双搅拌轴搅拌摩擦焊焊机设计开题报告

浙江理工大学本科毕业设计（论文）开题报告班 级机械设计制造及其自动化09(4)班姓 名陈伟杰课题名称双搅拌轴搅拌摩擦焊机设计开题报告（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2 国内外研究现状和发展趋势2.1 搅拌摩擦焊的发展历史及研究成果2.2 国内搅拌轴摩擦焊的发展及应用2.3 搅拌摩擦焊中双搅拌轴搅拌摩擦焊目前的应用情况和前景3 研究的基本内容与拟解决的主要问题3.1 基本内容3.2 待解决的主要问题4 研究方案、可行性分析及预期研究成果5 研究工作计划（进度安排）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 日双搅拌轴搅拌摩擦焊机设计 陈伟杰(机械设计制造及其自动化09(4)班 B09300405)1 选题的背景与意义 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1。 双搅拌轴摩擦焊缝技术作为搅拌摩擦焊的新型搅拌技术，它具有以下优势：（1）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（2）可以确保在较小的扭矩下实现材料的可靠连接。这些优点可以使得双搅拌轴摩擦焊缝技术将搅拌摩擦焊的发展空间得到进一步的拓展，将推动制造业更快更好地发展，同时也必将拥有更广阔的市场，在不久的将来必将迎来快速的发展和应用的高峰。2 国内外搅拌摩擦焊的发展状况及研究成果2.1 搅拌摩擦焊的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2。 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。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。（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3。（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。（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5。2.2 国内搅拌轴摩擦焊的术发展发展应用 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6。 采用搅拌摩擦焊焊接的铝合金材壁机 图（1） 图（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7。 上图（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。2.3搅拌摩擦焊缝中双搅拌轴搅拌摩擦焊目前的应用情况和前景（1） 双搅拌轴摩擦焊的工作原理 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，形成致密固相连接接头。 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8。 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厚的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厚的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。 由此，在接下来的几年内，双搅拌轴摩擦焊缝技术将会得到越来越广泛的应用于各个领域。3 研究的基本内容与拟解决的主要问题3.1 基本内容在接下来的时间里，我将会通过ProE、CAD等软件画出双搅拌轴搅拌摩擦焊中的双搅拌轴部分的二维图和三维模型并结合ProE的仿真功能初步的做出其工作原理的仿真。其中涉及到的工作包括以下几个方面。1） 掌握双搅拌轴的工艺要求；2） 建立机构运动的数学模型；3） 确定合理的参数，得到机构的大致轮廓；4） 根据获得的参数在ProE中设计机构的结构，包括零部件和装配体，对关键的搅拌轴运动部分进行有限元分析，并在ProE中进行仿真；5） 设计完整体装配后，进行二维加工图纸绘制。 图（3）为一个电机带动的双搅拌轴的三维装配图3.2 拟解决的主要问题 搅拌摩擦焊在国内外都已经被工业化的应用于航天航空、汽车制造等工业领域，因此单轴的搅拌摩擦焊设备在这些工业领域已经随处可见。但是，双搅拌摩擦焊设备在国内还是比较少见，也还没有被大范围的使用，因此，我的主要待解决的问题就是设计出一个传动系统可以由一个电机来同时带动两个搅拌轴和如何将该机构于搅拌摩擦设备相配套使用。4 研究方案、可行性分析及预期研究成果本课题以双搅拌轴搅拌摩擦焊机为对象，根据工艺要求，以双搅拌轴为分析的主体，在分析符合的参数后，确定双搅拌轴的内部机构和参数。从而，进一步的确定双搅拌轴的工作过程。4.1 研究方案双搅拌轴的内部机构的三维效果如图（3）所示，一个电机通过齿轮传动带动左右两个搅拌轴一起转动，两个搅拌轴由于通过齿轮传动，朝相反的方向转动。进而使得这两个搅拌轴可以同步加工，可以大大提高生产效率。当然这样的机构也可以成直线排列，用于提高焊接质量。4.2 可行性分析 该机构主要是通过齿轮传动将两个搅拌轴联系在一起，有一个电机带动同步转动。因此，从工艺的角度看，这样的机构比较简单，容易实现。而且，这样的机构在其他的领域也被广泛的应用，它只是运用了齿轮的传动。目前TWI已经发明了直线排列的双搅拌轴。4.3 预期研究成果本课题主要研究的是双搅拌轴的内部结构设计，只要掌握机构设计的一般流程，完成的机构的设计计算（该机构有一定的通用性），确定零件的参数，绘制机构图纸。最终研制一种可以完成搅拌摩擦焊过程的部件。5 研究工作计划（进度安排）起止时间内容2012年11月上旬下达毕业论文任务2012年11月20日完成中外文资料收集2012年12月12日完成外文翻译、文献综述2012年12月31日完成开题报告2013年1月15日完成开题答辩2013年2月中旬应用proe进行可行性分析2013年2月下旬初步运用proe仿真2013年3月中旬完成二维工程图纸的设计2013年3月下旬完成三维零部件设计并装配，努力实现仿真2013年4月15日完成论文初稿2013年4月30日完成实习报告2013年5月上旬部分论文提前答辩2013年5月中旬完成论文定稿2013年5月下旬完成论文答辩2013年6月（离校前）论文修改（优秀论文压缩为规定字数），交纸质和电子稿参考文献1 中国机床商务网 /Tech_news/Detail/3970.html2鄢东洋.史清宇.吴爱萍.Juerqen Silvanus 搅拌摩擦焊应力变形有限元模拟的研究进展期刊论文-焊接 2009(1)3李光.李从卿.栾国红.董春林薄壁铝合金搅拌摩擦焊焊接应力变形与控制期刊论文-焊接 2009(1)4张友寿.何建军.谢志强.蒋蔚翔搅拌摩擦焊接技术基础及其工程应用期刊论文-材料导报 2008(1)5董春林 栾国红 搅拌摩擦焊在中国应用发展现状概述-北京航空制造工程研究所6栾国红;柴鹏;孙成斌钛合金的搅拌摩擦焊探索期刊论文-焊接学报 2005(11)7柯黎明 搅拌摩擦焊工艺及其应用期刊论文-工艺与新技术 2000(02)8关桥轻金属材料结构制造中的搅拌摩擦焊技术与焊接变形控制期刊论文-航空科学技术 2005(04)9J. J. Vagi, R. P. Meister, and M. D. Randall, DMIC Report 244, Defense Metals Information Center, Battelle Memorial Institute, August 1968. 10Terry Khaled, Ph.D. USA AN O