雙攪拌軸攪拌摩擦焊機(jī)設(shè)計(jì)[三維PROE]【2013年最新整理畢業(yè)論文】

浙江理工大學(xué) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 題 目 雙攪拌軸攪拌摩擦焊機(jī)設(shè)計(jì) 學(xué) 院 機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院 專(zhuān)業(yè)班級(jí) 09機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化（ 4）班 姓 名 陳偉杰 學(xué) 號(hào) B09300405 指導(dǎo)教師 李紅軍 系 主 任 胡明 學(xué)院院長(zhǎng) 胡旭東 二 一三 年 五 月 十二 日 浙 江 理 工 大 學(xué) 機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)誠(chéng)信說(shuō)明 我謹(jǐn)在此保證：本人所做的畢業(yè)設(shè)計(jì)，凡引用他人的研究成果均已在參考文獻(xiàn)或注釋中列出。設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)與圖紙均由本人獨(dú)立完成，沒(méi)有抄襲、剽竊他人已經(jīng)發(fā)表或未發(fā)表的研究成果行為。如出現(xiàn)以上違反知識(shí)產(chǎn)權(quán)的情況，本人愿意承擔(dān)相應(yīng)的責(zé)任。 聲明人（簽名）： 2013 年 5月 12 日 摘 要 攪拌摩擦焊技術(shù)是 90 年 代發(fā)展起來(lái)的、自發(fā)明到工業(yè)應(yīng)用時(shí)間跨度最短和發(fā)展最快的一項(xiàng)新型固相連接新技術(shù)，公認(rèn)為是最有前途和最適合航空材料以及結(jié)構(gòu)件制造的工藝方法之一。 攪拌摩擦焊（ FSW）是一個(gè)相對(duì)較新的固態(tài)焊接過(guò)程。這種連接技術(shù)具有節(jié)能，高效，環(huán)保，用途廣泛的特點(diǎn)。特別是，它可以用于高強(qiáng)度航天鋁合金和其他金屬的合金，這些合金是很難通過(guò)常規(guī)焊接熔焊。 FSW 被認(rèn)為是金屬連接在十年的發(fā)展中最有標(biāo)志性的成果。 6 本文設(shè)計(jì)出的雙攪拌軸摩擦焊焊機(jī)，總功率約 3千瓦，適合于普通厚度的鋁及其合金的工藝試驗(yàn)試件的焊接，攪拌摩擦頭轉(zhuǎn)速約 6000r/min，焊接速度為500 600mm/min，最大加工焊縫厚度 15mm，焊縫長(zhǎng)度 500mm。文中介紹了攪拌摩擦焊焊接技術(shù)的基本原理和特點(diǎn)，概要地介紹了攪拌摩擦焊的技術(shù)優(yōu)勢(shì)、研究現(xiàn)狀、工業(yè)應(yīng)用和發(fā)展前景。針對(duì)工藝試驗(yàn)試件攪拌摩擦焊機(jī)，主要設(shè)計(jì)、計(jì)算和校核了設(shè)備各主要部分，均能夠滿足試驗(yàn)用焊機(jī)的要求。 本機(jī)器由于采用雙攪拌頭，因此相對(duì)于一般的攪拌摩擦焊焊機(jī)效率更高。相對(duì)于一般的攪拌摩擦焊焊機(jī)，該機(jī)器也非常的經(jīng)濟(jì)和容易操作。 關(guān)鍵詞 ：雙攪拌軸摩擦焊；固相焊接；鋁合金焊接；焊機(jī)設(shè)計(jì) Abstract Friction stir welding (FSW) was firstly used in the 1990s, which is swiftest in development and is shortest in time from being invented to being applied, it is also treated as one of the technology that have a bright future and the most suitable for aviation and component manufacture.Friction stir welding (FSW) is a relatively new solid-state joining process. This joining technique is energy efficient, environment friendly, and versatile. In particular, it can be used to join high-strength aerospace aluminum alloys and other metallic alloys that are hard to weld by conventional fusion welding. FSW is considered to be the most significant development in metal joining in a decade. This task is to sign a machine used in laboratory. Its power is about three kilowatt, rotation rate approximately is 6000r/min, and welding speed is from 500 to 600mm/min. It can be apply to welding the aluminum and aluminum alloys. In addition, the welding thickness cant exceed 15mm and length 500mm. In this paper, the basal principle and features of FSW is introduced, and the priority, prospect and application are also expounded. Importantly, main parts of the FSW machine was designed and calculated, the calculation results shows that the FSW machine designed in the paper can accord with the demand of the testing in laboratory. The advantage of this machine is that it is more efficient than the normal FSW machine because it has a twin-stir.Compared with other machine,it is also very cheap and easy-to-use. Key words： Twin-stir Friction welding； Solid phase welding； Aluminum alloys welding； Application prospect； Welding machine design 目 錄 摘 要 Abstract 第 1 章 緒論 . 1 1.1 攪拌摩擦焊簡(jiǎn)介 . 1 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) . 6 1.2.1 攪拌摩擦焊技術(shù) 發(fā)展歷史及研究成果 . 6 1.2.2 國(guó)內(nèi) 攪拌軸摩擦焊技術(shù) 發(fā)展發(fā)展應(yīng)用 . 7 1.2.3 攪拌摩擦焊中 雙攪拌軸摩擦焊技術(shù)目前的應(yīng)用情況和前景 . 9 1.3 本次設(shè)計(jì)的內(nèi)容和意義 . 10 第 2 章 雙攪拌軸攪拌摩擦焊機(jī)設(shè)計(jì) . 11 2.1 焊機(jī)的總體設(shè)計(jì)以及規(guī)劃 . 11 2.2 各部件設(shè)計(jì) . 12 2.2.1 攪拌頭及夾具設(shè)計(jì) .12 2.2.2 攪拌系統(tǒng)功率計(jì)算 .13 2.2.3 攪拌系統(tǒng)傳動(dòng)齒輪設(shè)計(jì) .14 2.2.4 攪拌軸的設(shè)計(jì) .19 2.2.5 攪拌系統(tǒng) V 帶設(shè)計(jì) .24 2.2.6X-Y 工作臺(tái)設(shè)計(jì) .30 2.2.7 傳動(dòng)絲杠設(shè)計(jì) .31 2.2.8 減速齒輪的設(shè)計(jì) .34 2.2.9 液壓缸選擇 .37 第 3 章 AUTOCAD 與 PRO/E 軟件簡(jiǎn)介 . 34 3.1 軟件簡(jiǎn)介 . 34 3.2 三維模型 . 35 第 4 章 總結(jié)與展望 . 37 參考文獻(xiàn) . 37 致 謝 . 37 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 雙攪拌軸攪拌摩擦焊機(jī)設(shè)計(jì) 2 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 雙攪拌軸攪拌摩擦焊機(jī)設(shè)計(jì) 4 第1 章 緒論 1.1 攪拌摩擦焊簡(jiǎn)介 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 1991 年攪拌摩擦焊 (Friction stir Welding FSW)由英國(guó)焊接研究所 (The Welding lnstirate-TWl)發(fā)明，這項(xiàng)杰出的焊接技術(shù)一步一步地為世界制造技術(shù)的進(jìn)步做出了巨大的貢獻(xiàn)。 自 1991 年攪拌摩擦焊 (Friction stir Welding FSW)被發(fā)明到現(xiàn)在，該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外的眾多領(lǐng)域出現(xiàn)它的身影。如今，攪拌摩擦焊焊已經(jīng)在諸多制造領(lǐng)域（船 舶、軌道列車(chē)、航天、航空、汽車(chē)、兵器、電子電力等）達(dá)到規(guī)?；⒐I(yè)化的應(yīng)用水平。如在船舶制造領(lǐng)域，在 1996 年攪拌摩擦焊就在挪威 MARINE公司成功地應(yīng)用在鋁臺(tái)金快速艦船的甲板、側(cè)板等結(jié)構(gòu)件的流水線制造。在軌道車(chē)輛制造領(lǐng)域，日本 HITACHI 公司首先于 1997 年將攪拌摩擦焊技術(shù)應(yīng)用于列車(chē)車(chē)體的快速低成本制造。成功實(shí)現(xiàn)了大壁板鋁合金型材的工業(yè)化制造在世界宇航制造領(lǐng)域攪拌摩擦焊已經(jīng)成功代替熔焊實(shí)現(xiàn)了大型空間運(yùn)載工具如運(yùn)載火箭和航天飛機(jī)等的大型高強(qiáng)鋁合金燃料貯箱的制造，波音公司的 DELTA II 型和 Iv型火箭 已經(jīng)全部實(shí)現(xiàn)了攪拌摩擦焊制造 t 并于 1999 年首次成功發(fā)射升空。 2000年世界汽車(chē)工業(yè)，如美國(guó) TOWER 汽車(chē)公司等就利用攪拌摩擦焊實(shí)現(xiàn)了汽車(chē)懸掛支架、輕合金車(chē)輪、防撞緩沖器、發(fā)動(dòng)機(jī)安裝支架以及鋁合金車(chē)身的焊接。 2002年 8 月，美國(guó)月蝕航空公司利用 FSW 技術(shù)研制出了全攪拌摩擦焊輕型商用飛機(jī)，并且首次試飛成功 7。 至 2004年 9月，全世界約有 130家各個(gè)行業(yè)的公司和大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)獲得了英國(guó)焊接研究所授權(quán)的攪拌摩擦焊非獨(dú)占性專(zhuān)利許可。英國(guó)、美國(guó)、法國(guó)、德國(guó)、瑞典、日本和中國(guó)等先后獲得了該專(zhuān)利的使用權(quán)。至今為止我 國(guó)先后已經(jīng)有二十多家單位。獲得了該項(xiàng)專(zhuān)利的使用權(quán) 8。 雙攪拌軸摩擦焊縫技術(shù)作為攪拌摩擦焊技術(shù)的一種，它的最大特點(diǎn)就是可以提高生產(chǎn)效率。同時(shí)，它也可以使得焊縫區(qū)域更大，焊接質(zhì)量更高。目前存在的雙攪拌軸一般 采用兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)相反的攪拌頭同時(shí)進(jìn)行焊接。 在不久的將來(lái)，攪拌摩擦焊技術(shù)將會(huì)一直以任何一種焊接方法無(wú)法比擬的速度發(fā)展，在更多的領(lǐng)域發(fā)揮著它的作用 。 雙攪拌軸攪拌摩擦焊機(jī)設(shè)計(jì) 6 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 1.2.1 攪拌摩擦焊技術(shù) 發(fā)展歷史及研究成果 攪拌摩擦焊在其發(fā)明初期主要解決厚度 1.2毫米的鋁合金板材焊接問(wèn)題；1996年，用 FSW技術(shù)解決了 6 12毫米的鋁、鎂、銅合金的連接 1997年實(shí)現(xiàn)了 12-25毫米厚鋁合金板的攪拌摩擦焊并且在宇航結(jié)構(gòu)件上得到應(yīng)用。 1999年攪拌摩擦焊可以焊接 50毫米厚的銅合金及 75毫米厚度的鋁合金零件和產(chǎn)品。 2004年，英國(guó)焊接研究所已經(jīng)能夠單道單面實(shí)現(xiàn) 100毫米厚鋁合金板材的攪拌摩擦焊。迄今，在材料的厚度上，單道焊可以實(shí)現(xiàn)厚度為 0.8 100mm鋁合金材料的焊接：雙道焊可以焊接 180mm厚的對(duì)接板材。最近，又開(kāi)發(fā)了可以連接 0.4mm鋁板的微型攪拌摩擦焊技術(shù) 9。 攪拌摩擦作為 一種優(yōu)選焊接技術(shù)，已經(jīng)在從技術(shù)研究向高層次的工程化和工業(yè)化應(yīng)用階段發(fā)展。就拿國(guó)外的例子來(lái)說(shuō)：在美國(guó)的宇航制造工業(yè)、北歐的船舶制造工業(yè)、日本的高速列車(chē)制造等制造領(lǐng)域 10?？傊?dāng)嚢枘Σ梁敢呀?jīng)廣泛地涉及到了在船舶制造工業(yè)、航空航天工業(yè)、軌道交通及陸路交通工業(yè)、汽車(chē)工業(yè)以及兵器、建筑、電力、能源、家電等工業(yè)。 攪拌摩擦在今年來(lái)取得的成就主要可以從以下幾方面來(lái)體現(xiàn)： （ 1）攪拌摩擦焊在船舶制造工業(yè)上的應(yīng)用 目前攪拌摩擦焊在船用鋁合金的焊接方面研究應(yīng)用較多，幾乎可以焊接所有系列的鋁合金材料，另 外，攪拌摩擦焊也可以實(shí)現(xiàn)鋁合金與銅合金、鋁合金與鎂合金等不同材料的焊接。攪拌摩擦焊與普通摩擦焊相比，因不受軸類(lèi)零件的限制，可焊接直焊縫、角焊縫。傳統(tǒng)焊接工藝焊接鋁合金時(shí)要求對(duì)表面進(jìn)行去除氧化膜處理，并要求在 48 h內(nèi)進(jìn)行焊接，而攪拌摩擦焊工藝只要在焊前去除油污即可，并對(duì)裝配要求不高。因此，攪拌摩擦焊是船用鋁合金結(jié)構(gòu)首選的連接技術(shù)。 （ 2）攪拌摩擦焊在航天航空工業(yè)上的應(yīng)用 以英國(guó)焊接研究所、波音、空客以及美國(guó)月蝕公司為代表的攪拌摩擦焊技術(shù)開(kāi)發(fā)和應(yīng)用的先鋒已經(jīng)取得了豐碩的成果。近期的研究結(jié)果表明攪拌摩擦焊可以在 飛機(jī)機(jī)翼結(jié)構(gòu)、翼盒結(jié)構(gòu)、機(jī)身結(jié)構(gòu)、艙門(mén)結(jié)構(gòu)、裙翼結(jié)構(gòu)、機(jī)艙氣密隔板以及貨物裝卸結(jié)構(gòu)等方面得到應(yīng)用 11。 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 （ 3） 攪拌摩擦焊在高速列車(chē)鋁合金焊接的應(yīng)用 在攪拌摩擦焊出現(xiàn)后，攪拌摩擦焊由于是一種無(wú)需外加焊接材料的焊接方法，因此沒(méi)有熔化焊接時(shí)選擇焊接材料的困難，也節(jié)省了焊材費(fèi)用。更重要的是沒(méi)有熔化焊接凝固時(shí)的一次結(jié)晶過(guò)程，克服了焊接高強(qiáng)鋁合金時(shí)的結(jié)晶裂紋、氣孔和夾雜傾向，不會(huì)產(chǎn)生焊縫塌陷問(wèn)題，也不會(huì)形成焊縫鑄造組織和低強(qiáng)區(qū)。因此攪拌摩擦取代了先前的熔化焊，成為焊接高速列車(chē)時(shí)優(yōu)先選擇的焊接方法。 （ 4） 攪拌摩擦焊 在其他領(lǐng)域的應(yīng)用 攪拌摩擦焊除了上述 3個(gè)領(lǐng)域外，還在軌道交通及陸路交通工業(yè)、汽車(chē)工業(yè)在兵器、建筑、電力、能源、家電等工業(yè)中的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。而且都取得了或多或少的成就。 1.2.2 國(guó)內(nèi) 攪拌軸摩擦焊技術(shù) 發(fā)展發(fā)展應(yīng)用 2002 年，北京航空制造工程研究所與英國(guó)焊接研究所正式簽署攪拌摩擦焊專(zhuān)利許可協(xié)議，并在技術(shù)合作的基礎(chǔ)上成立了中國(guó)攪拌摩擦焊中心。中國(guó)攪拌摩擦焊中心的成立標(biāo)志著攪拌摩擦焊技術(shù)正式登陸中國(guó)。中國(guó)攪拌摩擦焊中心全權(quán)代表英國(guó)焊接研究所，發(fā)售和管理中國(guó)地區(qū) (包括香港、澳門(mén)和臺(tái)灣 )的攪拌摩擦焊技術(shù)專(zhuān)利許可，從此為攪拌摩擦焊技術(shù)在中國(guó)地區(qū)的發(fā)展、推廣和工業(yè)化應(yīng)用打開(kāi)了大門(mén) 12。 圖 1-1采用攪拌摩擦焊焊接的鋁合金材壁機(jī) 雙攪拌軸攪拌摩擦焊機(jī)設(shè)計(jì) 8 圖 1-2攪拌摩擦加工技術(shù)的發(fā)展 自攪拌摩擦焊進(jìn)入國(guó)內(nèi)后，較快的運(yùn)用于我國(guó)工業(yè)上的許多領(lǐng)域（船舶制造行業(yè)、航天制造工業(yè)、軌道交通行業(yè)等）。 攪拌摩擦焊在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用現(xiàn)狀，主要通過(guò)船舶制造行業(yè)、航天制造工業(yè)兩方面來(lái)介紹。首先在船舶制造行業(yè)， 2006 年 4 月，我國(guó)設(shè)計(jì)制造了國(guó)內(nèi)第一臺(tái)用于大型船用型材料拼焊的攪拌摩擦焊設(shè)備，此后， 中國(guó)攪拌摩擦焊中心大力發(fā)展鋁合金型材壁板的攪拌摩擦焊制造。其次，攪拌摩擦焊在航天制造工業(yè)也發(fā)揮著重大的作用。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于 2000 系列、 7000 系列以及鋁鋰合金的材料制成的太空交通運(yùn)載工具都優(yōu)先采用攪拌摩擦焊。中國(guó)攪拌摩擦焊中心于十五期間重點(diǎn)對(duì)航天運(yùn)載火箭攪拌摩擦焊開(kāi)展了系統(tǒng)的科研攻關(guān)，國(guó)內(nèi)的航天制造工業(yè)企業(yè)也積極采用了攪拌摩擦焊技術(shù)。 除卻上述的兩個(gè)領(lǐng)域外，攪拌摩擦焊在國(guó)內(nèi)還廣泛應(yīng)用于汽車(chē)制造業(yè)、軌道交通行業(yè)、電子電力能源行業(yè)。 上圖 1-2為攪拌摩擦焊在國(guó)內(nèi)的發(fā)展趨勢(shì)。隨著攪拌摩擦焊研究、技 術(shù)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用推廣的不斷深入，基于攪拌摩擦的基本原理形成了材料鏈接、材料改姓、材料成行等多種材料加工方法。 總之，在中國(guó)，攪拌摩擦焊的研究、開(kāi)發(fā)和推廣應(yīng)用才剛剛起步，在市場(chǎng)化的環(huán)境下，通過(guò)引進(jìn)、消化、吸收和技術(shù)創(chuàng)新，攪拌摩擦得到了快速發(fā)展，尤其在航空、航天等領(lǐng)域、在國(guó)家政策和項(xiàng)目的支持下，攪拌摩擦焊必將在我國(guó)其他工業(yè)領(lǐng)域得到較快的推廣。 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 1.2.3 攪拌摩擦焊中 雙攪拌軸摩擦焊技術(shù)目前的應(yīng)用情況和前景 （ 1） 雙攪拌軸摩擦焊技術(shù)的工作原理 在提及雙攪拌軸摩擦焊縫技術(shù)的工作原理前，我們先講講攪拌摩 擦焊的工作原理：攪拌摩擦焊過(guò)程中，一個(gè)柱形帶特殊軸肩和針凸的攪拌頭旋轉(zhuǎn)著緩慢插入被焊接工件，攪拌頭和被焊接材料之間的摩擦剪切阻力產(chǎn)生了摩擦熱，使攪拌頭鄰近區(qū)域的材料熱塑化 (焊接溫度一般不會(huì)達(dá)到和超過(guò)被焊接材料的熔點(diǎn) )，當(dāng)攪拌頭旋轉(zhuǎn)著向前移動(dòng)時(shí)，熱塑化的金屬材料從攪拌頭的前沿向后沿轉(zhuǎn)移，并且在攪拌頭軸肩與工件表層摩擦產(chǎn)熱和鍛壓共同作用下，形成致密固相連接 6。 相對(duì)于攪拌摩擦焊的工作原理，雙攪拌摩擦焊縫為采用兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)相反的攪拌頭同時(shí)進(jìn)行焊接，由于兩個(gè)攪拌頭轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，產(chǎn)生的工作扭矩因相互抵消而 減弱，焊接過(guò)程中采用較小的側(cè)向裝夾力就能實(shí)現(xiàn)可靠的連接。在雙攪拌頭復(fù)雜的機(jī)械力和摩擦熱的作用下，塑性金屬的流動(dòng)、焊接溫度場(chǎng)、應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)都將受到影響，這會(huì)對(duì)焊件性能產(chǎn)生很大的影響。 雖然兩者看起來(lái)是十分的相似，無(wú)非是多了一個(gè)攪拌軸，但是雙攪拌軸摩擦焊相對(duì)于攪拌摩擦焊有以下優(yōu)點(diǎn)：（ a）可以得到比攪拌摩擦焊更寬的焊縫區(qū)域；（ b）焊接質(zhì)量更高； （ c）兩個(gè)攪拌頭同時(shí)焊接可以產(chǎn)生更多的熱量，該方法可以運(yùn)用于鋼及其他高溫合金攪拌摩擦焊中；（ d）可以確保在較小的扭矩下實(shí)現(xiàn)材料的可靠連接，（ e）生產(chǎn)效率更高。 目前雙攪拌軸摩擦焊有以下幾種：平行并列式雙頭 (Parallel Twin-stir)攪拌摩擦焊、前后交錯(cuò)排列式雙頭 (Staggered Twin-stir)攪拌摩擦焊、前后一字排列式雙頭 (Tandem Twin-stir)攪拌摩擦焊。 （ 2）雙攪拌軸摩擦焊技術(shù)取得得成就 TWI采用雙攪拌軸進(jìn)行了雙頭攪拌摩擦焊焊接，試驗(yàn)中得出了在 6mm厚6082-T6鋁合金一字排列式雙頭攪拌摩擦焊搭接接頭中，無(wú)論前進(jìn)側(cè)還是后退側(cè)的焊縫區(qū)域殘留氧化物均有所減少，前后交錯(cuò)排列式雙頭攪拌摩擦焊 3mm厚5083-H111鋁 合金搭接接頭的金相分析表明，焊接區(qū)域尺寸可達(dá)板厚度的 4.3倍。 在一系列的試驗(yàn)后，事實(shí)證明了雙攪拌軸摩擦焊的優(yōu)點(diǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其不足之處。多頭系統(tǒng)可以確保在較小的扭矩下實(shí)現(xiàn)材料的可靠連接。采用 前后交錯(cuò)排雙攪拌軸攪拌摩擦焊機(jī)設(shè)計(jì) 10 列式雙頭攪拌摩擦焊工藝，用于材料加工和搭接焊具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，而且可以在更大的對(duì)接間隙下實(shí)現(xiàn)對(duì)接接頭的可靠連接 7。 由此，在接下來(lái)的幾年內(nèi)，雙攪拌軸摩擦焊技術(shù)將會(huì)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。 1.3 本次設(shè)計(jì)的內(nèi)容和意義 通過(guò)對(duì)相關(guān)資料、文獻(xiàn)的查找，獲得相關(guān)資料，了解雙攪拌摩擦焊焊接原理及相關(guān)工藝，了解其的 應(yīng)用范圍，了解雙攪拌摩擦焊在焊接中的優(yōu)勢(shì)，了解雙攪拌軸摩擦焊的研究現(xiàn)狀和在工業(yè)中的應(yīng)用，以及攪拌摩擦焊的發(fā)展前景。參照 已有的雙攪拌軸摩擦焊技術(shù)設(shè)計(jì)相關(guān)資料，設(shè)計(jì)一臺(tái)能焊接焊縫厚度為 15mm，焊縫長(zhǎng)度為 500mm 的雙攪拌軸摩擦焊實(shí)驗(yàn)用焊機(jī)。在寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)的過(guò)程中，要求對(duì)關(guān)鍵部位的設(shè)計(jì)寫(xiě)得比較詳細(xì)、具體，并校核該實(shí)驗(yàn)用焊機(jī)的各主要部分。 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 第 2 章 雙攪拌軸攪拌摩擦焊 機(jī) 設(shè)計(jì) 本章講述雙攪拌軸攪拌摩擦焊焊機(jī)的重要部分的設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程。主要包括以下幾方面：焊機(jī)的總體設(shè)計(jì)、攪拌系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（主要講雙攪拌軸的設(shè)計(jì)以及攪拌系統(tǒng) 的傳動(dòng)系統(tǒng)）、伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（主要為工作臺(tái)的設(shè)計(jì)）。 此攪拌摩擦焊焊機(jī)，攪拌摩擦頭轉(zhuǎn)速約 6000r/min ，焊接速度500 600mm/min，最大加工焊縫厚度 15mm，焊縫長(zhǎng)度 500mm，總功率約 4000 瓦左右。 此機(jī)器主要使用于普通的鋁及其合金，該焊機(jī)由于是雙軸的，可以雙件同時(shí)加工，大大提高了生產(chǎn)效率。 2.1 焊機(jī)的總體設(shè)計(jì)以及規(guī)劃 此雙攪拌軸摩擦焊縫焊機(jī)由于為雙軸，所以采取雙件生產(chǎn)。為了使得該機(jī)器更加經(jīng)濟(jì)使用，所以采用一般的 A3 鋼焊接結(jié)構(gòu)。以下是此焊機(jī)的一些整體結(jié)構(gòu)的規(guī)劃，首先工作臺(tái)平面約離地面高越 1300mm，焊機(jī)總高度約 1750mm（適合于工作人員的操作）總長(zhǎng)度約 1400mm，工作臺(tái)面長(zhǎng)度約 1000mm，寬度約 800mm，工作臺(tái)上下移動(dòng)約 80mm。機(jī)頭高度約為 200mm，攪拌軸中心距機(jī)體約 500mm。工作臺(tái)箱體總長(zhǎng)約 1000mm，高度約 400mm?？紤]到及其的中提美觀，將伺服系統(tǒng)的傳動(dòng)部分放入工作臺(tái)的箱體內(nèi)。同理，液壓推動(dòng)系統(tǒng)也將放于工作臺(tái)的箱體內(nèi)，便于液壓推動(dòng)過(guò)程中將工作臺(tái)垂直向上推動(dòng)。為了便于該系統(tǒng)的維修和檢測(cè)，在起前方開(kāi)一個(gè)天窗便于維修時(shí)的操作。電氣控制部分將放于及其的左后下方（此部分不再本 次設(shè)計(jì)范圍內(nèi)）。攪拌系統(tǒng)的電機(jī)放在電機(jī)座上，然后再將電機(jī)座固定在機(jī)體上，調(diào)整電機(jī)座在機(jī)體上的位置就可以調(diào)整 V帶輪中心距。為了方便觀察，在集體后方開(kāi)一個(gè)觀察窗口，便于機(jī)器的維修和檢測(cè)。工作臺(tái)箱體正面的左方將放置一個(gè)控制臺(tái)，操作起來(lái)很方便。以上便是本臺(tái)機(jī)器的整體布局的規(guī)劃。 雙攪拌軸攪拌摩擦焊機(jī)設(shè)計(jì) 12 2.2 各部件設(shè)計(jì) 2.2.1 攪拌頭及夾具設(shè)計(jì) 攪拌頭是攪拌摩擦焊技術(shù)的關(guān)鍵，由特殊形狀的攪拌焊針和軸肩組成，軸肩直徑大于攪拌焊針直徑。攪拌焊針用具有良好耐高溫力學(xué)和物理特性的抗摩損材料制造，并 進(jìn)行表面處理。 對(duì)于不同厚度的板所用的攪拌摩擦頭不同，方便攪拌頭的更換，夾持部分采用螺紋聯(lián)接，夾持部分為 M12，長(zhǎng)度為 L=15mm，焊針直徑 D=3 10mm，焊針做成特殊的螺旋狀，加大了焊針與工件的接觸面積，同時(shí)也有利于被焊金屬的攪動(dòng)，如圖 2-1所示。軸肩半徑為焊針直徑的三倍 17，肩部直徑為 D=9 30mm，軸肩采用如圖 2-2 所示的圖案，有利于軸肩與塑化材料緊密地結(jié)合在一起，這樣也提高了軸肩與焊件表面的接觸面積，同時(shí)也提高了焊接時(shí)的閉合性，從而可以防止塑化的材料在攪拌頭旋轉(zhuǎn)時(shí)噴射出去。各型號(hào)攪拌摩擦頭的 參數(shù)見(jiàn)表 2-1。 圖 2-1 焊針示意圖 圖 2-2 軸肩示意圖 表 2-1 攪拌摩擦頭參數(shù)及焊縫截面積 板厚（ mm） 焊針直徑（ mm） 焊針長(zhǎng)度（ mm） 軸肩直徑 d(mm) 角度（度） 焊縫斷面積 mm2 15 8 14 24 8 240 10 6 9 18 6 120 5 5 4 5 15 4 50 3 3 2 8 9 2 18 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 攪拌頭夾具用于聯(lián)接攪拌頭和攪拌軸，其具體結(jié)構(gòu)如圖 2-3所示。 圖 2-3 攪拌頭夾具 2.2.2 攪拌系統(tǒng)功率計(jì)算 查資料得到鋁合金在焊接時(shí)的需 要的最高溫升為 600，本機(jī)器主要設(shè)計(jì)成適合于 15mm 一下的，焊縫截面積約為 240mm2,焊速約為 500mm/min，由于熱傳遞和熱量損失，設(shè)能量利用率約為 50%，則單位時(shí)間內(nèi)焊縫溫升部分體積為：2x240x500=240000mm3 （由于本機(jī)器為雙軸，則需要將截面面積加倍），能量計(jì)算公式為 18 VTCE （ 2-1） 式中： C 比熱容（ J/kg K） T 溫度變化值（） V 體 積（ m3） 密度（ kg/m3） 效率 E 能量（ J） 查得鋁的各項(xiàng)參數(shù)如下 23 =2700Kg/m3， C=904.3J/Kg K 由式（ 2-1）單位時(shí)間內(nèi)需要能量為 mi n/895.87%502700102 4 0 0 0 06003.904 9 KJE 由于該機(jī)器為雙軸，則功率為： KWP 9.260895.872 選用伺服電機(jī) SM-150-230-20LFB（額定轉(zhuǎn)速 2000r/min，長(zhǎng)度 L=60mm，額定扭矩 2.3NB） 攪拌摩擦焊焊機(jī)輸入工件的總功率為 16 雙攪拌軸攪拌摩擦焊機(jī)設(shè)計(jì) 14 )(45)(10211020rrrrrrFnN （ 2-2） 式中： N 輸入工件總的熱功率（ J） n 攪拌摩擦頭的轉(zhuǎn)速（ r/min） 摩擦系數(shù) F 工件上壓力（ N） r0、 r1 焊頭軸肩和焊針的半徑（ mm） 因?yàn)閱挝粫r(shí)間內(nèi)輸入工件的能量與總功率相等，在單位時(shí)間內(nèi)則有 NE （ 2-3） 查得鋁與鋼的摩擦系數(shù)為 0.1718 ，由式（ 2-2）、（ 2-3）得 )1424(45)24241414(8 7 8 9 52 22 Fn F=84.7N 則兩個(gè)攪拌頭向前移動(dòng)阻力為 NNF 4.14 阻 由此可以得出對(duì)于不同板厚的材料在焊接時(shí)的壓力和焊接速度，見(jiàn)表 2-2。 表 2-2 不同板厚在焊接時(shí)的壓力和焊速 板厚 mm 焊縫截面積 mm2 壓力 N 焊速 mm/min 15 240 84.7 500 10 120 84.7 1000 5 50 60 1500 3 18 60 2000 2.2.3 攪拌系統(tǒng)傳動(dòng)齒輪設(shè)計(jì) 傳遞功率 KWP 9.2 ，轉(zhuǎn)速 min/6000 rn ，（為了方便設(shè)計(jì)和選材，把雙攪拌頭的傳動(dòng)齒輪設(shè)計(jì)成傳動(dòng)比為 1 的三個(gè)齒輪） 1齒i ，則齒數(shù)比 1u 。 1選擇齒輪材料 為了便于制造，采用軟齒面齒輪，查表得，大齒輪采用 45鋼正火處理， 170浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 210HBS，小齒輪采用 45 鋼調(diào)質(zhì)處理， 217 255HBS。 2按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì) 一對(duì)鋼制外嚙合齒輪設(shè)計(jì)公式為 )(1) 671(3 121 mmKTuuddH （ 2-4） （ 1）計(jì)算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩 )(4 6 1 56 0 0 09.21055.91055.9 6116 mmNnPT （ 2）選擇齒輪齒數(shù) 80z ，則實(shí)際傳動(dòng)比為 1齒i 傳動(dòng)比誤差為 0%1 0 01 11 i （ 3）轉(zhuǎn)速不高，功率不大，選擇齒輪精度為 8級(jí) （ 4）載荷平穩(wěn)，對(duì)稱(chēng)布局，軸的鋼度較大，查表 2-4取 K=1.5 表 2-4 載荷綜合系數(shù) K 工作機(jī) 均勻平穩(wěn) 輕微振動(dòng) 中等振動(dòng) 結(jié)構(gòu)布局 對(duì)稱(chēng) 非對(duì)稱(chēng) 對(duì)稱(chēng) 非對(duì)稱(chēng) 對(duì)稱(chēng) 非對(duì)稱(chēng) 原動(dòng)機(jī) 均勻平 穩(wěn) 1.2 1.3 1.2 1.5 1.5 1.6 1.5 1.9 1.8 1.9 1.9 2.2 輕微振動(dòng) 1.3 1.4 1.4 1.7 1.6 1.8 1.7 2 1.9 2.1 2 2.4 中等振動(dòng) 1.5 1.6 1.6 1.9 1.9 2.1 1.9 2.2 2.1 2.3 2.2 2.6 表 2-5 齒寬系數(shù) 齒輪相對(duì)于軸承的位置 齒面硬度 軟齒面 硬齒面 對(duì)稱(chēng) 0.8 1.4 0.4 0.9 非對(duì)稱(chēng)布置 0.6 1.2 0.3 0.6 （ 5）查表 2-5 取齒寬系數(shù) 1d （ 6）確定許用接觸應(yīng)力 雙攪拌軸攪拌摩擦焊機(jī)設(shè)計(jì) 16 查得 2/380m in mmNH 查表 2-6得 25.1min HS 表 2-6 最小安全系數(shù) SHmin和 SHmin 齒輪傳動(dòng)裝置的重要性 SHmin SHmin 一般 1 1 齒輪損壞會(huì)引起嚴(yán)重后果 1.25 1.5 對(duì)于長(zhǎng)期工作的齒輪， H可按下式計(jì)算 minminHHH S （ 2-5） 由式（ 2-5）得 2/30 425.138 0 mmNH （ 7）計(jì)算齒輪分度圓直徑 由式（ 2-4）得 mmd 268.381 4 6 1 55.11 11)368671(3 2 （ 8）計(jì)算模數(shù) 6.080268.38 zdm 查表 2-7取 m=1.5。 表 2-7 漸開(kāi)線圓柱齒輪標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)（ GB1357 87） mm 第一系列 0.1 0.12 0.15 0.2 0.25 0.3 0.4 0.5 0.6 0.8 1 1.25 1.5 2 2.5 3 4 5 6 8 10 12 16 20 25 32 40 50 第二系列 0.35 0.7 0.9 1.75 2.25 2.75 3.5 4.5 5.5 7 9 14 18 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 （ 9）計(jì)算齒輪主要尺寸及圓周速度 表 2-8 傳遞動(dòng)力的齒輪精度（公差組）等級(jí)的選擇與應(yīng)用 精度等級(jí) 圓周速度（ m/s） 應(yīng)用 圓柱齒輪 錐齒輪 直齒 斜齒 直齒 斜齒 6 級(jí) 15 30 12 20 高速重載齒輪傳動(dòng) 7 級(jí) 10 15 8 10 高速中載或中速重載的齒輪傳動(dòng) 8 級(jí) 6 10 4 7 一般機(jī)械中對(duì)精度無(wú)特殊要求的齒輪 9 級(jí) 2 4 1.5 3 低速或?qū)纫蟮偷凝X輪 不妨取分度圓半徑 d=48mm Z=D/m=96/1.5=64 中心距 mmzzma 96)6464(2 5.1)(2 21 齒輪寬度 mmdb 48481 圓周速度 smdnV /07.14100060 600048100060 查表 2-8可知能用 6級(jí)精并選用 1 號(hào)二硫化鉬鋰基脂進(jìn)行潤(rùn)滑。 3校核齒根彎曲強(qiáng)度 校核齒根彎曲強(qiáng)度用以下公式 /2 2121 mmNzbm YKT FFsF （ 2-6） （ 1）復(fù)合齒形系數(shù)根據(jù) 21,zz 由表 2-5查得 0.41 FsY （ 2）確定許用應(yīng)力 F。 對(duì)于長(zhǎng)期單面工作的齒輪，其齒根受脈動(dòng)循環(huán)彎曲應(yīng)力，此時(shí) F 可按下式計(jì)算 雙攪拌軸攪拌摩擦焊機(jī)設(shè)計(jì) 18 minminFFF S (2-7) 由圖 1-7查得 21m in /53 0 mmNF 查表 2-6得 5.1min FS，由式（ 2-7）得 mmNF /33.3 5 35.15 3 0 （ 3）式中已知 5.1K ， mmNT 4615 ， 5.1m ， mmb 48 （ 4）校核計(jì)算。 由式（ 2-6）得 222 /33.353/012.8645.148 0.446155.12 mmNmmN FF 校核計(jì)算安全。 4結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 齒輪按照表 2-9進(jìn)行設(shè)計(jì)。初步取 d=30mm，利用軸肩作軸向固定， 8X22 的鍵作周向固 定。查表 2-10 得，鍵 t=4.0mm， t1=3.3mm。 n1取 1mm。 表 2-9 圓柱齒輪結(jié)構(gòu)及尺寸 dd 6.11 Bdl )5.12.1( na mzd )2( nf mzd )5.2( na mdD 101 )(5.0 110 dDD )(10)(25.00110 較小時(shí)可不鉆孔d mmdDd 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 表 2-10 平鍵 軸 d 鍵 bxh 公稱(chēng) 尺寸 軸 t 轂 t1 6 8 2x2 2 1.2 1 8 10 3x3 3 1.8 1.4 10 12 4x4 4 2.5 1.8 12 17 5x5 5 3.0 2.3 17 22 6x6 6 3.5 2.8 22 30 8x7 8 4.0 3.3 30 38 10x8 10 5.0 3.3 38 44 12x8 12 5.0 3.3 44 50 14x9 14 5.5 3.8 鍵長(zhǎng)系列： 6， 8， 10， 12， 14， 16， 18， 20， 22， 25， 28， 32， 36， 40， 45， 50， 56， 63， 70，80， 90， 100， 110， 125， 140， 160， 180， 得： 模數(shù) m=1.5； 分度圓半徑 d=48mm； 齒頂圓直徑 ad =99mm； 齒根圓直徑 fd =92.25mm； 齒數(shù) z=64。 2.2.4 攪拌軸的設(shè)計(jì) 1選擇軸的材料 攪拌摩擦焊機(jī)的功率 P=2.99KW，由于功率不大又無(wú)特殊要求，故攪拌軸可選用常用的 45 號(hào)鋼并作正火處理。查得 2/600 mmNB 。 對(duì)于一般的傳動(dòng)軸，可按下式計(jì)算 軸的最直徑 )(2.0 1055.9 333 6 mmnPCnPd （ 2-8） 雙攪拌軸攪拌摩擦焊機(jī)設(shè)計(jì) 20 查表 2-12 得 C=118-107，由式（ 2-8）得 )(26.96 0 0 09.21 1 8 3 mmd 計(jì)算所得是最小處的軸徑，不妨取 d=20mm，前端留出 M20X20 于攪拌頭的夾具相連，后端也留出 M20X20，用于做軸向固定。 表 2-11 按轉(zhuǎn)矩計(jì)算軸用的 t和 C 值 軸的材料 Q235 35， Q275 45 40Cr,35SiMn t N/mm2 12-20 20-30 30-40 40-52 C 160-135 135-118 118-107 107-98 2軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 圖 2-4 攪拌軸示意圖 d1=20mm， L1=20mm，此處用于軸的軸向固定選用 M20 螺母（ GB6170-86），并加彈簧墊片（ GB93-87） 。 d2=25mm， L2=40mm，由于該軸的轉(zhuǎn)速為 6000r/min,30205 圓錐滾子軸承在脂潤(rùn)滑的情況下極限轉(zhuǎn)速為 7000r/min,符合要求，故選擇 30205 的圓錐滾子軸承。具體數(shù)據(jù)參考表格 2-12。 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 表 2-12 圓錐滾子軸承（ GB/T297 1994） 軸承代號(hào) 尺 寸 /mm 極限轉(zhuǎn)速 r/min d D T B C 脂潤(rùn)滑 油潤(rùn)滑 30203 17 40 13.25 12 11 9000 12000 30204 20 47 15.25 14 12 8000 10000 30205 25 52 16.25 15 13 7000 9000 30206 30 62 17.25 16 14 6000 7500 30207 35 72 18.25 17 15 5300 6700 30208 40 80 19.25 18 16 5000 6300 d3=30mm, L3=46mm，用于安裝齒輪，此處開(kāi)一個(gè) 8X32， t=4.0,ti=3.3 的鍵槽 d4=36mm, L4=6mm，用于齒輪的軸向固定 d5=32mm, L5=72mm d6=25mm， L6=16mm，用于安裝 30205 軸承 d7=20mm， L7=20mm，用于安裝攪拌頭夾具 軸的總長(zhǎng)為 220mm 30206軸承用 1號(hào)二硫化鉬鋰基脂進(jìn)行潤(rùn)滑，由表 1-13查得，符合 6000r/min轉(zhuǎn)速的要求。 3軸上受力分析 齒輪對(duì)軸的作用力為 NFQ 02.2 1 6204.4 3 3 ，攪拌摩擦頭對(duì)軸 的作用力為 NF 4.14阻 ，軸向力 NFFa 7.84 ，則： 水平面 HHHRRFRF211 691 1 1阻阻 解得 NRNRHH 56.27 16.2321 雙攪拌軸攪拌摩擦焊機(jī)設(shè)計(jì) 22 垂直面 VVQVQRRFRF1226940 解得 NRNRVV23.12525.34121 則 NRRRNRRRVHVH23.12823.12556.2734225.34116.2322222222221211 表 2-13 圓錐滾子軸承的基本額定動(dòng)載荷 C 和基本額定靜載荷 C0 KN 軸承型號(hào) C C0 e Y Y0 X 30204 25.0 18.0 0.35 1.7 1.0 0.40 30205 30.0 23.0 0.37 1.6 0.9 30206 39.0 29.5 0.37 1.6 0.9 30207 49.0 37.0 0.37 1.6 0.9 30208 55.0 41.5 0.37 1.6 0.9 30209 59.0 46.0 0.40 1.5 0.8 30210 66.0 53.5 0.42 1.4 0.8 查表 2-13 得 e=0.37， Y=1.6， X=0.40 表 2-14 角接觸型軸承派生軸向力 S 角接觸球軸承 圓錐滾子軸承 C 型（ =150） AC 型（ =250） B 型（ =400） S=eR S=0.68R S=1.14R S=R/(2Y) 由表 2-14 得 NYRSNYRS07.40287.1 0 621211 NSNFS a07.4017.2221 NN 07.4017.22 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 21 SFS a ，軸有沿 2S 方向移動(dòng)的趨勢(shì)，軸承 1 被“壓緊”，軸承 2 被“放松”，由平衡條件可得作用在軸承 1和 1上的軸向載荷分別為 NSANFSA a07.4077.1247.8407.402221 因軸承上的作用力大于軸承上的作用力，故僅對(duì)軸承進(jìn)行壽命計(jì)算，軸承壽命可由下式進(jìn)行計(jì)算 )()(6010610 hPCnLh （ 2-9） )( YAXRKP P （ 2-10） 表 2-15 動(dòng)載荷系數(shù) KP 載荷性質(zhì) 平穩(wěn)或有輕微沖擊 中等沖擊和振動(dòng) 強(qiáng)烈沖擊和振動(dòng) KP 1.0 1.2 1.2 1.8 1.8 3.0 查表 2-15 得 2.1PK ，由式（ 2-10）得 NP 36.410)33.1286.134240.0(2.1 查表 1-14 得 C=39.0KN，由式（ 2-9）得 hL h 4 5 3 8 2 1 3)36.4103 0 0 0 0(6 0 0 060 10 310610 4計(jì)算彎矩 水平面彎矩 截面 b： )(4.1 5 9 84.141 1 11 1 1 mmNFMbH 阻 垂直面彎矩 截面 a： )(8.8 6 4 002.2 1 66840 mmNFMQaV 5計(jì)算扭矩 表 2-16 軸的許用彎曲應(yīng)力 N/mm2 材料 S +1b 0b -1b 碳素鋼 400 130 70 40 雙攪拌軸攪拌摩擦焊機(jī)設(shè)計(jì) 24 500 170 75 45 600 200 95 55 700 230 110 65 合金鋼 800 270 130 75 1000 330 150 90 )(46156000 9.21055.91055.9 66 mmNnPT 又根據(jù) B=600N/mm2,查表 2-16得 -1b=55N/mm2, 0b=95N/mm2,故 58.09555 )(2 6 7 74 6 1 558.0 mmNT 6計(jì)算當(dāng)量彎矩 截面 a： )(88.3117)( 22 mmNTMM aae 截面 b： )(39.9775)( 22 mmNTMM bbe 7分別計(jì)算 a 和 b 處的直徑 mmMdbaea 27.8551.031171.0 33 1 mmMdbIeb 11.12551.039.9 7 7 51.0 33 1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)確定的直徑為 20mm，截面 b 處為螺紋聯(lián)接 沒(méi)有削弱，所以，此軸強(qiáng)度足夠，符合設(shè)計(jì)要求。 2.2.5 攪拌系統(tǒng) V 帶設(shè)計(jì) 帶輪傳遞的功率： p=2.9kw，轉(zhuǎn)速約為 6000r/min，滿足傳動(dòng)比為 i=3，（由于電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為 2000r/min） 1選擇 V帶型號(hào) 計(jì)算功率 PC由下式確定 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 25 PKPAC （ 2-11） 式中： KA 工作情況系數(shù) P 需要傳遞的名義功率（ KW） 查表 2-3得工作情況系數(shù) 1.1AK，由式（ 2-17）計(jì)算得 KWP C 根據(jù) PC和 n 由圖 1-9選用 Z型 V帶。 2確定帶輪基準(zhǔn)直徑 dd1、 dd2 已知 12 did （ 2-12） 012011 8 01 8 0 a dd （ 2-13) addddaL 4 )()(2221221 （ 2-14） 圖 2-5 帶傳動(dòng)示意圖 小帶輪直徑 dd1 宜選大些，可減小帶的彎曲應(yīng)力，有利于延長(zhǎng)帶的壽命；在傳遞的轉(zhuǎn)矩一定時(shí)， dd1 選大一些可降低帶工作時(shí)的圓周力，從而可以減少帶的根數(shù)。通常小輪直徑 dd1應(yīng)大于或等于最小基準(zhǔn)直徑 dmin。若 dd1過(guò)大，傳動(dòng)的外廓也將增大。由表 1-18選擇小輪直徑為 dd1=60mm， 由式（ 2-12）得 mmdid dd 1 8 060312 雙攪拌軸攪拌摩擦焊機(jī)設(shè)計(jì) 26 表 2-17 V 帶輪最小基準(zhǔn)直徑 dmin及基準(zhǔn)直徑系列 mm V 帶輪槽型 Y Z A B C D E dmin 20 50 75 125 200 355 500 基準(zhǔn)直 徑系列 20 22.4 25 28 31.5 35.5 40 45 50 60 63 71 75 80 8590 95 100 106 112 118 125 132 140 150 160 170 180 200 212 224 236 250 265 280 315 355 375 由表 2-17 選擇 dd2=180mm 實(shí)際傳動(dòng)比 360180 i 實(shí)際轉(zhuǎn)速 m in/6 0 0 032 0 0 02 rn 傳動(dòng)比偏差 0 ，小于 5%，符合條件。 3驗(yàn)算帶速 V0 帶速太高，帶的離心力很大，使帶的離心應(yīng)力增大，并使帶與輪之間的壓緊力減小，摩擦力隨之減小，從而使傳動(dòng)能力下降；帶速過(guò)低，傳遞相同功率時(shí)帶所傳遞的圓周力增大，需要增加帶的根數(shù)。一般應(yīng)使帶速 V 在 5 25m/s 范圍內(nèi)工作，尤以 V=10 20m/s 為宜。帶速由下式確定 100060 22 ndV d （ 2-15） 由式（ 2-15）得 smndV d /181 0 0060 6 0 00601 0 0060 22 帶速在 5 25m/s 范圍內(nèi)，符合要求。 4.確定中心距 a， V 帶基準(zhǔn)長(zhǎng)度 Ld （ 1）初選中心距 a0。設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)中心距有一定的要求，即大于 400mm，根據(jù))(2)(7.0 21021 dddd ddadd 得 480168 0 a ，初選 a0為 450mm,符合取值范圍。 （ 2）計(jì)算初定的帶長(zhǎng) Ld。由式（ 2-7）得 )(8.8844 )()(2202122100 mmaddddaL ddddd 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 27 （ 3）基準(zhǔn)帶長(zhǎng) Ld。由表 2-18 選用 Ld=1400mm, KL=1.14 表 2-18 普通 Z 型 V 帶基準(zhǔn)長(zhǎng)度 Ld 系列及長(zhǎng)度系數(shù) KL Ld 400 450 500 560 630 710 800 KL 0.87 0.89 0.91 0.94 0.96 0.99 1.00 Ld 900 1000 1120 1250 1400 1600 1800 KL 1.03 1.06 1.08 1.11 1.14 1.16 1.18 （ 4）實(shí)際中心距 a。實(shí)際中心距由下式確定 2 00 dd LLaa （ 2-16） 由式（ 2-16）得 )(6.5072 8.1 2 841 4 00450 mma 考慮安裝和張緊 V 帶的需要，留出 50mm 作為中心距距調(diào)整量 ,不妨取550mm。 5核算小輪上包角 1 由式（ 2-14）得 0001201 1 2 07.1 6 41 8 01 8 0 a dd dd 6確定 V帶根數(shù) z LAC KKPP PKPPz)( 000 （ 2-17） )11(2ib KnKP （ 2-18） 表 2-19 傳動(dòng)比系數(shù) Ki 傳動(dòng)比 i 1.00-1.04 1.05-1.19 1.20-1.49 1.50-2.95 2.95 Ki 1.00 1.03 1.08 1.12 1.14 表 2-20 彎曲影響系數(shù) Kb 普通 V 帶型號(hào) Y Z A B C D E Kb(10-3) 0.06 0.39 1.03 2.65 7.50 26.6 49.8 雙攪拌軸攪拌摩擦焊機(jī)設(shè)計(jì) 28 根據(jù) n1和 n2得 KWP 48.00 ，查表 1-20得 Ki=1.14，查表 1-21得 Kb=0.39x10-3，由 式（ 1-17）得 KWP 288.0)14.1 11(60001039.0 3 表 2-21 包角系數(shù) 小輪包角 1 1800 1750 1700 1650 1600 1550 1500 1450 K 1.00 0.99 0.98 0.96 0.95 0.93 0.92 0.91 查表 2-8得 K =0.93，由式（ 2-17）得 79.314.196.0)288.048.0( 19.3 z 選用 Z 型 V 帶 4 根。 7確定帶的預(yù)拉力 F 預(yù)拉力是保證帶傳動(dòng)正常工作和重要條件。預(yù)拉力不足，極限摩擦力減小，傳動(dòng)能力下降；預(yù)拉力過(guò)大 ，又會(huì)使帶的壽命降低，軸和軸承的壓力增大。 表 2-22 普通 V 帶的規(guī)格 型號(hào) Y Z A B C D E 每米帶長(zhǎng)質(zhì)量q(Kg/m) 0.04 0.06 0.10 0.17 0.30 0.60 0.87 查表 2-22 得 Z 型 V帶的質(zhì)量為 mKgq /06.0 單根普通 V 帶合適的預(yù)拉力由下式確定 20 )15.2(500 qvKzv PF C （ 2-19） 由式（ 2-19）得 NF 98.541806.0)196.0 5.2(184 19.3500 20 8計(jì)算帶傳動(dòng)作用在軸上的 力 2sin2 10 zFF Q （ 2-20） 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 29 為設(shè)計(jì)安裝帶輪的軸和軸承，必須確定帶傳動(dòng)作用在帶輪軸上的力 FQ。 由式（ 2-20）得 NF Q 04.4 3 32 7.1 6 4s in98.5442 0 9 帶輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) （ 1）大 V帶輪設(shè)計(jì) 圖 2-6 大帶輪示意圖 大 V帶輪結(jié)構(gòu)按照 圖 2-6進(jìn)行設(shè)計(jì)。用 M6X16 的緊定螺釘與電機(jī)輸出軸作軸向固定， 8X50 的鍵作周向固定。查表 1-25 得，鍵 t=4.0mm， t1=3.3mm。 C 取 1mm。 mmDd 30 mmddd 60,604830)28.1()28.1( 11 取 mmfeZB 528212)14(2)1( mmLdL 60,604530)25.1()25.1( 取 mmhdd ada 1 8 4221 8 02 mmhdd ca 154)5.55.9(2184)(22 mmsBs 12,6.154.1052)3.02.0()3.02.0( 取 mmddd k 1 072 1 54602 )( 21 具體尺寸見(jiàn)零件圖。 （ 2）小 V帶輪設(shè)計(jì) 雙攪拌軸攪拌摩擦焊機(jī)設(shè)計(jì) 30 圖 2-7 小 V 帶輪的結(jié)構(gòu)及尺寸 小 V帶輪結(jié)構(gòu)按照?qǐng)D 2-7再結(jié)合表 2-23進(jìn)行設(shè)計(jì)。用中間軸作軸向固定， 6X32 的鍵作周向固 定。查表 2-24 得，鍵的 t=3.5mm， t1=2.8mm， C取 1mm。 mmd 20 mmfeZB 528212)14(2)1( mmLdL 70,806040)25.1(1)25.1( 取 mmhdd ada 6422602 具體尺寸見(jiàn)零件圖。 2.2.6X-Y 工作臺(tái)設(shè)計(jì) X-Y 平臺(tái)外形尺寸及重量估算 Y向拖板（上拖板）尺寸：長(zhǎng)寬高 ： 600 500 40 重量：按重量體積材料比重估算 N323 10566.1108.71040500600 ； X向拖板（下拖板）尺寸： 800 800 40 重量： N323 10996.1108.71040800800 導(dǎo)軌及滑塊重量查表得：約 60N； 夾具及工件重量：約 200N； 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)： 15.8N； 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 31 底座： 1400 900 40 重量 3.93 310 N； X-Y 平臺(tái)總重量：約 3993.6N。 攪拌頭向下的壓力及行走抗力：壓力 P 壓 =84.7N，行走抗力FP 14.4N。（以焊接 15mm 鋁板為準(zhǔn)） 根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)選取 BRS25B-L100 的導(dǎo)軌，如圖 2-8所示 圖 2-8 導(dǎo)軌與滑塊示意圖 2.2.7 傳動(dòng)絲杠設(shè)計(jì) 攪拌頭對(duì)工件的壓力為 87.4N，故工作臺(tái)面向下的總壓力為 NF 3.4 0 7 84.876.3 9 9 3 壓 鋼與鋼在有潤(rùn)滑劑時(shí)的摩擦系數(shù) 20f=0.05 0.1，得工作臺(tái)與工作面板間的滑動(dòng)摩擦力為 NFfF 8.4073.4 0 7 81.0 壓摩 由于發(fā)生熱塑性變形的金屬對(duì)攪拌頭的也有一定阻力，同時(shí)為了防止工作臺(tái)面鎖死不動(dòng)，故將伺服系統(tǒng)的推力增加一點(diǎn)，即可提供 500N 左右的力。工作臺(tái)移動(dòng)的最大速度約為 600mm/min，因此，絲杠傳動(dòng)系統(tǒng)傳遞的功率為 WVFP 30010600500 3 查得絲杠傳動(dòng)的效率為 雙攪拌軸攪拌摩擦焊機(jī)設(shè)計(jì) 32 6.03.0 因此，伺服電機(jī)的功率約為 WPP 10005006.03.0 3006.03.0 伺 選用 SM130-100-15-LFB 伺服電機(jī)（最大轉(zhuǎn)速： 1500r/min，額定功率 1kw） 初 選 傳 動(dòng) 絲 杠 的 梯 形 螺 紋 螺 距 為 2mm ， 則 絲 杠 最 大 轉(zhuǎn) 速m in/3002600 rn 絲 ，減速機(jī)構(gòu)的減速比為： 53001500 i 傳動(dòng)比為 5i 絲杠傳動(dòng)的輸出功率為 500W 左右，輸入功率為 1000W 左右，傳動(dòng)效率 0.5，因工作臺(tái)平時(shí)正常運(yùn)動(dòng)所需的功率不到 400W，即使絲杠傳動(dòng)效率有所下降，工作臺(tái)也能照樣正常運(yùn)行。 工作臺(tái)箱體內(nèi)腔長(zhǎng)度為 600mm，絲杠傳動(dòng)功率不大，轉(zhuǎn)速低，且受徑向力很?。▋H齒輪對(duì)軸有徑向作用力），用 1 號(hào)二硫化鉬鋰基脂對(duì)絲杠進(jìn)行潤(rùn)滑。絲杠兩端選用 6205 軸承， 6205 軸承用 1 號(hào)二硫化鉬鋰基脂進(jìn)行潤(rùn)滑。查表 1-13 得6205 軸承的寬度為 15mm，絲杠兩端為 2X450的倒角，因此，絲杠總長(zhǎng)為 L=700mm。 1選擇絲杠材料 此伺服系統(tǒng)的功率不大，故選用常用的 45 號(hào)鋼并作正火處理。 2 確定絲杠的最小直徑 PffLQ Hw3 查表得系數(shù) wf 2， Hf 1，壽命值 L= 61060nT 查表得使用壽命時(shí)間 T 1500h，初選絲杠螺距 t=5mm，的絲杠轉(zhuǎn)速m in)/(3002 6.01 0 001 0 00 m a x rtVn 3 所以 L 2710 150030060 6 查表得 wf 2， Hf 1 Y向絲杠牽引力 w93.3 0 18.1 9 9 61.044.14.14Gy44.11 當(dāng)fPyPy X向絲杠牽引力： w48.5 8 96.3 9 9 31.044.14.14Gx44.11 當(dāng)fPxPx 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 33 所以最 大動(dòng)負(fù)荷 Y向 58.1 8 1 193.30112273 Qy N X向 88.3 5 3 648.5 8 912273 Qx N 對(duì)于一般的傳動(dòng)絲杠，可按下式計(jì)算其最直徑 )(2 mmPQd （ 2-21） 式中： Q 軸向載荷（ N） d2 螺紋中徑（ mm） P 許用壓強(qiáng)（ N/mm2） 2/ dH ， ph/ 為使受力分布比較均勻，螺紋工作圈 數(shù)不宜太多，一般取 5.22.1 ，梯形螺紋 5.0 。已知 NQ 200max ，取 P=4 N/mm2，由式（ 2-21）得 mmd 69.1345.15.0 88.3 5 3 62 mmdH 54.20 2 絲杠兩端用的 6206 軸承，為方便安裝，故取絲杠螺紋大徑為 d=38mm 圖 2-9 絲杠示意圖 d1=30mm， L1=18mm，用于安裝 6206 軸承，查得 6205 軸承寬度為 16mm； d2=36mm， L2=6mm，符合 6206 軸承的安裝要求 ； 雙攪拌軸攪拌摩擦焊機(jī)設(shè)計(jì) 34 d3=38mm, L3=620mm，絲杠的梯形螺紋 ； d4=30mm, L4=30mm，用于安裝減速大齒輪，用平建 8 22 做軸向固定 ； d5=22mm, L5=30mm，用于安裝 6205 軸承，用作軸承軸向定位 。 2.2.8 減速齒輪的設(shè)計(jì) 傳遞功率 KWP 7.0 ，轉(zhuǎn)速 min/1500 rn ， 5齒i，則齒數(shù)比 5u 。 1選擇齒輪材料 為了便于制造，采用軟齒面齒輪，查表 1-3得，大齒輪采用 45鋼正火處理，170 210HBS，小齒輪采用 45鋼調(diào)質(zhì)處理， 217 255HBS。 2按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì) 一對(duì)鋼制外嚙合齒輪設(shè)計(jì)公式為 )(1) 671(3 121 mmKTuuddH （ 2-22） （ 1）計(jì)算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩。（電機(jī)的平均傳動(dòng)功率為 700w） )(67.4 4 5 61 5 0 07.01055.91055.9 6116 mmNnPT （ 2）選擇小齒輪齒數(shù) 19z ，則實(shí)際傳動(dòng)比為 5齒i 傳動(dòng)比誤差為 0%1 0 05 55 i （ 3）轉(zhuǎn)速不高，功率不大，選擇齒輪精度為 8級(jí)。 （ 4）載荷平穩(wěn)，對(duì)稱(chēng)布局，軸的鋼度較大，查表 1-4取 K=1.5。 （ 5）查 得 齒寬系數(shù) 1d 。 （ 6）確定許用接觸應(yīng)力 查得 2/380m in mmNH 查得 25.1min HS 對(duì)于長(zhǎng)期工作的齒輪， H可按下式計(jì)算 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 35 minminHHH S （ 2-23） 由式（ 2-23）得 2/30 425.138 0 mmNH （ 7）計(jì)算齒輪分度圓直徑。 由式（ 2-22）得 mmd 18.321 67.4 4 5 65.15 55)368671(3 2 （ 8）計(jì)算模數(shù)。 7.11932 zdm 查表 2-23 取 m=2。 表 2-23 漸開(kāi)線圓柱齒輪標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)（ GB1357 87） mm 第一系列 0.1 0.12 0.15 0.2 0.25 0.3 0.4 0.5 0.6 0.8 1 1.25 1.5 2 2.5 3 4 5 6 8 10 12 16 20 25 32 40 50 第二系列 0.35 0.7 0.9 1.75 2.25 2.75 3.5 4.5 5.5 7 9 14 18 （ 9）計(jì)算齒輪主要尺寸及圓周速度。 表 2-24 傳遞動(dòng)力的齒輪精度（公差組）等級(jí)的選擇與應(yīng)用 精度等級(jí) 圓周速度（ m/s） 應(yīng)用 圓柱齒輪 錐齒輪 直齒 斜齒 直齒 斜齒 6 級(jí) 15 30 12 20 高速重 載齒輪傳動(dòng) 7 級(jí) 10 15 8 10 高速中載或中速重載的齒輪傳動(dòng) 8 級(jí) 6 10 4 7 一般機(jī)械中對(duì)精度無(wú)特殊要求的齒輪 9 級(jí) 2 4 1.5 3 低速或?qū)纫蟮偷凝X輪 分度圓直徑 mmmzd 3821911 mmmzd 1 9 029522 中心距 雙攪拌軸攪拌摩擦焊機(jī)設(shè)計(jì) 36 mmzzma 114)9519(22)(2 21 齒輪寬度 mmdb 4.30388.01 ，取 mmbmmb 32,36 21 圓周速度 smdnV /984.2100060 150038100060 查表 2-24 可知能用 8 級(jí)精并選用 1號(hào)二硫化鉬鋰基脂進(jìn)行潤(rùn)滑。 3校核齒根彎曲強(qiáng)度 校核齒根彎曲強(qiáng)度用以下公式 /2 2121 mmNzbm YKT FFsF （ 2-24） （ 1）復(fù)合齒形系數(shù)根據(jù) 21,zz 查得 0.41 FsY （ 2）確定許用應(yīng)力 F。 對(duì)于長(zhǎng)期單面工作的齒輪，其齒根受脈動(dòng)循環(huán)彎曲應(yīng)力，此時(shí) F 可按下式計(jì)算 minminFFF S (2-25) 由圖 1-7查得 21m in /53 0 mmNF 查表 1-6得 5.1min FS ，由式（ 2-25）得 mmNF /33.3 5 35.15 3 0 （ 3）式中已知 5.1K ， mmNT 67.4456 ， 2m ， mmb 36 （ 4）校核計(jì)算。 由式（ 2-24）得 222 /33.353/528.664232 0.467.44565.12 mmNmmN FF 校核計(jì)算安全。 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 37 4結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 初步取 d=30mm，利用軸肩作軸向固定， 8X22 的鍵作周向固定。查表得，鍵t=4.0mm， t1=3.3mm。 n1取 1mm。 得到： 模數(shù) m=2 分度圓直徑 mmmzd 3821911 mmmzd 1 9 029522 中心距 mmzzma 114)9519(22)(2 21 齒輪寬度 mmdb 4.30388.01 ， 取 mmbmmb 32,36 21 齒頂圓直徑 df1=42mm df2=194mm 齒根圓直徑 da1=33mm da2=185mm 2.2.9 液壓缸選擇 （ 1）選擇液壓推桿的直徑。 普通通用液壓缸的壓力等級(jí)為 16MPa26-28，故液壓缸內(nèi)徑為 mmDmm ，D 401916 2.4 5 3 74 取 （ 2）選擇液壓缸標(biāo)準(zhǔn)件。 設(shè)備對(duì)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)無(wú)特殊要求，故選用通用的標(biāo)準(zhǔn)液壓缸，采用尾部法蘭安裝，桿端不帶耳環(huán)，行程為 80mm，型號(hào)為 Y-HG1-E40/22X80LF2HL1OT1，并選用與其配套的液壓泵，選用一個(gè)特殊液壓控制閥。 雙攪拌軸攪拌摩擦焊機(jī)設(shè)計(jì) 38 第 3 章 AutoCAD 與 Pro/E 軟件簡(jiǎn)介 3.1 軟件簡(jiǎn)介 Aut