火箭燃料贮箱FSW焊接用组合夹具设计【18张图纸】【优秀】
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火箭
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贮箱FSW
焊接
组合夹具
设计图纸
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火箭燃料贮箱FSW焊接用组合夹具设计
54页 14000字数+说明书+任务书+答辩稿PPT+开题报告+18张CAD图纸【详情如下】
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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
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
- 内容简介：
-
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FSW焊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2.1 国内外筒体夹具2.2 搅拌摩擦焊筒体夹具思路3 球面体夹具国内外研究现状3.1 国内外球面体夹具3.2 搅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FSW焊接用组合夹具设计唐筠超(机械设计制造及其自动化09(4)班 Q09310124)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2.1 国内外筒体夹具目前，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。图2-1 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2-2 三爪卡盘 图2-3 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0.020.05mm。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2-4 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”。图2-5 高压电缆固定夹具2.2 搅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。3 球面体夹具国内外研究现状3.1 国内外球面体夹具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9。图3-1 加工瓜瓣片焊接坡口的夹具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6。图3-2 小球体内球面加工用夹具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10。图3-3 空间曲面的搅拌摩擦焊专用夹具3.2 搅拌摩擦焊球面体夹具思路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3-4 简略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。4 总结筒体夹具总的来说数量较多，可以相互比较与分析，并可以选取合适的优点应用到搅拌摩擦焊的专用夹具中。具体方法可以参考电缆固定夹具加移动底板的组合模型。而对于数量较少的球面体夹具，虽然已经有搅拌摩擦焊专用的空间曲面夹具，但是那个专利并不适用于球面体，需要重新参考瓜瓣片球壳组合时用到的夹具，再设计出一种能够防止焊接过程中焊件变形的夹具。火箭燃料贮箱成型的最后一步需要筒体与球面体进行环缝焊接，所用的夹具可以与筒体夹具通用，因为都需要进行筒体段的环缝过程，夹具受力情况与受力方向是相同的。参考文献1 百度百科资料2 李名望.机床夹具设计实例教程M.化学工业出版社,2009.83 张昭，张洪武.搅拌摩擦焊接中搅拌头的受力分析J.维普资讯.2006,28(6):857864 万震宇，张昭.基于网格重剖分的搅拌摩擦焊接数值模拟及搅拌头受力分析J.塑性工学报.2012.45 董超.筒体直缝焊接用胎夹具设计J.论文网.2011.56 汪苏.薄壁筒体件车削柔性夹具J. 机械工人（冷加工）.2004.97 W.M.Thomas,E.D.Nicholas.Friction stir welding for the transportation industriesJ. TWI.1997.68 K.Kumar,Satish V.Kailas.The role of fricti
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