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火箭燃料贮箱FSW焊接用组合夹具设计【18张CAD图纸、工艺卡片和说明书】

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外文翻译原文

2、The role of friction stir welding tool on material flow and weld formation.pdf---(点击预览)

1、Friction stir welding for the transportation industries.pdf---(点击预览)

A1-回转工作台装配图.dwg

A1-筒体夹具装配图.dwg

A2-球面体夹具装配图.dwg

A3-球面体夹具上旋板.dwg

A3-球面体夹具下底面.dwg

A3-筒体夹具受力挡板装配.dwg

A3-筒体夹具右端.dwg

A3-筒体夹具左端.dwg

A4-大齿轮.dwg

A4-大齿轮轴.dwg

A4-小齿轮.dwg

A4-小齿轮轴.dwg

A4-球面体夹具受力板.dwg

A4-球面体夹具支柱.dwg

A4-筒体夹具底座.dwg

A4-筒体底架.dwg

A4-蜗杆.dwg

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关键词：: 火箭燃料 fsw 焊接组合夹具设计 18 cad 图纸工艺卡片以及说明书仿单

资源描述：

摘要
近年来，我国国用火箭燃料贮箱都是采用了搅拌摩擦焊（FSW）焊接。目前在火箭燃料贮箱的焊接过程中并没有具体统一的夹具使用，导致贮箱表面圆度与精度数值有起伏，甚至有些表面还有微型凹陷，所以设计一套火箭燃料贮箱在搅拌摩擦焊焊接过程中专用的组合夹具迫在眉睫。
火箭燃料贮箱主要由三部分组成，可以分为2个主要工件，分别是中间的薄壁筒体以及两端的半球面体。其中半球面体一般先由6块瓜瓣片形状的金属板焊接成半球面体状，再和一个端盖焊接成完整的贮箱球面盖，所以这里需要一套完整的焊接夹具。由于搅拌摩擦焊焊接机器的旋转局限性，焊接完成两个瓜瓣片之间的纵缝后，需要整个工件和夹具一起旋转60°之后才能继续焊接另外的纵缝，所以需要另外设计一台特定配置的回转工作台用来带动整个夹具和工件一起转动。设计薄壁筒体夹具时，由于用于筒体焊接的搅拌摩擦焊机器有绕中心轴旋转功能，所以不必再设计新的工作台。
设计过程：在FSW的工作原理和工件的结构基础上分析夹具需要的定位面和夹紧面；在Pro/E上绘制初步的三维模型，设计出大概的尺寸；对夹具整体的外形和尺寸进行优化，分析考虑其实用性并进行修改；通过球面体夹具的尺寸算出体积和重力；根据其他数据设计对应的回转工作台；受力分析和校核；在Pro/E上进行零件的装配；根据三维零件模型和装配模型在AutoCAD上绘制二维图；Pro/E上夹具、回转工作台、工件的配合演示。

关键字：火箭燃料贮箱；夹具；回转工作台；设计；筒体；球面体

Abstract
In recent years, friction stir welding (FSW welding) is used in China's rocket fuel tanks. At present, the use of chucking in the welding process of rocket fuel tank lack of standardization, resulting in the record of tank’s circular degree and accuracy up and down, even some surfaces emerge micro sunken. To design a suit of special combination fixture for rocket fuel tank in the friction stir welding process is extremely urgent.
Rocket fuel tank is mainly composed of three parts, can be divided into two main parts, which are thin-wall cylinder and both ends of the hemispherical work piece. Generally, the hemispherical work piece is welded by six scalloped segment metal plates at first, then weld with end cover. It requires a complete set of welding fixture. Due to the limitation of the FSW welding machine’s rotating, after welding the longitudinal seam between two scalloped segment plates, the work piece and fixture need to rotate 60 degrees to continue longitudinal seam welding. It needs designing a specific configuration rotary working-table to drive the fixture and work piece rotate together. When designing the thin-wall cylinder’s fixture, there is no need to design a new working-table because of the standard machine.
The design process: Analyze the locating surface and clamping surface of fixture’s need on the basis of FSW’s operational principle and work piece’s structure; Draw the initial 3D model in Pro/E, design outline dimensions; Optimize the whole size and shape of fixture, considering the practicability and modify; Figure out volume and gravity on the basis of the hemispherical work piece fixture’s size, design the corresponding rotary working-table on the basis of other date; Force analysis and check; Assemble parts in Pro/E; To draw 2D diagram in AutoCAD according to the 3D part model and assembly model; Show the assemble in Pro/E.

Keywords: rocket fuel tank; fixture; rotary working-table; design; cylinder; the hemispherical

目录
摘要
Abstract
第1章绪论 1
1.1 研究的目的及意义 1
1.2 国内外研究现状 3
1.2.1 薄壁筒体夹具研究现状 3
1.2.2 球面体夹具研究现状 4
1.3 主要研究内容 6
1.3.1 筒体夹具分析与设计 6
1.3.2 半球面体夹具分析与设计 6
1.3.3 拟解决的主要问题 7
第2章球面体夹具设计 7
2.1 机械加工工艺分析 7
2.2 夹具的结构方案 8
2.3 半球面体夹具装配图 12
第3章回转工作台设计 13
3.1 工作台方案分析 13
3.2 电机的选择 14
3.3 动力参数计算 15
3.4 齿轮传动设计 16
3.5 涡轮蜗杆传动设计 20
3.6 轴、键、轴承及联轴器的设计和选择 24
3.7 轴的校核 29
3.8 回转工作台装配图 35
第4章筒状体夹具设计 36
4.1 机械加工工艺分析 36
4.2 夹具的结构方案 37
4.3 筒体夹具的装配图 41
第5章 AutoCAD与Pro/E软件简介 42
5.1软件简介 42
5.2三维模型 43
第6章总结 44
参考文献 45
致谢 46
附录 47

第1章绪论
1.1 研究的目的及意义
自从1991年英国焊接研究所发明了搅拌摩擦焊技术以来，已经过去了21年，搅拌摩擦焊在这21年间为世界制造业做出了巨大的贡献，其中在航天航空，航海船泊，高速列车，交通运输这些高科技行业的表现尤其突出。2002年，在中国航空工业集团-北京航空制造工程研究所与英国焊接研究所共同签署关于搅拌摩擦焊专利技术许可、技术研发及市场开拓等领域的合作协议的基础上，中国第一家专业化的搅拌摩擦焊技术授权公司——中国搅拌摩擦焊中心即北京赛福斯特技术有限公司成立，标志着搅拌摩擦焊技术在中国市场的研发及工程应用工作的正式开启。到现在2012年我国已经成功开发了60余套搅拌摩擦焊设备，将搅拌摩擦焊技术应用于我国航空、航天、船舶、列车、汽车、电子、电力等工业领域中，创造了可观的社会经济效益，为铝、镁、铜、钛、钢等金属材料提供了完美的技术解决方法[1]。
我国新一代重型运载火箭长征五号将在2014年底在海南航天发射场发射，其火箭燃料贮箱就是使用搅拌摩擦焊焊接。火箭燃料贮箱指的是航天产品火箭助推器中不可回收的外挂燃料贮箱，具体形状结构为一个中心薄壁筒体与两个半球面体，其中一个球面体开口用于注入燃料。形状基本如下图1-1所示,实物图如1-2所示。

图1-1 火箭燃料贮箱结构示意图
搅拌摩擦焊可以焊接很多传统焊接方式无法焊接的材料，而且焊接适应性好，成本低，并且效率和精度很高，操作简单，及其容易实现自动化。不过搅拌摩擦焊有个比较关键的缺点就是在焊接过程中，自旋转的搅拌头对工件有较大的轴向压力，这个轴向压力可能使薄弱的工件产生轴向变形，导致产品报废或者大大降低精确度。航空航天对精度要求比较高，所以在使用搅拌摩擦焊焊接过程中应该尽量避免这种轴向变形的发生。

图1-2贮箱实物图
搅拌摩擦焊全部焊接完成主要有三个过程，分别是焊具的插入，平移，抽出。
搅拌摩擦焊在焊接过程中主要有三个力，分别为轴向压力，纵向力，横向力。由于轴向载荷最大，所以轴向压力是主要力，也是设计夹具过程中最需要注意的。
航天器具有高精度要求，因此需要一种特制的夹具，在保证一般夹具基础功能的前提下承受焊接压力。夹具的结构设计和研究是焊接工艺设备的基础。焊接工艺装备是在焊接结构生产的装配与焊接过程中起配合及辅助作用的夹具、机械装置或设备的总称，简称焊接工装[2]。提高焊接效率的最佳途径是大力推广使用机械化和自动化程度较高的焊接工装。
本文研究的火箭燃料贮箱FSW焊接用组合夹具分为三部分，其中球面体夹具和回转工作台用于球面体的焊接。球面体一般先由6块瓜瓣片形状的金属板焊接成半球面体状，再和一个底座焊接成完整的贮箱球面盖。薄壁筒体焊接用夹具由于搅拌摩擦焊焊接机械自带使工件绕中心轴旋转的功能，不用另外设计旋转机构。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 薄壁筒体夹具研究现状
目前，国内应用广泛的筒体夹具主要是普通的V型夹具，比较普遍的是组合机床夹具。优点是简单易行，并可以与加工设备相结合。缺点是不方便移动，而且精确度不高。这种夹具的夹紧定位方式并不适合筒体的环缝焊接，更多的是应用于钻床与铣床。如下图1-3所示。

图1-3 组合钻床夹具
还有一种应用较为广泛的是卡盘式夹具，主要有三爪卡盘和四爪卡盘两种。这种夹紧方式多用于小型圆柱体和少部分小型筒体。由于这种夹紧方式只是适用与小型圆筒状零件，而搅拌摩擦焊接中加工的基本都是大型筒体，所以设计时不考虑这种夹具样式。如下图1-4所示。

图1-4 三爪卡盘、四爪卡盘
较为新颖的一种筒体夹具是弹性夹具。该夹具利用弹性元件受力后均匀弹性形变的原理，实现对工件的自动定心与夹紧。这种自动定心弹簧套筒夹具，具有结构简单，夹具行程小，装夹工件迅速，定位可靠，具有较高的定心精度。一般可达0.02～0.05mm[3]。然而这种夹具仅仅只能用于小型筒体或是加工过程中受力较小的筒体，一旦筒体连带夹具受力过大，超出弹簧的可承受极限，就会变成弹性疲劳状态，无法自动恢复成原状，就不能起到定位夹紧的作用。如下图1-5所示。

图1-5 薄壁筒状零件弹性夹具
有一种应用于高压电缆的固定夹具，由两个半环状紧固环相接来起固定作用。这种方式可以试用于搅拌摩擦焊接中，但是考虑到焊接过程中有较大轴向力作用于焊件，仅仅只有这点固定作用是完全不够的，筒体内部还需要有一定的接触面积来“抵消”轴向力，需要另外添加“底板”。如下图1-6所示。

图1-6 高压电缆固定夹具
1.2.2 球面体夹具研究现状
根据所能查到的资料来看，球面体夹具普遍应用于大型组合球面的组装。大型球面体结构多数是由拼装组合而成，例如核电设备中的安注箱。由于安注箱的球体尺寸过大，所以由球封头与中段的瓜瓣片球壳筒身拼接组成。组装时所用夹具主要包含了车夹座、定位圈、V 型座、顶紧微调装置等组件。如图1-7所示。
有一种小型球面体夹具，用在对薄壁同心球壳内球面的轻切削与抛光时定位与夹紧。这种夹具同心度高，简单易行，但是只能加工小型球体的内球面。如图1-8所示。
也有专门的夹具应用于搅拌摩擦焊的空间曲面焊接加工。空间曲面的搅拌摩擦焊专用夹具，主要由夹具骨架结构与传动机构组成，其特征在于：所述夹具骨架结构的框架1两端通过转轴10支撑在支座9上；承力机构8固定连接在框架1上，在所述承力机构9上方设有定位机构12；框架1下的对角处设有平衡支撑弹簧2；所述传动机构由主动传动机构和从动传动机构组成，所述主、从动传动机构均置于承力机构8底部两侧，所述承力机构8通过与主、从动传动机构传动连接的螺杆3上的滚轮18活动支撑[4]。如图1-9所示。

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内容简介：: 1 浙江理工大学本科毕业设计（论文）任务书唐筠超同学（机械设计制造及其自动化专业 /班级： 09（ 4））现下达毕业设计（论文）课题任务书，望能保质保量地认真按时完成。课题名称火箭燃料贮箱接用组合夹具设计主要任务与目标搅拌摩擦焊技术是 90 年代发展起来的、自发明到工业应用时间跨度最短的一项固相连接新技术。著名的 B o e i n g、公司购买了此项技术，并已大量的在航天、航空、车辆、造船等行业得到成功地应用。本项目拟与其他同学合作开发设计搅拌摩擦焊接筒体及球面体的夹具，适合于筒体纵缝和环缝以及球面体径向和周向得焊接加工 , 重点要解决的问题： 1）搅拌摩擦焊筒体夹具设计； 2）搅拌摩擦焊球面体夹具设计设计； 3）贮箱组装焊接时的夹具设计；目标：提出的设计方案可行，结构设计合理，完成的三维、二维图纸满足生产要求。主要内容与基本要求主要设计内容有： 1）筒体夹具的设计方案； 2）球面体夹具方案设计； 3）贮箱组装方案设计； 4）完成三维、二维图纸；基本要求：按照课题内容，完成总体方案设计，完成三维、二维装配图和零件图，总计不少于 2 张零号图纸；通过三维模型完善设计。完成毕业设计要求的各种文档，包括文献综述、开题报告、外文翻译及毕业设计论文等。严格按照进度安排，保质保量完成所承担的任务；遵守实验室规定。主要参考资料及文献阅读任务查阅与课题有关的文献（论文、书籍或手册等）不少于 10 篇（部），写出符合要求的文献综述报告。主要参考文献如下： 1 朱耀祥，浦林祥 . 现代夹具设计手册 . 北京：机械工业出版社 2010 2 栾国红孙成斌钛合金的搅拌摩擦焊探索期刊论文 2005(11) 3 李光董春林期刊论文 2007(4 李兵王磊期刊论文 2008(1) 5 任淑荣陈礼清搅拌摩擦焊接及其加工研究现状与展望期刊论文 2007(1) 6 黄华刘静先进的搅拌摩擦焊技术期刊论文 2006(1) 7 王训宏期刊论文 2006(6) 8 J. 2 2005 (50): 1 78. 9 075 J. A 2007 (464):25510 on to 2003, 82 1, 1外文翻译任务阅读 2篇以上（ 10000字符左右）的外文材料，完成 2000汉字以上的英译汉翻译。英文文献参考如下： 1 J2 he of on 计划进度：起止时间内容业设计前期资料准备、毕业设计任务书、外文翻译任务布置。师指导学生查阅资料 (包括外文资料 )，撰写文献综述、开题报告及完成外文资料翻译等工作。完成文献综述、开题报告及完成外文资料翻译放假前交指导教师。成文献综述、开题报告及完成外文资料翻译等等工作。指导教师审核学生上交的文献综述、开题报告及外文资料翻译等，为小组交流、开题报告答辩做准备。成开题报告答辩工作；进行总体方案设计。成夹具设计，零件图绘制。业设计中期检查指导情况，学生完成情况，以及表格与记录的填写情况。维夹具装配图，二维零件图，装配图，论文撰写。学生完成课题设计，提交毕业设计（论文）。师对毕业设计（论文）的审阅；评议小组分组审阅。文答辩实习地点指导教师签名年月日系意见系主任签名：年月日学院盖章主管院长签名：年月日外文翻译毕业设计题目：火箭燃料贮箱接用组合夹具设计原文 1：文 1：搅拌摩擦焊在运输行业上的应用原文 2： of on 文 2：搅拌摩擦焊搅拌头在材料流动与焊缝成形方面的作用搅拌摩擦焊在运输行业上的应用作者：籍：英国出处：爱思唯尔科技部本文将重点介绍较新兴的技术搅拌摩擦焊（简称像所有的摩擦焊接一样，是在固相中进行的。一般的固相焊接方式是以一种古老的冶金工艺的形式被人们所熟知。搅拌摩擦焊接是一个比被加工面更硬的搅拌头连续自发无损耗的热剪切过程。另外，生的固相，以相对较低的代价得到变形小，表面不错的焊接面。从本质上讲，外形特殊的搅拌头的一部分插入接缝处。一旦进入焊缝，有相对运动的搅拌头与工件摩擦生热从而在接触的部分地方产生一个塑性变形区域。在工件的顶部和搅拌头轴肩的接触区域也会产生摩擦热。轴肩区域产生的额外的摩擦热提供了焊缝区并且起到了防止塑形状态材料溢出的作用。然后搅拌头沿着工件上的分型线前行，背后的塑性材料接合形成固相焊缝。虽然工件在搅拌摩擦焊时会变热但是不会达到熔点。搅拌摩擦焊可以加工大多数铝合金，并且不容易生成表面氧化物。到目前为止的实验证明，大部分适用于汽车、铁路、海运和航空运输产业的轻质材料都可以应用焊接。关键词：搅拌摩擦焊运输产业固相介绍 : 最近，一种新奇的摩擦焊接工艺吸引了有色金属材料的制造厂家。这种相对新颖的工艺被称为搅拌摩擦焊接（作为一种固相工艺能提供高质量的焊接和焊缝。这种搅拌摩擦焊接工艺被证明适用于制造高质量焊缝，并且可以用于大多数材料，包括那些在传统融合工艺看来很难焊接的材料。图 1 阐释了这种工艺的基本原理。这一工艺在焊接时通过一种比工件更硬的搅拌头旋转着与工件产生摩擦热，以这种方式通过热环境软化邻近焊缝区域的材料来焊接。这个搅拌头的形状是由一个大直径的轴肩与小直径的轴肩外加一个特殊的搅拌针组成。搅拌针第一次与工件接触是在接缝区域。最初插入时的接触摩擦在搅拌针周围以及搅拌针下面小区域范围内融出一个圆柱形。插入深度由搅拌针到搅拌头轴肩的距离决定。轴肩与工件的接触给予焊缝区额外的摩擦热，保证了在焊接过程中高度塑化材料不会溢出。一旦轴肩接触到相邻的热软化区域将形成与搅拌头几何形状相对应的截头锥体区域。这个热软化区的顶部更广泛的与轴肩接触并逐渐减小到与搅拌针底部一样大小。搅拌针与轴肩的摩擦热合并后在搅拌针附近与轴肩和工件接触的区域产生了塑形流态材料。物质流在搅拌头处环绕并在搅拌头后合并。搅拌摩擦焊可以被视为一个自发的锁孔接缝技术。这种合并焊接是自然的固相，没有显示出熔焊的缺陷。无需消耗填充材料，没有用到保护气体，无边缘配备。引起的扭曲也远远低于其他任何熔焊技术。实验所用铝材料厚度范围在 1 到 75 接试验：早期的勘探开发性试验用的是 6082 铝合金，厚度范围是近的试验把厚度范围扩展到 75上。金相检验图 2示了一系列 6082 合金在厚度为 50 75接时的可能性。这些焊接时的宏观金相试片特点是有明确界定的焊缝块和流动轮廓，轮廓近球形，这些轮廓依赖于搅拌头设计和焊接参数以及工艺条件。热处理材料的一个明确的热影响区域是围绕在焊接块区域和延伸到工件表面与轴肩直径焊接处。焊接块本身就是一个区域，那里有全动态重结晶出现，由细小的等轴晶粒结构组成。测得的晶粒直径大小在2 到 4 m。通常情况下，基材的化学性是保留的，没有任何合金元素偏析。从 50 金属断面的显微镜观察焊接样品是从 6082 属的基材的焊接块区域的弯曲断裂处开槽口取 50得到。断裂表面用扫描电子显微镜进行了研究。基材与焊接块焊接失败的原因在于微孔聚合机制，如图焊接块样本中缺少相对较大的微孔，这可能是由于在搅拌焊接时主要的组成粒子破裂了。机械完整性金属板厚度达 50向截面弯曲测试为 180 度。图 4 展示了当横向截面部分是从 75的钢板处截取时的三点弯曲测试的情况。图 4 还展示了在 175 牛顿平方米的热影响区时，一些拉伸试验通常都会失败。局部减少厚度的样品在拉伸试验中对应区域的硬度下降。工艺特点：英国焊接研究所（实验研究工作在于评估各种材料和发展其他摩擦搅拌焊接用搅拌头，旨在改善在搅拌针附近的流动塑形材料，并且能够加工更厚的金属板和拥有较高的进给速度。图 5 说明了所有旋转机械固有的自然动态轨道。这个偏心或多或少算是搅拌摩擦焊的一部分特点。偏心使流性不可压缩的塑性材料更容易在搅拌针附近流动。由此可见，一个偏心的或非圆的搅拌针也允许塑性材料通过其周围。基本上这是大多数的动态轨道探针与静态位移探针的关系，这有助于提供给塑性材料在旋转搅拌头间的一个从前缘到后沿的流动路径。针对不同的材料所做的搅拌头，文献中已经有大量的几何形状与风格。搅拌头定位时垂直于旋转搅拌头的前缘，提供了一个摩擦预热的效果，随后工件的热软化发生在探头的前面。这种预热在焊接较硬或比较困难的材料时是一种优势。旋转搅拌头的轴肩区域与结合表面接触的越多，摩擦产热就越有优势。然而轴肩区域的增加是由材料限制的，往往会在焊接表面产生闪光。搅拌摩擦焊在运输行业的潜力：搅拌摩擦焊的潜在应用范围最初是铝、铜、铜合金、铅、钛，锌等材料，如下：航空领域的机身，燃料罐，薄合金表面汽车制造业的薄车体，引擎支撑架运输行业中的火车车身，大体积运输罐造船业中高速渡轮的船体，甲板，内部结构以及液化石油气储存容器搅拌摩擦焊技术将会应用到更薄的板材并且有更高的横向速度能产生泡沫填充截面。随着技术的发展，更易弯曲的薄质板材的叠加焊接正在研究中。可移动回应性支承砧图 6 展示了一个微型的卡特彼勒履带，它能为旋转搅拌头提供实体支持，即“移动砧”。这样的设计适应一些组合结构，像传统的电阻焊接技术和应对材料厚度等于或小于情况。移动砧可以适当的和机器人对接来实现全自动缝焊与点焊。移动砧的方法也可以被认为是代替一种相对较大的机械。例如，可以替代一个穿过固定反应装置的旋转头，材料可以连续不断地通过滚轴输送到固定的工作台，装上一个移动砧，就像一台家用缝纫机一样。“移动砧”的概念可以考虑应用到航空与汽车工业上去。总结：毫无疑问的是，当搅拌摩擦焊作为一个可以产生优越焊缝，有高可靠性，高生产力的焊接工艺被广泛认可时，它将开拓新的市场和新的机会。搅拌摩擦焊技术早已经商业化而且被认为是提供了强力的技术性与环境适应性。鸣谢：感谢冶金学上的支持，感谢技术上的支持。搅拌摩擦焊搅拌头在材料流动和焊缝形成时的作用作者： K. . 籍：印度出处：爱思唯尔科技部摘要：本文尝试让人理解搅拌摩擦焊焊缝形成的机制以及搅拌摩擦焊搅拌头在这里面所起的作用。通过特殊的焊接实验过程来理解材料流动的模式，其中搅拌摩擦焊搅拌头和基材的相互影响是逐渐增加的。结果表明，在搅拌摩擦焊焊缝形成过程中一共有两种材料流动规则，分别命名为“ 动”与“ 动”。这些材料的流动规则混合在一起成为一个完整的焊接。这些规则明显的对比导致在搅拌摩擦焊焊接过程中产生洋葱圈模式。此外，根据材料流动特性，焊缝形成的机制也被提出。关键词：搅拌摩擦焊材料流动机制缺陷搅拌头设计环境友好型搅拌摩擦焊工艺是高强度铝合金焊接的有潜力且行之有效的方法。这种固态局部热力结合工艺主要用于无消耗对接和搭接。一般来说，这个工艺是通过把一个旋转的搅拌摩擦焊搅拌头插入到两块紧固夹块的连接处来实现的，直到轴肩接触到材料正在被焊接的表面，这一过程会沿着焊接线进行。摩擦热和形变热在法向力作用下被用于焊接。主要热源是来自搅拌头轴肩的摩擦热，次要热源是来自搅拌头的形变热。搅拌摩擦焊的工序和术语在图 1 中用图示的方式表示出来。搅拌头旋转的速度矢量是前进侧（横向相同，与速度矢量相对的是回转侧（工艺参数是刀具的几何形状，轴向力，旋转速度，进给速度，倾斜角度。刀具的倾斜角度指刀具的轴线与金属板被焊表面之间的角度。通常显微镜研究显示搅拌摩擦焊在微观结构特点上有四个不同的区域，分别名为焊核区（热机影响区（热影响区（及基材（或者叫母材）。搅拌头的几何形状被认为是影响材料流动和热量输入的其中一个主要因素，这反过来也会影响焊缝的质量。通过数据研究搅拌头角度在不同区域的影响，晶粒的尺寸以及焊接强度，发现实验的结果和模型十分吻合。不同外型的搅拌头进行试验解释了轴肩直径，搅拌头直径和搅拌头外形对缺口的大小位置，力学性能，最终晶粒尺寸上的影响。但是，在搅拌摩擦焊设计方面并没有足够的理论背景。在大多数调查报告中，由于很多原因，搅拌头外型没被提到。出，大多数搅拌头的设计都来自于直观的理念。推进搅拌摩擦焊搅拌头设计理念的第一步是了解搅拌头在搅拌摩擦焊缝成形时的作用。在固态焊接中，焊缝成形的公认原则认为当一对无污染的表面距离相近到原子间距时，是原子间的作用力导致它们互相粘合。在大多数固态焊接工艺中，像锻焊，扩散焊，摩擦焊，爆炸焊，超声波焊，滚焊等等，粘接是靠在规定的压力和温度下，消除氧化层和杂质来不断产生新的金属接触面而形成的。这些工艺通过修改基材的接合面来满足固态焊接的条件，这么做不会产生额外的表面。相反，在搅拌摩擦焊中，由于第三者（搅拌头）的加入，焊接工艺过程中会产生额外的接合面。最后，在正确的压力和温度下，所有的表面结合在一起，这就是固态焊接产生声音的原因。因此，只有当搅拌头的作用被知晓时，搅拌摩擦焊焊缝形成机制才能被清楚的知道。研究材料流动能够很好的了解到搅拌头在焊缝成形时的作用。根据大量的研究资料，通过电脑分析材料的流动，得出结论，材料流动是复杂的难懂的。一般情况下，材料流动的可视化是通过在焊接痕迹中引入一个标记材料或者其他材料，在焊接后，可以通过 X 光或者断层或差分蚀刻找到这个被标记材料，以此与初始位置比较。但是，有人说引入的标记材料破坏了材料流动的自然性，因为不同的材料流动性是不同的，这会形成新的接合面。在另一方面，不同的材料在不同情况流动原则不同，不能拿来于搅拌摩擦焊接过程中的情况来相似比较。弗拉蒂尼等对材料流动的研究做出了巨大贡献。他们通过分析微观组织的演变把材料流动具体化。搅拌摩擦焊接中有个有意思的现象是圈模式的形成。在这方面弗拉蒂尼和司南有研究。司南解释说洋葱圈的形成就像粘土模型。他指出，洋葱圈的形成是一个几何现象。他说，大量半圆柱形的材料在每次搅拌头旋转时受挤压，横截面切片通过这些半圆柱就形成了洋葱圈形状。弗拉蒂尼等人用数值模型解释洋葱圈模式的形成，他们认为材料从回转侧进入运动区域并在搅拌头后面旋转。但是，没有任何实验证据能够证明洋葱圈模式形成机制是正确的。另外一个重要的方面是搅拌摩擦焊中瑕疵的形成机制。尔高凡以及出了大量有关腔，沟，洞等缺陷的形成机制。不久他们就断定是供热不足或过热以及异常的搅拌造成缺陷的形成。藏等人认为在镁铝合金的搅拌摩擦焊接过程中气孔的形成是由于肩部底部压力不足。但是，没有任何有价值的信息说明搅拌头在缺憾形成中起到作用。在本次调查中，通过分析材料流动情况来分析搅拌头在搅拌摩擦焊接过程中所取得的作用这个简单的方法被提出。此次调查，材料流动的分析不是依靠外来引入的标记材料，而是靠观察与分析搅拌摩擦焊接的形成机制以及缺陷的形成机制和洋葱圈模式。实验中使用的基材是 70207020 是一种在航天工业里用作构架的中等强度的锌镁铝合金。其标准的合金成分是锌占右，镁占剩余的都是铝。基材大小为 300m*75次研究中所使用的搅拌头有着长约部直径6部直径 4搅拌针，并有直径为 20平肩。圆台型搅拌针轮廓是根据普拉多和出的自优化搅拌头几何理论而定。搅拌头的材料是用比 55硬的13)。在这次调查中，焊接的速度保持在 80mm/拌头旋转速度保持在1400拌头后倾角保持在 2。这次搅拌摩擦焊试验通过一个升降台型立式铣床的调整来组合对接焊接。浙江理工大学本科毕业设计（论文）开题报告班级 09 机械设计制造及其自动化（ 4）班姓名唐筠超课题名称火箭燃料贮箱接用组合夹具设计开题报告（包括选题意义、研究的基本内容与拟解决的主要问题、总体研究思路与可行性分析及预期研究成果、研究工作计划等内容，非艺术类不少于 3000 字）目录 1 选题的背景与意义义究意义 2 研究的基本内容与拟解决的主要问题本内容解决的主要问题 3 研究的基本内容与拟解决的主要问题究思路方案行性分析期研究成果 4 研究工作计划参考文献（开题报告全文附后）成绩：答辩意见（从选题、任务工作量、质量预期、可行性等几个方面）答辩组长签名：年月日系主任审核意见签名：年月日火箭燃料贮箱唐筠超 (09机械设计制造及其自动化 (4)班 1 选题的背景与意义搅拌摩擦焊在 21 年的发展历程中为世界制造业做出了巨大的贡献，尤其在航空航天，航海船舶，高速列车，交通运输等高科技产业方面表现突出 1。而在摩擦焊接生产过程中，纯粹的焊接所需的工时其实才占总工时的三分之一不到，其余大量的时间都是花费在准备材料，装配以及其他辅助工作上。这些工作直接影响了焊接的效率与工厂的工作进度，尤其是现在这种大量使用高效率高质量的搅拌摩擦焊焊接工艺的情况，耗时量的对比更加明显。提高效率的最好办法是推广自动化与机械化，而自动化程度高的生产线又缺少不了优秀的夹具。优秀合适的夹具，对提高产品质量，减轻焊接工人的劳动强度，加速焊接生产实现机械化、自动化进程等诸方面起着非常重要的作用。义拌摩擦焊定义搅拌摩擦焊，英文全称为称利用高速旋转的搅拌头和封肩与金属摩擦生热使金属处于塑性状态，随着搅拌头向前移动，金属向搅拌头后方流动形成致密焊缝的一种固相焊方法 4。搅拌摩擦焊方法与常规摩擦焊一样也是利用摩擦热作为焊接热源。不同之处在于搅拌摩擦焊焊接过程是由一个圆柱体形状的焊头 (入工件的接缝处，通过焊头的高速旋转，使其与焊接工件材料摩擦，从而使连接部位的材料温度升高软化，同时对材料进行搅拌摩擦来完成焊接的 1。搅拌摩擦焊全部焊接完成主要有三个过程，分别是焊具的插入，平移，抽出 1 搅拌摩擦焊在焊接过程中主要有三个力，分别为轴向压力，纵向力，横向力。由于轴向载荷最大，所以轴向压力是主要力，也是设计夹具过程中最需要注意的。具的定义夹具，定义为在机械制造加工过程中用来固定对象，使之占有正确的位置，以接受施工或检测的装置 2。简单的说就是装夹和引导刀具的装置。夹具发展到今天已经有了完善的体系，一般按工艺分，有机械加工中用的机床夹具，焊接过程中用于拼接的焊接夹具，装配过程中用的装配夹具以及检验过程中用的检验夹具等。焊接夹具是为了保证焊件尺寸，提高装配精度和效率，防止焊接变形所采用的夹具。这里要设计的是摩擦焊设备的筒体夹具与球面体夹具，按工艺分属于焊接夹具。究意义火箭燃料贮箱主要由薄壁筒体与两端半球面体构成，用搅拌摩擦焊焊接时虽然有各种优点，但是在焊接过程中特有的较大的轴向压力也不可忽略，航天器具有高精度要求，因此需要一种特制的夹具，在保证一般夹具基础功能的前提下承受焊接压力。夹具的结构设计和研究是焊接工艺设备的基础。焊接工艺装备是在焊接结构生产的装配与焊接过程中起配合及辅助作用的夹具、机械装置或设备的总称，简称焊接工装。提高焊接效率的最佳途径是大力推广使用机械化和自动化程度较高的焊接工装。 2 研究的基本内容与拟解决的主要问题本内容本次毕业设计中主要完成的内容包括： 1）筒体夹具分析与设计首先主要分析搅拌摩擦焊中由此展开来分析大部分薄壁筒体在摩擦焊接过程中的受力情况，得出筒体在摩擦焊接过程中最容易变形的地方与受力的方向。根据筒体在焊接过程中的特征和受力情况，分析出筒体在设备中的自由度以及相对应的筒体夹具所要具备的夹紧面与定位面，筒体夹具模型用各项数据尺寸根据筒体大小来确定，对尺寸结构等参数进行调整设计，确保设计出的夹具在正常焊接情况下不会使筒体变形。筒体与球面体组装焊接时需要环缝焊接，夹具可以与筒体夹具通用。 2）球面体夹具的分析与设计对于球面体夹具，主要分析计过程相似于设计筒体夹具，不过在模型建立与数据设计方面，球面体由于涉及到曲面机构，会更加复杂。解决的主要问题通过设计使夹具在实现夹紧与定位，引导刀具这些基本功能的前提下 ,尽可能的使夹具体能够应用于更多种类的筒体或球面体，而不是局限于同一直径的工件。通过减小夹具的体积、质量来提高搅拌摩擦焊的工作效率。因为过大的体积与质量不但影响外观 ,而且不方便搬运与使用，并且一旦质量与体积达到一定限度，对夹具体下面的工件（因为工件成球面或者是薄壁筒体）会带来过大的负荷，导致工件下方也可能出现形变。如何在保证夹具体体积与质量相对较小下的情况下提高夹具的精度与实用性，是问题的关键。 3 研究思路方案、可行性分析及预期成果我的毕业设计论文拟采用理论分析与三维建模的方法，在国内外研究报告的基础上，通过对真实的搅拌摩擦焊设备的数据进行考证，用三维环境完成筒体与夹具体的三维模型，画出二维的图纸，并对其进行初步的受力分析，最后得到可靠又实用的搅拌摩擦焊专用夹具。究思路方案详细的思路方案包含以下四个方面：体夹具分析在搅拌摩擦焊焊接过程中，保证回转筒体的圆度，同心度，错边量，两端面和筒体中心线的垂直度，焊接强度等是筒体在具体制造中需要解决的关键技术难题，为了保证以上条件就需要正确选用筒体夹具。目前国内外的筒体夹具形状各式各样。但按筒体的直径分大致有两种，一种适用于是大直径 /深筒体的夹具，另一种是用于小直径筒体的夹具。一般来说，搅拌摩擦焊应用的行业都是大直径深筒体，所以采用的夹具体积与质量也会相对较大。这时不单单要考虑夹具能否满足定位夹紧等基本要求，还得考虑夹具在焊接过程中对焊接件下面带来的额外负荷是否会造成变形。而且对于搅拌摩擦焊的夹具来说，最重要的是要考虑怎样的夹具样式才能抵消焊接过程中的轴向压力，保证焊件不会因为焊接的原因在焊缝周围出现形变。对于航空航天这些高科技产业，焊接产品的高精度要求是最重要的。按照目前筒体的焊接方式分，有直缝与环缝两种形式。这里主要设计的是环缝焊接类的筒体夹具。首先，夹具要满足最基本的夹紧定位要求。参考国内外文献中的筒体夹具，这次采用四个半圆紧固环和多个紧定螺钉对筒体进行两端定位夹紧。由于焊接零件是筒体，焊接形式为环缝焊接，那么考虑到筒体必须满足圆度与同心度要求，并且要有足够的支撑面来承受搅拌头的轴向压力，夹具就需要在筒体焊件的内部有足够的接触面。普通环缝的焊接顺序一般是先焊筒体内侧焊缝，把外侧清根（简单的说即清理第一面焊缝的缺陷以便第二次焊缝进行）后再焊筒体外侧焊缝。由于搅拌摩擦焊接不需要进行内侧焊接，也不需要清根，所以只需要筒体夹具内部与焊接件接触处有足够的支撑面来保证筒体在焊接过程中不受力弯曲变形就行，外部接触面不用考虑。由此得出，要设计的筒体夹具必须在筒体内侧焊缝处有“底板”（或者叫受力挡板），而且“底板”与筒体的距离必须是可调的，不会在焊接时给工人造成麻烦。最好是可以平移或调距的，可以应付不同类型的环缝。最后的筒体夹具模型应该是由两端的定位夹紧面与环形焊缝处内侧可移动或可拆卸的环形带状面构成。面体夹具分析目前国内外用于空间曲面的夹具较少，而且有涉及的大多数都是对小型非圆曲面的研究。本文所提到的球面体夹具则是用于搅拌摩擦焊焊接过程的专用大型夹具，与普通的空间球面夹具相比，需要考虑焊接过程中较大的轴向力对焊件与夹具所造成的形变。按照国内外的球面体夹具摆放位置分，有外夹紧与内夹紧的区别。搅拌摩擦焊加工过程多数为曲面的外部焊接，故选用内夹紧方式。为了满足焊接精确度的要求，需要焊件在焊接过程中保持位置度与同心度不偏移，并且根据施工要求，夹具需要绕轴旋转，所以夹具与主动旋转轴之间需要有固定连接，能够承受足够的扭矩。由于前面提到的焊接过程中较大的轴向力的存在，需要在焊接轨迹下有“底板”。足够厚实的底板才能够在平衡轴向力的同时而不会使焊件变形。但是球面体需要的“底板”与筒状体不同。筒状体只需要环状宽带型承受面，而球面体则是由多条小型的弯曲的宽带型曲面与三个环状固定宽曲面构成。其中条状宽带曲面用于平衡轴向力，提供给焊接过程做够的受力面积，而环状固定面用于连接所有的曲面，构成夹具的本体。截取一半的简略俯视图如图 1所示。图 1 俯视图这里的环形为固定面，直线均为三维空间里的弯曲条状宽带面，小圆为两种曲面的接触部分，也即固定连接部分。整体的夹具如果从俯视图来看，最中间的圆是按实际情况来看是空心平面环带，用于与主动旋转轴相连。最大的圆是整个夹具的底座，与最上面的环带配合来固定焊件并且用于定位。于目前 ,随着计算机辅助技术的不断发展 ,三维造型软件功能不断完善 ,传统的二维设计正逐渐被三维实体设计所代替。享有极高声誉的全方位产品设计软件。它广泛应用于汽车、航天航空、电子、模具、玩具、工业设计和机械制造等行业 1。设计初期，按照焊接设备的具体数据，运用软件先大概描绘出夹具的大致形状，确定以后的夹具的形状。再根据详细情况计算并修改与完善夹具模型的详细数据，得到真实的模型。要部件的二维画图参考得于的模型与数据，画出一些主要零件的二维图纸，并按照机械绘图的国标修改完善。这次设计重点在于前期对焊件受力情况与夹具具体形状的分析，与普通夹具相比，需要考虑搅拌摩擦焊焊接过程中焊件受力的特殊性。行性分析搅拌摩擦焊的夹具设计所得的产品能提高摩擦焊焊接效率。切实可行的夹具是焊接工装的基础，为推动焊接的机械化与自动化做出巨大贡献。本次设计的筒体与球面体夹具可以用于中国搅拌摩擦焊中心对应型号的设备。指导老师及其课题组在搅拌摩擦焊的相关研究方面具有很多成功的经验，本设计的研究方法思路经过深思熟虑，切实可行，能够确保毕业设计的顺利完成并取得预期的研究成果。期研究成果设计出搅拌摩擦焊专用的筒体及球面体夹具，完成三维建模。通过二维绘图与计算，保证设计能较好的满足设计要求。研究工作计划起止时间内容期准备译献综述题报告题答辩体方案设计、模型雏形尺寸确立维绘图、电机，减速器等数据计算维绘图，论文撰写文评阅与答辩，教师审阅评分参考文献 1 百度百科资料 2 李名望化学工业出版社 M,3 张昭，张洪武 J2006,28(6):85786 4 万震宇，张昭 J5 董超 J6 汪苏 J. 机械工人（冷加工） 7 . 8 he of on 9 曹福勤 J. 上海电气电站设备有限公司电站辅机厂 2 10 沈阳航空航天 P11 宋志军 ,朱秀梅 ,纪成美 J007年第 2期浙江理工大学毕业设计（论文）成绩评定表毕业设计（论文）题目火箭燃料贮箱姓名唐筠超学号业机械设计制造及其自动化指导教师评分（ 35%）评阅教师评分（ 35%）答辩小组评分（ 30%）合计答辩委员会评语：成绩等级：学院答辩委员会主任签字：年月日（学院公章） 1 附件七江理工大学毕业设计（论文）指导教师评语表毕业设计（论文）题目火箭燃料贮箱姓名唐筠超学号业机械设计制造及其自动化文献综述（ 10%）毕业设计（论文）（ 60%）工作表现（ 10%）其他（ 20%）合计分数指导教师评语：唐筠超同学在毕业设计过程中，针对设计任务能主动学习，善于提问，能够积极思考并主动向老师报告进程，有独立的思考能力。开题答辩时的表现说明该学生充分查阅了夹具相关的资料，对每种球面体与筒体夹具进行了详细的分析与比较，对待毕业设计很认真。毕业论文针对课题要求，查阅了较多的文献资料，详细分析了火箭燃料贮箱在可能遇到的问题，提出了增加受力挡板与回转工作台的设计方案，并对夹具与工作台的结构方案进行正确的设计，绘制了二维图、三维图。解决了课题提出的任务。论文表明，该生阅读了较多的参考文献，具备了一定的文献检索与文献综述能力。论文语言流畅，结构严谨、合理，观点正确，相关分析论证有一定的参考价值。毕业设计表明，该生对相关的专业知识掌握较好，具有一定的分析问题、解决问题的能力，论文达到了学士学位应有的水平，总体良好，同意参加答辩。指导教师（签章）年月日注：其他是指开题报告、外文翻译及毕业实习报告等。浙江理工大学本科毕业设计（论文）文献综述报告班级 09 机械设计制造及其自动化（ 4）班姓名唐筠超课题名称火箭燃料贮箱接用组合夹具设计文献综述报告（包括国内外本课题及相关研究的现状、分析及参考文献目录，理工类要求不少于2000 字）目录 1 前言 2 筒体夹具国内外研究现状内外筒体夹具拌摩擦焊筒体夹具思路 3 球面体夹具国内外研究现状内外球面体夹具拌摩擦焊球面体夹具思路 4 总结参考文献指导教师审批意见签名：年月日火箭燃料贮箱具设计唐筠超 (机械设计制造及其自动化 09(4)班 1 前言自从 1991 年英国焊接研究所发明了搅拌摩擦焊技术以来，已经过去了 21 年，搅拌摩擦焊在这 21 年间为世界制造业做出了巨大的贡献，其中在航天航空，航海船泊，高速列车，交通运输这些高科技行业的表现尤其突出。已经有多个国家如：英国，美国，法国，德国，瑞典，日本，中国等在扩大应用搅拌摩擦焊技术时，在世界范围内申请了与搅拌摩擦焊相关技术的专利，自 1997 年起平均每年有 100120 项搅拌摩擦焊技术专利申请。我国第一家专业化的搅拌摩擦焊技术授权公司（中国搅拌摩擦焊中心即北京赛福斯特技术有限公司）到现在 2012年已经成功开发了 60 余套搅拌摩擦焊设备，将搅拌摩擦焊技术应用于我国航空、航天、船舶、列车、汽车、电子、电力等工业领域中，创造了可观的社会经济效益，为铝、镁、铜、钛、钢等金属材料提供了完美的技术解决方法。在这种大背景下，研究设计搅拌摩擦焊接过程中要用到的夹具就显得极其重要 1。这次主要设计航天火箭的燃料贮箱在用搅拌摩擦焊焊接时所用到的一系列夹具以及计算选择夹具转动所需要的定制电机，转轴，齿轮减速器。火箭燃料贮箱由三部分组成，分别是作为中心的薄壁筒体与两端的球面体箱盖。球面体箱盖由多片瓜瓣片经纵缝焊接而成。 2 筒体夹具国内外研究现状内外筒体夹具目前，国内应用广泛的筒体夹具主要是普通的较普遍的是组合机床夹具。优点是简单易行，并可以与加工设备相结合。缺点是不方便移动，而且精确度不高。这种夹具的夹紧定位方式并不适合筒体的环缝焊接，更多的是应用于钻床与铣床。图 2合钻床夹具还有一种应用较为广泛的是卡盘式夹具，主要有三爪卡盘和四爪卡盘两种 2。这种夹紧方式多用于小型圆柱体和少部分小型筒体。由于这种夹紧方式只是适用与小型圆筒状零件，而搅拌摩擦焊接中加工的基本都是大型筒体，所以设计时不考虑这种夹具样式。图 2爪卡盘图 2爪卡盘较为新颖的一种筒体夹具是弹性夹具。该夹具利用弹性元件受力后均匀弹性形变的原理，实现对工件的自动定心与夹紧。这种自动定心弹簧套筒夹具，具有结构简单，夹具行程小，装夹工件迅速，定位可靠，具有较高的定心精度。一般可达然而这种夹具仅仅只能用于小型筒体或是加工过程中受力较小的筒体，一旦筒体连带夹具受力过大，超出弹簧的可承受极限，就会变成弹性疲劳状态，无法自动恢复成原状，就不能起到定位夹紧的作用。图 2壁筒状零件弹性夹具有一种应用于高压电缆的固定夹具，由两个半环状紧固环相接来起固定作用。这种方式可以试用于搅拌摩擦焊接中，但是考虑到焊接过程中有较大轴向力作用于焊件，仅仅只有这点固定作用是完全不够的，筒体内部还需要有一定的接触面积来“抵消”轴向力，需要另外添加“底板 ”。图 2压电缆固定夹具拌摩擦焊筒体夹具思路目前国内外的筒体夹具形状各式各样。但按筒体的直径分大致有两种，一种适用于是大直径 /深筒体的夹具，另一种是用于小直径筒体的夹具。一般来说，搅拌摩擦焊应用的行业都是大直径深筒体，所以采用的夹具体积与质量也会相对较大。这时不单单要考虑夹具能否满足定位夹紧等基本要求，还得考虑夹具在焊接过程中对焊接件下面带来的额外负荷是否会造成变形。而且对于搅拌摩擦焊的夹具来说，最重要的是要考虑怎样的夹具样式才能抵消焊接过程中的轴向压力，保证焊件不会因为焊接的原因在焊缝周围出现形变。对于航空航天这些高科技产业，焊接产品的高精度要求是最重要的。按照目前筒体的焊接方式分，有直缝与环缝两种形式。这里主要设计的是环缝焊接类的筒体夹具。首先，夹具要满足最基本的夹紧定位要求。参考国内外文献中的筒体夹具，这次采用四个半圆紧固环和多个紧定螺钉对筒体进行两端定位夹紧。由于焊接零件是筒体，焊接形式为环缝焊接，那么考虑到筒体必须满足圆度与同心度要求，并且要有足够的支撑面来承受搅拌头的轴向压力，夹具就需要在筒体焊件的内部有足够的接触面。普通环缝的焊接顺序一般是先焊筒体内侧焊缝，把外侧清根（简单的说即清理第一面焊缝的缺陷以便第二次焊缝进行）后再焊筒体外侧焊缝。由于搅拌摩擦焊接不需要进行内侧焊接，也不需要清根，所以只需要筒体夹具内部与焊接件接触处有足够的支撑面来保证筒体在焊接过程中不受力弯曲变形就行，外部接触面不用考虑。由此得出，要设计的筒体夹具必须在筒体内侧焊缝处有“底板” （或者叫受力挡板），而且“底板”与筒体的距离必须是可调的，不会在焊接时给工人造成麻烦。最好是可以平移或调距的，可以应付不同类型的环缝。最后的筒体夹具模型应该是由两端的定位夹紧面与环形焊缝处内侧可移动或可拆卸的环形带状面构成。最后筒体与球面体组装环缝焊接时只需要在两端加上新的定位夹紧面。

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