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浙江理工大學本科畢業(yè)設計 論文 開題報告 班班 級級 09 機械設計制造及其自動化 4 班 姓姓 名名 唐筠超 課題名稱課題名稱 火箭燃料貯箱 FSW 焊接用組合夾具設計 開題報告開題報告 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 期研究成果 研究工作計劃等內(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 預期研究成果預期研究成果 4 研究工作計劃研究工作計劃 參考文獻參考文獻 開題報告全文附后 成績 成績 答答 辯辯 意意 見見 從選題 任務工作量 質(zhì)量預期 可行性等 幾個方面 答辯組長簽名 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焊接用組合夾具設計焊接用組合夾具設計 唐筠超 09機械設計制造及其自動化 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 尤其在航空航天 航 海船舶 高速列車 交通運輸?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)過程中 純 粹的焊接所需的工時其實才占總工時的三分之一不到 其余大量的時間都是花費在準備材料 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 耗時量的對比更加明顯 提高效 率的最好辦法是推廣自動化與機械化 而自動化程度高的生產(chǎn)線又缺少不了優(yōu)秀的夾具 優(yōu) 秀合適的夾具 對提高產(chǎn)品質(zhì)量 減輕焊接工人的勞動強度 加速焊接生產(chǎn)實現(xiàn)機械化 自 動化進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 金屬向攪拌頭后方流動形成 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 攪拌摩擦焊焊接過程是由一個圓柱體形狀的焊頭 welding pin 伸入 工件的接縫處 通過焊頭的高速旋轉(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 同時對材料進行攪拌摩擦來完成焊接的 1 攪拌摩擦焊全部焊接完成主要有三個過程 分別是焊具的插入 平移 抽出 1 4 攪拌摩擦焊在焊接過程中主要有三個力 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 也是設計夾具過程中最需要注意的 1 1 2 夾具的定義 夾具 定義為在機械制造加工過程中用來固定對象 使之占有正確的位置 以接受施工 或檢測的裝置 2 簡單的說就是裝夾和引導刀具的裝置 夾具發(fā)展到今天已經(jīng)有了完善的體 系 一般按工藝分 有機械加工中用的機床夾具 焊接過程中用于拼接的焊接夾具 裝配過 程中用的裝配夾具以及檢驗過程中用的檢驗夾具等 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 這里要設計的是摩擦焊設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雖然有各種優(yōu) 點 但是在焊接過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功能的前提下承受焊接壓力 夾具的結(jié)構(gòu)設計和研 究是焊接工藝設備的基礎 焊接工藝裝備是在焊接結(jié)構(gòu)生產(chǎn)的裝配與焊接過程中起配合及輔 助作用的夾具 機械裝置或設備的總稱 簡稱焊接工裝 提高焊接效率的最佳途徑是大力推 廣使用機械化和自動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)設計中主要完成的內(nèi)容包括 1 筒體夾具分析與設計 首先主要分析攪拌摩擦焊中FSW 5LH 012型設備的工作原理 由此展開來分析大部分薄壁 筒體在摩擦焊接過程中的受力情況 得出筒體在摩擦焊接過程中最容易變形的地方與受力的 方向 根據(jù)筒體在焊接過程中的特征和受力情況 分析出筒體在設備中的自由度以及相對應 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 各項數(shù)據(jù)尺寸根 據(jù)筒體大小來確定 對尺寸結(jié)構(gòu)等參數(shù)進行調(diào)整設計 確保設計出的夾具在正常焊接情況下 不會使筒體變形 筒體與球面體組裝焊接時需要環(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計 對于球面體夾具 主要分析FSW 7XB 008型攪拌摩擦焊設備的工作原理 設計過程相似于 設計筒體夾具 不過在模型建立與數(shù)據(jù)設計方面 球面體由于涉及到曲面機構(gòu) 會更加復雜 2 2 擬解決的主要問題擬解決的主要問題 通過設計使夾具在實現(xiàn)夾緊與定位 引導刀具這些基本功能的前提下 盡可能的使夾具體 能夠應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 通過減小夾具的體積 質(zhì)量來提高攪拌摩擦焊的工作效率 因為過大的體積與質(zhì)量不但影響外觀 而且不方便搬運與 使用 并且一旦質(zhì)量與體積達到一定限度 對夾具體下面的工件 因為工件成球面或者是薄 壁筒體 會帶來過大的負荷 導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 相對較小下的情況下提高夾具的精度與實用性 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期成果預期成果 我的畢業(yè)設計論文擬采用理論分析與三維建模的方法 在國內(nèi)外研究報告的基礎上 通 過對真實的攪拌摩擦焊設備的數(shù)據(jù)進行考證 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 并對其進行初步的受力分析 最后得到可靠又實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 詳細的思路方案包含以下四個方面 3 1 1 筒體夾具分析 在攪拌摩擦焊焊接過程中 保證回轉(zhuǎn)筒體的圓度 同心度 錯邊量 兩端面和筒體中心 線的垂直度 焊接強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 一般來說 攪拌摩擦焊應用的行業(yè)都 是大直徑深筒體 所以采用的夾具體積與質(zhì)量也會相對較大 這時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程中對焊接件下面帶來的額外負荷是否會造 成變形 而且對于攪拌摩擦焊的夾具來說 最重要的是要考慮怎樣的夾具樣式才能抵消焊接 過程中的軸向壓力 保證焊件不會因為焊接的原因在焊縫周圍出現(xiàn)形變 對于航空航天這些 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 這里主要設計的是環(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 參考國內(nèi)外文獻中的筒體夾具 這次采用四 個半圓緊固環(huán)和多個緊定螺釘對筒體進行兩端定位夾緊 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 簡單的說即清理第一面焊 縫的缺陷以便第二次焊縫進行 后再焊筒體外側(cè)焊縫 由于攪拌摩擦焊接不需要進行內(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保證筒體在 焊接過程中不受力彎曲變形就行 外部接觸面不用考慮 由此得出 要設計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 不會在焊接時給工人造成麻煩 最好是可以平移或 調(diào)距的 可以應付不同類型的環(huán)縫 最后的筒體夾具模型應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 需要考慮焊接過程中較大的軸向力對焊件與夾具所造成的形變 按照國內(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) 所以夾具與主動旋轉(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 實的底板才能夠在平衡軸向力的同時而不會使焊件變形 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看 最中間的圓是按實際情況來看是 空心平面環(huán)帶 用于與主動旋轉(zhuǎn)軸相連 最大的圓是整個夾具的底座 與最上面的環(huán)帶配合 來固定焊件并且用于定位 3 1 3 基于Pro Engineer Wildfire 5 0設計平臺的三維CAD設計 目前 隨著計算機輔助技術(shù)的不斷發(fā)展 三維造型軟件功能不斷完善 傳統(tǒng)的二維設計正 逐漸被三維實體設計所代替 Pro Engineer是一款在業(yè)界享有極高聲譽的全方位產(chǎn)品設計軟 件 它廣泛應用于汽車 航天航空 電子 模具 玩具 工業(yè)設計和機械制造等行業(yè) 1 設計初期 按照焊接設備的具體數(shù)據(jù) 運用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)詳細情況計算并修改與完善夾具模型的詳細數(shù)據(jù) 得到真實的 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 并按照機械繪圖的國標修 改完善 這次設計重點在于前期對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計所得的產(chǎn)品能提高摩擦焊焊接效率 切實可行的夾具是焊接工裝 的基礎 為推動焊接的機械化與自動化做出巨大貢獻 本次設計的筒體與球面體夾具可以用 于中國攪拌摩擦焊中心對應型號的設備 指導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 本設計的研究 方法思路經(jīng)過深思熟慮 切實可行 能夠確保畢業(yè)設計的順利完成并取得預期的研究成果 3 3 預期研究成果預期研究成果 設計出攪拌摩擦焊專用的筒體及球面體夾具 完成三維建模 通過二維繪圖與計算 保 證設計能較好的滿足設計要求 研究工作計劃研究工作計劃 起止時間 內(nèi)容 2012 11 01 2012 11 15 前期準備 2012 11 15 2012 12 01 翻譯 2012 12 01 2012 12 15 文獻綜述 2012 12 15 2013 01 01 開題報告 2013 01 01 2013 01 20 PPT 開題答辯 2013 01 20 2013 03 01 總體方案設計 模型雛形尺寸確立 2013 03 01 2013 04 15 三維繪圖 電機 減速器等數(shù)據(jù)計算 2013 04 15 2013 05 01 二維繪圖 論文撰寫 2013 05 01 2013 05 22 論文評閱與答辯 教師審閱評分 參考文獻參考文獻 1 百度百科資料 2 李名望 機床夾具設計實例教程 化學工業(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 塑性工學報 2012 4 5 董超 筒體直縫焊接用胎夾具設計 J 論文網(wǎng) 2011 5 6 汪蘇 薄壁筒體件車削柔性夾具 J 機械工人 冷加工 2004 9 7 W M Thomas E D Nicholas Friction stir welding for the transportation