C型搅拌摩擦焊机机械结构设计

南昌航空大学科技学院毕业设计论文--1C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（TheweldingInstitute-TWI）发明了搅拌摩擦焊(FrictionStirWelding，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。南昌航空大学科技学院毕业设计论文--21.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1－1）（图1－2）南昌航空大学科技学院毕业设计论文--3（图1－3）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1－4‘a～h’）南昌航空大学科技学院毕业设计论文--4（图1－5搅拌摩擦焊的工作情况）（图1－6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(TheWeldingInstitute,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。焊接南昌航空大学科技学院毕业设计论文--5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。南昌航空大学科技学院毕业设计论文--6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.南昌航空大学科技学院毕业设计论文--72.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：900×600×55重量：按重量＝体积×材料比重估算N32310317.2108.71055600900；X向拖板（下拖板）尺寸：1771×700×55重量：N310318.5；导轨及滑块重量查表得：38.64kg380N；夹具及工件重量：约160N；步进电动机：15.8N;底座：1427×900×55重量5.51310N；X-Y平台总重量：约1.372×410N。搅拌头向下的压力及行走抗力的计算：（略）压力p＝690N，行走抗力Hp=FP＝224N。2.1.2.平台导轨选用直线导轨型号BRHxxB&BRHxxBL南昌航空大学科技学院毕业设计论文--8图2－1经计算，选用BRH30B型直线导轨。南昌航空大学科技学院毕业设计论文--92.1.3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PffLQHw3查表得系数wf＝2，Hf＝1，寿命值L=61060nT查表得使用寿命时间T＝1500h，初选丝杠螺距t=5mm，的丝杠转速min)/(10055.010001000maxrtVn所以L＝90101500100606Y向丝杠牵引力：21.442241.440.01(2317160)260()yxyPPfGN当X向丝杠牵引力：21.442241.440.01(132005510)335()xxxPPfGN当所以最大动负荷Y向390212602330()yQNX向390213353003()xQN查表，取滚珠丝杠公称直径0.20d，选用滚珠丝杠螺母副的型号为LL20×5-2.5-E2左（两只），其额定动载荷为8630N，足够用。南昌航空大学科技学院毕业设计论文--10（2）滚珠丝杠副的几何参数计算见下表：表2－3名称符号计算公式和结果（mm）螺纹滚道公称直径0d20螺距t5接触角45。钢球直径da3.175螺纹滚道法面半径RR=0.52da=1.615偏心距e(/2)sin0.0449aeRd螺纹升角=arctg0td=433。，螺杆螺纹外径dD=0d－(0.2~0.25)da=19.302螺纹内径dtdt=0d＋2e－2R=16.79螺杆接触直径dzdz＝0d－dacos=17.76螺母螺母螺纹外径DD=0d－2e＋2R＝23.21螺母内径（外循环）D1D1＝0d+(0.2～0.25)da＝20.7（3）传动效率计算4330.96()(43310)tgtgtgtg。，。，。＝式中：－摩擦角；－丝杠螺纹升角。南昌航空大学科技学院毕业设计论文--11（4）刚度计算01PLLEFX向牵引力大，故应用X向参数计算，P=335(N)，0L=0.5(cm)，E=20.6×106(N/cm2)(材料为钢)F=2R=3.14221.679()2R=2.213(cm2)6163350.53.67410()20.6102.213Lcm丝杠因受扭矩而引起的导程变化量2L很小，可以忽略。所以导程误差6101001002.544105.09(/)0.5LmmL查表知E级精度的丝杠允许误差为15m，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b取系统脉冲当量p＝0.01mm/step，初选步进电机步距角b＝1.5。（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TPS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＝b，则S＝p，且()izPpGP，所以南昌航空大学科技学院毕业设计论文--1236[()]2pizbpGPTcm　　（N）式中：ip－移动部件负载（N）；G－移动部件重量（N）；zP－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；b－步进电机步距角（rad）；T－电机轴负载力矩（cmN）。取＝0.03（淬火钢珠导轨的摩擦系数），＝0.96，zP为丝杠牵引力，zP＝HP＝335N。考虑到重力的影响，X向电机负载较大，因此取G=yG＝7690N，所以360.01[3350.037690]21.50.96Tcm　=22.52　（N）若不考虑启动时运动部件惯性的影响，则起动力矩0.3~0.5qTT安全系数为0.3，则22.5275.070.3qT（N·cm）（3）步进电机的最高效率maxmax100010000.5833.3()60600.01zpVfH查表选两个75003BFⅡ型步进电动机。电机的有关参数见表2－4。2.1.5X-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b＝1.5，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。传动比南昌航空大学科技学院毕业设计论文--13123600.013600.481.551.55pZZ一、涉及公式：d=mZ,0d=d+2m，fd=d-2×1.25m，b=(3~6)m，a=122dd.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表面淬火齿轮1硬度取值范围HBSP1=45-50齿轮1硬度HBS1=48南昌航空大学科技学院毕业设计论文--14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表面淬火齿轮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Ⅰ组精度JD11=7齿轮1第Ⅱ组精度JD12=7齿轮1第Ⅲ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Ⅰ组精度JD21=7齿轮2第Ⅱ组精度JD22=7齿轮2第Ⅲ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β=0.0000000(度)基圆柱螺旋角βb=0.0000000(度)南昌航空大学科技学院毕业设计论文--15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Φd1=0.2