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C型搅拌摩擦焊机机械结构设计,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）南 昌 航 空 大 学 科 技 学 院 毕 业 设 计 论 文C型搅拌摩擦焊机机械结构设计前言一项新兴额金属加工技术自方法发明、原理验证、技术改进到工业化推广应用一般要经历几十年甚至更长的时间。焊接技术也是一样，如钎焊、电弧焊、激光焊、电子束焊等都精力了类似的过程。但是搅拌焊不同，1991年英国焊接研究所（The welding Institute-TWI）发明了搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding，简称FSW)，伺候搅拌摩擦焊以任何一种焊接方法无可比拟的发展速度，迅速走出实验室，在国际工业制造领域（船舶、轨道列车、航空、航天、汽车、兵器电子电力等）得到大规模工程化应用。作为一项创新的固相连接方法，搅拌摩擦焊正在大步取代传统铝合金焊接方法，在铝合金结构制造及铝型材加工领域，迎来革命性的跨时代发展。1. 搅拌摩擦焊简介1.1搅拌摩擦焊概述FSW 是一种固体连接工艺。在该工艺中，带仿形细杆的割肩刀具插入材料两工件间的结合线中，在抗磨细杆和两工件之间产生摩擦热，将其相互对接在一起，并将抗磨细杆固定在托杆上。热量导致材料软化，没有达到熔点，使抗磨细杆能沿着接头移动。象这样，工具向前动动，材料被在旋转细杆前面的摩擦热增塑，并传递到背面，在这里，压实并冷却，形成固态焊缝。（图11）（图12）（图13）焊接质量使用搅拌摩擦焊接，可得到与熔焊相似的、极好的焊接质量。固相焊缝的压实、颤动和锻压作用，形成的焊缝有比基体材料更细密的显微组织。这些焊缝抗拉强度可达到基体材料的90%，且疲劳性能与基体材料相似，而具有代表性的熔焊接头疲劳性能只能达到基体材料的60%。搅拌摩擦焊接也可用于全位置（横、立、仰焊和轨迹焊）。因为是固态焊接工艺，对人没有危险性的影响。搅拌摩擦焊机可买到下列组合的设备：多轴式、移动式龙门架、手提式和机器人。适合于搅拌摩擦焊接接头的几何形状有：a 平板对接b 对接和搭接组合c 单层搭接d 多层搭接e 三件T形对接f 两件T形对接g 边缘对接h 可以接受的拐角焊缝（图14ah）（图15搅拌摩擦焊的工作情况）（图16由搅拌摩擦焊焊接的管类零件）1.2搅拌摩擦焊的特点介绍1991年搅拌摩擦焊技术由英国焊接研究所(The Welding Institute, TWI)发明，作为一种固相连接手段，它克服了以往熔焊的诸如气孔、裂纹、变形等缺点，更使得以往通过传统熔焊手段无法实现焊接的材料可以采用FSW实现焊接，被誉为“继激光焊后又一革命性的焊接技术”。FSW主要由搅拌头的摩擦热和机械挤压的联合作用下形成接头，其主要原理和特点如下：焊接时，欲搭接或者对接的工件相对放置在垫板上，为了防止在施焊时工件被搅拌头推开，应加以约束。施焊工具主要是搅拌头。焊接时旋转的搅拌头缓缓进入焊缝，在与工件表面接触时通过摩擦生热使得该处金属软化，在顶压力的作用下，指棒进入到工件内部，在高速旋转下使得搅拌头周围的一层金属塑性化。同时，在肩轴端面的包拢下搅拌头沿焊接方向移动形成焊缝。焊缝的深度由指棒的插入深度决定。在焊接过程中主要的产热体是指棒和轴肩。在焊接薄板时，轴肩和工件的摩擦是主要的热量来源。作为一种固相连接手段，搅拌摩擦焊除了可以焊接用普通熔焊方法难以焊接的材料外（例如可以实现用熔焊难以保证质量的裂纹敏感性强的7000、2000系列铝合金的高质量连接），FSW还具有以下优点： 温度低，所以变形小（即使是长焊缝也是如此）； 接头机械性能好(包括疲劳、拉伸、弯曲)，不产生类似熔焊接头的铸造组织缺陷，并且其组 织由于塑性流动而细化。 与其它焊接方法相比，焊接变形小，调整、返修频率低，某航空发动机FSW的缺陷发生率低，传统熔焊时每焊接8.4m，产生一个缺陷，而FSW时在焊接长度为76.2m时，才仅出现一个缺陷。由此可以使成本降低60%。 焊前及焊后处理简单，焊接过程中的摩擦和搅拌可以有效去除焊件表面氧化膜及附着杂质。而且焊接过程中不需要保护气体、焊条及焊料。 能够进行全位置的焊接； 适应性好，效率高； 操作简单； 焊接过程中无烟尘、辐射、飞溅、噪音及弧光等有害物质产生，是一种环保型工艺方法。 尤其值得指出的是，搅拌摩擦焊所具有适合于自动化和机器人操作的优点，诸如：不需要填丝、保护气（对于铝合金）、可以允许有薄的氧化膜、对于批量生产，不需要进行打磨、刮擦之类的表面处理非损耗的工具头、一个典型的工具头就可以用来焊接6000系列的铝合金达1000米等.2.C型搅拌摩擦焊机机械结构设计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。2.1（一）X-Y平台设计：2.1.1X-Y平台外形尺寸及重量估算Y向拖板（上拖板）尺寸：长宽高：90060055重量：按重量体积材料比重估算；X向拖板（下拖板）尺寸：177170055重量：；导轨及滑块重量查表得：38.64kg380N；夹具及工件重量：约160N；步进电动机：15.8N;底座：142790055重量5.51N；X-Y平台总重量：约1.372N。搅拌头向下的压力及行走抗力的计算：（略）压力p690N，行走抗力=224N。2.1.2.平台导轨选用直线导轨型号BRHxxB & BRHxxBL图21经计算，选用BRH30B型直线导轨。62- -2.1.3滚珠丝杠的设计计算滚珠丝杠的负荷包括摩擦力及焊接行走抗力。（1）最大动负荷Q的计算查表得系数2，1，寿命值L=查表得使用寿命时间T1500h，初选丝杠螺距t=5mm，的丝杠转速所以LY向丝杠牵引力：X向丝杠牵引力：所以最大动负荷Y向X向查表，取滚珠丝杠公称直径，选用滚珠丝杠螺母副的型号为LL205-2.5-E左（两只），其额定动载荷为8630N，足够用。（2）滚珠丝杠副的几何参数计算见下表：表23名称符号计算公式和结果（mm）螺纹滚道公称直径20螺距t5接触角钢球直径d3.175螺纹滚道法面半径RR=0.52 d=1.615偏心距e螺纹升角=arctg=螺杆螺纹外径dD=(0.20.25) d=19.302螺纹内径dd=2e2R=16.79螺杆接触直径dddcos=17.76螺母螺母螺纹外径DD=2e2R23.21螺母内径（外循环）DD+(0.20.25) d20.7（3）传动效率计算式中：摩擦角；丝杠螺纹升角。（4）刚度计算X向牵引力大，故应用X向参数计算，P=335(N)，=0.5(cm)，E=20.610(N/cm)(材料为钢)F=3.14=2.213 (cm)丝杠因受扭矩而引起的导程变化量很小，可以忽略。所以导程误差查表知E级精度的丝杠允许误差为15，故刚度足够。（5）稳定性验算由于丝杠两端采用止推轴承，故不需要稳定性验算。2.1.4步进电机的选用（1）步进电机的步距角取系统脉冲当量0.01mm/step，初选步进电机步距角。（2）步进电机起动力矩的计算设步进电机等效负载力矩为T，负载力为P，根据能量守恒原理，电机所做的功与负载力做的功有如下关系式中：P电机转角；S移动部件的相应位移；机械传动效率若取，则S，且，所以式中：移动部件负载（N）；G移动部件重量（N）；与重力方向一致的作用在移动部件上的负载力（N）；导轨摩擦系数；步进电机步距角（rad）；T电机轴负载力矩（）。取0.03（淬火钢珠导轨的摩擦系数），0.96，为丝杠牵引力，335N。考虑到重力的影响，X向电机负载较大，因此取G=7690N，所以若不考虑启动时运动部件惯性的影响，则起动力矩安全系数为0.3，则（Ncm）（3）步进电机的最高效率查表选两个型步进电动机。电机的有关参数见表24。2.1.5 X-Y平台传动齿轮的设计一、确定齿轮传动比因为步进电机步距角，滚珠丝杠螺距t=5mm，要实现脉冲当量0.01mm/step，在传动系统中应加一对齿轮降速传动。传动比一、涉及公式： d=mZ, =d+2m，=d-21.25m，b=(36)m，a=.二、设计参数传递功率 P=0.30160 (kW)传递转矩 T=119.99910 (N.m)齿轮1转速 n1=24 (r/min)齿轮2转速 n2=50.00000 (r/min)传动比 i=0.48000原动机载荷特性 SF=均匀平稳工作机载荷特性 WF=均匀平稳预定寿命 H=10000 (小时)三、布置与结构结构形式 ConS=闭式齿轮1布置形式 ConS1=对称布置齿轮2布置形式 ConS2=对称布置四、材料及热处理齿面啮合类型 GFace=硬齿面热处理质量级别 Q=ML齿轮1材料及热处理 Met1=45齿轮1硬度取值范围 HBSP1=45-50齿轮1硬度 HBS1=48齿轮1材料类别 MetN1=0齿轮1极限应力类别 MetType1=11齿轮2材料及热处理 Met2=45齿轮2硬度取值范围 HBSP2=45-50齿轮2硬度 HBS2=48齿轮2材料类别 MetN2=0齿轮2极限应力类别 MetType2=11五、齿轮精度齿轮1第组精度 JD11=7齿轮1第组精度 JD12=7齿轮1第组精度 JD13=7齿轮1齿厚上偏差 JDU1=F齿轮1齿厚下偏差 JDD1=L齿轮2第组精度 JD21=7齿轮2第组精度 JD22=7齿轮2第组精度 JD23=7齿轮2齿厚上偏差 JDU2=F齿轮2齿厚下偏差 JDD2=L六、齿轮基本参数模数(法面模数) Mn=2端面模数 Mt=2.00000螺旋角 =0.0000000 (度)基圆柱螺旋角 b=0.0000000 (度)齿轮1齿数 Z1=50齿轮1变位系数 X1=0.00000齿轮1齿宽 B1=14.58319 (mm)齿轮1齿宽系数 d1=0.29166齿轮2齿数 Z2=24齿轮2变位系数 X2=0.00000齿轮2齿宽 B2=14.58319 (mm)齿轮2齿宽系数 d2=0.60763总变位系数 Xsum=0.00000标准中心距 A0=74.00000 (mm)实际中心距 A=74.00000 (mm)齿数比 U=0.48000端面重合度 =1.67829纵向重合度 =0.00000总重合度 =1.67829齿轮1分度圆直径 d1=100.00000 (mm)齿轮1齿顶圆直径 da1=104.00000 (mm)齿轮1齿根圆直径 df1=95.00000 (mm)齿轮1齿顶高 ha1=2.00000 (mm)齿轮1齿根高 hf1=2.50000 (mm)齿轮1全齿高 h1=4.50000 (mm)齿轮1齿顶压力角 at1=25.371225 (度)齿轮2分度圆直径 d2=48.00000 (mm)齿轮2齿顶圆直径 da2=52.00000 (mm)齿轮2齿根圆直径 df2=43.00000 (mm)齿轮2齿顶高 ha2=2.00000 (mm)齿轮2齿根高 hf2=2.50000 (mm)齿轮2全齿高 h2=4.50000 (mm)齿轮2齿顶压力角 at2=29.841119 (度)齿轮1分度圆弦齿厚 sh1=3.14108 (mm)齿轮1分度圆弦齿高 hh1=2.02467 (mm)齿轮1固定弦齿厚 sch1=2.77410 (mm)齿轮1固定弦齿高 hch1=1.49511 (mm)齿轮1公法线跨齿数 K1=6齿轮1公法线长度 Wk1=33.87400 (mm)齿轮2分度圆弦齿厚 sh2=3.13935 (mm)齿轮2分度圆弦齿高 hh2=2.05139 (mm)齿轮2固定弦齿厚 sch2=2.77410 (mm)齿轮2固定弦齿高 hch2=1.49511 (mm)齿轮2公法线跨齿数 K2=3齿轮2公法线长度 Wk2=15.43292 (mm)齿顶高系数 ha*=1.00顶隙系数 c*=0.25压力角 *=20 (度)端面齿顶高系数 ha*t=1.00000端面顶隙系数 c*t=0.25000端面压力角 *t=20.0000000 (度)七、检查项目参数齿轮1齿距累积公差 Fp1=0.05349齿轮1齿圈径向跳动公差 Fr1=0.03940齿轮1公法线长度变动公差 Fw1=0.03160齿轮1齿距极限偏差 fpt()1=0.01525齿轮1齿形公差 ff1=0.01125齿轮1一齿切向综合公差 fi1=0.01590齿轮1一齿径向综合公差 fi1=0.02163齿轮1齿向公差 F1=0.01107齿轮1切向综合公差 Fi1=0.06474齿轮1径向综合公差 Fi1=0.05516齿轮1基节极限偏差 fpb()1=0.01433齿轮1螺旋线波度公差 ff1=0.01590齿轮1轴向齿距极限偏差 Fpx()1=0.01107齿轮1齿向公差 Fb1=0.01107齿轮1x方向轴向平行度公差 fx1=0.01107齿轮1y方向轴向平行度公差 fy1=0.00554齿轮1齿厚上偏差 Eup1=-0.06100齿轮1齿厚下偏差 Edn1=-0.24400齿轮2齿距累积公差 Fp2=0.03983齿轮2齿圈径向跳动公差 Fr2=0.03338齿轮2公法线长度变动公差 Fw2=0.02785齿轮2齿距极限偏差 fpt()2=0.01456齿轮2齿形公差 ff2=0.01060齿轮2一齿切向综合公差 fi2=0.01510齿轮2一齿径向综合公差 fi2=0.02067齿轮2齿向公差 F2=0.00630齿轮2切向综合公差 Fi2=0.05043齿轮2径向综合公差 Fi2=0.04673齿轮2基节极限偏差 fpb()2=0.01368齿轮2螺旋线波度公差 ff2=0.01510齿轮2轴向齿距极限偏差 Fpx()2=0.00630齿轮2齿向公差 Fb2=0.00630齿轮2x方向轴向平行度公差 fx2=0.00630齿轮2y方向轴向平行度公差 fy2=0.00315齿轮2齿厚上偏差 Eup2=-0.05824齿轮2齿厚下偏差 Edn2=-0.23294中心距极限偏差 fa()=0.02230八、强度校核数据齿轮1接触强度极限应力 Hlim1=960.0 (MPa)齿轮1抗弯疲劳基本值 FE1=480.0 (MPa)齿轮1接触疲劳强度许用值 H1=1043.3 (MPa)齿轮1弯曲疲劳强度许用值 F1=342.9 (MPa)齿轮2接触强度极限应力 Hlim2=960.0 (MPa)齿轮2抗弯疲劳基本值 FE2=480.0 (MPa)齿轮2接触疲劳强度许用值 H2=1043.3 (MPa)齿轮2弯曲疲劳强度许用值 F2=342.9 (MPa)接触强度用安全系数 SHmin=1.00弯曲强度用安全系数 SFmin=1.40接触强度计算应力 H=986.3 (MPa)接触疲劳强度校核 HH=满足齿轮1弯曲疲劳强度计算应力 F1=253.3 (MPa)齿轮2弯曲疲劳强度计算应力 F2=269.0 (MPa)齿轮1弯曲疲劳强度校核 F1F1=满足齿轮2弯曲疲劳强度校核 F2F2=满足九、强度校核相关系数齿形做特殊处理 Zps=特殊处理齿面经表面硬化 Zas=不硬化齿形 Zp=一般润滑油粘度 V50=120 (mm2/s)有一定量点馈 Us=不允许小齿轮齿面粗糙度 Z1R=Rz6m ( Ra1m )载荷类型 Wtype=双向转动齿轮齿根表面粗糙度 ZFR=Rz16m ( Ra2.6m )刀具基本轮廓尺寸 HMn=Hao/Mn1.25, Pao/Mn0.38圆周力 Ft=2399.98200 (N)齿轮线速度 V=0.12566 (m/s)使用系数 Ka=1.10000动载系数 Kv=1.00455齿向载荷分布系数 KH=1.00000综合变形对载荷分布的影响 Ks=1.00000安装精度对载荷分布的影响 Km=0.00000齿间载荷分布系数 KH=1.00000节点区域系数 Zh=2.49457材料的弹性系数 ZE=189.80000接触强度重合度系数 Z=0.87972接触强度螺旋角系数 Z=1.00000重合、螺旋角系数 Z=0.87972接触疲劳寿命系数 Zn=1.12036润滑油膜影响系数 Zlvr=0.97000工作硬化系数 Zw=1.00000接触强度尺寸系数 Zx=1.00000齿向载荷分布系数 KF=1.00000齿间载荷分布系数 KF=1.00000抗弯强度重合度系数 Y=0.69688抗弯强度螺旋角系数 Y=1.00000抗弯强度重合、螺旋角系数 Y=0.69688寿命系数 Yn=1.00000齿根圆角敏感系数 Ydr=1.00000齿根表面状况系数 Yrr=1.00000尺寸系数 Yx=1.00000齿轮1复合齿形系数 Yfs1=3.99695齿轮1应力校正系数 Ysa1=1.71210齿轮2复合齿形系数 Yfs2=4.24540齿轮2应力校正系数 Ysa2=1.578322.1.6步进电机惯性负载的计算根据等效转动惯量的计算公式，得式中：折算到电机轴上的惯性负载（kg）；步进电机转轴的转动惯量（kg）；齿轮的转动惯量（kg）；齿轮的转动惯量（kg）；转动惯量滚珠丝杠的转动惯量（kg）；M移动部件的质量（kg）。对材料为钢的圆柱零件转动惯量可按下式估算0.78L（kg）式中：D圆柱零件直径（cm）；L零件长度（cm）。所以电机轴转动惯量很小，可以忽略，则2.2（二）升降台的设计升降台采用涡轮蜗杆传动，可以实现自锁。外形尺寸为：长宽高900700975的半封闭箱体，详见升降台设计图纸。2.2.1涡轮蜗杆的设计普通圆柱蜗杆传动设计结果报告一、普通蜗杆设计输入参数 1. 传递功率 P 0.01 (kW) 2. 蜗杆转矩 T1 0.06 (N.m) 3. 蜗轮转矩 T2 1.24 (N.m) 4. 蜗杆转速 n1 1460.00 (r/min) 5. 蜗轮转速 n2 58.40 (r/min) 6. 理论传动比 i 25.00 7. 实际传动比 i 25.00 8. 传动比误差 0.00 () 9. 预定寿命 H 4800 (小时) 10. 原动机类别 电动机 11. 工作机载荷特性 平 稳 12. 润滑方式 浸油 13. 蜗杆类型 阿基米德蜗杆 14. 受载侧面 一侧 二、材料及热处理 1. 蜗杆材料牌号 45(调质) 2. 蜗杆热处理 调质 3. 蜗杆材料硬度 270HB 4. 蜗杆材料齿面粗糙度 6.3 (m) 5. 蜗轮材料牌号及铸造方法 ZCuSn10P1(金属模) 6. 蜗轮材料许用接触应力H 200 (N/mm2) 7. 蜗轮材料许用接触应力H 200 (N/mm2) 8. 蜗轮材料许用弯曲应力F 70 (N/mm2) 9. 蜗轮材料许用弯曲应力F 53 (N/mm2) 三、蜗杆蜗轮基本参数(mm) 1. 蜗杆头数 z1 2 2. 蜗轮齿数 z2 50 3. 模 数 m 5.00 (mm) 4. 法面模数 Mn 4.85 (mm) 5. 蜗杆分度圆直径 d1 40.00 (mm) 6. 中心距 A 160.00 (mm) 7. 蜗杆导程角 14.036 8. 蜗轮当量齿数 Zv2 54.76 9. 蜗轮变位系数 x2 3.00 10. 轴向齿形角 x 20.000 11. 法向齿形角 n 19.448 12. 齿顶高系数 ha* 1.00 13. 顶隙系数 c* 0.20 14. 蜗杆齿宽 b1 86.00 (mm) 15. 蜗轮齿宽 b2 30.00 (mm) 16. 是否磨削加工 否 17. 蜗杆轴向齿距 px 15.71 (mm) 18. 蜗杆齿顶高 ha1 5.00 (mm) 19. 蜗杆顶隙 c1 1.00 (mm) 20. 蜗杆齿根高 hf1 6.00 (mm) 21. 蜗杆齿高 h1 11.00 (mm) 22. 蜗杆齿顶圆直径 da1 50.00 (mm) 23. 蜗杆齿根圆直径 df1 28.00 (mm) 24. 蜗轮分度圆直径 d2 250.00 (mm) 25. 蜗轮喉圆直径 da2 290.00 (mm) 26. 蜗轮齿根圆直径 df2 268.00 (mm) 27. 蜗轮齿顶高 ha2 20.00 (mm) 28. 蜗轮齿根高 hf2 -9.00 (mm) 29. 蜗轮齿高 h2 11.00 (mm) 30. 蜗轮外圆直径 de2 297.50 (mm) 31. 蜗轮齿顶圆弧半径 Ra2 15.00 (mm) 32. 蜗轮齿根圆弧半径 Rf2 26.00 (mm) 33. 蜗杆轴向齿厚 sx1 7.85 (mm) 34. 蜗杆法向齿厚 sn1 7.62 (mm) 35. 蜗轮分度圆齿厚 s2 18.77 (mm) 36. 蜗杆齿厚测量高度 ha1 5.00 (mm) 37. 蜗杆节圆直径 d1 70.00 (mm) 38. 蜗轮节圆直径 d2 250.00 (mm) 四、蜗杆蜗轮精度- 项目名称 蜗 杆 蜗 轮 - 1. 第一组精度 7 7 - 2. 第二组精度 7 7 - 3. 第三组精度 7 7 - 4. 侧 隙 f f -五、强度刚度校核结果和参数 1. 许用接触应力 200.00 (N/mm2) 2. 计算接触应力 11.46 (N/mm2) 满足 3. 许用弯曲应力 52.50 (N/mm2) 4. 计算弯曲应力 0.07 (N/mm2) 满足 5. 许用挠度值 0.0600 (N/mm2) 6. 计算挠度值 0.0001 (N/mm2) 满足 1. 蜗杆圆周力 Ft1 3.00 (N) 2. 蜗杆轴向力 Fx1 -8.86 (N) 3. 蜗杆径向力 Fr1 -3.23 (N) 4. 蜗轮圆周力 Ft2 8.86 (N) 5. 蜗轮轴向力 Fx2 -3.00 (N) 6. 蜗轮径向力 Fr2 3.23 (N) 7. 蜗轮法向力 Fn -9.69 (N) 8. 滑动速度 Vs 3.15 (m/s) 9. 蜗杆传动当量摩擦角 v 2.000 10. 蜗杆传动效率 0.83 11. 蜗杆的啮合效率 1 0.87 12. 搅油损耗 2 0.97 13. 滚动轴承效率 3 0.98 14. 使用系数 Ka 1.02 15. 动载荷系数 Kv 1.15 16. 载荷分布系数 K 1.00 17. 材料的弹性系数 ZE 155.00 18. 滑动速度影响系数 Zvs 0.92 19. 寿命系数 ZN 0.95 20. 齿形系数 Yfs 3.57 21. 导程角系数 Y 0.95 22. 蜗杆截面惯性矩 I 30171.86 (mm4) 23. 弹性模量 E 207000.00 (N/mm2) 24. 蜗杆两端支承点的跨度 L 180.00 (mm) 六、自然通风散热计算 1. 热导率 k 8.70 ( W / m2 ) 2. 散热的计算面积 A 0.02 (m2) 3. 冷却的箱壳表面积 A1 0.02 (m2) 4. 补充的箱壳表面积 A2 0.00 (m2) 5. 润滑油温度 t1 40 ( ) 6. 周围空气温度 t2 20 ( ) 7. 损耗的功率 Ps 0.00 ( kW ) 8. 能散出的功率 Pc 0.00 ( kW ) 满足2.2.2步进电机的选用查表选一个型步进电动机。电机的有关参数见表2-5。2.2.3丝杠螺母的设计计算2.2.3.1耐磨性的计算由耐磨性决定决定丝杠中径的公式为：式中：p丝杠所受的最大轴向力（kgf）；螺母长径比，L为螺母的长度（mm），一般取1.24，但螺母的螺纹圈数一般不超过10，因为圈数越多，载荷分布愈不均，第10圈以后的螺纹，实际上起不到分担载荷的作用。耐磨性核算公式为：丝杠螺母的材料为：钢（不淬硬）铸铁精度等级7级许用单位压力p为20kgf/。取长径比2；经计算解得p150020kgf/丝杠中径40mm，L80mm。2.2.3.2稳定性核算丝杠具有良好稳定性时的最大允许轴向压缩载荷丝杠采用两端均为简支的支承方式，支承系数1；式中：E材料弹性模量，钢为；I丝杠内径的断面惯性矩，；为内径；L支承距离（mm）；K安全系数，一般取3。当K=3，并代入常数时，上式化简为：2.2.3.3刚度的计算：可在丝杠轴向拉伸压缩变形图中求得（略）。2.2.3.4强度计算：丝杠拉压应力的计算公式为: (kgf)式中：P丝杠所受的最大的轴向力（kgf）；A丝杠内径的断面积（），； 丝杠的内径（mm）；丝杠的传动效率；许用拉压应力（kgf/）,由于螺纹所引起的应力集中系数不能确定，因此，取=，为材料的屈服点（kgf/）。丝杠参数见表26。2.3（三）主轴箱的设计采用渐开线圆柱齿轮传动 ，变频调速电机，主轴箱和电机轴采用TL6型弹性套筒联轴器。2.3.1联轴器的选择TL6型弹性套筒联轴器参数见表27。2.3.2变频调速电动机的选择由南京特种电机有限责任公司生产的变频调速电机信息和参数如下：YTP(YVP)系列变频调速三相异步电动机是一种交流、高效、节能调速电动机，与变频器配合使用，是机电一体化的调速新产品。其具有以下的优点。 效率高，节能效果明显。 调频范围广，能在5Hz100Hz甚至更宽的范围内平滑无极调速。 噪音低、振动小。 起动力矩大，低频起动对负载冲击小。 结构简单，运行稳定（尤其在低频时）、使用可靠，维护方便。 体积小、重量轻，除风罩比Y系列异步电动机稍长外，其它外形及安装尺寸皆相同。便于安装。 起动电流小，无须附加起动设备。 单独装有轴流风机，在不同转速下均有较好的冷却效果。 应有范围广，可以作恒转矩（50Hz以下）、恒功率（50Hz以上）或递减转矩负载机械无级调速之用，基本可以取代任何一种调速产品。 型号说明图22 使用条件（1） 最高环境温度不超过40（2） 海拔不超过1000m（3） 电动机防护等级IP44(或IP55)（4） 电网电压：380V(220V)10%,频率50Hz2%（5） 相对湿度：不超过90%（20以下时）（6）工作制：SI（连续）调速系统的特性图23注:、系统运行时应选择比较合理的特性、要求大于：恒转矩调频和大于：恒功率调频电机请在定货时说明。参数见表28。选用YTP132M14型变频调速电机。图242.3.3 一级齿轮变速箱的齿轮设计一、设计信息渐开线圆柱齿轮传动设计二、设计参数传递功率 P=7.50000 (kW)传递转矩 T=47.74500 (N.m)齿轮1转速 n1=1500 (r/min)齿轮2转速 n2=3000 (r/min)传动比 i=0.50000原动机载荷特性 SF=轻微振动工作机载荷特性 WF=均匀平稳预定寿命 H=10000 (小时)三、布置与结构结构形式 ConS=开式齿轮1布置形式 ConS1=对称布置齿轮2布置形式 ConS2=对称布置四、材料及热处理齿面啮合类型 GFace=硬齿面热处理质量级别 Q=ML齿轮1材料及热处理 Met1=45齿轮1硬度取值范围 HBSP1=45-50齿轮1硬度 HBS1=46齿轮1材料类别 MetN1=0齿轮1极限应力类别 MetType1=11齿轮2材料及热处理 Met2=45齿轮2硬度取值范围 HBSP2=45-50齿轮2硬度 HBS2=48齿轮2材料类别 MetN2=0齿轮2极限应力类别 MetType2=11五、齿轮精度齿轮1第组精度 JD11=7齿轮1第组精度 JD12=7齿轮1第组精度 JD13=7齿轮1齿厚上偏差 JDU1=F齿轮1齿厚下偏差 JDD1=L齿轮2第组精度 JD21=7齿轮2第组精度 JD22=7齿轮2第组精度 JD23=7齿轮2齿厚上偏差 JDU2=F齿轮2齿厚下偏差 JDD2=L六、齿轮基本参数模数(法面模数) Mn=3端面模数 Mt=3.00000螺旋角 =0.0000000 (度)基圆柱螺旋角 b=0.0000000 (度)齿轮1齿数 Z1=60齿轮1变位系数 X1=0.00齿轮1齿宽 B1=15 (mm)齿轮1齿宽系数 d1=0.16667齿轮2齿数 Z2=30齿轮2变位系数 X2=0.00齿轮2齿宽 B2=15 (mm)齿轮2齿宽系数 d2=0.33333总变位系数 Xsum=0.00000标准中心距 A0=135.00000 (mm)实际中心距 A=135.00000 (mm)齿数比 U=0.50000端面重合度 =1.71911纵向重合度 =0.00000总重合度 =1.71911齿轮1分度圆直径 d1=180.00000 (mm)齿轮1齿顶圆直径 da1=186.00000 (mm)齿轮1齿根圆直径 df1=172.50000 (mm)齿轮1齿顶高 ha1=3.00000 (mm)齿轮1齿根高 hf1=3.75000 (mm)齿轮1全齿高 h1=6.75000 (mm)齿轮1齿顶压力角 at1=24.580194 (度)齿轮2分度圆直径 d2=90.00000 (mm)齿轮2齿顶圆直径 da2=96.00000 (mm)齿轮2齿根圆直径 df2=82.50000 (mm)齿轮2齿顶高 ha2=3.00000 (mm)齿轮2齿根高 hf2=3.75000 (mm)齿轮2全齿高 h2=6.75000 (mm)齿轮2齿顶压力角 at2=28.241393 (度)齿轮1分度圆弦齿厚 sh1=4.71185 (mm)齿轮1分度圆弦齿高 hh1=3.03084 (mm)齿轮1固定弦齿厚 sch1=4.16114 (mm)齿轮1固定弦齿高 hch1=2.24267 (mm)齿轮1公法线跨齿数 K1=7齿轮1公法线长度 Wk1=60.08756 (mm)齿轮2分度圆弦齿厚 sh2=4.71024 (mm)齿轮2分度圆弦齿高 hh2=3.06167 (mm)齿轮2固定弦齿厚 sch2=4.16114 (mm)齿轮2固定弦齿高 hch2=2.24267 (mm)齿轮2公法线跨齿数 K2=3齿轮2公法线长度 Wk2=23.40148 (mm)齿顶高系数 ha*=1.00顶隙系数 c*=0.25压力角 *=20 (度)端面齿顶高系数 ha*t=1.00000端面顶隙系数 c*t=0.25000端面压力角 *t=20.0000000 (度)七、检查项目参数齿轮1齿距累积公差 Fp1=0.06869齿轮1齿圈径向跳动公差 Fr1=0.04750齿轮1公法线长度变动公差 Fw1=0.03577齿轮1齿距极限偏差 fpt()1=0.01692齿轮1齿形公差 ff1=0.01325齿轮1一齿切向综合公差 fi1=0.01810齿轮1一齿径向综合公差 fi1=0.02394齿轮1齿向公差 F1=0.01114齿轮1切向综合公差 Fi1=0.08194齿轮1径向综合公差 Fi1=0.06649齿轮1基节极限偏差 fpb()1=0.01590齿轮1螺旋线波度公差 ff1=0.01810齿轮1轴向齿距极限偏差 Fpx()1=0.01114齿轮1齿向公差 Fb1=0.01114齿轮1x方向轴向平行度公差 fx1=0.01114齿轮1y方向轴向平行度公差 fy1=0.00557齿轮1齿厚上偏差 Eup1=-0.06767齿轮1齿厚下偏差 Edn1=-0.27070齿轮2齿距累积公差 Fp2=0.05121齿轮2齿圈径向跳动公差 Fr2=0.03979齿轮2公法线长度变动公差 Fw2=0.03097齿轮2齿距极限偏差 fpt()2=0.01603齿轮2齿形公差 ff2=0.01213齿轮2一齿切向综合公差 fi2=0.01690齿轮2一齿径向综合公差 fi2=0.02271齿轮2齿向公差 F2=0.00630齿轮2切向综合公差 Fi2=0.06333齿轮2径向综合公差 Fi2=0.05571齿轮2基节极限偏差 fpb()2=0.01507齿轮2螺旋线波度公差 ff2=0.01690齿轮2轴向齿距极限偏差 Fpx()2=0.00630齿轮2齿向公差 Fb2=0.00630齿轮2x方向轴向平行度公差 fx2=0.00630齿轮2y方向轴向平行度公差 fy2=0.00315齿轮2齿厚上偏差 Eup2=-0.06414齿轮2齿厚下偏差 Edn2=-0.25655中心距极限偏差 fa()=0.02813八、强度校核数据齿轮1接触强度极限应力 Hlim1=960.0 (MPa)齿轮1抗弯疲劳基本值 FE1=480.0 (MPa)齿轮1接触疲劳强度许用值 H1=931.2 (MPa)齿轮1弯曲疲劳强度许用值 F1=342.9 (MPa)齿轮2接触强度极限应力 Hlim2=960.0 (MPa)齿轮2抗弯疲劳基本值 FE2=480.0 (MPa)齿轮2接触疲劳强度许用值 H2=931.2 (MPa)齿轮2弯曲疲劳强度许用值 F2=342.9 (MPa)接触强度用安全系数 SHmin=1.00弯曲强度用安全系数 SFmin=1.40接触强度计算应力 H=742.7 (MPa)接触疲劳强度校核 HH=满足齿轮1弯曲疲劳强度计算应力 F1=195.9 (MPa)齿轮2弯曲疲劳强度计算应力 F2=203.1 (MPa)齿轮1弯曲疲劳强度校核 F1F1=满足齿轮2弯曲疲劳强度校核 F2F2=满足九、强度校核相关系数齿形做特殊处理 Zps=特殊处理齿面经表面硬化 Zas=不硬化齿形 Zp=一般润滑油粘度 V50=120 (mm2/s)有一定量点馈 Us=不允许小齿轮齿面粗糙度 Z1R=Rz6m ( Ra1m )载荷类型 Wtype=静强度齿根表面粗糙度 ZFR=Rz16m ( Ra2.6m )刀具基本轮廓尺寸 HMn=Hao/Mn1.25, Pao/Mn0.38圆周力 Ft=530.50000 (N)齿轮线速度 V=14.13717 (m/s)使用系数 Ka=1.21000动载系数 Kv=3.44976齿向载荷分布系数 KH=1.00000综合变形对载荷分布的影响 Ks=1.00000安装精度对载荷分布的影响 Km=0.00000齿间载荷分布系数 KH=1.31528节点区域系数 Zh=2.49457材料的弹性系数 ZE=189.80000接触强度重合度系数 Z=0.87195接触强度螺旋角系数 Z=1.00000重合、螺旋角系数 Z=0.87195接触疲劳寿命系数 Zn=1.00000润滑油膜影响系数 Zlvr=0.97000工作硬化系数 Zw=1.00000接触强度尺寸系数 Zx=1.00000齿向载荷分布系数 KF=1.00000齿间载荷分布系数 KF=1.45715抗弯强度重合度系数 Y=0.68627抗弯强度螺旋角系数 Y=1.00000抗弯强度重合、螺旋角系数 Y=0.68627寿命系数 Yn=1.00000齿根圆角敏感系数 Ydr=1.00000齿根表面状况系数 Yrr=1.00000尺寸系数 Yx=1.00000齿轮1复合齿形系数 Yfs1=3.98000齿轮1应力校正系数 Ysa1=1.74000齿轮2复合齿形系数 Yfs2=4.12722齿轮2应力校正系数 Ysa2=1.620002.4（四）键和轴承、圆柱销的设计总变位系数 Xsum=0.00000标准中心距 A0=74.00000 (mm)实际中心距 A=74.00000 (mm)齿数比 U=0.48000端面重合度 =1.67829纵向重合度 =0.00000总重合度 =1.67829齿轮1分度圆直径 d1=100.00000 (mm)齿轮1齿顶圆直径 da1=104.00000 (mm)齿轮1齿根圆直径 df1=95.00000 (mm)齿轮1齿顶高 ha1=2.00000 (mm)齿轮1齿根高 hf1=2.50000 (mm)齿轮1全齿高 h1=4.50000 (mm)齿轮1齿顶压力角 at1=25.371225 (度)名称普通平键型式与尺寸标准=摘自GB/T 1096-1979（1990年确认有效）单位=(mm)-d=1217键(公称尺寸)b(h9)=5键(公称尺寸)h(h11)=5键(公称尺寸)c或r=0.250.4键(公称尺寸)L(h14)=1056B型键每100mm重量(kg)=0.02A型每个键应减去的重量(g)=0.21C型每个键应减去的重量(g)=0.105名称深沟球轴承图24标准=GB/T276-1994轴承代号=6302基本尺寸d(mm)=15基本尺寸D(mm)=42基本尺寸B(mm)=13安装尺寸damin(mm)=21安装尺寸Damax(mm)=36安装尺寸rasmax(mm)=1基本额定载荷Cr(kN)=11.5基本额定载荷Cor(kN)=5.42极限转速脂(r/min)=16000极限转速油(r/min)=20000重量(kg)=0.08轴承类型：深沟球轴承轴承代号：6302 轴承参数： 轴承内径：15 轴承外径：42 轴承宽度：13额定动载荷：8800额定静载荷：5400 极限转速：20000 润滑方式：脂润滑工作参数：径向载荷：500轴向载荷：3500使用寿命：1000工作转速：100接 触 角：60载荷系数：1.1计算结果：当量动载荷：4158.00当量静载荷：2255.00 计算寿命：1580名称单向推力轴承(50000型)-轴承代号=51104尺寸d=20尺寸D=35尺寸T=10尺寸da(min)=29尺寸Da(max)=26尺寸ra(max)=0.3重量(kg)=0.036轴承类型：单向推力球轴承(50000)轴承代号：51104图25标准=摘自GB/T 301-1995参照ISO104-1979单位=(mm) 轴承参数： 轴承内径：20 轴承外径：35 轴承宽度：10额定动载荷：11000额定静载荷：19800 极限转速：6700 润滑方式：脂润滑工作参数：径向载荷：500轴向载荷：3500使用寿命：1000工作转速：100接 触 角：90载荷系数：1.1计算结果：当量动载荷：3850.00当量静载荷：3850.00 计算寿命：3887名称双向推力球轴承(50000型)图26标准=摘自GB/T 301-1994 参照ISO104-1979-轴承代号=52205尺寸d=20尺寸D=47尺寸T1=28尺寸d1(min)=27尺寸D2(max)=47尺寸B=7尺寸rs(min)=0.6尺寸r1s(min)=0.3重量(kg)=0.23轴承类型： 双向推力球轴承(50000)轴承代号：52205 轴承参数： 轴承内径：20 轴承外径：47 轴承宽度：28额定动载荷：21300额定静载荷：40200 极限转速：4800 润滑方式：脂润滑工作参数：径向载荷：500轴向载荷：3500使用寿命：1000工作转速：100接 触 角：90载荷系数：1.1计算结果：当量动载荷：3850.00当量静载荷：3850.00 计算寿命：28224螺纹圆柱销图27(摘自GB/T8781986)-标记示例：公称直径d=10mm、长度l=30mm、材料为35钢、热处理硬度(2838)HRC，表面氧化处理的螺纹圆柱销：销 GB/T8781986 1030d(公称)h13 4 6 8 10 12 16 20 d1 M4 M6 M8 M10 M12 M16 M20 b max 4.4 6.6 8.8 11 13.2 17.6 22 n(公称尺寸) 0.6 1 1.2 1.6 2 2.5 3 t max 2.05 2.9 3.6 4.25 4.8 5.5 6.8 x max 1.4 2 2.5 3 3.5 4 5 c 0.6 1 1.2 1.5 2 2 2.5 l(商品规格范围) 1014 1220 1428 1835 2240 2450 3060 100mm长重量 /kg 0.012 0.022 0.038 0.06 0.09 0.15 0.2 l系列(公称尺寸) 10，12，14，18，20，22，24，26，28，30，32，35，40，45，50，55，60 注：技术条件：螺纹按GB/T1961971981规定的6g级制造,其他按 GB/T1211986规定。2.5整体外形尺寸设计联系搅拌摩擦焊机各零部件进行整体外形尺寸设计，详见总装配图。3. 结论3.1 总论 经过了16周的调研，分析，设计，最终完成了C型搅拌摩擦焊机机械系统设计。最终的成果基本上能让人满意，有其闪亮的部分，但是也有不足的地方。 最终的产品总体上实现了C型搅拌摩擦焊机的基本使用功能。对于整个设计内容，我认为比较成功的是传动部分实现了简化，过去的搅拌摩擦焊机是依靠铣床实现的。随着市场经济的发展，想要在日趋激烈的竞争中站稳脚跟，就要跟上发展的潮流，搅拌摩擦焊机更加需要一个专门化的生产环境。 虽然基本上实现了所需的功能，但是这其中也有不足的地方。例如：升降工作台改为搅拌头的升降运动可以节省能源。这种方案虽然存在一定的误差，但对于我们现在的水平，这种方案还是可行的。综上所述，在16周的时间里，基本上我已完成了所有的毕设内容，并且取得不错的成果。3.2 经济效益分析铝合金不但具有高的比强度、比模量、断裂韧度、疲劳强度和耐腐蚀稳定性，同时还具有良好的成形工艺性和良好的焊接性，因此成为在航天工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料。例如，铝合金是运载火箭及各种航天器的主要结构材料。美国的阿波罗飞船的指挥舱、登月舱，航天飞机氢氧推进剂贮箱、乘务员舱等也都采用了铝合金作为结构材料。我国研制的各种大型运载火箭亦广泛选用了铝合金作为主要结构材料。 宇航工业飞行器结构大量使用铝合金，由于某些材料熔焊焊接性不良不得不采用铆接结构。英国焊接研究所（TWI）1991年发明的搅拌摩擦焊为此类材料连接提供了一个新思路13。由于此方法属于固相焊，特别适合应用于熔化焊接性差的有色金属。相对于熔化焊接方法，不会产生与熔化有关的焊接缺陷，如热裂纹和气孔。但由于方法的限制，其应用仅限于简单结构的工件。搅拌摩擦焊的原理是，利用摩擦发生的热，在高速旋转的搅拌头特形指棒周围的金属迅速被加热，并形成了很薄的热塑性金属层。随着搅拌头的移动形成了搅拌摩擦焊的焊缝。目前，已成功地进行了搅拌摩擦焊研究的铝合金包括：2000系列（AlCu）、5000系列（AlMg）、6000系列（AlMgSi）、7000系列（AlZn）、8000系列（AlLi）。美国波普公司的空间防御实验室在1998年将此技术用于火箭某些部件焊接。目前，ESAB公司正在制造可供商业应用的搅拌摩擦焊机，计划于2002年安装在TWI，用来焊接尺寸为8 m5 m的工件，预计可焊接的工件厚度为1.518 mm。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，国内最具备搅拌摩擦焊技术应用前景的将是航天工业。搅拌摩擦焊FAQ:1、不熔化也能实现焊接吗？
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