C型搅拌摩擦焊机机械结构设计【2张CAD图纸+PDF图】
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- 内容简介：
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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？为了达到焊接的目的，大多数焊接方法都要借助于加热或者加压，或者同时加热、加压，以实现原子结合。像常见的气焊、二氧化碳焊、电子束焊等都是采用直接热源，将待焊金属加热至熔化，然后凝固后达到原子间的结合。而搅拌摩擦焊则是一种没有熔化的固相连接，即：通过压力使待焊工件的表面紧密接触、摩擦生热使金属被加热到很高的温度（低于熔点），然后在搅拌头的机械混合作用下搅拌、混合、扩散，最终形成牢固的接头。2、为什么有的搅拌摩擦焊接头组织比 母材组织还要好？根据搅拌摩擦焊的原理可以看出，其焊接过程近似于是对待焊工件接头区的一次局部热锻压过程，最终得到的是一种锻态组织，其晶粒要比母材还要细小（相对比之下，普通熔化焊接头最终得到的是铸态组织，晶粒较大）。因此，搅拌摩擦焊接头的组织比母材还要好。3、 拌摩擦焊的效率高吗？目前，搅拌摩擦焊的焊接速度可以达到7501000mm/min（对于412mm厚的铝合金），基本与熔焊的焊接速度相当。4、SW设备与熔焊设备有何异同？搅拌摩擦焊与普通熔焊在原理上有着本质的不同，因此其实现设备也是完全不同的。熔焊设备类似一个高能热源发生器，用以产生电弧、高能束流等；而搅拌摩擦焊则类似一个机械设备，由电机驱动主轴旋转即可。在夹具上二者类似，都需要对待焊工件进行夹持。只不过搅拌摩擦焊对夹持的力要求更高一些。5、 什么采用FSW会降低制造成本？FSW可以降低制造成本，主要表现在以下几个方面：降低焊前准备工作量由于液态铝容易吸附氢导致凝固后气孔，所以采用熔化焊焊接铝合金时，一定要注意焊前工件的清理，采用打磨、酸洗、碱洗等方法，去处油污、氧化皮等容易吸附氢的杂质；而搅拌摩擦焊过程中由于不存在熔化，接头组织和性能对氧化皮、杂质不敏感，因此，焊前只需简单的用有机溶剂进行表面清理即可。焊接过程效率高搅拌摩擦焊焊接过程中无需添加保护气、焊料等，厚板（50mm以下）单道即可完成。焊后处理简单搅拌摩擦焊焊接热输入少，变形小、应力低，对于长的薄板件，焊后变形很小，因此无需焊后校形工序。6、FSW技术成熟吗？ 虽然搅拌摩擦焊技术是一项很新的技术，发明距今才短短的十余年，但是由于其所具有的独特优势，已经在航空、航天、汽车、船舶、轨道交通、电力电子、建筑等多个领域获得了突破性的发展和应用，尤其是在铝合金上已经获得了大规模的工业应用，典型的实例包括：美国航空航天局的Delta系列火箭、美国Eclipse小型商务机、阿里亚娜火箭发动机、挪威铝合金快艇、日本新干线等。因此说，搅
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