C型攪拌摩擦焊機機械結(jié)構(gòu)設計【2張CAD圖紙】

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畢業(yè)設計（論文）開題報告 題目 C型攪拌摩擦焊機機械結(jié)構(gòu)設計 專 業(yè) 名 稱 機械設計制造及其自動化 班 級 學 號 078105337 學 生 姓 名 袁 振 東 指 導 教 師 張 曉 榮 填 表 日 期 2011 年 3月 15日 說 明 開題報告應結(jié)合自己課題而作，一般包括：課題依據(jù)及課題的意義、國內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢（含文獻綜述）、研究內(nèi)容及實驗方案、目標、主要特色及工作進度、參考文獻等內(nèi)容。以下填寫內(nèi)容各專業(yè)可根據(jù)具體情況適當修改。但每個專業(yè)填寫內(nèi)容應保持一致。 一、 課題的意義 攪拌摩擦焊技術(shù)發(fā)明至今14年以來，無論在國外還是在國內(nèi)，已經(jīng)成功跨出試驗研究階段，發(fā)展成為在鋁合金結(jié)構(gòu)制造中可以替代熔焊技術(shù)的工業(yè)化實用的固相連接技術(shù)；這項新型的焊接技術(shù)在航空航天飛行器、高速艦船快艇、高速軌道列車、汽車等輕型化結(jié)構(gòu)以及各種鋁合金型材拼焊結(jié)構(gòu)制造中，已經(jīng)展示出顯著的技術(shù)和經(jīng)濟效益，諸如：根除了熔焊所固有的焊接缺陷（氣孔、凝固裂紋等）、提高了接頭和結(jié)構(gòu)的連接質(zhì)量、降低了焊接變形等;并且在其他輕金屬如鎂、銅、鋅等材料結(jié)構(gòu)的制造中也正在實施工程化應用。 與攪拌摩擦焊相適應的焊接新裝備和攪拌工具的發(fā)展也非?？?，為實施攪拌摩擦焊工藝方案（如消除攪拌匙孔）及提高各類材料接頭的質(zhì)量，各種類別的新型攪拌摩擦焊接設備、自動化裝置及機器人攪拌摩擦焊機等相繼問世。 攪拌摩擦焊目前的發(fā)展目標之一是攻克在高熔點金屬材料連接中的難題，諸如：普通碳鋼、不銹鋼、鈦合金、甚至高溫合金等結(jié)構(gòu)材料的固相連接，進一步優(yōu)化攪拌工具的型體設計與材料選取，以及焊接過程參數(shù)的監(jiān)控及焊接質(zhì)量實時檢測和控制,制訂標準。 二、國內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢（含文獻綜述）： 1991年,英國焊接研究所（The Welding Institute-TWI）發(fā)明了攪拌摩擦焊（Friction Stir Welding-FSW），這項杰出的焊接技術(shù)發(fā)明正在為世界制造技術(shù)的進步做出貢獻。 在國外,攪拌摩擦焊已經(jīng)在諸多制造領域達到規(guī)模化、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合金快速艦船的甲板、側(cè)板等結(jié)構(gòu)件的流水線制造。在軌道車輛制造領域，日本HITACHI公司首先于1997年將攪拌摩擦焊技術(shù)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，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(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(shù)研制出了全攪拌摩擦焊輕型商用飛機，并且首次試飛成功。 截至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(gòu)獲得了英國焊接研究所授權(quán)的攪拌摩擦焊非獨占性專利許可。已經(jīng)有多個國家如：英國、美國、法國、德國、瑞典、日本和中國等, 把攪拌摩擦焊技術(shù)擴大應用的同時,在世界范圍內(nèi)申請了與攪拌摩擦焊相關(guān)技術(shù)的專利.自1997年起平均每年有100～120項攪拌摩擦焊技術(shù)專利申請;到2004年底，全世界已經(jīng)公開的攪拌摩擦焊專利申請達到了1218項。 作為一種新型制造產(chǎn)業(yè),攪拌摩擦焊技術(shù)正在世界范圍內(nèi)興起！ 1 攪拌摩擦焊的技術(shù)特點 攪拌摩擦焊作為一項新型焊接方法，用很短的時間就完成了從發(fā)明到工業(yè)化應用的歷程。目前,在國際上還沒有針對攪拌摩擦焊公布的統(tǒng)一技術(shù)術(shù)語標準，在攪拌摩擦焊專利許可協(xié)會的影響下，業(yè)界已經(jīng)對攪拌摩擦焊方法中所涉及到的通用技術(shù)術(shù)語進行了定義和認可。圖1示出了攪拌摩擦焊所用到的主要描述性術(shù)語。 圖1 攪拌摩擦焊原理示意與名詞術(shù)語 攪拌摩擦焊技術(shù)所涉及到的主要技術(shù)術(shù)語定義如下： 攪拌頭（Pin tool）－攪拌摩擦焊的施焊工具； 攪拌頭軸肩（Tool Shoulder）－攪拌頭與工件表面接觸的肩臺部分； 攪拌針（Tool Pin）－攪拌頭插入工件的部分； 前進側(cè)（Advanced Side）－焊接方向與攪拌頭軸肩旋轉(zhuǎn)方向一致的焊縫側(cè)面； 回轉(zhuǎn)側(cè)（Retreating Side）－焊接方向與攪拌頭軸肩旋轉(zhuǎn)方向相反的焊縫側(cè)面； 軸向壓力（Down or Axial Force）-向攪拌頭施加的使攪拌針插入工件和保持攪拌頭軸肩與工件表面接觸的壓力； 攪拌摩擦焊是一種在機械力和摩擦熱作用下的固相連接方法。如圖1所示，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(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（焊接溫度一般不會達到和超過被焊接材料的熔點），當攪拌頭旋轉(zhuǎn)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(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，形成致密固相連接接頭。 攪拌摩擦焊具有適合于自動化和機器人操作的諸多優(yōu)點，對于有色金屬材料（如鋁、銅、鎂、鋅等）的連接,在焊接方法、接頭力學性能和生產(chǎn)效率上具有其他焊接方法無可比擬的優(yōu)越性，它是一種高效、節(jié)能、環(huán)保型的新型連接技術(shù)。 但是攪拌摩擦焊也有其局限性，例如：焊縫末尾通常有匙孔存在（目前已可以實現(xiàn)無孔焊接）； 焊接時的機械力較大，需要焊接設備具有很好的剛性；與弧焊相比,缺少焊接操作的柔性；不能實現(xiàn)添絲焊接。 攪拌摩擦焊對材料的適應性很強，幾乎可以焊接所有類型的鋁合金材料，由于攪拌摩擦焊接過程較低的焊接溫度和較小的熱輸入，一般攪拌摩擦焊接頭具有變形小、接頭性能優(yōu)異等特點;可以焊接目前熔焊“不能焊接”和所謂“難焊”的金屬材料如：Al-Cu(2xxx系列) 、Al-Zn(7xxx系列)和Al-Li(如8090、2090 和2195鋁合金)等鋁合金。 另外，攪拌摩擦焊對于鎂合金、鋅合金、銅合金、鉛合金以及鋁基復合材料等材料的板狀對接或搭接的連接也是優(yōu)先選擇的焊接方法；目前，攪拌摩擦焊還成功地實現(xiàn)了不銹鋼、鈦合金甚至高溫合金的優(yōu)質(zhì)連接。 攪拌摩擦焊可以較容易實現(xiàn)異種材料的連接，例如鋁合金和不銹鋼的攪拌摩擦焊接，利用攪拌摩擦焊可以較方便的實現(xiàn)鋁－鋼板材之間的連接和銅鋁復合焊接接頭。 攪拌摩擦焊發(fā)明初期主要解決厚度1.2~6毫米的鋁合金板材焊接問題;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0.8~100mm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(shù). 攪拌摩擦焊是長、直規(guī)則焊縫（平板對接和搭接）的理想焊接方法.攪拌摩擦焊也已可以實現(xiàn)2-D、3-D結(jié)構(gòu)的焊接,如筒形零件的環(huán)縫和縱縫;可以實現(xiàn)全位置空間焊接，如水平焊、垂直焊、仰焊以及任意位置和角度的軌道焊。圖2示出了多種典型的攪拌摩擦焊接頭形式，如多層對接、多層搭接、T形接頭、V形接頭、角接等。 與傳統(tǒng)鎢極氬弧焊（TIG）和熔化極氬弧焊（MIG）焊接相比較，攪拌摩擦焊在接頭力學性能上據(jù)有明顯的優(yōu)越性。例如,對于6.4mm厚的2014-T6鋁合金，F(xiàn)SW焊接頭性能比TIG焊高16％;對于12.7毫米厚的2014-T6鋁合金，F(xiàn)SW焊接頭性能比TIG焊高22％.攪拌摩擦焊接頭性能數(shù)據(jù)一致性較好，工藝穩(wěn)定，焊接接頭質(zhì)量容易保證。 圖2　攪拌摩擦焊的接頭形式 攪拌摩擦焊接頭的疲勞性能一般都優(yōu)于熔焊接頭。1996年英國焊接研究所對6mm厚度的2014-T6、 2219-T6、5083-0 和7075-T7351等鋁合金進行了攪拌摩擦焊接頭的疲勞性能研究，結(jié)果表明攪拌摩擦焊接頭的疲勞性能優(yōu)于歐洲弧焊標準（ECCS class B3）。 2 攪拌摩擦焊在國外的發(fā)展 攪拌摩擦焊作為一種輕合金材料連接的優(yōu)選焊接技術(shù)，已經(jīng)從技術(shù)研究，邁向高層次的工程化和工業(yè)化應用階段,形成了一個新的產(chǎn)業(yè): 攪拌摩擦焊設備的制造、攪拌摩擦焊產(chǎn)品的加工.如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，攪拌摩擦焊得到了廣泛的應用,均已形成新興產(chǎn)業(yè)。 2.1攪拌摩擦焊在鋁合金結(jié)構(gòu)制造中取代傳統(tǒng)熔焊 攪拌摩擦焊已成功地實現(xiàn)了鋁合金、鎂合金構(gòu)件制造大規(guī)模的工業(yè)化應用。下面列舉一些典型的應用實例。 2.1.1 攪拌摩擦焊在船舶制造工業(yè)中的應用 早在1995年，挪威Hydro Marine Aluminium公司就將FSW技術(shù)應用于船舶結(jié)構(gòu)件的制造（見圖3），采用攪拌摩擦焊技術(shù)將普通型材拼接，制造用于造船業(yè)的寬幅型材。該焊接設備以及工藝已經(jīng)獲得Det Norske Veritas和Germanischer Lloyd的認可。從1996到1999，已經(jīng)成功焊接了1700塊船舶面板，焊縫總長度超過110km。 在造船領域,攪拌摩擦焊適用面很寬：船甲板、側(cè)板、船頭、殼體、船艙防水壁板和地板,船舶的上層鋁合金建筑結(jié)構(gòu),直升飛機起降平臺,離岸水上觀測站,船舶碼頭,水下工具和海洋運輸工具,帆船的桅桿及結(jié)構(gòu)件,船上制冷設備用的中空擠壓鋁板等。 圖3 挪威Hydro Marine Aluminium采用攪拌摩擦焊技術(shù)制造船用寬幅鋁合金型材 2.1.2 攪拌摩擦焊在航空航天工業(yè)中的應用 航空航天飛行器鋁合金結(jié)構(gòu)件，如飛機機翼壁板、運載火箭燃料儲箱等，選材多為熔焊焊接性較差的2000及7000系列鋁合金材料，而攪拌摩擦焊可以實現(xiàn)這些系列鋁合金的優(yōu)質(zhì)連接,國外已經(jīng)在飛機、火箭等宇航飛行器上得到應用。 采用攪拌摩擦焊提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本，對航空航天工業(yè)來說有著明顯的經(jīng)濟效益。波音公司首先在加州的HuntingtonBeach工廠將攪拌摩擦焊應用于Delta II運載火箭4.8米高的中間艙段的制造（縱縫，厚度22.22毫米 ，2014鋁合金），該運載火箭于1999年8月17日成功發(fā)射升空。2001年4月7日，“火星探索號”發(fā)射升空，采用攪拌摩擦焊技術(shù)，壓力貯箱焊縫接頭強度提高了30％, 攪拌摩擦焊制造技術(shù)首次在壓力結(jié)構(gòu)件上得到可靠地應用。 波音公司在阿拉巴馬州的Decatur工廠將攪拌摩擦焊技術(shù)用于制造DeltaⅣ運載火箭中心助推器。DeltaⅣ運載火箭貯箱直徑為5m,材料改為2219-T87鋁合金。到2002年4月為止，攪拌摩擦焊已成功焊接了2100m無缺陷焊縫應用于Delta II火箭，1200m無缺陷焊縫應用于Delta IV火箭。采用攪拌摩擦焊節(jié)約了60％的成本，制造周期由23天降低為6天。 歐洲Fokker宇航公司將攪拌摩擦焊技術(shù)用于Ariane 5發(fā)動機主承力框的制造（圖4），承力框的材料為7075-T7351，主體結(jié)構(gòu)由12塊整體加工的帶翼狀加強的平板連接而成，結(jié)構(gòu)制造中用攪拌摩擦焊代替了螺栓連接，為零件之間的連接和裝配提供了較大的裕度，并可減輕結(jié)構(gòu)重量，提高生產(chǎn)效率。 圖4 歐洲Fokker Space公司采用FSW制造Ariane 5發(fā)動機主承力框 目前，攪拌摩擦焊在飛機制造領域的開發(fā)和應用還處于驗證階段，主要利用FSW實現(xiàn)飛機蒙皮和衍樑、筋條、加強件之間的連接，框架之間的連接、飛機預成型件的安裝、飛機壁板和地板的焊接、飛機結(jié)構(gòu)件和蒙皮的在役修理等，這些方面的攪拌摩擦焊制造已經(jīng)在軍用和民用飛機上得到驗證飛行和部分應用。另外波音公司還成功地實現(xiàn)了飛機起落架艙門復雜曲線的攪拌摩擦焊焊接。 美國Eclipse飛機制造公司斥資3億美元用于攪拌摩擦焊的飛機制造計劃，其制造的第一架攪拌摩擦焊商用噴氣客機（Eclipse500）（圖5）于2002年8月在美國進行了首飛測試。其機身蒙皮、翼肋、弦狀支撐、飛機地板以及結(jié)構(gòu)件的裝配等鉚接工序均由攪拌摩擦焊替代，提高了生產(chǎn)效率、節(jié)約了制造成本并且減輕了機身重量。 圖5 Eclipse 500型商用噴氣客機的攪拌摩擦焊焊接構(gòu)件之一 攪拌摩擦焊在航空航天業(yè)的應用主要在以下幾個方面：機翼、機身、尾翼；飛機油箱；飛機外掛燃料箱；運載火箭、航天飛機的低溫燃料筒；軍用和科學研究火箭和導彈；熔焊結(jié)構(gòu)件的修理等。 2.1.3 攪拌摩擦焊在軌道交通及陸路交通工業(yè)中應用 在軌道交通行業(yè)，隨著列車速度的不斷提高，對列車減輕自重,提高接頭強度及結(jié)構(gòu)安全性要求越來越高。高速列車用鋁合金擠壓型材的連接方式，成為了制約發(fā)展的主導因素。由于攪拌摩擦焊焊接接頭強度優(yōu)于MIG焊焊接接頭，并且缺陷率低，節(jié)約成本，所以目前高速列車的制造,采用攪拌摩擦焊技術(shù)，已成為主流趨勢。在該領域,比較典型的為日本日立公司，在做單層和雙層擠壓型材件連接時都采用了攪拌摩擦焊技術(shù)，用于市郊列車和快速列車車輛的制造。 日本輕金屬公司已將FSW工藝用于地鐵車輛，采用這種工藝制造的工件長度已經(jīng)超過了3km，接頭質(zhì)量良好。由住友輕金屬公司生產(chǎn)的擠壓型材FSW焊接拼板,用于日本新干線車輛的制造（圖6左），車輛時速可達285 km/h。 法國的Alstom公司將攪拌摩擦焊應用于列車頂板的連接（圖6右）。 圖6 左：日本住友輕金屬公司FSW生產(chǎn)的新干線列車壁板；右：法國阿爾斯通FSW制造的列車車頂 目前,與軌道車輛相關(guān)方面的攪拌摩擦焊應用包括：高速列車箱體型材連接；油罐車及貨物列車箱體連接；集裝箱箱體；鐵軌以及地下滾動托盤。 2.1.4 攪拌摩擦焊在汽車工業(yè)中應用 為了提高運載能力和速度，汽車制造呈現(xiàn)出材料多樣化、輕量化、高強度化的發(fā)展趨勢，鋁合金、鎂合金等輕質(zhì)合金材料所占的比重越來越大，相應的結(jié)構(gòu)以及接頭形式都在設法改進。攪拌摩擦焊技術(shù)的發(fā)明恰好滿足了這種新材料、新結(jié)構(gòu)對新型連接技術(shù)的需求。挪威Hydro公司采用攪拌摩擦焊技術(shù)制造汽車輪轂，將鑄造或鍛造的中心零件與鍛鋁制造的輻條連接起來，以獲得良好的載荷傳遞性能并減輕重量。 美國Tower汽車公司采用攪拌摩擦焊制造汽車用懸掛連接臂,取得了很大經(jīng)濟效益。攪拌摩擦焊。另外，該公司還將攪拌摩擦焊技術(shù)用于縫合不等厚板坯料(Tailored welded blanks)的制造;采用縫合坯料,在優(yōu)化結(jié)構(gòu)強度和剛度設計的同時,既大大減少了汽車制造中模具的數(shù)量,又縮短了工藝流程。 目前攪拌摩擦焊在汽車制造工業(yè)中的應用主要為：發(fā)動機引擎和汽車底盤車身支架；汽車輪轂；液壓成型管附件；汽車車門預成型件；轎車車體空間框架；卡車車體；載貨車的尾部升降平臺汽車起重器；汽車燃料箱；旅行車車體；公共汽車和機場運輸車；摩托車和自行車框架；鋁合金電梯；逃生交通工具；鋁合金汽車修理；鎂合金和鋁合金的連接。 攪拌摩擦點焊(FSSW)的研究與技術(shù)開發(fā),是汽車制造工業(yè)中的一個新熱點. 2.1.5攪拌摩擦焊在其他工業(yè)中的應用 攪拌摩擦焊成功地解決了輕合金金屬的連接難題，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。 如在兵器工業(yè)，攪拌摩擦焊成功實現(xiàn)了坦克、裝甲車的主體結(jié)構(gòu)和防護裝甲板的制造;在建筑行業(yè),攪拌摩擦焊在民用建筑工業(yè)的應用主要為：鋁合金橋梁,鋁合金、銅合金、鎂合金裝飾板,門窗框架,鋁合金管線,電廠和化學工廠的鋁合金反應器,熱交換器,中央空調(diào),管狀結(jié)構(gòu)件制造等。在電力行業(yè),攪拌摩擦焊的應用主要為：發(fā)動機殼體,電器連接件,電器封裝等。在家電行業(yè),,主要應用為：冰箱散熱板,廚房電器和設備,“白色”家用物品和工具,天然氣、液化氣儲箱和容器,金屬家具等。 三、研究內(nèi)容 機械系統(tǒng)設計分為四個部分： （1）X-Y平臺設計； （2）升降臺設計； （3）主軸箱設計； （4）外形尺寸設計。 四、目標、主要特色及工作進度 目標 1.了解C型攪拌摩擦焊機工作原理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 2.根據(jù)主要技術(shù)參數(shù)設計C型攪拌摩擦焊機的機械結(jié)構(gòu) 特色 1. 高度一致的焊接質(zhì)量，無需要高的操作技能和訓練 2. 單面焊接的厚度為1.6—15mm 3. 焊接接口部位只需要去油處理，無需打磨或洗涮 4. 不需焊絲和保護氣氛 5. 節(jié)省能源 6. 焊接表面平整，不變形，無焊縫突起和汗滴，無需后續(xù)處理 7. 無電弧、無磁沖擊、閃光、輻射、煙霧和異味，不影響其他電氣設備使用，綠色環(huán)保 8. 焊接溫度低于合金的熔點，焊縫無孔洞、裂紋和元素燒損 畢業(yè)設計（論文）的工作進度 1．收集有關(guān)資料，寫出開題報告； 1周—2周 2．外文翻譯(6000字符以上) ； 3周 3．分析與研究：了解現(xiàn)有類似設備，制訂設備總體方案。 4周—5周 4．傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計。 6周—9周 5．主要零部件的設計與尺寸計算。 10周—14周 6．撰寫畢業(yè)論文一份 15周—16周 7．畢業(yè)設計審查、畢業(yè)答辯 17周 參考文獻 1 戴曙主編　《金屬切削機床設計》　 機械工業(yè)出版社 2 江耕華主編《機械傳動設計手冊》　 煤碳工業(yè)出版社 3 鄭堤等主編《機電一體化設計基礎》 機械工業(yè)出版社 4數(shù)字化手冊系列（軟件版）編寫委員會《機械設計手冊（軟件版）》R2.0　　 機械工業(yè)出版社 5 李洪主編　　《機械制造工藝金屬切削機床設計指導手冊》　 東北工學院出版社 6范云漲、陳兆年主編《金屬切削機床設計簡明手冊》　 機械工業(yè)出版社 7《機床設計手冊》編寫組主編 機械工業(yè)出版社 8 鞏云鵬等主編《機械設計課程設計》　 東北大學出版社