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A054 搅拌 摩擦 机械 结构设计

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学士学位论文原创性声明本人声明，所呈交的论文是本人在导师的指导下独立完成的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含法律意义上已属于他人的任何形式的研究成果,也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期：学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权南昌航空工业学院可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 作者签名： 日期：导师签名： 日期：毕业设计（外文翻译）题 目：C型搅拌摩擦焊机机械结构设计 系 别： 航空工程系专业名称： 机械设计制造及其自动化班级学号： 078105337学生姓名： 袁 振 东指导教师： 张 晓 荣 二O一一 年 六 月 毕业设计（论文）开题报告题目 C型搅拌摩擦焊机机械结构设计专 业 名 称 机械设计制造及其自动化班 级 学 号 078105337学 生 姓 名 袁 振 东指 导 教 师 张 晓 荣填 表 日 期 2011 年 3月 15日说 明开题报告应结合自己课题而作，一般包括：课题依据及课题的意义、国内外研究概况及发展趋势（含文献综述）、研究内容及实验方案、目标、主要特色及工作进度、参考文献等内容。以下填写内容各专业可根据具体情况适当修改。但每个专业填写内容应保持一致。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（The Welding Institute-TWI）发明了搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding-FSW），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MARINE公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，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。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.自1997年起平均每年有100120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（Pin tool）搅拌摩擦焊的施焊工具；搅拌头轴肩（Tool Shoulder）搅拌头与工件表面接触的肩台部分；搅拌针（Tool Pin）搅拌头插入工件的部分；前进侧（Advanced Side）焊接方向与搅拌头轴肩旋转方向一致的焊缝侧面；回转侧（Retreating Side）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（Down or Axial Force）-向搅拌头施加的使搅拌针插入工件和保持搅拌头轴肩与工件表面接触的压力；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：Al-Cu(2xxx系列) 、Al-Zn(7xxx系列)和Al-Li(如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1.26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.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.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.搅拌摩擦焊也已可以实现2-D、3-D结构的焊接,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（TIG）和熔化极氩弧焊（MIG）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6.4mm厚的2014-T6铝合金，FSW焊接头性能比TIG焊高16;对于12.7毫米厚的2014-T6铝合金，FSW焊接头性能比TIG焊高22.搅拌摩擦焊接头性能数据一致性较好，工艺稳定，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6mm厚度的2014-T6、 2219-T6、5083-0 和7075-T7351等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（ECCS class B3）。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.如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，搅拌摩擦焊得到了广泛的应用,均已形成新兴产业。2.1搅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。2.1.1 搅拌摩擦焊在船舶制造工业中的应用早在1995年，挪威Hydro Marine Aluminium公司就将FSW技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Det Norske Veritas和Germanischer Lloyd的认可。从1996到1999，已经成功焊接了1700块船舶面板，焊缝总长度超过110km。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Hydro Marine Aluminium采用搅拌摩擦焊技术制造船用宽幅铝合金型材2.1.2 搅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HuntingtonBeach工厂将搅拌摩擦焊应用于Delta II运载火箭4.8米高的中间舱段的制造（纵缝，厚度22.22毫米 ，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Decatur工厂将搅拌摩擦焊技术用于制造Delta运载火箭中心助推器。Delta运载火箭贮箱直径为5m,材料改为2219-T87铝合金。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Delta II火箭，1200m无缺陷焊缝应用于Delta IV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Fokker宇航公司将搅拌摩擦焊技术用于Ariane 5发动机主承力框的制造（图4），承力框的材料为7075-T7351，主体结构由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Fokker Space公司采用FSW制造Ariane 5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FSW实现飞机蒙皮和衍樑、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Eclipse飞机制造公司斥资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（Eclipse500）（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 Eclipse 500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。2.1.3 搅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MIG焊焊接接头，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FSW工艺用于地铁车辆，采用这种工艺制造的工件长度已经超过了3km，接头质量良好。由住友轻金属公司生产的挤压型材FSW焊接拼板,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Alstom公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FSW生产的新干线列车壁板；右：法国阿尔斯通FSW制造的列车车顶目前,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。2.1.4 搅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Hydro公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Tower汽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(Tailored welded blanks)的制造;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(FSSW)的研究与技术开发,是汽车制造工业中的一个新热点.2.1.5搅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）X-Y平台设计；（2）升降台设计；（3）主轴箱设计；（4）外形尺寸设计。四、目标、主要特色及工作进度目标1.了解C型搅拌摩擦焊机工作原理和系统结构 2.根据主要技术参数设计C型搅拌摩擦焊机的机械结构特色1. 高度一致的焊接质量，无需要高的操作技能和训练2. 单面焊接的厚度为1.615mm3. 焊接接口部位只需要去油处理，无需打磨或洗涮4. 不需焊丝和保护气氛5. 节省能源6. 焊接表面平整，不变形，无焊缝突起和汗滴，无需后续处理7. 无电弧、无磁冲击、闪光、辐射、烟雾和异味，不影响其他电气设备使用，绿色环保8. 焊接温度低于合金的熔点，焊缝无孔洞、裂纹和元素烧损毕业设计（论文）的工作进度1收集有关资料，写出开题报告； 1周2周 2外文翻译(6000字符以上) ； 3周3分析与研究：了解现有类似设备，制订设备总体方案。 4周5周4传动系统结构设计。 6周9周5主要零部件的设计与尺寸计算。 10周14周6撰写毕业论文一份 15周16周7毕业设计审查、毕业答辩 17周参考文献1 戴曙主编金属切削机床设计 机械工业出版社2 江耕华主编机械传动设计手册 煤碳工业出版社3 郑堤等主编机电一体化设计基础 机械工业出版社4数字化手册系列（软件版）编写委员会机械设计手册（软件版）R2.0机械工业出版社5 李洪主编机械制造工艺金属切削机床设计指导手册东北工学院出版社6范云涨、陈兆年主编金属切削机床设计简明手册 机械工业出版社7机床设计手册编写组主编 机械工业出版社8 巩云鹏等主编机械设计课程设计 东北大学出版社C型搅拌摩擦焊机机械结构设计学生姓名：袁振东 班级：0781053指导老师：张晓荣摘要：搅拌摩擦焊是摩擦焊的新发展，是英国焊接研究所提出的专利技术。它可以对多种融化焊接性差的有色金属等擦了进行可靠的链接，而且连接工艺简单、并有较好的工艺适应性。 搅拌摩擦焊技术是一种新型的固态连接技术，主要用于的熔点金属和合金的焊接，它能较好的保持焊缝区的微细晶粒组织，可以用语超塑性成形领域。随着焊接技术的发展，可以用语FSW焊接的材料将会更加广泛，此外，搅拌摩擦焊无需复杂的处理工作，且焊缝缺陷相对较少，生产环境好，是一种经济、高效、高质量的“绿色焊接工艺”，可以遇见FSW技术将在我国航空航天、船舶、汽车等各个领域得到长足的发展和良好的应用。本文简单介绍了搅拌摩擦焊的焊接原理、工艺特点、工艺设备及应用领域，并对其机械机构设计和性能进行了进一步的分析。关键词： 新发展 新型的固态连接技术 机械结构设计 指导老师签名： Mechanical mechanism design of C-type friction stir welding machine Student name: yuan zhendong Class: 0781053Supervisor:zhang xiaorongAbstract: The patent teachnology of the friction stir welding is advanced by the welding research institute of England. The friction welding is a new development of friction welding method. It can reliable join for varied weldability poor nonferrous metal etc material . The join technology is simple and technology adaptability is quite good in the friction stir welding .Friction stir welding technology is a new type of solid-state link technology, mainly used for melting metal and alloy welding, it can better maintain the weld zone of fine grains, the field of superplastic forming can be expressions. With the development of welding technology, welding FSW language materials can be more extensive, in addition, friction stir welding without the need of complex processing and a relatively small weld defects, the production environment, is an economic, efficient, high-quality Green welding process, FSW technology will be met in our aerospace, marine, automotive and other fields have made great progress and good application.This article introduces the principles of friction stir welding welding, process characteristics, process equipment and applications, and its mechanical structure design and performance of further analysis.Keywords： new development a new type of solid-state link technology Mechanical mechanism design Signature of Supervisor:毕业设计（论文）任务书I、毕业设计(论文)题目：C型搅拌摩擦焊机机械结构设计II、毕 业设计(论文)使用的原始资料(数据)及设计技术要求：1原始资料：工件尺寸：最大宽度500mm，最大长度800mm，厚度5-12mm；焊接速度100mm/min-500mm/min；. 搅拌头旋转速度1000rpm-3000rpm；2设计技术要求：根据主要技术参数设计C型搅拌摩擦焊机的机械结构。要求英文资料翻译忠实原文。要求完成的设计能满足实际要求，图面及文字说明表达简洁、清晰、易读懂，图纸设计规范，符合制图标准。能用于指导实际的生产、装配。要求毕业论文叙述条理清楚，设计计算正确，论文格式规范。III、毕 业设计(论文)工作内容及完成时间：1收集有关资料，写出开题报告； 1周2周 2外文翻译(6000字符以上) ； 3周 3分析与研究：了解现有类似设备，制订设备总体方案。 4周5周 4传动系统结构设计。 6周9周5主要零部件的设计与尺寸计算。 10周14周6撰写毕业论文一份 15周16周 7毕业设计审查、毕业答辩 17周 、主 要参考资料：1. 戴曙主编金属切削机床设计机械工业出版社2. 江耕华主编机械传动设计手册煤碳工业出版社3. 郑堤等主编机电一体化设计基础 机械工业出版社4. 数字化手册系列（软件版）编写委员会机械设计手册（软件版）R2.05. 洪主编机械制造工艺金属切削机床设计指导手册 东北工学院出版社6. 范云涨、陈兆年主编金属切削机床设计简明手册 机械工业出版社7.机床设计手册编写组主编 机械工业出版社 8. 巩云鹏等主编机械设计课程设计 东北大学出版社 航空工程系 系 机械设计制造及其自动化 专业类 0781053 班学生（签名）： 日期： 自2011 年 3 月 1 日至 2011 年 6 月 2 日指导教师（签名）： 助理指导教师(并指出所负责的部分)：航空工程 系（室）主任（签名）：附注:任务书应该附在已完成的毕业设计说明书首页。目 录1 前言（1）1.1搅拌摩擦焊概述（2）1.2 搅拌摩擦焊的特点介绍（4） 2 C型搅拌摩擦焊接机械结构设计（7）2.1 X-Y平台设计（7） 2.2 升降台的设计（22） 2.3 主轴箱的设计（29） 2.4 键和轴承、圆柱销的设计（39）2.5 整体外形尺寸设计（47）3 结论（48）附录（52）参考文献 （60）致谢（61）毕业设计（论文）题 目：C型搅拌摩擦焊机机械结构设计 系 别： 航空工程系专业名称： 机械设计制造及其自动化班级学号： 078105337学生姓名： 袁 振 东指导教师： 张 晓 荣 二O一一 年 六 月 C型搅拌摩擦焊的现状与发展1 前言1991年,英国焊接研究所（The Welding Institute-TWI）发明了搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding-FSW），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MARINE公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，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。2 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。下图示出了搅拌摩擦焊所用到的主要描述性术语。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：Al-Cu(2xxx系列) 、Al-Zn(7xxx系列)和Al-Li(如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。3 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.如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，搅拌摩擦焊得到了广泛的应用,均已形成新兴产业。4激光辅助搅拌摩擦焊激光辅助搅拌摩擦焊（LAFSW）是一种新改进的搅拌摩擦焊，搅拌摩擦焊是近10年开发的工艺。在搅拌摩擦焊里，焊接热能是来自工具和工件之间摩擦热量。由于这种工艺需要相对大的力，因此，在搅拌摩擦焊中使用的设备笨重且昂贵。激光辅助搅拌摩擦焊用激光能源加热工件，而搅拌头的主要作用是搅拌和连接工件2部分。由于这种原因，激光辅助搅拌摩擦焊是一种相对简单和廉价的方法。 为了克服搅拌摩擦焊中存在的不足，如（1）装夹焊接工件的夹具较大，需要很大的力向前移动焊接工具，焊接工具磨损率相对高；（2）用感应线圈方法加热不能保证正确的位置、焊接搅拌头和夹具装置都受到加热感应线圈的影响及用感应线圈作媒介加热及仅适用于导体材料，并不能用于其他非金属和非导体材料。人们开发了的激光辅助搅拌摩擦焊 。这种方法由通用铣床和Nd：YAG激光器改造成的。激光能源在旋转搅拌头前面有限范围内预热工件。这样，旋转的搅拌头前面的工件体积、塑性增加（插图1）。然后，采用与普通FSW工艺一样的方法连接工件。旋转工具前面的高温软化了工件，并且可以不用强大夹具装夹就能够保证连接。向前移动焊接工具只需很小的力，所以减少了磨损。对于激光能源这种工艺的优点还有焊接能力较高，焊接中不会引起过多的磨损。商业用的激光器，具有很精确地激光直径控制装置，因此，控制工件的受热区域和激光源到达工件的数量，并且保持系统的其他部位的受热是比较容易的。 目前激光辅助搅拌摩擦焊的焊接工艺已经被证明。激光能预热工件的使用标志着在焊接工具和工件中需要提供较大的力的降低，用这种改进的方法简化了使用，因此使用经济的焊接方法已成为可能。另外，较高的焊接速度在改进中获得了较好的效益。5搅拌摩擦焊铸铝的高效连接技术针对ZL114A合金广泛应用，中国搅拌摩擦焊中心对该材料的搅拌摩擦焊工艺适应性进行了开发， 试验数据表明，该材料的搅拌摩擦焊工艺适应性良好，接头抗拉强度达到了母材的91%，接头力学综合性能优于电子束等熔焊方法。 ZL114A合金（旧牌号为ZAlSi7Mg1A），是在ZL101A合金基础上增加Mg元素的含量发展起来的Al-Si-Mg系高强度铸造铝合金。它既具有优良的铸造工艺性能，又具有较ZL101A合金更高的力学性能。由于其优越特性，在航空航天制造业中，广泛用于制造重要部位的大型薄壁结构件。ZL114A合金应用前景广阔，产生了对材料高效连接技术的迫切需求。因采用熔焊方法，热输入量较大，焊接变形大，难以满足薄壁件精度要求；并且焊缝易出现气孔、夹渣、未焊透、烧穿、裂纹等缺陷，缺陷率高；而且焊前焊后处理工序较繁琐。 搅拌摩擦焊是一种新兴的金属固相连接技术，金属在焊接过程中不熔化，热输入量小；焊缝的连接是在金属受挤压的状态下完成的，焊接接头不会产生熔化焊焊接接头的气孔和裂纹等一类缺陷，焊缝缺陷少；搅拌摩擦焊类似于机械加工过程，容易实现自动化控制，而且没有熔化焊中的电压，电流，强光，金属粉尘等现象，工作环境环保清洁。最重要的是，搅拌摩擦焊接头的力学性能优于熔焊接头。试验数据表明焊接接头的抗拉强度达到了母材的91，试样延伸率达到了2.5，接头组织晶粒细化、均匀而致密，消除了母材的铸造缺陷。ZL114A母材与焊接接头微观组织对比，可观察到焊核区微观组织是无方向性的、细小的等轴晶粒，母材区为粗大的树枝状铸造组织。搅拌摩擦焊是一种区别于熔化焊和机械连接的新型焊接技术，基于其技术优势，在航空制造业中的应用具有巨大的潜在性，为各种轻质合金高效连接，提供了解决途径和方法。6搅拌摩擦焊接在运载火箭上的应用运载火箭贮箱常用的材料是比强度高、比刚度高的铝合金，如2014，2219和7075 铝合金。现在，运载火箭贮箱又采用性能更好的2195铝锂合金。在航天产品中，特别是在制 造运载火箭贮箱中，焊接工艺是一项关键的制造技术。熔焊技术如气体钨极电弧焊（GTAW ）和气体金属电弧焊（GMAW）自20世纪50年代起，在雷神、宇宙神、大力神、土星和德尔它 系列运载火箭贮箱的制造中使用了几十年，从焊接设备、焊接材料、焊接工艺等方面作了大量的研究工 作，满足了焊接质量的需要。同时，为了提高焊接质量和降低成本，20世纪80年代美国又采 用了变极性等离子弧焊（VPPA）焊机，并配备了先进的计算机控制系统，代替了GTAW和GMAW ，焊接了2219-T87铝合金制的航天飞机外贮箱，使焊接工艺在贮箱的制造中向前迈进了一 大步。迄今为止，虽然焊接质量有所提高，焊接时间有所缩短，但仍不能彻底解决焊缝及近缝区的裂纹和减少焊接气孔等缺陷问题。1991年英国剑桥大学焊接研究所（TWI）发明了搅 拌摩擦焊接(FSW)。这种焊接技术焊接的铝合金变形小、冶金和力学性能高、成本低和焊接时间短。挪威在世界上最早用FSW焊接技术焊接过6 mm16 m2的6068-T6铝合金船面板和20 m长的铝合金制的快艇，焊接总长达10 000 m。瑞士也研制出FSW焊机。为了加速FSW焊 接技术在工业上的应用，1995年国际合作公司赞助了一项计划，由TWI研究所牵头继续研究FSW，并用FSW焊接2000系（AlCu）、5000系（AlMg）、6000系（AlMgSi）等铝合金，并均获得满意的焊接质量。TWI研究所、美国爱迪生焊接研究所（EWI）等部门，除了研究用FSW焊接铝合金外，还研究用它焊接黑色金属及其它金属。美国的航空航天工业部门对F SW开展了更多的应用性研究，如洛马公司、波音公司投入了大量的研制经费，仅花在FSW 焊接工艺和设备研制上的费用就达1500万美元，成功地焊接了德尔它的运载火箭贮箱 。由于FSW是在比被焊合金材料熔点温度低的条件下完成的固态连接，所以金属材料没有熔化，焊接收缩变形小和力学性能损失低，与传统的GMAW和GTAW熔焊技术焊接铝合金相比，有着突出的优点：a）不需要氩、氦保护气体和填充材料，焊接时不需要控制焊接电流和电弧电压参数，节省了大量材料的消耗。b）焊前不需要对被焊接材料和焊丝仔细清理、酸洗