搅拌摩擦焊焊接工装设计-焊机设计【34张CAD图纸+毕业论文】【答辩通过】

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关键词：: 搅拌摩擦磨擦焊接工装设 cad 图纸毕业论文答辩通过

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摘要

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。由于搅拌摩擦焊焊缝组织均匀、接头力学性能优异，生产过程中安全、无飞溅、无烟尘烟气、无辐射，污染小、成本低等技术优势，因而在许多工业领域获得了广泛应用。在航天工业中，搅拌摩擦焊工艺在飞行器铝合金结构制造中的推广应用，在国外已显示出强劲的技术创新活力，给传统制造工艺带来了革命性的改造。
随着人们对搅拌摩擦焊技术认识的提高，预计在不远的将来，铝合金、镁合金、锌合金、钛合金等轻金属材料的连接将主要由搅拌摩擦焊来完成，尤其在运载火箭、高速铝合金列车、铝合金高速快艇、全铝合金汽车等项目中搅拌摩擦焊技术将会占主导地位。
本文设计出的搅拌摩擦焊焊机，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100—600mm/min，最大加工焊缝厚度20mm，焊缝长度600mm。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。
该设备结构紧凑，简单，操作方便，与市场价格相比，成本很低。

关键词：搅拌摩擦焊；固相焊接；铝合金焊接；应用前景；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 inventment to applyment, it is also treated as one of the technology of the most pertencial and the most suitable for aviation and struction manufaction. The joints welded by friction stir welding are homogeneous in microstructure and predominant in mechanical capacity. Because of the virtue, such as the security, no splash, no radiation and no pollution during friction stir welding, and so on, so this technique is widely utilized in industry. In aviation industry, aircrafts made by aluminium alloy are usually welded by friction stir welding. Abroad market is explored of FSW in other countries, and also making a reformation in the manufacture of watercraft.
With the further acknowledgement to FSW, the joint of aluminium alloy, magnesium alloy, zinc alloy and titanium alloy will be welded by FSW. Especially, the carrier rocket, high velocity aluminium alloy train, high velocity alminium alloy speed boat and aluminium alloy vehicle will be possibly welded by the FSW.
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 100 to 600mm/min. It can be apply to welding the aluminium and aluminium alloy. In addition, the welding thickness can’t exceed 20mm and length 600mm. 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 device is simple and compact in structure. Comparing with the marketable price, its cost is very lower.

Key words：Friction stir welding，Solid phase welding，Aluminium alloy welding，Application prospect，Welding machine design

第一章绪论 ……………………………………………………… 1
1．1 搅拌摩擦焊简介 …………………………………………… 1
1．2 搅拌摩擦焊的技术优势 …………………………………… 4
1．3 搅拌摩擦焊的研究现状 …………………………………… 5
1．4 搅拌摩擦焊的工业应用 …………………………………… 9
1．5 搅拌摩擦焊的发展前景 …………………………………… 11
1．6 本论文的目的和意义 ……………………………………… 12
第二章搅拌摩擦焊焊机设计 …………………………………… 13
2．1 总体设计规划 ……………………………………………… 13
2．2 搅拌摩擦系统设计 ………………………………………… 13
2．2．1 搅拌头及夹具设计………………………………… 13
2．2．2 搅拌系统功率计算………………………………… 15
2．2．3 搅拌系统V带设计………………………………… 16
2．2．4 搅拌轴的设计……………………………………… 25
2．3 伺服系统设计 ……………………………………………… 31
2．3．1 伺服系统功率计算………………………………… 31
2．3．2 伺服系统V带设计………………………………… 32
2．3．3 伺服系统齿轮传动设计…………………………… 35
2．3．4 伺服系统传动丝杠设计…………………………… 44
2．3．5 伺服系统液压传动器件选择……………………… 46
2．4 电气控制设计 ……………………………………………… 46
2．4．1 电气控制设计原则………………………………… 46
2．4．2 电气控制系统原理图……………………………… 47
结论 ……………………………………………………………… 50
致谢 ……………………………………………………………… 51
参考文献 ………………………………………………………… 52

第一章　绪论

搅拌摩擦焊是由英国焊接研究所(The Welding Institute，简称TWI)于1991年提出的一种固态连接方法[1-5],并于1993年和1995年在世界范围内的发达和发展中国家申请了知识产权保护。此技术原理简单，且控制参数少、易于实现自动化，可将焊接过程中的人为因素降到最低。搅拌摩擦焊技术与传统的熔焊相比，拥有很多优点，因而使得它具有广泛的工业应用前景和发展潜力。有关搅拌摩擦焊接头的组织、力学性能(包括断裂、疲劳、腐蚀性能)、无损检测以及工艺参数对焊缝质量的影响等的研究是推广应用搅拌摩擦焊的基础，有关这些方面的研究是这个领域的研究热点。
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神奇的固相连接新技术。截止2002年9月15日，世界范围内得到英国焊接研究所(TWI)搅拌摩擦焊专利技术许可的用户己经有78家，与搅拌摩擦焊技术相关的专利技术有551项[6-8]。著名的B o e i n g、NASA、 BAE、 HONDA、 GE、HITACHI、MARTIN等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。
1．1 搅拌摩擦焊简介
1．1．1 搅拌摩擦焊原理及工艺

图1-1 搅拌摩擦焊原理图[9-11]
搅拌摩擦焊的焊接原理如图l-1所示。置于垫板上的对接工件通过夹具夹紧，以防止对接接头在焊接过程中松开。一个带有特型搅拌指头的搅拌头旋转并缓慢的将搅拌指头插入两块对接板材之间的焊缝处。一般来讲，搅拌指头的长度接近焊缝的深度。当旋转的搅拌指头接触工件表面时，与工件表面的快速摩擦产生的摩擦热使接触点材料的温度升高，强度降低。搅拌指头在外力作用下不断顶锻和挤压接缝两边的材料，直至轴肩紧密接触工件表面为止。这时，由旋转轴肩和搅拌指头产生的摩擦热在轴肩下面和搅拌指头周围形成大量的塑化层。当工件相对搅拌指头移动或搅拌指头相对工件移动时，在搅拌指头侧面和旋转方向上产生的机械搅拌和顶锻作用下，搅拌指头的前表面把塑化的材料移送到搅拌指头后表面。在搅拌指头沿着接缝前进时，搅拌焊头前头的对接接头表面被摩擦加热至超塑性状态。搅拌指头和轴肩摩擦接缝，破碎氧化膜，搅拌和重组搅拌指头后方的摩碎材料。搅拌指头后方的材料冷却后就形成焊缝，可见此焊缝是在热——机联合作用下形成的固态焊缝。这种方法可以看作是一种自锁孔连接技术，在焊接过程中，搅拌指头所在处形成小孔，小孔在随后的焊接过程中又被填满,应该指出，搅拌摩擦焊缝结束时在终端留下个匙孔。通常这个匙孔可以切除掉，也可以用其它焊接方法封焊住[11]。在焊接过程中主要的产热体是搅拌指头和轴肩。在焊接薄板时，轴肩和工件的摩擦是主要的热量来源。

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内容简介：: 摘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。由于搅拌摩擦焊焊缝组织均匀、接头力学性能优异，生产过程中安全、无飞溅、无烟尘烟气、无辐射，污染小、成本低等技术优势，因而在许多工业领域获得了广泛应用。在航天工业中，搅拌摩擦焊工艺在飞行器铝合金结构制造中的推广应用，在国外已显示出强劲的技术创新活力，给传统制造工艺带来了革命性的改造。随着人们对搅拌摩擦焊技术认识的提高，预计在不远的将来，铝合金、镁合金、锌合金、钛合金等轻金属材料的连接将主要由搅拌摩擦焊来完成，尤其在运载火箭、高速铝合金列车、铝合金高速快艇、全铝合金汽车等项目中搅拌摩擦焊技术将会占主导地位。本文设计出的搅拌摩擦焊焊机，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100600mm/min，最大加工焊缝厚度20mm，焊缝长度600mm。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。该设备结构紧凑，简单，操作方便，与市场价格相比，成本很低。关键词：搅拌摩擦焊；固相焊接；铝合金焊接；应用前景；焊机设计AbstractFriction stir welding (FSW) was firstly used in the 1990s, which is swiftest in development and is shortest in time from inventment to applyment, it is also treated as one of the technology of the most pertencial and the most suitable for aviation and struction manufaction. The joints welded by friction stir welding are homogeneous in microstructure and predominant in mechanical capacity. Because of the virtue, such as the security, no splash, no radiation and no pollution during friction stir welding, and so on, so this technique is widely utilized in industry. In aviation industry, aircrafts made by aluminium alloy are usually welded by friction stir welding. Abroad market is explored of FSW in other countries, and also making a reformation in the manufacture of watercraft.With the further acknowledgement to FSW, the joint of aluminium alloy, magnesium alloy, zinc alloy and titanium alloy will be welded by FSW. Especially, the carrier rocket, high velocity aluminium alloy train, high velocity alminium alloy speed boat and aluminium alloy vehicle will be possibly welded by the FSW. 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 100 to 600mm/min. It can be apply to welding the aluminium and aluminium alloy. In addition, the welding thickness cant exceed 20mm and length 600mm. 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 device is simple and compact in structure. Comparing with the marketable price, its cost is very lower. Key words：Friction stir welding，Solid phase welding，Aluminium alloy welding，Application prospect，Welding machine design目录第一章绪论 111 搅拌摩擦焊简介 112 搅拌摩擦焊的技术优势 413 搅拌摩擦焊的研究现状 514 搅拌摩擦焊的工业应用 915 搅拌摩擦焊的发展前景 1116 本论文的目的和意义 12第二章搅拌摩擦焊焊机设计 1321 总体设计规划 1322 搅拌摩擦系统设计 13221 搅拌头及夹具设计13222 搅拌系统功率计算15223 搅拌系统V带设计16224 搅拌轴的设计2523 伺服系统设计 31231 伺服系统功率计算31232 伺服系统V带设计32233 伺服系统齿轮传动设计35234 伺服系统传动丝杠设计44235 伺服系统液压传动器件选择4624 电气控制设计 46241 电气控制设计原则46242 电气控制系统原理图47结论 50致谢 51参考文献 52 年月日摘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。由于搅拌摩擦焊焊缝组织均匀、接头力学性能优异，生产过程中安全、无飞溅、无烟尘烟气、无辐射，污染小、成本低等技术优势，因而在许多工业领域获得了广泛应用。在航天工业中，搅拌摩擦焊工艺在飞行器铝合金结构制造中的推广应用，在国外已显示出强劲的技术创新活力，给传统制造工艺带来了革命性的改造。随着人们对搅拌摩擦焊技术认识的提高，预计在不远的将来，铝合金、镁合金、锌合金、钛合金等轻金属材料的连接将主要由搅拌摩擦焊来完成，尤其在运载火箭、高速铝合金列车、铝合金高速快艇、全铝合金汽车等项目中搅拌摩擦焊技术将会占主导地位。本文设计出的搅拌摩擦焊焊机，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100600mm/min，最大加工焊缝厚度20mm，焊缝长度600mm。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。该设备结构紧凑，简单，操作方便，与市场价格相比，成本很低。关键词：搅拌摩擦焊；固相焊接；铝合金焊接；应用前景；焊机设计AbstractFriction stir welding (FSW) was firstly used in the 1990s, which is swiftest in development and is shortest in time from inventment to applyment, it is also treated as one of the technology of the most pertencial and the most suitable for aviation and struction manufaction. The joints welded by friction stir welding are homogeneous in microstructure and predominant in mechanical capacity. Because of the virtue, such as the security, no splash, no radiation and no pollution during friction stir welding, and so on, so this technique is widely utilized in industry. In aviation industry, aircrafts made by aluminium alloy are usually welded by friction stir welding. Abroad market is explored of FSW in other countries, and also making a reformation in the manufacture of watercraft.With the further acknowledgement to FSW, the joint of aluminium alloy, magnesium alloy, zinc alloy and titanium alloy will be welded by FSW. Especially, the carrier rocket, high velocity aluminium alloy train, high velocity alminium alloy speed boat and aluminium alloy vehicle will be possibly welded by the FSW. 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 100 to 600mm/min. It can be apply to welding the aluminium and aluminium alloy. In addition, the welding thickness cant exceed 20mm and length 600mm. 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 device is simple and compact in structure. Comparing with the marketable price, its cost is very lower. Key words：Friction stir welding，Solid phase welding，Aluminium alloy welding，Application prospect，Welding machine design西南交通大学本科毕业设计(论文)目录第一章绪论 111 搅拌摩擦焊简介 112 搅拌摩擦焊的技术优势 413 搅拌摩擦焊的研究现状 514 搅拌摩擦焊的工业应用 915 搅拌摩擦焊的发展前景 1116 本论文的目的和意义 12第二章搅拌摩擦焊焊机设计 1321 总体设计规划 1322 搅拌摩擦系统设计 13221 搅拌头及夹具设计13222 搅拌系统功率计算15223 搅拌系统V带设计16224 搅拌轴的设计2523 伺服系统设计 31231 伺服系统功率计算31232 伺服系统V带设计32233 伺服系统齿轮传动设计35234 伺服系统传动丝杠设计44235 伺服系统液压传动器件选择4624 电气控制设计 46241 电气控制设计原则46242 电气控制系统原理图47结论 50致谢 51参考文献 52西南交通大学本科毕业设计(论文) 第 55 页第一章绪论搅拌摩擦焊是由英国焊接研究所(The Welding Institute，简称TWI)于1991年提出的一种固态连接方法1-5,并于1993年和1995年在世界范围内的发达和发展中国家申请了知识产权保护。此技术原理简单，且控制参数少、易于实现自动化，可将焊接过程中的人为因素降到最低。搅拌摩擦焊技术与传统的熔焊相比，拥有很多优点，因而使得它具有广泛的工业应用前景和发展潜力。有关搅拌摩擦焊接头的组织、力学性能(包括断裂、疲劳、腐蚀性能)、无损检测以及工艺参数对焊缝质量的影响等的研究是推广应用搅拌摩擦焊的基础，有关这些方面的研究是这个领域的研究热点。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神奇的固相连接新技术。截止2002年9月15日，世界范围内得到英国焊接研究所(TWI)搅拌摩擦焊专利技术许可的用户己经有78家，与搅拌摩擦焊技术相关的专利技术有551项6-8。著名的B o e i n g、NASA、 BAE、 HONDA、 GE、HITACHI、MARTIN等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。11 搅拌摩擦焊简介111 搅拌摩擦焊原理及工艺图1-1 搅拌摩擦焊原理图9-11搅拌摩擦焊的焊接原理如图l-1所示。置于垫板上的对接工件通过夹具夹紧，以防止对接接头在焊接过程中松开。一个带有特型搅拌指头的搅拌头旋转并缓慢的将搅拌指头插入两块对接板材之间的焊缝处。一般来讲，搅拌指头的长度接近焊缝的深度。当旋转的搅拌指头接触工件表面时，与工件表面的快速摩擦产生的摩擦热使接触点材料的温度升高，强度降低。搅拌指头在外力作用下不断顶锻和挤压接缝两边的材料，直至轴肩紧密接触工件表面为止。这时，由旋转轴肩和搅拌指头产生的摩擦热在轴肩下面和搅拌指头周围形成大量的塑化层。当工件相对搅拌指头移动或搅拌指头相对工件移动时，在搅拌指头侧面和旋转方向上产生的机械搅拌和顶锻作用下，搅拌指头的前表面把塑化的材料移送到搅拌指头后表面。在搅拌指头沿着接缝前进时，搅拌焊头前头的对接接头表面被摩擦加热至超塑性状态。搅拌指头和轴肩摩擦接缝，破碎氧化膜，搅拌和重组搅拌指头后方的摩碎材料。搅拌指头后方的材料冷却后就形成焊缝，可见此焊缝是在热机联合作用下形成的固态焊缝。这种方法可以看作是一种自锁孔连接技术，在焊接过程中，搅拌指头所在处形成小孔，小孔在随后的焊接过程中又被填满,应该指出，搅拌摩擦焊缝结束时在终端留下个匙孔。通常这个匙孔可以切除掉，也可以用其它焊接方法封焊住11。在焊接过程中主要的产热体是搅拌指头和轴肩。在焊接薄板时，轴肩和工件的摩擦是主要的热量来源。搅拌摩擦焊焊接工艺参数主要有：搅拌指头的焊接速度、搅拌指头的旋转速度以及压紧力。这些参数决定了焊接过程中搅拌指头周围产生的热量，并且直接影响到焊缝的组织和性能。112 搅拌头搅拌头是搅拌摩擦焊机上中最重要的构件之一。它一般由耐高温抗摩损材料制成，主要包括特形指头和轴肩两部分。在焊接过程中轴肩与被焊材料的表面紧密接触，防止塑化金属材料的挤出和氧化，同时搅拌轴肩还可以提供部分焊接所需要的搅拌摩擦热。搅拌指头的形状比较特殊，焊接过程中搅拌指头要旋转着压入被焊材料的结合界面处，并且沿着待焊界面向前移动。搅拌头的材料一般用合金工具钢，现有科学研究人员对搅拌头进行表面TiAlN处理的实验研究，TiAlN涂层具有优于TiC、TiN、TiCN等涂层的机械物理性能，并可与其它涂层配合组成多元多层复合涂层。在制造业中的切削试验及加工实践表明，采用TiAlN涂层处理的刀具、钻头的表面化学稳定性好，抗氧化磨损能力强，高速焊接铝合金材料时，其工作寿命可比普通合金工具钢搅拌头提高34倍，降低搅拌摩擦焊的加工成本，提高经济效益。随着搅拌摩擦焊技术的发展，英国焊接研究所研制的“艺术阶段”的WhorlTM和MxT6nute TM系列搅拌头可以在6毫米厚的铝合金挤压型材上连续焊接上千米长的焊缝而不用更换，并且可以得到性能优良的焊缝。利用搅拌摩擦焊技术焊接薄板零件时，搅拌头的肩部与工件表面摩擦产生的热量是金属热塑化所需能量的来源。对于厚板的搅拌摩擦焊来说，要得到优良的焊接接头，随着板厚的增加，搅拌头与工件之间需要提供更多的热来保证搅拌头附近区域金属的热塑化，同时，搅拌头还需要确保焊接区域金属材料的搅拌激活以及控制塑化金属的流变转移来形成合格的固相焊缝。总之，搅拌头是搅拌摩擦焊技术中“心脏”11-12。113 搅拌摩擦焊材料搅拌摩擦焊的焊接温度低于材料的熔点，焊接过程中始终没有材料熔化，所以搅拌摩擦焊是一种固态连接方法。基于搅拌摩擦焊焊接过程中不存在材料熔化的特点，搅拌摩擦焊几乎可以焊接所有系列的铝合金材料及铝基复合材料(MMC)。对于传统焊接方法较难焊接的2xxx和7xxx系列高强度铝合金材料，也可实施可靠连接。另外，对于异种材料的搅拌摩擦焊也具有优越性，如搅拌摩擦焊不仅可以实现20246061以及20247015等不同牌号铝合金材料的焊接，还可以实现铜合金和铝合金等不同种材料的焊接。搅拌摩擦焊还可以焊接铜、镁、锌、铅等合金材料，对于钢合金、钦合金和铝基复合材料的搅拌摩擦焊开发研究也很成功。对于不同状态的合金钢，搅拌摩擦焊也能实现焊接，如锻压板材和挤压形材的焊接，锻压板材和铸铝的焊接等12。114 接头性能搅拌摩擦焊接头主要包括四个微结构区域：焊核区、热机影响区、热影响区和母材。中间区域为晶粒非常细小的焊核区域，其中椭圆形的“洋葱”环状组织结构是焊接接头良好的标志；在焊核区的外围存在一个热机影响区，此部分晶粒组织发生了明显的塑性变形和部分重结晶。对于不可热处理强化的铝合金，采用搅拌摩擦焊可以得到没有空洞和裂纹的优良焊接接头，接头的拉伸强度一般大于或优于母材，并且断裂一般出现在热影响区和远离焊缝接头的母材上；对于可热处理强化的铝合金，搅拌摩擦焊接头的力学性能优于弧焊接头。另外，通过控制搅拌摩擦焊过程中焊缝区域的热输入，特别是控制搅拌摩擦焊接头中硬度和强度最低的热影响区的回火和过时效影响，可以有效地提高焊接接头的力学性能指标。与熔焊方法相比较，铝合金材料的搅拌摩擦焊接头的疲劳性能具有明显的优势，这是因为搅拌摩擦焊得到的是精细的再结晶组织。另外，由于焊接过程材料没有熔化，焊缝组织中不会有熔焊工艺经常出现的凝固偏折、裂纹、气孔和夹杂等缺陷12。12 搅拌摩擦焊的技术优势搅拌摩擦焊除了具有普通摩擦焊技术的优点外，还可以进行多种接头形式和不同焊接位置的连接。如图1-2所示13-15。图1-2 几种搅拌摩擦焊的接头形式采用搅拌摩擦焊技术不仅能焊接几乎所有熔焊能够焊接的金属，而且能焊接许多熔化焊接性能差的金属，例如：铝合金、钛合金、铜合金等。就铝合金而言，铝合金在高温熔化时易吸附氢导致凝固后产生气孔，容易产生热裂纹和变形，因此焊接缺陷率高，并且随着铝合金中合金元素含量的增加，这些焊接缺陷率会大大增加。若是采用搅拌摩擦焊，则因为焊接过程中无金属熔化而克服了上述缺点，因此搅拌摩擦焊可以使不适宜于熔焊的金属得到可靠的连接。此外，搅拌摩擦焊不仅能用于同质合金间的连接，而且还适用于异质合金间的连接。图1-3 搅拌摩擦焊焊缝分区示意图采用搅拌摩擦焊取代传统的熔焊，还能改善焊缝组织和大大提高焊接接头的力学性能，并且排除了熔焊缺陷产生的可能性。搅拌摩擦焊焊缝组织分区示意如图1-3所示，焊缝组织可分为A、B、C、D四个区域:A区为母材区(basic metal，简称BM)；B区为热影响区(heat affected zone，简称HAZ)，该区域的材料因受热循环的影响，微观组织和力学性能均发生了变化，但没有发生塑性变形;C区为热变形影响区(there momechanically affected zone，简称TMAZ)，该区域材料已经产生了剧烈的塑性变形。就铝合金而言，再结晶区域和TMAZ之间通常有明显的界限，但在其它没有热致相变的材料中，如在纯钛、钛合金、奥氏体不锈钢和铜中，似乎TMAZ整体已再结晶化，产生了无应变再结晶，这可能使得HAZ/ TMAZ的边界难以精确划分;D区为焊核(dynamically recrystallized zone，简称DXZ)，焊核是最接近轴肩的区域，组织结构通常有较大的变化。在焊接接头的热影响区中，除了腐蚀反应比母材快一些外，其金相组织与母材没有多大区别；在焊接接头的热变形影响区，焊接过程引起长晶粒的弯曲和轻微的重结晶；焊核由纤细的经动态再结晶的等轴晶构成，其晶粒尺寸比母材的晶粒尺寸小得多。5083铝合金的搅拌摩擦焊实验表明，焊缝最薄弱的环节不在焊核区，而是在热影响区。经过固溶处理和人工时效处理的2xxx系列、6xxx系列铝合金的搅拌摩擦焊焊缝，经过时效处理后，其强度接近于基体材料的强度16。13 搅拌摩擦焊的研究现状搅拌摩擦焊工艺最初主要用于解决铝合金等低熔点材料的焊接，关于搅拌摩擦焊工艺的特点和应用等，TWI进行了较多的研究，并于1993年、1995年申请了专利。目前，TWI主要是与航空航天、海洋、道路交通、铝材厂、焊接设备制造厂等大公司联合，以团体赞助或合作的形式开发这种技术，扩大其应用范围。他们正在进行的由工业企业赞助的研究项目包括：钢的搅拌摩擦焊、汽车轻型构件的搅拌摩擦焊等。美国的爱迪生焊接研究所(Edison Welding Institure，简称EWI)与TWI密切协作，也在进行FSW工艺的研究。美国的美国洛克希德马丁航空航天公司、马歇尔航天飞行中心、美国海军研究所、Dartmouth大学、德克萨斯大学、阿肯色斯大学、南卡罗里纳大学、德国的Stuttgart大学、澳大利亚的Adelaide大学、澳大利亚焊接研究所等都从不同的角度对搅拌摩擦焊进行了专门研究。从材料焊接角度，目前研究较多的是铝合金的焊接。铝合金是一种高比强度的材料，将其用于飞机、汽车、船舶等结构中，可以减轻这些结构的重量，提高它们的综合性能。但是，由于其熔点、比重较低，热传导系数大，熔焊时易产生气孔、裂纹、变形等缺陷。同时，由于焊接加热使其性能降低，故铝合金零件的连接多用铆接或机械连接，因此，限制了铝合金在飞机、汽车、船舶等结构中的应用。利用搅拌摩擦焊技术，可以克服熔焊时的缺陷，且焊接接头的性能不会降低。131 搅拌摩擦焊接材料研究目前应用FSW成功连接的材料有A1合金，Mg合金，铅，锌，铜，不锈钢，低碳钢等同种或异种材料。Rommevaux等人进行了铝合金Ag的FSW焊接研究，Johnson R 对AM50，AM60，AZ31，AZ91镁合金同种和异种材料之间进行了FSW焊接试验，证明可以应用FSW连接镁合金17。FSW不仅对一系列铝合金成功连接，而且也实现了对高熔点材料Ti合金的连接。TWI于1997年11月报道成功FSW焊接3mm厚的低碳钢，EWI(Edison Welding 1nstitute)于1998年5月报道成功连接6mm软钢，并报道12mm厚12Cr不锈钢的FSW焊接。由此可知，随着焊接工具的发展，FSW可以应用于更多的材料的连接18。132 搅拌摩擦焊机理研究进展目前FSW研究的重点大多集中于研制适用于不同材料的焊接工具和工艺；焊接接头的性能及合理的结构设计等方面，但对焊接过程的材料流动机理的研究尚处于探索阶段。Clooigan K利用FSW焊接变形过程概念模型来分析塑性材料的流动。为了使搅拌头周围塑性材料运动可视化，采用两种新技术。钢球跟踪(Steel shot tracer technique)和停止运动技术(Stop action technique)。试验所用材料为厚64mm 6061T6及7075T6板材18。钢球跟踪技术(Steel shot tracer technique)是利用038mm钢球镶嵌在工件不同的位置，焊接沿着镶嵌接头并且沿着跟踪视线停止。焊头仍然在工件中时停止它的运动，钢球将沿着焊头分布，则在焊缝中的跟踪轨迹可以得到。另外一种方法为“停止运动”技术(Stop action technique)，以使搅拌头不能旋转的速度快速的停止焊头的运动并且将焊头从工件中取出，保证与搅拌头接触的金属材料仍然附着在孔的周围。通过分析焊缝尾端小孔，可以分析焊头轨迹材料的流动情况。不过这种方法需要数控电动装置。利用两种新技术得出：并不是所有被焊头影响的材料被真正的搅拌。许多材料的运动只是简单的扩展(Extrusion)。材料从焊头的上层部位被激活，被激活的材料沿着焊头的边沿向下运动，填充空隙。其它的材料只是沿着回撤面向上扩展，沿着焊头周围升到焊缝上部18。133 搅拌摩擦焊力学性能研究进展关于FSW焊接接头力学性能的问题，一直是研究热点。包括接头强度、塑性、抗腐蚀性、动态应力下的疲劳强度及协调最优问题。Pao P S等人研究了FSW接头腐蚀疲劳裂纹生长情况。不同腐蚀介质，接头的抗腐蚀性不同。得出的主要结论有：(1)由于高的裂纹闭合水平(High crack closure levels)，FSW HAZ的疲劳裂纹生长速率非常低，而k(应力强度因子)比母材的要高出许多；(2)在空气中，FSW熔核的疲劳裂纹生长速率比母材的稍微的高些；(3)在高k和中间k区域，FSW熔核及HAZ区域的疲劳裂纹生长速率是35NaCl溶液的两倍高；(4)由于FSW过程使晶界变得敏感，当在35NaCl溶液中时，FSW焊缝有晶间裂纹。Corral J等人研究了2024和2195(A1Li合金)的FSW接头的腐蚀性能，试验结果证明接头与母材具有相同的腐蚀行为18。134 搅拌摩擦焊设备迄今，已研制成功多类搅拌摩擦焊设备，在宇航领域，美国制造技术系统公司（MIS）开发了2台液压驱动搅拌摩擦焊设备，其中1台安装在South Carolina大学。此设备装有可调节自适应搅拌头和多轴搅拌摩擦焊控制系统，能够实现非平面和变截面(厚度)结构件高强铝合金材料的搅拌摩擦焊开发研究。该设备的搅拌头能自动倾斜15，使用可调节搅拌头对焊缝施加90KN的焊接压力，如使用普通形状的搅拌头则可对焊缝施加130 kN的顶锻压力。焊接材料厚度可以达到30mm，搅拌头的旋转速度在2000rmin的条件下可输出340Nm的扭矩。英国Halifax的Crawford Swlft公司也在1999年为英国空中客车公司生产了一台Powerstir 360型搅拌摩擦焊设备。这台龙门式搅拌摩擦焊设备整体尺寸为115m54m47m，配有三轴数控装置，主轴电机功率为60kW，最大向下焊接顶锻压力为l00kN，焊接平台由新型伺服电机和滚珠丝杠驱动，焊接速度可达到8m/min，主要用来生产大型民用飞机的铝合金机翼和机身，其中包括新型的A380大型客机。最近，ESAB公司又制造了2台龙门式搅拌摩擦焊设备，其中1台安装在TWI用于研究高电阻镍铜合金的焊接。该设备的焊接范围为8m5m1m，主要用来完成Euro Stir搅拌摩擦焊研究项目和其他秘密研究项目，该设备是迄今世界上最大的搅拌摩擦焊实验设备，如图1-4所示。图1-4 ESAB Super Stir搅拌摩擦焊设备在我国，北京航空制造工程研究所在2002年取得了TWI的搅拌摩擦焊专利技术许可，并合作成立了中国搅拌摩擦焊中心，生产和销售商业化的搅拌摩擦焊设备。中国搅拌摩擦焊中心设计制造了国内第1台搅拌摩擦焊设备，该设备主要用来完成直径等于或大于22m的火箭简体的搅拌摩擦焊19，如图1-5所示。图1-5 龙门式搅拌摩擦焊机14 搅拌摩擦焊的工业应用基于搅拌摩擦焊接这种固相连接技术的明显优越性，例如：可焊金属范围广、优良的接头力学性能，不需要填充焊接材料，没有焊接烟尘和飞溅，很少的焊前准备和焊接变形等，在世界范围内的国际合作中开展了大量的研究和开发工作。特别是搅拌摩擦焊可以焊接各种铝合金材料，甚至以前所谓的不可焊铝合金材料都能焊接，如应用于航空、航天领域的2000系列(AlCu)、5000系列(AlMg)、6000系列(AlMgSi)、7000系列(AlZn)、8000系列(AlLi)高强铝合金33, 34，也可以利用这种先进的焊接方法得到高质量的连接20。目前，除了在飞机制造领域内，搅拌摩擦焊技术已由试验研究、工程开发转入大规模的工业化应用阶段，迄今，已经在船舶、高速列车等制造领域得到了非常成功的应用，在宇航领域，也成功应用到运载火箭、航天飞机的低温燃料筒、军用和科学研究火箭和导弹以及熔焊接构件的修理等，如图1-6、1-7、1-8所示。图1-6 飞机方向舵液控件的FSW修理图1-7 搅拌摩擦焊铝合金炮弹图1-8 搅拌摩擦焊焊接Delta火箭燃料贮箱船舶制造和海洋工业是搅拌摩擦焊首先得到商业应用的两个工业领域，主要应用：甲板、侧板、防水壁板和地板、外壳和主体结构件、直升机降落平台、水上观测站、帆船的桅杆及结构件等，如图1-9所示。图1-9 船用搅拌摩擦焊铝合金型材甲板对于陆路交通工业，搅拌摩擦焊在列车制造领域的应用主要为：高速列车、轨道货车、地铁车厢和有轨电车、集装箱体等；搅拌摩擦焊在汽车上的应用主要为：底盘、车身支架、卡车车体、汽车起重器、装甲车的防护甲板等，如图1-10所示。图1-10 列车用搅拌摩擦焊铝合金型材搅拌摩擦焊在民用建筑工业的应用主要为：铝合金桥梁、装饰板、门窗框架、管线、热交换器等。电子工业对搅拌摩擦焊的兴趣也在增加，其应用主要表现为：发动机壳体、电器连接件、电器封装等，如图1-11、1-12所示。图1-11 FSW制造的铝合金散热器图1-12 输变电搅拌摩擦焊热沉器在其它工业领域，搅拌摩擦焊也有较多应用，例如冰箱冷却板、厨房电器和设备、“白色”家用物品和工具、天然器、液化气储箱和容器、家庭装饰等。随着人们对搅拌摩擦焊技术认识的提高，预计在不远的将来，铝合金、镁合金、锌合金、钛合金等轻金属材料的连接将主要由搅拌摩擦焊来完成，尤其在运载火箭、高速铝合金列车、铝合金高速快艇、全铝合金汽车等项目中搅拌摩擦焊技术将会占主导地位12。15 搅拌摩擦焊的发展前景由于搅拌摩擦焊焊缝组织好、接头力学性能优异，因而在许多工业领域获得了广泛应用。在航天工业中，搅拌摩擦焊工艺在飞行器铝合金结构制造中的推广应用，在国外已显示出强劲的技术创新活力，给传统制造工艺带来了革命性的改造。1998年美国波音公司的空间和防御实验室引进了搅拌摩擦焊技术，用于焊接某些火箭部件;麦道公司也把这种技术用于制造Delta运载火箭的推进剂贮箱21；NASA及格马公司正在评估该工艺用于连接2195A1Li合金的可行性。在造船和车辆工业，欧洲已有数家公司将该技术用于生产大型预制铝板。在设备开发和制造方面，挪威已建立了世界上第一个搅拌摩擦焊商业设备，可焊接厚315mm、尺寸616m2的Al船板; ESAB公司正在制造可供商业应用的搅拌摩擦焊机，计划安装在TWI，用来焊接尺寸为8 m5m的工件，预计可焊接的工件厚度为1.518 mm。从上述工业应用和设备开发实例可以看出，搅拌摩擦焊已经在航空、船舶、高速列车、汽车等制造领域的轻结构制造中显示出强劲的创新活力和广阔的应用前景，并得到了广泛应用。1995年英国焊接研究所（TWI）在中国申请了有关搅拌摩擦焊和搅拌头专利保护(专利号:ZL95192193.2)，并且在1999年得到了中国知识产权局的批准(批准号:51451)；在 2002年4月18日，北京航空制造工程研究所和英国焊接研究所在北京正式签署搅拌摩擦焊专利许可和技术合作协议，并且在双方合作成立了中国搅拌摩擦焊中心的基础上，注册成立了中国首家专业化的搅拌摩擦焊技术公司北京赛福斯特技术有限公司。北京赛福斯特技术有限公司负责中国搅拌摩擦焊中心在中国地区（包括：香港、澳门和台湾）的所有搅拌摩擦焊业务：主要从事搅拌摩擦焊技术的研究、FSW工程应用开发、FSW设备的制造和销售以及全权负责中国搅拌摩擦焊中心的FSW “二级许可权”的发放和管理。中国搅拌摩擦焊中心和专业化北京赛福斯特技术有限公司的成立，标志着搅拌摩擦焊技术的开发和工程应用研究工作在中国市场的正式开始，是新世纪中国焊接技术发展史上一块瞩目的里程碑。国内某些院校和研究所也开始了这方面的研究工作，有理由相信，搅拌摩擦焊技术在中国也有着应用前景。16 本论文的目的和意义通过对相关资料、文献的查找，获得相关资料，了解搅拌摩擦焊焊接原理及相关工艺，了解搅拌摩擦焊的应用范围，了解搅拌摩擦焊在焊接中的优势，了解搅拌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。参照搅拌摩擦焊工装设计相关资料，设计一台能焊接焊缝厚度为20mm，焊缝长度为600mm的搅拌摩擦焊实验用焊机。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。第二章搅拌摩擦焊焊机设计本章讲述搅拌摩擦焊焊机各重要部分的设计计算过程，包括总体设计规划、搅拌摩擦系统设计、伺服系统设计、电气控制设计。此搅拌摩擦焊焊机，搅拌摩擦头转速约6000r/min，焊接速度100600mm/min，最大加工焊缝厚度20mm，焊缝长度600mm，总功率约3千瓦，适合于普通厚度的铝及其合金的搅拌摩擦焊工艺实验研究。21 总体设计规划此焊机为单件生产，机体和机体中构件多采用A3钢焊接结构，以降低产品成本。根据一般要求，为方便使用者的操作，此焊机的工作台平面约离地面高1200mm，焊机总高度约1650mm，总长度约1000mm，工作台面长度约700mm，宽度约410mm，工作台上下移动约80mm，具体尺寸见零件图。机头高度约为200mm，搅拌轴中心距机体约300mm。工作台箱体总长约750mm，高度约450mm，并将伺服系统的电机以及减速机构放在工作台箱体里，使得此焊机有更好的外观。由于V带传递动力时有过载保护，所以，电机的输出均先通过V带传递，再传递到工作机上。液压系统推动工作台作垂直移动，液压缸放置于机箱箱体内，正前方开一个观察窗口，便于检测和维修。机体的后下方放置焊机的电气控制部分。上部分安装搅拌摩擦系统的动力电机，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。机体后面开上下两个观察窗口，分别为上方的搅拌系统电机和下面的电气控制部分进行检测和维修时使用。焊机的操作面板，在工作台箱体正面的左方，操作起来也很方便。左下方和右方为观察窗口，打开观察窗口的面板，便可以对里面的减速机构进行检测和维修。22 搅拌摩擦系统设计 221 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22，肩部直径为D=930mm，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2-1 焊针示意图图2-2 轴肩示意图表2-1 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mm2201019301040015814248240106918612055451545033289218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2-3 搅拌头夹具222 搅拌系统功率计算假设铝合金在焊接时的最高温升为600，对于20mm板，焊缝截面积约为400mm2,焊速约为100mm/min，由于热传递和热量损失，设能量利用率为50%，单位时间内焊缝温升部分体积为：400x100=40000mm3 ，能量计算公式为23 （2-1）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则功率为：选用2.2KW电机（Y100L14型，1430r/min，H=100，HD=245，伸出轴径D=28mm，长度L=60mm，键槽宽8mm）24搅拌摩擦焊焊机输入工件的总功率为22 （2-2）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）查得铝与钢的摩擦系数为0.1723 ，由式（2-2）、（2-3）得F=101N则搅拌头向前移动阻力为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2-2 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/min2040010110015240101133101201012005509035031890600223 搅拌系统V带设计图2-4名义功率：，转速约为6000r/min，要求传动比为i=4.1961选择V带型号计算功率PC由下式确定（2-4）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（2-4）计算得根据PC和n由图2-4选用Z型V带。表2-3 工作情况系数工作机原动机载荷性质机器举例普通鼠笼式交流电动机、同步电机、直流电动机（并激），n600r/min的内燃机。交流电动机（大转差率、双鼠笼式、单相、滑环式）、直流电动机（复激、串激）、单缸发动机，n600r/min的内燃机。一天运转时间（h）1010-16161010-1616载荷平稳液体搅拌机等101112111213载荷变动小机床等111213121314载荷变动较大木工机械等121314141516载荷变动很大破碎机等1314151516182确定带轮基准直径dd1、dd2。由图2-5可得（2-5）（2-6）（2-7）图2-5 V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应大于或等于表2-4所列最小基准直径dmin。若dd1过大，传动的外廓也将增大。由表2-4选择小轮直径为dd1=63mm，由式（2-5）得表2-4 V带轮最小基准直径dmin及基准直径系列 mmV带轮槽型YZABCDEdmin205075125200355500基准直径系列20 22.4 25 28 31.5 35.5 40 45 50 56 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2-4选择dd2=265mm实际传动比实际转速传动比偏差，小于5%，符合条件。3验算带速V0。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（2-8）由式（2-8）得带速在525m/s范围内，符合要求。4确定中心距a，V带基准长度Ld。（1）初选中心距a0。设计时对中心距有一定的要求，即大于436mm，根据得，初选a0为500mm,符合取值范围。（2）计算初定的带长Ld。由式（2-7）得（3）基准带长Ld。由表2-5选用Ld=1600mm, KL=1.16表2-5 普通Z型V带基准长度Ld系列及长度系数KLLd400450500560630710800KL0.870.890.910.940.960.991.00Ld900100011201250140016001800KL1.031.061.081.111.141.161.18（4）实际中心距a。实际中心距由下式确定（2-9）由式（2-9）得考虑安装和张紧V带的需要，留出40mm作为中心距距调整量。5核算小轮上包角1。由式（2-6）得6确定V带根数z。图2-6 普通Z型V带PO值（2-10）（2-11）表2-6 传动比系数Ki传动比i1.00-1.041.05-1.191.20-1.491.50-2.952.95Ki1.001.031.081.121.14表2-7 弯曲影响系数Kb普通V带型号YZABCDEKb(10-3)0.060.391.032.657.5026.649.8根据n1和n2由图2-6得，查表2-6得Ki=1.14，查表2-7得Kb=0.39x10-3，由式（2-11）得表2-8 包角系数小轮包角118001750170016501600155015001450K1.000.990.980.960.950.930.920.91查表2-8得K=0.93，由式（2-10）得选用Z型V带3根。7确定带的预拉力F0。预拉力是保证带传动正常工作和重要条件。预拉力不足，极限摩擦力减小，传动能力下降；预拉力过大，又会使带的寿命降低，轴和轴承的压力增大。表2-9 普通V带的规格型号YZABCDE每米带长质量q(Kg/m)0.040.060.100.170.300.600.87查表2-9得Z型V带的质量为单根普通V带合适的预拉力由下式确定（2-12）由式（2-12）得8计算带传动作用在轴上的力。（2-13）为设计安装带轮的轴和轴承，必须确定带传动作用在带轮轴上的力FQ。由式（2-13）得9带轮结构设计。（1）大V带轮设计。大V带轮结构按照表2-10进行设计。用M6X16的紧定螺钉与电机输出轴作轴向固定，8X50的键作周向固定。查表2-11得，键t=4.0mm，t1=3.3mm。C取1mm。表2-10 V带轮的结构和尽寸型号YZABCDEbp(mm)5.38.511.014.019.027.032.0b(mm)6101317223238h(mm)4.06.08.010.513.519.023.5400hc(mm)6.39.512.015.020.028.033.0hamin(min)1.62.02.753.54.88.19.6e(mm)812151925.53744.5f(mm)781012.5172329bd(mm)5.38.511.014.019.027.032.0(mm)55.567.5101215B(mm)B=(Z-1)e+2f (Z为V带根数)320dd60340801181903153606047560038088118190215475600具体尺寸见零件图。表2-11 平键 mm轴d键 bxh公称尺寸轴t毂t1682x221.218103x331.81.410124x442.51.812175x553.02.317226x663.52.822308x784.03.3303810x8105.03.3384412x8125.03.3445014x9145.53.8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，（2）小V带轮设计。图2-7 V带轮的结构及尺寸小V带轮结构按照图2-7再结合表2-10进行设计。用搅拌轴轴肩作轴向固定， 6X32的键作周向固定。查表2-11得，键的t=3.5mm，t1=2.8mm，C取1mm。具体尺寸见零件图。224 搅拌轴的设计1选择轴的材料。搅拌摩擦焊机的功率（P=1.95KW）不大，又无特殊要求，故选用常用的45号钢并作正火处理。由表2-12查得。表2-12 轴的常用材料及其主要机械性能材料牌号热处理毛坯直径mm硬度HBS强度极限屈服极限弯曲疲劳极限剪切疲劳极限备注45正火调质100200170-217217-255600650300350275300140155应用最为广泛2按转矩估算轴的最小直径。对于一般的传动轴，可按下式计算轴的最直径（2-14）查表2-13得C=118-107，由式（2-14）得计算所得是最小处的轴径，取d=20mm，前端留出M16X25作为V带轮的轴向固定。表2-13 按转矩计算轴用的t和C值轴的材料Q23535，Q2754540Cr,35SiMnt N/mm212-2020-3030-4040-52C160-135135-118118-107107-983轴的结构设计（2-8a）。图2-8d1=16mm，L1=25mm大V带轮外端用螺母固定，选用M16螺母（GB6170-86），并加弹簧垫片（GB93-87）d2=20mm，L2=38mm，此段用于装小V带轮，为了轴向定位，故长度比小V带轮的宽度B减少了2mm此处开键槽以作小V带轮的周向定位，查表2-11得，选取键的尺寸为6x32， t=3.5mm, t1=2.8mm表2-14 圆锥滚子轴承（GB/T2971994）轴承代号尺寸/mm极限转速r/mindDTBC脂润滑油润滑30203174013.25121190001200030204204715.25141280001000030205255216.2515137000900030206306217.2516146000750030207357218.2517155300670030208408019.25181650006300d3=25mm, L3=40mmd4=30mm, L4=16mm，用于安装30206轴承，查表2-14得30206轴承宽度为16mmd5=36mm, L5=150mmd6=30mm，L6=16mm，用于安装30206轴承d7=25mm，L7=45mmd8=20mm，L8=20mm，用于安装搅拌头夹具轴的总长为350mm30206轴承用1号二硫化钼锂基脂进行润滑，由表2-14查得，符合6000r/min转速的要求。4轴上受力分析。V带对轴的作用力为，搅拌摩擦头对轴的作用力为，轴向力，则：水平面解得垂直面解得则表2-15 圆锥滚子轴承的基本额定动载荷C和基本额定静载荷C0 KN轴承型号CC0eYY0X3020425.018.00.351.71.00.403020530.023.00.371.60.93020639.029.50.371.60.93020749.037.00.371.60.93020855.041.50.371.60.93020959.046.00.401.50.83021066.053.50.421.40.8查表2-15得e=0.37，Y=1.6，X=0.40表2-16 角接触型轴承派生轴向力S角接触球轴承圆锥滚子轴承C型（=150）AC型（=250）B型（=400）S=eRS=0.68RS=1.14RS=R/(2Y)由表2-16得，轴有沿方向移动的趋势，轴承1被“压紧”，轴承2被“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轴受力的大小及方向如图（2-8b）所示。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（2-15）其中当量动载荷P的计算公式为（2-16）表2-17 动载荷系数KP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KP1.01.21.21.81.83.0查表2-17得，由式（2-16）得查表2-15得C=39.0KN，由式（2-15）得5绘制弯矩图。水平面弯矩图（图2-8c）截面b：垂直面弯矩图（图2-8d）截面a： 6绘制扭矩图（图2-8e）。表2-18 轴的许用弯曲应力 N/mm2材料S+1b0b-1b碳素钢40013070405001707545600200955570023011065合金钢80027013075100033015090又根据B=600N/mm2,查表2-18得-1b=55N/mm2, 0b=95N/mm2,故7绘制当量弯矩图（图2-8f）。截面a：截面b：8分别计算a和b处的直径。截面a虽有键槽削弱，但结构设计确定的直径已达到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。23 伺服系统设计要求工作台面能左右运动，故选择直流伺服电机作为伺服系统的动力源，经V带齿轮减速机构后传递给丝杠，由丝杠带动工作台面板做左右运动，并选用LX211-1型25行程控制开关，安装在工作台箱体内的左右两侧。工作台上下运动靠液压缸推动与工作台相连的液压杆来实现。231 伺服系统功率计算由零件图可知道，工作台上面板的体积为3444000mm3，下面板的体积为3601500mm3，A3钢的密度23=7800kg/m3，工作台面板的质量为所以工作面板的重力为工件及其附加结构（工件夹具）共计50kg，其重力为搅拌头对工件的压力为101N，故工作台面向下的总压力为钢与钢在有润滑剂时的摩擦系数23f=0.050.1，得工作台与工作面板间的滑动摩擦力为由于发生热塑性变形的金属对搅拌头的也有一定阻力，同时为了防止工作台面锁死不动，故将伺服系统的推力增加约一倍，即可提供200N左右的力。工作台移动的最大速度约为720mm/min，因此，丝杠传动系统传递的功率为查得丝杠传动的效率为因此，伺服电机的功率约为选用355W直流伺服电机（型号：130SZ02，最大转速：1500r/min，220V直流电源，外伸轴径D=14mm，长度L=22mm，键槽宽4mm，中心高H=75mm，总高HD=143mm，总量不大于11.8Kg）25。平均传动功率为250W。初选传动丝杠的梯形螺纹螺距为3mm，则丝杠最大转速，减速机构的减速比为：初步传动比分配为 232 伺服系统V带设计名义功率：，转速约为1500r/min，要求传动比为i=1.56251选择V带型号查表2-3查工作情况系数，由式（2-4）计算得根据PC和n由图2-4选用Z型V带。2确定带轮基准直径dd1、dd2。小带轮直径dd1宜选大些，可以减小V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应大于或等于表2-4所列最小基准直径dmin。若dd1过大，传动的外廓也将增大，不方便将此结构装入工作台箱体内。由表2-4选择小轮直径为dd1=63mm，由式（2-5）得由表2-4选择dd2=95mm实际传动比则齿轮传动比实际转速 3验算带速V0。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。由式（2-8）得带速接近5m/s，符合要求。4确定中心距a，V带基准长度Ld。（1）初选中心距a0。要把此结构装入工作台箱体内，故中心距不能太大。根据得，初选a0为200mm,符合取值范围。（2）计算初定的带长Ld。由式（2-7）得（3）基准带长Ld。由表2-5选用Ld=630mm, KL=0.96（4）实际中心距a。由式（2-9）得5核算小轮上包角1。由式（2-6）得6确定V带根数z。由n1和n2由图2-6得，查表2-6得Ki=1.12，查表2-7得Kb=0.39x10-3，由式（2-11）得查表2-8得K=0.98，由式（2-10）得选用Z型V带1根。7确定带的预拉力F0。预拉力是保证带传动正常工作和重要条件。预拉力不足，极限摩擦力减小，传动能力下降；预拉力过大，又会使带的寿命降低，轴和轴承的压力增大。查表2-9得Z型V带的质量为由式（2-12）得8计算带传动作用在轴上的力。为设计安装带轮的轴和轴承，必须确定带传动作用在带轮轴上的力FQ。由式（2-13）得9带轮结构设计。（1）大V带轮设计。大V带轮结构按照表2-10进行设计。初步取d=16mm，利用轴肩作轴向固定， 5X22的键作周向固定。查表2-11得，键t=3.0mm，t1=2.3mm。C取1mm。具体尺寸见零件图。（2）小V带轮设计。小V带轮结构按照图2-7再结合表2-10进行设计。用M1.6X8的紧定螺钉与伺服电机输出轴作轴向固定，4X14的键作周向固定。查表2-11得，键的t=3.5mm，t1=2.8mm，C取1mm。具体尺寸见零件图。233 伺服系统齿轮传动设计传递功率，转速，则齿数比。1选择齿轮材料。表2-19 常用齿轮材料类别牌号热处理齿面硬度普通碳素钢Q275正火约140170HBS优质碳素钢35正火150180HBS调质190230HBS45正火170210HBS调质217255HBS表面淬火4348HRC传动无特殊要求，为了便于制造，采用软齿面齿轮，查表2-19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按齿面接触强度设计。一对钢制外啮合齿轮设计公式为（2-17）（1）计算小齿轮传递的转矩。（2）选择小齿轮齿数，大齿轮齿数，取，则实际传动比为传动比误差为（3）转速不高，功率不大，选择齿轮精度为8级。（4）载荷平稳，非对称布局，轴的钢度较大，查表2-20取K=1.5。表2-20 载荷综合系数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原动机均匀平稳1.21.31.21.51.51.61.51.91.81.91.92.2轻微振动1.31.41.41.71.61.81.721.92.122.4中等振动1.51.61.61.91.92.11.92.22.12.32.22.6表2-21 齿宽系数齿轮相对于轴承的位置齿面硬度软齿面硬齿面对称0.81.40.40.9非对称布置0.61.20.30.6（5）查表2-21取齿宽系数。（6）确定许用接触应力a) 碳钢正火b) 调质图 2-9由图2-9查得查表2-22得表2-22 最小安全系数SHmin和SHmin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（2-18）由式（2-18）得所以（7）计算小齿轮分度圆直径。由式（2-17）得（8）计算模数。查表2-23取m=2。表2-23 渐开线圆柱齿轮标准模数（GB135787） mm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 1.251.5 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（9）计算齿轮主要尺寸及圆周速度。表2-24 传递动力的齿轮精度（公差组）等级的选择与应用精度等级圆周速度（m/s）应用圆柱齿轮锥齿轮直齿斜齿直齿斜齿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分度圆直径中心距齿轮宽度，取圆周速度查表2-24可知能用8级精度。因齿轮圆周速度不大，故用1号二硫化钼锂基脂进行润滑。3校核齿根弯曲强度。校核齿根弯曲强度用以下公式（2-19）图2-10（1）复合齿形系数根据由表2-10查得，（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，此时可按下式计算 (2-20)由图2-11查得，a) 碳钢正火b) 调质图2-11查表2-22得，由式（2-20）得（3）式中已知，（4）校核计算。由式（2-19）得校核计算安全。4结构设计。（1）大齿轮设计。大齿轮按照表2-25进行设计。初步取d=27mm，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2-25 圆柱齿轮结构及尺寸n1根据过渡圆半径确定具体尺寸见零件图。（2）小齿轮轴设计。小齿轮按表2-25进行设计。，将此齿轮设计成齿轮轴选择齿轮轴材料。伺服系统的功率不大，又无特殊要求，故选用与设计小齿轮时相同的材料， 45钢并作调质处理，查表2-12查得。按转矩估算轴的最小直径。查表2-13得C=118-107，由式（2-14）得计算所得是最小处的轴径，取d=16mm（与大V带轮内径相同），前端留出M12X15作为V带轮的轴向固定。轴的结构设计（图2-12）。图2-12初选齿轮轴所用轴承为6205深沟球轴承。d1=25mm，L1=17mm，用于安装6205轴承，查表2-26得6205轴承宽度为15mmd2=30mm，L2=10.5mmd3=42mm, L3=35mm，此处为齿轮所在地方，尺寸按齿轮进行设计表2-26 深沟球轴承（GB27689）轴承代号尺寸/mm安装尺寸mm极限转速r/mindDBD1D2脂润滑油润滑2042047142542140001800020525521530471200016000206306216365695001300020735721742658500110002084080184872800010000209458519527870009000d4=30mm, L4=10.5mmd5=25mm, L5=15mm，用于安装6205轴承d6=20mm，L6=40mmd7=16mm，L7=22mm，此段用于装大V带轮，为了轴向定位，故长度比大V带轮的宽度B减少了2mm此处开键槽以作大V带轮的周向定位，查表2-11得，选取键的尺寸为5x22， t=3.0mm, t1=2.3mmd8=12mm，L8=15mm，大V带轮外端用螺母固定，选用M12螺母（GB6170-86），并加弹簧垫片（GB93-87）轴的总长为171mm。6205轴承用1号二硫化钼锂基脂进行润滑。具体尺寸见零件图。234 伺服系统传动丝杠设计丝杠传动的输出功率为150W左右，输入功率为275W左右，传动效率0.55，因工作台平时正常运动所需的功率不到100W，即使丝杠传动效率有所下降，工作台也能照样正常运行。工作台箱体内腔长度为676mm，丝杠传动功率不大，转速低，且受径向力很小（仅齿轮对轴有径向作用力），用1号二硫化钼锂基脂对丝杠进行润滑。丝杠两端选用6205轴承，6205轴承用1号二硫化钼锂基脂进行润滑。查表6-26得6205轴承的宽度为15mm，轴承安装时离箱体内腔外边沿3mm，丝杠两端为2X450的倒角，因此，丝杠总长为L=716mm。1选择丝杠材料。此伺服系统的功率均不大，故选用常用的45号钢并作正火处理。2确定丝杠的最小直径。对于一般的传动丝杠，可按下式计算其最直径（2-21）式中：Q轴向载荷（N） d2螺纹中径（mm） P许用压强（N/mm2），表2-27 螺旋传动副的许用压强P N/mm2螺杆螺母材料钢对铸铁钢对青铜淬火钢对青铜许用压强PV12m/min477101013低速，如人力驱动10181525为使受力分布比较均匀，螺纹工作圈数不宜太多，一般取，梯形螺纹。已知，查表2-27取P=4 N/mm2，由式（2-21）得丝杠两端用的6205轴承，为方便安装，故取丝杠螺纹大径为d=36mm，H=30mm3丝杠的结构设计（图2-13）。图2-13d1=25mm，L1=17mm，用于安装6205轴承，查表2-26得6205轴承宽度为15mmd2=30mm，L2=5mm，符合6205轴承的安装要求d3=36mm, L3=634mm，丝杠的梯形螺纹d4=27mm, L4=28mm，此段用于安装大齿轮，为了齿轮的轴向定位，故长度比大齿轮的宽度减少了2mm此处开键槽以作大齿轮的周向定位，查表2-11得，选取键的尺寸为8x22， t=4.0mm, t1=3.3mmd5=25mm, L5=32mm，用于安装6205轴承，用套筒作轴承轴向定位具体结构见零件图。4丝杠螺母的设计（图2-14）。图2-14丝杠螺母的外径为50mm，上方开一个M8的铰制螺纹孔，用传动连杆与工作台面板相连，从而带动工作台运动。丝杠螺母侧面开一个M4的铰制螺纹孔，用于连接行程控制连杆，从而控制工作台面板的行程。具体结构见零件图。235 伺服系统液压传动器件选择1液压系统推力计算。已知工作台面板及其工件总重量约为100Kg（前面已经计算），伺服电机重量约为12Kg，工作台箱体重量大约为140Kg（此处大约计算工作台箱体的重量，将工作台箱体上开的观察窗口全部去掉，忽略里面的丝杠以及V带轮、齿轮等），搅拌头对工件的压力为101N，故液压系统的压力大约为2液压缸选择。（1）选择液压推杆的直径。普通通用液压缸的压力等级为16MPa26-28，故液压缸内径为（2）选择液压缸标准件。设备对液压传动系统无特殊要求，故选用通用的标准液压缸，采用尾部法兰安装，杆端不带耳环，行程为80mm，型号为Y-HG1-E40/22X80LF2HL1OT1，并选用与其配套的液压泵，选用一个特殊液压控制阀。24 电气控制设计241 电气控制设计原则为方便用户操作，此搅拌摩擦焊焊机的操作控制面板设计在工作台箱体正前面的左方，其电气控制箱放置于机体的后下方，分别在机体上开有窗口进行观察和维修。此焊机只要求工作台做两方向的运动（上下和左右），在工作台调整控制系统中，要求能对工作台的上下及左右位置进行调节。同时，利用行程控制开关对工作台的左右移动进行限位，以防止工作台移动过量而损坏机器。在启动焊机进行焊接时，搅拌摩擦头高速旋转着缓慢地向工件中“钻”进去，在液压传动系统中要求有压力传感器，此传感器有压力差值调节与控制功能，改变此差值的大小并在控制面板中显示出来，从而实现对焊接压力大小的调整。通过直流调压系统对伺服电机转速进行调节，从而调节焊接速度。此直流调压系统有两个输出电压，一个为可调值，一个为定值（最大值），通过电压转速转换后在控制面板上直接显示出焊接速度。对工作台进行调整的控制中，伺服电机采用最大转速（接直流调压系统的定值端），以减少调整工作台的时间。在调整工作台时上升和下降的速度都较快，在焊机工作时上升很慢，以使得焊接压力值更准确，因此，使工作台上升的液压缸的液压控制阀要求有三个控制开关（一个使工作台快速上升，一个使工作台缓慢上升，另外一个使工作台快速下降）。同时，调整工作台的控制部分与焊接控制部分具有互锁功能，以防止操作不当造成事故。电气控制面板示意图如图2-15所示。图2-15 控制面板示意图242 电气控制系统原理图主电路如图2-16所示，控制电路如图2-17所示。A、B、C为三相交流电，O为中线，、为外部电路控制总开关，右边电路中为通过直流调压系统出来的直流电，供伺服

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