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1、浙浙江江理理工工大大學學 本科畢業(yè)設計（論文） 題題 目目 雙攪拌軸攪拌摩擦焊機設計雙攪拌軸攪拌摩擦焊機設計 學學 院院 機械與自動控制學院機械與自動控制學院 專業(yè)班級專業(yè)班級 0909 機械設計制造及其自動化（機械設計制造及其自動化（4 4）班）班 姓姓 名名 學學 號號 指導教師指導教師 系系 主主 任任 學院院長學院院長 胡旭東胡旭東 二二一三一三年年五五月月十二十二日日 全套圖紙，加全套圖紙，加 153893706153893706 浙浙 江江 理理 工工 大大 學學 機械與自動控制學院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

2、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(jīng)發(fā)表或未發(fā)表的研究成果行為。如出 現(xiàn)以上違反知識產(chǎn)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 4 摘摘 要要 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

3、 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 500600mm/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(xiàn)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

4、非常的經(jīng)濟和容易操作。 關鍵詞關鍵詞：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 fo

5、r 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 t

6、hat 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

7、 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

8、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

9、 with other machine,it is also very cheap and easy-to-use. KeyKey wordswords：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(nèi)外研究現(xiàn)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(nèi)攪拌軸摩擦焊技術發(fā)展發(fā)展應用3

10、 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(nèi)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

11、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 WeldingFSW)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 WeldingFSW)被發(fā)明到現(xiàn)在，該項 技術已經(jīng)在國內(nèi)外的眾多領域出現(xiàn)它的身影。如今，攪拌摩擦焊焊已經(jīng)在諸多 制造領域（船舶、軌道列車、航天、航空、汽車、兵器、電子電力

12、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(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域攪拌摩擦焊已經(jīng)成功代替熔焊實現(xiàn)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(jīng)全部實現(xiàn)了攪拌摩擦焊制造 t 并于 1999 年首次成 功發(fā)射升空。2000 年世界汽車工業(yè)，如美國

13、 TOWER 汽車公司等就利用攪拌摩擦 焊實現(xiàn)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(jīng) 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(chǎn)效率。同時，它也可以使得焊縫

14、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(nèi)外研究現(xiàn)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612毫米的鋁、鎂、銅合金的連接1997年實現(xiàn)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(chǎn)品。2

15、004 年，英國焊接研究所已經(jīng)能夠單道單面實現(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，單道焊可以實現(xiàn)厚度為0.8100mm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(jīng)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?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 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

16、年來取得的成就主要可以從以下幾方面來體現(xiàn)： （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(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(nèi)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

17、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(jīng)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(xiàn)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(chǎn)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

18、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(nèi)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(xié)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

19、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(nèi)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(nèi)的應用現(xiàn)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(nèi)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(nèi)對于 2

20、000 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(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。 除卻上述的兩個領域外， 攪拌摩擦焊在國內(nèi)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(nèi)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

21、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(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

22、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(chǎn)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(chǎn)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(xiàn)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(chǎn)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(zhì)量更高；（c）兩

23、個攪拌頭同時焊接可以產(chǎn)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(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

24、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(xiàn)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(xiàn)對接接頭的可靠連接7。 由此，在接下來的幾年內(nèi)，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(nèi)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

25、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(xiàn)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 第第 2 2 章章 雙攪拌軸攪拌摩擦焊機設計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

26、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(chǎn)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(chǎn)。為了使得該機 器更加經(jīng)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（

27、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(nèi)。同理，液壓推動系統(tǒng)也將放于工作 臺的箱體內(nèi)，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(nèi)） 。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(diào)整電機座在機體上的位置就

28、可以調(diào)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 2.2.12.2.1 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(lián)接，夾持部分為 M12，長度為 L=15mm，焊針直徑 D=310mm，焊針 做成特

29、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(shù) 見表 2-1。 圖圖 2-12-1 焊針示意圖焊針示意圖圖圖 2-22-2 軸肩示意圖軸肩示意圖 表表 2-12-1 攪拌摩擦頭參數(shù)及焊縫截面積攪拌摩擦頭參數(shù)及焊縫截面積 板厚（mm） 焊針直徑 （mm） 焊針長度 （mm） 軸肩直徑 d

30、(mm) 角度（度） 焊縫斷面積 mm2 15814248240 1069186120 55 45 15450 33 28 9218 浙江理工大學本科畢業(yè)設計（論文） 9 攪拌頭夾具用于聯(lián)接攪拌頭和攪拌軸，其具體結構如圖 2-3 所示。 圖圖 2-32-3 攪拌頭夾具攪拌頭夾具 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(nèi)焊縫溫升部分體積為： 2x240 x500=240000mm3 （由于本

31、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/kgK） T溫度變化值（） V體積（m3） 密度（kg/m3） 效率 E能量（J） 查得鋁的各項參數(shù)如下23 =2700Kg/m3，C=904.3J/KgK 由式（2-1）單位時間內(nèi)需要能量為 min/895.87%502700102400006003 .904 9 KJE 由于該機器為雙軸，則功率為： KWP9 . 260895.872 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

32、拌摩擦焊焊機輸入工件的總功率為16 （2-2） )(45 )( 10 2 110 2 0 rr rrrrFn N 式中：N輸入工件總的熱功率（J） n攪拌摩擦頭的轉速（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） 因為單位時間內(nèi)輸入工件的能量與總功率相等，在單位時間內(nèi)則有 （2-3）NE 查得鋁與鋼的摩擦系數(shù)為 0.1718 ，由式（2-2） 、 （2-3）得 )1424(45 )24241414( 878952 22 Fn F=84.7N 則兩個攪拌頭向前移動阻力為 NNF4 .14 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-

33、 2。 表表 2-22-2 不同板厚在焊接時的壓力和焊速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 1524084.7500 1012084.71000 550601500 318602000 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 . 2min/6000rn 攪拌頭的傳動齒輪設計成傳動比為 1 的三個齒輪），則齒數(shù)比。1 齒 i1u 浙江理工大學本科畢業(yè)設計（論文） 11 1 1選擇齒輪材料選擇齒輪材料 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， 170210HBS，小齒輪采用

34、 45 鋼調(diào)質(zhì)處理，217255HBS。 2 2按齒面接觸強度設計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 ) 671 (3 12 1 mm KT u u d dH （1）計算小齒輪傳遞的轉矩 )(4615 6000 9 . 2 1055 . 9 1055. 9 6 1 1 6 mmN n P T （2）選擇齒輪齒數(shù)，則實際傳動比為80z 1 齒 i 傳動比誤差為 0%100 1 11 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 表表 2-42-4 載荷綜合系數(shù)載荷綜合系數(shù) K K 工作

35、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)1.21.31.21.51.51.61.51.91.81.91.92.2 輕微振動1.31.41.41.71.61.81.721.92.122.4 原 動 機中等振動1.51.61.61.91.92.11.92.22.12.32.22.6 表表 2-52-5 齒寬系數(shù)齒寬系數(shù) 齒面硬度 齒輪相對于軸承的位置 軟齒面硬齒面 對稱0.81.40.40.9 非對稱布置0.61.20.30.6 （5）查表 2-5 取齒寬系數(shù)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 /380minmmNH 查表

36、2-6 得25 . 1 min H S 表表 2-62-6 最小安全系數(shù)最小安全系數(shù) S SHmin Hmin和 和 S SHmin Hmin 齒輪傳動裝置的重要性 SHminSHmin 一般 11 齒輪損壞會引起嚴重后果 1.251.5 對于長期工作的齒輪，H可按下式計算 （2-5） min min H H H S 由式（2-5）得 2 /304 25 . 1 380 mmN H （7）計算齒輪分度圓直徑 由式（2-4）得 mmd268.38 1 46155 . 1 1 11 ) 368 671 ( 3 2 （8）計算模數(shù) 6 . 0 80 268.38 z d m 查表 2-7 取 m=1

37、.5。 表表 2-72-7 漸開線圓柱齒輪標準模數(shù)（漸開線圓柱齒輪標準模數(shù)（GB1357GB13578787） mmmm 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 表表 2-82-8 傳遞動力的齒輪精度（傳遞動力的齒輪精度（公差組）等級的選擇與應用公差組）等級

38、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 15301220 高速重載齒輪傳動 7 級 1015810 高速中載或中速重載的齒輪傳動 8 級 61047 一般機械中對精度無特殊要求的齒輪 9 級 241.53 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 mmzz m a96)6464( 2 5 . 1 )( 2 21 齒輪寬度 mmdb48481 圓周速度 sm dn V/07.14 100060 600048 100060 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

39、。 3 3校核齒根彎曲強度校核齒根彎曲強度 校核齒根彎曲強度用以下公式 （2-6）/ 2 2 1 2 1 mmN zbm YKT F Fs F （1）復合齒形系數(shù)根據(jù)由表 2-5 查得 21,z z0 . 4 1Fs Y （2）確定許用應力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 min F F F S 由圖 1-7 查得 2 1min /530mmN F 查表 2-6 得，由式（2-7）得5 . 1 min F S mmN F /33.353 5 . 1 530 （3）式中已知 ，5 . 1KmmNT

40、46155 . 1mmmb48 （4）校核計算。 由式（2-6）得 22 2 /33.353/012 . 8 645 . 148 0 . 446155 . 12 mmNmmN FF 校核計算安全。 4 4結構設計結構設計 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，t1=3.3mm。n1取 1mm。 表表 2-92-9 圓柱齒輪結構及尺寸圓柱齒輪結構及尺寸 dd6 . 1 1 Bdl)5 . 12 . 1 ( na mzd)2( nf mzd)5 . 2( na mdD10 1 )(5 . 0 11

41、0 dDD )( 10)(25 . 0 0 110 較小時可不鉆孔d mmdDd 浙江理工大學本科畢業(yè)設計（論文） 15 表表 2-102-10 平鍵平鍵 軸 d鍵 bxh 公稱 尺寸 軸 t轂 t1 68 2x221.21 810 3x331.81.4 1012 4x442.51.8 1217 5x553.02.3 1722 6x663.52.8 2230 8x784.03.3 3038 10 x8105.03.3 3844 12x8125.03.3 4450 14x9145.53.8 鍵長系列： 6，8，10，12，14，16，18，20，22，25，28，32，36，40，45，50，5

42、6，63，70， 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 a d =99mm； 齒根圓直徑 f d =92.25mm； 齒數(shù) z=64。 2.2.4 攪拌軸的設計 1 1選擇軸的材料選擇軸的材料 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 /600mmN B 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 . 0 1055 . 9 33 3 6 mm n P C n P d 查表 2

43、-12 得 C=118-107，由式（2-8）得 )(26 . 9 6000 9 . 2 118 3 mmd 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。 表表 2-112-11 按轉矩計算軸用的按轉矩計算軸用的tt和和 C C 值值 軸的材料 Q235 35，Q275 4540Cr,35SiMn t N/mm212-2020-3030-4040-52 C160-135135-118118-107107-98 2 2軸的結構設計軸的結構設計 圖圖 2-42-4 攪拌軸示意圖攪拌軸示意圖 d1=20mm，L

44、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，L2=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(shù)據(jù)參考表格 2-12。 浙江理工大學本科畢業(yè)設計（論文） 17 表表 2-122-12 圓錐滾子軸承（圓錐滾子軸承（GB/T297GB/T29719941994） 尺寸/mm 極限轉速 r/min 軸承 代號 dDTBC 脂潤 滑 油潤 滑 30203174013.2512119000

45、12000 30204204715.251412800010000 30205255216.25151370009000 30206306217.25161460007500 30207357218.25171553006700 30208408019.25181650006300 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，L6=16mm，用于安裝 30205 軸承 d7=20mm，L7=20mm，用于安裝攪拌頭夾具 軸的總長為

46、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 3軸上受力分析軸上受力分析 齒輪對軸的作用力為，攪拌摩擦頭對軸的作用力NFQ02.216204.433 為，軸向力，則：NF 4 . 14 阻 NFFa 7 . 84 水平面 HH H RRF RF 21 1 69111 阻 阻 雙攪拌軸攪拌摩擦焊機設計 18 解得 NR NR H H 56.27 16.23 2 1 垂直面 VVQ VQ RRF RF 12 2 6940 解得 NR NR V V 23.125 25.341 2 1 則 NRRR NRRR VH VH

47、 23.12823.12556.27 34225.34116.23 22 2 2 2 22 22 2 1 2 11 表表 2-132-13 圓錐滾子軸承的基本額定動載荷圓錐滾子軸承的基本額定動載荷 C C 和基本額定靜載荷和基本額定靜載荷 C C0 0 KNKN 軸承型號 CC0eYY0X 3020425.018.00.351.71.0 3020530.023.00.371.60.9 3020639.029.50.371.60.9 3020749.037.00.371.60.9 3020855.041.50.371.60.9 3020959.046.00.401.50.8 3021066.05

48、3.50.421.40.8 0.40 查表 2-13 得 e=0.37，Y=1.6，X=0.40 表表 2-142-14 角接觸型軸承派生軸向力角接觸型軸承派生軸向力 S S 角接觸球軸承 C 型（=150）AC 型（=250）B 型（=400） 圓錐滾子軸承 S=eRS=0.68RS=1.14RS=R/(2Y) 由表 2-14 得 N Y R S N Y R S 07.40 2 87.106 2 1 2 1 1 浙江理工大學本科畢業(yè)設計（論文） 19 NS NFS a 07.40 17.22 2 1 NN07.4017.22 ，軸有沿方向移動的趨勢，軸承 1 被“壓緊” ，軸承 2 被2 1

49、 SFS a 2 S “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 NSA NFSA a 07.40 77.124 7 . 8407.40 22 21 因軸承上的作用力大于軸承上的作用力，故僅對軸承進行壽命計算， 軸承壽命可由下式進行計算 （2-9）)()( 60 106 10 h P C n L h （2-10）)(YAXRKP P 表表 2-152-15 動載荷系數(shù)動載荷系數(shù) K KP P 載荷性質(zhì)平穩(wěn)或有輕微沖擊中等沖擊和振動強烈沖擊和振動 KP 1.01.21.21.81.83.0 查表 2-15 得，由式（2-10）得2 . 1 P K NP36.410)33

50、.1286 . 134240 . 0 (2 . 1 查表 1-14 得 C=39.0KN，由式（2-9）得 hL h 4538213) 36.410 30000 ( 600060 10 3 10 6 10 4 4計算彎矩計算彎矩 水平面彎矩 截面 b： )( 4 . 1598 4 . 14111111mmNFMbH 阻 垂直面彎矩 截面 a： )( 8 . 864002.2166840mmNFM QaV 5 5計算扭矩計算扭矩 雙攪拌軸攪拌摩擦焊機設計 20 表表 2-162-16 軸的許用彎曲應力軸的許用彎曲應力 N/mmN/mm2 2 材料 S+1b0b-1b 4001307040 500

51、1707545 6002009555 碳素鋼 70023011065 80027013075 合金鋼 100033015090 )(4615 6000 9 . 2 1055. 91055 . 9 66 mmN n P T 又根據(jù) B=600N/mm2,查表 2-16 得-1b=55N/mm2, 0b=95N/mm2,故 58. 0 95 55 )(2677461558 . 0 mmNT 6 6計算當量彎矩計算當量彎矩 截面 a： )(88.3117)( 2 2 mmNTMMaae 截面 b： )(39.9775)( 2 2 mmNTMMbbe 7 7分別計算分別計算 a a 和和 b b 處的

52、直徑處的直徑 mm M d b ae a 27 . 8 551 . 0 3117 1 . 0 3 3 1 mm M d b Ie b 11.12 551 . 0 39.9775 1 . 0 3 3 1 結構設計確定的直徑為 20mm，截面 b 處為螺紋聯(lián)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 1選擇選擇 V V 帶型號帶型號 計算功率 PC由下式確定 （2-11）PKP AC

53、 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)，由式（2-17）計算得1 . 1 A K KWPC19 . 3 9 . 21 . 1 根據(jù) PC和 n 由圖 1-9 選用 Z 型 V 帶。 2 2確定帶輪基準直徑確定帶輪基準直徑 d dd1 d1、 、d dd2 d2 已知 （2-12） 12 did （2-13) 0 120 1 180 180 a dd （2-14） a dd ddaL 4 )( )( 2 2 2 12 21 圖圖 2-52-5 帶傳動示意圖帶傳動示意圖 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

54、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 mmdid dd 180603 12 表表 2-172-17 V V 帶輪最小基準直徑帶輪最小基準直徑 d dmin min及基準直徑系列 及基準直徑系列 mmmm V 帶輪槽型 YZABCDE dmin205075125200355500 基準直 徑系列 20 22.4 25 28 31.5 35.5 40 45 50 60 63

55、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 3 60 180 i 實際轉速 min/600032000 2 rn 傳動比偏差 ，小于 5%，符合條件。0 3 3驗算帶速驗算帶速 V V0 0 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(shù)。一般應使帶速 V

56、在 525m/s 范 圍內(nèi)工作，尤以 V=1020m/s 為宜。帶速由下式確定 （2-15） 100060 22 nd V d 由式（2-15）得 sm nd V d /18 100060 600060 100060 22 帶速在 525m/s 范圍內(nèi)，符合要求。 4.4.確定中心距確定中心距 a a，V V 帶基準長度帶基準長度 L Ld d （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(jù) 得，初選 a0為 450mm,符合取值)(2)(7 . 0 21021dddd ddadd480168 0 a 范圍。 浙江理工大學本科畢業(yè)設計（論文） 23 （2）計算初定

57、的帶長 Ld。 。由式（2-7）得 )( 8 . 884 4 )( )( 2 2 0 2 12 2100 mm a dd ddaL dd ddd （3）基準帶長 Ld。由表 2-18 選用 Ld=1400mm, KL=1.14 表表 2-182-18 普通普通 Z Z 型型 V V 帶基準長度帶基準長度 L Ld d系列及長度系數(shù)系列及長度系數(shù) K KL L Ld400450500560630710800 KL0.870.890.910.940.960.991.00 Ld900100011201250140016001800 KL1.031.061.081.111.141.161.18 （4）

58、實際中心距 a。實際中心距由下式確定 （2-16） 2 0 0 dd LL aa 由式（2-16）得 )( 6 . 507 2 8 . 12841400 450mma 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 5核算小輪上包角核算小輪上包角 1 1 由式（2-14）得 00 0 12 0 1 120 7 . 164 180 180 a dd dd 6 6確定確定 V V 帶根數(shù)帶根數(shù) z z （2-17） L AC KKPP PK P P z )( 000 （2-18）) 1 1 ( 2 i b K nKP 表表 2-192-19 傳動比系數(shù)傳動

59、比系數(shù) K Ki i 傳動比 i 1.00-1.041.05-1.191.20-1.491.50-2.952.95 Ki1.001.031.081.121.14 表表 2-202-20 彎曲影響系數(shù)彎曲影響系數(shù) K Kb b 雙攪拌軸攪拌摩擦焊機設計 24 普通 V 帶 型號 YZABCDE Kb(10-3)0.060.391.032.657.5026.649.8 根據(jù) n1和 n2得，查表 1-20 得 Ki=1.14，查表 1-21 得KWP48 . 0 0 Kb=0.39x10-3，由式（1-17）得 KWP288 . 0 ) 14. 1 1 1 (60001039 . 0 3 表表 2

60、-212-21 包角系數(shù)包角系數(shù) 小輪包 角1 18001750170016501600155015001450 K1.000.990.980.960.950.930.920.91 查表 2-8 得 K=0.93，由式（2-17）得 79. 3 14 . 1 96 . 0 )288 . 0 48 . 0 ( 19. 3 z 選用 Z 型 V 帶 4 根。 7 7確定帶的預拉力確定帶的預拉力 F 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。 表表 2-222-22 普通普通 V V 帶的規(guī)格帶的規(guī)格 型

61、號 YZABCDE 每米帶長質(zhì)量 q(Kg/m) 0.040.060.100.170.300.600.87 查表 2-22 得 Z 型 V 帶的質(zhì)量為 mKgq/06 . 0 單根普通 V 帶合適的預拉力由下式確定 （2-19） 2 0 ) 1 5 . 2 ( 500 qv Kzv P F C 由式（2-19）得 NF98.541806 . 0 ) 1 96 . 0 5 . 2 ( 184 19 . 3 500 2 0 浙江理工大學本科畢業(yè)設計（論文） 25 8 8計算帶傳動作用在軸上的力計算帶傳動作用在軸上的力 （2-20） 2 sin2 1 0 zFFQ 為設計安裝帶輪的軸和軸承，必須確定

62、帶傳動作用在帶輪軸上的力 FQ。 由式（2-20）得 NFQ04.433 2 7 . 164 sin98.5442 0 9帶輪結構設計帶輪結構設計 （1）大 V 帶輪設計 圖圖 2-62-6 大帶輪示意圖大帶輪示意圖 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 的鍵作周向固定。查表 1-25 得，鍵 t=4.0mm，t1=3.3mm。C 取 1mm。 mmDd30 mmddd60,604830)28 . 1 ()28 . 1 ( 11 取 mmfeZB528212) 14(2) 1( mmLdL60,604530)25 . 1 ()25 . 1 (取 mmhdd ada 184221802 mmhdd ca 154)5 . 55 . 9(2184)(2 2 mmsBs12, 6 .15 4 . 1052)3 . 02 . 0()3 . 02 . 0(取 雙攪拌軸攪拌摩擦焊機設計 26 mm dd dk107 2 15460 2 )( 21 具體尺寸見零件圖。 （2）小 V 帶輪設計 圖圖 2-72-7 小小 V V 帶輪的結構及尺寸帶輪的結構及尺寸 小 V 帶輪結構按照圖 2