【溫馨提示】 dwg后綴的文件為CAD圖，可編輯，無水印，高清圖，，壓縮包內文檔可直接點開預覽，需要原稿請自助充值下載，請見壓縮包內的文件及預覽，所見才能所得，請細心查看有疑問可以咨詢QQ：414951605或1304139763
浙江理工大學本科畢業(yè)設計（論文）任務書
陳偉杰同學（ 機械設計制造及其自動化專業(yè)/班級：09（4） ）
現下達畢業(yè)設計（論文）課題任務書，望能保質保量地認真按時完成。
課題名稱
雙攪拌軸攪拌摩擦焊機設計
主要任務與
目標
攪拌摩擦焊技術是90年代發(fā)展起來的、自發(fā)明到工業(yè)應用時間跨度最短的一項固相連接新技術。著名的B o e i n g、NASA、 BAE、 HONDA、 GE、HITACHI、MARTIN等公司購買了此項技術，并已大量的在航天、航空、車輛、造船等行業(yè)得到成功地應用。
本項目擬與其他同學合作開發(fā)設計一臺雙攪拌軸攪拌摩擦焊機，適合于普通厚度的平板鋁及其合金的工藝試驗試件的焊接, 重點要解決的問題：
1） 雙攪拌軸攪拌摩擦焊機整體設計；
2）雙攪拌軸攪拌摩擦焊機攪拌系統(tǒng)設計；
目標：
提出的設計方案可行，結構設計合理，完成的三維、二維圖紙滿足生產要求。
主要內容與基本要求
主要設計內容有：
1）確定整機的設計方案；
2）攪拌系統(tǒng)方案設計；
3）焊機裝置結構設計，完成三維、二維圖紙；
基本要求：
按照課題內容，完成總體方案設計，完成三維、二維裝配圖和零件圖，總計不少于2張零號圖紙；通過運動仿真完善設計。
完成畢業(yè)設計要求的各種文檔，包括文獻綜述、開題報告、外文翻譯及畢業(yè)設計論文等。
嚴格按照進度安排，保質保量完成所承擔的任務；遵守實驗室規(guī)定。
主要參
考資料
及文獻
閱讀任務
查閱與課題有關的文獻（論文、書籍或手冊等）不少于10篇（部），寫出符合要求的文獻綜述報告。主要參考文獻如下：
[1] 沈璐.陳影.葛繼平.沈長斌異種金屬材料攪拌摩擦焊的研究現狀及展望[期刊論文]-電焊機 2010(6)
[2] 欒國紅.柴鵬.孫成斌鈦合金的攪拌摩擦焊探索[期刊論文]-焊接學報 2005(11)
[3] 李光.李從卿.董春林.欒國紅動態(tài)控制低應力無變形攪拌摩擦焊技術[期刊論文]-航空制造技術 2007(z1)
[4] 李兵.謝里陽.王磊.何雪浤攪拌摩擦焊工藝與機理的研究[期刊論文]-現代制造技術與裝備 2008(1)
[5] 任淑榮.馬宗義.陳禮清攪拌摩擦焊接及其加工研究現狀與展望[期刊論文]-材料導報 2007(1)
[6] 黃華.董仕節(jié).劉靜先進的攪拌摩擦焊技術[期刊論文]-有色金屬 2006(1)
[7] 王訓宏.王快社攪拌摩擦焊的發(fā)展現狀及存在的問題[期刊論文]-焊接技術 2006(6)
[8] R.S. Mishra, Z.Y. Ma. Friction stir welding and processing [J]. Materials Science and Engineering R 2005 (50): 1–78.
[9] L.B. Johannes, R.S. Mishra. Multiple Passes of Friction Stir Processing for The Creation of Superplastic 7075 Aluminum [J]. Materials Science and Engineering: A 2007 (464):255-260.
[10] Lienert, T.J., Stellwag, W.L. Jr., Grimmett, B.B. and Warke, R.W., Friction welding studies on mild steel, Supplement to the Welding Journal, 2003, Vol. 82 No. 1, pp. 1s-9s.
外文
翻譯任務
閱讀2篇以上（10000字符左右）的外文材料，完成2000漢字以上的英譯漢翻譯。英文文獻參考如下：
[1] K. Leskovics, M. Kollar, P. Barczy . A study of structure and mechanical properties of welded joints in polyethylene pipes [J]. Materials Science and Engineering ，2006，A 419 ：138–143.
[2] Wolters M，Venema B. Butt welding of polyethylene pipes [J]. Welding in the world，1985，23(9/10)：202-207.
計劃進度：
起止時間
內容
2012.12.01~2012.12.07
畢業(yè)設計前期資料準備、畢業(yè)設計任務書、外文翻譯任務布置。
2012.12.08~2012.12.31
教師指導學生查閱資料(包括外文資料)，撰寫文獻綜述、開題報告及完成外文資料翻譯等工作。完成文獻綜述、開題報告及完成外文資料翻譯放假前交指導教師。
2013.01.1~2013.01.07
完成文獻綜述、開題報告及完成外文資料翻譯等等工作。
指導教師審核學生上交的文獻綜述、開題報告及外文資料翻譯等，為小組交流、開題報告答辯做準備。
2013.01.08~2013.01.13
完成開題報告答辯工作；
進行總體方案設計。
2013.01.13~2013.04.05
完成攪拌系統(tǒng)，傳動機構設計，零件圖繪制。
2013.04.06~2013.04.15
畢業(yè)設計中期檢查指導情況，學生完成情況，以及表格與記錄的填寫情況。
2013.04.16~2013.05.10
三維裝配圖，運動仿真，二維零件圖，裝配圖，論文撰寫。
學生完成課題設計，提交畢業(yè)設計（論文）。
2013.05.11~2013.05.15
教師對畢業(yè)設計（論文）的審閱；評議小組分組審閱。
2013.05.16~2009.05.20
論文答辯
實習地點
指導教師
簽 名
年 月 日
系 意 見
系主任簽名：
年 月 日
學院
蓋章
主管院長簽名：
年 月 日
3
浙江理工大學本科畢業(yè)設計（論文）開題報告
班 級
機械設計制造及其自動化09(4)班
姓 名
陳偉杰
課題名稱
雙攪拌軸攪拌摩擦焊機設計
開題報告（包括選題意義、研究的基本內容與擬解決的主要問題、總體研究思路與可行性分析及預期研究成果、研究工作計劃等內容，非藝術類不少于3000字）
目 錄
1 選題的背景與意義
2 國內外研究現狀和發(fā)展趨勢
2.1 攪拌摩擦焊的發(fā)展歷史及研究成果
2.2 國內攪拌軸摩擦焊的發(fā)展及應用
2.3 攪拌摩擦焊中雙攪拌軸攪拌摩擦焊目前的應用情況和前景
3 研究的基本內容與擬解決的主要問題
3.1 基本內容
3.2 待解決的主要問題
4 研究方案、可行性分析及預期研究成果
5 研究工作計劃（進度安排）
參考文獻
（開題報告全文附后）
成績：
答
辯
意
見
（從選題、任務工作量、質量預期、可行性等幾個方面）
答辯組長簽名：
年 月 日
系
主
任
審
核
意
見
簽名：
年 月 日
雙攪拌軸攪拌摩擦焊機設計
陳偉杰
(機械設計制造及其自動化09(4)班 B09300405)
1 選題的背景與意義
1991年．攪拌摩擦焊(Friction stir Welding．FSW)由英國焊接研究所(The Welding lnstirate-TWl)發(fā)明，這項杰出的焊接技術一步一步地為世界制造技術的進步做出了巨大的貢獻。
自1991年攪拌摩擦焊(Friction stir Welding．FSW)被發(fā)明到現在，該項技術已經在國內外的眾多領域出現它的身影。如今，攪拌摩擦焊焊已經在諸多制造領域（船舶、軌道列車、航天、航空、汽車、兵器、電子電力等）達到規(guī)?；?、工業(yè)化的應用水平[1]。
雙攪拌軸摩擦焊縫技術作為攪拌摩擦焊的新型攪拌技術，它具有以下優(yōu)勢：（1）兩個攪拌頭同時焊接可以產生更多的熱量，該方法可以運用于鋼及其他高溫合金攪拌摩擦焊中（2）可以確保在較小的扭矩下實現材料的可靠連接。這些優(yōu)點可以使得雙攪拌軸摩擦焊縫技術將攪拌摩擦焊的發(fā)展空間得到進一步的拓展，將推動制造業(yè)更快更好地發(fā)展，同時也必將擁有更廣闊的市場，在不久的將來必將迎來快速的發(fā)展和應用的高峰。
2 國內外攪拌摩擦焊的發(fā)展狀況及研究成果
2.1 攪拌摩擦焊的發(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題；1996年，用FSW技術解決了6～12毫米的鋁、鎂、銅合金的連接．1997年實現了12-25毫米厚鋁合金板的攪拌摩擦焊．并且在宇航結構件上得到應用。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品。2004年，英國焊接研究所已經能夠單道單面實現100毫米厚鋁合金板材的攪拌摩擦焊。迄今，在材料的厚度上，單道焊可以實現厚度為0.8～100mm鋁合金材料的焊接：雙道焊可以焊接180mm厚的對接板材。最近，又開發(fā)了可以連接0.4mm鋁板的微型攪拌摩擦焊技術[2]。
攪拌摩擦作為一種優(yōu)選焊接技術，已經在從技術研究向高層次的工程化和工業(yè)化應用階段發(fā)展。就拿國外的例子來說：在美國的宇航制造工業(yè)、北歐的船舶制造工業(yè)、日本的高速列車制造等制造領域?？傊當嚢枘Σ梁敢呀洀V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)。
攪拌摩擦在今年來取得的成就主要可以從以下幾方面來體現：
（1）攪拌摩擦焊在船舶制造工業(yè)上的應用
目前攪拌摩擦焊在船用鋁合金的焊接方面研究應用較多，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現鋁合金與銅合金、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要求對表面進行去除氧化膜處理，并要求在48 h內進行焊接，而攪拌摩擦焊工藝只要在焊前去除油污即可，并對裝配要求不高。因此，攪拌摩擦焊是船用鋁合金結構首選的連接技術。
（2）攪拌摩擦焊在航天航空工業(yè)上的應用
以英國焊接研究所、波音、空客以及美國月蝕公司為代表的攪拌摩擦焊技術開發(fā)和應用的先鋒已經取得了豐碩的成果。近期的研究結果表明攪拌摩擦焊可以在飛機機翼結構、翼盒結構、機身結構、艙門結構、裙翼結構、機艙氣密隔板以及貨物裝卸結構等方面得到應用[3]。
（3）攪拌摩擦焊在高速列車鋁合金焊接的應用
在攪拌摩擦焊出現后，攪拌摩擦焊由于是一種無需外加焊接材料的焊接方法，因此沒有熔化焊接時選擇焊接材料的困難，也節(jié)省了焊材費用。更重要的是沒有熔化焊接凝固時的一次結晶過程，克服了焊接高強鋁合金時的結晶裂紋、氣孔和夾雜傾向，不會產生焊縫塌陷問題，也不會形成焊縫鑄造組織和低強區(qū)。因此攪拌摩擦取代了先前的熔化焊，成為焊接高速列車時優(yōu)先選擇的焊接方法[4]。
（4）攪拌摩擦焊在其他領域的應用
攪拌摩擦焊除了上述3個領域外，還在軌道交通及陸路交通工業(yè)、汽車工業(yè)在兵器、建筑、電力、能源、家電等工業(yè)中的應用也越來越廣泛。而且都取得了或多或少的成就[5]。
2.2 國內攪拌軸摩擦焊的術發(fā)展發(fā)展應用
2002年，北京航空制造工程研究所與英國焊接研究所正式簽署攪拌摩擦焊專利許可協議，并在技術合作的基礎上成立了中國攪拌摩擦焊中心。中國攪拌摩擦焊中心的成立標志著攪拌摩擦焊技術正式登陸中國。中國攪拌摩擦焊中心全權代表英國焊接研究所，發(fā)售和管理中國地區(qū)(包括香港、澳門和臺灣)的攪拌摩擦焊技術專利許可，從此為攪拌摩擦焊技術在中國地區(qū)的發(fā)展、推廣和工業(yè)化應用打開了大門[6]。
采用攪拌摩擦焊焊接的鋁合金材壁機
圖（1）
圖（2）攪拌摩擦加工技術的發(fā)展
自攪拌摩擦焊進入國內后，較快的運用于我國工業(yè)上的許多領域（船舶制造行業(yè)、航天制造工業(yè)、軌道交通行業(yè)等）。
攪拌摩擦焊在國內的應用現狀，主要通過船舶制造行業(yè)、航天制造工業(yè)兩方面來介紹。首先在船舶制造行業(yè)，2006年4月，我國設計制造了國內第一臺用于大型船用型材料拼焊的攪拌摩擦焊設備，此后，中國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，國內對于2000系列、7000系列以及鋁鋰合金的材料制成的太空交通運載工具都優(yōu)先采用攪拌摩擦焊。中國攪拌摩擦焊中心于‘十五’期間重點對航天運載火箭攪拌摩擦焊開展了系統(tǒng)的科研攻關，國內的航天制造工業(yè)企業(yè)也積極采用了攪拌摩擦焊技術。 除卻上述的兩個領域外，攪拌摩擦焊在國內還廣泛應用于汽車制造業(yè)、軌道交通行業(yè)、電子電力能源行業(yè)[7]。
上圖（2）為攪拌摩擦焊在國內的發(fā)展趨勢。隨著攪拌摩擦焊研究、技術開發(fā)與應用推廣的不斷深入，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，攪拌摩擦焊的研究、開發(fā)和推廣應用才剛剛起步，在市場化的環(huán)境下，通過引進、消化、吸收和技術創(chuàng)新，攪拌摩擦得到了快速發(fā)展，尤其在航空、航天等領域、在國家政策和項目的支持下，攪拌摩擦焊必將在我國其他工業(yè)領域得到較快的推廣。
2.3攪拌摩擦焊縫中雙攪拌軸攪拌摩擦焊目前的應用情況和前景
（1） 雙攪拌軸摩擦焊的工作原理
在提及雙攪拌軸摩擦焊縫技術的工作原理前，我們先講講攪拌摩擦焊的工作原理：攪拌摩擦焊過程中，一個柱形帶特殊軸肩和針凸的攪拌頭旋轉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(焊接溫度一般不會達到和超過被焊接材料的熔點)，當攪拌頭旋轉著向前移動時，熱塑化的金屬材料從攪拌頭的前沿向后沿轉移，并且在攪拌頭軸肩與工件表層摩擦產熱和鍛壓共同作用下，形成致密固相連接接頭。
相對于攪拌摩擦焊的工作原理，雙攪拌摩擦焊縫為采用兩個轉動相反的攪拌頭同時進行焊接，由于兩個攪拌頭轉動方向相反，產生的工作扭矩因相互抵消而減弱，焊接過程中采用較小的側向裝夾力就能實現可靠的連接。在雙攪拌頭復雜的機械力和摩擦熱的作用下，塑性金屬的流動、焊接溫度場、應力應變場都將受到影響，這會對焊件性能產生很大的影響[8]。
雖然兩者看起來是十分的相似，無非是多了一個攪拌軸，但是雙攪拌軸摩擦焊相對于攪拌摩擦焊有以下優(yōu)點：（a）可以得到比攪拌摩擦焊更寬的焊縫區(qū)域；（b）焊接質量更高；（c）兩個攪拌頭同時焊接可以產生更多的熱量，該方法可以運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現材料的可靠連接，（e）生產效率更高。
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）雙攪拌軸摩擦焊取得得成就
TWI采用雙攪拌軸進行了雙頭攪拌摩擦焊焊接，試驗中得出了在6mm厚的6082-T6鋁合金一字排列式雙頭攪拌摩擦焊搭接接頭中，無論前進側還是后退側的焊縫區(qū)域殘留氧化物均有所減少，前后交錯排列式雙頭攪拌摩擦焊3mm厚的5083-H111鋁合金搭接接頭的金相分析表明，焊接區(qū)域尺寸可達板厚度的4.3倍。
在一系列的試驗后，事實證明了雙攪拌軸摩擦焊的優(yōu)點遠遠大于其不足之處。多頭系統(tǒng)可以確保在較小的扭矩下實現材料的可靠連接。采用 前后交錯排列式雙頭攪拌摩擦焊工藝，用于材料加工和搭接焊具有獨特優(yōu)勢，而且可以在更大的對接間隙下實現對接接頭的可靠連接。
由此，在接下來的幾年內，雙攪拌軸摩擦焊縫技術將會得到越來越廣泛的應用于各個領域。
3 研究的基本內容與擬解決的主要問題
3.1 基本內容
在接下來的時間里，我將會通過ProE、CAD等軟件畫出雙攪拌軸攪拌摩擦焊中的雙攪拌軸部分的二維圖和三維模型并結合ProE的仿真功能初步的做出其工作原理的仿真。其中涉及到的工作包括以下幾個方面。
1） 掌握雙攪拌軸的工藝要求；
2） 建立機構運動的數學模型；
3） 確定合理的參數，得到機構的大致輪廓；
4） 根據獲得的參數在ProE中設計機構的結構，包括零部件和裝配體，對關鍵的攪拌軸運動部分進行有限元分析，并在ProE中進行仿真；
5） 設計完整體裝配后，進行二維加工圖紙繪制。
圖（3）為一個電機帶動的雙攪拌軸的三維裝配圖
3.2 擬解決的主要問題
攪拌摩擦焊在國內外都已經被工業(yè)化的應用于航天航空、汽車制造等工業(yè)領域，因此單軸的攪拌摩擦焊設備在這些工業(yè)領域已經隨處可見。但是，雙攪拌摩擦焊設備在國內還是比較少見，也還沒有被大范圍的使用，因此，我的主要待解決的問題就是設計出一個傳動系統(tǒng)可以由一個電機來同時帶動兩個攪拌軸和如何將該機構于攪拌摩擦設備相配套使用。
4 研究方案、可行性分析及預期研究成果
本課題以雙攪拌軸攪拌摩擦焊機為對象，根據工藝要求，以雙攪拌軸為分析的主體，在分析符合的參數后，確定雙攪拌軸的內部機構和參數。從而，進一步的確定雙攪拌軸的工作過程。
4.1 研究方案
雙攪拌軸的內部機構的三維效果如圖（3）所示，一個電機通過齒輪傳動帶動左右兩個攪拌軸一起轉動，兩個攪拌軸由于通過齒輪傳動，朝相反的方向轉動。進而使得這兩個攪拌軸可以同步加工，可以大大提高生產效率。當然這樣的機構也可以成直線排列，用于提高焊接質量。
4.2 可行性分析
該機構主要是通過齒輪傳動將兩個攪拌軸聯系在一起，有一個電機帶動同步轉動。因此，從工藝的角度看，這樣的機構比較簡單，容易實現。而且，這樣的機構在其他的領域也被廣泛的應用，它只是運用了齒輪的傳動。目前TWI已經發(fā)明了直線排列的雙攪拌軸。
4.3 預期研究成果
本課題主要研究的是雙攪拌軸的內部結構設計，只要掌握機構設計的一般流程，完成的機構的設計計算（該機構有一定的通用性），確定零件的參數，繪制機構圖紙。最終研制一種可以完成攪拌摩擦焊過程的部件。
5 研究工作計劃（進度安排）
起止時間
內容
2012年11月上旬
下達畢業(yè)論文任務
2012年11月20日
完成中外文資料收集
2012年12月12日
完成外文翻譯、文獻綜述
2012年12月31日
完成開題報告
2013年1月15日
完成開題答辯
2013年2月中旬
應用proe進行可行性分析
2013年2月下旬
初步運用proe仿真
2013年3月中旬
完成二維工程圖紙的設計
2013年3月下旬
完成三維零部件設計并裝配，努力實現仿真
2013年4月15日
完成論文初稿
2013年4月30日
完成實習報告
2013年5月上旬
部分論文提前答辯
2013年5月中旬
完成論文定稿
2013年5月下旬
完成論文答辯
2013年6月（離校前）
論文修改（優(yōu)秀論文壓縮為規(guī)定字數），交紙質和電子稿
參考文獻
[1] 中國機床商務網 http://www.jic35.cn/Tech_news/Detail/3970.html
[2]鄢東洋.史清宇.吳愛萍.Juerqen Silvanus 攪拌摩擦焊應力變形有限元模擬的研究進展[期刊論文]-焊接 2009(1)
[3]李光.李從卿.欒國紅.董春林薄壁鋁合金攪拌摩擦焊焊接應力變形與控制[期刊論文]-焊接 2009(1)
[4]張友壽.何建軍.謝志強.蔣蔚翔攪拌摩擦焊接技術基礎及其工程應用[期刊論文]-材料導報 2008(1)
[5]董春林 欒國紅 攪拌摩擦焊在中國應用發(fā)展現狀概述-北京航空制造工程研究所
[6]欒國紅;柴鵬;孫成斌鈦合金的攪拌摩擦焊探索[期刊論文]-焊接學報 2005(11)
[7]柯黎明 攪拌摩擦焊工藝及其應用[期刊論文]-工藝與新技術 2000(02)
[8]關橋輕金屬材料結構制造中的攪拌摩擦焊技術與焊接變形控制[期刊論文]-航空科學技術 2005(04)
[9]J. J. Vagi, R. P. Meister, and M. D. Randall, DMIC Report 244, Defense Metals Information Center, Battelle Memorial Institute, August 1968.
[10]Terry Khaled, Ph.D. USA AN OUTSIDER LOOKS AT FRICTION STIR WELDING
[11]R.S. Mishraa,*, Z.Y. Mab USA FIRCTION STIR WELDING AND PROCESSING
[12] Hassan Kh A A , Norman A F. Stability of nugget zone grain structures in high strength Al alloy friction stir welds during solution treatment. Acta Materialia , 2003 , 51 (8) : 1 923～1 936
浙 江 理 工 大 學 本 科 畢 業(yè) 設 計 （ 論 文 ） 題 目 雙攪拌軸攪拌摩擦焊機設計 學 院 機械與自動控制學院 專業(yè)班級 09 機械設計制造及其自動化（4）班 姓 名 陳偉杰 學 號 B09300405 指導教師 李紅軍 系 主 任 胡明 學院院長 胡旭東 二〇一三年五月十二日 浙 江 理 工 大 學 機械與自動控制學院 畢業(yè)設計誠信說明 我謹在此保證：本人所做的畢業(yè)設計，凡引用他人的研究成果 均已在參考文獻或注釋中列出。設計說明書與圖紙均由本人獨立完 成，沒有抄襲、剽竊他人已經發(fā)表或未發(fā)表的研究成果行為。如出 現以上違反知識產權的情況，本人愿意承擔相應的責任。 聲明人（簽名）： 2013 年 5 月 12 日 2 摘 要 攪拌摩擦焊技術是 90 年代發(fā)展起來的、自發(fā)明到工業(yè)應用時間跨度最短和 發(fā)展最快的一項新型固相連接新技術，公認為是最有前途和最適合航空材料以 及結構件制造的工藝方法之一。攪拌摩擦焊（FSW）是一個相對較新的固態(tài)焊接 過程。這種連接技術具有節(jié)能，高效，環(huán)保，用途廣泛的特點。特別是，它可 以用于高強度航天鋁合金和其他金屬的合金，這些合金是很難通過常規(guī)焊接熔 焊。 FSW 被認為是金屬連接在十年的發(fā)展中最有標志性的成果。 [6] 本文設計出的雙攪拌軸摩擦焊焊機，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試件的焊接，攪拌摩擦頭轉速約 6000r/min，焊接速度 為 500—600mm/min，最大加工焊縫厚度 15mm，焊縫長度 500mm。文中介紹了攪 拌摩擦焊焊接技術的基本原理和特點，概要地介紹了攪拌摩擦焊的技術優(yōu)勢、 研究現狀、工業(yè)應用和發(fā)展前景。針對工藝試驗試件攪拌摩擦焊機，主要設計、 計算和校核了設備各主要部分，均能夠滿足試驗用焊機的要求。 本機器由于采用雙攪拌頭，因此相對于一般的攪拌摩擦焊焊機效率更高。 相對于一般的攪拌摩擦焊焊機，該機器也非常的經濟和容易操作。 關鍵詞：雙攪拌軸摩擦焊；固相焊接；鋁合金焊接；焊機設計 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 can’t 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 攪拌摩擦焊簡介 ........................................................1 1.2 國內外研究現狀及發(fā)展趨勢 ..............................................2 1.2.1 攪拌摩擦焊技術發(fā)展歷史及研究成果 .................................................................2 1.2.2 國內攪拌軸摩擦焊技術發(fā)展發(fā)展應用 ................................................................3 1.2.3 攪拌摩擦焊中雙攪拌軸摩擦焊技術目前的應用情況和前景 .............................5 1.3 本次設計的內容和意義 ..................................................6 第 2 章 雙攪拌軸攪拌摩擦焊機設計 ..........................................................................7 2.1 焊機的總體設計以及規(guī)劃 ................................................7 2.2 各部件設計 ............................................................8 2.2.1 攪拌頭及夾具設計 ................................................................................................8 2.2.2 攪拌系統(tǒng)功率計算 ................................................................................................9 2.2.3 攪拌系統(tǒng)傳動齒輪設計 .......................................................................................11 2.2.4 攪拌軸的設計 .......................................................................................................15 2.2.5 攪拌系統(tǒng) V 帶設計 ...............................................................................................20 2.2.6X-Y 工作臺設計 .....................................................................................................26 2.2.7 傳動絲杠設計 .......................................................................................................27 2.2.8 減速齒輪的設計 ...................................................................................................30 2.2.9 液壓缸選擇 ...........................................................................................................33 第 3 章 AUTOCAD 與 PRO/E 軟件簡介 .........................................................................34 3.1 軟件簡介 .........................................................................................................................34 3.2 三維模型 .........................................................................................................................35 第 4 章 總結與展望 ....................................................................................................37 參考文獻 ...................................................................................................................38 致 謝 ........................................................................................................................39 浙江理工大學本科畢業(yè)設計（論文） 1 第 1 章 緒論 1.1 攪拌摩擦焊簡介 1991 年．攪拌摩擦焊(Friction stir Welding．FSW)由英國焊接研究所 (The Welding lnstirate-TWl)發(fā)明，這項杰出的焊接技術一步一步地為世界制 造技術的進步做出了巨大的貢獻。 自 1991 年攪拌摩擦焊(Friction stir Welding．FSW)被發(fā)明到現在，該項 技術已經在國內外的眾多領域出現它的身影。如今，攪拌摩擦焊焊已經在諸多 制造領域（船舶、軌道列車、航天、航空、汽車、兵器、電子電力等）達到規(guī) ?；?、工業(yè)化的應用水平。如在船舶制造領域，在 1996 年攪拌摩擦焊就在挪威 MARINE 公司成功地應用在鋁臺金快速艦船的甲板、側板等結構件的流水線制造。 在軌道車輛制造領域，日本 HITACHI 公司首先于 1997 年將攪拌摩擦焊技術應用 于列車車體的快速低成本制造。成功實現了大壁板鋁合金型材的工業(yè)化制 造．在世界宇航制造領域．攪拌摩擦焊已經成功代替熔焊實現了大型空間運載 工具如運載火箭和航天飛機等的大型高強鋁合金燃料貯箱的制造，波音公司的 DELTA II 型和 Iv 型火箭已經全部實現了攪拌摩擦焊制造 t 并于 1999 年首次成 功發(fā)射升空。2000 年世界汽車工業(yè)，如美國 TOWER 汽車公司等就利用攪拌摩擦 焊實現了汽車懸掛支架、輕合金車輪、防撞緩沖器、發(fā)動機安裝支架以及鋁合 金車身的焊接。2002 年 8 月，美國月蝕航空公司利用 FSW 技術研制出了全攪拌 摩擦焊輕型商用飛機，并且首次試飛成功 [7]。 至2004年9月，全世界約有130家各個行業(yè)的公司和大學、研究機構獲得了 英國焊接研究所授權的攪拌摩擦焊非獨占性專利許可。英國、美國、法國、德 國、瑞典、日本和中國等先后獲得了該專利的使用權。至今為止我國先后已經 有二十多家單位。獲得了該項專利的使用權 [8]。 雙攪拌軸摩擦焊縫技術作為攪拌摩擦焊技術的一種，它的最大特點就是可 以提高生產效率。同時，它也可以使得焊縫區(qū)域更大，焊接質量更高。目前存 在的雙攪拌軸一般采用兩個轉動相反的攪拌頭同時進行焊接。 雙攪拌軸攪拌摩擦焊機設計 2 在不久的將來，攪拌摩擦焊技術將會一直以任何一種焊接方法無法比擬的 速度發(fā)展，在更多的領域發(fā)揮著它的作用。 1.2 國內外研究現狀及發(fā)展趨勢 1.2.1 攪拌摩擦焊技術發(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題； 1996年，用FSW技術解決了6～12毫米的鋁、鎂、銅合金的連接．1997年實現了 12-25毫米厚鋁合金板的攪拌摩擦焊．并且在宇航結構件上得到應用。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品。2004 年，英國焊接研究所已經能夠單道單面實現100毫米厚鋁合金板材的攪拌摩擦焊。 迄今，在材料的厚度上，單道焊可以實現厚度為0.8～100mm鋁合金材料的焊接： 雙道焊可以焊接180mm厚的對接板材。最近，又開發(fā)了可以連接0.4mm鋁板的微 型攪拌摩擦焊技術 [9]。 攪拌摩擦作為一種優(yōu)選焊接技術，已經在從技術研究向高層次的工程化和 工業(yè)化應用階段發(fā)展。就拿國外的例子來說：在美國的宇航制造工業(yè)、北歐的 船舶制造工業(yè)、日本的高速列車制造等制造領域 [10]?？傊當嚢枘Σ梁敢呀洀V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 工業(yè)以及兵器、建筑、電力、能源、家電等工業(yè)。 攪拌摩擦在今年來取得的成就主要可以從以下幾方面來體現： （1）攪拌摩擦焊在船舶制造工業(yè)上的應用 目前攪拌摩擦焊在船用鋁合金的焊接方面研究應用較多，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現鋁合金與銅合金、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要求對表面進 行去除氧化膜處理，并要求在48 h內進行焊接，而攪拌摩擦焊工藝只要在焊前 去除油污即可，并對裝配要求不高。因此，攪拌摩擦焊是船用鋁合金結構首選 的連接技術。 浙江理工大學本科畢業(yè)設計（論文） 3 （2）攪拌摩擦焊在航天航空工業(yè)上的應用 以英國焊接研究所、波音、空客以及美國月蝕公司為代表的攪拌摩擦焊技 術開發(fā)和應用的先鋒已經取得了豐碩的成果。近期的研究結果表明攪拌摩擦焊 可以在飛機機翼結構、翼盒結構、機身結構、艙門結構、裙翼結構、機艙氣密 隔板以及貨物裝卸結構等方面得到應用 [11]。 （3）攪拌摩擦焊在高速列車鋁合金焊接的應用 在攪拌摩擦焊出現后，攪拌摩擦焊由于是一種無需外加焊接材料的焊接方 法，因此沒有熔化焊接時選擇焊接材料的困難，也節(jié)省了焊材費用。更重要的 是沒有熔化焊接凝固時的一次結晶過程，克服了焊接高強鋁合金時的結晶裂紋、 氣孔和夾雜傾向，不會產生焊縫塌陷問題，也不會形成焊縫鑄造組織和低強區(qū)。 因此攪拌摩擦取代了先前的熔化焊，成為焊接高速列車時優(yōu)先選擇的焊接方法。 （4）攪拌摩擦焊在其他領域的應用 攪拌摩擦焊除了上述3個領域外，還在軌道交通及陸路交通工業(yè)、汽車工業(yè) 在兵器、建筑、電力、能源、家電等工業(yè)中的應用也越來越廣泛。而且都取得 了或多或少的成就。 1.2.2 國內攪拌軸摩擦焊技術發(fā)展發(fā)展應用 2002 年，北京航空制造工程研究所與英國焊接研究所正式簽署攪拌摩擦 焊專利許可協議，并在技術合作的基礎上成立了中國攪拌摩擦焊中心。中國攪 拌摩擦焊中心的成立標志著攪拌摩擦焊技術正式登陸中國。中國攪拌摩擦焊中 心全權代表英國焊接研究所，發(fā)售和管理中國地區(qū)(包括香港、澳門和臺灣)的 攪拌摩擦焊技術專利許可，從此為攪拌摩擦焊技術在中國地區(qū)的發(fā)展、推廣和 工業(yè)化應用打開了大門 [12]。 雙攪拌軸攪拌摩擦焊機設計 4 圖 1-1 采用攪拌摩擦焊焊接的鋁合金材壁機 圖 1-2 攪拌摩擦加工技術的發(fā)展 自攪拌摩擦焊進入國內后，較快的運用于我國工業(yè)上的許多領域（船 舶制造行業(yè)、航天制造工業(yè)、軌道交通行業(yè)等） 。 攪拌摩擦焊在國內的應用現狀，主要通過船舶制造行業(yè)、航天制造工 業(yè)兩方面來介紹。首先在船舶制造行業(yè)，2006 年 4 月，我國設計制造了國內第 一臺用于大型船用型材料拼焊的攪拌摩擦焊設備，此后，中國攪拌摩擦焊中心 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，國內對于 2000 系列、7000 系列以及鋁鋰合金 的材料制成的太空交通運載工具都優(yōu)先采用攪拌摩擦焊。中國攪拌摩擦焊中心 于‘十五’期間重點對航天運載火箭攪拌摩擦焊開展了系統(tǒng)的科研攻關，國內 的航天制造工業(yè)企業(yè)也積極采用了攪拌摩擦焊技術。 除卻上述的兩個領域外， 攪拌摩擦焊在國內還廣泛應用于汽車制造業(yè)、軌道交通行業(yè)、電子電力能源行 業(yè)。 上圖 1-2 為攪拌摩擦焊在國內的發(fā)展趨勢。隨著攪拌摩擦焊研究、技 術開發(fā)與應用推廣的不斷深入，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，攪拌摩擦焊的研究、開發(fā)和推廣應用才剛剛起步，在 市場化的環(huán)境下，通過引進、消化、吸收和技術創(chuàng)新，攪拌摩擦得到了快速發(fā) 浙江理工大學本科畢業(yè)設計（論文） 5 展，尤其在航空、航天等領域、在國家政策和項目的支持下，攪拌摩擦焊必將 在我國其他工業(yè)領域得到較快的推廣。 1.2.3 攪拌摩擦焊中雙攪拌軸摩擦焊技術目前的應用情況和前景 （1）雙攪拌軸摩擦焊技術的工作原理 在提及雙攪拌軸摩擦焊縫技術的工作原理前，我們先講講攪拌摩擦焊的 工作原理：攪拌摩擦焊過程中，一個柱形帶特殊軸肩和針凸的攪拌頭旋轉著緩 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(焊接溫度一般不會達到和超過被焊接材料的熔 點)，當攪拌頭旋轉著向前移動時，熱塑化的金屬材料從攪拌頭的前沿向后沿轉 移，并且在攪拌頭軸肩與工件表層摩擦產熱和鍛壓共同作用下，形成致密固相 連接 [6]。 相對于攪拌摩擦焊的工作原理，雙攪拌摩擦焊縫為采用兩個轉動相反的 攪拌頭同時進行焊接，由于兩個攪拌頭轉動方向相反，產生的工作扭矩因相互 抵消而減弱，焊接過程中采用較小的側向裝夾力就能實現可靠的連接。在雙攪 拌頭復雜的機械力和摩擦熱的作用下，塑性金屬的流動、焊接溫度場、應力應 變場都將受到影響，這會對焊件性能產生很大的影響。 雖然兩者看起來是十分的相似，無非是多了一個攪拌軸，但是雙攪拌軸 摩擦焊相對于攪拌摩擦焊有以下優(yōu)點：（a）可以得到比攪拌摩擦焊更寬的焊縫 區(qū)域；（b）焊接質量更高；（c）兩個攪拌頭同時焊接可以產生更多的熱量， 該方法可以運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 矩下實現材料的可靠連接， （e）生產效率更高。 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取得得成就 TWI采用雙攪拌軸進行了雙頭攪拌摩擦焊焊接，試驗中得出了在6mm厚 6082-T6鋁合金一字排列式雙頭攪拌摩擦焊搭接接頭中，無論前進側還是后退側 的焊縫區(qū)域殘留氧化物均有所減少，前后交錯排列式雙頭攪拌摩擦焊3mm厚 雙攪拌軸攪拌摩擦焊機設計 6 5083-H111鋁合金搭接接頭的金相分析表明，焊接區(qū)域尺寸可達板厚度的4.3倍。 在一系列的試驗后，事實證明了雙攪拌軸摩擦焊的優(yōu)點遠遠大于其不足之 處。多頭系統(tǒng)可以確保在較小的扭矩下實現材料的可靠連接。采用 前后交錯排 列式雙頭攪拌摩擦焊工藝，用于材料加工和搭接焊具有獨特優(yōu)勢，而且可以在 更大的對接間隙下實現對接接頭的可靠連接 [7]。 由此，在接下來的幾年內，雙攪拌軸摩擦焊技術將會得到越來越廣泛的應 用于各個領域。 1.3 本次設計的內容和意義 通過對相關資料、文獻的查找，獲得相關資料，了解雙攪拌摩擦焊焊接原 理及相關工藝，了解其的應用范圍，了解雙攪拌摩擦焊在焊接中的優(yōu)勢，了解 雙攪拌軸摩擦焊的研究現狀和在工業(yè)中的應用，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設計相關資料，設計一臺能焊接焊縫厚度為 15mm，焊縫長度為 500mm 的雙攪拌軸摩擦焊實驗用焊機。在寫設計說明書的過 程中，要求對關鍵部位的設計寫得比較詳細、具體，并校核該實驗用焊機的各 主要部分。 浙江理工大學本科畢業(yè)設計（論文） 7 第 2 章 雙攪拌軸攪拌摩擦焊機設計 本章講述雙攪拌軸攪拌摩擦焊焊機的重要部分的設計計算過程。主要包括 以下幾方面：焊機的總體設計、攪拌系統(tǒng)的設計（主要講雙攪拌軸的設計以及 攪拌系統(tǒng)的傳動系統(tǒng)） 、伺服系統(tǒng)的設計（主要為工作臺的設計） 。 此攪拌摩擦焊焊機，攪拌摩擦頭轉速約 6000r/min，焊接速度 500— 600mm/min，最大加工焊縫厚度 15mm，焊縫長度 500mm，總功率約 4000 瓦左右。 此機器主要使用于普通的鋁及其合金，該焊機由于是雙軸的，可以雙件同 時加工，大大提高了生產效率。 2.1 焊機的總體設計以及規(guī)劃 此雙攪拌軸摩擦焊縫焊機由于為雙軸，所以采取雙件生產。為了使得該機 器更加經濟使用，所以采用一般的 A3 鋼焊接結構。以下是此焊機的一些整體結 構的規(guī)劃，首先工作臺平面約離地面高越 1300mm，焊機總高度約 1750mm（適合 于工作人員的操作）總長度約 1400mm，工作臺面長度約 1000mm，寬度約 800mm，工作臺上下移動約 80mm。機頭高度約為 200mm，攪拌軸中心距機體約 500mm。工作臺箱體總長約 1000mm，高度約 400mm?？紤]到及其的中提美觀，將 伺服系統(tǒng)的傳動部分放入工作臺的箱體內。同理，液壓推動系統(tǒng)也將放于工作 臺的箱體內，便于液壓推動過程中將工作臺垂直向上推動。為了便于該系統(tǒng)的 維修和檢測，在起前方開一個天窗便于維修時的操作。電氣控制部分將放于及 其的左后下方（此部分不再本次設計范圍內） 。攪拌系統(tǒng)的電機放在電機座上， 然后再將電機座固定在機體上，調整電機座在機體上的位置就可以調整 V 帶輪 中心距。為了方便觀察，在集體后方開一個觀察窗口，便于機器的維修和檢測。 工作臺箱體正面的左方將放置一個控制臺，操作起來很方便。以上便是本臺機 器的整體布局的規(guī)劃。 雙攪拌軸攪拌摩擦焊機設計 8 2.2 各部件設計 2.2.1 攪拌頭及夾具設計 攪拌頭是攪拌摩擦焊技術的關鍵，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和物理特性的抗摩 損材料制造，并進行表面處理。 對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 采用螺紋聯接，夾持部分為 M12，長度為 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，同時也有利于被焊金屬的 攪動，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合在一 起，這樣也提高了軸肩與焊件表面的接觸面積，同時也提高了焊接時的閉合性， 從而可以防止塑化的材料在攪拌頭旋轉時噴射出去。各型號攪拌摩擦頭的參數 見表 2-1。 圖 2-1 焊針示意圖 圖 2-2 軸肩示意圖 表 2-1 攪拌摩擦頭參數及焊縫截面積 板厚（mm） 焊針直徑 （mm） 焊針長度 （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 浙江理工大學本科畢業(yè)設計（論文） 9 攪拌頭夾具用于聯接攪拌頭和攪拌軸，其具體結構如圖 2-3 所示。 圖 2-3 攪拌頭夾具 2.2.2 攪拌系統(tǒng)功率計算 查資料得到鋁合金在焊接時的需要的最高溫升為 600℃，本機器主要設計 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，設能量利用率約為 50%，則單位時間內焊縫溫升部分體積為： 2x240 x500=240000mm3 （由于本機器為雙軸，則需要將截面面積加倍） ，能量計 算公式為 [18] （2-1）??????VTCE 式中：C——比熱容（J/kg K） △T——溫度變化值（℃） V——體積（m 3） ρ——密度（kg/m 3） η——效率 E——能量（J） 查得鋁的各項參數如下 [23] ρ=2700Kg/m 3，C=904.3J/Kg·K 由式（2-1）單位時間內需要能量為 min/895.7%027102460.99 KJE????? 由于該機器為雙軸，則功率為： WP.685.?? 選用伺服電機 SM-150-230-20LFB（額定轉速 2000r/min，長度 L=60mm，額 定扭矩 2.3NB） 雙攪拌軸攪拌摩擦焊機設計 10 攪拌摩擦焊焊機輸入工件的總功率為 [16] （2-2）)(4510 22rFnN???? 式中：N——輸入工件總的熱功率（J） n——攪拌摩擦頭的轉速（r/min） μ——摩擦系數 F——工件上壓力（N） r0、r 1——焊頭軸肩和焊針的半徑（mm） 因為單位時間內輸入工件的能量與總功率相等，在單位時間內則有 （2-3）NE? 查得鋁與鋼的摩擦系數為 0.17[18] ，由式（2-2） 、 （2-3）得)142(5)287952???Fn?? F=84.7N 則兩個攪拌頭向前移動阻力為 NF4.1???阻 由此可以得出對于不同板厚的材料在焊接時的壓力和焊接速度，見表 2- 2。 表 2-2 不同板厚在焊接時的壓力和焊速 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)傳動齒輪設計 傳遞功率 ，轉速 ， （為了方便設計和選材，把雙KWP9.2?min/60rn? 攪拌頭的傳動齒輪設計成傳動比為 1 的三個齒輪） ，則齒數比 。1?齒 1?u 浙江理工大學本科畢業(yè)設計（論文） 11 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， 170～210HBS，小齒輪采用 45 鋼調質處理，217～255HBS。 2．按齒面接觸強度設計 一對鋼制外嚙合齒輪設計公式為 （2-4）)(1)][67(321 mKTuddH???? （1）計算小齒輪傳遞的轉矩 )(461509.215.9105.966 NnPT ?????? （2）選擇齒輪齒數 ，則實際傳動比為8z齒i 傳動比誤差為 0%1?????i （3）轉速不高，功率不大，選擇齒輪精度為 8 級 （4）載荷平穩(wěn)，對稱布局，軸的鋼度較大，查表 2-4 取 K=1.5 表 2-4 載荷綜合系數 K 工作機 均勻平穩(wěn) 輕微振動 中等振動 結構布局 對稱 非對稱 對稱 非對稱 對稱 非對稱 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 1.3～1.4 1.4～1.7 1.6～1.8 1.7～2 1.9～2.1 2～2.4 原 動 機 中等振動 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 齒面硬度 齒輪相對于軸承的位置 軟齒面 硬齒面 對稱 0.8～1.4 0.4～0.9 非對稱布置 0.6～1.2 0.3～0.6 （5）查表 2-5 取齒寬系數 1?d? 雙攪拌軸攪拌摩擦焊機設計 12 （6）確定許用接觸應力 查得 2/380minNH?? 查表 2-6 得 5.1iS 表 2-6 最小安全系數 SHmin和 SHmin 齒輪傳動裝置的重要性 SHmin SHmin 一般 1 1 齒輪損壞會引起嚴重后果 1.25 1.5 對于長期工作的齒輪，[σ H]可按下式計算 （2-5）min[S?? 由式（2-5）得 2/30425.18][NH （7）計算齒輪分度圓直徑 由式（2-4）得 md268.3145.)36871(2???? （8）計算模數 6.082.3?zdm 查表 2-7 取 m=1.5。 表 2-7 漸開線圓柱齒輪標準模數（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 浙江理工大學本科畢業(yè)設計（論文） 13 （9）計算齒輪主要尺寸及圓周速度 表 2-8 傳遞動力的齒輪精度（Ⅱ公差組）等級的選擇與應用 圓周速度（m/s） 圓柱齒輪 錐齒輪 精度等級 直齒 斜齒 直齒 斜齒 應用 6 級 ≤15 ≤30 ≤12 ≤20 高速重載齒輪傳動 7 級 ≤10 ≤15 ≤8 ≤10 高速中載或中速重載的齒輪傳動 8 級 ≤6 ≤10 ≤4 ≤7 一般機械中對精度無特殊要求的齒輪 9 級 ≤2 ≤4 ≤1.5 ≤3 低速或對精度要求低的齒輪 不妨取分度圓半徑 d=48mm Z=D/m=96/1.5=64 中心距 mzma96)4(25.1)(21 ????? 齒輪寬度 db8? 圓周速度 smnV/07.1460160???? 查表 2-8 可知能用 6 級精并選用 1 號二硫化鉬鋰基脂進行潤滑。 3．校核齒根彎曲強度 校核齒根彎曲強度用以下公式 （2-6）]/][221mNzbYKTFsF???? （1）復合齒形系數根據 由表 2-5 查得2, 0.41?s （2）確定許用應力[σ F]。 對于長期單面工作的齒輪，其齒根受脈動循環(huán)彎曲應力，此時 可按下][F? 式計算 雙攪拌軸攪拌摩擦焊機設計 14 (2-7)min][FS?? 由圖 1-7 查得 21min/530NF? 查表 2-6 得 ，由式（ 2-7）得.i?S??F/3.5.1? （3）式中已知 ， ， ，5.KmNT?465.1?mb48 （4）校核計算。 由式（2-6）得 222 /3.5][/01.8645.18 NFF ??????? 校核計算安全。 4．結構設計 齒輪按照表 2-9 進行設計。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，t 1=3.3mm。n 1取 1mm。 表 2-9 圓柱齒輪結構及尺寸 d6.1?Bl??)5~2(namz?fd).(? naD101?)(5.0d?)(201較 小 時 可 不 鉆 孔dm?? 浙江理工大學本科畢業(yè)設計（論文） 15 表 2-10 平鍵 軸 d 鍵 bxh 公稱 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 10 x8 10 5.0 3.3 >38～44 12x8 12 5.0 3.3 >44～50 14x9 14 5.5 3.8 鍵長系列： 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 m=1.5； 分度圓半徑 d=48mm； 齒頂圓直徑 ad=99mm； 齒根圓直徑 f=92.25mm； 齒數 z=64。 2.2.4 攪拌軸的設計 1．選擇軸的材料 攪拌摩擦焊機的功率 P=2.99KW，由于功率不大又無特殊要求，故攪拌軸可 選用常用的 45 號鋼并作正火處理。查得 。2/60mNB?? 對于一般的傳動軸，可按下式計算軸的最直徑 雙攪拌軸攪拌摩擦焊機設計 16 （2-8）)(][2.01593336mnPCd????? 查表 2-12 得 C=118-107，由式（2-8）得 )(26.90.183d??? 計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 按轉矩計算軸用的[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．軸的結構設計 圖 2-4 攪拌軸示意圖 d1=20mm，L 1=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，L 2=40mm，由于該軸的轉速為 6000r/min,30205 圓錐滾子軸承在 脂潤滑的情況下極限轉速為 7000r/min,符合要求，故選擇 30205 的圓錐滾子軸 承。具體數據參考表格 2-12。 浙江理工大學本科畢業(yè)設計（論文） 17 表 2-12 圓錐滾子軸承（GB/T297—1994） 尺寸/mm 極限轉速 r/min軸承 代號 d D T B C 脂潤 滑 油潤 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，此處開一個 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，L 6=16mm，用于安裝 30205 軸承 d7=20mm，L 7=20mm，用于安裝攪拌頭夾具 軸的總長為 220mm 30206 軸承用 1 號二硫化鉬鋰基脂進行潤滑，由表 1-13 查得，符合 6000r/min 轉速的要求。 3．軸上受力分析 齒輪對軸的作用力為 ，攪拌摩擦頭對軸的作用力NFQ02.164.3?? 為 ，軸向力 ，則：NF4.1?阻 a78? 水平面 ??????HRF219阻阻 雙攪拌軸攪拌摩擦焊機設計 18 解得 ????NRH56.27131 垂直面 ???VQF122940 解得 ????NRV3.521 則 ? ???NVH 23.18.256.742211 表 2-13 圓錐滾子軸承的基本額定動載荷 C 和基本額定靜載荷 C0 KN 軸承型號 C C0 e Y Y0 X 30204 25.0 18.0 0.35 1.7 1.0 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 0.40 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 C 型（ α=15 0） AC 型（α=25 0） B 型（α=40 0） 圓錐滾子軸承 S=eR S=0.68R S=1.14R S=R/(2Y) 由表 2-14 得 ?????NYRS07.428.161 浙江理工大學本科畢業(yè)設計（論文） 19 ?????NSFa07.41221? ，軸有沿 方向移動的趨勢，軸承 1 被“壓緊” ，軸承 2 被21SFa??2 “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???????NSANFa07.47.24.821 因軸承Ⅰ上的作用力大于軸承Ⅱ上的作用力，故僅對軸承Ⅰ進行壽命計算， 軸承壽命可由下式進行計算 （2-9）)(601hPCnLh?? （2-10）(YAXRK? 表 2-15 動載荷系數 KP 載荷性質 平穩(wěn)或有輕微沖擊 中等沖擊和振動 強烈沖擊和振動 KP 1.0～1.2 1.2～1.8 1.8～3.0 查表 2-15 得 ，由式（2-10）得2.1?P N36.410).286.1340(???? 查表 1-14 得 C=39.0KN，由式（2-9）得 hLh 453821)6.10(601?? 4．計算彎矩 水平面彎矩 截面 b： )(4.1598.1mNFMbH ????阻 垂直面彎矩 截面 a： )(.602.6840QaV ? 5．計算扭矩 雙攪拌軸攪拌摩擦焊機設計 20 表 2-16 軸的許用彎曲應力 N/mm 2 材料 σ S [σ +1]b [σ 0]b [σ -1]b 400 130 70 40 500 170 75 45 600 200 95 55 碳素鋼 700 230 110 65 800 270 130 75 合金鋼 1000 330 150 90)(461509.215.9105.966 mNnPT ?????? 又根據 σ B=600N/mm2,查表 2-16 得[σ -1]b=55N/mm2, [σ 0]b=95N/mm2,故8.??)(674158.0NT??? 6．計算當量彎矩 截面 a： )(8.317)(22'' mTMaae ????? 截面 b： )(9.5)(22'' Nbbe ? 7．分別計算 a 和 b 處的直徑 mMdbaea 27.851.03][1.03' ?????bIeb ..9][.331'? 結構設計確定的直徑為 20mm，截面 b 處為螺紋聯接沒有削弱，所以，此軸 強度足夠，符合設計要求。 2.2.5 攪拌系統(tǒng) V 帶設計 帶輪傳遞的功率：p=2.9kw，轉速約為 6000r/min，滿足傳動比為 i=3， （由 浙江理工大學本科畢業(yè)設計（論文） 21 于電機的額定轉速為 2000r/min） 1．選擇 V 帶型號 計算功率 PC由下式確定 （2-11）PKAC? 式中：K A——工作情況系數 P——需要傳遞的名義功率（KW） 查表 2-3 得工作情況系數 ，由式（2-17）計算得1.?AKWPC9.32? 根據 PC和 n 由圖 1-9 選用 Z 型 V 帶。 2．確定帶輪基準直徑 dd1、d d2 已知 （2-12）12i?? （2-13)??0120188??ad （2-14）adL4)()(2121??? 圖 2-5 帶傳動示意圖 小帶輪直徑 dd1宜選大些，可減小帶的彎曲應力，有利于延長帶的壽命；在 傳遞的轉矩一定時，d d1選大一些可降低帶工作時的圓周力，從而可以減少帶的 根數。通常小輪直徑 dd1應大于或等于最小基準直徑 dmin。若 dd1過大，傳動的外 雙攪拌軸攪拌摩擦焊機設計 22 廓也將增大。由表 1-18 選擇小輪直徑為 dd1=60mm， 由式（2-12）得mid1806312???? 表 2-17 V 帶輪最小基準直徑 dmin及基準直徑系列 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 實際傳動比 36018?i 實際轉速 min/2rn? 傳動比偏差 ，小于 5%，符合條件。0?? 3．驗算帶速 V0 帶速太高，帶的離心力很大，使帶的離心應力增大，并使帶與輪之間的壓 緊力減小，摩擦力隨之減小，從而使傳動能力下降；帶速過低，傳遞相同功率 時帶所傳遞的圓周力增大，需要增加帶的根數。一般應使帶速 V 在 5—25m/s 范 圍內工作，尤以 V=10—20m/s 為宜。帶速由下式確定 （2-15）1062??ndV? 由式（2-15）得 smnd/81061062? 帶速在 5—25m/s 范圍內，符合要求。 4.確定中心距 a，V 帶基準長度 Ld （1）初選中心距 a0。設計時對中心距有一定的要求，即大于 400mm，根據 得 ，初選 a0為 450mm,符合取值)(2)(7.0212dd???4860?a 范圍。 浙江理工大學本科畢業(yè)設計（論文） 23 （2）計算初定的帶長 Ld。 。由式（2-7）得 )(8.4)()(2021210 madadd ?????? （3）基準帶長 Ld。由表 2-18 選用 Ld=1400mm, KL=1.14 表 2-18 普通 Z 型 V 帶基準長度 Ld系列及長度系數 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）實際中心距 a。實際中心距由下式確定 （2-16）200dL??? 由式（2-16）得 )(6.5078.1445ma?? 考慮安裝和張緊 V 帶的需要，留出±50mm 作為中心距距調整量,不妨取 550mm。 5．核算小輪上包角 α 1 由式（2-14）得 001201 127.6488???????ad 6．確定 V 帶根數 z （2-17）LACKP?)(][00??? （2-18）12ibn?? 表 2-19 傳動比系數 Ki 傳動比 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 Kb 雙攪拌軸攪拌摩擦焊機設計 24 普通 V 帶 型號 Y Z A B C D E Kb(10-3) 0.06 0.39 1.03 2.65 7.50 26.6 49.8 根據 n1和 n2得 ，查表 1-20 得 Ki=1.14，查表 1-21 得KWP48.0? Kb=0.39x10-3，由式（1-17）得 W28.0)14.(60139.3????? 表 2-21 包角系數 小輪包 角 α 1 1800 1750 1700 1650 1600 1550 1500 1450 …… Kα 1.00 0.99 0.98 0.96 0.95 0.93 0.92 0.91 …… 查表 2-8 得 Kα =0.93，由式（2-17）得 79.314.960)28.4.0(3????z 選用 Z 型 V 帶 4 根。 7．確定帶的預拉力 F 預拉力是保證帶傳動正常工作和重要條件。預拉力不足，極限摩擦力減小， 傳動能力下降；預拉力過大，又會使帶的壽命降低，軸和軸承的壓力增大。 表 2-22 普通 V 帶的規(guī)格 型號 Y Z A B C D E 每米帶長質量 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 帶的質量為 mKgq/06.? 單根普通 V 帶合適的預拉力由下式確定 （2-19）20)15.(qvzvPFC??? 由式（2-19）得 N98.5406.)9.2(184.3520 ???? 浙江理工大學本科畢業(yè)設計（論文） 25 8．計算帶傳動作用在軸上的力 （2-20）2sin10?zFQ? 為設計安裝帶輪的軸和軸承，必須確定帶傳動作用在帶輪軸上的力 FQ。 由式（2-20）得 NFQ 04.327.16sin98.5420??? 9．帶輪結構設計 （1）大 V 帶輪設計 圖 2-6 大帶輪示意圖 大 V 帶輪結構按照圖 2-6 進行設計。用 M6X16 的緊定螺釘與電機輸出軸作 軸向固定，8X50 的鍵作