1、浙 江 理 工 大 学本 科 毕 业 设 计 （ 论 文 ）题 目 双搅拌轴搅拌摩擦焊机设计 学 院 机械与自动控制学院 专业班级 09 机械设计制造及其自动化（4）班 姓 名 学 号 指导教师 系 主 任 学院院长 胡旭东 二一三年五月十二日全套图纸，加 153893706浙 江 理 工 大 学机械与自动控制学院毕业设计诚信说明我谨在此保证：本人所做的毕业设计，凡引用他人的研究成果均已在参考文献或注释中列出。设计说明书与图纸均由本人独立完成，没有抄袭、剽窃他人已经发表或未发表的研究成果行为。如出现以上违反知识产权的情况，本人愿意承担相应的责任。声明人（签名）：2013 年 5 月 12 日4
2、摘 要搅拌摩擦焊技术是 90 年代发展起来的、自发明到工业应用时间跨度最短和发展最快的一项新型固相连接新技术，公认为是最有前途和最适合航空材料以及结构件制造的工艺方法之一。搅拌摩擦焊（FSW）是一个相对较新的固态焊接过程。这种连接技术具有节能，高效，环保，用途广泛的特点。特别是，它可以用于高强度航天铝合金和其他金属的合金，这些合金是很难通过常规焊接熔焊。 FSW 被认为是金属连接在十年的发展中最有标志性的成果。 6本文设计出的双搅拌轴摩擦焊焊机，总功率约 3 千瓦，适合于普通厚度的铝及其合金的工艺试验试件的焊接，搅拌摩擦头转速约 6000r/min，焊接速度为 500600mm/min，最大加
3、工焊缝厚度 15mm，焊缝长度 500mm。文中介绍了搅拌摩擦焊焊接技术的基本原理和特点，概要地介绍了搅拌摩擦焊的技术优势、研究现状、工业应用和发展前景。针对工艺试验试件搅拌摩擦焊机，主要设计、计算和校核了设备各主要部分，均能够满足试验用焊机的要求。本机器由于采用双搅拌头，因此相对于一般的搅拌摩擦焊焊机效率更高。相对于一般的搅拌摩擦焊焊机，该机器也非常的经济和容易操作。关键词：双搅拌轴摩擦焊；固相焊接；铝合金焊接；焊机设计AbstractFriction stir welding (FSW) was firstly used in the 1990s, which is swiftest in
4、 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 tech
5、nique 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
6、 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 cant exceed 15mm and len
7、gth 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
8、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 w
9、elding；Application prospect；Welding machine design目 录摘 要Abstract第 1 章 绪论 11.1 搅拌摩擦焊简介 11.2 国内外研究现状及发展趋势 21.2.1 搅拌摩擦焊技术发展历史及研究成果 .21.2.2 国内搅拌轴摩擦焊技术发展发展应用 31.2.3 搅拌摩擦焊中双搅拌轴摩擦焊技术目前的应用情况和前景 .51.3 本次设计的内容和意义 6第 2 章 双搅拌轴搅拌摩擦焊机设计 72.1 焊机的总体设计以及规划 72.2 各部件设计 82.2.1 搅拌头及夹具设计 82.2.2 搅拌系统功率计算 92.2.3 搅拌系统传动齿轮设计
10、 .112.2.4 搅拌轴的设计 .152.2.5 搅拌系统 V 带设计 .202.2.6X-Y 工作台设计 .262.2.7 传动丝杠设计 .272.2.8 减速齿轮的设计 .302.2.9 液压缸选择 .33第 3 章 AUTOCAD 与 PRO/E 软件简介 .343.1 软件简介 .343.2 三维模型 .35第 4 章 总结与展望 37参考文献 .38致 谢 39浙江理工大学本科毕业设计（论文）1第 1 章 绪论1.1 搅拌摩擦焊简介1991 年搅拌摩擦焊(Friction stir WeldingFSW)由英国焊接研究所(The Welding lnstirate-TWl)发明，这
11、项杰出的焊接技术一步一步地为世界制造技术的进步做出了巨大的贡献。自 1991 年搅拌摩擦焊(Friction stir WeldingFSW)被发明到现在，该项技术已经在国内外的众多领域出现它的身影。如今，搅拌摩擦焊焊已经在诸多制造领域（船舶、轨道列车、航天、航空、汽车、兵器、电子电力等）达到规模化、工业化的应用水平。如在船舶制造领域，在 1996 年搅拌摩擦焊就在挪威MARINE 公司成功地应用在铝台金快速舰船的甲板、侧板等结构件的流水线制造。在轨道车辆制造领域，日本 HITACHI 公司首先于 1997 年将搅拌摩擦焊技术应用于列车车体的快速低成本制造。成功实现了大壁板铝合金型材的工业化制
12、造在世界宇航制造领域搅拌摩擦焊已经成功代替熔焊实现了大型空间运载工具如运载火箭和航天飞机等的大型高强铝合金燃料贮箱的制造，波音公司的DELTA II 型和 Iv 型火箭已经全部实现了搅拌摩擦焊制造 t 并于 1999 年首次成功发射升空。2000 年世界汽车工业，如美国 TOWER 汽车公司等就利用搅拌摩擦焊实现了汽车悬挂支架、轻合金车轮、防撞缓冲器、发动机安装支架以及铝合金车身的焊接。2002 年 8 月，美国月蚀航空公司利用 FSW 技术研制出了全搅拌摩擦焊轻型商用飞机，并且首次试飞成功 7。至2004年9月，全世界约有130家各个行业的公司和大学、研究机构获得了英国焊接研究所授权的搅拌摩
13、擦焊非独占性专利许可。英国、美国、法国、德国、瑞典、日本和中国等先后获得了该专利的使用权。至今为止我国先后已经有二十多家单位。获得了该项专利的使用权 8。双搅拌轴摩擦焊缝技术作为搅拌摩擦焊技术的一种，它的最大特点就是可以提高生产效率。同时，它也可以使得焊缝区域更大，焊接质量更高。目前存在的双搅拌轴一般采用两个转动相反的搅拌头同时进行焊接。双搅拌轴搅拌摩擦焊机设计2在不久的将来，搅拌摩擦焊技术将会一直以任何一种焊接方法无法比拟的速度发展，在更多的领域发挥着它的作用。1.2 国内外研究现状及发展趋势1.2.1 搅拌摩擦焊技术发展历史及研究成果搅拌摩擦焊在其发明初期主要解决厚度1.2毫米的铝合金板材
14、焊接问题；1996年，用FSW技术解决了612毫米的铝、镁、铜合金的连接1997年实现了12-25毫米厚铝合金板的搅拌摩擦焊并且在宇航结构件上得到应用。1999年搅拌摩擦焊可以焊接50毫米厚的铜合金及75毫米厚度的铝合金零件和产品。2004年，英国焊接研究所已经能够单道单面实现100毫米厚铝合金板材的搅拌摩擦焊。迄今，在材料的厚度上，单道焊可以实现厚度为0.8100mm铝合金材料的焊接：双道焊可以焊接180mm厚的对接板材。最近，又开发了可以连接0.4mm铝板的微型搅拌摩擦焊技术 9。搅拌摩擦作为一种优选焊接技术，已经在从技术研究向高层次的工程化和工业化应用阶段发展。就拿国外的例子来说：在美国
15、的宇航制造工业、北欧的船舶制造工业、日本的高速列车制造等制造领域 10。总之搅拌摩擦焊已经广泛地涉及到了在船舶制造工业、航空航天工业、轨道交通及陆路交通工业、汽车工业以及兵器、建筑、电力、能源、家电等工业。搅拌摩擦在今年来取得的成就主要可以从以下几方面来体现：（1）搅拌摩擦焊在船舶制造工业上的应用目前搅拌摩擦焊在船用铝合金的焊接方面研究应用较多，几乎可以焊接所有系列的铝合金材料，另外，搅拌摩擦焊也可以实现铝合金与铜合金、铝合金与镁合金等不同材料的焊接。搅拌摩擦焊与普通摩擦焊相比，因不受轴类零件的限制，可焊接直焊缝、角焊缝。传统焊接工艺焊接铝合金时要求对表面进行去除氧化膜处理，并要求在48 h内
16、进行焊接，而搅拌摩擦焊工艺只要在焊前去除油污即可，并对装配要求不高。因此，搅拌摩擦焊是船用铝合金结构首选的连接技术。浙江理工大学本科毕业设计（论文）3（2）搅拌摩擦焊在航天航空工业上的应用以英国焊接研究所、波音、空客以及美国月蚀公司为代表的搅拌摩擦焊技术开发和应用的先锋已经取得了丰硕的成果。近期的研究结果表明搅拌摩擦焊可以在飞机机翼结构、翼盒结构、机身结构、舱门结构、裙翼结构、机舱气密隔板以及货物装卸结构等方面得到应用 11。（3）搅拌摩擦焊在高速列车铝合金焊接的应用在搅拌摩擦焊出现后，搅拌摩擦焊由于是一种无需外加焊接材料的焊接方法，因此没有熔化焊接时选择焊接材料的困难，也节省了焊材费用。更重
17、要的是没有熔化焊接凝固时的一次结晶过程，克服了焊接高强铝合金时的结晶裂纹、气孔和夹杂倾向，不会产生焊缝塌陷问题，也不会形成焊缝铸造组织和低强区。因此搅拌摩擦取代了先前的熔化焊，成为焊接高速列车时优先选择的焊接方法。（4）搅拌摩擦焊在其他领域的应用搅拌摩擦焊除了上述3个领域外，还在轨道交通及陆路交通工业、汽车工业在兵器、建筑、电力、能源、家电等工业中的应用也越来越广泛。而且都取得了或多或少的成就。1.2.2 国内搅拌轴摩擦焊技术发展发展应用 2002 年，北京航空制造工程研究所与英国焊接研究所正式签署搅拌摩擦焊专利许可协议，并在技术合作的基础上成立了中国搅拌摩擦焊中心。中国搅拌摩擦焊中心的成立标
18、志着搅拌摩擦焊技术正式登陆中国。中国搅拌摩擦焊中心全权代表英国焊接研究所，发售和管理中国地区(包括香港、澳门和台湾)的搅拌摩擦焊技术专利许可，从此为搅拌摩擦焊技术在中国地区的发展、推广和工业化应用打开了大门 12。双搅拌轴搅拌摩擦焊机设计4图 1-1 采用搅拌摩擦焊焊接的铝合金材壁机图 1-2 搅拌摩擦加工技术的发展 自搅拌摩擦焊进入国内后，较快的运用于我国工业上的许多领域（船舶制造行业、航天制造工业、轨道交通行业等） 。搅拌摩擦焊在国内的应用现状，主要通过船舶制造行业、航天制造工业两方面来介绍。首先在船舶制造行业，2006 年 4 月，我国设计制造了国内第一台用于大型船用型材料拼焊的搅拌摩擦
19、焊设备，此后，中国搅拌摩擦焊中心大力发展铝合金型材壁板的搅拌摩擦焊制造。其次，搅拌摩擦焊在航天制造工业也发挥着重大的作用。目前，国内对于 2000 系列、7000 系列以及铝锂合金的材料制成的太空交通运载工具都优先采用搅拌摩擦焊。中国搅拌摩擦焊中心于十五期间重点对航天运载火箭搅拌摩擦焊开展了系统的科研攻关，国内的航天制造工业企业也积极采用了搅拌摩擦焊技术。 除却上述的两个领域外，搅拌摩擦焊在国内还广泛应用于汽车制造业、轨道交通行业、电子电力能源行业。上图 1-2 为搅拌摩擦焊在国内的发展趋势。随着搅拌摩擦焊研究、技术开发与应用推广的不断深入，基于搅拌摩擦的基本原理形成了材料链接、材料改姓、材料
20、成行等多种材料加工方法。总之，在中国，搅拌摩擦焊的研究、开发和推广应用才刚刚起步，在市场化的环境下，通过引进、消化、吸收和技术创新，搅拌摩擦得到了快速发浙江理工大学本科毕业设计（论文）5展，尤其在航空、航天等领域、在国家政策和项目的支持下，搅拌摩擦焊必将在我国其他工业领域得到较快的推广。1.2.3 搅拌摩擦焊中双搅拌轴摩擦焊技术目前的应用情况和前景（1）双搅拌轴摩擦焊技术的工作原理在提及双搅拌轴摩擦焊缝技术的工作原理前，我们先讲讲搅拌摩擦焊的工作原理：搅拌摩擦焊过程中，一个柱形带特殊轴肩和针凸的搅拌头旋转着缓慢插入被焊接工件，搅拌头和被焊接材料之间的摩擦剪切阻力产生了摩擦热，使搅拌头邻近区域的
21、材料热塑化(焊接温度一般不会达到和超过被焊接材料的熔点)，当搅拌头旋转着向前移动时，热塑化的金属材料从搅拌头的前沿向后沿转移，并且在搅拌头轴肩与工件表层摩擦产热和锻压共同作用下，形成致密固相连接 6。相对于搅拌摩擦焊的工作原理，双搅拌摩擦焊缝为采用两个转动相反的搅拌头同时进行焊接，由于两个搅拌头转动方向相反，产生的工作扭矩因相互抵消而减弱，焊接过程中采用较小的侧向装夹力就能实现可靠的连接。在双搅拌头复杂的机械力和摩擦热的作用下，塑性金属的流动、焊接温度场、应力应变场都将受到影响，这会对焊件性能产生很大的影响。虽然两者看起来是十分的相似，无非是多了一个搅拌轴，但是双搅拌轴摩擦焊相对于搅拌摩擦焊有
22、以下优点：（a）可以得到比搅拌摩擦焊更宽的焊缝区域；（b）焊接质量更高；（c）两个搅拌头同时焊接可以产生更多的热量，该方法可以运用于钢及其他高温合金搅拌摩擦焊中；（d）可以确保在较小的扭矩下实现材料的可靠连接， （e）生产效率更高。目前双搅拌轴摩擦焊有以下几种：平行并列式双头(Parallel Twin-stir)搅拌摩擦焊、前后交错排列式双头(Staggered Twin-stir)搅拌摩擦焊、前后一字排列式双头(Tandem Twin-stir)搅拌摩擦焊。（2）双搅拌轴摩擦焊技术取得得成就TWI采用双搅拌轴进行了双头搅拌摩擦焊焊接，试验中得出了在6mm厚6082-T6铝合金一字排列式双头
23、搅拌摩擦焊搭接接头中，无论前进侧还是后退侧的焊缝区域残留氧化物均有所减少，前后交错排列式双头搅拌摩擦焊3mm厚双搅拌轴搅拌摩擦焊机设计65083-H111铝合金搭接接头的金相分析表明，焊接区域尺寸可达板厚度的4.3倍。在一系列的试验后，事实证明了双搅拌轴摩擦焊的优点远远大于其不足之处。多头系统可以确保在较小的扭矩下实现材料的可靠连接。采用 前后交错排列式双头搅拌摩擦焊工艺，用于材料加工和搭接焊具有独特优势，而且可以在更大的对接间隙下实现对接接头的可靠连接 7。由此，在接下来的几年内，双搅拌轴摩擦焊技术将会得到越来越广泛的应用于各个领域。1.3 本次设计的内容和意义通过对相关资料、文献的查找，获
24、得相关资料，了解双搅拌摩擦焊焊接原理及相关工艺，了解其的应用范围，了解双搅拌摩擦焊在焊接中的优势，了解双搅拌轴摩擦焊的研究现状和在工业中的应用，以及搅拌摩擦焊的发展前景。参照已有的双搅拌轴摩擦焊技术设计相关资料，设计一台能焊接焊缝厚度为15mm，焊缝长度为 500mm 的双搅拌轴摩擦焊实验用焊机。在写设计说明书的过程中，要求对关键部位的设计写得比较详细、具体，并校核该实验用焊机的各主要部分。浙江理工大学本科毕业设计（论文）7第 2 章 双搅拌轴搅拌摩擦焊机设计本章讲述双搅拌轴搅拌摩擦焊焊机的重要部分的设计计算过程。主要包括以下几方面：焊机的总体设计、搅拌系统的设计（主要讲双搅拌轴的设计以及搅拌
25、系统的传动系统） 、伺服系统的设计（主要为工作台的设计） 。此搅拌摩擦焊焊机，搅拌摩擦头转速约 6000r/min，焊接速度 500600mm/min，最大加工焊缝厚度 15mm，焊缝长度 500mm，总功率约 4000 瓦左右。此机器主要使用于普通的铝及其合金，该焊机由于是双轴的，可以双件同时加工，大大提高了生产效率。2.1 焊机的总体设计以及规划此双搅拌轴摩擦焊缝焊机由于为双轴，所以采取双件生产。为了使得该机器更加经济使用，所以采用一般的 A3 钢焊接结构。以下是此焊机的一些整体结构的规划，首先工作台平面约离地面高越 1300mm，焊机总高度约 1750mm（适合于工作人员的操作）总长度约
26、 1400mm，工作台面长度约 1000mm，宽度约800mm，工作台上下移动约 80mm。机头高度约为 200mm，搅拌轴中心距机体约500mm。工作台箱体总长约 1000mm，高度约 400mm。考虑到及其的中提美观，将伺服系统的传动部分放入工作台的箱体内。同理，液压推动系统也将放于工作台的箱体内，便于液压推动过程中将工作台垂直向上推动。为了便于该系统的维修和检测，在起前方开一个天窗便于维修时的操作。电气控制部分将放于及其的左后下方（此部分不再本次设计范围内） 。搅拌系统的电机放在电机座上，然后再将电机座固定在机体上，调整电机座在机体上的位置就可以调整 V 带轮中心距。为了方便观察，在集体
27、后方开一个观察窗口，便于机器的维修和检测。工作台箱体正面的左方将放置一个控制台，操作起来很方便。以上便是本台机器的整体布局的规划。双搅拌轴搅拌摩擦焊机设计82.2 各部件设计2.2.1 搅拌头及夹具设计搅拌头是搅拌摩擦焊技术的关键，由特殊形状的搅拌焊针和轴肩组成，轴肩直径大于搅拌焊针直径。搅拌焊针用具有良好耐高温力学和物理特性的抗摩损材料制造，并进行表面处理。对于不同厚度的板所用的搅拌摩擦头不同，方便搅拌头的更换，夹持部分采用螺纹联接，夹持部分为 M12，长度为 L=15mm，焊针直径 D=310mm，焊针做成特殊的螺旋状，加大了焊针与工件的接触面积，同时也有利于被焊金属的搅动，如图 2-1
28、所示。轴肩半径为焊针直径的三倍 17，肩部直径为 D=930mm，轴肩采用如图 2-2 所示的图案，有利于轴肩与塑化材料紧密地结合在一起，这样也提高了轴肩与焊件表面的接触面积，同时也提高了焊接时的闭合性，从而可以防止塑化的材料在搅拌头旋转时喷射出去。各型号搅拌摩擦头的参数见表 2-1。图 2-1 焊针示意图 图 2-2 轴肩示意图表 2-1 搅拌摩擦头参数及焊缝截面积板厚（mm） 焊针直径 （mm） 焊针长度 （mm） 轴肩直径 d(mm) 角度（度） 焊缝断面积 mm215 8 14 24 8 24010 6 9 18 6 1205 5 45 15 4 503 3 28 9 2 18浙江理工
29、大学本科毕业设计（论文）9搅拌头夹具用于联接搅拌头和搅拌轴，其具体结构如图 2-3 所示。图 2-3 搅拌头夹具2.2.2 搅拌系统功率计算查资料得到铝合金在焊接时的需要的最高温升为 600，本机器主要设计成适合于 15mm 一下的，焊缝截面积约为 240mm2,焊速约为 500mm/min，由于热传递和热量损失，设能量利用率约为 50%，则单位时间内焊缝温升部分体积为：2x240x500=240000mm3 （由于本机器为双轴，则需要将截面面积加倍） ，能量计算公式为 18 （2-1）VTCE式中：C比热容（J/kg K）T温度变化值（）V体积（m 3）密度（kg/m 3）效率E能量（J）查
30、得铝的各项参数如下 23=2700Kg/m 3，C=904.3J/KgK由式（2-1）单位时间内需要能量为 min/895.7%027102460.99 KJE由于该机器为双轴，则功率为： WP.685.选用伺服电机 SM-150-230-20LFB（额定转速 2000r/min，长度 L=60mm，额定扭矩 2.3NB）双搅拌轴搅拌摩擦焊机设计10搅拌摩擦焊焊机输入工件的总功率为 16（2-2）)(451022rFnN式中：N输入工件总的热功率（J）n搅拌摩擦头的转速（r/min）摩擦系数F工件上压力（N）r0、r 1焊头轴肩和焊针的半径（mm）因为单位时间内输入工件的能量与总功率相等，在单
31、位时间内则有（2-3）NE查得铝与钢的摩擦系数为 0.1718 ，由式（2-2） 、 （2-3）得)142(5)287952FnF=84.7N则两个搅拌头向前移动阻力为 NF4.1阻由此可以得出对于不同板厚的材料在焊接时的压力和焊接速度，见表 2-2。表 2-2 不同板厚在焊接时的压力和焊速板厚 mm 焊缝截面积 mm2 压力 N 焊速 mm/min15 240 84.7 50010 120 84.7 10005 50 60 15003 18 60 20002.2.3 搅拌系统传动齿轮设计传递功率 ，转速 ， （为了方便设计和选材，把双KWP9.2min/60rn搅拌头的传动齿轮设计成传动比为
32、 1 的三个齿轮） ，则齿数比 。1齿 1u浙江理工大学本科毕业设计（论文）111选择齿轮材料为了便于制造，采用软齿面齿轮，查表得，大齿轮采用 45 钢正火处理，170210HBS，小齿轮采用 45 钢调质处理，217255HBS。2按齿面接触强度设计一对钢制外啮合齿轮设计公式为（2-4）)(1)67(321 mKTuddH（1）计算小齿轮传递的转矩 )(461509.215.9105.966 NnPT （2）选择齿轮齿数 ，则实际传动比为8z齿i传动比误差为 0%1i（3）转速不高，功率不大，选择齿轮精度为 8 级（4）载荷平稳，对称布局，轴的钢度较大，查表 2-4 取 K=1.5表 2-4
33、 载荷综合系数 K工作机 均匀平稳 轻微振动 中等振动结构布局 对称 非对称 对称 非对称 对称 非对称均匀平稳 1.21.3 1.21.5 1.51.6 1.51.9 1.81.9 1.92.2轻微振动 1.31.4 1.41.7 1.61.8 1.72 1.92.1 22.4原动机 中等振动 1.51.6 1.61.9 1.92.1 1.92.2 2.12.3 2.22.6表 2-5 齿宽系数齿面硬度齿轮相对于轴承的位置软齿面 硬齿面对称 0.81.4 0.40.9非对称布置 0.61.2 0.30.6（5）查表 2-5 取齿宽系数 1d双搅拌轴搅拌摩擦焊机设计12（6）确定许用接触应力查
34、得 2/380minNH查表 2-6 得 5.1iS表 2-6 最小安全系数 SHmin和 SHmin齿轮传动装置的重要性 SHmin SHmin一般 1 1齿轮损坏会引起严重后果 1.25 1.5对于长期工作的齿轮， H可按下式计算（2-5）minS由式（2-5）得2/30425.18NH（7）计算齿轮分度圆直径由式（2-4）得 md268.3145.)36871(2（8）计算模数 6.082.3zdm查表 2-7 取 m=1.5。表 2-7 渐开线圆柱齿轮标准模数（GB135787） 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.
35、251.5 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浙江理工大学本科毕业设计（论文）13（9）计算齿轮主要尺寸及圆周速度表 2-8 传递动力的齿轮精度（公差组）等级的选择与应用圆周速度（m/s）圆柱齿轮 锥齿轮精度等级直齿 斜齿 直齿 斜齿应用6 级 15 30 12 20 高速重载齿轮传动7 级 10 15 8 10 高速中载或中速重载的齿轮传动8 级 6 10 4 7 一般机械中对精度无特殊要求的齿轮9 级 2 4 1.5 3 低速或对精度要求低
36、的齿轮不妨取分度圆半径 d=48mmZ=D/m=96/1.5=64 中心距 mzma96)4(25.1)(21 齿轮宽度 db8圆周速度 smnV/07.1460160查表 2-8 可知能用 6 级精并选用 1 号二硫化钼锂基脂进行润滑。3校核齿根弯曲强度校核齿根弯曲强度用以下公式（2-6）/221mNzbYKTFsF（1）复合齿形系数根据 由表 2-5 查得2, 0.41s（2）确定许用应力 F。对于长期单面工作的齿轮，其齿根受脉动循环弯曲应力，此时 可按下F式计算双搅拌轴搅拌摩擦焊机设计14(2-7)minFS由图 1-7 查得 21min/530NF查表 2-6 得 ，由式（ 2-7）得
37、.iSF/3.5.1（3）式中已知 ， ， ，5.KmNT465.1mb48（4）校核计算。由式（2-6）得 222 /3.5/01.8645.18 NFF 校核计算安全。4结构设计齿轮按照表 2-9 进行设计。初步取 d=30mm，利用轴肩作轴向固定，8X22 的键作周向固定。查表 2-10 得，键 t=4.0mm，t 1=3.3mm。n 1取 1mm。表 2-9 圆柱齿轮结构及尺寸 d6.1Bl)52(namzfd).(naD101)(5.0d)(201较 小 时 可 不 钻 孔dm浙江理工大学本科毕业设计（论文）15表 2-10 平键 轴 d 键 bxh公称尺寸轴 t 毂 t168 2x
38、2 2 1.2 1810 3x3 3 1.8 1.41012 4x4 4 2.5 1.81217 5x5 5 3.0 2.31722 6x6 6 3.5 2.82230 8x7 8 4.0 3.33038 10x8 10 5.0 3.33844 12x8 12 5.0 3.34450 14x9 14 5.5 3.8键长系列：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：模数 m=1.5；分度圆半径 d=48mm；齿顶圆直径 ad=99mm；齿根圆直径 f=92.25m
39、m；齿数 z=64。2.2.4 搅拌轴的设计1选择轴的材料搅拌摩擦焊机的功率 P=2.99KW，由于功率不大又无特殊要求，故搅拌轴可选用常用的 45 号钢并作正火处理。查得 。2/60mNB对于一般的传动轴，可按下式计算轴的最直径双搅拌轴搅拌摩擦焊机设计16（2-8）)(2.01593336mnPCd查表 2-12 得 C=118-107，由式（2-8）得 )(26.90.183d计算所得是最小处的轴径，不妨取 d=20mm，前端留出 M20X20 于搅拌头的夹具相连，后端也留出 M20X20，用于做轴向固定。表 2-11 按转矩计算轴用的t和 C 值轴的材料 Q235 35，Q275 45
40、40Cr,35SiMnt N/mm2 12-20 20-30 30-40 40-52C 160-135 135-118 118-107 107-982轴的结构设计图 2-4 搅拌轴示意图d1=20mm，L 1=20mm，此处用于轴的轴向固定选用 M20 螺母（GB6170-86） ，并加弹簧垫片（GB93-87） 。d2=25mm，L 2=40mm，由于该轴的转速为 6000r/min,30205 圆锥滚子轴承在脂润滑的情况下极限转速为 7000r/min,符合要求，故选择 30205 的圆锥滚子轴承。具体数据参考表格 2-12。浙江理工大学本科毕业设计（论文）17表 2-12 圆锥滚子轴承（
41、GB/T2971994）尺寸/mm极限转速r/min轴承代号d D T B C脂润滑油润滑30203 17 40 13.25 12 11 9000 1200030204 20 47 15.25 14 12 8000 1000030205 25 52 16.25 15 13 7000 900030206 30 62 17.25 16 14 6000 750030207 35 72 18.25 17 15 5300 670030208 40 80 19.25 18 16 5000 6300d3=30mm, L3=46mm，用于安装齿轮，此处开一个 8X32，t=4.0,ti=3.3 的键槽d4=3
42、6mm, L4=6mm，用于齿轮的轴向固定d5=32mm, L5=72mmd6=25mm，L 6=16mm，用于安装 30205 轴承d7=20mm，L 7=20mm，用于安装搅拌头夹具轴的总长为 220mm30206 轴承用 1 号二硫化钼锂基脂进行润滑，由表 1-13 查得，符合6000r/min 转速的要求。3轴上受力分析齿轮对轴的作用力为 ，搅拌摩擦头对轴的作用力NFQ02.164.3为 ，轴向力 ，则：NF4.1阻 a78水平面 HRF219阻阻双搅拌轴搅拌摩擦焊机设计18解得 NRH56.27131垂直面 VQF122940解得 NRV3.521则 NVH 23.18.256.74
43、2211表 2-13 圆锥滚子轴承的基本额定动载荷 C 和基本额定静载荷 C0 KN轴承型号 C C0 e Y Y0 X30204 25.0 18.0 0.35 1.7 1.030205 30.0 23.0 0.37 1.6 0.930206 39.0 29.5 0.37 1.6 0.930207 49.0 37.0 0.37 1.6 0.930208 55.0 41.5 0.37 1.6 0.930209 59.0 46.0 0.40 1.5 0.830210 66.0 53.5 0.42 1.4 0.80.40查表 2-13 得 e=0.37，Y=1.6，X=0.40表 2-14 角接触型
44、轴承派生轴向力 S角接触球轴承C 型（ =15 0） AC 型（=25 0） B 型（=40 0）圆锥滚子轴承S=eR S=0.68R S=1.14R S=R/(2Y)由表 2-14 得 NYRS07.428.161浙江理工大学本科毕业设计（论文）19NSFa07.41221，轴有沿 方向移动的趋势，轴承 1 被“压紧” ，轴承 2 被21SFa2“放松” ，由平衡条件可得作用在轴承 1 和 1 上的轴向载荷分别为NSANFa07.47.24.821因轴承上的作用力大于轴承上的作用力，故仅对轴承进行寿命计算，轴承寿命可由下式进行计算（2-9）)(601hPCnLh（2-10）(YAXRK表 2
45、-15 动载荷系数 KP载荷性质 平稳或有轻微冲击 中等冲击和振动 强烈冲击和振动KP 1.01.2 1.21.8 1.83.0查表 2-15 得 ，由式（2-10）得2.1P N36.410).286.1340(查表 1-14 得 C=39.0KN，由式（2-9）得 hLh 453821)6.10(6014计算弯矩水平面弯矩截面 b： )(4.1598.1mNFMbH 阻垂直面弯矩截面 a： )(.602.6840QaV 5计算扭矩双搅拌轴搅拌摩擦焊机设计20表 2-16 轴的许用弯曲应力 N/mm 2材料 S +1b 0b -1b400 130 70 40500 170 75 45600
46、200 95 55碳素钢700 230 110 65800 270 130 75合金钢1000 330 150 90)(461509.215.9105.966 mNnPT 又根据 B=600N/mm2,查表 2-16 得 -1b=55N/mm2, 0b=95N/mm2,故8.)(674158.0NT6计算当量弯矩截面 a： )(8.317)(22 mTMaae 截面 b： )(9.5)(22 Nbbe 7分别计算 a 和 b 处的直径 mMdbaea 27.851.031.03 bIeb 9.331结构设计确定的直径为 20mm，截面 b 处为螺纹联接没有削弱，所以，此轴强度足够，符合设计要求
47、。2.2.5 搅拌系统 V 带设计带轮传递的功率：p=2.9kw，转速约为 6000r/min，满足传动比为 i=3， （由浙江理工大学本科毕业设计（论文）21于电机的额定转速为 2000r/min）1选择 V 带型号计算功率 PC由下式确定（2-11）PKAC式中：K A工作情况系数P需要传递的名义功率（KW）查表 2-3 得工作情况系数 ，由式（2-17）计算得1.AKWPC9.32根据 PC和 n 由图 1-9 选用 Z 型 V 带。2确定带轮基准直径 dd1、d d2已知 （2-12）12i（2-13)0120188ad（2-14）adL4)()(2121图 2-5 带传动示意图小带轮
48、直径 dd1宜选大些，可减小带的弯曲应力，有利于延长带的寿命；在传递的转矩一定时，d d1选大一些可降低带工作时的圆周力，从而可以减少带的根数。通常小轮直径 dd1应大于或等于最小基准直径 dmin。若 dd1过大，传动的外双搅拌轴搅拌摩擦焊机设计22廓也将增大。由表 1-18 选择小轮直径为 dd1=60mm， 由式（2-12）得mid1806312表 2-17 V 带轮最小基准直径 dmin及基准直径系列 mmV 带轮槽型 Y Z A B C D Edmin 20 50 75 125 200 355 500基准直径系列20 22.4 25 28 31.5 35.5 40 45 50 60 63 71 75 80 8590 95 100 106
