c25惯性摩擦焊机主轴组件系统设计说明书.docx

1、c25惯性摩擦焊机主轴组件系统设计说明书 毕业设计题 目 C25惯性摩擦焊机主轴系统设计 （机械制图等全部源文件下载地址： 学生姓名 王金海 学号 1115092038 所在学院 机械工程学院 专业班级 机自专升本1102 指导教师 黄崇莉 _ _ 完成地点 校内 _ 完成时间 2013 年 6 月 10 日 本科毕业设计任务书 院 (系) 机械工程学院 专业班级机械设计制造及其自动化(机自专升本1102)学生姓名 王金海 一、毕业设计题目 C25惯性摩擦焊机主轴系统设计 二、毕业设计工作自_2012 _年_11_月_19_日 起至_2013 _年 6 月_20_日止三、毕业设计进行地点: 校

2、内 四、毕业设计内容要求： 在惯性摩擦焊中，一个工件连在飞轮上，另一个工件保持不动，飞轮被预先加到一定速度，贮存所需要的摩擦能量，然后脱离飞轮，静止工件进给使两工件相互摩擦产生摩擦热，在压力下使两工件结合在一起。设计内容包括：一部分设计C25惯性摩擦焊机液压滑台，为摩擦焊接提供足够的压力；另一部分设计液压滑台的控制系统，使其能实现压力闭环控制，并具有良好的人机界面。 具体任务如下: 1、了解惯性摩擦焊工艺和摩擦焊机的结构，完成开题报告和英文资料翻译。2、对C25惯性摩擦焊机主轴传动系统的转速、转矩以及摩擦能量进行研究， 确定主轴系统总体方案。绘制总体布局图1张，A1。 3、主轴系统和旋转夹具机

3、械部分设计，绘制机械部分装配图1张，A0。 4、主轴系统控制系统设计，设计控制电路和控制程序。绘制电气原理图1张，编写控制程序。 5、搭建控制电路的实验系统，调试程序。6、 编写设计说明书1份，格式和字数满足学院要求。指 导 教 师 系(教 研 室) 系(教研室)主任签名 批准日期 接受设计任务开始执行日期 学生签名 C25惯性摩擦焊机液压滑台设计王金海（陕理工机械工程学院机械设计制造及其自动化专业1102班级，陕西 汉中 723003）指导教师：黄崇莉摘要惯性摩擦焊接技术作为一种具有环保、节能、省材、高效的的新型焊接技术，经过多年的研究与发展，在航空航天工业、汽车、工程机械业、石油天然气、化

4、工业、核电设备和输变电业等许多工业部门得到广泛的应用，惯性摩擦焊接已经成为一种无可替代的加工手段。本文介绍了摩擦焊的原理、发展历程以及详细展示了惯性摩擦焊主轴组件的设计过程，设计选择了液压旋转夹具，并编制了电机的PLC控制系统。关键词惯性摩擦焊机；主轴系统；PLC控制Abstract Inertia friction welding technology, as a kind of environmental , energy saving, material saving and high efficient new type of welding technology, has been

5、wildly used in the aerospace industry, automobile, engineering machinery, petroleum, chemical industry, nuclear power equipment and power transmission and transformation industry and many other industries afteryears of development. Inertia friction welding has become an irreplaceable processing mean

6、s. Friction welding were introduced in this paper the principle, development process and details the inertia friction welding of spindle component design process ,design of the hydraulic rotary fixture, and preparation of the PLC control system of the motor. Key words Inertia friction welding machin

7、e; Spindle system; PLC control1.惯性摩擦焊简介1.1发展过程 直到上世纪60年代初期，美国的AMF、卡特皮勒拖拉机公司和洛克菲勒国际公司才开发出世界上第一台惯性摩擦焊机。在随后的几年罩卡特皮勒公司和AMF公司均开发出自己的、可用于实际销售的惯性摩擦焊机。两家公司的摩擦焊机上都使用了飞轮，用以储藏全部或部分焊接能量，AMF公司将这种焊接方法称为飞轮摩擦焊，而卡特皮勒公司则将其定名为现在通行的名称“惯性摩擦焊Inertia Friction Welding。经过几十年的开发，惯性摩擦焊接在诸多工业领域己取得了长足的进展，并成为许多工业部门中不可缺少的加工手段。 我国

8、从1957年通过封闭加压原理试验成功了铝一铜摩擦焊开始，经过将近50年的发展，惯性摩擦焊以其优质、精密、高效、节能的特色，在我国航空、航天、核工业、海洋开发等领域及电力、机械制造、石油钻探、汽车制造等产业部门都得到了广泛的应用。1.2现状及趋势 近几年来, 国内也开始研制生产惯性摩擦焊机，如长春数控机床有限公司研制了小吨位惯性焊机；中国兵器工业第五九研究所研制了25t惯性摩擦焊机。但是，国内与惯性摩擦焊机相配套的去飞边装置、自动上下料装置、焊后热处理及无损检验装置等虽有不同的类型，但还没有形成标准通用系列，我国此类产品有待发展。惯性摩擦焊是一种优质、高效、低耗、清洁的先进焊接制造工艺，在高新技

9、术产业和传统产业部门具有巨大的技术潜力和广阔的市场应用。通过与计算机、信息处理、软件、自动控制、过程模拟、虚拟制造等高技术的紧密结合，惯性摩擦焊正在以高新技术面貌展现在人们面前。1.3应用 1.3.1汽车和机械工业 惯性摩擦焊接自动化程度高、焊缝质量稳定，这对大批量、流水作业的汽车制造业尤其具有吸引力。目前汽车工业已成为惯性摩擦焊接最具活力的应用市场。在涡轮增压泵、安全气囊增压泵、变速器和齿轮轴、驱动轴等关键性零部件上的应用都取得了令人满意的效果，如图1.1。图1.1 汽车部件摩擦焊接在机械制造方面，惯性摩擦焊接主要用来焊接液压部件如液压缸、活塞杆，尤其是法兰与阀体的焊接，正在取代传统的手工电

10、弧焊接和埋弧焊接。另外在履带负重轮、减震器和齿轮泵转子的制造中也有应用。 1.3.2航空航天工业从20 世纪70 年代起, 以美国GE 公司为代表, 在军用航空发动机转子部件异种材料连接中, 率先成功地采用了此技术。美国Textron Lycoming 公司、P& W 公司及德国的MTU 公司和法国的海豚发动机等一些国外先进的航空发动机制造公司先后采用惯性摩擦焊工艺解决发动机制造中的异种材料连接, 并将其作为焊接高推重比航空发动机转子（如图1.2）部件的主导、典型和标准的工艺方法。尽管航空航天领域不是惯性摩擦焊接最大应用市场，但它在该领域的重要地位却是其它领域无法比拟的。该工艺被认为是目前航空

11、、导弹发动机转子部件制造中最为可靠的连接工艺。目前世界上最大的几台惯性摩擦焊机均是为航空航天制造业专门设计、制造的。例如，世界上最大惯性摩擦焊机就是由Manufacturing Technology Inc为通用电气公司航空发动机部制造的800型惯性摩擦焊机。该机功率高达600Kw，专门用于航空发动机转子部件的焊接除发动机转子部件的焊接外，惯性摩擦焊接还用于导弹头锥、火箭发动机管道、固体导弹发动机机体、直升机起落架等重要零部件制造中。 图1.2 采用惯性摩擦焊制造的航空发动机整体压气机转子 1.3.3石油天然气工业 在发达国家中惯性摩擦焊接己被大量用于石油钻杆的生产中，用以替代目前通用的连续驱

12、动摩擦焊及闪光对焊。另外，在油泵传动轴和控制阀轴的批量生产中惯性摩擦焊也被用来焊接普通碳素结构钢与耐蚀钢的异种材料接头，如图1.3。图1.3 石油钻杆摩擦焊 1.3.4核工业及电力工业 惯性摩擦焊接特别适用于异种材料的连接，从而解决了核电设备及输电设备行业的许多技术难题。核电设备的绝缘罩上的异种金属紧固件就是利用惯性摩擦焊生产的。输变电设备上广泛使用的铜一铝连接件，为了避免传统焊接方法造成的氧化、腐蚀和蠕变等缺陷，也有采用惯性摩擦焊生产的。另外惯性摩擦焊接也宜加工生产扳手套筒、高尔夫球杆等民用五金产品。1.4 惯性摩擦焊技术基础知识1.4.1惯性摩擦焊接原理焊前，待焊的一对工件中，一个夹持于旋

13、转夹具中央，称为旋转工件；另一件夹持于移动夹具上，称为移动工件。在惯性摩擦焊中，一个工件连在飞轮上，另一个工件保持不动，飞轮被预先加到一定速度，贮存所需要的摩擦能量，然后脱离飞轮，静止工件进给使两工件接触压紧并开始摩擦。物理过程 (1)摩擦焊接是通过加压和加热(热机械加工)在接触表面上产生塑性变形、表面激活、扩散和再结品相互作用而形成焊接接头。在惯性摩擦焊接条件下，摩擦表面发生的焊接现象传输出多种物理信息，如摩擦表面的粘着一剪切一犁沟现象、热电现象、塑性变形与塑性流动现象等。 (2)摩擦焊接表面加热过程及加热区域形成与扩展的研究表明，在初始摩擦阶段，摩擦表面的微凸体发生粘着，剪切和金属碎片的转

14、移。这个过程在摩擦面的某一环形区域进行的非常剧烈，是摩擦扭矩和摩擦热的主要形成区；当摩擦扭矩达到前峰值后，即开始过渡到摩擦加热阶段，摩擦表面被一层高温塑性金属所覆盖，但其厚度并不均匀，在原来的环形区域形成厚度较大的“深塑区”，其余称为“浅塑区”。摩擦扭矩也随之降低到一个较稳定的数值，称为平衡扭矩，在这一阶段中的摩擦扭矩主要是由深塑区金属的剪切引起；随着相对滑动速度降低，“深塑区”沿径向向摩擦副外表面扩展，其平均半径逐渐增大，摩擦扭矩又不断增大，形成后峰值扭矩。1.4.2惯性摩擦焊焊接阶段 对于给定的材料，在一定的摩擦压力和相对转动速度条件下，摩擦副相互摩擦并不断产生热量。根据界面的摩擦状态和产

15、生热量的情况摩擦焊接过程大致可分为以下几个阶段。 (1)初始摩擦阶段由于摩擦，焊接表面总是凹凸不平，加之存在有氧化膜、锈、油、灰尘以及吸附的气体等，所以，显示出的摩擦系数很小，随着接触后摩擦压力的逐渐增加，摩擦加热功率也逐渐增加。在初始摩擦阶段，凹凸不平互相压入的表面迅速产生塑性变形和机械挖掘现象，表面不平会引起震动，空气也可能进入摩擦表面。 (2)不稳定摩擦阶段摩擦破坏了待焊面的原始状态，打碎了覆盖在表面的氧化层，并开始将氧化膜碎片连同其它污物清除出摩擦面，使接触面变得更干净；同时伴随着表面原始状态的改变，摩擦面趋向于平整，使得真实的接触面积增大。 随实际接触面积增大，摩擦扭矩迅速升高，摩擦

16、加热功率提高，摩擦界面处的温度也随之上升，材料的塑性、韧性有较大的提高，机械挖掘现象减小，震动消除，出现高温塑性状态金属颗粒的“粘结”现象，而粘结在一起的金属又受扭矩作用而发生剪断，并相互过渡，摩擦界面逐渐被一层高温粘塑性金属所覆盖。接触良好的塑性金属封闭了摩擦面，使之与空气隔绝。此时，两侧工件的相对运动实际上发生在这层粘塑性金属内部，产热机制已由初期的摩擦产热转变为粘塑性金属层内的塑性变形产热。在热激活作用下，这层粘塑性金属发生动态再结晶，使流动应力降低，故摩擦扭矩升高到一定程度(前峰值扭矩)后逐渐降低。随着摩擦热量向两侧工件的传导，焊接面两侧的温度逐渐升高，在轴向压力作用下，焊合区金属发生

17、径向塑性流动，从而形成飞边，轴向缩短量逐渐增大。随摩擦时间延长，摩擦界面温度与摩擦扭矩基本恒定，高温区逐渐变宽，飞边逐渐增大。当摩擦焊接区的变形达到一定程度后，旋转工件转速已经很低(惯性摩擦焊)。此时，随着界面温度的降低，摩擦扭矩出现第二个峰值，即后峰值扭矩。在顶锻后的保压过程中，焊合区金属通过相互扩散与再结晶，使两侧金属牢固焊接在一起，从而完成焊接过程。在整个焊接过程中，摩擦界面温度一般不会超过熔点，故摩擦焊属于固相焊接。 (3)稳定摩擦阶段在这个阶段，材料的粘结现象减少，分子作用现象增强，摩擦系数很小，摩擦加热功率稳定在较低的水平。变形层在顶锻力的作用下，不断从摩擦表面被挤出，摩擦变形量不

18、断增大，飞边也增大。与此同时，变形层附近的金属又不断被加热达到塑性状态。(4)顶锻或停车阶段，工件转速已经降到很低，界面温度也下降了很多，变形量己经很小。这个阶段，伴随着焊缝金属产生变形、扩散以及再结晶，最终形成了结合牢固的接头。 1.4.3焊接过程中转速、扭矩变化规律与工艺特点如图1.4所示，为惯性摩擦焊接过程示意图和焊接过程中转速、轴向压力、扭矩和轴向缩短量的变化曲线。惯性摩擦焊具有如下特点：控制参数少(只有压力和转速)，便于实现自动控制；焊接参数稳定性好，接头质量稳定；能在短时问内释放较大能量，适于焊接大截面结构；焊接周期短，热影响区窄；不需用制动装置，焊机结构简单。在实际生产中，旋转的

19、飞轮储存了焊接过程中所需要的能量，在焊接过程中这些能量主要以摩擦热和塑性变形能的形式逐渐释放出来，以加热摩擦焊接头并产生塑性变形，从而实现焊件连接。飞轮的转动惯量可通过更换飞轮或不同尺寸飞轮的组合而加以改变。惯性摩擦焊的主要特点是恒压、变速，它将传统的连续驱动摩擦焊的加热和顶锻阶段结合在一起。 图1.4 惯性摩擦焊接中各项参数变化曲线 2.设计准备2.1选题的目的与意义 2.1.1选题目的 通过本次针对惯性摩擦焊机主轴系统的毕业设计，本人希望达到两方面目的：一方面，充分梳理所学知识，充分体验科研过程，作为未来工作的预演；另一方面，万丈高楼平地起，纵使初次设计定会有很多不足，但这是必不可少的第一

20、块砖，本人将以此为基础不断完善扩展，使之最终成为一型实用、先进的惯性摩擦焊机，为机械制造技术做出贡献。 2.1.2选题的研究意义 该工艺同连续摩擦焊相比, 工艺参数少, 参数稳定性好, 便于实现自动控制; 接头质量稳定; 焊接周期短, 热影响区窄。焊接时转速高、压力大, 能在短时间内释放较大的能量,适于焊接大截面以及空心结构。并且其在焊接异种材料和高强度材料方面有连续驱动摩擦焊不可替代的优势。相比传统的焊接方式，惯性摩擦焊被认为是最具前途的未来焊接方式之一。此研究对于探索、把握机械制造技术前沿有重要意义。2.2本设计将要解决的主要问题（1）了解惯性摩擦焊工艺和摩擦焊机的结构，根据要求确定主轴系

21、统总体方案。（2）研究C25惯性摩擦焊机主轴传动系统的转速、转矩以及摩擦能量。（3）着重设计主轴系统。（4）根据工作要求设计PLC控制电路。2.3设计方法论 首先复习专业基础知识，把握众多设计所需知识细节，以免设计过程中造成较大的误区，做好铺垫。然后开始设计，从大处着手，以做好统筹规划，避免各子问题后续不兼容。再大题化小，针对遇到的具体问题大量查阅资料，深入研究思考，在保证本设计实用性、可靠性的基础上，利用现代工业分工精细明确的经济全球化优势，尽量采用现有部件产品，以从规划之时即赋予本设计低成本、短周期等优良的综合效益。最后在设计全程中不断完善提高。一切立足实际与实用。2.4技术路线 网上搜集

22、惯性摩擦焊机外形图片及其加工工艺特点。从加工的能量需求出发，研究典型工件材料摩擦焊的加工参数，参考兵器工业第五九研究所研制的25t惯性摩擦焊机主要性能参数，将设计所需技术指标初步定为：主电机功率/ 18kW 最大工件直径/50 mm转速/ 5000rpm转动惯量/kg m2主轴 0. 33飞轮 2. 0 焊接工件的最大长度1500 mm 惯性摩擦焊不需用制动装置，焊机结构简单。绘制机械部分装配图，根据课题要求设计主轴等零件并绘制PLC控制电路。 3.主轴组件设计计算详细过程 近年来，国内开始研制生产惯性摩擦焊机，文中将介绍本人全自主设计的作为25 t 惯性摩擦焊机关键部件的主轴及其控制系统的具

23、体设计计算过程。 主轴系统包括旋转主轴、旋转夹紧油缸、轴承、飞轮等。3.1设计飞轮处轴径摩擦焊扭矩计算材料极缺乏，故只能据摩擦焊加工中扭矩峰值出现时即不稳定摩擦阶段时扭矩产生的原因材料因表面实际接触面积接近待焊接面积及不断粘合又剪断，将加工转矩近似按出现扭矩峰值时温度600到700时工件的高速剪断算。查资料，考虑足够裕度，选取工件的最大抗扭剪强度为=240Mpa（考虑了很大裕度，这既可保证对常见材料足够的加工能力，又使此摩擦焊机具有加工更难加工材料的潜力）。设计最大加工工件直径为50mm,计算得主轴最大工作扭矩查手册，主轴材料选用40Cr,其许用剪切强度。求得飞轮处最小直径。定内径d=53mm

24、，再考虑刚度，此处内外径之比选用0.45，实际选取飞轮处外径=d/=118mm。考虑此处需用两键传递加工扭矩，直径增大约7%，取整，增大至130mm。3.2设计飞轮处两键（利于高速旋转平衡）据加工中实际最大转矩（飞轮惯量及其能量只影响摩擦加工时间）7850Nm，选配飞轮处两键。单键最大需承力 而总转动惯量的些许变化不会对此影响很大，都在许用范围内。查手册，选用钢质键，其许用挤压应力取则 查手册，对于此大小的轴径，配用键的长度L须满足据标准，取L=90mm。综上，选用两个规格为321890的B型键。3.3设计键槽（飞轮及轴上） 将键定位于轮毂正中央以使飞轮受力均匀。查手册，可选取轮毂长，此直径轴

25、段与轮毂配合长度为144mm，以余下2mm长度用于让轴套接触并夹紧。飞轮上键槽需开为全通的，而不能有封闭口，以使用拉刀加工可行。为减小应力集中，考虑键离键槽距离0.2mm，且键的圆角为0.6到0.8mm，将键槽内最长棱边倒0.8mm的圆角。轴上键槽，为使疲劳应力本就较大的此处抗疲劳强度增大，选用盘铣刀加工,键槽棱边要倒0.5mm的圆角以进一步减小应力集中（三维图中因中间一处修改而致此特征生成失败了）。3.4键与键槽的配合查手册，选用N9/h9。可用锤子打入。键槽与键侧面表面粗糙度分别为,。键槽两侧面相对于轴线的平行度和对称度公差均为轴槽宽度(32 mm)公差IT8(铣键槽的最大精度)的一半，即

26、39/2m=19.5m。 3.5设计飞轮 此设计的性能指标除最大加工工件直径为50mm，略小于中国兵器工业第五九研究所设计的C25摩擦焊机最大加工工件直径60mm外，其他有关设计指标均同，故转动惯量参照此成品C25摩擦焊机转动惯量选定，取1.8Kg。飞轮直径最好不要太大，以减小尺寸，也不可太小，否则质量会太大，初定为其边缘速度 据此速度，查机械设计手册“黄皮书”（老版）30-83页，宜采用“轧钢板式”飞轮。板式飞轮制造简单，且校核简单。则飞轮除轮毂外的质量得厚度 查标准，飞轮轮毂长度定为（与其配合处轴颈长144mm），这足以保证轮毂与主轴足够的同轴度。轮毂与主轴的配合选用H7/r6，为小过盈，

27、需要时可拆卸。查手册，此段轴颈与毂孔配合表面粗糙度也均选用，可精车或磨削达到。但为减小应力，提高疲劳强度，在主轴上开一卸荷槽，查手册，截面直径d=130/1.07=7mm。3.6飞轮的校核 飞轮为等厚圆盘状，故可直接据高速旋转等厚圆盘的强度校核公式计算校核。据公式知飞轮上周向最大拉伸应力出现在轮缘，为最大剪应力出现在处轮毂、轮盘接界处，为最大径向应力出现在据盘心处，为可见飞轮此三处强度足够，但仍通过在盘、毂过渡处加适当大圆角，并对此三危险处进行表面强化处理（如抛光、喷丸、渗氮或碳及表面淬火等）强化其抗疲劳强度。另外，应据“剪应力-半径曲线”对轮盘表面进行不同程度强化处理。因时间紧张致飞轮设计不

28、足而需改进之处是，可据考虑三种应力的“当量应力-半径”曲线确定飞轮盘不同半径处的厚度，而这在数控机床上容易实现，并可优化强度及节省材料。3.7飞轮的；配合、轴向定位及夹紧由于飞轮高速转动，为使飞轮与轴配合紧密且对中性好，减小振动。查手册，参照轴与滚动轴承配合轴颈的圆柱度，此处轴颈圆柱度定为直径公差的1/2,为12.5m，径向圆跳动为2IT3=12m。因为轮毂长度146mm与配合直径130mm之比明显大于0.8，故可不标注下文所述飞轮套筒的端面圆跳动。用轴肩定位，但为使后面使用较小内径轴承与为使推力轴承装配方便，轴肩高选择4mm。此处弯曲应力较大且为r=-1的稳定循环变应力。为减小此处应力集中，

29、将此轴肩完全倒角，即倒C=4mm的倒角。但这显然不易定位固定飞轮，故用一厚套筒（内径一侧处一C=4的倒角，保证精度，以与轴上倒角充分接触）定位。而且这还可增大定位飞轮的端面面积。同时这完全可以达到。飞轮轮毂较此处轴颈突出2mm，在主轴上加工螺纹，用规格为M1202的小圆螺母配同规格止动垫圈加短套筒夹紧飞轮。3.8液压夹具的设计选择本设计旨在通过所学知识实际实用化开发设计，液压夹具本身复杂，时间紧迫，自身设计不可行也不专业，且已有很多公司专业生产，故选择成品，而将精力重点放在机床重要部件之主轴等需自设计零件设计上，以优化时间管理，节约成本，提高可行性，做出必要努力。选用江阴市伊科赛机械有限公司的

30、K55210型三爪高速中空动力卡盘（与本设计相关主要参数：最高转速5000rpm,净重23.6Kg,通孔直径52mm,长度约165mm,直径210mm,最大拉力34.8KN，最大净夹紧力86KN）及P25155型高速中空回转油缸（与本设计相关主要参数：最高转速6200rpm,净重16.8Kg,通孔直径59.6mm，长度约265mm,直径196mm，最大推、拉力分别为60KN、56KN）。单纯靠卡盘夹紧以承受25t的力是不可行的，因为工件本身也受不了。故工件必须做出一台阶以承受25t的力。夹具与主轴端部通过该公司提供的专门法兰盘连接。3.9主轴组件总转动惯量的估算 卡盘、旋转油缸及其法兰的总长L

31、1430mm,另加其与主轴前支承间必要长度L2110mm（包括主轴头法兰厚度35mm,轴承半宽度30mm,轴承端盖长度22mm及轴承端盖必要拆装空间长度23mm）,得前伸长L=L1+L2540mm.此摩擦焊机精度不必太高，查手册，初选悬伸比A/L1.7,得前后支承间距A=1.7L=918mm。考虑主轴尾部必要长度，主轴转动惯量计算长度定为1200mm。平均直径近似选取飞轮处直径130mm。则主轴的转动惯量近似按外径为130mm，内径为53mm，长为1200mm的厚钢筒计算如下 考虑上其他零部件等的主轴前伸部分与卡盘、旋转油缸的总转动惯量 则主轴组件总转动惯量3.10离合器的选择 设计最高转速n=5000r/m。主轴组件脱离驱动时的能量 选配功率18Kw的电机,估算加速时间则加速度离合器传递转矩考虑转矩并不均匀，而必定是有一峰值，加一裕度系数，计算转矩 查手册，选择电磁牙签式离合器。牙形选择斜梯形，其较正梯形牙结合更容易，其单向传递转矩性能也适合摩擦焊工况。采用轴端压板轴向固定离合器。选择外径D=50mm,许用转矩的规格。其体积小，两键槽对称配置，高速