畢業(yè)論文終稿-攪拌摩擦焊焊接工裝設(shè)計(jì)（送全套cad圖紙 答辯通過）

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　攪拌摩擦焊技術(shù)是90年代發(fā)展起來的、自發(fā)明到工業(yè)應(yīng)用時間跨度最短和發(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。由于攪拌摩擦焊焊縫組織均勻、接頭力學(xué)性能優(yōu)異，生產(chǎn)過程中安全、無飛濺、無煙塵煙氣、無輻射，污染小、成本低等技術(shù)優(yōu)勢，因而在許多工業(yè)領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。在航天工業(yè)

2、中，攪拌摩擦焊工藝在飛行器鋁合金結(jié)構(gòu)制造中的推廣應(yīng)用，在國外已顯示出強(qiáng)勁的技術(shù)創(chuàng)新活力，給傳統(tǒng)制造工藝帶來了革命性的改造。</p><p>　　隨著人們對攪拌摩擦焊技術(shù)認(rèn)識的提高，預(yù)計(jì)在不遠(yuǎn)的將來，鋁合金、鎂合金、鋅合金、鈦合金等輕金屬材料的連接將主要由攪拌摩擦焊來完成，尤其在運(yùn)載火箭、高速鋁合金列車、鋁合金高速快艇、全鋁合金汽車等項(xiàng)目中攪拌摩擦焊技術(shù)將會占主導(dǎo)地位。</p><p>　　

3、本文設(shè)計(jì)出的攪拌摩擦焊焊機(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100—600mm/min，最大加工焊縫厚度20mm，焊縫長度600mm。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、研究現(xiàn)狀、工業(yè)應(yīng)用和發(fā)展前景。針對工藝試驗(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。</p>

4、<p>　　該設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，簡單，操作方便，與市場價格相比，成本很低。</p><p>　　關(guān)鍵詞：攪拌摩擦焊；固相焊接；鋁合金焊接；應(yīng)用前景；焊機(jī)設(shè)計(jì)</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Friction stir welding (FSW) was firstly used in the 19

5、90s, which is swiftest in development and is shortest in time from inventment to applyment, it is also treated as one of the technology of the most pertencial and the most suitable for aviation and struction manufaction.

6、 The joints welded by friction stir welding are homogeneous in microstructure and predominant in mechanical capacity. Because of the virtue, such as the security, no splash, no radiation and no pollution during friction

7、stir w</p><p>　　With the further acknowledgement to FSW, the joint of aluminium alloy, magnesium alloy, zinc alloy and titanium alloy will be welded by FSW. Especially, the carrier rocket, high velocity alum

8、inium alloy train, high velocity alminium alloy speed boat and aluminium alloy vehicle will be possibly welded by the FSW.</p><p>　　This task is to sign a machine used in laboratory. Its power is about three

9、 kilowatt, rotation rate approximately is 6000r/min, and welding speed is from 100 to 600mm/min. It can be apply to welding the aluminium and aluminium alloy. In addition, the welding thickness can’t exceed 20mm and leng

10、th 600mm. 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 ca</p><

11、;p>　　The device is simple and compact in structure. Comparing with the marketable price, its cost is very lower. </p><p>　　Key words：Friction stir welding，Solid phase welding，Aluminium alloy welding，Appli

12、cation prospect，Welding machine design</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　買文檔送全套圖紙 扣扣414951605</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　攪拌摩擦焊技術(shù)是90年代發(fā)展起來的、

13、自發(fā)明到工業(yè)應(yīng)用時間跨度最短和發(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。由于攪拌摩擦焊焊縫組織均勻、接頭力學(xué)性能優(yōu)異，生產(chǎn)過程中安全、無飛濺、無煙塵煙氣、無輻射，污染小、成本低等技術(shù)優(yōu)勢，因而在許多工業(yè)領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。在航天工業(yè)中，攪拌摩擦焊工藝在飛行器鋁合金結(jié)構(gòu)制造中的推廣應(yīng)用，在國外已顯示出強(qiáng)勁的技術(shù)創(chuàng)新活力，給傳統(tǒng)制造工藝帶來了革命性的改造。</p><

14、p>　　隨著人們對攪拌摩擦焊技術(shù)認(rèn)識的提高，預(yù)計(jì)在不遠(yuǎn)的將來，鋁合金、鎂合金、鋅合金、鈦合金等輕金屬材料的連接將主要由攪拌摩擦焊來完成，尤其在運(yùn)載火箭、高速鋁合金列車、鋁合金高速快艇、全鋁合金汽車等項(xiàng)目中攪拌摩擦焊技術(shù)將會占主導(dǎo)地位。</p><p>　　本文設(shè)計(jì)出的攪拌摩擦焊焊機(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100—600mm

15、/min，最大加工焊縫厚度20mm，焊縫長度600mm。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、研究現(xiàn)狀、工業(yè)應(yīng)用和發(fā)展前景。針對工藝試驗(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。</p><p>　　該設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，簡單，操作方便，與市場價格相比，成本很低。</p><p>　　關(guān)鍵詞：攪拌摩擦焊；固相焊接

16、；鋁合金焊接；應(yīng)用前景；焊機(jī)設(shè)計(jì)</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Friction stir welding (FSW) was firstly used in the 1990s, which is swiftest in development and is shortest in time from inventment

17、 to applyment, it is also treated as one of the technology of the most pertencial and the most suitable for aviation and struction manufaction. The joints welded by friction stir welding are homogeneous in microstructure

18、 and predominant in mechanical capacity. Because of the virtue, such as the security, no splash, no radiation and no pollution during friction stir w</p><p>　　With the further acknowledgement to FSW, the joi

19、nt of aluminium alloy, magnesium alloy, zinc alloy and titanium alloy will be welded by FSW. Especially, the carrier rocket, high velocity aluminium alloy train, high velocity alminium alloy speed boat and aluminium allo

20、y vehicle will be possibly welded by the FSW.</p><p>　　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 fro

21、m 100 to 600mm/min. It can be apply to welding the aluminium and aluminium alloy. In addition, the welding thickness can’t exceed 20mm and length 600mm. In this paper, the basal principle and features of FSW is introduce

22、d, and the priority, prospect and application are also expounded. Importantly, main parts of the FSW machine was designed and ca</p><p>　　The device is simple and compact in structure. Comparing with the mar

23、ketable price, its cost is very lower. </p><p>　　Key words：Friction stir welding，Solid phase welding，Aluminium alloy welding，Application prospect，Welding machine design</p><p><b>　　目

24、錄</b></p><p><b>　　第一章　緒 論</b></p><p>　　攪拌摩擦焊是由英國焊接研究所(The Welding Institute，簡稱TWI)于1991年提出的一種固態(tài)連接方法[1-5],并于1993年和1995年在世界范圍內(nèi)的發(fā)達(dá)和發(fā)展中國家申請了知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)。此技術(shù)原理簡單，且控制參數(shù)少、易于實(shí)現(xiàn)自動化，可將焊接過程中的人

25、為因素降到最低。攪拌摩擦焊技術(shù)與傳統(tǒng)的熔焊相比，擁有很多優(yōu)點(diǎn)，因而使得它具有廣泛的工業(yè)應(yīng)用前景和發(fā)展?jié)摿?。有關(guān)攪拌摩擦焊接頭的組織、力學(xué)性能(包括斷裂、疲勞、腐蝕性能)、無損檢測以及工藝參數(shù)對焊縫質(zhì)量的影響等的研究是推廣應(yīng)用攪拌摩擦焊的基礎(chǔ)，有關(guān)這些方面的研究是這個領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。</p><p>　　攪拌摩擦焊技術(shù)是90年代發(fā)展起來的、自發(fā)明到工業(yè)應(yīng)用時間跨度最短和發(fā)展最快的一項(xiàng)神奇的固相連接新技術(shù)。截止200

26、2年9月15日，世界范圍內(nèi)得到英國焊接研究所(TWI)攪拌摩擦焊專利技術(shù)許可的用戶己經(jīng)有78家，與攪拌摩擦焊技術(shù)相關(guān)的專利技術(shù)有551項(xiàng)[6-8]。著名的B o e i n g、NASA、 BAE、 HONDA、 GE、HITACHI、MARTIN等公司購買了此項(xiàng)技術(shù)，并已大量的在航天、航空、車輛、造船等行業(yè)得到成功地應(yīng)用。</p><p>　　1．1 攪拌摩擦焊簡介</p><p>

27、　　1．1．1 攪拌摩擦焊原理及工藝</p><p>　　攪拌摩擦焊的焊接原理如圖l-1所示。置于墊板上的對接工件通過夾具夾緊，以防止對接接頭在焊接過程中松開。一個帶有特型攪拌指頭的攪拌頭旋轉(zhuǎn)并緩慢的將攪拌指頭插入兩塊對接板材之間的焊縫處。一般來講，攪拌指頭的長度接近焊縫的深度。當(dāng)旋轉(zhuǎn)的攪拌指頭接觸工件表面時，與工件表面的快速摩擦產(chǎn)生的摩擦熱使接觸點(diǎn)材料的溫度升高，強(qiáng)度降低。攪拌指頭在外力作用下不斷頂鍛和擠壓接縫

28、兩邊的材料，直至軸肩緊密接觸工件表面為止。這時，由旋轉(zhuǎn)軸肩和攪拌指頭產(chǎn)生的摩擦熱在軸肩下面和攪拌指頭周圍形成大量的塑化層。當(dāng)工件相對攪拌指頭移動或攪拌指頭相對工件移動時，在攪拌指頭側(cè)面和旋轉(zhuǎn)方向上產(chǎn)生的機(jī)械攪拌和頂鍛作用下，攪拌指頭的前表面把塑化的材料移送到攪拌指頭后表面。在攪拌指頭沿著接縫前進(jìn)時，攪拌焊頭前頭的對接接頭表面被摩擦加熱至超塑性狀態(tài)。攪拌指頭和軸肩摩擦接縫，破碎氧化膜，攪拌和重組攪拌指頭后方的摩碎材料。攪拌指頭后方的材料冷

29、卻后就形成焊縫，可見此焊縫是在熱——機(jī)聯(lián)合作用下形成的固態(tài)焊縫。這種方法可以看作是一種自鎖孔連接技術(shù)，在焊接過程中，攪拌指頭所在處形成小孔，小孔在隨后的焊接過程中又被填滿,應(yīng)該指出，攪拌摩擦焊縫結(jié)束時在</p><p>　　攪拌摩擦焊焊接工藝參數(shù)主要有：攪拌指頭的焊接速度、攪拌指頭的旋轉(zhuǎn)速度以及壓緊力。這些參數(shù)決定了焊接過程中攪拌指頭周圍產(chǎn)生的熱量，并且直接影響到焊縫的組織和性能。</p><

30、p><b>　　1．1．2 攪拌頭</b></p><p>　　攪拌頭是攪拌摩擦焊機(jī)上中最重要的構(gòu)件之一。它一般由耐高溫抗摩損材料制成，主要包括特形指頭和軸肩兩部分。在焊接過程中軸肩與被焊材料的表面緊密接觸，防止塑化金屬材料的擠出和氧化，同時攪拌軸肩還可以提供部分焊接所需要的攪拌摩擦熱。攪拌指頭的形狀比較特殊，焊接過程中攪拌指頭要旋轉(zhuǎn)著壓入被焊材料的結(jié)合界面處，并且沿著待焊界面向前移動

31、。</p><p>　　攪拌頭的材料一般用合金工具鋼，現(xiàn)有科學(xué)研究人員對攪拌頭進(jìn)行表面TiAlN處理的實(shí)驗(yàn)研究，TiAlN涂層具有優(yōu)于TiC、TiN、TiCN等涂層的機(jī)械物理性能，并可與其它涂層配合組成多元多層復(fù)合涂層。在制造業(yè)中的切削試驗(yàn)及加工實(shí)踐表明，采用TiAlN涂層處理的刀具、鉆頭的表面化學(xué)穩(wěn)定性好，抗氧化磨損能力強(qiáng)，高速焊接鋁合金材料時，其工作壽命可比普通合金工具鋼攪拌頭提高3～4倍，降低攪拌摩擦焊的加

32、工成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。</p><p>　　隨著攪拌摩擦焊技術(shù)的發(fā)展，英國焊接研究所研制的“藝術(shù)階段”的WhorlTM和MxT6nute TM系列攪拌頭可以在6毫米厚的鋁合金擠壓型材上連續(xù)焊接上千米長的焊縫而不用更換，并且可以得到性能優(yōu)良的焊縫。利用攪拌摩擦焊技術(shù)焊接薄板零件時，攪拌頭的肩部與工件表面摩擦產(chǎn)生的熱量是金屬熱塑化所需能量的來源。對于厚板的攪拌摩擦焊來說，要得到優(yōu)良的焊接接頭，隨著板厚的增加，攪拌頭與

33、工件之間需要提供更多的熱來保證攪拌頭附近區(qū)域金屬的熱塑化，同時，攪拌頭還需要確保焊接區(qū)域金屬材料的攪拌激活以及控制塑化金屬的流變轉(zhuǎn)移來形成合格的固相焊縫。總之，攪拌頭是攪拌摩擦焊技術(shù)中“心臟”[11-12]。</p><p>　　1．1．3 攪拌摩擦焊材料</p><p>　　攪拌摩擦焊的焊接溫度低于材料的熔點(diǎn)，焊接過程中始終沒有材料熔化，所以攪拌摩擦焊是一種固態(tài)連接方法。</p&g

34、t;<p>　　基于攪拌摩擦焊焊接過程中不存在材料熔化的特點(diǎn)，攪拌摩擦焊幾乎可以焊接所有系列的鋁合金材料及鋁基復(fù)合材料(MMC)。對于傳統(tǒng)焊接方法較難焊接的2xxx和7xxx系列高強(qiáng)度鋁合金材料，也可實(shí)施可靠連接。另外，對于異種材料的攪拌摩擦焊也具有優(yōu)越性，如攪拌摩擦焊不僅可以實(shí)現(xiàn)2024／6061以及2024／7015等不同牌號鋁合金材料的焊接，還可以實(shí)現(xiàn)銅合金和鋁合金等不同種材料的焊接。</p><

35、p>　　攪拌摩擦焊還可以焊接銅、鎂、鋅、鉛等合金材料，對于鋼合金、欽合金和鋁基復(fù)合材料的攪拌摩擦焊開發(fā)研究也很成功。</p><p>　　對于不同狀態(tài)的合金鋼，攪拌摩擦焊也能實(shí)現(xiàn)焊接，如鍛壓板材和擠壓形材的焊接，鍛壓板材和鑄鋁的焊接等[12]。</p><p>　　1．1．4 接頭性能</p><p>　　攪拌摩擦焊接頭主要包括四個微結(jié)構(gòu)區(qū)域：焊核區(qū)、熱／機(jī)影

36、響區(qū)、熱影響區(qū)和母材。中間區(qū)域?yàn)榫Я７浅＜?xì)小的焊核區(qū)域，其中橢圓形的“洋蔥”環(huán)狀組織結(jié)構(gòu)是焊接接頭良好的標(biāo)志；在焊核區(qū)的外圍存在一個熱／機(jī)影響區(qū)，此部分晶粒組織發(fā)生了明顯的塑性變形和部分重結(jié)晶。</p><p>　　對于不可熱處理強(qiáng)化的鋁合金，采用攪拌摩擦焊可以得到?jīng)]有空洞和裂紋的優(yōu)良焊接接頭，接頭的拉伸強(qiáng)度一般大于或優(yōu)于母材，并且斷裂一般出現(xiàn)在熱影響區(qū)和遠(yuǎn)離焊縫接頭的母材上；對于可熱處理強(qiáng)化的鋁合金，攪拌摩擦焊

37、接頭的力學(xué)性能優(yōu)于弧焊接頭。另外，通過控制攪拌摩擦焊過程中焊縫區(qū)域的熱輸入，特別是控制攪拌摩擦焊接頭中硬度和強(qiáng)度最低的熱影響區(qū)的回火和過時效影響，可以有效地提高焊接接頭的力學(xué)性能指標(biāo)。</p><p>　　與熔焊方法相比較，鋁合金材料的攪拌摩擦焊接頭的疲勞性能具有明顯的優(yōu)勢，這是因?yàn)閿嚢枘Σ梁傅玫降氖蔷?xì)的再結(jié)晶組織。另外，由于焊接過程材料沒有熔化，焊縫組織中不會有熔焊工藝經(jīng)常出現(xiàn)的凝固偏折、裂紋、氣孔和夾雜等缺

38、陷[12]。</p><p>　　1．2 攪拌摩擦焊的技術(shù)優(yōu)勢</p><p>　　攪拌摩擦焊除了具有普通摩擦焊技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)外，還可以進(jìn)行多種接頭形式和不同焊接位置的連接。如圖1-2所示[13-15]。</p><p>　　采用攪拌摩擦焊技術(shù)不僅能焊接幾乎所有熔焊能夠焊接的金屬，而且能焊接許多熔化焊接性能差的金屬，例如：鋁合金、鈦合金、銅合金等。就鋁合金而言，鋁合金在

39、高溫熔化時易吸附氫導(dǎo)致凝固后產(chǎn)生氣孔，容易產(chǎn)生熱裂紋和變形，因此焊接缺陷率高，并且隨著鋁合金中合金元素含量的增加，這些焊接缺陷率會大大增加。若是采用攪拌摩擦焊，則因?yàn)楹附舆^程中無金屬熔化而克服了上述缺點(diǎn)，因此攪拌摩擦焊可以使不適宜于熔焊的金屬得到可靠的連接。此外，攪拌摩擦焊不僅能用于同質(zhì)合金間的連接，而且還適用于異質(zhì)合金間的連接。</p><p>　　采用攪拌摩擦焊取代傳統(tǒng)的熔焊，還能改善焊縫組織和大大提高焊接接

40、頭的力學(xué)性能，并且排除了熔焊缺陷產(chǎn)生的可能性。攪拌摩擦焊焊縫組織分區(qū)示意如圖1-3所示，焊縫組織可分為A、B、C、D四個區(qū)域:A區(qū)為母材區(qū)(basic metal，簡稱BM)；B區(qū)為熱影響區(qū)(heat affected zone，簡稱HAZ)，該區(qū)域的材料因受熱循環(huán)的影響，微觀組織和力學(xué)性能均發(fā)生了變化，但沒有發(fā)生塑性變形;C區(qū)為熱變形影響區(qū)(there momechanically affected zone，簡稱TMAZ)，該區(qū)域材

41、料已經(jīng)產(chǎn)生了劇烈的塑性變形。就鋁合金而言，再結(jié)晶區(qū)域和TMAZ之間通常有明顯的界限，但在其它沒有熱致相變的材料中，如在純鈦、β鈦合金、奧氏體不銹鋼和銅中，似乎TMAZ整體已再結(jié)晶化，產(chǎn)生了無應(yīng)變再結(jié)晶，這可能使得HAZ/ TMAZ的邊界難以精確劃分;D區(qū)為焊核(dynamically recrystallized zone，簡稱DXZ)，焊核是最接近軸肩的區(qū)域，組織結(jié)構(gòu)通常有較大的變化。在焊接接頭的熱影響區(qū)中，除了腐蝕反應(yīng)比母材快一些外

42、，其金相組織與母材沒有多大區(qū)別；在焊接接頭的熱變形影響區(qū)，</p><p>　　1．3 攪拌摩擦焊的研究現(xiàn)狀</p><p>　　攪拌摩擦焊工藝最初主要用于解決鋁合金等低熔點(diǎn)材料的焊接，關(guān)于攪拌摩擦焊工藝的特點(diǎn)和應(yīng)用等，TWI進(jìn)行了較多的研究，并于1993年、1995年申請了專利。目前，TWI主要是與航空航天、海洋、道路交通、鋁材廠、焊接設(shè)備制造廠等大公司聯(lián)合，以團(tuán)體贊助或合作的形式開發(fā)這

43、種技術(shù)，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。他們正在進(jìn)行的由工業(yè)企業(yè)贊助的研究項(xiàng)目包括：鋼的攪拌摩擦焊、汽車輕型構(gòu)件的攪拌摩擦焊等。美國的愛迪生焊接研究所(Edison Welding Institure，簡稱EWI)與TWI密切協(xié)作，也在進(jìn)行FSW工藝的研究。美國的美國洛克希德·馬丁航空航天公司、馬歇爾航天飛行中心、美國海軍研究所、Dartmouth大學(xué)、德克薩斯大學(xué)、阿肯色斯大學(xué)、南卡羅里納大學(xué)、德國的Stuttgart大學(xué)、澳大利亞的Ade

44、laide大學(xué)、澳大利亞焊接研究所等都從不同的角度對攪拌摩擦焊進(jìn)行了專門研究。</p><p>　　從材料焊接角度，目前研究較多的是鋁合金的焊接。鋁合金是一種高比強(qiáng)度的材料，將其用于飛機(jī)、汽車、船舶等結(jié)構(gòu)中，可以減輕這些結(jié)構(gòu)的重量，提高它們的綜合性能。但是，由于其熔點(diǎn)、比重較低，熱傳導(dǎo)系數(shù)大，熔焊時易產(chǎn)生氣孔、裂紋、變形等缺陷。同時，由于焊接加熱使其性能降低，故鋁合金零件的連接多用鉚接或機(jī)械連接，因此，限制了鋁合

45、金在飛機(jī)、汽車、船舶等結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。利用攪拌摩擦焊技術(shù)，可以克服熔焊時的缺陷，且焊接接頭的性能不會降低。</p><p>　　1．3．1 攪拌摩擦焊接材料研究</p><p>　　目前應(yīng)用FSW成功連接的材料有A1合金，Mg合金，鉛，鋅，銅，不銹鋼，低碳鋼等同種或異種材料。Rommevaux等人進(jìn)行了鋁合金—Ag的FSW焊接研究，Johnson R 對AM50，AM60，AZ31，AZ91

46、鎂合金同種和異種材料之間進(jìn)行了FSW焊接試驗(yàn)，證明可以應(yīng)用FSW連接鎂合金[17]。FSW不僅對一系列鋁合金成功連接，而且也實(shí)現(xiàn)了對高熔點(diǎn)材料Ti合金的連接。TWI于1997年11月報道成功FSW焊接3mm厚的低碳鋼，EWI(Edison Welding 1nstitute)于1998年5月報道成功連接6mm軟鋼，并報道12mm厚12％Cr不銹鋼的FSW焊接。由此可知，隨著焊接工具的發(fā)展，F(xiàn)SW可以應(yīng)用于更多的材料的連接[18]。<

47、;/p><p>　　1．3．2 攪拌摩擦焊機(jī)理研究進(jìn)展</p><p>　　目前FSW研究的重點(diǎn)大多集中于研制適用于不同材料的焊接工具和工藝；焊接接頭的性能及合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面，但對焊接過程的材料流動機(jī)理的研究尚處于探索階段。Clooigan K利用FSW焊接變形過程概念模型來分析塑性材料的流動。為了使攪拌頭周圍塑性材料運(yùn)動可視化，采用兩種新技術(shù)。鋼球跟蹤(Steel shot tracer

48、 technique)和停止運(yùn)動技術(shù)(Stop action technique)。試驗(yàn)所用材料為厚6．4mm 6061—T6及7075—T6板材[18]。</p><p>　　鋼球跟蹤技術(shù)(Steel shot tracer technique)是利用0．38mm鋼球鑲嵌在工件不同的位置，焊接沿著鑲嵌接頭并且沿著跟蹤視線停止。焊頭仍然在工件中時停止它的運(yùn)動，鋼球?qū)⒀刂割^分布，則在焊縫中的跟蹤軌跡可以得到。&l

49、t;/p><p>　　另外一種方法為“停止運(yùn)動”技術(shù)(Stop action technique)，以使攪拌頭不能旋轉(zhuǎn)的速度快速的停止焊頭的運(yùn)動并且將焊頭從工件中取出，保證與攪拌頭接觸的金屬材料仍然附著在孔的周圍。通過分析焊縫尾端小孔，可以分析焊頭軌跡材料的流動情況。不過這種方法需要數(shù)控電動裝置。</p><p>　　利用兩種新技術(shù)得出：并不是所有被焊頭影響的材料被真正的攪拌。許多材料的運(yùn)動只

50、是簡單的擴(kuò)展(Extrusion)。材料從焊頭的上層部位被激活，被激活的材料沿著焊頭的邊沿向下運(yùn)動，填充空隙。其它的材料只是沿著回撤面向上擴(kuò)展，沿著焊頭周圍升到焊縫上部[18]。</p><p>　　1．3．3 攪拌摩擦焊力學(xué)性能研究進(jìn)展</p><p>　　關(guān)于FSW焊接接頭力學(xué)性能的問題，一直是研究熱點(diǎn)。包括接頭強(qiáng)度、塑性、抗腐蝕性、動態(tài)應(yīng)力下的疲勞強(qiáng)度及協(xié)調(diào)最優(yōu)問題。Pao P S等

51、人研究了FSW接頭腐蝕—疲勞裂紋生長情況。不同腐蝕介質(zhì)，接頭的抗腐蝕性不同。得出的主要結(jié)論有：(1)由于高的裂紋閉合水平(High crack closure levels)，F(xiàn)SW HAZ的疲勞裂紋生長速率非常低，而△k(應(yīng)力強(qiáng)度因子)比母材的要高出許多；(2)在空氣中，F(xiàn)SW熔核的疲勞裂紋生長速率比母材的稍微的高些；(3)在高△k和中間△k區(qū)域，F(xiàn)SW熔核及HAZ區(qū)域的疲勞裂紋生長速率是3．5％NaCl溶液的兩倍高；(4)由于FSW

52、過程使晶界變得敏感，當(dāng)在3．5％NaCl溶液中時，F(xiàn)SW焊縫有晶間裂紋。Corral J等人研究了2024和2195(A1—Li合金)的FSW接頭的腐蝕性能，試驗(yàn)結(jié)果證明接頭與母材具有相同的腐蝕行為[18]。</p><p>　　1．3．4 攪拌摩擦焊設(shè)備</p><p>　　迄今，已研制成功多類攪拌摩擦焊設(shè)備，在宇航領(lǐng)域，美國制造技術(shù)系統(tǒng)公司（MIS）開發(fā)了2臺液壓驅(qū)動攪拌摩擦焊設(shè)備，其

53、中1臺安裝在South Carolina大學(xué)。此設(shè)備裝有可調(diào)節(jié)自適應(yīng)攪拌頭和多軸攪拌摩擦焊控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)非平面和變截面(厚度)結(jié)構(gòu)件高強(qiáng)鋁合金材料的攪拌摩擦焊開發(fā)研究。該設(shè)備的攪拌頭能自動傾斜±15º，使用可調(diào)節(jié)攪拌頭對焊縫施加90KN的焊接壓力，如使用普通形狀的攪拌頭則可對焊縫施加130 kN的頂鍛壓力。焊接材料厚度可以達(dá)到30mm，攪拌頭的旋轉(zhuǎn)速度在2000r／min的條件下可輸出340N?m的扭矩。<

54、/p><p>　　英國Halifax的Crawford Swlft公司也在1999年為英國空中客車公司生產(chǎn)了一臺Powerstir 360型攪拌摩擦焊設(shè)備。這臺龍門式攪拌摩擦焊設(shè)備整體尺寸為11．5m×5．4m×4．7m，配有三軸數(shù)控裝置，主軸電機(jī)功率為60kW，最大向下焊接頂鍛壓力為l00kN，焊接平臺由新型伺服電機(jī)和滾珠絲杠驅(qū)動，焊接速度可達(dá)到8m/min，主要用來生產(chǎn)大型民用飛機(jī)的鋁合金機(jī)翼

55、和機(jī)身，其中包括新型的A380大型客機(jī)。 </p><p>　　最近，ESAB公司又制造了2臺龍門式攪拌摩擦焊設(shè)備，其中1臺安裝在TWI用于研究高電阻鎳銅合金的焊接。該設(shè)備的焊接范圍為8m×5m×1m，主要用來完成Euro Stir攪拌摩擦焊研究項(xiàng)目和其他秘密研究項(xiàng)目，該設(shè)備是迄今世界上最大的攪拌摩擦焊實(shí)驗(yàn)設(shè)備，如圖1-4所示。</p><p>　　在我國，北京航

56、空制造工程研究所在2002年取得了TWI的攪拌摩擦焊專利技術(shù)許可，并合作成立了中國攪拌摩擦焊中心，生產(chǎn)和銷售商業(yè)化的攪拌摩擦焊設(shè)備。中國攪拌摩擦焊中心設(shè)計(jì)制造了國內(nèi)第1臺攪拌摩擦焊設(shè)備，該設(shè)備主要用來完成直徑等于或大于2．2m的火箭簡體的攪拌摩擦焊[19]，如圖1-5所示。</p><p>　　1．4 攪拌摩擦焊的工業(yè)應(yīng)用</p><p>　　基于攪拌摩擦焊接這種固相連接技術(shù)的明顯優(yōu)越性，

57、例如：可焊金屬范圍廣、優(yōu)良的接頭力學(xué)性能，不需要填充焊接材料，沒有焊接煙塵和飛濺，很少的焊前準(zhǔn)備和焊接變形等，在世界范圍內(nèi)的國際合作中開展了大量的研究和開發(fā)工作。特別是攪拌摩擦焊可以焊接各種鋁合金材料，甚至以前所謂的不可焊鋁合金材料都能焊接，如應(yīng)用于航空、航天領(lǐng)域的2000系列(Al－Cu)、5000系列(Al－Mg)、6000系列(Al－Mg－Si)、7000系列(Al－Zn)、8000系列(Al－Li)高強(qiáng)鋁合金[33, 34]，也

58、可以利用這種先進(jìn)的焊接方法得到高質(zhì)量的連接[20]。</p><p>　　目前，除了在飛機(jī)制造領(lǐng)域內(nèi)，攪拌摩擦焊技術(shù)已由試驗(yàn)研究、工程開發(fā)轉(zhuǎn)入大規(guī)模的工業(yè)化應(yīng)用階段，迄今，已經(jīng)在船舶、高速列車等制造領(lǐng)域得到了非常成功的應(yīng)用，在宇航領(lǐng)域，也成功應(yīng)用到運(yùn)載火箭、航天飛機(jī)的低溫燃料筒、軍用和科學(xué)研究火箭和導(dǎo)彈以及熔焊接構(gòu)件的修理等，如圖1-6、1-7、1-8所示。</p><p>　　船舶制造和

59、海洋工業(yè)是攪拌摩擦焊首先得到商業(yè)應(yīng)用的兩個工業(yè)領(lǐng)域，主要應(yīng)用：甲板、側(cè)板、防水壁板和地板、外殼和主體結(jié)構(gòu)件、直升機(jī)降落平臺、水上觀測站、帆船的桅桿及結(jié)構(gòu)件等，如圖1-9所示。</p><p>　　對于陸路交通工業(yè)，攪拌摩擦焊在列車制造領(lǐng)域的應(yīng)用主要為：高速列車、軌道貨車、地鐵車廂和有軌電車、集裝箱體等；攪拌摩擦焊在汽車上的應(yīng)用主要為：底盤、車身支架、卡車車體、汽車起重器、裝甲車的防護(hù)甲板等，如圖1-10所示。&l

60、t;/p><p>　　攪拌摩擦焊在民用建筑工業(yè)的應(yīng)用主要為：鋁合金橋梁、裝飾板、門窗框架、管線、熱交換器等。電子工業(yè)對攪拌摩擦焊的興趣也在增加，其應(yīng)用主要表現(xiàn)為：發(fā)動機(jī)殼體、電器連接件、電器封裝等，如圖1-11、1-12所示。</p><p>　　在其它工業(yè)領(lǐng)域，攪拌摩擦焊也有較多應(yīng)用，例如冰箱冷卻板、廚房電器和設(shè)備、“白色”家用物品和工具、天然器、液化氣儲箱和容器、家庭裝飾等。</p&

61、gt;<p>　　隨著人們對攪拌摩擦焊技術(shù)認(rèn)識的提高，預(yù)計(jì)在不遠(yuǎn)的將來，鋁合金、鎂合金、鋅合金、鈦合金等輕金屬材料的連接將主要由攪拌摩擦焊來完成，尤其在運(yùn)載火箭、高速鋁合金列車、鋁合金高速快艇、全鋁合金汽車等項(xiàng)目中攪拌摩擦焊技術(shù)將會占主導(dǎo)地位[12]。</p><p>　　1．5 攪拌摩擦焊的發(fā)展前景</p><p>　　由于攪拌摩擦焊焊縫組織好、接頭力學(xué)性能優(yōu)異，因而在許多

62、工業(yè)領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。在航天工業(yè)中，攪拌摩擦焊工藝在飛行器鋁合金結(jié)構(gòu)制造中的推廣應(yīng)用，在國外已顯示出強(qiáng)勁的技術(shù)創(chuàng)新活力，給傳統(tǒng)制造工藝帶來了革命性的改造。1998年美國波音公司的空間和防御實(shí)驗(yàn)室引進(jìn)了攪拌摩擦焊技術(shù)，用于焊接某些火箭部件;麥道公司也把這種技術(shù)用于制造Delta運(yùn)載火箭的推進(jìn)劑貯箱[21]；NASA及格·馬公司正在評估該工藝用于連接2195A1—Li合金的可行性。在造船和車輛工業(yè)，歐洲已有數(shù)家公司將該技術(shù)用于生

63、產(chǎn)大型預(yù)制鋁板。在設(shè)備開發(fā)和制造方面，挪威已建立了世界上第一個攪拌摩擦焊商業(yè)設(shè)備，可焊接厚3～15mm、尺寸6×16m2的Al船板; ESAB公司正在制造可供商業(yè)應(yīng)用的攪拌摩擦焊機(jī)，計(jì)劃安裝在TWI，用來焊接尺寸為8 m×5m的工件，預(yù)計(jì)可焊接的工件厚度為1.5～18 mm。從上述工業(yè)應(yīng)用和設(shè)備開發(fā)實(shí)例可以看出，攪拌摩擦焊已經(jīng)在航空、船舶、高速列車、汽車等制造領(lǐng)域的輕結(jié)構(gòu)制造中顯示出強(qiáng)勁的創(chuàng)新活力和廣闊的應(yīng)用前景，并

64、得到了廣泛應(yīng)用。</p><p>　　1995年英國焊接研究所（TWI）在中國申請了有關(guān)攪拌摩擦焊和攪拌頭專利保護(hù)(專利號:ZL95192193.2)，并且在1999年得到了中國知識產(chǎn)權(quán)局的批準(zhǔn)(批準(zhǔn)號:51451)；在 2002年4月18日，北京航空制造工程研究所和英國焊接研究所在北京正式簽署攪拌摩擦焊專利許可和技術(shù)合作協(xié)議，并且在雙方合作成立了中國攪拌摩擦焊中心的基礎(chǔ)上，注冊成立了中國首家專業(yè)化的攪拌摩擦焊技

65、術(shù)公司——北京賽福斯特技術(shù)有限公司。北京賽福斯特技術(shù)有限公司負(fù)責(zé)中國攪拌摩擦焊中心在中國地區(qū)（包括：香港、澳門和臺灣）的所有攪拌摩擦焊業(yè)務(wù)：主要從事攪拌摩擦焊技術(shù)的研究、FSW工程應(yīng)用開發(fā)、FSW設(shè)備的制造和銷售以及全權(quán)負(fù)責(zé)中國攪拌摩擦焊中心的FSW “二級許可權(quán)”的發(fā)放和管理。中國攪拌摩擦焊中心和專業(yè)化北京賽福斯特技術(shù)有限公司的成立，標(biāo)志著攪拌摩擦焊技術(shù)的開發(fā)和工程應(yīng)用研究工作在中國市場的正式開始，是新世紀(jì)中國焊接技術(shù)發(fā)展史上一塊矚目

66、的里程碑。國內(nèi)某些院校和研究所也開始了這方面的研究工作，有理由相信，攪拌摩擦焊技術(shù)在中國也有著應(yīng)用前景。</p><p>　　1．6 本論文的目的和意義</p><p>　　通過對相關(guān)資料、文獻(xiàn)的查找，獲得相關(guān)資料，了解攪拌摩擦焊焊接原理及相關(guān)工藝，了解攪拌摩擦焊的應(yīng)用范圍，了解攪拌摩擦焊在焊接中的優(yōu)勢，了解攪拌摩擦焊的研究現(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。參照攪拌摩擦焊工裝

67、設(shè)計(jì)相關(guān)資料，設(shè)計(jì)一臺能焊接焊縫厚度為20mm，焊縫長度為600mm的攪拌摩擦焊實(shí)驗(yàn)用焊機(jī)。在寫設(shè)計(jì)說明書的過程中，要求對關(guān)鍵部位的設(shè)計(jì)寫得比較詳細(xì)、具體，并校核該實(shí)驗(yàn)用焊機(jī)的各主要部分。</p><p>　　第二章 攪拌摩擦焊焊機(jī)設(shè)計(jì)</p><p>　　本章講述攪拌摩擦焊焊機(jī)各重要部分的設(shè)計(jì)計(jì)算過程，包括總體設(shè)計(jì)規(guī)劃、攪拌摩擦系統(tǒng)設(shè)計(jì)、伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)、電氣控制設(shè)計(jì)。</p>

68、<p>　　此攪拌摩擦焊焊機(jī)，攪拌摩擦頭轉(zhuǎn)速約6000r/min，焊接速度100—600mm/min，最大加工焊縫厚度20mm，焊縫長度600mm，總功率約3千瓦，適合于普通厚度的鋁及其合金的攪拌摩擦焊工藝實(shí)驗(yàn)研究。</p><p>　　2．1 總體設(shè)計(jì)規(guī)劃</p><p>　　此焊機(jī)為單件生產(chǎn)，機(jī)體和機(jī)體中構(gòu)件多采用A3鋼焊接結(jié)構(gòu)，以降低產(chǎn)品成本。根據(jù)一般要求，為方便使用者的

69、操作，此焊機(jī)的工作臺平面約離地面高1200mm，焊機(jī)總高度約1650mm，總長度約1000mm，工作臺面長度約700mm，寬度約410mm，工作臺上下移動約80mm，具體尺寸見零件圖。機(jī)頭高度約為200mm，攪拌軸中心距機(jī)體約300mm。工作臺箱體總長約750mm，高度約450mm，并將伺服系統(tǒng)的電機(jī)以及減速機(jī)構(gòu)放在工作臺箱體里，使得此焊機(jī)有更好的外觀。由于V帶傳遞動力時有過載保護(hù)，所以，電機(jī)的輸出均先通過V帶傳遞，再傳遞到工作機(jī)上。液

70、壓系統(tǒng)推動工作臺作垂直移動，液壓缸放置于機(jī)箱箱體內(nèi)，正前方開一個觀察窗口，便于檢測和維修。機(jī)體的后下方放置焊機(jī)的電氣控制部分。上部分安裝攪拌摩擦系統(tǒng)的動力電機(jī)，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。機(jī)體后面開上下兩個觀察窗口，分別為上方的攪拌系統(tǒng)電機(jī)和下面的電氣控制部分進(jìn)行檢測和維修時使用。焊機(jī)的操作面板，在工作臺箱體正面的左方，操作起來也很方便。左下方和右方為觀察窗口，打開觀察窗

71、口的面板，便可以對里</p><p>　　2．2 攪拌摩擦系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　2．2．1 攪拌頭及夾具設(shè)計(jì)</p><p>　　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。</p><p>　　對于不同厚度的板所用的攪

72、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[22]，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

73、轉(zhuǎn)時噴射出去。各型號攪拌摩擦頭的參數(shù)見表2-1。</p><p>　　表2-1 攪拌摩擦頭參數(shù)及焊縫截面積</p><p>　　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。</p><p>　　2．2．2 攪拌系統(tǒng)功率計(jì)算</p><p>　　假設(shè)鋁合金在焊接時的最高溫升為600℃，對于20mm板，焊縫截面積約為400mm2,

74、焊速約為100mm/min，由于熱傳遞和熱量損失，設(shè)能量利用率為50%，單位時間內(nèi)焊縫溫升部分體積為：400x100=40000mm3 ，能量計(jì)算公式為[23] </p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　式中：C——比熱容（J/kg?K）</p><p>　　△T——溫度變化值（℃）</p><p

75、><b>　　V——體積（m3）</b></p><p>　　ρ——密度（kg/m3）</p><p><b>　　η——效率</b></p><p><b>　　E——能量（J）</b></p><p>　　查得鋁的各項(xiàng)參數(shù)如下[23]</p><p

76、>　　ρ=2700Kg/m3，C=904.3J/Kg·K</p><p>　　由式（2-1）單位時間內(nèi)需要能量為</p><p><b>　　則功率為：</b></p><p>　　選用2.2KW電機(jī)（Y100L1—4型，1430r/min，H=100，HD=245，伸出軸徑D=28mm，長度L=60mm，鍵槽寬8mm）[24]

77、</p><p>　　攪拌摩擦焊焊機(jī)輸入工件的總功率為[22]</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　式中：N——輸入工件總的熱功率（J）</p><p>　　n——攪拌摩擦頭的轉(zhuǎn)速（r/min）</p><p><b>　　μ——摩擦系數(shù)</b>

78、;</p><p>　　F——工件上壓力（N）</p><p>　　r0、r1——焊頭軸肩和焊針的半徑（mm）</p><p>　　因?yàn)閱挝粫r間內(nèi)輸入工件的能量與總功率相等，在單位時間內(nèi)則有</p><p><b>　　（2-3）</b></p><p>　　查得鋁與鋼的摩擦系數(shù)為0.17[23]

79、 ，由式（2-2）、（2-3）得</p><p><b>　　F=101N</b></p><p>　　則攪拌頭向前移動阻力為</p><p>　　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。</p><p>　　表2-2 不同板厚在焊接時的壓力和焊速</p><p>　　

80、2．2．3 攪拌系統(tǒng)V帶設(shè)計(jì)</p><p>　　名義功率：，轉(zhuǎn)速約為6000r/min，要求傳動比為i=4.196</p><p><b>　　1．選擇V帶型號</b></p><p>　　計(jì)算功率PC由下式確定</p><p><b>　?。?-4）</b></p><p&g

81、t;　　式中：KA——工作情況系數(shù)</p><p>　　P——需要傳遞的名義功率（KW）</p><p>　　查表2-3得工作情況系數(shù)，由式（2-4）計(jì)算得</p><p>　　根據(jù)PC和n由圖2-4選用Z型V帶。</p><p>　　表2-3 工作情況系數(shù)</p><p>　　2．確定帶輪基準(zhǔn)直徑dd1、dd2。&l

82、t;/p><p><b>　　由圖2-5可得</b></p><p><b>　?。?-5）</b></p><p><b>　?。?-6）</b></p><p><b>　?。?-7）</b></p><p>　　小帶輪直徑dd1宜

83、選大些，可減小帶的彎曲應(yīng)力，有利于延長帶的壽命；在傳遞的轉(zhuǎn)矩一定時，dd1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(shù)。通常小輪直徑dd1應(yīng)大于或等于表2-4所列最小基準(zhǔn)直徑dmin。若dd1過大，傳動的外廓也將增大。由表2-4選擇小輪直徑為dd1=63mm， 由式（2-5）得</p><p>　　表2-4 V帶輪最小基準(zhǔn)直徑dmin及基準(zhǔn)直徑系列 mm</p><p>　　由表2

84、-4選擇dd2=265mm</p><p>　　實(shí)際傳動比 </p><p>　　實(shí)際轉(zhuǎn)速 </p><p>　　傳動比偏差 ，小于5%，符合條件。</p><p><b>　　3．驗(yàn)算帶速V0。</b></p><p>　　帶速太高，帶的離

85、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(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</p><p><b>　?。?-8）</b></p><p><b>　　由式（2-8）得</b>&

86、lt;/p><p>　　帶速在5—25m/s范圍內(nèi)，符合要求。</p><p>　　4．確定中心距a，V帶基準(zhǔn)長度Ld。</p><p>　?。?）初選中心距a0。設(shè)計(jì)時對中心距有一定的要求，即大于436mm，根據(jù)得，初選a0為500mm,符合取值范圍。</p><p>　?。?）計(jì)算初定的帶長Ld。。由式（2-7）得</p>&l

87、t;p>　?。?）基準(zhǔn)帶長Ld。由表2-5選用Ld=1600mm, KL=1.16</p><p>　　表2-5 普通Z型V帶基準(zhǔn)長度Ld系列及長度系數(shù)KL</p><p>　　（4）實(shí)際中心距a。實(shí)際中心距由下式確定</p><p><b>　　（2-9）</b></p><p><b>　　由式（2-

88、9）得</b></p><p>　　考慮安裝和張緊V帶的需要，留出±40mm作為中心距距調(diào)整量。</p><p>　　5．核算小輪上包角α1。</p><p><b>　　由式（2-6）得</b></p><p>　　6．確定V帶根數(shù)z。</p><p><b>　

89、?。?-10）</b></p><p><b>　?。?-11）</b></p><p>　　表2-6 傳動比系數(shù)Ki</p><p>　　表2-7 彎曲影響系數(shù)Kb</p><p>　　根據(jù)n1和n2由圖2-6得，查表2-6得Ki=1.14，查表2-7得Kb=0.39x10-3，由式（2-11）得</

90、p><p><b>　　表2-8 包角系數(shù)</b></p><p>　　查表2-8得Kα=0.93，由式（2-10）得</p><p><b>　　選用Z型V帶3根。</b></p><p>　　7．確定帶的預(yù)拉力F0。</p><p>　　預(yù)拉力是保證帶傳動正常工作和重要條件。

91、預(yù)拉力不足，極限摩擦力減小，傳動能力下降；預(yù)拉力過大，又會使帶的壽命降低，軸和軸承的壓力增大。</p><p>　　表2-9 普通V帶的規(guī)格</p><p>　　查表2-9得Z型V帶的質(zhì)量為</p><p>　　單根普通V帶合適的預(yù)拉力由下式確定</p><p><b>　?。?-12）</b></p>&

92、lt;p><b>　　由式（2-12）得</b></p><p>　　8．計(jì)算帶傳動作用在軸上的力。</p><p><b>　?。?-13）</b></p><p>　　為設(shè)計(jì)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。</p><p><b>　　由式（2-13）得

93、</b></p><p><b>　　9．帶輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。</b></p><p>　?。?）大V帶輪設(shè)計(jì)。</p><p>　　大V帶輪結(jié)構(gòu)按照表2-10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2-11得，鍵t=4.0mm，t1=3.3mm。C取1mm。</p><p&

94、gt;　　表2-10 V帶輪的結(jié)構(gòu)和盡寸</p><p><b>　　具體尺寸見零件圖。</b></p><p>　　表2-11 平鍵 mm</p><p>　?。?）小V帶輪設(shè)計(jì)。</p><p>　　小V帶輪結(jié)構(gòu)按照圖2-7再結(jié)合表2-10進(jìn)行設(shè)計(jì)。用攪拌

95、軸軸肩作軸向固定， 6X32的鍵作周向固定。查表2-11得，鍵的t=3.5mm，t1=2.8mm，C取1mm。</p><p><b>　　具體尺寸見零件圖。</b></p><p>　　2．2．4 攪拌軸的設(shè)計(jì)</p><p><b>　　1．選擇軸的材料。</b></p><p>　　攪拌摩擦焊

96、機(jī)的功率（P=1.95KW）不大，又無特殊要求，故選用常用的45號鋼并作正火處理。由表2-12查得。</p><p>　　表2-12 軸的常用材料及其主要機(jī)械性能</p><p>　　2．按轉(zhuǎn)矩估算軸的最小直徑。</p><p>　　對于一般的傳動軸，可按下式計(jì)算軸的最直徑</p><p><b>　?。?-14）</b>

97、;</p><p>　　查表2-13得C=118-107，由式（2-14）得</p><p>　　計(jì)算所得是最小處的軸徑，取d=20mm，前端留出M16X25作為V帶輪的軸向固定。</p><p>　　表2-13 按轉(zhuǎn)矩計(jì)算軸用的[t]和C值</p><p>　　3．軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（2-8a）。</p><p>　　d1

98、=16mm，L1=25mm大V帶輪外端用螺母固定，選用M16螺母（GB6170-86），并加彈簧墊片（GB93-87）</p><p>　　d2=20mm，L2=38mm，此段用于裝小V帶輪，為了軸向定位，故長度比小V帶輪的寬度B減少了2mm</p><p>　　此處開鍵槽以作小V帶輪的周向定位，查表2-11得，選取鍵的尺寸為6x32， t=3.5mm, t1=2.8mm</p>

99、;<p>　　表2-14 圓錐滾子軸承（GB/T297—1994）</p><p>　　d3=25mm, L3=40mm</p><p>　　d4=30mm, L4=16mm，用于安裝30206軸承，查表2-14得30206軸承寬度為16mm</p><p>　　d5=36mm, L5=150mm</p><p>　　d6=30

100、mm，L6=16mm，用于安裝30206軸承</p><p>　　d7=25mm，L7=45mm</p><p>　　d8=20mm，L8=20mm，用于安裝攪拌頭夾具</p><p>　　軸的總長為350mm</p><p>　　30206軸承用1號二硫化鉬鋰基脂進(jìn)行潤滑，由表2-14查得，符合6000r/min轉(zhuǎn)速的要求。</p&g

101、t;<p><b>　　4．軸上受力分析。</b></p><p>　　V帶對軸的作用力為，攪拌摩擦頭對軸的作用力為，軸向力，則：</p><p>　　水平面 </p><p>　　解得 </p><p>　　垂直面

102、 </p><p>　　解得 </p><p>　　則 </p><p>　　表2-15 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</p><p>　　查表2-15得e=0.37，Y=1.6，X=0.40</p><p&

103、gt;　　表2-16 角接觸型軸承派生軸向力S</p><p><b>　　由表2-16得</b></p><p>　　，軸有沿方向移動的趨勢，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</p><p>　　軸受力的大小及方向如圖（2-8b）所示。</p><p>　　因軸承Ⅰ上

104、的作用力大于軸承Ⅱ上的作用力，故僅對軸承Ⅰ進(jìn)行壽命計(jì)算，軸承壽命可由下式進(jìn)行計(jì)算</p><p><b>　?。?-15）</b></p><p>　　其中當(dāng)量動載荷P的計(jì)算公式為</p><p><b>　　（2-16）</b></p><p>　　表2-17 動載荷系數(shù)KP</p>

105、<p>　　查表2-17得，由式（2-16）得</p><p>　　查表2-15得C=39.0KN，由式（2-15）得</p><p><b>　　5．繪制彎矩圖。</b></p><p>　　水平面彎矩圖（圖2-8c）</p><p>　　截面b： </p><p>　　垂

106、直面彎矩圖（圖2-8d）</p><p>　　截面a： </p><p>　　6．繪制扭矩圖（圖2-8e）。</p><p>　　表2-18 軸的許用彎曲應(yīng)力 N/mm2</p><p>　　又根據(jù)σB=600N/mm2,查表2-18得[σ-1]b=55N/mm2, [σ0]b=95N/mm2,故</p><p

107、>　　7．繪制當(dāng)量彎矩圖（圖2-8f）。</p><p><b>　　截面a：</b></p><p><b>　　截面b：</b></p><p>　　8．分別計(jì)算a和b處的直徑。</p><p>　　截面a雖有鍵槽削弱，但結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)確定的直徑已達(dá)到20mm，截面b處為螺紋聯(lián)接沒有削弱，所以，

108、此軸強(qiáng)度足夠，符合設(shè)計(jì)要求。</p><p>　　2．3 伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　要求工作臺面能左右運(yùn)動，故選擇直流伺服電機(jī)作為伺服系統(tǒng)的動力源，經(jīng)V帶—齒輪減速機(jī)構(gòu)后傳遞給絲杠，由絲杠帶動工作臺面板做左右運(yùn)動，并選用LX211-1型[25]行程控制開關(guān)，安裝在工作臺箱體內(nèi)的左右兩側(cè)。工作臺上下運(yùn)動靠液壓缸推動與工作臺相連的液壓桿來實(shí)現(xiàn)。</p><p>

109、　　2．3．1 伺服系統(tǒng)功率計(jì)算</p><p>　　由零件圖可知道，工作臺上面板的體積為3444000mm3，下面板的體積為3601500mm3，A3鋼的密度[23]ρ=7800kg/m3，工作臺面板的質(zhì)量為</p><p>　　所以工作面板的重力為</p><p>　　工件及其附加結(jié)構(gòu)（工件夾具）共計(jì)50kg，其重力為</p><p>　

110、　攪拌頭對工件的壓力為101N，故工作臺面向下的總壓力為</p><p>　　鋼與鋼在有潤滑劑時的摩擦系數(shù)[23]f=0.05～0.1，得工作臺與工作面板間的滑動摩擦力為</p><p>　　由于發(fā)生熱塑性變形的金屬對攪拌頭的也有一定阻力，同時為了防止工作臺面鎖死不動，故將伺服系統(tǒng)的推力增加約一倍，即可提供200N左右的力。工作臺移動的最大速度約為720mm/min，因此，絲杠傳動系統(tǒng)傳遞