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浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 開題報(bào)告 班班 級(jí)級(jí) 09 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 4 班 姓姓 名名 唐筠超 課題名稱課題名稱 火箭燃料貯箱 FSW 焊接用組合夾具設(shè)計(jì) 開題報(bào)告開題報(bào)告 包括選題意義 研究的基本內(nèi)容與擬解決的主要問題 總體研究思路與可行性分析及預(yù) 期研究成果 研究工作計(jì)劃等內(nèi)容 非藝術(shù)類不少于 3000 字 目目 錄錄 1 選題選題的背景與意義的背景與意義 1 1 定義定義 1 2 研究意義研究意義 2 研究的基本內(nèi)容與擬解決的主要問題研究的基本內(nèi)容與擬解決的主要問題 2 1 基本內(nèi)容基本內(nèi)容 2 2 擬解決的主要問題擬解決的主要問題 3 研究的基本內(nèi)容與擬解決的主要問題研究的基本內(nèi)容與擬解決的主要問題 3 1 研究思路研究思路方案方案 3 2 可行性分析可行性分析 3 3 預(yù)期研究成果預(yù)期研究成果 4 研究工作計(jì)劃研究工作計(jì)劃 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn) 開題報(bào)告全文附后 成績(jī) 成績(jī) 答答 辯辯 意意 見見 從選題 任務(wù)工作量 質(zhì)量預(yù)期 可行性等 幾個(gè)方面 答辯組長(zhǎng)簽名 年 月 日 系系 主主 任任 審審 核核 意意 見見 簽名 年 月 日 火箭燃料貯箱火箭燃料貯箱FSWFSW焊接用組合夾具設(shè)計(jì)焊接用組合夾具設(shè)計(jì) 唐筠超 09機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 4 班 Q09310124 1 選題的背景與意義選題的背景與意義 攪拌摩擦焊在 21 年的發(fā)展歷程中為世界制造業(yè)做出了巨大的貢獻(xiàn) 尤其在航空航天 航 海船舶 高速列車 交通運(yùn)輸?shù)雀呖萍籍a(chǎn)業(yè)方面表現(xiàn)突出 1 而在摩擦焊接生產(chǎn)過(guò)程中 純 粹的焊接所需的工時(shí)其實(shí)才占總工時(shí)的三分之一不到 其余大量的時(shí)間都是花費(fèi)在準(zhǔn)備材料 裝配以及其他輔助工作上 這些工作直接影響了焊接的效率與工廠的工作進(jìn)度 尤其是現(xiàn)在 這種大量使用高效率高質(zhì)量的攪拌摩擦焊焊接工藝的情況 耗時(shí)量的對(duì)比更加明顯 提高效 率的最好辦法是推廣自動(dòng)化與機(jī)械化 而自動(dòng)化程度高的生產(chǎn)線又缺少不了優(yōu)秀的夾具 優(yōu) 秀合適的夾具 對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量 減輕焊接工人的勞動(dòng)強(qiáng)度 加速焊接生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)機(jī)械化 自 動(dòng)化進(jìn)程等諸方面起著非常重要的作用 1 1 定義定義 1 1 1 攪拌摩擦焊定義 攪拌摩擦焊 英文全稱為 friction stir welding 簡(jiǎn)稱 FSW 是利用高速旋轉(zhuǎn)的攪拌頭和封 肩與金屬摩擦生熱使金屬處于塑性狀態(tài) 隨著攪拌頭向前移動(dòng) 金屬向攪拌頭后方流動(dòng)形成 致密焊縫的一種固相焊方法 4 攪拌摩擦焊方法與常規(guī)摩擦焊一樣 也是利用摩擦熱作為焊 接熱源 不同之處在于 攪拌摩擦焊焊接過(guò)程是由一個(gè)圓柱體形狀的焊頭 welding pin 伸入 工件的接縫處 通過(guò)焊頭的高速旋轉(zhuǎn) 使其與焊接工件材料摩擦 從而使連接部位的材料溫 度升高軟化 同時(shí)對(duì)材料進(jìn)行攪拌摩擦來(lái)完成焊接的 1 攪拌摩擦焊全部焊接完成主要有三個(gè)過(guò)程 分別是焊具的插入 平移 抽出 1 4 攪拌摩擦焊在焊接過(guò)程中主要有三個(gè)力 分別為軸向壓力 縱向力 橫向力 由于軸向 載荷最大 所以軸向壓力是主要力 也是設(shè)計(jì)夾具過(guò)程中最需要注意的 1 1 2 夾具的定義 夾具 定義為在機(jī)械制造加工過(guò)程中用來(lái)固定對(duì)象 使之占有正確的位置 以接受施工 或檢測(cè)的裝置 2 簡(jiǎn)單的說(shuō)就是裝夾和引導(dǎo)刀具的裝置 夾具發(fā)展到今天已經(jīng)有了完善的體 系 一般按工藝分 有機(jī)械加工中用的機(jī)床夾具 焊接過(guò)程中用于拼接的焊接夾具 裝配過(guò) 程中用的裝配夾具以及檢驗(yàn)過(guò)程中用的檢驗(yàn)夾具等 焊接夾具是為了保證焊件尺寸 提高裝 配精度和效率 防止焊接變形所采用的夾具 這里要設(shè)計(jì)的是摩擦焊設(shè)備的筒體夾具與球面體夾具 按工藝分屬于焊接夾具 1 2 研究研究意義意義 火箭燃料貯箱主要由薄壁筒體與兩端半球面體構(gòu)成 用攪拌摩擦焊焊接時(shí)雖然有各種優(yōu) 點(diǎn) 但是在焊接過(guò)程中特有的較大的軸向壓力也不可忽略 航天器具有高精度要求 因此需 要一種特制的夾具 在保證一般夾具基礎(chǔ)功能的前提下承受焊接壓力 夾具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和研 究是焊接工藝設(shè)備的基礎(chǔ) 焊接工藝裝備是在焊接結(jié)構(gòu)生產(chǎn)的裝配與焊接過(guò)程中起配合及輔 助作用的夾具 機(jī)械裝置或設(shè)備的總稱 簡(jiǎn)稱焊接工裝 提高焊接效率的最佳途徑是大力推 廣使用機(jī)械化和自動(dòng)化程度較高的焊接工裝 2 研究的基本內(nèi)容研究的基本內(nèi)容與與擬解決的主要問題擬解決的主要問題 2 1 基本內(nèi)容基本內(nèi)容 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中主要完成的內(nèi)容包括 1 筒體夾具分析與設(shè)計(jì) 首先主要分析攪拌摩擦焊中FSW 5LH 012型設(shè)備的工作原理 由此展開來(lái)分析大部分薄壁 筒體在摩擦焊接過(guò)程中的受力情況 得出筒體在摩擦焊接過(guò)程中最容易變形的地方與受力的 方向 根據(jù)筒體在焊接過(guò)程中的特征和受力情況 分析出筒體在設(shè)備中的自由度以及相對(duì)應(yīng) 的筒體夾具所要具備的夾緊面與定位面 筒體夾具模型用Pro Engineer建立 各項(xiàng)數(shù)據(jù)尺寸根 據(jù)筒體大小來(lái)確定 對(duì)尺寸結(jié)構(gòu)等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整設(shè)計(jì) 確保設(shè)計(jì)出的夾具在正常焊接情況下 不會(huì)使筒體變形 筒體與球面體組裝焊接時(shí)需要環(huán)縫焊接 夾具可以與筒體夾具通用 2 球面體夾具的分析與設(shè)計(jì) 對(duì)于球面體夾具 主要分析FSW 7XB 008型攪拌摩擦焊設(shè)備的工作原理 設(shè)計(jì)過(guò)程相似于 設(shè)計(jì)筒體夾具 不過(guò)在模型建立與數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)方面 球面體由于涉及到曲面機(jī)構(gòu) 會(huì)更加復(fù)雜 2 2 擬解決的主要問題擬解決的主要問題 通過(guò)設(shè)計(jì)使夾具在實(shí)現(xiàn)夾緊與定位 引導(dǎo)刀具這些基本功能的前提下 盡可能的使夾具體 能夠應(yīng)用于更多種類的筒體或球面體 而不是局限于同一直徑的工件 通過(guò)減小夾具的體積 質(zhì)量來(lái)提高攪拌摩擦焊的工作效率 因?yàn)檫^(guò)大的體積與質(zhì)量不但影響外觀 而且不方便搬運(yùn)與 使用 并且一旦質(zhì)量與體積達(dá)到一定限度 對(duì)夾具體下面的工件 因?yàn)楣ぜ汕蛎婊蛘呤潜?壁筒體 會(huì)帶來(lái)過(guò)大的負(fù)荷 導(dǎo)致工件下方也可能出現(xiàn)形變 如何在保證夾具體體積與質(zhì)量 相對(duì)較小下的情況下提高夾具的精度與實(shí)用性 是問題的關(guān)鍵 3 研究思路研究思路方案方案 可行性分析可行性分析及及預(yù)期成果預(yù)期成果 我的畢業(yè)設(shè)計(jì)論文擬采用理論分析與三維建模的方法 在國(guó)內(nèi)外研究報(bào)告的基礎(chǔ)上 通 過(guò)對(duì)真實(shí)的攪拌摩擦焊設(shè)備的數(shù)據(jù)進(jìn)行考證 用三維Pro E環(huán)境完成筒體與夾具體的三維模 型 畫出二維的圖紙 并對(duì)其進(jìn)行初步的受力分析 最后得到可靠又實(shí)用的攪拌摩擦焊專用 夾具 3 1 研究思路研究思路方案方案 詳細(xì)的思路方案包含以下四個(gè)方面 3 1 1 筒體夾具分析 在攪拌摩擦焊焊接過(guò)程中 保證回轉(zhuǎn)筒體的圓度 同心度 錯(cuò)邊量 兩端面和筒體中心 線的垂直度 焊接強(qiáng)度等是筒體在具體制造中需要解決的關(guān)鍵技術(shù)難題 為了保證以上條件 就需要正確選用筒體夾具 目前國(guó)內(nèi)外的筒體夾具形狀各式各樣 但按筒體的直徑分大致有兩種 一種適用于是大 直徑 深筒體的夾具 另一種是用于小直徑筒體的夾具 一般來(lái)說(shuō) 攪拌摩擦焊應(yīng)用的行業(yè)都 是大直徑深筒體 所以采用的夾具體積與質(zhì)量也會(huì)相對(duì)較大 這時(shí)不單單要考慮夾具能否滿 足定位夾緊等基本要求 還得考慮夾具在焊接過(guò)程中對(duì)焊接件下面帶來(lái)的額外負(fù)荷是否會(huì)造 成變形 而且對(duì)于攪拌摩擦焊的夾具來(lái)說(shuō) 最重要的是要考慮怎樣的夾具樣式才能抵消焊接 過(guò)程中的軸向壓力 保證焊件不會(huì)因?yàn)楹附拥脑蛟诤缚p周圍出現(xiàn)形變 對(duì)于航空航天這些 高科技產(chǎn)業(yè) 焊接產(chǎn)品的高精度要求是最重要的 按照目前筒體的焊接方式分 有直縫與環(huán)縫兩種形式 這里主要設(shè)計(jì)的是環(huán)縫焊接類的 筒體夾具 首先 夾具要滿足最基本的夾緊定位要求 參考國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)中的筒體夾具 這次采用四 個(gè)半圓緊固環(huán)和多個(gè)緊定螺釘對(duì)筒體進(jìn)行兩端定位夾緊 由于焊接零件是筒體 焊接形式為環(huán)縫焊接 那么考慮到筒體必須滿足圓度與同心度要 求 并且要有足夠的支撐面來(lái)承受攪拌頭的軸向壓力 夾具就需要在筒體焊件的內(nèi)部有足夠 的接觸面 普通環(huán)縫的焊接順序一般是先焊筒體內(nèi)側(cè)焊縫 把外側(cè)清根 簡(jiǎn)單的說(shuō)即清理第一面焊 縫的缺陷以便第二次焊縫進(jìn)行 后再焊筒體外側(cè)焊縫 由于攪拌摩擦焊接不需要進(jìn)行內(nèi)側(cè)焊 接 也不需要清根 所以只需要筒體夾具內(nèi)部與焊接件接觸處有足夠的支撐面來(lái)保證筒體在 焊接過(guò)程中不受力彎曲變形就行 外部接觸面不用考慮 由此得出 要設(shè)計(jì)的筒體夾具必須在筒體內(nèi)側(cè)焊縫處有 底板 或者叫受力擋板 而 且 底板 與筒體的距離必須是可調(diào)的 不會(huì)在焊接時(shí)給工人造成麻煩 最好是可以平移或 調(diào)距的 可以應(yīng)付不同類型的環(huán)縫 最后的筒體夾具模型應(yīng)該是由兩端的定位夾緊面與環(huán)形焊縫處內(nèi)側(cè)可移動(dòng)或可拆卸的環(huán) 形帶狀面構(gòu)成 3 1 2 球面體夾具分析 目前國(guó)內(nèi)外用于空間曲面的夾具較少 而且有涉及的大多數(shù)都是對(duì)小型非圓曲面的研究 本文所提到的球面體夾具則是用于攪拌摩擦焊焊接過(guò)程的專用大型夾具 與普通的空間球面 夾具相比 需要考慮焊接過(guò)程中較大的軸向力對(duì)焊件與夾具所造成的形變 按照國(guó)內(nèi)外的球面體夾具擺放位置分 有外夾緊與內(nèi)夾緊的區(qū)別 攪拌摩擦焊加工過(guò)程 多數(shù)為曲面的外部焊接 故選用內(nèi)夾緊方式 為了滿足焊接精確度的要求 需要焊件在焊接過(guò)程中保持位置度與同心度不偏移 并且 根據(jù)施工要求 夾具需要繞軸旋轉(zhuǎn) 所以?shī)A具與主動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸之間需要有固定連接 能夠承受 足夠的扭矩 由于前面提到的焊接過(guò)程中較大的軸向力的存在 需要在焊接軌跡下有 底板 足夠厚 實(shí)的底板才能夠在平衡軸向力的同時(shí)而不會(huì)使焊件變形 但是球面體需要的 底板 與筒狀 體不同 筒狀體只需要環(huán)狀寬帶型承受面 而球面體則是由多條小型的彎曲的寬帶型曲面與 三個(gè)環(huán)狀固定寬曲面構(gòu)成 其中條狀寬帶曲面用于平衡軸向力 提供給焊接過(guò)程做夠的受力 面積 而環(huán)狀固定面用于連接所有的曲面 構(gòu)成夾具的本體 截取一半的簡(jiǎn)略俯視圖如圖1 所示 圖圖1 1 俯視圖俯視圖 這里的環(huán)形為固定面 直線均為三維空間里的彎曲條狀寬帶面 小圓為兩種曲面的接觸 部分 也即固定連接部分 整體的夾具如果從俯視圖來(lái)看 最中間的圓是按實(shí)際情況來(lái)看是 空心平面環(huán)帶 用于與主動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸相連 最大的圓是整個(gè)夾具的底座 與最上面的環(huán)帶配合 來(lái)固定焊件并且用于定位 3 1 3 基于Pro Engineer Wildfire 5 0設(shè)計(jì)平臺(tái)的三維CAD設(shè)計(jì) 目前 隨著計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)的不斷發(fā)展 三維造型軟件功能不斷完善 傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)正 逐漸被三維實(shí)體設(shè)計(jì)所代替 Pro Engineer是一款在業(yè)界享有極高聲譽(yù)的全方位產(chǎn)品設(shè)計(jì)軟 件 它廣泛應(yīng)用于汽車 航天航空 電子 模具 玩具 工業(yè)設(shè)計(jì)和機(jī)械制造等行業(yè) 1 設(shè)計(jì)初期 按照焊接設(shè)備的具體數(shù)據(jù) 運(yùn)用Pro E軟件先大概描繪出夾具的大致形狀 確 定以后的夾具的形狀 再根據(jù)詳細(xì)情況計(jì)算并修改與完善夾具模型的詳細(xì)數(shù)據(jù) 得到真實(shí)的 模型 3 1 4 主要部件的二維畫圖 參考得于Pro E的模型與數(shù)據(jù) 畫出一些主要零件的二維圖紙 并按照機(jī)械繪圖的國(guó)標(biāo)修 改完善 這次設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于前期對(duì)焊件受力情況與夾具具體形狀的分析 與普通夾具相比 需要 考慮攪拌摩擦焊焊接過(guò)程中焊件受力的特殊性 3 2 可行性分析可行性分析 攪拌摩擦焊的夾具設(shè)計(jì)所得的產(chǎn)品能提高摩擦焊焊接效率 切實(shí)可行的夾具是焊接工裝 的基礎(chǔ) 為推動(dòng)焊接的機(jī)械化與自動(dòng)化做出巨大貢獻(xiàn) 本次設(shè)計(jì)的筒體與球面體夾具可以用 于中國(guó)攪拌摩擦焊中心對(duì)應(yīng)型號(hào)的設(shè)備 指導(dǎo)老師及其課題組在攪拌摩擦焊的相關(guān)研究方面具有很多成功的經(jīng)驗(yàn) 本設(shè)計(jì)的研究 方法思路經(jīng)過(guò)深思熟慮 切實(shí)可行 能夠確保畢業(yè)設(shè)計(jì)的順利完成并取得預(yù)期的研究成果 3 3 預(yù)期研究成果預(yù)期研究成果 設(shè)計(jì)出攪拌摩擦焊專用的筒體及球面體夾具 完成三維建模 通過(guò)二維繪圖與計(jì)算 保 證設(shè)計(jì)能較好的滿足設(shè)計(jì)要求 研究工作計(jì)劃研究工作計(jì)劃 起止時(shí)間 內(nèi)容 2012 11 01 2012 11 15 前期準(zhǔn)備 2012 11 15 2012 12 01 翻譯 2012 12 01 2012 12 15 文獻(xiàn)綜述 2012 12 15 2013 01 01 開題報(bào)告 2013 01 01 2013 01 20 PPT 開題答辯 2013 01 20 2013 03 01 總體方案設(shè)計(jì) 模型雛形尺寸確立 2013 03 01 2013 04 15 三維繪圖 電機(jī) 減速器等數(shù)據(jù)計(jì)算 2013 04 15 2013 05 01 二維繪圖 論文撰寫 2013 05 01 2013 05 22 論文評(píng)閱與答辯 教師審閱評(píng)分 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn) 1 百度百科資料 2 李名望 機(jī)床夾具設(shè)計(jì)實(shí)例教程 化學(xué)工業(yè)出版社 M 2009 8 3 張昭 張洪武 攪拌摩擦焊接中攪拌頭的受力分析 J 維普資訊 2006 28 6 857 86 4 萬(wàn)震宇 張昭 基于網(wǎng)格重剖分的攪拌摩擦焊接數(shù)值模擬及攪拌頭受力分析 J 塑性工學(xué)報(bào) 2012 4 5 董超 筒體直縫焊接用胎夾具設(shè)計(jì) J 論文網(wǎng) 2011 5 6 汪蘇 薄壁筒體件車削柔性?shī)A具 J 機(jī)械工人 冷加工 2004 9 7 W M Thomas E D Nicholas Friction stir welding for the transportation