机械毕业设计（论文）-火箭燃料贮箱FSW焊接用组合夹具设计【全套图纸】

浙浙江江理理工工大大学学 本科毕业设计（论文） 题题 目目 火箭燃料贮箱火箭燃料贮箱 FSWFSW 焊接用组合夹具设计焊接用组合夹具设计 学学 院院 机械与自动控制学院机械与自动控制学院 专业班级专业班级 0909 机械设计制造及其自动化（机械设计制造及其自动化（4 4）班）班 姓姓 名名 学学 号号 指导教师指导教师 递交时间递交时间 5 5 月月 2020 日日 二二一三一三年年五五月月十二十二日日 浙浙 江江 理理 工工 大大 学学 机械与自动控制学院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）：唐筠超 2013 年 5 月 12 日 摘要 近年来，我国国用火箭燃料贮箱都是采用了搅拌摩擦焊（FSW）焊接。目前 在火箭燃料贮箱的焊接过程中并没有具体统一的夹具使用，导致贮箱表面圆度 与精度数值有起伏，甚至有些表面还有微型凹陷，所以设计一套火箭燃料贮箱 在搅拌摩擦焊焊接过程中专用的组合夹具迫在眉睫。 火箭燃料贮箱主要由三部分组成，可以分为 2 个主要工件，分别是中间的 薄壁筒体以及两端的半球面体。其中半球面体一般先由 6 块瓜瓣片形状的金属 板焊接成半球面体状，再和一个端盖焊接成完整的贮箱球面盖，所以这里需要 一套完整的焊接夹具。由于搅拌摩擦焊焊接机器的旋转局限性，焊接完成两个 瓜瓣片之间的纵缝后，需要整个工件和夹具一起旋转 60之后才能继续焊接另 外的纵缝，所以需要另外设计一台特定配置的回转工作台用来带动整个夹具和 工件一起转动。设计薄壁筒体夹具时，由于用于筒体焊接的搅拌摩擦焊机器有 绕中心轴旋转功能，所以不必再设计新的工作台。 设计过程：在 FSW 的工作原理和工件的结构基础上分析夹具需要的定位面 和夹紧面；在 Pro/E 上绘制初步的三维模型，设计出大概的尺寸；对夹具整体 的外形和尺寸进行优化，分析考虑其实用性并进行修改；通过球面体夹具的尺 寸算出体积和重力；根据其他数据设计对应的回转工作台；受力分析和校核； 在 Pro/E 上进行零件的装配；根据三维零件模型和装配模型在 AutoCAD 上绘制 二维图；Pro/E 上夹具、回转工作台、工件的配合演示。 关键字：火箭燃料贮箱；夹具；回转工作台；设计；筒体；球面体 Abstract In recent years, friction stir welding (FSW welding) is used in Chinas rocket fuel tanks. At present, the use of chucking in the welding process of rocket fuel tank lack of standardization, resulting in the record of tanks circular degree and accuracy up and down, even some surfaces emerge micro sunken. To design a suit of special combination fixture for rocket fuel tank in the friction stir welding process is extremely urgent. Rocket fuel tank is mainly composed of three parts, can be divided into two main parts, which are thin-wall cylinder and both ends of the hemispherical work piece. Generally, the hemispherical work piece is welded by six scalloped segment metal plates at first, then weld with end cover. It requires a complete set of welding fixture. Due to the limitation of the FSW welding machines rotating, after welding the longitudinal seam between two scalloped segment plates, the work piece and fixture need to rotate 60 degrees to continue longitudinal seam welding. It needs designing a specific configuration rotary working-table to drive the fixture and work piece rotate together. When designing the thin-wall cylinders fixture, there is no need to design a new working-table because of the standard machine. The design process: Analyze the locating surface and clamping surface of fixtures need on the basis of FSWs operational principle and work pieces structure; Draw the initial 3D model in Pro/E, design outline dimensions; Optimize the whole size and shape of fixture, considering the practicability and modify; Figure out volume and gravity on the basis of the hemispherical work piece fixtures size, design the corresponding rotary working-table on the basis of other date; Force analysis and check; Assemble parts in Pro/E; To draw 2D diagram in AutoCAD according to the 3D part model and assembly model; Show the assemble in Pro/E. Keywords: rocket fuel tank; fixture; rotary working-table; design; cylinder; the hemispherical 目 录 摘 要 Abstract 第 1 章 绪论.1 1.1 研究的目的及意义 1 1.2 国内外研究现状 3 1.2.1 薄壁筒体夹具研究现状.3 1.2.2 球面体夹具研究现状.4 1.3 主要研究内容 6 1.3.1 筒体夹具分析与设计.6 1.3.2 半球面体夹具分析与设计.6 1.3.3 拟解决的主要问题.7 第 2 章 球面体夹具设计7 2.1 机械加工工艺分析 7 2.2 夹具的结构方案 8 2.3 半球面体夹具装配图 12 第 3 章 回转工作台设计13 3.1 工作台方案分析 13 3.2 电机的选择 14 3.3 动力参数计算 15 3.4 齿轮传动设计 16 3.5 涡轮蜗杆传动设计 20 3.6 轴、键、轴承及联轴器的设计和选择.24 3.7 轴的校核29 3.8 回转工作台装配图 35 第 4 章 筒状体夹具设计36 4.1 机械加工工艺分析 36 4.2 夹具的结构方案 37 4.3 筒体夹具的装配图 41 第 5 章 AutoCAD 与 Pro/E 软件简介.42 5.1 软件简介.42 5.2 三维模型.43 第 6 章 总结.44 参考文献45 致 谢46 附录.47 全套图纸，加全套图纸，加 153893706153893706 111 浙江理工大学本科毕业设计（论文） 1 第第 1 1 章章 绪论绪论 1.11.1 研究的目的及意义研究的目的及意义 自从 1991 年英国焊接研究所发明了搅拌摩擦焊技术以来，已经过去了 21 年，搅拌摩擦焊在这 21 年间为世界制造业做出了巨大的贡献，其中在航天航空， 航海船泊，高速列车，交通运输这些高科技行业的表现尤其突出。2002 年，在 中国航空工业集团-北京航空制造工程研究所与英国焊接研究所共同签署关于搅 拌摩擦焊专利技术许可、技术研发及市场开拓等领域的合作协议的基础上，中 国第一家专业化的搅拌摩擦焊技术授权公司中国搅拌摩擦焊中心即北京赛 福斯特技术有限公司成立，标志着搅拌摩擦焊技术在中国市场的研发及工程应 用工作的正式开启。到现在 2012 年我国已经成功开发了 60 余套搅拌摩擦焊设 备，将搅拌摩擦焊技术应用于我国航空、航天、船舶、列车、汽车、电子、电 力等工业领域中，创造了可观的社会经济效益，为铝、镁、铜、钛、钢等金属 材料提供了完美的技术解决方法1。 我国新一代重型运载火箭长征五号将在 2014 年底在海南航天发射场发射， 其火箭燃料贮箱就是使用搅拌摩擦焊焊接。火箭燃料贮箱指的是航天产品火箭 助推器中不可回收的外挂燃料贮箱，具体形状结构为一个中心薄壁筒体与两个 半球面体，其中一个球面体开口用于注入燃料。形状基本如下图 1-1 所示,实物 图如 1-2 所示。 图图 1-11-1 火箭燃料贮箱结构示意图火箭燃料贮箱结构示意图 搅拌摩擦焊可以焊接很多传统焊接方式无法焊接的材料，而且焊接适应性 火箭燃料贮箱 FSW 焊接用组合夹具设计 2 好，成本低，并且效率和精度很高，操作简单，及其容易实现自动化。不过搅 拌摩擦焊有个比较关键的缺点就是在焊接过程中，自旋转的搅拌头对工件有较 大的轴向压力，这个轴向压力可能使薄弱的工件产生轴向变形，导致产品报废 或者大大降低精确度。航空航天对精度要求比较高，所以在使用搅拌摩擦焊焊 接过程中应该尽量避免这种轴向变形的发生。 图图 1-21-2 贮箱实物图贮箱实物图 搅拌摩擦焊全部焊接完成主要有三个过程，分别是焊具的插入，平移，抽 出。 搅拌摩擦焊在焊接过程中主要有三个力，分别为轴向压力，纵向力，横向 力。由于轴向载荷最大，所以轴向压力是主要力，也是设计夹具过程中最需要 注意的。 航天器具有高精度要求，因此需要一种特制的夹具，在保证一般夹具基础 功能的前提下承受焊接压力。夹具的结构设计和研究是焊接工艺设备的基础。 焊接工艺装备是在焊接结构生产的装配与焊接过程中起配合及辅助作用的夹具、 机械装置或设备的总称，简称焊接工装2。提高焊接效率的最佳途径是大力推 广使用机械化和自动化程度较高的焊接工装。 本文研究的火箭燃料贮箱 FSW 焊接用组合夹具分为三部分，其中球面体夹 具和回转工作台用于球面体的焊接。球面体一般先由 6 块瓜瓣片形状的金属板 焊接成半球面体状，再和一个底座焊接成完整的贮箱球面盖。薄壁筒体焊接用 夹具由于搅拌摩擦焊焊接机械自带使工件绕中心轴旋转的功能，不用另外设计 旋转机构。 浙江理工大学本科毕业设计（论文） 3 1.21.2 国内外研究现状国内外研究现状 1.2.11.2.1 薄壁筒体夹具研究现状薄壁筒体夹具研究现状 目前，国内应用广泛的筒体夹具主要是普通的 V 型夹具，比较普遍的是组 合机床夹具。优点是简单易行，并可以与加工设备相结合。缺点是不方便移动， 而且精确度不高。这种夹具的夹紧定位方式并不适合筒体的环缝焊接，更多的 是应用于钻床与铣床。如下图 1-3 所示。 图图 1-31-3 组合钻床夹具组合钻床夹具 还有一种应用较为广泛的是卡盘式夹具，主要有三爪卡盘和四爪卡盘两种。 这种夹紧方式多用于小型圆柱体和少部分小型筒体。由于这种夹紧方式只是适 用与小型圆筒状零件，而搅拌摩擦焊接中加工的基本都是大型筒体，所以设计 时不考虑这种夹具样式。如下图 1-4 所示。 图图 1-41-4 三爪卡盘、四爪卡盘三爪卡盘、四爪卡盘 较为新颖的一种筒体夹具是弹性夹具。该夹具利用弹性元件受力后均匀弹 性形变的原理，实现对工件的自动定心与夹紧。这种自动定心弹簧套筒夹具， 具有结构简单，夹具行程小，装夹工件迅速，定位可靠，具有较高的定心精度。 火箭燃料贮箱 FSW 焊接用组合夹具设计 4 一般可达 0.020.05mm3。然而这种夹具仅仅只能用于小型筒体或是加工过程 中受力较小的筒体，一旦筒体连带夹具受力过大，超出弹簧的可承受极限，就 会变成弹性疲劳状态，无法自动恢复成原状，就不能起到定位夹紧的作用。如 下图 1-5 所示。 图图 1-51-5 薄壁筒状零件弹性夹具薄壁筒状零件弹性夹具 有一种应用于高压电缆的固定夹具，由两个半环状紧固环相接来起固定作 用。这种方式可以试用于搅拌摩擦焊接中，但是考虑到焊接过程中有较大轴向 力作用于焊件，仅仅只有这点固定作用是完全不够的，筒体内部还需要有一定 的接触面积来“抵消”轴向力，需要另外添加“底板” 。如下图 1-6 所示。 图图 1-61-6 高压电缆固定夹具高压电缆固定夹具 1.2.21.2.2 球面体夹具研究现状球面体夹具研究现状 根据所能查到的资料来看，球面体夹具普遍应用于大型组合球面的组装。 大型球面体结构多数是由拼装组合而成，例如核电设备中的安注箱。由于安注 箱的球体尺寸过大，所以由球封头与中段的瓜瓣片球壳筒身拼接组成。组装时 所用夹具主要包含了车夹座、定位圈、V 型座、顶紧微调装置等组件。如图 1- 7 所示。 有一种小型球面体夹具，用在对薄壁同心球壳内球面的轻切削与抛光时定 浙江理工大学本科毕业设计（论文） 5 位与夹紧。这种夹具同心度高，简单易行，但是只能加工小型球体的内球面。 如图 1-8 所示。 也有专门的夹具应用于搅拌摩擦焊的空间曲面焊接加工。空间曲面的搅拌 摩擦焊专用夹具，主要由夹具骨架结构与传动机构组成，其特征在于：所述夹 具骨架结构的框架 1 两端通过转轴 10 支撑在支座 9 上；承力机构 8 固定连接在 框架 1 上，在所述承力机构 9 上方设有定位机构 12；框架 1 下的对角处设有平 衡支撑弹簧 2；所述传动机构由主动传动机构和从动传动机构组成，所述主、 从动传动机构均置于承力机构 8 底部两侧，所述承力机构 8 通过与主、从动传 动机构传动连接的螺杆 3 上的滚轮 18 活动支撑4。如图 1-9 所示。 图图 1-71-7 加工瓜瓣片焊接坡口的夹具加工瓜瓣片焊接坡口的夹具 火箭燃料贮箱 FSW 焊接用组合夹具设计 6 图图 1-81-8 小球体内球面加工用夹具小球体内球面加工用夹具 图图 1-91-9 空间曲面的搅拌摩擦焊专用夹具空间曲面的搅拌摩擦焊专用夹具 1.31.3 主要研究内容主要研究内容 1.3.11.3.1 筒体夹具分析与设计筒体夹具分析与设计 首先主要分析搅拌摩擦焊中 FSW-5LH-012 型设备的工作原理，由此展开来 分析大部分薄壁筒体在摩擦焊接过程中的受力情况，得出筒体在摩擦焊接过程 中最容易变形的地方与受力的方向。根据筒体在焊接过程中的特征和受力情况， 分析出筒体在设备中的自由度以及相对应的筒体夹具所要具备的夹紧面与定位 面，筒体夹具模型用 Pro/Engineer 建立,各项数据尺寸根据筒体大小来确定， 对尺寸结构等参数进行调整设计，确保设计出的夹具在正常焊接情况下不会使 筒体变形。筒体与球面体组装焊接时需要环缝焊接，夹具可以与筒体夹具通用。 浙江理工大学本科毕业设计（论文） 7 1.3.21.3.2 半球面体夹具分析与设计半球面体夹具分析与设计 对于球面体夹具，主要分析 FSW-7XB-008 型搅拌摩擦焊设备的工作原理。 设计过程相似于设计筒体夹具，不过在模型建立与数据设计方面，球面体由于 涉及到曲面机构，会更加复杂。 考虑到搅拌摩擦焊焊接机械在焊接球面体夹具瓜瓣片时无法自主地旋转角 度，由于搅拌摩擦焊焊接机器的旋转局限性，焊接完成两个瓜瓣片之间的纵缝 后，需要整个工件和夹具一起旋转 60之后才能继续焊接另外的纵缝，所以需 要另外设计一台特定配置的回转工作台用来带动整个夹具和工件一起转动。回 转工作台结构与尺寸由工作台上的工件与夹具总重力决定。设计薄壁筒体夹具 时，由于用于筒体焊接的搅拌摩擦焊机器有中心轴旋转功能，所以不必再设计 新的工作台。 1.3.31.3.3 拟解决的主要问题拟解决的主要问题 通过设计使夹具在实现夹紧与定位，引导刀具这些基本功能的前提下,尽可 能的使夹具体能够应用于更多种类的筒体或球面体，而不是局限于同一直径的 工件。通过减小夹具的体积、质量来提高搅拌摩擦焊的工作效率。因为过大的 体积与质量不但影响外观,而且不方便搬运与使用，并且一旦质量与体积达到一 定限度，对夹具体下面的工件（因为工件成球面或者是薄壁筒体）会带来过大 的负荷，导致工件下方也可能出现形变。如何在保证夹具体体积与质量相对较 小下的情况下提高夹具的精度与实用性，是问题的关键。 火箭燃料贮箱 FSW 焊接用组合夹具设计 8 第第 2 2 章章 球面体夹具设计球面体夹具设计 2.12.1 机械加工工艺分析机械加工工艺分析 （1）加工形面：瓜瓣片结合面、瓜瓣片焊接成品与顶盖的结合面 （2）形面尺寸：瓜瓣外弧的直径：2250+0.2 mm，粗糙度 Ra=3.2m 瓜瓣内弧的直径：2230-0.4 mm，粗糙度 Ra=3.2m 顶盖与瓜瓣片结合面平面度 0.025 mm （3）相互位置：瓜瓣片为薄壁半球面体分为 6 块，俯视图为各占 60的扇形 瓜瓣片在 h=1008mm 处向上开口，与 1000mm 的顶盖焊接 （4）可用于定位的形面：瓜瓣片底面与瓜瓣片开口平面，瓜瓣片内外面，半球 面体中心轴。 顶盖尺寸：1000+0.1 mm，粗糙度 Ra=3.2m 厚度 h=20-0.5 mm，粗糙度 Ra=6.4m 底面尺寸：外轮廓面 2250+0.2 mm，粗糙度 Ra=3.2m 内轮廓面 2230-0.4 mm，粗糙度 Ra=3.2m 底面到顶盖距离 H=1008+0.5 mm，粗糙度 Ra=6.4m （5）相互位置：顶盖与底面垂直中心轴，底面直径为球面体直径。 浙江理工大学本科毕业设计（论文） 9 2.22.2 夹具的结构方案夹具的结构方案 （1）确定定位方案 由于工件使用搅拌摩擦焊焊接，考虑到搅拌头轴向压力的存在，在焊缝处 应该有承力挡板。以中心轴、底面、底盖下底面为基准，确定瓜瓣片弧线在 x 轴方向上的位置，以底面与顶盖下底面距离 H 定位弧线的在 Y 轴上的高度，以 半球面体内表面下的承力挡板确定弧线形状，直径取底面直径。 （2）确定夹紧机构 夹具零件之间选择螺栓固定，工件与夹具之间使用重力自压紧与压块几何 压紧。压块既可增大夹紧接触面积，又能防止回转工作台带动工件旋转时产生 偏转而破坏定位并且损伤工件表面。 （3）定位面与加工面的关系分析 定位误差计算：由加工工序知，加工面为瓜瓣片结合面。上下底面对中心 线有垂直度要求（垂直度允差 0.3） ；对底面有中心距 11250.1 要求；对顶盖 有 0.025 的平面度要求，对顶盖与底面有同轴度要求。以底面与顶盖中心线为 基准，其设计计算如下： 1）确定受力挡板尺寸与公差 设计受力挡板形状如下图 2-1 所示。 火箭燃料贮箱 FSW 焊接用组合夹具设计 10 图图 2-12-1 半球面体夹具受力挡板半球面体夹具受力挡板 由已给数据知道半球面体薄壁厚度为 10 mm，外表面曲率半径为 1125 mm。 由此确定受力挡板曲率半径为 1115 mm，查表得到公差等级为 6 级，粗糙度 Ra 为 3.2m。受力挡板距离底面中心轴最大值为 1115 mm，最小值为 500 mm。高 度 h 为 1008 mm，查表得公差等级为 6 级。 受力挡板与底面固定方式为螺栓固定，拟设计三个两两间距为 100 mm，孔 径为 30 mm，查表得到公差等级为 6 级，孔内表面粗糙度为 3.2m。受力挡板 与顶盖的接触方式为几何依靠，与支撑柱的固定方式为螺栓固定，拟设计三个 两两间距为 408 mm，公差等级为 7 级，孔径为 30 mm，查表得到公差等级为 6 级，孔内表面粗糙度为 3.2m。 其余部分粗糙度取 12.5m，部分尺寸见二维图。 2）支撑顶盖的夹具尺寸与公差 浙江理工大学本科毕业设计（论文） 11 设计支撑顶盖的夹具外形如下图 2-2 所示。 图图 2-22-2 半球面体夹具顶盖支撑板半球面体夹具顶盖支撑板 半球面体夹具顶盖支撑板外轮廓圆直径为 1000 mm，查得公差等级为 6 级， 外轮廓粗糙度为 3.2m。厚度为 20 mm，平面度为 0.025 mm，查得公差等级为 6 级，粗糙度为 3.2m。按照瓜瓣片共六块每个 60设计出如上图形状，这样 既减省材料，又减轻夹具的总质量，还能够保证夹具有足够面积承受底盖重力 与搅拌摩擦焊焊接时对工件的压力。支撑板开槽处用于与支撑柱进行几何固定， 槽宽为 50 mm，长为 100 mm，深度为 10 mm，从支撑板底面向上开。所开槽查 得公差等级为 6 级，粗糙度为 3.2m。 3）夹具底面设计及公差 半球面体夹具底面支撑板内轮廓圆直径为 2250 mm，查得公差等级为 6 级， 内轮廓粗糙度为 3.2m。厚度为 20 mm，平面度为 0.020 mm，查得公差等级为 6 级，粗糙度为 3.2m。按照瓜瓣片共六块每个 60设计出如上图形状，这样 既减省材料，又减轻夹具的总质量，还能够保证夹具有足够面积承受底盖重力 与搅拌摩擦焊焊接时对工件的压力。支撑板开槽处用于与支撑柱进行几何固定， 槽宽为 50 mm，长为 100 mm，深度为 10 mm，从支撑板顶面向下开。所开槽查 得公差等级为 6 级，粗糙度为 3.2m。由于受力挡板与底面固定方式为螺栓固 火箭燃料贮箱 FSW 焊接用组合夹具设计 12 定，拟设计三个两两间距为 100 mm，孔径为 30 mm，查表得到公差等级为 6 级， 孔内表面粗糙度为 3.2m。底面支撑板与回转工作台固定方式为螺栓连接，孔 径为 43 mm，查表得到公差等级为 6 级，孔内表面粗糙度为 3.2m。设计夹具 底面支撑板的外形尺寸如下图 2-3 所示。 图图 2-32-3 夹具底面支撑板夹具底面支撑板 4）支撑柱设计及公差 支撑柱用于固定与定位底面，顶面以及受力挡板。高 h 为 1028 mm。 设计夹具支撑柱外形尺寸如下图 2-4 所示。 浙江理工大学本科毕业设计（论文） 13 图图 2-42-4 夹具支撑柱夹具支撑柱 2.32.3 半球面体夹具装配图半球面体夹具装配图 装配图见下图 2-5，2-6。 图图 2-52-5 半球面体夹具装配图主视图半球面体夹具装配图主视图 火箭燃料贮箱 FSW 焊接用组合夹具设计 14 图图 2-62-6 半球面体夹具装配图俯视图半球面体夹具装配图俯视图 浙江理工大学本科毕业设计（论文） 15 第第 3 3 章章 回转工作台设计回转工作台设计 3.13.1 工作台方案分析工作台方案分析 （1）初步拟定回转工作台设计要求 主要技术参数： 1）回转半径 1125mm 2）回转角度 0-360 3）回转精度 0.1 4）最大承载重量 3 吨 （2）传动方案与传动简图 1）设计传动方案： 电机的转动通过减速齿轮减速传递给蜗杆，再由蜗杆传递给涡轮，涡轮通 过双列圆锥滚子轴承和环形滑轨带动中心轴转动。 2）传动简图： 图图 3-13-1 回转工作台传动简图回转工作台传动简图 火箭燃料贮箱 FSW 焊接用组合夹具设计 16 3.23.2 电机的选择电机的选择 （1）计算回转工作台所需驱动力矩 工作台材料选择铸钢，密度为 7.85x103kg/(m3)，工作台直径为 2250mm，厚度为 40mm，由此减去工作台开槽所削去的材料得出工作台的重力约 为 G1=11552 N 被加工的工件为火箭燃料贮箱的半球面体瓜瓣片与顶盖的组合，壁厚为 10mm，材料为 LD10,密度为 2.79x103kg/(m3)。由此得出工件重力约为 G2=438 N 工件所用到的夹具统一使用 45 钢，密度为 7.85x103 kg/(m3)。根据夹 具的形状，分为四部分计算夹具的体积，平均厚度为 20mm。由公式 G=Vg 得 到夹具的总重力约为 G3=12262 N 工作台以上(包括工作台)部分对回转工作台的总重力为 G 总=G1+G2+G3=24252 N 由于工件使用搅拌摩擦焊焊接，所以在焊接过程中有额外的焊接摩擦力， f 焊约为 200N，搅拌摩擦焊对工件的最大轴向压力 F 为 5000N。 回转工作台的上部分通过与中心轴连接，经过轴承的摩擦反作用力带动圆 台转动。轴承初步拟定使用双列圆锥滚子轴承，查轴承摩擦系数表得到双 列圆锥滚子轴承的摩擦系数最大为 0.1-0.2，计算取 u=0.2。 得到摩擦力为 f=u(G 总+5000)。 回转过程中的回转力 F=f+200。 最后估计得到工作台所需的驱动力矩为 T=FL=610 N.m。 （2）确定电机额定功率 由于工件在被焊接时并不需要转动，只是在焊接完一部分瓜瓣片时才需要 缓慢转动 60 度，所以取涡轮的转速为 10 转每分。 涡轮工作所需功率为 P=2/60Tn=639 W。 查表得圆柱齿轮传动效率 1=0.97，一对轴承的传动效率为 2=0.99，联 轴器效率 3=0.99，蜗杆传动效率为 4=0.99。 浙江理工大学本科毕业设计（论文） 17 总=1x（23）x（32）x4=0.74 电机的输出功率 P0=P/=864 W=0.864 KW。 一般电机的额定功率为 P01.35P0。 取电机额定功率为 864 W。 （3）确定电机转速 根据各传动机构推荐的传动比范围，选取齿轮传动比为 3，选取蜗杆涡轮 传动比为 62，则总传动比为 186。 得到电机转速为 0-1860r/min。 （4）确定电机转矩 T=60P/2n=60 x864/2x3.14x1860 =4.44 N.m （5）电机的选择 由于本设计中的会装工作台不需要连续不断地转动，只需要每次两个瓜瓣 片焊接完成后旋转固定的 60即可，所以电机在步进电机与伺服电机中选择， 这里选择步进电机。 根据所求电机转矩，转速以及额定功率，再参考电机的步距角，最后选择 得的规格型号为 130BYG350FH-0602 的三相混合式步进电机，外形尺寸 (mm)为 134134282。 3.33.3 动力参数计算动力参数计算 （1）初始数据 齿轮传动：i1=3 蜗杆传动：i2=62 （2）转速计算 电机转速n0=1860 小齿轮轴转速n1=1860 大齿轮轴与蜗杆轴转速n2=n0/i1=1860/3=620 涡轮与回转工作台转速n3=n1/i2=620/62=10 （3）功率计算 电机功率p0=864 W 火箭燃料贮箱 FSW 焊接用组合夹具设计 18 小齿轮轴功率p1=p0 x 联=60 x0.99=855 W 大齿轮轴功率p2=p1x 轴承 x 齿轮=855x0.99x0.97=821 W 涡轮功率p3=p2x 轴承 x 联 x 蜗杆=821x0.99x0.99x0.99x0.8=639 W （4）转矩计算 电机转矩T0=9.55xp0/n0=4.44 N.m 小齿轮轴转矩T1=9.55xp1/n1=4.39 N.m 大齿轮轴转矩T2=9.55xp2/n2=12.65 N.m 涡轮与回转工作台转矩T3=9.55xp3/n3=610 N.m 3.43.4 齿轮传动设计齿轮传动设计 1.选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数 （1）根据回转工作台的总体传动方案和尺寸，选取直齿圆柱齿轮传动； （2）根据设计总传动比初步选取齿轮传动比为 3； （3）材料选择。考虑到齿轮传动效率不大，速度只是中等，为达到更高的效率 和更好的耐磨性，齿轮面硬度另有要求。由机械设计表 10-1 选择小齿轮材 料为 45 调制处理，硬度为 240HBS,大齿轮材料为 45 正火,硬度为 200HBS； （4）精度选择。由于大小齿轮硬度差为 40HBS，故选取 7 级精度； （5）初取小齿轮齿数 Z1=20,则大齿轮齿数 Z2=ixZ1=3X20=60,取 Z2=60。 2.按齿面接触疲劳强度设计齿轮 由下设计计算公式进行试算，即 2 3 1 2 11 2.32 E t dH KTiZ d i （1）确定公式内的各计算数值 1）根据机械设计第八版表 10-3 试取载荷系数=1.2； t K 2）由前提计算得到小齿轮传递转矩 T1=4.39 N.m，大齿轮传递转矩 T2=12.65 N.m； 3）根据机械设计第八版表 10-7 取齿宽系数 d=1； 浙江理工大学本科毕业设计（论文） 19 4）由表 10-6 查得材料的弹性影响系数=189.8； E Z 1 2 Mpa 5）由图 10-21d 按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限 Hlim1=550Mpa,大齿轮的接触疲劳强度极限 Hlim1=350Mpa； 6）取接触疲劳寿命系数=1, =1； 1 KHN 2 KHN 7）接触疲劳许用应力。 取失效概率为 1%,安全系数为 S=1，计算得许用接触应力最小值为H =350 MPa （2）计算 1）代入各数值计算小齿轮分度圆。 2 3 1 2 11 2.3229.5mm E t dH KTiZ d i 2）计算圆周速度 V。 11 3.14 29.5 1860 V2.87/ 60 100060 1000 t d n m s 3)计算齿宽 b。 b=dxd1t=29.5 mm 4）计算齿宽与齿高之比。 b h 模数=29.5/20=1.475 mm t m 1 1 d t z 齿高 h=2.25=3.32mm t m 29.5 8.89 3.32 b h 5）计算载荷系数 由表 10-2 得使用系数 KA=1； 根据 v=2.87m/s，7 级精度，由图 10-8 查得动载荷系数 KV=1.06； 直齿轮，齿向载荷分配系数=1；KH 由表 10-4 用插值法查得 7 级精度、小齿轮与大齿轮非对称布置时齿间载荷 分配系数=1.408； H K 由， =1.408 查图 10-13 得；8.89 b h H K 1.3 F K 火箭燃料贮箱 FSW 焊接用组合夹具设计 20 则载荷系数为 K1 1.06 1 1.4081.49 AV K K K K 6）按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径，对d1t进行修正得到实际 数据，因K与Kt有较大差异，故需对由Kt计算出的d1t进行修正，即 3 3 11 1.49 29.531.7mm 1.2 t t K dd K 7)计算模数 md1/ z131.7/ 201.59mm 3.按齿根弯曲强度设计 弯曲强度设计公式如下 3 2 21 m 1 FaSa dF KT Y Y z （1）确定公式内的各计算数值 1)由图10-20c查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限=480MPa, 由图10-20b查 1FE 得大齿轮的弯曲疲劳强度极限=310MPa； 2FE 2)由图10-18取弯曲疲劳寿命系数为=0.88, =0.9； 1FN K 2FN K 3)计算弯曲疲劳许用应力。 取弯曲疲劳安全系数S=1.4,得 11 1 0.88 480/1.4MPa301.71MPa FFNFE KS 22 2 0.9 310/1.4MPa199.29MPa FFNFE KS 4)计算载荷系数 K。 1 1.06 1 1.31.378 AVFF KK K KK 5)查取齿形系数 由表 10-5 查得, 1 2.80 Fa Y 2 2.28 Fa Y 6)查应力校正系数 由表 10-5 查得, 1 1.55 Sa Y 2 1.73 Sa Y 浙江理工大学本科毕业设计（论文） 21 7）计算大小齿轮的并加以比较。 FaSa F Y Y 11 1.55 2.800.01438 1301.71 FaSa F YY 22 1.73 2.280.01979 2199.29 FaSa F YY 大齿轮的数值大 （2）设计计算 3 3 2 2 1.378 4.39 10 m0.019790.84mm 1 20 对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数 m 大于由齿根弯曲疲劳强 度计算的模数，由于齿轮模数 m 的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力， 而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径（即模数与齿数的乘积） 有关。可取由弯曲强度算得的模数 0.84 并就近圆整为标准值 m=1 mm，按接触 强度算得的分度圆直径 d1=31.7 mm，算出 小齿轮齿数 1 z131.7/132 d m 大齿轮齿数 z2z1 u32 396 这样设计出的齿轮传动，即满足了齿面接触疲劳强度，又满足了齿根弯曲 疲劳强度，并做到结构紧凑，避免浪费。 4.几何尺寸计算： （1）计算分度圆直径 d1z1m32 132mm d2z2m96 196mm （2）计算中心距 d1 d23296 a64mm 22 （3）计算齿轮宽度 bd11 3232mm d 火箭燃料贮箱 FSW 焊接用组合夹具设计 22 取 B2=32 mm，B1=27 mm。 具体结构与齿轮零件图另见二维图与三维图。 3.53.5 涡轮蜗杆传动设计涡轮蜗杆传动设计 1.选择蜗杆传动类型 根据 GB/T100851988 的推荐，决定使用渐开线蜗杆。 2 材料选择 考虑到蜗杆传动功率不大，速度只是中等，故蜗杆用 45 号钢。 为达到更高的效率和更好的耐磨性，要求蜗杆螺旋齿面淬火，硬度为 45- 55HRC。假设机床的滑动速度 Vs 在 4m/s 左右，所以蜗轮用铸锡磷青铜铸造。为 了节约贵重的有色金属，仅齿圈用青铜制造，而轮芯用灰铸铁 HT100 制造。 3.按齿面接触疲劳强度设计 根据闭式蜗杆传动的设计准则，先按齿面接触疲劳强度进行设计，再校核 齿根弯曲疲劳强度。传动中心距： 2 3 3 aK E H Z Z T （1）确定作用在蜗轮上的转距 T3 按 Z1=1,i=62,Z2=Z1xi=62 由前面的计算得 T3=610 N.m=610000 N.mm （2）确定载荷系数 K 因工作载荷较稳定，故取载荷分布不均系数 K=1；由使用系数 KA 表从而 选取 KA=1.15；由于转速不高，冲击不大，可取动载系数 KV=1.1；则 K=KAxKxKV=1x1.15x1.1=1.2651.27 （3）确定弹性影响系数 ZE 选用的铸锡磷青铜蜗轮和蜗杆相配，ZE=160 1 2 MPa （4）确定接触系数 Z 先假设蜗杆分度圆直径 d1 和传动中心距 a 的比值 d1/a=0.30，从图 11-18 可查出 Z=3.12。 （5）确定许用接触应力H 浙江理工大学本科毕业设计（论文） 23 根据蜗轮材料为铸锡磷青铜 zcusn10p1，金属模铸造，蜗杆螺旋齿面硬度 45HRC，可从表 11-7 查得蜗轮的基本许用应力=268MPA。 H 因为电动刀架中蜗轮蜗杆的传动为间隙性的，故初步定位其寿命系数为 KHN=0.92，则 H KHNH0.92 268246.56247MPa （6）计算中心距 2 3 3.12 160 a1.27 610000146.8mm 247 取中心距 a=160 mm，因 i=62,故从表 11-2 中取模数 m=4 mm 蜗杆分度圆直径 d1=71 mm，这时=0.44，从图 11-18 中可查得接触系数 1d a =2.38，因为，因此以上计算结果可用。ZZZ 4.蜗杆与涡轮的主要参数与几何尺寸 整理计算表中数据得 （1）蜗杆： 轴向齿距12.56mm a mP 直径系数 q=17.75 齿顶圆直径 * 11 121279mm aaa dddhh m 齿根圆直径 * 11 1 21 2()61.4mm ffa ddmcdhh 分度圆直径 d1=71 mm 分度圆导程角 =3.225 蜗杆头数 Z1=1 蜗杆轴向齿厚6.28mm 2 a a P S 由 Z1=1, 变位系数 x2=+0.125，根据表 11-4 取蜗杆齿宽 b1 最大值即 11+0.1xZ2 为 17.2mm，由于蜗杆经磨削，且模数 m0.07d，取 h=2mm，则轴环处直 径为 28mm，轴环宽度 b 1.4h，取 b=5mm。 （5）轴承的选择 轴承需要承受轴向力与径向力，所以选择应用较为广泛的滚子轴承。这里 根据情况选用单列圆锥滚子轴承。根据 d1-2=20 mm 与最新轴承手册的表 8.1 选择基本尺寸为 dxDxTxBxC=22mm x 44mm x 15mm x 15mm x 11.5mm 的单列 圆锥滚子轴承，轴承代号为 30000 型 320/22。 （6）键的选择 齿轮、半联轴器与轴的周向定位均采用平键连接。首先选齿轮与轴配合使 用的键，根据机械设计第八版6-1 表得到平键截面，键宽 bx 键高 h=8mmx7mm。键槽用键槽铣刀加工，长度为 20mm，同时为了保证齿轮与轴配合 有良好的对中性，故选择齿轮轮毂与轴的配合为 H7/n6。选择半联轴器与轴配 合时的键步骤是一样的，最后选择键宽 bx 键高 h=5mmx5mm，长度为 16mm，半联 轴器与轴配合精度为 H7/k6。 （7）倒角与圆角 轴端倒角 2x45倒圆角为 R2，其余见二维图。 2.大齿轮轴上 （1）初步确定轴的最小直径 选取轴的材料为 45 钢，调制处理。根据表 15-3 取 A0=112。 大齿轮 P2=821W=0.821KW 火箭燃料贮箱 FSW 焊接用组合夹具设计 28 d2=96mm T2=12.65N.m=12650 N.mm 由下面公式初算得 2 3 3 0 2 0.821 11212.3 620 mm min P dA n （2）作用在大齿轮上的力分析 由下面的公式得到作用在大齿轮上的力： 2 2 22 12650 F263.5 96 T N d 由于是直齿圆柱齿轮，所以 ( 12) arccos0 2 1 m zz a 由于两个齿轮的中心距 a1 为标准中心距，即 ( 12) a1 2 m zz 所以没有进行角度变位，啮合角20 n 则 2 2 2 263.5N t T F d tan 96 cos n rt FFN tan0 at FFN 圆周力 Ft，径向力 Fr，轴向力 Fa。 （3）联轴器的选择 轴的最小直径显然是安装联轴器处的直径。由于所选轴的最小直径必须与联 轴器的孔径相适应，故需同时选取联轴器型号。 联轴器的计算转矩 Tca=KAT2，查表 14-1，考虑到转矩变化很小，故取 KA=1.3，则： 2 1.3 12.6516.445Nm16445Nmm caA TK T 根据设计需求，计算转矩 Tca 必须小于联轴器公称转矩，查联轴器、离 浙江理工大学本科毕业设计（论文） 29 合器与制动器设计选用手册表 5-81，选用 LT3 型弹性套柱销联轴器，其标准 公称转矩为 31500Nmm，许用转速为 6300r/min。半联轴器孔径 d1-1=16 mm，半 联轴器推荐长度 L=38 mm，与轴配合的毂孔长度 L1=30 mm，最大直径 D=95 mm。 （4）轴的其他尺寸 联轴器需要轴向定位，所以需要一段轴肩，直径大概比联轴器孔径 d1-1=16 mm 略大点，取 d1-2=32 mm。左端需要用挡圈定位。若安装齿轮处的轴段直径为 50mm，齿轮与轴承之间使用套筒定位。已经算得大齿轮轮毂的宽度为 32mm，为 了使套筒端面可靠地压紧齿轮，此轴段考虑应该略短于轮毂宽度，一般选择 28mm。齿轮的另一端采用轴肩固定，轴肩高度 h0.07d，取 h=4mm，则轴环处直 径为 58mm，轴环宽度，取 b=6mm。1.4bh （5）轴承的选择 轴承需要承受轴向力与径向力，所以选择应用较为广泛的滚子轴承。这里 根据情况选用单列圆锥滚子轴承。根据 d1-2=32 mm 与最新轴承手册的表 8.1 选择基本尺寸为 dxDxTxBxC=32mm x 52mm x 14mm x 14mm x 10mm 的单列圆 锥滚子轴承，轴承代号为 30000 型 329/32。 （6）键的选择 齿轮、半联轴器与轴的周向定位均采用平键连接。首先选齿轮与轴配合使 用的键，根据机械设计第八版6-1 表得到平键截面，键宽 bx 键高 h=16mmx10mm。键槽用键槽铣刀加工，长度为 22mm，同时为了保证齿轮与轴配 合有良好的对中性，故选择齿轮轮毂与轴的配合为 H7/n6。选择半联轴器与轴 配合时的键步骤是一样的，最后选择键宽 bx 键高 h=5mmx5mm，长度为 22mm，半 联轴器与轴配合精度为 H7/k6。 （7）倒角与圆角 轴端倒角 2x45，倒圆角为 R2，其余见二维图。 3.中心轴上 确定轴的最小直径 选取轴的材料为 45 钢，调制处理。根据表 15-3 取 A0=112。 P3=639W=0.639KW 火箭燃料贮箱 FSW 焊接用组合夹具设计 30 n3=10r/min T3=610N.m=610000 N.mm 由下面公式初算得 3 3 3 0 3 0.639 11244.7 10 min P dAmm n 轴承选用双列圆锥滚子轴承，详细尺寸见二维图。 3.73.7 轴的校核轴的校核 （1）小齿轮轴的校核 转速 n=1860 r/min 功率 p=855 w 转矩 T=4.39 N.m 1 1 2 274N t T F d tan 100 cos n rt FFN tan0 at FFN 图图 3-23-2 小齿轮轴尺寸小齿轮轴尺寸 左平行面弯矩图如校核图（a） 支点反力: FHB=Ftx27/58=128 N 浙江理工大学本科毕业设计（论文） 31 FHA=Ft-FHB=146 N I-I 截面的弯矩 MH1=14627=3942 N.mm 2-2 截面的弯矩 MH2=12831=3968 N.mm 作垂直面内的弯矩图（b） FVA=Fr/2-fad/2=50 N Fvb=fr-Fva=50 N I-I 截面的弯矩 MV1=Fva27=1350 N.mm 2-2 截面的弯矩 MV2=Fvb31=1550 N.mm 作合成弯矩图（c） I-I 截面的弯矩 22 M14167N.mm HV MM 2-2 截面的弯矩 22 M24259N.mm HV MM 求转矩图（d） T1=9550p1/n1=95500.855/1860=4.39 N.m 确定危险截面的校核 I-I 截面 22 1 1 7.71Mpa MT W 2-2 截面 22 1 2 4.5Mpa MT W 查表=60mpa,故设计的轴强度满足。b 火箭燃料贮箱 FSW 焊接用组合夹具设计 32 图图 3-33-3 小齿轮轴校核图小齿轮轴校核图 （2）大齿轮轴的校核 转速 n=620 r/min 功率 p=821 w 转矩 T=12.65 N.m 2 2 2 264N t T F d tan 96 cos n rt FFN tan0 at FFN 浙江理工大学本科毕业设计（论文） 33 图图 3-43-4 大齿轮轴尺寸大齿轮轴尺寸 左平行面弯矩图如校核图（a） 支点反力: FHB=Ftx41/96=113 N FHA=Ft-FHB=151 N I-I 截面的弯矩 MH1=15141=6191 N.mm 2-2 截面的弯矩 MH2=11355=6251 N.mm 作垂直面内的弯矩图（b） FVA=Fr/2-fad/2=48 N Fvb=fr-Fva=48 N I-I 截面的弯矩 MV1=Fva41=1968 N.mm 2-2 截面的弯矩 MV2=Fvb55=2640 N.mm 作合成弯矩图（c） I-I 截面的弯矩 火箭燃料贮箱 FSW 焊接用组合夹具设计 34 22 M16496N.m HV MM 2-2 截面的弯矩 22 M26785N.m HV MM 求转矩图（d） T1=9550p1/n1=95500.821/620=12.65 N.m 确定危险截面的校核 I-I 截面 22 1 1 4.42Mpa MT W 2-2 截面 22 1 2 1.17Mpa MT W 查表=60mpa,故设计的轴强度满足。b 校核图如下图 3-5。 浙江理工大学本科毕业设计（论文） 35 图图 3-53-5 大齿轮轴校核图大齿轮轴校核图 3.83.8 回转工作台装配图回转工作台装配图 装配图见下图 3-6，3-7。 图图 3-63-6 回转工作台装配图主视图回转工作台装配图主视图 火箭燃料贮箱 FSW 焊接用组合夹具设计 36 图图 3-73-7 回转工作台装配图俯视图回转工作台装配图俯视图 浙江理工大学本科毕业设计（论文） 37 第第 4 4 章章 筒状体夹具设计筒状体夹具设计 4.14.1 机械加工工艺分析机械加工工艺分析 （1）加工形面：筒体与半球面体结合面 （2）形面尺寸：筒体圆柱度 0.02 mm （3）相互位置：筒体右端与半球面体底面接触重合，薄壁筒体与半球面体同轴。 （4）可用于定位的形面：底面支撑轮，薄壁筒体左端夹具，右端夹具。 筒体外圆轮廓直径：2250+0.2 mm，粗糙度 Ra=3.2m 筒体内圆轮廓直径：2230-0.4 mm，粗糙度 Ra=3.2m （5）相互位置：薄壁筒体与半球面体同轴。 4.24.2 夹具的结构方案夹具的结构方案 （1）确定定位方案 由于工件使用搅拌摩擦焊焊接，考虑到搅拌头轴向压力的存在，在焊缝处 应该有承力挡板。以中心轴为基准，根据左端夹具与右端夹具确定薄壁筒体在 x 轴方向上的位置，以底面支撑轮和中心轴高 H 定位筒体在 Y 轴上的高度，以 左右两端夹具定位筒体的 Z 轴坐标。 （2）确定夹紧机构 夹具零件之间选择螺栓固定，工件与夹具之间使用重力自压紧与压块几何 压紧。压块既可增大夹紧接触面积，又能防止回转工作台带动工件旋转时产生 偏转而破坏定位并且损伤工件表面。 （3）定位面与加工面的关系分析 定位误差计算：由加工工序知，加工面为半球面体底