本人独立完 成，没有抄袭、剽窃他人已经发表或未发表的研究成果行为。如出 现以上违反知识产权的情况，本人愿意承担相应的责任。 声明人（签名）： 2013 年 5 月 12 日 4 摘摘 要要 搅拌摩擦焊技术是 90 年代发展起来的、自发明到工业应用时间跨度最短和 发展最快的一项新型固相连接新技术，公认为是最有前途和最适合航空材料以 及结构件制造的工艺方法之一。搅拌摩擦焊（FSW）是一个相对较新的固态焊接 过程。这种连接技术具有节能，高效，环保，用途广泛的特点。特别是，它可 以用于高强度航天铝合金和其他金属的合金，这些合金是很难通过常规焊接熔 焊。 FSW 被认为是金属连接在十年的发展中最有标志性的成果。6 本文设计出的双搅拌轴摩擦焊焊机，总功率约 3 千瓦，适合于普通厚度的 铝及其合金的工艺试验试件的焊接，搅拌摩擦头转速约 6000r/min，焊接速度 为 500600mm/min，最大加工焊缝厚度 15mm，焊缝长度 500mm。文中介绍了搅 拌摩擦焊焊接技术的基本原理和特点，概要地介绍了搅拌摩擦焊的技术优势、 研究现状、工业应用和发展前景。针对工艺试验试件搅拌摩擦焊机，主要设计、 计算和校核了设备各主要部分，均能够满足试验用焊机的要求。 本机器由于采用双搅拌头，因此相对于一般的搅拌摩擦焊焊机效率更高。 相对于一般的搅拌摩擦焊焊机，该机器也非常的经济和容易操作。 关键词关键词：双搅拌轴摩擦焊；固相焊接；铝合金焊接；焊机设计 Abstract Friction stir welding (FSW) was firstly used in the 1990s, which is swiftest in development and is shortest in time from being invented to being applied, it is also treated as one of the technology that have a bright future and the most suitable for aviation and component manufacture.Friction stir welding (FSW) is a relatively new solid-state joining process. This joining technique is energy efficient, environment friendly, and versatile. In particular, it can be used to join high-strength aerospace aluminum alloys and other metallic alloys that are hard to weld by conventional fusion welding. FSW is considered to be the most significant development in metal joining in a decade. This task is to sign a machine used in laboratory. Its power is about three kilowatt, rotation rate approximately is 6000r/min, and welding speed is from 500 to 600mm/min. It can be apply to welding the aluminum and aluminum alloys. In addition, the welding thickness cant exceed 15mm and length 500mm. In this paper, the basal principle and features of FSW is introduced, and the priority, prospect and application are also expounded. Importantly, main parts of the FSW machine was designed and calculated, the calculation results shows that the FSW machine designed in the paper can accord with the demand of the testing in laboratory. The advantage of this machine is that it is more efficient than the normal FSW machine because it has a twin-stir.Compared with other machine,it is also very cheap and easy-to-use. KeyKey wordswords：Twin-stir Friction welding；Solid phase welding；Aluminum alloys welding；Application prospect；Welding machine design 目 录 摘 要 Abstract 第 1 章 绪论1 1.1 搅拌摩擦焊简介 1 1.2 国内外研究现状及发展趋势 2 1.2.1 搅拌摩擦焊技术发展历史及研究成果.2 1.2.2 国内搅拌轴摩擦焊技术发展发展应用3 1.2.3 搅拌摩擦焊中双搅拌轴摩擦焊技术目前的应用情况和前景.5 1.3 本次设计的内容和意义 6 第 2 章 双搅拌轴搅拌摩擦焊机设计7 2.1 焊机的总体设计以及规划7 2.2 各部件设计8 2.2.1 搅拌头及夹具设计8 2.2.2 搅拌系统功率计算9 2.2.3 搅拌系统传动齿轮设计.11 2.2.4 搅拌轴的设计.15 2.2.5 搅拌系统 V 带设计.20 2.2.6X-Y 工作台设计.26 2.2.7 传动丝杠设计.27 2.2.8 减速齿轮的设计.30 2.2.9 液压缸选择.33 第 3 章 AUTOCAD 与 PRO/E 软件简介.34 3.1 软件简介.34 3.2 三维模型.35 第 4 章 总结与展望37 参考文献.38 致 谢39 浙江理工大学本科毕业设计（论文） 1 第 1 章 绪论 1.1 搅拌摩擦焊简介 1991 年搅拌摩擦焊(Friction stir WeldingFSW)由英国焊接研究所 (The Welding lnstirate-TWl)发明，这项杰出的焊接技术一步一步地为世界制 造技术的进步做出了巨大的贡献。 自 1991 年搅拌摩擦焊(Friction stir WeldingFSW)被发明到现在，该项 技术已经在国内外的众多领域出现它的身影。如今，搅拌摩擦焊焊已经在诸多 制造领域（船舶、轨道列车、航天、航空、汽车、兵器、电子电力等）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 MARINE 公司成功地应用在铝台金快速舰船的甲板、侧板等结构件的流水线制造。 在轨道车辆制造领域，日本 HITACHI 公司首先于 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 DELTA II 型和 Iv 型火箭已经全部实现了搅拌摩擦焊制造 t 并于 1999 年首次成 功发射升空。2000 年世界汽车工业，如美国 TOWER 汽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 FSW 技术研制出了全搅拌 摩擦焊轻型商用飞机，并且首次试飞成功7。 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。英国、美国、法国、德 国、瑞典、日本和中国等先后获得了该专利的使用权。至今为止我国先后已经 有二十多家单位。获得了该项专利的使用权8。 双搅拌轴摩擦焊缝技术作为搅拌摩擦焊技术的一种，它的最大特点就是可 以提高生产效率。同时，它也可以使得焊缝区域更大，焊接质量更高。目前存 在的双搅拌轴一般采用两个转动相反的搅拌头同时进行焊接。 双搅拌轴搅拌摩擦焊机设计 2 在不久的将来，搅拌摩擦焊技术将会一直以任何一种焊接方法无法比拟的 速度发展，在更多的领域发挥着它的作用。 1.2 国内外研究现状及发展趋势 1.2.1 搅拌摩擦焊技术发展历史及研究成果 搅拌摩擦焊在其发明初期主要解决厚度1.2毫米的铝合金板材焊接问题； 1996年，用FSW技术解决了612毫米的铝、镁、铜合金的连接1997年实现了 12-25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。1999年搅 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。2004 年，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0.8100mm铝合金材料的焊接： 双道焊可以焊接180mm厚的对接板材。最近，又开发了可以连接0.4mm铝板的微 型搅拌摩擦焊技术9。 搅拌摩擦作为一种优选焊接技术，已经在从技术研究向高层次的工程化和 工业化应用阶段发展。就拿国外的例子来说：在美国的宇航制造工业、北欧的 船舶制造工业、日本的高速列车制造等制造领域10。总之搅拌摩擦焊已经广泛 地涉及到了在船舶制造工业、航空航天工业、轨道交通及陆路交通工业、汽车 工业以及兵器、建筑、电力、能源、家电等工业。 搅拌摩擦在今年来取得的成就主要可以从以下几方面来体现： （1）搅拌摩擦焊在船舶制造工业上的应用 目前搅拌摩擦焊在船用铝合金的焊接方面研究应用较多，几乎可以焊接 所有系列的铝合金材料，另外，搅拌摩擦焊也可以实现铝合金与铜合金、铝合 金与镁合金等不同材料的焊接。搅拌摩擦焊与普通摩擦焊相比，因不受轴类零 件的限制，可焊接直焊缝、角焊缝。传统焊接工艺焊接铝合金时要求对表面进 行去除氧化膜处理，并要求在48 h内进行焊接，而搅拌摩擦焊工艺只要在焊前 去除油污即可，并对装配要求不高。因此，搅拌摩擦焊是船用铝合金结构首选 的连接技术。 浙江理工大学本科毕业设计（论文） 3 （2）搅拌摩擦焊在航天航空工业上的应用 以英国焊接研究所、波音、空客以及美国月蚀公司为代表的搅拌摩擦焊技 术开发和应用的先锋已经取得了丰硕的成果。近期的研究结果表明搅拌摩擦焊 可以在飞机机翼结构、翼盒结构、机身结构、舱门结构、裙翼结构、机舱气密 隔板以及货物装卸结构等方面得到应用11。 （3）搅拌摩擦焊在高速列车铝合金焊接的应用 在搅拌摩擦焊出现后，搅拌摩擦焊由于是一种无需外加焊接材料的焊接方 法，因此没有熔化焊接时选择焊接材料的困难，也节省了焊材费用。更重要的 是没有熔化焊接凝固时的一次结晶过程，克服了焊接高强铝合金时的结晶裂纹、 气孔和夹杂倾向，不会产生焊缝塌陷问题，也不会形成焊缝铸造组织和低强区。 因此搅拌摩擦取代了先前的熔化焊，成为焊接高速列车时优先选择的焊接方法。 （4）搅拌摩擦焊在其他领域的应用 搅拌摩擦焊除了上述3个领域外，还在轨道交通及陆路交通工业、汽车工业 在兵器、建筑、电力、能源、家电等工业中的应用也越来越广泛。而且都取得 了或多或少的成就。 1.2.2 国内搅拌轴摩擦焊技术发展发展应用 2002 年，北京航空制造工程研究所与英国焊接研究所正式签署搅拌摩擦 焊专利许可协议，并在技术合作的基础上成立了中国搅拌摩擦焊中心。中国搅 拌摩擦焊中心的成立标志着搅拌摩擦焊技术正式登陆中国。中国搅拌摩擦焊中 心全权代表英国焊接研究所，发售和管理中国地区(包括香港、澳门和台湾)的 搅拌摩擦焊技术专利许可，从此为搅拌摩擦焊技术在中国地区的发展、推广和 工业化应用打开了大门12。 双搅拌轴搅拌摩擦焊机设计 4 图 1-1 采用搅拌摩擦焊焊接的铝合金材壁机 图 1-2 搅拌摩擦加工技术的发展 自搅拌摩擦焊进入国内后，较快的运用于我国工业上的许多领域（船 舶制造行业、航天制造工业、轨道交通行业等） 。 搅拌摩擦焊在国内的应用现状，主要通过船舶制造行业、航天制造工 业两方面来介绍。首先在船舶制造行业，2006 年 4 月，我国设计制造了国内第 一台用于大型船用型材料拼焊的搅拌摩擦焊设备，此后，中国搅拌摩擦焊中心 大力发展铝合金型材壁板的搅拌摩擦焊制造。其次，搅拌摩擦焊在航天制造工 业也发挥着重大的作用。目前，国内对于 2000 系列、7000 系列以及铝锂合金 的材料制成的太空交通运载工具都优先采用搅拌摩擦焊。中国搅拌摩擦焊中心 于十五期间重点对航天运载火箭搅拌摩擦焊开展了系统的科研攻关，国内 的航天制造工业企业也积极采用了搅拌摩擦焊技术。 除却上述的两个领域外， 搅拌摩擦焊在国内还广泛应用于汽车制造业、轨道交通行业、电子电力能源行 业。 上图 1-2 为搅拌摩擦焊在国内的发展趋势。随着搅拌摩擦焊研究、技 术开发与应用推广的不断深入，基于搅拌摩擦的基本原理形成了材料链接、材 料改姓、材料成行等多种材料加工方法。 总之，在中国，搅拌摩擦焊的研究、开发和推广应用才刚刚起步，在 市场化的环境下，通过引进、消化、吸收和技术创新，搅拌摩擦得到了快速发 浙江理工大学本科毕业设计（论文） 5 展，尤其在航空、航天等领域、在国家政策和项目的支持下，搅拌摩擦焊必将 在我国其他工业领域得到较快的推广。 1.2.3 搅拌摩擦焊中双搅拌轴摩擦焊技术目前的应用情况和前景 （1）双搅拌轴摩擦焊技术的工作原理 在提及双搅拌轴摩擦焊缝技术的工作原理前，我们先讲讲搅拌摩擦焊的 工作原理：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6。 相对于搅拌摩擦焊的工作原理，双搅拌摩擦焊缝为采用两个转动相反的 搅拌头同时进行焊接，由于两个搅拌头转动方向相反，产生的工作扭矩因相互 抵消而减弱，焊接过程中采用较小的侧向装夹力就能实现可靠的连接。在双搅 拌头复杂的机械力和摩擦热的作用下，塑性金属的流动、焊接温度场、应力应 变场都将受到影响，这会对焊件性能产生很大的影响。 虽然两者看起来是十分的相似，无非是多了一个搅拌轴，但是双搅拌轴 摩擦焊相对于搅拌摩擦焊有以下优点：（a）可以得到比搅拌摩擦焊更宽的焊缝 区域；（b）焊接质量更高；（c）两个搅拌头同时焊接可以产生更多的热量， 该方法可以运用于钢及其他高温合金搅拌摩擦焊中；（d）可以确保在较小的扭 矩下实现材料的可靠连接， （e）生产效率更高。 目前双搅拌轴摩擦焊有以下几种：平行并列式双头(Parallel Twin-stir) 搅拌摩擦焊、前后交错排列式双头(Staggered Twin-stir)搅拌摩擦焊、前后一 字排列式双头(Tandem Twin-stir)搅拌摩擦焊。 （2）双搅拌轴摩擦焊技术取得得成就 TWI采用双搅拌轴进行了双头搅拌摩擦焊焊接，试验中得出了在6mm厚 6082-T6铝合金一字排列式双头搅拌摩擦焊搭接接头中，无论前进侧还是后退侧 的焊缝区域残留氧化物均有所减少，前后交错排列式双头搅拌摩擦焊3mm厚 双搅拌轴搅拌摩擦焊机设计 6 5083-H111铝合金搭接接头的金相分析表明，焊接区域尺寸可达板厚度的4.3倍。 在一系列的试验后，事实证明了双搅拌轴摩擦焊的优点远远大于其不足之 处。多头系统可以确保在较小的扭矩下实现材料的可靠连接。采用 前后交错排 列式双头搅拌摩擦焊工艺，用于材料加工和搭接焊具有独特优势，而且可以在 更大的对接间隙下实现对接接头的可靠连接7。 由此，在接下来的几年内，双搅拌轴摩擦焊技术将会得到越来越广泛的应 用于各个领域。 1.3 本次设计的内容和意义 通过对相关资料、文献的查找，获得相关资料，了解双搅拌摩擦焊焊接原 理及相关工艺，了解其的应用范围，了解双搅拌摩擦焊在焊接中的优势，了解 双搅拌轴摩擦焊的研究现状和在工业中的应用，以及搅拌摩擦焊的发展前景。 参照已有的双搅拌轴摩擦焊技术设计相关资料，设计一台能焊接焊缝厚度为 15mm，焊缝长度为 500mm 的双搅拌轴摩擦焊实验用焊机。在写设计说明书的过 程中，要求对关键部位的设计写得比较详细、具体，并校核该实验用焊机的各 主要部分。 浙江理工大学本科毕业设计（论文） 7 第第 2 2 章章 双搅拌轴搅拌摩擦焊机设计双搅拌轴搅拌摩擦焊机设计 本章讲述双搅拌轴搅拌摩擦焊焊机的重要部分的设计计算过程。主要包括 以下几方面：焊机的总体设计、搅拌系统的设计（主要讲双搅拌轴的设计以及 搅拌系统的传动系统） 、伺服系统的设计（主要为工作台的设计） 。 此搅拌摩擦焊焊机，搅拌摩擦头转速约 6000r/min，焊接速度 500 600mm/min，最大加工焊缝厚度 15mm，焊缝长度 500mm，总功率约 4000 瓦左右。 此机器主要使用于普通的铝及其合金，该焊机由于是双轴的，可以双件同 时加工，大大提高了生产效率。 2.1 焊机的总体设计以及规划 此双搅拌轴摩擦焊缝焊机由于为双轴，所以采取双件生产。为了使得该机 器更加经济使用，所以采用一般的 A3 钢焊接结构。以下是此焊机的一些整体结 构的规划，首先工作台平面约离地面高越 1300mm，焊机总高度约 1750mm（适合 于工作人员的操作）总长度约 1400mm，工作台面长度约 1000mm，宽度约 800mm，工作台上下移动约 80mm。机头高度约为 200mm，搅拌轴中心距机体约 500mm。工作台箱体总长约 1000mm，高度约 400mm。考虑到及其的中提美观，将 伺服系统的传动部分放入工作台的箱体内。同理，液压推动系统也将放于工作 台的箱体内，便于液压推动过程中将工作台垂直向上推动。为了便于该系统的 维修和检测，在起前方开一个天窗便于维修时的操作。电气控制部分将放于及 其的左后下方（此部分不再本次设计范围内） 。搅拌系统的电机放在电机座上， 然后再将电机座固定在机体上，调整电机座在机体上的位置就可以调整 V 带轮 中心距。为了方便观察，在集体后方开一个观察窗口，便于机器的维修和检测。 工作台箱体正面的左方将放置一个控制台，操作起来很方便。以上便是本台机 器的整体布局的规划。 双搅拌轴搅拌摩擦焊机设计 8 2.2 各部件设计 .1 搅拌头及夹具设计 搅拌头是搅拌摩擦焊技术的关键，由特殊形状的搅拌焊针和轴肩组成，轴 肩直径大于搅拌焊针直径。搅拌焊针用具有良好耐高温力学和物理特性的抗摩 损材料制造，并进行表面处理。 对于不同厚度的板所用的搅拌摩擦头不同，方便搅拌头的更换，夹持部分 采用螺纹联接，夹持部分为 M12，长度为 L=15mm，焊针直径 D=310mm，焊针 做成特殊的螺旋状，加大了焊针与工件的接触面积，同时也有利于被焊金属的 搅动，如图 2-1 所示。轴肩半径为焊针直径的三倍17，肩部直径为 D=9 30mm，轴肩采用如图 2-2 所示的图案，有利于轴肩与塑化材料紧密地结合在一 起，这样也提高了轴肩与焊件表面的接触面积，同时也提高了焊接时的闭合性， 从而可以防止塑化的材料在搅拌头旋转时喷射出去。各型号搅拌摩擦头的参数 见表 2-1。 图图 2-12-1 焊针示意图焊针示意图图图 2-22-2 轴肩示意图轴肩示意图 表表 2-12-1 搅拌摩擦头参数及焊缝截面积搅拌摩擦头参数及焊缝截面积 板厚（mm） 焊针直径 （mm） 焊针长度 （mm） 轴肩直径 d(mm) 角度（度） 焊缝断面积 mm21069186120 55 45 15450 33 28 9218 浙江理工大学本科毕业设计（论文） 9 搅拌头夹具用于联接搅拌头和搅拌轴，其具体结构如图 2-3 所示。 图图 2-32-3 搅拌头夹具搅拌头夹具 2.2.2 搅拌系统功率计算 查资料得到铝合金在焊接时的需要的最高温升为 600，本机器主要设计 成适合于 15mm 一下的，焊缝截面积约为 240mm2,焊速约为 500mm/min，由于热 传递和热量损失，设能量利用率约为 50%，则单位时间内焊缝温升部分体积为： 2x240x500=240000mm3 （由于本机器为双轴，则需要将截面面积加倍） ，能量计 算公式为18 （2-1）VTCE 式中：C比热容（J/kgK） T温度变化值（） V体积（m3） 密度（kg/m3） 效率 E能量（J） 查得铝的各项参数如下23 =2700Kg/m3，C=904.3J/KgK 由式（2-1）单位时间内需要能量为 min/895.87%502700102400006003 .904 9 KJE 由于该机器为双轴，则功率为： KWP9 . 260895.872 选用伺服电机 SM-150-230-20LFB（额定转速 2000r/min，长度 L=60mm，额 定扭矩 2.3NB） 双搅拌轴搅拌摩擦焊机设计 10 搅拌摩擦焊焊机输入工件的总功率为16 （2-2） )(45 )( 10 2 110 2 0 rr rrrrFn N 式中：N输入工件总的热功率（J） n搅拌摩擦头的转速（r/min） 摩擦系数 F工件上压力（N） r0、r1焊头轴肩和焊针的半径（mm） 因为单位时间内输入工件的能量与总功率相等，在单位时间内则有 （2-3）NE 查得铝与钢的摩擦系数为 0.1718 ，由式（2-2） 、 （2-3）得 )1424(45 )24241414( 878952 22 Fn F=84.7N 则两个搅拌头向前移动阻力为 NNF4 .14 阻 由此可以得出对于不同板厚的材料在焊接时的压力和焊接速度，见表 2- 2。 表表 2-22-2 不同板厚在焊接时的压力和焊速不同板厚在焊接时的压力和焊速 板厚 mm焊缝截面积 mm2压力 N焊速 mm/min 1524084.7500 1012084.71000 550601500 318602000 2.2.3 搅拌系统传动齿轮设计 传递功率，转速， （为了方便设计和选材，把双KWP9 . 2min/6000rn 搅拌头的传动齿轮设计成传动比为 1 的三个齿轮），则齿数比。1 齿 i1u 浙江理工大学本科毕业设计（论文） 11 1 1选择齿轮材料选择齿轮材料 为了便于制造，采用软齿面齿轮，查表得，大齿轮采用 45 钢正火处理， 170210HBS，小齿轮采用 45 钢调质处理，217255HBS。 2 2按齿面接触强度设计按齿面接触强度设计 一对钢制外啮合齿轮设计公式为 （2-4）)( 1 ) 671 (3 12 1 mm KT u u d dH （1）计算小齿轮传递的转矩 )(4615 6000 9 . 2 1055 . 9 1055. 9 6 1 1 6 mmN n P T （2）选择齿轮齿数，则实际传动比为80z 1 齿 i 传动比误差为 0%100 1 11 i （3）转速不高，功率不大，选择齿轮精度为 8 级 （4）载荷平稳，对称布局，轴的钢度较大，查表 2-4 取 K=1.5 表表 2-42-4 载荷综合系数载荷综合系数 K K 工作机均匀平稳轻微振动中等振动 结构布局对称非对称对称非对称对称非对称 均匀平稳 轻微振动1.7 原 动 机中等振动 表表 2-52-5 齿宽系数齿宽系数 齿面硬度 齿轮相对于轴承的位置 软齿面硬齿面 对称0.9 非对称布置0.6 （5）查表 2-5 取齿宽系数1 d 双搅拌轴搅拌摩擦焊机设计 12 （6）确定许用接触应力 查得 2 /380minmmNH 查表 2-6 得25 . 1 min H S 表表 2-62-6 最小安全系数最小安全系数 S SHmin Hmin和 和 S SHmin Hmin 齿轮传动装置的重要性 SHminSHmin 一般 11 齿轮损坏会引起严重后果 1.251.5 对于长期工作的齿轮，H可按下式计算 （2-5） min min H H H S 由式（2-5）得 2 /304 25 . 1 380 mmN H （7）计算齿轮分度圆直径 由式（2-4）得 mmd268.38 1 46155 . 1 1 11 ) 368 671 ( 3 2 （8）计算模数 6 . 0 80 268.38 z d m 查表 2-7 取 m=1.5。 表表 2-72-7 渐开线圆柱齿轮标准模数（渐开线圆柱齿轮标准模数（GB1357GB13578787） mmmm 第一系列 0.1 0.12 0.15 0.2 0.25 0.3 0.4 0.5 0.6 0.8 1 1.25 1.5 2 2.5 3 4 5 6 8 10 12 16 20 25 32 40 50 第二系列 0.35 0.7 0.9 1.75 2.25 2.75 3.5 4.5 5.5 7 9 14 18 浙江理工大学本科毕业设计（论文） 13 （9）计算齿轮主要尺寸及圆周速度 表表 2-82-8 传递动力的齿轮精度（传递动力的齿轮精度（公差组）等级的选择与应用公差组）等级的选择与应用 圆周速度（m/s） 圆柱齿轮锥齿轮 精度等级 直齿斜齿直齿斜齿 应用 6 级 15301220 高速重载齿轮传动 7 级 1015810 高速中载或中速重载的齿轮传动 8 级 61047 一般机械中对精度无特殊要求的齿轮 9 级 241.53 低速或对精度要求低的齿轮 不妨取分度圆半径 d=48mm Z=D/m=96/1.5=64 中心距 mmzz m a96)6464( 2 5 . 1 )( 2 21 齿轮宽度 mmdb48481 圆周速度 sm dn V/07.14 100060 600048 100060 查表 2-8 可知能用 6 级精并选用 1 号二硫化钼锂基脂进行润滑。 3 3校核齿根弯曲强度校核齿根弯曲强度 校核齿根弯曲强度用以下公式 （2-6）/ 2 2 1 2 1 mmN zbm YKT F Fs F （1）复合齿形系数根据由表 2-5 查得 21,z z0 . 4 1Fs Y （2）确定许用应力F。 对于长期单面工作的齿轮，其齿根受脉动循环弯曲应力，此时可按下 F 式计算 双搅拌轴搅拌摩擦焊机设计 14 (2-7) min min F F F S 由图 1-7 查得 2 1min /530mmN F 查表 2-6 得，由式（2-7）得5 . 1 min F S mmN F /33.353 5 . 1 530 （3）式中已知 ，5 . 1KmmNT 46155 . 1mmmb48 （4）校核计算。 由式（2-6）得 22 2 /33.353/012 . 8 645 . 148 0 . 446155 . 12 mmNmmN FF 校核计算安全。 4 4结构设计结构设计 齿轮按照表 2-9 进行设计。初步取 d=30mm，利用轴肩作轴向固定，8X22 的 键作周向固定。查表 2-10 得，键 t=4.0mm，t1=3.3mm。n1取 1mm。 表表 2-92-9 圆柱齿轮结构及尺寸圆柱齿轮结构及尺寸 dd6 . 1 1 Bdl)5 . 12 . 1 ( na mzd)2( nf mzd)5 . 2( na mdD10 1 )(5 . 0 110 dDD )( 10)(25 . 0 0 110 较小时可不钻孔d mmdDd 浙江理工大学本科毕业设计（论文） 15 表表 2-102-10 平键平键 轴 d键 bxh 公称 尺寸 轴 t毂 t1 68 2x221.21 810 3x331.81.4 1012 4x442.51.8 1217 5x553.02.3 1722 6x663.52.8 2230 8x784.03.3 3038 10x8105.03.3 3844 12x8125.03.3 4450 14x9145.53.8 键长系列： 6，8，10，12，14，16，18，20，22，25，28，32，36，40，45，50，56，63，70， 80，90，100，110，125，140，160，180， 得： 模数 m=1.5； 分度圆半径 d=48mm； 齿顶圆直径 a d =99mm； 齿根圆直径 f d =92.25mm； 齿数 z=64。 2.2.4 搅拌轴的设计 1 1选择轴的材料选择轴的材料 搅拌摩擦焊机的功率 P=2.99KW，由于功率不大又无特殊要求，故搅拌轴可 选用常用的 45 号钢并作正火处理。查得。 2 /600mmN B 对于一般的传动轴，可按下式计算轴的最直径 双搅拌轴搅拌摩擦焊机设计 16 （2-8）)( 2 . 0 1055 . 9 33 3 6 mm n P C n P d 查表 2-12 得 C=118-107，由式（2-8）得 )(26 . 9 6000 9 . 2 118 3 mmd 计算所得是最小处的轴径，不妨取 d=20mm，前端留出 M20X20 于搅拌头的 夹具相连，后端也留出 M20X20，用于做轴向固定。 表表 2-112-11 按转矩计算轴用的按转矩计算轴用的tt和和 C C 值值 轴的材料 Q235 35，Q275 4540Cr,35SiMn t N/mm212-2020-3030-4040-52 C160-135135-118118-107107-98 2 2轴的结构设计轴的结构设计 图图 2-42-4 搅拌轴示意图搅拌轴示意图 d1=20mm，L1=20mm，此处用于轴的轴向固定选用 M20 螺母（GB6170-86） ， 并加弹簧垫片（GB93-87） 。 d2=25mm，L2=40mm，由于该轴的转速为 6000r/min,30205 圆锥滚子轴承在 脂润滑的情况下极限转速为 7000r/min,符合要求，故选择 30205 的圆锥滚子轴 承。具体数据参考表格 2-12。 浙江理工大学本科毕业设计（论文） 17 表表 2-122-12 圆锥滚子轴承（圆锥滚子轴承（GB/T297GB/T29719941994） 尺寸/mm 极限转速 r/min 轴承 代号 dDTBC 脂润 滑 油润 滑 30203174013.251211900012000 30204204715.251412800010000 30205255216.25151370009000 30206306217.25161460007500 30207357218.25171553006700 30208408019.25181650006300 d3=30mm, L3=46mm，用于安装齿轮，此处开一个 8X32，t=4.0,ti=3.3 的键 槽 d4=36mm, L4=6mm，用于齿轮的轴向固定 d5=32mm, L5=72mm d6=25mm，L6=16mm，用于安装 30205 轴承 d7=20mm，L7=20mm，用于安装搅拌头夹具 轴的总长为 220mm 30206 轴承用 1 号二硫化钼锂基脂进行润滑，由表 1-13 查得，符合 6000r/min 转速的要求。 3 3轴上受力分析轴上受力分析 齿轮对轴的作用力为，搅拌摩擦头对轴的作用力NFQ02.216204.433 为，轴向力，则：NF 4 . 14 阻 NFFa 7 . 84 水平面 HH H RRF RF 21 1 69111 阻 阻 双搅拌轴搅拌摩擦焊机设计 18 解得 NR NR H H 56.27 16.23 2 1 垂直面 VVQ VQ RRF RF 12 2 6940 解得 NR NR V V 23.125 25.341 2 1 则 NRRR NRRR VH VH 23.12823.12556.27 34225.34116.23 22 2 2 2 22 22 2 1 2 11 表表 2-132-13 圆锥滚子轴承的基本额定动载荷圆锥滚子轴承的基本额定动载荷 C C 和基本额定静载荷和基本额定静载荷 C C0 0 KNKN 轴承型号 CC0eYY0X 3020425.018.00.351.71.0 3020530.023.00.371.60.9 3020639.029.50.371.60.9 3020749.037.00.371.60.9 3020855.041.50.371.60.9 3020959.046.00.401.50.8 3021066.053.50.421.40.8 0.40 查表 2-13 得 e=0.37，Y=1.6，X=0.40 表表 2-142-14 角接触型轴承派生轴向力角接触型轴承派生轴向力 S S 角接触球轴承 C 型（=150）AC 型（=250）B 型（=400） 圆锥滚子轴承 S=eRS=0.68RS=1.14RS=R/(2Y) 由表 2-14 得 N Y R S N Y R S 07.40 2 87.106 2 1 2 1 1 浙江理工大学本科毕业设计（论文） 19 NS NFS a 07.40 17.22 2 1 NN07.4017.22 ，轴有沿方向移动的趋势，轴承 1 被“压紧” ，轴承 2 被2 1 SFS a 2 S “放松” ，由平衡条件可得作用在轴承 1 和 1 上的轴向载荷分别为 NSA NFSA a 07.40 77.124 7 . 8407.40 22 21 因轴承上的作用力大于轴承上的作用力，故仅对轴承进行寿命计算， 轴承寿命可由下式进行计算 （2-9）)()( 60 106 10 h P C n L h （2-10）)(YAXRKP P 表表 2-152-15 动载荷系数动载荷系数 K KP P 载荷性质平稳或有轻微冲击中等冲击和振动强烈冲击和振动 KP 1.01.83.0 查表 2-15 得，由式（2-10）得2 . 1 P K NP36.410)33.1286 . 134240 . 0 (2 . 1 查表 1-14 得 C=39.0KN，由式（2-9）得 hL h 4538213) 36.410 30000 ( 600060 10 3 10 6 10 4 4计算弯矩计算弯矩 水平面弯矩 截面 b： )( 4 . 1598 4 . 14111111mmNFMbH 阻 垂直面弯矩 截面 a： )( 8 . 864002.2166840mmNFM QaV 5 5计算扭矩计算扭矩 双搅拌轴搅拌摩擦焊机设计 20 表表 2-162-16 轴的许用弯曲应力轴的许用弯曲应力 N/mmN/mm2 2 材料 S+1b0b-1b 4001307040 5001707545 6002009555 碳素钢 70023011065 80027013075 合金钢 100033015090 )(4615 6000 9 . 2 1055. 91055 . 9 66 mmN n P T 又根据 B=600N/mm2,查表 2-16 得-1b=55N/mm2, 0b=95N/mm2,故 58. 0 95 55 )(2677461558 . 0 mmNT 6 6计算当量弯矩计算当量弯矩 截面 a： )(88.3117)( 2 2 mmNTMMaae 截面 b： )(39.9775)( 2 2 mmNTMMbbe 7 7分别计算分别计算 a a 和和 b b 处的直径处的直径 mm M d b ae a 27 . 8 551 . 0 3117 1 . 0 3 3 1 mm M d b Ie b 11.12 551 . 0 39.9775 1 . 0 3 3 1 结构设计确定的直径为 20mm，截面 b 处为螺纹联接没有削弱，所以，此轴 强度足够，符合设计要求。 2.2.5 搅拌系统 V 带设计 带轮传递的功率：p=2.9kw，转速约为 6000r/min，满足传动比为 i=3， （由 浙江理工大学本科毕业设计（论文） 21 于电机的额定转速为 2000r/min） 1 1选择选择 V V 带型号带型号 计算功率 PC由下式确定 （2-11）PKP AC 式中：KA工作情况系数 P需要传递的名义功率（KW） 查表 2-3 得工作情况系数，由式（2-17）计算得1 . 1 A K KWPC19 . 3 9 . 21 . 1 根据 PC和 n 由图 1-9 选用 Z 型 V 带。 2 2确定带轮基准直径确定带轮基准直径 d dd1 d1、 、d dd2 d2 已知 （2-12） 12 did （2-13) 0 120 1 180 180 a dd （2-14） a dd ddaL 4 )( )( 2 2 2 12 21 图图 2-52-5 带传动示意图带传动示意图 小带轮直径 dd1宜选大些，可减小带的弯曲应力，有利于延长带的寿命；在 传递的转矩一定时，dd1选大一些可降低带工作时的圆周力，从而可以减少带的 根数。通常小轮直径 dd1应大于或等于最小基准直径dmin。若dd1过大，传动的外 双搅拌轴搅拌摩擦焊机设计 22 廓也将增大。由表 1-18 选择小轮直径为 dd1=60mm， 由式（2-12）得 mmdid dd 180603 12 表表 2-172-17 V V 带轮最小基准直径带轮最小基准直径 d dmin min及基准直径系列 及基准直径系列 mmmm V 带轮槽型 YZABCDE dmin205075125200355500 基准直 径系列 20 22.4 25 28 31.5 35.5 40 45 50 60 63 71 75 80 8590 95 100 106 112 118 125 132 140 150 160 170 180 200 212 224 236 250 265 280 315 355 375 由表 2-17 选择 dd2=180mm 实际传动比 3 60 180 i 实际转速 min/600032000 2 rn 传动比偏差 ，小于 5%，符合条件。0 3 3验算带速验算带速 V V0 0 带速太高，带的离心力很大，使带的离心应力增大，并使带与轮之间的压 紧力减小，摩擦力随之减小，从而使传动能力下降；带速过低，传递相同功率 时带所传递的圆周力增大，需要增加带的根数。一般应使带速 V 在 525m/s 范 围内工作，尤以 V=1020m/s 为宜。带速由下式确定 （2-15） 100060 22 nd V d 由式（2-15）得 sm nd V d /18 100060 600060 100060 22 带速在 525m/s 范围内，符合要求。 4.4.确定中心距确定中心距 a a，V V 带基准长度带基准长度 L Ld d （1）初选中心距 a0。设计时对中心距有一定的要求，即大于 400mm，根据 得，初选 a0为 450mm,符合取值)(2)(7 . 0 21021dddd ddadd480168 0 a 范围。 浙江理工大学本科毕业设计（论文） 23 （2）计算初定的带长 Ld。 。由式（2-7）得 )( 8 . 884 4 )( )( 2 2 0 2 12 2100 mm a dd ddaL dd ddd （3）基准带长 Ld。由表 2-18 选用 Ld=1400mm, KL=1.14 表表 2-182-18 普通普通 Z Z 型型 V V 带