1、南 昌 航 空 大 学 科 技 学 院 毕 业 设 计 论 文 - - 1 C 型搅拌摩擦焊机机械结构设计 前言 一项新兴额金属加工技术自方法发明、原理验证、技术改进到工业化推广应用一般要经历几十年甚至更长的时间。焊接技术也是一样，如钎焊、电弧焊、激光焊、电子束焊等都精力了类似的过程。但是搅拌焊不同， 1991 年英国焊接研究所（ The welding Institute-TWI） 发明了搅拌摩擦焊 (Friction Stir Welding，简称 FSW)，伺候搅拌摩擦焊以任何一种焊接方法无可比拟的发展速度，迅速走出实验室，在国际工业制造领域（船舶、轨道列车、航空、航天、汽车、兵器电子电
2、力 等）得到大规模工程化应用。作为一项创新的固相连接方法，搅拌摩擦焊正在大步取代传统铝合金焊接方法，在铝合金结构制造及铝型材加工领域，迎来革命性的跨时代发展。 南 昌 航 空 大 学 科 技 学 院 毕 业 设 计 论 文 - - 2 1. 搅拌摩擦焊简介 1.1 搅拌摩擦焊 概述 FSW 是一种固体连接工艺。在该工艺中，带仿形细杆的割肩刀具插入材料两工件间的结合线中，在抗磨细杆和两工件之间产生摩擦热，将其相互对接在一起，并将抗磨细杆固定在托杆上。 热量导致材料软化，没有达到熔点，使抗磨细杆能沿着接头移动。象这样，工具向前动动，材料被在旋转细杆前面的摩擦热增塑，并传递到背面，在这里，压实并冷却
3、，形成固态焊缝。 （图 1 1） （图 1 2） 南 昌 航 空 大 学 科 技 学 院 毕 业 设 计 论 文 - - 3 （图 1 3） 焊接质量 使用搅拌摩擦焊接，可得到与熔焊相似的、极好的焊接质量。固相焊缝的压实、颤动和锻压作用，形成的焊缝有比基体材料更细密的显微组织。这些焊缝抗拉强度可达到基体材料的 90%，且疲劳性能与基体材料相似，而具有代表性的熔焊接头疲劳性能只能达到基体材料的60%。搅拌摩擦焊接也可用于全位置（横、立、仰焊和轨迹焊）。因为是固态焊接工艺，对人没有危险性的影响。 搅拌摩擦焊机可买到下列组合的设备： 多轴式、移动式龙门架、 手提式和机器人。 适合于搅拌摩擦焊接接头的
4、几何形状有： a 平板对接 b 对接和搭接组合 c 单层搭接 d 多层搭接 e 三件 T形对接 f 两件 T形对接 g 边缘对接 h 可以接受的拐角焊缝 （图14ah） 南 昌 航 空 大 学 科 技 学 院 毕 业 设 计 论 文 - - 4 （图 1 5 搅拌摩擦焊的工作情况） （图 1 6 由搅拌摩擦焊焊接的管类零件） 1.2 搅拌摩擦焊的特点介绍 1991 年搅拌摩擦焊技术由英国焊接研究所 (The Welding Institute, TWI)发明，作为一种固相连接手段，它克服 了以往熔焊的诸如气孔、裂纹、变形等缺点，更使得以往通过传统熔焊手段无法实现焊接的材料可以采用 FSW 实现
5、焊接，被誉为 “继激光焊后又一革命性的焊接技术 ”。 FSW 主要由搅拌头的摩擦热和机械挤压的联合作用下形成接头，其主要原理和特点 如下： 焊接时，欲搭接或者对接的工件相对放置在垫板上，为了防止在施焊时工件被搅拌头推开，应加以约束。施焊工具主要是搅拌头。焊接南 昌 航 空 大 学 科 技 学 院 毕 业 设 计 论 文 - - 5 时旋转的搅拌头缓缓进入焊缝，在与工件表面接触时通过摩擦生热使得该处金属软化，在顶压力的作用下，指棒进入到工件内部，在高速旋转下使得搅拌头周围的一层金属塑性化。同 时，在肩轴端面的包拢下搅拌头沿焊接方向移动形成焊缝。焊缝的深度由指棒的插入深度决定。在焊接过程中主要的产
6、热体是指棒和轴肩。在焊接薄板时，轴肩和工件的摩擦是主要的热量来源。 作为一种固相连接手段，搅拌摩擦焊除了可以焊接用普通熔焊方法难以焊接的材料外（例如可以实现用熔焊难以保证质量的裂纹敏感性强的 7000、 2000 系列铝合金的高质量连接）， FSW 还具有以下优点： 温度低，所以变形小（即使是长焊缝也是如此）； 接头机械性能好 (包括疲劳、拉伸、弯曲 )，不产生类似熔焊接头的铸造组织缺陷，并且其组 织由于塑性流动 而细化。 与其它焊接方法相比，焊接变形小，调整、返修频率低，某航空发动机 FSW 的缺陷发生率低，传统熔焊时每焊接 8.4m，产生一个缺陷，而 FSW 时在焊接长度为 76.2m时，
7、才仅出现一个缺陷。由此可以使成本降低 60%。 焊前及焊后处理简单，焊接过程中的摩擦和搅拌可以有效去除焊件表面氧化膜及附着杂质。而且焊接过程中不需要保护气体、焊条及焊料。 能够进行全位置的焊接； 适应性好，效率高； 操作简单； 焊接过程中无烟尘、辐射、飞溅、噪音及弧光等有害物质产生，是一种环保型工艺方法。 南 昌 航 空 大 学 科 技 学 院 毕 业 设 计 论 文 - - 6 尤其值得指出的是， 搅拌摩擦焊所具有适合于自动化和机器人操作的优点，诸如：不需要填丝、保护气（对于铝合金）、可以允许有薄的氧化膜、对于批量生产，不需要进行打磨、刮擦之类的表面处理非损耗的工具头、一个典型的工具头就可以
8、用来焊接 6000 系列的铝合金达 1000 米等 . 南 昌 航 空 大 学 科 技 学 院 毕 业 设 计 论 文 - - 7 2. C 型搅拌摩擦焊机 机械结构 设计 机械系统设计分为四个部分： （ 1） X-Y 平台设计； （ 2）升降台设计； （ 3）主轴箱设计； （ 4）外形尺寸设计。 2.1（一） X-Y平台设计 ： 2.1.1X-Y 平台外形尺寸及重量估算 Y 向拖板（上拖板）尺寸：长宽高 ： 900 600 55 重量：按重量体积材料比重估算 N323 10317.2108.71055600900 ； X 向拖板（下拖板）尺寸： 1771 700 55 重量： N310318
9、.5 ； 导轨及滑块重量查表得： 38.64kg 380N； 夹具及工件重量：约 160N； 步进电动机： 15.8N; 底座： 1427 900 55 重量 5.51 310 N； X-Y平台总重量：约 1.372 410 N。 搅拌头向下的压力及行走抗力的计算：（略）压力 p 690N，行走抗力 Hp = FP 224N。 2.1.2.平台导轨选用直线导轨 型号 BRHxxB & BRHxxBL 南 昌 航 空 大 学 科 技 学 院 毕 业 设 计 论 文 - - 8 图 2 1 经计算，选用 BRH30B 型直线导轨。南 昌 航 空 大 学 科 技 学 院 毕 业 设 计 论 文 -
10、- 9 2.1.3 滚珠丝杠的设计计算 滚珠丝杠的负荷包括摩擦力及焊接行走抗力。 （ 1）最大动负荷 Q的计算 PffLQ Hw3 查表得系数 wf 2， Hf 1，寿命值 L= 61060nT 查表得使用寿命时间 T 1500h，初选丝杠螺距 t=5mm，的丝杠转速m in )/(1005 5.010001000 m a x rtVn 所以 L 9010 1500100606 Y 向丝杠牵引力：2 1 . 4 4 2 2 4 1 . 4 4 0 . 0 1 ( 2 3 1 7 1 6 0 ) 2 6 0 ( )y x yP P f G N 当 X 向丝杠牵引力：2 1 . 4 4 2 2 4
11、 1 . 4 4 0 . 0 1 ( 1 3 2 0 0 5 5 1 0 ) 3 3 5 ( )x x xP P f G N 当 所以最大动负荷 Y 向 3 9 0 2 1 2 6 0 2 3 3 0 ( )yQN X 向 3 9 0 2 1 3 3 5 3 0 0 3 ( )x 查表，取滚珠丝杠公称直径 0.20 d ，选用滚珠丝杠螺母副的型号为 LL20 5-2.5-E2 左（两只），其额定动载荷为 8630N，足够用。 南 昌 航 空 大 学 科 技 学 院 毕 业 设 计 论 文 - - 10 （ 2）滚珠丝杠副的几何参数计算 见下表： 表 2 3 名称 符号 计算公式和结果（ mm）
12、 螺纹滚道 公称直径 0d 20 螺距 t 5 接触角 45。 钢球直径 da 3.175 螺纹滚道法面半径 R R=0.52 da =1.615 偏心距 e ( / 2 ) s i n 0 .0 4 4 9ae R d 螺纹升角 =arctg0td =433。， 螺杆 螺纹外径 d D= 0d (0.20.25) da =19.302 螺纹内径 dt dt = 0d 2e 2R=16.79 螺杆接触直径 dz dz 0d da cos =17.76 螺母 螺母螺纹外径 D D= 0d 2e 2R 23.21 螺母内径（外循环） D1 D1 0d +(0.2 0.25) da 20.7 （ 3）传动效率计算 4 3 3 0 . 9 6( ) ( 4 3 3 1 0 )tg tgtg tg 。，。 ， 。式中： 摩擦角； 丝杠螺纹升角。
