汽车排气阀摩擦焊接机械系统的设计

1、摘要iabstract ii第1章绪论11.1研究的目的和意义11.2摩擦焊接技术简介11.2.1起源及发展历程11.2.2国内外技术水平21.2.3摩擦焊技术分类21.2.4摩擦焊的应用31.3摩擦焊的优缺点及技术经济效果31.3.1摩擦焊接优点31.3.2摩擦焊接缺点和局限性5133摩擦焊接技术经济效果 51.4 本章小结6第2章摩擦焊接机的结构设计72.1基本结构72.1.1主轴系统72.1.2弹簧卡头72.1.3移动夹具72.1.4 轨道72.1.5离合器72.1.6控制系统72.2工作原理82.3本章小结8第3章摩擦焊接机的参数确定93.1焊机的主要技术参数93.2焊机的可调参数93

2、.3焊接的工艺参数103.4本章小结10第4章 主要零件的结构设计与计算114v带轮结构设计计算114.2传动主轴的结构设计计算及校核154.3滚动轴承的选择及校核194.4键的选择及校核204.5本章小结20第5章 总体结构设计225弹簧的选择及校核225.2液压缸的设计225.3夹具设计255.4床身设计255.3.1机架设计准则及要求255.3.2设计步骤265.5本章小结27第6章 摩擦焊接机的使用说明286焊机的安装286.2焊机的调试及操作286.3摩擦和顶锻力的调整296.4焊接试车306.5焊机操作吋的注意事项306.6本章小节30结论31参考文献32致谢34随着我国汽车制造业

3、的不断蓬勃发展，我国成为继美国、日本之后的卅界第三大 汽车市场。汽车制造业己经成为我国的支柱产业之一，然而，制造大国不等于科技强 国，我国汽车零部件制造设备的研发仍落后于发达国家。木设计主要介绍了以摩擦焊 接原理为基础的、适合汽车排气阀的批量生产的摩擦焊接机的设计要点、工作原理和 设备组成。这种摩擦焊接机的构造为卧式摩擦焊接机，摩擦焊接机主要结构由床身、 主轴箱、夹具、离合器、液压缸、数控系统、轨道、电动机等部分组成。主轴箱是摩 擦焊接机的主要工作部分，此摩擦焊接机的控制系统为数控系统，节省人工提高效率。 同时，摩擦焊接技术的清洁特点使其优化了员工的工作环境。此摩擦焊接机可达到每 小时120根

4、的生产能力，合格率可达到95%,耗电量每小时7.5kwo该机是较为常见 的运用到生产工作的机械设备。关键词：焊接机；摩擦焊；汽车排气阀；生产能力；卧式机床abstractwith china's automobile manufacturing constantly vigorous development, our country in the u.s., japan after of the world's third largest car market. car industry has become one of the pillar industry in chin

5、a, however, manufacturing power is not equal to science and technology power, china automobile spare parts manufacturing equipment research and development is still lags behind that of developed countries. this design is mainly introduced to friction welding principle based, suitable for mass produc

6、tion of automobile exhaust valve of the friction welding machine the main points of design, working principle and composition of equipment. the friction welding machine structure is horizontal friction welding, friction welding machine main structure by machine bed, spindle box, fixture, clutch, hyd

7、raulic cylinder, the numerical control system, rail, motor components. spindle box is friction welding machine's main working part, the friction welding machine control system for cnc system, improve the efficiency savings artificial. at the same time, the friction welding technology characteris

8、tics make the optimized the clean employees work environment. the friction welding machine can achieve each hour 120 root of production capacity, rate to 95%, power consumption is 7.5 kw per hour. the machine is more common use of the work of production to the mechanical equipment.keywords: welding

9、machine; friction welding; automobile exhaust valve; the production ability; horizontal machine第1章绪论1研究的目的和意义为应对摩擦焊机的产业革新，摩擦焊机设计的改进和创新势在必行。本次设计的 目的是在原有摩擦焊机的基础上尽量达到高精度，同时使其结构简单，工艺性好，受 热面小，具有较高机械负荷、热负荷性能，在高温下能很好的承受冲击、耐磨、耐腐 蚀以及很好的密封性。随着汽车制造行业的发展，汽车制造业所需的各类焊接技术成 为人们关注的焦点，而摩擦焊已被业界公认为是汽车制造业不可缺少的有力支撑的一 部分。

10、近年来，我国汽车制造业的发展日新刀异，成就斐然，国产摩擦焊接技术的创 新势在必行。该课题所进行的创新设计将使其有着广泛的应用前景和市场潜力。1.2摩擦焊接技术简介121摩擦焊接技术的起源及发展历程摩擦焊接的起源可追溯到公元1891年，当时美国批准了这种焊接方法的第一个专 利。该专利是利用摩擦热来连接钢缆。随后徳国、英国、前苏联、h本等国家先后开 展了摩擦焊接的生产与应用。我国早在1957年就通过封闭加压原理实验成功了铝一铜 摩擦焊。经过50多年的发展，摩擦焊接以其优质、精密、高效、节能的特色，在航空、 航天、核能、海洋开发等高技术领域及电力、机械制造、石油钻探、汽车制造等产业 部门都得到了广泛

11、的应用。连续驱动摩擦焊工艺技术，不断深入各行各业，向普及方向发展并不断引入批量 生产线。口本、美国在汽车等行业已将摩擦焊工序引入流水线。摩擦焊技术还向重要零件焊接方向发展。如美国在涡轮机的涡轮充电器和喷气式 发动机等重要零部件都采用了摩擦焊技术。英国、美国、日本和我国等在石油、地址 勘探行业的钻杆、接头广泛地采用了摩擦焊技术，而美国的石油协会已批准规格化大 量牛产。相位摩擦焊、径向压力摩擦焊、轨道式摩擦焊向应用方向发展，如六方形零件、 八方形钢件、汽车操纵杆、心轴、花键轴、拔叉、两端带法兰的轴等有相位要求的零 件不断扩大应用摩擦焊范围。保证质量的监督研究和计算机控制的研究在逐步发展。微机已应用

12、在自动控制摩 擦焊过程等方面，并把超声波探伤机、音响发射装置安装在摩擦焊机上。摩擦焊机的发展趋势在自动化方面，对大批量生产的汽车、拖拉机等行业，可设 计专用摩擦焊机作为生产流水线的一部分；对批量较小的产品，为提高生产率，在通 用摩擦焊机中应由载重遥控装置来代替自动装卸车。此外，摩擦焊机也向人型化和微 型化方向发展，如英国的looot顶锻的巨型摩擦焊机、口本的微型摩擦焊机（可焊2mm 零件）；另外，也向多样化、多功能、专业化方向发展，如汽车箱体两侧专用摩擦焊机, 建筑机械的履带滚子摩擦焊机等。122国内外摩擦焊技术水平早在60年代初，美国就开始研制开发摩擦焊机。日本、美国在汽车等行业已将摩 擦焊

13、工序引入流水线。英国早已对汽车后桥、齿轮变速杆、汽车轴套采用摩擦焊技术。 德国的发动机排气门采用双头自动摩擦焊机生产率大幅度提高，废品率降低近百倍。 德国生产汽车零件排气阀采用摩擦焊代替闪光焊，其废品率由原来的1.4%降低到 0.040.01%。英国一家汽车厂对200万件汽车后桥摩擦焊无一废品。焊件的加工精度 高，如长度可以控制在0.2mm以内，同轴度小于0.2mm,由于热影响区小，不会产 生通常熔化焊的缺陷，所以产品质量稳定。摩擦焊耗能低，节能显著，是闪光焊所需 要动力的1/51/10。日木在汽车行业应用的摩擦焊技术更加广泛。摩擦焊机技术水平也是摩擦焊技术的重要标志。目前，世界各国生产中应用

14、的摩 擦焊机约有5000台以上，这些摩擦焊机，每年大约生产7.5亿多件产品。摩擦焊机基 本实现了通用化、系列化、标准化，其设计主参数用顶锻力的最大吨位系列化设计或 按直径系列设计。如我国、英国、美国、德国等按顶锻力主参数设计；口本等按焊接 能力直径系列设计。英国汤姆逊摩擦焊接公司已批量生产350t顶锻力的大型摩擦 焊机。英国、前苏联以及我国的c120a摩擦焊机基本上实现了自动上下料、去除内外 飞边，达到一机多能。日本的汽车零件的摩擦焊工序实现了无人操纵的自动化控制。我国是研究、应用摩擦焊最早的国家之一，在电力电气、电机变压器、电站锅炉、 汽车拖拉机、金属切削刀具、轻工机械和石油钻探等工业部门，

15、已应用摩擦焊方法生 产各种铝一铜过渡接头、铜一不锈钢水电接头、锅炉蛇形管和阀门、内燃机排气门和 轴瓦、圆柄刀具、纺织机梭芯和石油钻杆等产品。1.2.3摩擦焊的分类现在应用比较多的摩擦焊接主要有惯性摩擦焊接和直接驱动摩擦焊接两种类型。 搅拌摩擦焊接正在研究中并投入一定领域中应用。（1）惯性摩擦焊接在焊接机上将需要焊接的两个工件，一个固定不转动，另一个装在连接着飞轮的 转轴夹盘上。当飞轮加速到计算好的焊接速度时，将驱动马达与飞轮脱开，同时将固 定不转的工件压在正在进行惯性旋转的工件上，使两个工件的接合面在压力作用下相 互摩擦。它们之间的摩擦力使飞轮逐步降低速度，同吋将所存储的能量转化成热量， 使对

16、接面变软但不会熔化，在旋转停止之前，两个工件就已经接在一起。飞轮中的剩 余能量继续锻压焊接，并将杂质以飞边形式排出，同时改进了焊接处的晶粒结构。当 飞轮停止转动并经短暂的停顿和解除轴向压力时，焊接就告结束。（2）连续直接驱动摩擦焊接在焊接机上一个工件固定不转动，另一个工件直接装在马达驱动装置上，即由电 动机直接旋转工件，而不是利用储存在飞轮中的能量旋转工件被加速到预定速度，同 时加上不高的轴向压力，这时所产牛的摩擦力较小，而加热对接面的过程也比较慢。 当加热到所要求的锻接温度时，用定时器控制驱使电动机脱开，并施加制动力或在焊 接过程中（惯性焊接）使旋转工件停止旋转。在旋转停止后，使轴向焊接压力

17、保持恒 定（或增加）一段时间，再解除轴向压力，焊接工作即完成。（3）混合直接驱动摩擦焊接当控制焊接时的速度下降和锻接压力上升的速率时，就可以得到介于惯性和直线 驱动方式之间的焊接，这种方法叫混合直接驱动摩擦焊接。（4）搅拌摩擦焊接（friction stir welding fsw）1991年搅拌摩擦焊技术由英国焊接研究所发明，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"。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

18、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, 在与工件表而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展塑性化。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。通过四者的特点相比较，连续直线驱动和混合直接驱动具有自动化控制精度高、 焊接生产率高、废品率低和加工成本低等优点而被世界各国广泛采用。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

19、、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。124摩擦焊的应用(1) 汽车和工程机械业 摩擦焊自动化程度高、焊缝质量容易保证，这对人批量、 流水式作业的汽车制造业尤具吸引力，目前汽车工业已成为摩擦焊最具活力的市场。使用摩擦焊焊接的汽车零部件有涡轮增压器、安全气囊的增压泵、变速器和齿轮箱的 轴、驱动轴、后桥、排气阀、液压油缸、气动制动用凸轮等，均获得了令人满意的效 果。在工程机械方面，摩擦焊接主要用来焊接液压控制部件如液压缸、活塞杆，尤其 是法兰与阀体的焊接，

20、取代传统的手工电弧焊和埋弧焊，另外在履带支重轮、减震器 和齿轮泵转子的制造中，也采用了摩擦焊。(2) 航空航天业 迄今为止，航空业摩擦焊采用的绝大多数是惯性摩擦焊，因为 焊接过程容易控制和监测；焊接2000t或更人的工件不存在驱动方面的技术问题。(3) 石油天然气和化工业 在抽油泵轴和控制阀轴的批量生产中，摩擦焊被用來 将普通的碳素钢与耐蚀合金钢焊接在一起，钻头与钻杆的焊接也采用摩擦焊。在化学工业方面，许多特殊的电极要求将钛或钢质的电池与铝质的柱头焊接在一 起，实践证明摩擦焊是完成这种焊接的理想工艺。(4) 核电设备和输变电业 由于摩擦焊特别适用于异种金属的连接，从而解决了 核电设备和输变电行

21、业的许多技术难题。核电设备的绝缘罩壳支撑用的异种金属紧固 件就是通过摩擦焊完成的。由于输变电行业正越来越多的以铝芯电缆代替铜芯电缆， 而铝质电缆连接件的机械强度无法保证。使用铜铝连接件是解决这一问题的最好方 法。但使用传统的焊接方法会因非导电氧化物、腐蚀以及应力造成的蠕变而减低接头 的导电性，采用摩擦焊则有效的解决了上述问题。1.3摩擦焊接优缺点及技术经济效果 1.3.1摩擦焊接优点(0固态焊接摩擦焊接过程中，被焊材料通常不熔化，仍处于固相状态，焊合区金属为锻造组 织。与熔化焊接相比，在焊接接头的形成机制和性能方面，存在着显著区别。首先， 摩擦焊接头不产生与熔化和凝固冶金有关的一些焊接缺陷和焊

22、接脆化现彖，如粗大的 柱状晶、偏析、夹杂、裂纹和气孔等；其次，轴向压力和扭矩共同作用于摩擦焊接表 面及其近区，产生了一些力学冶金效应，如晶粒细化、组织致密、夹杂物弥散分布， 以及摩擦焊接表面的“自清理吟乍用等；再者，摩擦焊接时间短，热影响区窄，热影响 区组织无明显粗化。上述三方面均有利于获得与母材等强的焊接接头。这一特点是决 定摩擦焊接头具有优异性能的关键因素。(2) 广泛的工艺适应性上述特点亦决定了摩擦焊接对被焊材料具有广泛的工艺适应性。除传统的金属材 料外，还可焊接粉未合金、复合材料、功能材料、难熔材料等新型材料，并且特别适 合于异种材料，如铝一铜、铜一钢、高速钢一碳钢、高温合金一碳钢等的

23、焊接，甚至 陶瓷一金屈、硬质合金一碳钢、钩铜粉末合金一铜等性能差异非常大的异种材料亦可 采用摩擦焊接方法连接。因此，为了降低结构成本或充分发挥不同材料各自性能优势 而采用界种材料结构时，摩擦焊接是解决连接问题的优选途径之一。对某些新材料， 如高性能航空发动机转子部件采用的u700高铝高钛镰基合金和飞机起落架采用的 aisi4340（300m）超高强钢等，由于合金元素含量较高，采用熔化焊接可能在焊接或焊 后热处理过程中产生裂纹，熔焊焊接性较差，而摩擦焊接已被确认为是焊接这类材料 最可靠的焊接方法。摩擦焊接还具有广泛的结构尺寸和接头形式适应性。现有的摩擦焊机可以焊接截 面积为1161 000 mm

24、2的中碳钢工件。可用于管对管、棒对棒、棒对管、棒（管）对板 的焊接，也可将管和棒焊接到底盘及突岀部位，在任何位置都可以实现准确定位。（3）焊接过程可靠性高摩擦焊接过程完全由焊接设备控制，人为因素影响很小。焊接过程中所需控制的 焊接参数较少，只有压力、时间、速度和位移。将计算机技术引入到摩擦焊接过程控 制中，对焊接参数进行实时检测与闭环控制，可进一步提高摩擦焊接过程的控制精度 与可靠性。摩擦压力控制精度可达±0.3mpa,主轴转速控制精度可达±0.1%。（4）焊件尺寸精度较高由于摩擦焊接为固态连接，其加热过程具有能量密度高、热输入速度快以及沿整 个摩擦焊接表而同步均匀加热等特

25、点，故焊接变形较小。在保证焊接设备具有足够大 的刚性、焊件装配定位精确以及严格控制焊接参数的条件下，焊件尺寸精度较高。焊 接接头的长度公差和同轴度可控制在±0.25 mm左右。（5）高效一般说来，摩擦焊接的牛产效率要比其它焊接方法高一倍至一百倍，非常适合于 大批量生产。若配备有自动上下料及焊前、焊后辅助工序的机械化装置，生产效率会 进一步提高。低耗摩擦焊接不需要特殊的焊接电源，所需能量仅为传统焊接工艺的20%左右，亦不 需耍填加其它消耗材料，如焊条、焊剂、电极、保护气体等，因此是一种节能、低耗 的连接工艺。（7）清洁摩擦焊接过程中不产生火花、飞溅、烟雾、弧光、高频和有害气体等对环境产

26、生 影响的污染源，是一种清洁的生产工艺。总之，摩擦焊接是一种优质、高效、低耗、清洁的先进焊接制造工艺，在高新技 术产业和传统产业部门具有巨大的技术潜力和广阔的市场应用前景。通过与计算机、 信息处理、软件、自动控制、过程模拟、虚拟制造等高技术的紧密结合，摩擦焊接正 在以高新技术面貌展现在人们面前。1.3.2摩擦焊接缺点和局限性（1）摩擦焊主要是一种工件旋转的对焊方法。对于非圆形横断面工件的焊接是很 困难的。盘状工件和薄壁管件，由于不容易夹固也很难焊接。（2）由于受到摩擦焊机主轴电动机功率和压力不足的限制，目前最大的焊接断面 为 200 cm2 o（3）摩擦焊机的一次性投资较大。因此只有当大批量集

27、中生产时，才能降低焊接 生产成本。1.3.3摩擦焊接技术经济效果（1）焊接质量好而u稳定。锅炉蛇形管和汽车排气门摩擦焊的废品率，由原来闪 光焊的10%和1.4%分别下降到0.01%。焊件尺寸精度高。焊接的柴油机预燃室全长 的最大误差为±0.1 %mm（2）焊接生产率高。发动机排气门双头自动摩擦焊机可达到8001200件/h。（3）生产费用低，由于焊机功率小，焊接时间短，故可节省电能。摩擦焊与闪光 焊比较，节省电能8090%左右。此外工件焊接余量小；焊前工件不需特殊加工清理; 有时焊接飞边不必去除；不需填充材料和保护气体等。因此加工成本与电弧焊比较， 可以降低30%左右。（4）能焊接异

28、种钢和异种金属。摩擦焊机既可以用于焊接普通的异种钢，也可以 用于焊接性能、差别很大的一种金属，其至可以将金属和非金属焊接起来，如铝和陶 瓷的焊接。（5）摩擦焊机容易实现机械化和自动化。操作简单，容易掌握和维护。工作场地 卫生，没有火花弧光及有害气体。1.4本章小结木章介绍了对摩擦焊接技术研究的目的和意义，并介绍了相关的摩擦焊接技术的 分类和摩擦焊的优缺点及技术经济效果。第2章 摩擦焊接机的结构设计2.1基本结构本焊机由主机、液压站、配电站、润滑油站四部分组成。主机又由床身、主轴箱、 尾座、轨道等部件组成。2.1.1主轴系统它由电动机、皮带轮、离合器、主轴和轴承等构成。主电机采用交流电动机，通

29、过皮带直接带动主轴旋转。主轴转速为2800r/min,电机功率为7.5kw。功率太大时造 成浪费，功率太小时将使主轴闷车，或使电机过载、发热而损坏。摩擦加热终了时， 利用惯性使主轴停车。2.1.2弹簧卡头摩擦焊机采用旋转卡头为自定心弹簧卡头和三爪卡头，前者适用于直径变化不大 的焊件，后者则用于直径变化较大的焊件。根据需要本焊机采用的是弹簧头。2.1.3移动夹具采用自行设计的v型铁和定位铁，并装有调整丝杆，可以适用于一定的直径范围, 此结构简单实用。2.1.4轨道采用凸矩形导轨，此结构不易积存切屑和脏物，并h刚度和承载能力大，安装、 调整都较方便。2.1.5离合詣采用的离合器需做到分离彻底，接合

30、柔和操纵轻便，工作特征稳定，从动部分转动 惯量小，方能使总体机床稳定。2.1.6控制系统用以实现旋转、加压等参数控制和程序控制。程序控制即控制焊机按预先规定的 动作次序完成送料、夹紧工件、摩擦加热、顶锻焊接和退岀焊件等操作。设计程序控制电路时应着重考虑各种继电器的动作顺序、各动作间的连锁以及各种器件的保护（如主轴电动机过载保护、夹头过热保护等）。本机床采用可编程控制器进行控制。2.2工作原理如图21, c-4a型摩擦焊机是一种进行连续驱动摩擦焊的设备。它是利用被焊 工件的相对转动，在轴向压力与扭矩作用下，利用焊接接触端面之间的相对运动及塑 性流动所产生的摩擦热，使接触面及其近区达到粘塑状态并产

31、生适当的宏观塑性变形, 当高温达到焊接温度吋，利用惯性迫使工件的相对转动停止。然后迅速将轴向压力加 大到顶锻压力，并保压一段时间，使两个工件牢固地焊接的一起。c4a型摩擦焊机是为生产小口径汽车排气阀而研制的摩擦焊机。汽车排气阀 12mm,杆头长 60mm （材料 21n）,杆 200mm （材料 40cr）。摩擦焊与闪光焊比较有突出的优点。主要是它的焊接质量高，稳定，废品率低， 且具有较广泛的可焊性，能够焊接性能和差较大的异种金属。劳动条件好，易于实现 自动化，耗电低。因此它是一种有广泛发展前途的焊接工艺。摩擦焊机则是实施这一 工艺的设备。本焊机的特点：采用惯性刹车，旋转夹具是可以更换的弹簧卡

32、头，移动夹具有调 整丝杠，使焊机具有较大的通用性。精度高，结构简单，工艺性好，受热面小，具有 较高机械负荷、热负荷性能，在高温下能很好的承受冲击、耐磨、耐腐蚀以及很好的 密封性。3e述电龙机图2.1工作原理示意图2.3本章小结本章介绍了摩擦焊接机的总体方案和该机的工作原理，摩擦焊接机由电动机提供 动力源，采用v带传动，通过离合器使动力源分离，达到主轴停车的冃的。总体结构 相对简单紧凑。第3章摩擦焊接机的参数确定3.1焊机的主要技术参数由于是采用原焊接机上进行改进，所以采用原焊接机的工作参数。具体数据如下:(1)主轴转速n=2500r/min(2)摩擦压强pm=140n/ mm2(3)摩擦时间t

33、m=4s(4)顶锻压强pm=300n/?7m2(5)顶锻压力34kn(6)顶锻保压时间td=3s(7)系统压力6.3mpa(8)夹紧力4 5mpa(9)工件工作切向力2kn(10)工作时间40s/min loh/t 320t/y(11)工件直径12mm(12)工件长度旋转端60mm移动端200mm(13) 尾座最大行程(14) 主电机(15) 液压泵电机250mm型号:y132s2额定功率7.5kw-514 额定功尊转速 3000r/minm 7.5kw 转速型号：jo2-1450r/min(16)润滑泵电机型号：额定功率转速(17)液压泵(双级叶片泵) 型号：ybn额定压力7mpa转速145

34、0r/min 流量20 401/min(18)润滑泵(齿轮泵)型号：额定压力转速流量(19) v 带型号：a型数量3根3.2焊机的可调参数(1) i级摩擦压力pl(2) ii级摩擦压力p2(3) 夹紧压力p3(4) 顶锻压力p4(5) i级摩擦时间t1(6) ii级摩擦时间t2(7) 顶锻时间t3(8) 主轴旋转开始到平稳时间t4(9) 顶锻结束后，溜板退回原位吋间 t5t1t6由plc计时器调定，压力由液压缸调定。当焊接其他规格的管件或棒料 时，根据其直径的大小，管件壁厚增加或减少，既是焊件的焊接面积的大小。对上述 参数相应的增大或减少，并先观察飞边的大小。测量变形量的大小最后决定上述参数。

35、3.3焊接工艺参数连续驱动摩擦焊机工艺参数主要有工件转速、摩擦压力、摩擦时间、顶锻压力、 顶锻时间、停车吋间和顶锻滞后吋间等。(1) 转速和摩擦压力 主轴转速和摩擦压力影响摩擦加热功率的人小。当工件 直径一定时，转速越高，则摩擦速度越高，结合面温度也越高。但转速过高时，摩擦 端面塑性变形层厚度将减小，深塑区向轴心移动，不利于杂质排除和接头封口。对于 实心圆断面低碳钢焊件，平均摩擦线速度的选用范围一般为0.63.0m/so(2) 摩擦时间 摩擦时间影响加热程度、轴向变形量和焊接能量的消耗。合理 的摩擦时间应能使接头在加热阶段终了时形成较厚的变形层和较小的飞边，而在顶锻 阶段产生较大的轴向变形和较

36、大的飞边。这样整个飞边的尺寸不大，但形状封闭圆滑, 有利于改善接头的焊接质量。焊接时间通常在4s左右。当摩擦变形速度一定时，摩擦 变形量和摩擦吋间成正比。因此可用摩擦变形量代替摩擦吋间来控制摩擦加热过程。(3) 停车时间和顶锻滞后时间停车时间直接影响接头的摩擦扭矩、变形层厚度 和焊接质量。延长停车时间，摩擦扭矩后峰植和变形层厚度将会增大。停车时间的选 取范围通常为0.1is。改变顶锻滞后时间可以调节后峰值和变形层厚度。在停车前施 加顶锻压力或者停车时不制动都会使变形层厚度增大，但也可能会引起后峰值扭矩过 大和金属组织扭曲。(4) 顶锻压力顶锻压力应能使变形层中的氧化物和其他有害杂质全部挤出，并

37、对接头金属进行锻压，以获得结合紧密、晶粒细小、性能优良的焊接接头。顶锻压力大小取决于焊件材料、温度及变形层厚度，也与摩擦压力有关。材料高温强度高、接头区温度低或变形层较薄吋，顶锻压力应取大一些，其范围为100200mpa。一般顶锻压力宜为摩擦力的23倍，顶锻量为16mm,顶锻速度1040mm/s。3.4本章小结本章对摩擦焊接机的主要参数进行计算确定。为下一章的摩擦焊接机设计确定主 要数据，主轴转速（2500r/s）、工件工作切向力（2kn）、工件直径（12mm）及v带的 根数（3根）等。第4章 主要零件的结构设计与计算4.1 v带轮结构设计计算电机选择：工件工作切向力f=2kn。t、 = f

38、厂=2 x 10' x 12 x 10 n 加=24 n m955024x25009550kw二 6-28kw查简明机械设计手册冋，普通v带工作效率为0.98。p, =- = kw = 6.54kw70.980.98查简明机械设计手册问，选取电机额定功率7.5kw为y-132s2-2型号。电机同步转速 3000r/min,满载转速=2900r/mino 工作主轴转速 /i2=2500r/mino传动比：'二亭豐沙 =2900川鈕=6工作圆盘转速勺 2500 r. min(1) 确定计算功率pcpc二mp式屮：p 带传动传递的额定功率(电动机的额定功率)ka工作情况系数(表87)

39、 1101,查得心=1.1&=1.1 x7.5 = 8.25 kw(2) 初选带的型号根据=825kw和® =2500r7min,选用a型带。(3) 确定带轮基准直径。和卩小带轮的基准直径卩应根据带型预先选用大于或等于表(8-9)何中所示的0询，q过小带的弯曲应力会过大，这样会降低带的使用寿命，卩过大带的使用寿命虽然有 延长，但带传动的外部尺寸却会随之增大。所以适当选择小带轮的基准直径使9>0nin，并取为标准值，从动轮基准直径可由式<8-9)何得出：大带轮的基准直径：d2=d(- n2取小带轮基准直径d =125mm大带轮基准直径 d,= (1-s) 2i

40、63;l=(1_0.01)x125x2900 =抽&5咖n22500(设 8=1%,取d2 = 150mm)大带轮转速n2= (1-s) 如=(1 0.01)x125x2900 2415r/mm-d2150(4) 验算带速uv = 也® =兀x125x2900 皿人=18.97m/s (u在5 25m/s) 60x100060x1000(5) 确定中心距g和v带的基准长度厶d1) 根据传动的结构初定中心距心2(£)| + d2) >a> 0.55(d + d2) + h (a型带高h=8mm)2(125 + 150)>a> 0.55(125

41、+ 150) + 8550 >«> 159.25初步确定中心距6/0 =400mm2) 确定带的基准长度匚l =+26/4-= 3.14x137.5+ 2x400+= 1232/7/m”a400(4.6)由表(8-3)选取接近厶的基准长度厶取厶d=1250mm3) 确定中心距g,计算实际中心距a中心距a = 5+1j(厶一加打)2_8庄1250-3.14x137.57(1250-3.14x137.5)2 -8x12.52=408.93mm。取 a=410mm（6）验算小带轮上的包角oq爪180。-骨x6080。-罟存x6078.2。（至少应大于90j（7）确定单根带所能传

42、递的额定功率人及其功率增加量代根据带型、厲和卩查（图84）何得代；再按传动比查得&<>取垃=3.05kw ,£）= 0.2skw（8）确定v带的根数在z刖（+£）&*式中：k厂包角修正系数（表88） 10,取k“=l带长修正系数（表83） （10,取©=0.93pcs+m)k 凤8.25(3.05 + 0.28)x1x0.93=2.66故取z=3（9）确定初拉力保持适当的初拉力是带传动正常工作的首要条件。初拉力不够，带在传动过程中 会出现打滑现象；初拉力过大，会增大轴和轴承承受的压力，还会降低带的使用寿命, 考虑离心力的影响，单根v带所

43、需初拉力为：f；=500xx (-1 ) +qvvz ka式中：q普通v带每米长的质量（kg/m）,查表（8-2）i101z型带单位长度的质量g=0kg/m= 500fx空产+ 9宀 500x崩牛1 + 0冈9.6143.4n(10)计算有效圆周力巧匸 loooxpcv厂 loooxpc looox&25 彳“ °c"ft =434 89n'v18.97(11)计算带传动作用在轴上的压力为了设计安装带轮的轴和轴承，必须确定传动作用在轴上的压力fq:fo = 2zf°sin乞=2x3xl43.4xs加 / '二 860.4n ° 0

44、 2 2(12)带轮结构设计1) 带轮轮槽尺寸及精度要求带轮轮槽尺寸查(表8-13) 1,01,尺寸如表31所示:表31轮槽的尺寸槽型基准宽 度hah槽间距efaminbdminmin基本值极限偏 差累积极限偏差mina113.5815±0.3±0.6106带轮宽b=(z-l)e + 2/(z-轮槽数);da = 6?+2 ha ；斤=0.20.5 ,石=0.51.0；(p = 34°±0.5° ( d < 80/71772), (p - 38°±0.5° ( j > 80mm )；精度要求：槽间距累积

45、误差±0.6；两槽的基准直径差±0.4；圆跳动0.2 (基准直径20100), 0.5 (基准直径250-400)o2) 带轮结构<1>小带轮结构小带轮直接安装在离合器轴上，首先确定离合器轴的尺寸。离合器轴径为 d=34mm,外伸端长度e=60mm,则带轮轮毂孔直径<70=34mm,为了带轮轴向定位的 可靠，带轮轮毂宽度应大于电动机轴的外仲长度，取62mmo带轮结构的确定：带轮的基准直径d = 125mm , £ < 300mm采用实心轮结构； 键槽尺寸查（表72），轴径d=34mm在3038mm范围内，查这一行，键的尺寸 为10mmx8m

46、m,键槽宽度为8mm,键槽深度=5.0mm （其它尺寸参考图8-710）,由 结构定的尺寸必须圆整为整数。带轮基准直径：d =125mm轴径：do=34mm轮毂宽：l =62mm小带轮宽：b > （z -1） + 2/ = （2 -1）x 15 + 2x 10 = 50 mm,取 b=50mm轮毂外直径：d = （1.82） do=61.268mm,取dx =65mm带轮外径：da >d2ha = 125+ 2x3.5 = 132mm,取d“=132mm<2>大带轮结构毂孔直径应该根据轴的强度及结构设计而定轴径do=4omm, d < 300mm时，采 用腹板式带

47、轮。查（表8-12） 10,轴孔直径在3840mm的a型带所在的行和带轮 直径d=150mm所在列确定带轮的结构为实心轮;键槽尺寸查（表7-2）1,01,轴径d=40mm 在3844mm范围内，查这一行，键的尺寸为12mmx8mm,键槽宽度为8mm,键槽 深度/产5.0mm （其它尺寸参考图8-7由结构定的尺寸必须圆整为整数。带轮基准直径：d= 150mm轴径：=40mm大带轮宽：b = （z-l）e + 2/ = （2-l）xl5 + 2xl0 = 50mm,取 b=50mm带轮外径：da >d + 2ha =150 +2x3.5 = 157mm,取d“=157mm3）带轮材料选取ht

48、150的灰铸铁（带轮应质量小，结构公益性好，无过大的铸 造内应力，质量分布均匀，轮槽工作面要精细加工，表面粗糙度一般应为3.2,以减少 带的磨损，各槽尺寸和角度应保持一定的精度，以使载荷分布较为均匀等）。4.2传动主轴的结构设计计算及校核(1) 估算轴的基本直径选用45钢，正火处理，估计直径d < 100mm.由表(11-1)查得ah =600mpa由式:d >c3(4.13)式中：p轴的递功率n=0.95x8.25=7.75kw为轴的转速n =2500r/minc计算常数，由轴的材料和受载情况确定的系数，查表(113) 11c 取 0110j >hox3|221 =16mm

49、2500所求为最小轴径，应为装带轮处的受扭转轴的直径，考虑到在此处开一键槽。因为摩擦焊机主轴所承受的力矩主要是和带轮相连接的那部分，那部分轴以承受 扭矩为主，而木轴采用的是阶梯轴。所以只要和带轮连接的这部分符合轴的静刚 度即可。借鉴其它的相关资料本摩擦焊机的主轴直径为40mmo(2) 轴的结构设计：1) 确定各轴段直径：表4-1传动轴的直径确定轴段直径/mm说明带轮处40按传递转矩估算得基本直径油封处46为满足带轮的轴向固定要求而设一轴肩，由表11-211,轴肩高度g = (0.07 0.1)j = 2.8 4mm ,取 a=3mm轴承处50因轴承需要承受径向力及轴向力，故选用深沟球轴承，为方

50、便 轴承从左端装拆，轴承内径应稍大于油封处轴径，并符合滚动轴承 标准内径，故取轴径为50mm,初定轴承型号为6210。轴肩处60此段处于立式轴承座中，进行轴承的轴向固定起承载作用。轴 肩高度a二（0.070.1）d = 3.55mm 为方便轴承拆卸,轴 肩高度不能过高，按6210型轴承安装尺寸，取轴肩高度为 a = 5 mm连接处64此处为连接工作段和轴肩处，根据结构设计此处工作处70此处为弹簧夹盘工作处，根据结构设计此处。2）确定各轴段长度:表4-2传动轴的长度确定轴段轴段长度/mm说明带轮处48已知带轮宽度为50mm,为保证轴轴端扌当圈能压紧带轮，此段轴 长应略小于带轮宽度，故取48mm左

51、侧油封处35此段长度包括两部分：为便于轴承盖的装拆及对轴承加润滑脂，轴承盖外端面与带轮右端面的间距为20mm,轴承左端面与轴承盖外端面的间距为15mm,此段轴长为（20+15） =35mm左端轴承处62轴承内圈宽度查表为20mm,由于采用双轴承支撑，所以轴承间 采用套筒。此轴段长为（20x2+22） =62mm轴肩处31此处由资料设定，由于不承载零件，所以不作改动。连接处152此处由资料设定，由于不承载零件，所以不作改动。工作处163此段轴是工作零件集屮安装处，按结构设计。全轴长491(48+35+62+31 + 152+163) mm=491mm（3）传动零件的轴向定位带轮处采用c型普通平键

52、，为键c12x8x40 gb/t1096-2003qbcd9(5)图4传动轴的校核轴的受力分析及校核（如图43）求轴传递的转矩1)=7.75x955x1° = 29.6x2 nxmm = 29.6n m25002)式中:p 轴的传递功率轴的转速求轴上作用力40(4.15)3)确定轴的跨距参考课程设计手册查6210型轴承和6214型轴承结合安装结构。故:i、=89mm l2 =268mm（6）按当量弯矩校核轴的强度1）作轴的空间受力简图（如图4.4）2）根据力和力矩平衡可得在水平平面内的支反力raz =rliz=0在垂直平面内的支反力ray =rby =0由于的作用，在支点a、b处的支

53、反力，由yma=o得心少_ fqci = 0得巫二聲= 860.4x107 3.4n恥h268rao = rbo + fq =860.4 + 343.4 = 1203.83）求弯矩mxm a = ftxl = 17500nmm（49）mb=fwfax【2 =29600nmm（4.20）4）作弯矩图（如图4. 5）5）按当量弯矩校核轴的强度截面d的弯矩、转矩皆为最大，ii相对尺寸较小，所以是危险截面，应予校核。 轴校核 d >j = #93.7x10% x65 = 24.3mm < 46mm （故所选轴安全）因此，轴的强度足够。4.3滚动轴承的选择及校核由力的分析知，左侧6210型深

54、沟球轴承为危险轴承，所以只校核该轴承。（1）初选轴承型号 为深沟球球轴承，初选6210,查手册得：cr =35000ncor =23200n（2）计算当量动载荷 因带轮传动受径向力较小，轴向载荷大致为fa =860.4n, 因 fd/c“ =0.024,查表（126） 11, =0.22。x=0.56y=1.99(4.23)由表12-7,取/? =1.1,可得当量动荷为：p = fd（xfr+yfa ） = 1.lx （0.56x 1203.8 + 1.99x 860.4） = 2625 n（3）校核轴承寿命苴未好it圭厶卩16670 c f 16670 35x10 3 “基本额定寿命厶0力=

55、（）=（）=39736/?10/, n p 2500262540设计要求：若以10年为限，则£ = 10x320xl0x= 21333/260因为厶m > l ,故所选轴承合理。4.4键的选择及校核（1）选择键的类型：选择c型普通平键（大小带轮处）（2）确定键的尺寸：由表（10-5）】得。d>3844时，键面尺寸应选为：b=12mm /z=8mm参考带轮轮毂宽度及键长厶的尺寸系列（静联接时，一般键长可比轮毂小510 mm）,故取大小带轮处厶=40mmo标记：带轮处 gfi/tl 096-2003键12x8x40（3）强度校核：挤压强度按式得，并取k = h/2j = l-

56、b.则工作表面的挤压应力为：dp = 2t/dkl（4.25）式中:转矩d 轴径八键的工作长度键与轮毂槽的接触高度（近似可取k = h/2 ）查表106山】得 =100120带轮处5=8.21<耳4.5本章小结本章为摩擦焊接机主轴箱的主要传动部分进行设计。对摩擦焊接机的电动机的型 号，带轮结构、v带的型号和根数，主轴、键和轴承型号等进行选择、计算及校核。 经计算校核选取的主轴、键、和轴承符合强度耍求。第5章总体结构设计5.1弹簧的选择及校核此摩擦焊机的弹簧卡头连接着一个弹簧，它和弹簧卡头一起安装在主轴内，轴的内径为 70mm, fniax = 500/v o(1) 假设弹簧丝d为4mm,弹簧平均直径d2 = 30mm ,则旋绕比c= d2 /d=30/4=7.5(