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學(xué)士學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明
本人聲明，所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立完成的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含法律意義上已屬于他人的任何形式的研究成果,也不包含本人已用于其他學(xué)位申請(qǐng)的論文或成果。對(duì)本文的研究作出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式表明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。
作者簽名： 日期：
學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū)
本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)南昌航空工業(yè)學(xué)院可以將本論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。
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導(dǎo)師簽名： 日期：
畢業(yè)設(shè)計(jì)（外文翻譯）
題 目：C型攪拌摩擦焊機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
系 別： 航空工程系
專(zhuān)業(yè)名稱(chēng)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
班級(jí)學(xué)號(hào)： 078105337
學(xué)生姓名： 袁 振 東
指導(dǎo)教師： 張 曉 榮
二O一一 年 六 月
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)題報(bào)告
題目 C型攪拌摩擦焊機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
專(zhuān) 業(yè) 名 稱(chēng) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
班 級(jí) 學(xué) 號(hào) 078105337
學(xué) 生 姓 名 袁 振 東
指 導(dǎo) 教 師 張 曉 榮
填 表 日 期 2011 年 3月 15日
說(shuō) 明
開(kāi)題報(bào)告應(yīng)結(jié)合自己課題而作，一般包括：課題依據(jù)及課題的意義、國(guó)內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢(shì)（含文獻(xiàn)綜述）、研究?jī)?nèi)容及實(shí)驗(yàn)方案、目標(biāo)、主要特色及工作進(jìn)度、參考文獻(xiàn)等內(nèi)容。以下填寫(xiě)內(nèi)容各專(zhuān)業(yè)可根據(jù)具體情況適當(dāng)修改。但每個(gè)專(zhuān)業(yè)填寫(xiě)內(nèi)容應(yīng)保持一致。
一、 課題的意義
攪拌摩擦焊技術(shù)發(fā)明至今14年以來(lái)，無(wú)論在國(guó)外還是在國(guó)內(nèi)，已經(jīng)成功跨出試驗(yàn)研究階段，發(fā)展成為在鋁合金結(jié)構(gòu)制造中可以替代熔焊技術(shù)的工業(yè)化實(shí)用的固相連接技術(shù)；這項(xiàng)新型的焊接技術(shù)在航空航天飛行器、高速艦船快艇、高速軌道列車(chē)、汽車(chē)等輕型化結(jié)構(gòu)以及各種鋁合金型材拼焊結(jié)構(gòu)制造中，已經(jīng)展示出顯著的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益，諸如：根除了熔焊所固有的焊接缺陷（氣孔、凝固裂紋等）、提高了接頭和結(jié)構(gòu)的連接質(zhì)量、降低了焊接變形等;并且在其他輕金屬如鎂、銅、鋅等材料結(jié)構(gòu)的制造中也正在實(shí)施工程化應(yīng)用。
與攪拌摩擦焊相適應(yīng)的焊接新裝備和攪拌工具的發(fā)展也非?？?，為實(shí)施攪拌摩擦焊工藝方案（如消除攪拌匙孔）及提高各類(lèi)材料接頭的質(zhì)量，各種類(lèi)別的新型攪拌摩擦焊接設(shè)備、自動(dòng)化裝置及機(jī)器人攪拌摩擦焊機(jī)等相繼問(wèn)世。
攪拌摩擦焊目前的發(fā)展目標(biāo)之一是攻克在高熔點(diǎn)金屬材料連接中的難題，諸如：普通碳鋼、不銹鋼、鈦合金、甚至高溫合金等結(jié)構(gòu)材料的固相連接，進(jìn)一步優(yōu)化攪拌工具的型體設(shè)計(jì)與材料選取，以及焊接過(guò)程參數(shù)的監(jiān)控及焊接質(zhì)量實(shí)時(shí)檢測(cè)和控制,制訂標(biāo)準(zhǔn)。
二、國(guó)內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢(shì)（含文獻(xiàn)綜述）：
1991年,英國(guó)焊接研究所（The Welding Institute-TWI）發(fā)明了攪拌摩擦焊（Friction Stir Welding-FSW），這項(xiàng)杰出的焊接技術(shù)發(fā)明正在為世界制造技術(shù)的進(jìn)步做出貢獻(xiàn)。
在國(guó)外,攪拌摩擦焊已經(jīng)在諸多制造領(lǐng)域達(dá)到規(guī)模化、工業(yè)化的應(yīng)用水平。如在船舶制造領(lǐng)域，在1996年攪拌摩擦焊就在挪威MARINE公司成功地應(yīng)用在鋁合金快速艦船的甲板、側(cè)板等結(jié)構(gòu)件的流水線制造。在軌道車(chē)輛制造領(lǐng)域，日本HITACHI公司首先于1997年將攪拌摩擦焊技術(shù)應(yīng)用于列車(chē)車(chē)體的快速低成本制造，成功實(shí)現(xiàn)了大壁板鋁合金型材的工業(yè)化制造。在世界宇航制造領(lǐng)域，攪拌摩擦焊已經(jīng)成功代替熔焊實(shí)現(xiàn)了大型空間運(yùn)載工具如運(yùn)載火箭和航天飛機(jī)等的大型高強(qiáng)鋁合金燃料貯箱的制造，波音公司的DELTA II型和IV型火箭已經(jīng)全部實(shí)現(xiàn)了攪拌摩擦焊制造，并于1999年首次成功發(fā)射升空。2000年世界汽車(chē)工業(yè)，如美國(guó)TOWER汽車(chē)公司等就利用攪拌摩擦焊實(shí)現(xiàn)了汽車(chē)懸掛支架、輕合金車(chē)輪、防撞緩沖器、發(fā)動(dòng)機(jī)安裝支架以及鋁合金車(chē)身的焊接。2002年8月，美國(guó)月蝕航空公司利用FSW技術(shù)研制出了全攪拌摩擦焊輕型商用飛機(jī)，并且首次試飛成功。
截至2004年9月，全世界約有130家各個(gè)行業(yè)的公司和大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)獲得了英國(guó)焊接研究所授權(quán)的攪拌摩擦焊非獨(dú)占性專(zhuān)利許可。已經(jīng)有多個(gè)國(guó)家如：英國(guó)、美國(guó)、法國(guó)、德國(guó)、瑞典、日本和中國(guó)等, 把攪拌摩擦焊技術(shù)擴(kuò)大應(yīng)用的同時(shí),在世界范圍內(nèi)申請(qǐng)了與攪拌摩擦焊相關(guān)技術(shù)的專(zhuān)利.自1997年起平均每年有100～120項(xiàng)攪拌摩擦焊技術(shù)專(zhuān)利申請(qǐng);到2004年底，全世界已經(jīng)公開(kāi)的攪拌摩擦焊專(zhuān)利申請(qǐng)達(dá)到了1218項(xiàng)。
作為一種新型制造產(chǎn)業(yè),攪拌摩擦焊技術(shù)正在世界范圍內(nèi)興起！
1 攪拌摩擦焊的技術(shù)特點(diǎn)
攪拌摩擦焊作為一項(xiàng)新型焊接方法，用很短的時(shí)間就完成了從發(fā)明到工業(yè)化應(yīng)用的歷程。目前,在國(guó)際上還沒(méi)有針對(duì)攪拌摩擦焊公布的統(tǒng)一技術(shù)術(shù)語(yǔ)標(biāo)準(zhǔn)，在攪拌摩擦焊專(zhuān)利許可協(xié)會(huì)的影響下，業(yè)界已經(jīng)對(duì)攪拌摩擦焊方法中所涉及到的通用技術(shù)術(shù)語(yǔ)進(jìn)行了定義和認(rèn)可。圖1示出了攪拌摩擦焊所用到的主要描述性術(shù)語(yǔ)。
圖1 攪拌摩擦焊原理示意與名詞術(shù)語(yǔ)
攪拌摩擦焊技術(shù)所涉及到的主要技術(shù)術(shù)語(yǔ)定義如下：
攪拌頭（Pin tool）－攪拌摩擦焊的施焊工具；
攪拌頭軸肩（Tool Shoulder）－攪拌頭與工件表面接觸的肩臺(tái)部分；
攪拌針（Tool Pin）－攪拌頭插入工件的部分；
前進(jìn)側(cè)（Advanced Side）－焊接方向與攪拌頭軸肩旋轉(zhuǎn)方向一致的焊縫側(cè)面；
回轉(zhuǎn)側(cè)（Retreating Side）－焊接方向與攪拌頭軸肩旋轉(zhuǎn)方向相反的焊縫側(cè)面；
軸向壓力（Down or Axial Force）-向攪拌頭施加的使攪拌針插入工件和保持?jǐn)嚢桀^軸肩與工件表面接觸的壓力；
攪拌摩擦焊是一種在機(jī)械力和摩擦熱作用下的固相連接方法。如圖1所示，攪拌摩擦焊過(guò)程中，一個(gè)柱形帶特殊軸肩和針凸的攪拌頭旋轉(zhuǎn)著緩慢插入被焊接工件，攪拌頭和被焊接材料之間的摩擦剪切阻力產(chǎn)生了摩擦熱，使攪拌頭鄰近區(qū)域的材料熱塑化（焊接溫度一般不會(huì)達(dá)到和超過(guò)被焊接材料的熔點(diǎn)），當(dāng)攪拌頭旋轉(zhuǎn)著向前移動(dòng)時(shí)，熱塑化的金屬材料從攪拌頭的前沿向后沿轉(zhuǎn)移，并且在攪拌頭軸肩與工件表層摩擦產(chǎn)熱和鍛壓共同作用下，形成致密固相連接接頭。
攪拌摩擦焊具有適合于自動(dòng)化和機(jī)器人操作的諸多優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于有色金屬材料（如鋁、銅、鎂、鋅等）的連接,在焊接方法、接頭力學(xué)性能和生產(chǎn)效率上具有其他焊接方法無(wú)可比擬的優(yōu)越性，它是一種高效、節(jié)能、環(huán)保型的新型連接技術(shù)。
但是攪拌摩擦焊也有其局限性，例如：焊縫末尾通常有匙孔存在（目前已可以實(shí)現(xiàn)無(wú)孔焊接）； 焊接時(shí)的機(jī)械力較大，需要焊接設(shè)備具有很好的剛性；與弧焊相比,缺少焊接操作的柔性；不能實(shí)現(xiàn)添絲焊接。
攪拌摩擦焊對(duì)材料的適應(yīng)性很強(qiáng)，幾乎可以焊接所有類(lèi)型的鋁合金材料，由于攪拌摩擦焊接過(guò)程較低的焊接溫度和較小的熱輸入，一般攪拌摩擦焊接頭具有變形小、接頭性能優(yōu)異等特點(diǎn);可以焊接目前熔焊“不能焊接”和所謂“難焊”的金屬材料如：Al-Cu(2xxx系列) 、Al-Zn(7xxx系列)和Al-Li(如8090、2090 和2195鋁合金)等鋁合金。
另外，攪拌摩擦焊對(duì)于鎂合金、鋅合金、銅合金、鉛合金以及鋁基復(fù)合材料等材料的板狀對(duì)接或搭接的連接也是優(yōu)先選擇的焊接方法；目前，攪拌摩擦焊還成功地實(shí)現(xiàn)了不銹鋼、鈦合金甚至高溫合金的優(yōu)質(zhì)連接。
攪拌摩擦焊可以較容易實(shí)現(xiàn)異種材料的連接，例如鋁合金和不銹鋼的攪拌摩擦焊接，利用攪拌摩擦焊可以較方便的實(shí)現(xiàn)鋁－鋼板材之間的連接和銅鋁復(fù)合焊接接頭。
攪拌摩擦焊發(fā)明初期主要解決厚度1.2~6毫米的鋁合金板材焊接問(wèn)題;1996年，用FSW技術(shù)解決了6～12毫米的鋁、鎂、銅合金的連接.1997年實(shí)現(xiàn)了12~25毫米厚鋁合金板的攪拌摩擦焊，并且在宇航結(jié)構(gòu)件上得到應(yīng)用.1999年攪拌摩擦焊可以焊接50毫米厚的銅合金及75毫米厚度的鋁合金零件和產(chǎn)品.2004年，英國(guó)焊接研究所已經(jīng)能夠單道單面實(shí)現(xiàn)100毫米厚鋁合金板材的攪拌摩擦焊。迄今，在材料的厚度上，單道焊可以實(shí)現(xiàn)厚度為0.8~100mm鋁合金材料的焊接；雙道焊可以焊接180mm厚的對(duì)接板材。最近,又開(kāi)發(fā)了可以連接0.4mm鋁板的微型攪拌摩擦焊技術(shù).
攪拌摩擦焊是長(zhǎng)、直規(guī)則焊縫（平板對(duì)接和搭接）的理想焊接方法.攪拌摩擦焊也已可以實(shí)現(xiàn)2-D、3-D結(jié)構(gòu)的焊接,如筒形零件的環(huán)縫和縱縫;可以實(shí)現(xiàn)全位置空間焊接，如水平焊、垂直焊、仰焊以及任意位置和角度的軌道焊。圖2示出了多種典型的攪拌摩擦焊接頭形式，如多層對(duì)接、多層搭接、T形接頭、V形接頭、角接等。
與傳統(tǒng)鎢極氬弧焊（TIG）和熔化極氬弧焊（MIG）焊接相比較，攪拌摩擦焊在接頭力學(xué)性能上據(jù)有明顯的優(yōu)越性。例如,對(duì)于6.4mm厚的2014-T6鋁合金，F(xiàn)SW焊接頭性能比TIG焊高16％;對(duì)于12.7毫米厚的2014-T6鋁合金，F(xiàn)SW焊接頭性能比TIG焊高22％.攪拌摩擦焊接頭性能數(shù)據(jù)一致性較好，工藝穩(wěn)定，焊接接頭質(zhì)量容易保證。
圖2 攪拌摩擦焊的接頭形式
攪拌摩擦焊接頭的疲勞性能一般都優(yōu)于熔焊接頭。1996年英國(guó)焊接研究所對(duì)6mm厚度的2014-T6、 2219-T6、5083-0 和7075-T7351等鋁合金進(jìn)行了攪拌摩擦焊接頭的疲勞性能研究，結(jié)果表明攪拌摩擦焊接頭的疲勞性能優(yōu)于歐洲弧焊標(biāo)準(zhǔn)（ECCS class B3）。
2 攪拌摩擦焊在國(guó)外的發(fā)展
攪拌摩擦焊作為一種輕合金材料連接的優(yōu)選焊接技術(shù)，已經(jīng)從技術(shù)研究，邁向高層次的工程化和工業(yè)化應(yīng)用階段,形成了一個(gè)新的產(chǎn)業(yè): 攪拌摩擦焊設(shè)備的制造、攪拌摩擦焊產(chǎn)品的加工.如在美國(guó)的宇航制造工業(yè)、北歐的船舶制造工業(yè)、日本的高速列車(chē)制造等制造領(lǐng)域，攪拌摩擦焊得到了廣泛的應(yīng)用,均已形成新興產(chǎn)業(yè)。
2.1攪拌摩擦焊在鋁合金結(jié)構(gòu)制造中取代傳統(tǒng)熔焊
攪拌摩擦焊已成功地實(shí)現(xiàn)了鋁合金、鎂合金構(gòu)件制造大規(guī)模的工業(yè)化應(yīng)用。下面列舉一些典型的應(yīng)用實(shí)例。
2.1.1 攪拌摩擦焊在船舶制造工業(yè)中的應(yīng)用
早在1995年，挪威Hydro Marine Aluminium公司就將FSW技術(shù)應(yīng)用于船舶結(jié)構(gòu)件的制造（見(jiàn)圖3），采用攪拌摩擦焊技術(shù)將普通型材拼接，制造用于造船業(yè)的寬幅型材。該焊接設(shè)備以及工藝已經(jīng)獲得Det Norske Veritas和Germanischer Lloyd的認(rèn)可。從1996到1999，已經(jīng)成功焊接了1700塊船舶面板，焊縫總長(zhǎng)度超過(guò)110km。
在造船領(lǐng)域,攪拌摩擦焊適用面很寬：船甲板、側(cè)板、船頭、殼體、船艙防水壁板和地板,船舶的上層鋁合金建筑結(jié)構(gòu),直升飛機(jī)起降平臺(tái),離岸水上觀測(cè)站,船舶碼頭,水下工具和海洋運(yùn)輸工具,帆船的桅桿及結(jié)構(gòu)件,船上制冷設(shè)備用的中空擠壓鋁板等。
圖3 挪威Hydro Marine Aluminium采用攪拌摩擦焊技術(shù)制造船用寬幅鋁合金型材
2.1.2 攪拌摩擦焊在航空航天工業(yè)中的應(yīng)用
航空航天飛行器鋁合金結(jié)構(gòu)件，如飛機(jī)機(jī)翼壁板、運(yùn)載火箭燃料儲(chǔ)箱等，選材多為熔焊焊接性較差的2000及7000系列鋁合金材料，而攪拌摩擦焊可以實(shí)現(xiàn)這些系列鋁合金的優(yōu)質(zhì)連接,國(guó)外已經(jīng)在飛機(jī)、火箭等宇航飛行器上得到應(yīng)用。
采用攪拌摩擦焊提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本，對(duì)航空航天工業(yè)來(lái)說(shuō)有著明顯的經(jīng)濟(jì)效益。波音公司首先在加州的HuntingtonBeach工廠將攪拌摩擦焊應(yīng)用于Delta II運(yùn)載火箭4.8米高的中間艙段的制造（縱縫，厚度22.22毫米 ，2014鋁合金），該運(yùn)載火箭于1999年8月17日成功發(fā)射升空。2001年4月7日，“火星探索號(hào)”發(fā)射升空，采用攪拌摩擦焊技術(shù)，壓力貯箱焊縫接頭強(qiáng)度提高了30％, 攪拌摩擦焊制造技術(shù)首次在壓力結(jié)構(gòu)件上得到可靠地應(yīng)用。
波音公司在阿拉巴馬州的Decatur工廠將攪拌摩擦焊技術(shù)用于制造DeltaⅣ運(yùn)載火箭中心助推器。DeltaⅣ運(yùn)載火箭貯箱直徑為5m,材料改為2219-T87鋁合金。到2002年4月為止，攪拌摩擦焊已成功焊接了2100m無(wú)缺陷焊縫應(yīng)用于Delta II火箭，1200m無(wú)缺陷焊縫應(yīng)用于Delta IV火箭。采用攪拌摩擦焊節(jié)約了60％的成本，制造周期由23天降低為6天。
歐洲Fokker宇航公司將攪拌摩擦焊技術(shù)用于Ariane 5發(fā)動(dòng)機(jī)主承力框的制造（圖4），承力框的材料為7075-T7351，主體結(jié)構(gòu)由12塊整體加工的帶翼狀加強(qiáng)的平板連接而成，結(jié)構(gòu)制造中用攪拌摩擦焊代替了螺栓連接，為零件之間的連接和裝配提供了較大的裕度，并可減輕結(jié)構(gòu)重量，提高生產(chǎn)效率。
圖4 歐洲Fokker Space公司采用FSW制造Ariane 5發(fā)動(dòng)機(jī)主承力框
目前，攪拌摩擦焊在飛機(jī)制造領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用還處于驗(yàn)證階段，主要利用FSW實(shí)現(xiàn)飛機(jī)蒙皮和衍樑、筋條、加強(qiáng)件之間的連接，框架之間的連接、飛機(jī)預(yù)成型件的安裝、飛機(jī)壁板和地板的焊接、飛機(jī)結(jié)構(gòu)件和蒙皮的在役修理等，這些方面的攪拌摩擦焊制造已經(jīng)在軍用和民用飛機(jī)上得到驗(yàn)證飛行和部分應(yīng)用。另外波音公司還成功地實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)起落架艙門(mén)復(fù)雜曲線的攪拌摩擦焊焊接。
美國(guó)Eclipse飛機(jī)制造公司斥資3億美元用于攪拌摩擦焊的飛機(jī)制造計(jì)劃，其制造的第一架攪拌摩擦焊商用噴氣客機(jī)（Eclipse500）（圖5）于2002年8月在美國(guó)進(jìn)行了首飛測(cè)試。其機(jī)身蒙皮、翼肋、弦狀支撐、飛機(jī)地板以及結(jié)構(gòu)件的裝配等鉚接工序均由攪拌摩擦焊替代，提高了生產(chǎn)效率、節(jié)約了制造成本并且減輕了機(jī)身重量。
圖5 Eclipse 500型商用噴氣客機(jī)的攪拌摩擦焊焊接構(gòu)件之一
攪拌摩擦焊在航空航天業(yè)的應(yīng)用主要在以下幾個(gè)方面：機(jī)翼、機(jī)身、尾翼；飛機(jī)油箱；飛機(jī)外掛燃料箱；運(yùn)載火箭、航天飛機(jī)的低溫燃料筒；軍用和科學(xué)研究火箭和導(dǎo)彈；熔焊結(jié)構(gòu)件的修理等。
2.1.3 攪拌摩擦焊在軌道交通及陸路交通工業(yè)中應(yīng)用
在軌道交通行業(yè)，隨著列車(chē)速度的不斷提高，對(duì)列車(chē)減輕自重,提高接頭強(qiáng)度及結(jié)構(gòu)安全性要求越來(lái)越高。高速列車(chē)用鋁合金擠壓型材的連接方式，成為了制約發(fā)展的主導(dǎo)因素。由于攪拌摩擦焊焊接接頭強(qiáng)度優(yōu)于MIG焊焊接接頭，并且缺陷率低，節(jié)約成本，所以目前高速列車(chē)的制造,采用攪拌摩擦焊技術(shù)，已成為主流趨勢(shì)。在該領(lǐng)域,比較典型的為日本日立公司，在做單層和雙層擠壓型材件連接時(shí)都采用了攪拌摩擦焊技術(shù)，用于市郊列車(chē)和快速列車(chē)車(chē)輛的制造。
日本輕金屬公司已將FSW工藝用于地鐵車(chē)輛，采用這種工藝制造的工件長(zhǎng)度已經(jīng)超過(guò)了3km，接頭質(zhì)量良好。由住友輕金屬公司生產(chǎn)的擠壓型材FSW焊接拼板,用于日本新干線車(chē)輛的制造（圖6左），車(chē)輛時(shí)速可達(dá)285 km/h。
法國(guó)的Alstom公司將攪拌摩擦焊應(yīng)用于列車(chē)頂板的連接（圖6右）。
圖6 左：日本住友輕金屬公司FSW生產(chǎn)的新干線列車(chē)壁板；右：法國(guó)阿爾斯通FSW制造的列車(chē)車(chē)頂
目前,與軌道車(chē)輛相關(guān)方面的攪拌摩擦焊應(yīng)用包括：高速列車(chē)箱體型材連接；油罐車(chē)及貨物列車(chē)箱體連接；集裝箱箱體；鐵軌以及地下滾動(dòng)托盤(pán)。
2.1.4 攪拌摩擦焊在汽車(chē)工業(yè)中應(yīng)用
為了提高運(yùn)載能力和速度，汽車(chē)制造呈現(xiàn)出材料多樣化、輕量化、高強(qiáng)度化的發(fā)展趨勢(shì)，鋁合金、鎂合金等輕質(zhì)合金材料所占的比重越來(lái)越大，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)以及接頭形式都在設(shè)法改進(jìn)。攪拌摩擦焊技術(shù)的發(fā)明恰好滿(mǎn)足了這種新材料、新結(jié)構(gòu)對(duì)新型連接技術(shù)的需求。挪威Hydro公司采用攪拌摩擦焊技術(shù)制造汽車(chē)輪轂，將鑄造或鍛造的中心零件與鍛鋁制造的輻條連接起來(lái)，以獲得良好的載荷傳遞性能并減輕重量。
美國(guó)Tower汽車(chē)公司采用攪拌摩擦焊制造汽車(chē)用懸掛連接臂,取得了很大經(jīng)濟(jì)效益。攪拌摩擦焊。另外，該公司還將攪拌摩擦焊技術(shù)用于縫合不等厚板坯料(Tailored welded blanks)的制造;采用縫合坯料,在優(yōu)化結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度設(shè)計(jì)的同時(shí),既大大減少了汽車(chē)制造中模具的數(shù)量,又縮短了工藝流程。
目前攪拌摩擦焊在汽車(chē)制造工業(yè)中的應(yīng)用主要為：發(fā)動(dòng)機(jī)引擎和汽車(chē)底盤(pán)車(chē)身支架；汽車(chē)輪轂；液壓成型管附件；汽車(chē)車(chē)門(mén)預(yù)成型件；轎車(chē)車(chē)體空間框架；卡車(chē)車(chē)體；載貨車(chē)的尾部升降平臺(tái)汽車(chē)起重器；汽車(chē)燃料箱；旅行車(chē)車(chē)體；公共汽車(chē)和機(jī)場(chǎng)運(yùn)輸車(chē)；摩托車(chē)和自行車(chē)框架；鋁合金電梯；逃生交通工具；鋁合金汽車(chē)修理；鎂合金和鋁合金的連接。
攪拌摩擦點(diǎn)焊(FSSW)的研究與技術(shù)開(kāi)發(fā),是汽車(chē)制造工業(yè)中的一個(gè)新熱點(diǎn).
2.1.5攪拌摩擦焊在其他工業(yè)中的應(yīng)用
攪拌摩擦焊成功地解決了輕合金金屬的連接難題，在兵器、建筑、電力、能源、家電等工業(yè)中的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。
如在兵器工業(yè)，攪拌摩擦焊成功實(shí)現(xiàn)了坦克、裝甲車(chē)的主體結(jié)構(gòu)和防護(hù)裝甲板的制造;在建筑行業(yè),攪拌摩擦焊在民用建筑工業(yè)的應(yīng)用主要為：鋁合金橋梁,鋁合金、銅合金、鎂合金裝飾板,門(mén)窗框架,鋁合金管線,電廠和化學(xué)工廠的鋁合金反應(yīng)器,熱交換器,中央空調(diào),管狀結(jié)構(gòu)件制造等。在電力行業(yè),攪拌摩擦焊的應(yīng)用主要為：發(fā)動(dòng)機(jī)殼體,電器連接件,電器封裝等。在家電行業(yè),,主要應(yīng)用為：冰箱散熱板,廚房電器和設(shè)備,“白色”家用物品和工具,天然氣、液化氣儲(chǔ)箱和容器,金屬家具等。
三、研究?jī)?nèi)容
機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為四個(gè)部分：
（1）X-Y平臺(tái)設(shè)計(jì)；
（2）升降臺(tái)設(shè)計(jì)；
（3）主軸箱設(shè)計(jì)；
（4）外形尺寸設(shè)計(jì)。
四、目標(biāo)、主要特色及工作進(jìn)度
目標(biāo)
1.了解C型攪拌摩擦焊機(jī)工作原理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
2.根據(jù)主要技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)C型攪拌摩擦焊機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)
特色
1. 高度一致的焊接質(zhì)量，無(wú)需要高的操作技能和訓(xùn)練
2. 單面焊接的厚度為1.6—15mm
3. 焊接接口部位只需要去油處理，無(wú)需打磨或洗涮
4. 不需焊絲和保護(hù)氣氛
5. 節(jié)省能源
6. 焊接表面平整，不變形，無(wú)焊縫突起和汗滴，無(wú)需后續(xù)處理
7. 無(wú)電弧、無(wú)磁沖擊、閃光、輻射、煙霧和異味，不影響其他電氣設(shè)備使用，綠色環(huán)保
8. 焊接溫度低于合金的熔點(diǎn)，焊縫無(wú)孔洞、裂紋和元素?zé)龘p
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的工作進(jìn)度
1．收集有關(guān)資料，寫(xiě)出開(kāi)題報(bào)告； 1周—2周
2．外文翻譯(6000字符以上) ； 3周
3．分析與研究：了解現(xiàn)有類(lèi)似設(shè)備，制訂設(shè)備總體方案。 4周—5周
4．傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 6周—9周
5．主要零部件的設(shè)計(jì)與尺寸計(jì)算。 10周—14周
6．撰寫(xiě)畢業(yè)論文一份 15周—16周
7．畢業(yè)設(shè)計(jì)審查、畢業(yè)答辯 17周
參考文獻(xiàn)
1 戴曙主編 《金屬切削機(jī)床設(shè)計(jì)》 機(jī)械工業(yè)出版社
2 江耕華主編《機(jī)械傳動(dòng)設(shè)計(jì)手冊(cè)》 煤碳工業(yè)出版社
3 鄭堤等主編《機(jī)電一體化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》 機(jī)械工業(yè)出版社
4數(shù)字化手冊(cè)系列（軟件版）編寫(xiě)委員會(huì)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（軟件版）》R2.0
機(jī)械工業(yè)出版社
5 李洪主編 《機(jī)械制造工藝金屬切削機(jī)床設(shè)計(jì)指導(dǎo)手冊(cè)》
東北工學(xué)院出版社
6范云漲、陳兆年主編《金屬切削機(jī)床設(shè)計(jì)簡(jiǎn)明手冊(cè)》 機(jī)械工業(yè)出版社
7《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》編寫(xiě)組主編 機(jī)械工業(yè)出版社
8 鞏云鵬等主編《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)》 東北大學(xué)出版社
C型攪拌摩擦焊機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
學(xué)生姓名：袁振東 班級(jí)：0781053
指導(dǎo)老師：張曉榮
摘要：攪拌摩擦焊是摩擦焊的新發(fā)展，是英國(guó)焊接研究所提出的專(zhuān)利技術(shù)。它可以對(duì)多種融化焊接性差的有色金屬等擦了進(jìn)行可靠的鏈接，而且連接工藝簡(jiǎn)單、并有較好的工藝適應(yīng)性。
攪拌摩擦焊技術(shù)是一種新型的固態(tài)連接技術(shù)，主要用于的熔點(diǎn)金屬和合金的焊接，它能較好的保持焊縫區(qū)的微細(xì)晶粒組織，可以用語(yǔ)超塑性成形領(lǐng)域。隨著焊接技術(shù)的發(fā)展，可以用語(yǔ)FSW焊接的材料將會(huì)更加廣泛，此外，攪拌摩擦焊無(wú)需復(fù)雜的處理工作，且焊縫缺陷相對(duì)較少，生產(chǎn)環(huán)境好，是一種經(jīng)濟(jì)、高效、高質(zhì)量的“綠色焊接工藝”，可以遇見(jiàn)FSW技術(shù)將在我國(guó)航空航天、船舶、汽車(chē)等各個(gè)領(lǐng)域得到長(zhǎng)足的發(fā)展和良好的應(yīng)用。
本文簡(jiǎn)單介紹了攪拌摩擦焊的焊接原理、工藝特點(diǎn)、工藝設(shè)備及應(yīng)用領(lǐng)域，并對(duì)其機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能進(jìn)行了進(jìn)一步的分析。
關(guān)鍵詞： 新發(fā)展 新型的固態(tài)連接技術(shù) 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
指導(dǎo)老師簽名：
Mechanical mechanism design of C-type friction stir welding machine
Student name: yuan zhendong Class: 0781053
Supervisor:zhang xiaorong
Abstract: The patent teachnology of the friction stir welding is advanced by the welding research institute of England. The friction welding is a new development of friction welding method. It can reliable join for varied weldability poor nonferrous metal etc material . The join technology is simple and technology adaptability is quite good in the friction stir welding .
Friction stir welding technology is a new type of solid-state link technology, mainly used for melting metal and alloy welding, it can better maintain the weld zone of fine grains, the field of superplastic forming can be expressions. With the development of welding technology, welding FSW language materials can be more extensive, in addition, friction stir welding without the need of complex processing and a relatively small weld defects, the production environment, is an economic, efficient, high-quality "Green welding process", FSW technology will be met in our aerospace, marine, automotive and other fields have made ??great progress and good application.
This article introduces the principles of friction stir welding welding, process characteristics, process equipment and applications, and its mechanical structure design and performance of further analysis.
Keywords： new development a new type of solid-state link technology Mechanical mechanism design
Signature of Supervisor:
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū)
I、畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)題目：C型攪拌摩擦焊機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
II、畢 業(yè)設(shè)計(jì)(論文)使用的原始資料(數(shù)據(jù))及設(shè)計(jì)技術(shù)要求：
1．原始資料：
①．工件尺寸：最大寬度500mm，最大長(zhǎng)度800mm，厚度5-12mm；
②．焊接速度100mm/min--500mm/min；
③. 攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度1000rpm--3000rpm；
2．設(shè)計(jì)技術(shù)要求：
① 根據(jù)主要技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)C型攪拌摩擦焊機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)。
② 要求英文資料翻譯忠實(shí)原文。
③ 要求完成的設(shè)計(jì)能滿(mǎn)足實(shí)際要求，圖面及文字說(shuō)明表達(dá)簡(jiǎn)潔、清晰、易讀懂，
圖紙?jiān)O(shè)計(jì)規(guī)范，符合制圖標(biāo)準(zhǔn)。能用于指導(dǎo)實(shí)際的生產(chǎn)、裝配。
④ 要求畢業(yè)論文敘述條理清楚，設(shè)計(jì)計(jì)算正確，論文格式規(guī)范。
III、畢 業(yè)設(shè)計(jì)(論文)工作內(nèi)容及完成時(shí)間：
1．收集有關(guān)資料，寫(xiě)出開(kāi)題報(bào)告； 1周—2周
2．外文翻譯(6000字符以上) ； 3周
3．分析與研究：了解現(xiàn)有類(lèi)似設(shè)備，制訂設(shè)備總體方案。 4周—5周
4．傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 6周—9周
5．主要零部件的設(shè)計(jì)與尺寸計(jì)算。 10周—14周
6．撰寫(xiě)畢業(yè)論文一份 15周—16周
7．畢業(yè)設(shè)計(jì)審查、畢業(yè)答辯 17周
Ⅳ 、主 要參考資料：
［1］. 戴曙主編 《金屬切削機(jī)床設(shè)計(jì)》 機(jī)械工業(yè)出版社
［2］. 江耕華主編《機(jī)械傳動(dòng)設(shè)計(jì)手冊(cè)》 煤碳工業(yè)出版社
［3］. 鄭堤等主編《機(jī)電一體化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》 機(jī)械工業(yè)出版社
［4］. 數(shù)字化手冊(cè)系列（軟件版）編寫(xiě)委員會(huì)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（軟件版）》R2.0
［5］. 洪主編 《機(jī)械制造工藝金屬切削機(jī)床設(shè)計(jì)指導(dǎo)手冊(cè) 東北工學(xué)院出版社
［6］. 范云漲、陳兆年主編《金屬切削機(jī)床設(shè)計(jì)簡(jiǎn)明手冊(cè)》 機(jī)械工業(yè)出版社
［7］.《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》編寫(xiě)組主編 機(jī)械工業(yè)出版社
［8］. 鞏云鵬等主編《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)》 東北大學(xué)出版社
航空工程系 系 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 專(zhuān)業(yè)類(lèi) 0781053 班
學(xué)生（簽名）：
日期： 自2011 年 3 月 1 日至 2011 年 6 月 2 日
指導(dǎo)教師（簽名）：
助理指導(dǎo)教師(并指出所負(fù)責(zé)的部分)：
航空工程 系（室）主任（簽名）：
附注:任務(wù)書(shū)應(yīng)該附在已完成的畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)首頁(yè)。
目 錄
1 前言…………………………………………………………………………（1）
1.1攪拌摩擦焊概述……………………………………………………………（2）
1.2 攪拌摩擦焊的特點(diǎn)介紹……………………………………………………（4）
2 C型攪拌摩擦焊接機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)…………………………………（7）
2.1 X-Y平臺(tái)設(shè)計(jì)………………………………………………………………（7）
2.2 升降臺(tái)的設(shè)計(jì)……………………………………………………………（22）
2.3 主軸箱的設(shè)計(jì)……………………………………………………………（29）
2.4 鍵和軸承、圓柱銷(xiāo)的設(shè)計(jì)………………………………………………（39）
2.5 整體外形尺寸設(shè)計(jì)………………………………………………………（47）
3 結(jié)論…………………………………………………………………………（48）
附錄………………………………………………………………………………（52）
參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………… （60）
致謝………………………………………………………………………………（61）
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
題 目：C型攪拌摩擦焊機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
系 別： 航空工程系
專(zhuān)業(yè)名稱(chēng)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
班級(jí)學(xué)號(hào)： 078105337
學(xué)生姓名： 袁 振 東
指導(dǎo)教師： 張 曉 榮
二O一一 年 六 月
南 昌 航 空 大 學(xué) 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 論 文
C型攪拌摩擦焊機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
前言
一項(xiàng)新興額金屬加工技術(shù)自方法發(fā)明、原理驗(yàn)證、技術(shù)改進(jìn)到工業(yè)化推廣應(yīng)用一般要經(jīng)歷幾十年甚至更長(zhǎng)的時(shí)間。焊接技術(shù)也是一樣，如釬焊、電弧焊、激光焊、電子束焊等都精力了類(lèi)似的過(guò)程。但是攪拌焊不同，1991年英國(guó)焊接研究所（The welding Institute-TWI）發(fā)明了攪拌摩擦焊(Friction Stir Welding，簡(jiǎn)稱(chēng)FSW)，伺候攪拌摩擦焊以任何一種焊接方法無(wú)可比擬的發(fā)展速度，迅速走出實(shí)驗(yàn)室，在國(guó)際工業(yè)制造領(lǐng)域（船舶、軌道列車(chē)、航空、航天、汽車(chē)、兵器電子電力等）得到大規(guī)模工程化應(yīng)用。作為一項(xiàng)創(chuàng)新的固相連接方法，攪拌摩擦焊正在大步取代傳統(tǒng)鋁合金焊接方法，在鋁合金結(jié)構(gòu)制造及鋁型材加工領(lǐng)域，迎來(lái)革命性的跨時(shí)代發(fā)展。
1. 攪拌摩擦焊簡(jiǎn)介
1.1攪拌摩擦焊概述
FSW 是一種固體連接工藝。在該工藝中，帶仿形細(xì)桿的割肩刀具插入材料兩工件間的結(jié)合線中，在抗磨細(xì)桿和兩工件之間產(chǎn)生摩擦熱，將其相互對(duì)接在一起，并將抗磨細(xì)桿固定在托桿上。
熱量導(dǎo)致材料軟化，沒(méi)有達(dá)到熔點(diǎn)，使抗磨細(xì)桿能沿著接頭移動(dòng)。象這樣，工具向前動(dòng)動(dòng)，材料被在旋轉(zhuǎn)細(xì)桿前面的摩擦熱增塑，并傳遞到背面，在這里，壓實(shí)并冷卻，形成固態(tài)焊縫。
（圖1－1）
（圖1－2）
（圖1－3）
焊接質(zhì)量
使用攪拌摩擦焊接，可得到與熔焊相似的、極好的焊接質(zhì)量。固相焊縫的壓實(shí)、顫動(dòng)和鍛壓作用，形成的焊縫有比基體材料更細(xì)密的顯微組織。這些焊縫抗拉強(qiáng)度可達(dá)到基體材料的90%，且疲勞性能與基體材料相似，而具有代表性的熔焊接頭疲勞性能只能達(dá)到基體材料的60%。攪拌摩擦焊接也可用于全位置（橫、立、仰焊和軌跡焊）。因?yàn)槭枪虘B(tài)焊接工藝，對(duì)人沒(méi)有危險(xiǎn)性的影響。
攪拌摩擦焊機(jī)可買(mǎi)到下列組合的設(shè)備：
多軸式、移動(dòng)式龍門(mén)架、手提式和機(jī)器人。
適合于攪拌摩擦焊接接頭的幾何形狀有：
a 平板對(duì)接 b 對(duì)接和搭接組合c 單層搭接 d 多層搭接e 三件T形對(duì)接 f 兩件T形對(duì)接g 邊緣對(duì)接 h 可以接受的拐角焊縫
（圖1－4‘a(chǎn)～h’）
（圖1－5攪拌摩擦焊的工作情況）
（圖1－6由攪拌摩擦焊焊接的管類(lèi)零件）
1.2攪拌摩擦焊的特點(diǎn)介紹
1991年攪拌摩擦焊技術(shù)由英國(guó)焊接研究所(The Welding Institute, TWI)發(fā)明，作為一種固相連接手段，它克服了以往熔焊的諸如氣孔、裂紋、變形等缺點(diǎn)，更使得以往通過(guò)傳統(tǒng)熔焊手段無(wú)法實(shí)現(xiàn)焊接的材料可以采用FSW實(shí)現(xiàn)焊接，被譽(yù)為“繼激光焊后又一革命性的焊接技術(shù)”。
FSW主要由攪拌頭的摩擦熱和機(jī)械擠壓的聯(lián)合作用下形成接頭，其主要原理和特點(diǎn)如下：
焊接時(shí)，欲搭接或者對(duì)接的工件相對(duì)放置在墊板上，為了防止在施焊時(shí)工件被攪拌頭推開(kāi)，應(yīng)加以約束。施焊工具主要是攪拌頭。焊接時(shí)旋轉(zhuǎn)的攪拌頭緩緩進(jìn)入焊縫，在與工件表面接觸時(shí)通過(guò)摩擦生熱使得該處金屬軟化，在頂壓力的作用下，指棒進(jìn)入到工件內(nèi)部，在高速旋轉(zhuǎn)下使得攪拌頭周?chē)囊粚咏饘偎苄曰?。同時(shí)，在肩軸端面的包攏下攪拌頭沿焊接方向移動(dòng)形成焊縫。焊縫的深度由指棒的插入深度決定。在焊接過(guò)程中主要的產(chǎn)熱體是指棒和軸肩。在焊接薄板時(shí)，軸肩和工件的摩擦是主要的熱量來(lái)源。
作為一種固相連接手段，攪拌摩擦焊除了可以焊接用普通熔焊方法難以焊接的材料外（例如可以實(shí)現(xiàn)用熔焊難以保證質(zhì)量的裂紋敏感性強(qiáng)的7000、2000系列鋁合金的高質(zhì)量連接），F(xiàn)SW還具有以下優(yōu)點(diǎn)：
· 溫度低，所以變形?。词故情L(zhǎng)焊縫也是如此）；
· 接頭機(jī)械性能好(包括疲勞、拉伸、彎曲)，不產(chǎn)生類(lèi)似熔焊接頭的鑄造組織缺陷，并且其組
· 織由于塑性流動(dòng)而細(xì)化。
· 與其它焊接方法相比，焊接變形小，調(diào)整、返修頻率低，某航空發(fā)動(dòng)機(jī)FSW的缺陷發(fā)生率低，傳統(tǒng)熔焊時(shí)每焊接8.4m，產(chǎn)生一個(gè)缺陷，而FSW時(shí)在焊接長(zhǎng)度為76.2m時(shí)，才僅出現(xiàn)一個(gè)缺陷。由此可以使成本降低60%。
· 焊前及焊后處理簡(jiǎn)單，焊接過(guò)程中的摩擦和攪拌可以有效去除焊件表面氧化膜及附著雜質(zhì)。而且焊接過(guò)程中不需要保護(hù)氣體、焊條及焊料。
· 能夠進(jìn)行全位置的焊接；
· 適應(yīng)性好，效率高；
· 操作簡(jiǎn)單；
· 焊接過(guò)程中無(wú)煙塵、輻射、飛濺、噪音及弧光等有害物質(zhì)產(chǎn)生，是一種環(huán)保型工藝方法。
尤其值得指出的是，攪拌摩擦焊所具有適合于自動(dòng)化和機(jī)器人操作的優(yōu)點(diǎn)，諸如：不需要填絲、保護(hù)氣（對(duì)于鋁合金）、可以允許有薄的氧化膜、對(duì)于批量生產(chǎn)，不需要進(jìn)行打磨、刮擦之類(lèi)的表面處理非損耗的工具頭、一個(gè)典型的工具頭就可以用來(lái)焊接6000系列的鋁合金達(dá)1000米等.
2. C型攪拌摩擦焊機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為四個(gè)部分：
（1）X-Y平臺(tái)設(shè)計(jì)；
（2）升降臺(tái)設(shè)計(jì)；
（3）主軸箱設(shè)計(jì)；
（4）外形尺寸設(shè)計(jì)。
2.1（一）X-Y平臺(tái)設(shè)計(jì)：
2.1.1X-Y平臺(tái)外形尺寸及重量估算
Y向拖板（上拖板）尺寸：長(zhǎng)×寬×高?。?00×600×55
重量：按重量＝體積×材料比重估算
；
X向拖板（下拖板）尺寸：1771×700×55
重量：；
導(dǎo)軌及滑塊重量查表得：38.64kg380N；
夾具及工件重量：約160N；
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)：15.8N;
底座：1427×900×55
重量5.51N；
X-Y平臺(tái)總重量：約1.372×N。
攪拌頭向下的壓力及行走抗力的計(jì)算：（略）壓力p＝690N，行走抗力=＝224N。
2.1.2.平臺(tái)導(dǎo)軌選用直線導(dǎo)軌
型號(hào)?BRHxxB & BRHxxBL
圖2－1
經(jīng)計(jì)算，選用BRH30B型直線導(dǎo)軌。
62
- -
2.1.3滾珠絲杠的設(shè)計(jì)計(jì)算
滾珠絲杠的負(fù)荷包括摩擦力及焊接行走抗力。
（1）最大動(dòng)負(fù)荷Q的計(jì)算
查表得系數(shù)＝2，＝1，壽命值L=
查表得使用壽命時(shí)間T＝1500h，初選絲杠螺距t=5mm，的絲杠轉(zhuǎn)速
所以L＝
Y向絲杠牽引力：
X向絲杠牽引力：
所以最大動(dòng)負(fù)荷
Y向
X向
查表，取滾珠絲杠公稱(chēng)直徑，選用滾珠絲杠螺母副的型號(hào)為L(zhǎng)L20×5-2.5-E左（兩只），其額定動(dòng)載荷為8630N，足夠用。
（2）滾珠絲杠副的幾何參數(shù)計(jì)算
見(jiàn)下表：
表2－3
名稱(chēng)
符號(hào)
計(jì)算公式和結(jié)果（mm）
螺紋滾道
公稱(chēng)直徑
20
螺距
t
5
接觸角
鋼球直徑
d
3.175
螺紋滾道法面半徑
R
R=0.52 d=1.615
偏心距
e
螺紋升角
=arctg=
螺桿
螺紋外徑
d
D=－(0.2~0.25) d=19.302
螺紋內(nèi)徑
d
d=＋2e－2R=16.79
螺桿接觸直徑
d
d＝－dcos=17.76
螺母
螺母螺紋外徑
D
D=－2e＋2R＝23.21
螺母內(nèi)徑（外循環(huán)）
D
D＝+(0.2～0.25) d＝20.7
（3）傳動(dòng)效率計(jì)算
式中：－摩擦角；－絲杠螺紋升角。
（4）剛度計(jì)算
X向牽引力大，故應(yīng)用X向參數(shù)計(jì)算，P=335(N)，=0.5(cm)，E=20.6×10(N/cm)(材料為鋼)
F==3.14=2.213 (cm)
絲杠因受扭矩而引起的導(dǎo)程變化量很小，可以忽略。
所以導(dǎo)程誤差
查表知E級(jí)精度的絲杠允許誤差為15，故剛度足夠。
（5）穩(wěn)定性驗(yàn)算
由于絲杠兩端采用止推軸承，故不需要穩(wěn)定性驗(yàn)算。
2.1.4步進(jìn)電機(jī)的選用
（1）步進(jìn)電機(jī)的步距角
取系統(tǒng)脈沖當(dāng)量＝0.01mm/step，初選步進(jìn)電機(jī)步距角＝。
（2）步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)力矩的計(jì)算
設(shè)步進(jìn)電機(jī)等效負(fù)載力矩為T(mén)，負(fù)載力為P，根據(jù)能量守恒原理，電機(jī)所做的功與負(fù)載力做的功有如下關(guān)系
式中：P－電機(jī)轉(zhuǎn)角；S－移動(dòng)部件的相應(yīng)位移；－機(jī)械傳動(dòng)效率
若?。?，則S＝，且，所以
式中：－移動(dòng)部件負(fù)載（N）；G－移動(dòng)部件重量（N）；－與重力方向一致的作用在移動(dòng)部件上的負(fù)載力（N）；－導(dǎo)軌摩擦系數(shù)；－步進(jìn)電機(jī)步距角（rad）；T－電機(jī)軸負(fù)載力矩（）。
?。?.03（淬火鋼珠導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)），＝0.96，為絲杠牽引力，＝＝335N。
考慮到重力的影響，X向電機(jī)負(fù)載較大，因此取G=＝7690N，所以
若不考慮啟動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)部件慣性的影響，則起動(dòng)力矩
安全系數(shù)為0.3，則?。∟·cm）
（3）步進(jìn)電機(jī)的最高效率
查表選兩個(gè)Ⅱ型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。電機(jī)的有關(guān)參數(shù)見(jiàn)表2－4。
2.1.5 X-Y平臺(tái)傳動(dòng)齒輪的設(shè)計(jì)
一、確定齒輪傳動(dòng)比
因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)步距角＝，滾珠絲杠螺距t=5mm，要實(shí)現(xiàn)脈沖當(dāng)量＝0.01mm/step，
在傳動(dòng)系統(tǒng)中應(yīng)加一對(duì)齒輪降速傳動(dòng)。傳動(dòng)比
一、涉及公式： d=mZ, =d+2m，=d-2×1.25m，b=(3~6)m，a=.
二、設(shè)計(jì)參數(shù)
傳遞功率 P=0.30160 (kW)
傳遞轉(zhuǎn)矩 T=119.99910 (N.m)
齒輪1轉(zhuǎn)速 n1=24 (r/min)
齒輪2轉(zhuǎn)速 n2=50.00000 (r/min)
傳動(dòng)比 i=0.48000
原動(dòng)機(jī)載荷特性 SF=均勻平穩(wěn)
工作機(jī)載荷特性 WF=均勻平穩(wěn)
預(yù)定壽命 H=10000 (小時(shí))
三、布置與結(jié)構(gòu)
結(jié)構(gòu)形式 ConS=閉式
齒輪1布置形式 ConS1=對(duì)稱(chēng)布置
齒輪2布置形式 ConS2=對(duì)稱(chēng)布置
四、材料及熱處理
齒面嚙合類(lèi)型 GFace=硬齒面
熱處理質(zhì)量級(jí)別 Q=ML
齒輪1材料及熱處理 Met1=45<表面淬火>
齒輪1硬度取值范圍 HBSP1=45-50
齒輪1硬度 HBS1=48
齒輪1材料類(lèi)別 MetN1=0
齒輪1極限應(yīng)力類(lèi)別 MetType1=11
齒輪2材料及熱處理 Met2=45<表面淬火>
齒輪2硬度取值范圍 HBSP2=45-50
齒輪2硬度 HBS2=48
齒輪2材料類(lèi)別 MetN2=0
齒輪2極限應(yīng)力類(lèi)別 MetType2=11
五、齒輪精度
齒輪1第Ⅰ組精度 JD11=7
齒輪1第Ⅱ組精度 JD12=7
齒輪1第Ⅲ組精度 JD13=7
齒輪1齒厚上偏差 JDU1=F
齒輪1齒厚下偏差 JDD1=L
齒輪2第Ⅰ組精度 JD21=7
齒輪2第Ⅱ組精度 JD22=7
齒輪2第Ⅲ組精度 JD23=7
齒輪2齒厚上偏差 JDU2=F
齒輪2齒厚下偏差 JDD2=L
六、齒輪基本參數(shù)
模數(shù)(法面模數(shù)) Mn=2
端面模數(shù) Mt=2.00000
螺旋角 β=0.0000000 (度)
基圓柱螺旋角 βb=0.0000000 (度)
齒輪1齒數(shù) Z1=50
齒輪1變位系數(shù) X1=0.00000
齒輪1齒寬 B1=14.58319 (mm)
齒輪1齒寬系數(shù) Φd1=0.29166
齒輪2齒數(shù) Z2=24
齒輪2變位系數(shù) X2=0.00000
齒輪2齒寬 B2=14.58319 (mm)
齒輪2齒寬系數(shù) Φd2=0.60763
總變位系數(shù) Xsum=0.00000
標(biāo)準(zhǔn)中心距 A0=74.00000 (mm)
實(shí)際中心距 A=74.00000 (mm)
齒數(shù)比 U=0.48000
端面重合度 εα=1.67829
縱向重合度 εβ=0.00000
總重合度 ε=1.67829
齒輪1分度圓直徑 d1=100.00000 (mm)
齒輪1齒頂圓直徑 da1=104.00000 (mm)
齒輪1齒根圓直徑 df1=95.00000 (mm)
齒輪1齒頂高 ha1=2.00000 (mm)
齒輪1齒根高 hf1=2.50000 (mm)
齒輪1全齒高 h1=4.50000 (mm)
齒輪1齒頂壓力角 αat1=25.371225 (度)
齒輪2分度圓直徑 d2=48.00000 (mm)
齒輪2齒頂圓直徑 da2=52.00000 (mm)
齒輪2齒根圓直徑 df2=43.00000 (mm)
齒輪2齒頂高 ha2=2.00000 (mm)
齒輪2齒根高 hf2=2.50000 (mm)
齒輪2全齒高 h2=4.50000 (mm)
齒輪2齒頂壓力角 αat2=29.841119 (度)
齒輪1分度圓弦齒厚 sh1=3.14108 (mm)
齒輪1分度圓弦齒高 hh1=2.02467 (mm)
齒輪1固定弦齒厚 sch1=2.77410 (mm)
齒輪1固定弦齒高 hch1=1.49511 (mm)
齒輪1公法線跨齒數(shù) K1=6
齒輪1公法線長(zhǎng)度 Wk1=33.87400 (mm)
齒輪2分度圓弦齒厚 sh2=3.13935 (mm)
齒輪2分度圓弦齒高 hh2=2.05139 (mm)
齒輪2固定弦齒厚 sch2=2.77410 (mm)
齒輪2固定弦齒高 hch2=1.49511 (mm)
齒輪2公法線跨齒數(shù) K2=3
齒輪2公法線長(zhǎng)度 Wk2=15.43292 (mm)
齒頂高系數(shù) ha*=1.00
頂隙系數(shù) c*=0.25
壓力角 α*=20 (度)
端面齒頂高系數(shù) ha*t=1.00000
端面頂隙系數(shù) c*t=0.25000
端面壓力角 α*t=20.0000000 (度)
七、檢查項(xiàng)目參數(shù)
齒輪1齒距累積公差 Fp1=0.05349
齒輪1齒圈徑向跳動(dòng)公差 Fr1=0.03940
齒輪1公法線長(zhǎng)度變動(dòng)公差 Fw1=0.03160
齒輪1齒距極限偏差 fpt(±)1=0.01525
齒輪1齒形公差 ff1=0.01125
齒輪1一齒切向綜合公差 fi'1=0.01590
齒輪1一齒徑向綜合公差 fi''1=0.02163
齒輪1齒向公差 Fβ1=0.01107
齒輪1切向綜合公差 Fi'1=0.06474
齒輪1徑向綜合公差 Fi''1=0.05516
齒輪1基節(jié)極限偏差 fpb(±)1=0.01433
齒輪1螺旋線波度公差 ffβ1=0.01590
齒輪1軸向齒距極限偏差 Fpx(±)1=0.01107
齒輪1齒向公差 Fb1=0.01107
齒輪1x方向軸向平行度公差 fx1=0.01107
齒輪1y方向軸向平行度公差 fy1=0.00554
齒輪1齒厚上偏差 Eup1=-0.06100
齒輪1齒厚下偏差 Edn1=-0.24400
齒輪2齒距累積公差 Fp2=0.03983
齒輪2齒圈徑向跳動(dòng)公差 Fr2=0.03338
齒輪2公法線長(zhǎng)度變動(dòng)公差 Fw2=0.02785
齒輪2齒距極限偏差 fpt(±)2=0.01456
齒輪2齒形公差 ff2=0.01060
齒輪2一齒切向綜合公差 fi'2=0.01510
齒輪2一齒徑向綜合公差 fi''2=0.02067
齒輪2齒向公差 Fβ2=0.00630
齒輪2切向綜合公差 Fi'2=0.05043
齒輪2徑向綜合公差 Fi''2=0.04673
齒輪2基節(jié)極限偏差 fpb(±)2=0.01368
齒輪2螺旋線波度公差 ffβ2=0.01510
齒輪2軸向齒距極限偏差 Fpx(±)2=0.00630
齒輪2齒向公差 Fb2=0.00630
齒輪2x方向軸向平行度公差 fx2=0.00630
齒輪2y方向軸向平行度公差 fy2=0.00315
齒輪2齒厚上偏差 Eup2=-0.05824
齒輪2齒厚下偏差 Edn2=-0.23294
中心距極限偏差 fa(±)=0.02230
八、強(qiáng)度校核數(shù)據(jù)
齒輪1接觸強(qiáng)度極限應(yīng)力 σHlim1=960.0 (MPa)
齒輪1抗彎疲勞基本值 σFE1=480.0 (MPa)
齒輪1接觸疲勞強(qiáng)度許用值 [σH]1=1043.3 (MPa)
齒輪1彎曲疲勞強(qiáng)度許用值 [σF]1=342.9 (MPa)
齒輪2接觸強(qiáng)度極限應(yīng)力 σHlim2=960.0 (MPa)
齒輪2抗彎疲勞基本值 σFE2=480.0 (MPa)
齒輪2接觸疲勞強(qiáng)度許用值 [σH]2=1043.3 (MPa)
齒輪2彎曲疲勞強(qiáng)度許用值 [σF]2=342.9 (MPa)
接觸強(qiáng)度用安全系數(shù) SHmin=1.00
彎曲強(qiáng)度用安全系數(shù) SFmin=1.40
接觸強(qiáng)度計(jì)算應(yīng)力 σH=986.3 (MPa)
接觸疲勞強(qiáng)度校核 σH≤[σH]=滿(mǎn)足
齒輪1彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算應(yīng)力 σF1=253.3 (MPa)
齒輪2彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算應(yīng)力 σF2=269.0 (MPa)
齒輪1彎曲疲勞強(qiáng)度校核 σF1≤[σF]1=滿(mǎn)足
齒輪2彎曲疲勞強(qiáng)度校核 σF2≤[σF]2=滿(mǎn)足
九、強(qiáng)度校核相關(guān)系數(shù)
齒形做特殊處理 Zps=特殊處理
齒面經(jīng)表面硬化 Zas=不硬化
齒形 Zp=一般
潤(rùn)滑油粘度 V50=120 (mm^2/s)
有一定量點(diǎn)饋 Us=不允許
小齒輪齒面粗糙度 Z1R=Rz≤6μm ( Ra≤1μm )
載荷類(lèi)型 Wtype=雙向轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪
齒根表面粗糙度 ZFR=Rz≤16μm ( Ra≤2.6μm )
刀具基本輪廓尺寸 HMn=Hao/Mn＝1.25, Pao/Mn＝0.38
圓周力 Ft=2399.98200 (N)
齒輪線速度 V=0.12566 (m/s)
使用系數(shù) Ka=1.10000
動(dòng)載系數(shù) Kv=1.00455
齒向載荷分布系數(shù) KHβ=1.00000
綜合變形對(duì)載荷分布的影響 Kβs=1.00000
安裝精度對(duì)載荷分布的影響 Kβm=0.00000
齒間載荷分布系數(shù) KHα=1.00000
節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù) Zh=2.49457
材料的彈性系數(shù) ZE=189.80000
接觸強(qiáng)度重合度系數(shù) Zε=0.87972
接觸強(qiáng)度螺旋角系數(shù) Zβ=1.00000
重合、螺旋角系數(shù) Zεβ=0.87972
接觸疲勞壽命系數(shù) Zn=1.12036
潤(rùn)滑油膜影響系數(shù) Zlvr=0.97000
工作硬化系數(shù) Zw=1.00000
接觸強(qiáng)度尺寸系數(shù) Zx=1.00000
齒向載荷分布系數(shù) KFβ=1.00000
齒間載荷分布系數(shù) KFα=1.00000
抗彎強(qiáng)度重合度系數(shù) Yε=0.69688
抗彎強(qiáng)度螺旋角系數(shù) Yβ=1.00000
抗彎強(qiáng)度重合、螺旋角系數(shù) Yεβ=0.69688
壽命系數(shù) Yn=1.00000
齒根圓角敏感系數(shù) Ydr=1.00000
齒根表面狀況系數(shù) Yrr=1.00000
尺寸系數(shù) Yx=1.00000
齒輪1復(fù)合齒形系數(shù) Yfs1=3.99695
齒輪1應(yīng)力校正系數(shù) Ysa1=1.71210
齒輪2復(fù)合齒形系數(shù) Yfs2=4.24540
齒輪2應(yīng)力校正系數(shù) Ysa2=1.57832
2.1.6步進(jìn)電機(jī)慣性負(fù)載的計(jì)算
根據(jù)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算公式，得
式中：－折算到電機(jī)軸上的慣性負(fù)載（kg·）；－步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg·）；－齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg·）；－齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg·）；－轉(zhuǎn)動(dòng)慣量滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg·）；M－移動(dòng)部件的質(zhì)量（kg）。
對(duì)材料為鋼的圓柱零件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可按下式估算
＝0.78××L ?。╧g·）
式中：D－圓柱零件直徑（cm）；L－零件長(zhǎng)度（cm）。
所以 ?。?
＝
電機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小，可以忽略，則
2.2（二）升降臺(tái)的設(shè)計(jì)
升降臺(tái)采用渦輪蝸桿傳動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)自鎖。
外形尺寸為：長(zhǎng)×寬×高 900×700×975的半封閉箱體，詳見(jiàn)升降臺(tái)設(shè)計(jì)圖紙。
2.2.1渦輪蝸桿的設(shè)計(jì)
普通圓柱蝸桿傳動(dòng)設(shè)計(jì)結(jié)果報(bào)告
一、普通蝸桿設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)
1. 傳遞功率 P 0.01 (kW)
2. 蝸桿轉(zhuǎn)矩 T1 0.06 (N.m)
3. 蝸輪轉(zhuǎn)矩 T2 1.24 (N.m)
4. 蝸桿轉(zhuǎn)速 n1 1460.00 (r/min)
5. 蝸輪轉(zhuǎn)速 n2 58.40 (r/min)
6. 理論傳動(dòng)比 i 25.00
7. 實(shí)際傳動(dòng)比 i' 25.00
8. 傳動(dòng)比誤差 0.00 (％)
9. 預(yù)定壽命 H 4800 (小時(shí))
10. 原動(dòng)機(jī)類(lèi)別 電動(dòng)機(jī)
11. 工作機(jī)載荷特性 平 穩(wěn)
12. 潤(rùn)滑方式 浸油
13. 蝸桿類(lèi)型 阿基米德蝸桿
14. 受載側(cè)面 一側(cè)
二、材料及熱處理
1. 蝸桿材料牌號(hào) 45(調(diào)質(zhì))
2. 蝸桿熱處理 調(diào)質(zhì)
3. 蝸桿材料硬度 ＜270HB
4. 蝸桿材料齒面粗糙度 6.3 (μm)
5. 蝸輪材料牌號(hào)及鑄造方法 ZCuSn10P1(金屬模)
6. 蝸輪材料許用接觸應(yīng)力[σ]H' 200 (N/mm^2)
7. 蝸輪材料許用接觸應(yīng)力[σ]H 200 (N/mm^2)
8. 蝸輪材料許用彎曲應(yīng)力[σ]F' 70 (N/mm^2)
9. 蝸輪材料許用彎曲應(yīng)力[σ]F 53 (N/mm^2)
三、蝸桿蝸輪基本參數(shù)(mm)
1. 蝸桿頭數(shù) z1 2
2. 蝸輪齒數(shù) z2 50
3. 模 數(shù) m 5.00 (mm)
4. 法面模數(shù) Mn 4.85 (mm)
5. 蝸桿分度圓直徑 d1 40.00 (mm)
6. 中心距 A 160.00 (mm)
7. 蝸桿導(dǎo)程角 γ 14.036°
8. 蝸輪當(dāng)量齒數(shù) Zv2 54.76
9. 蝸輪變位系數(shù) x2 3.00
10. 軸向齒形角 αx 20.000°
11. 法向齒形角 αn 19.448°
12. 齒頂高系數(shù) ha* 1.00
13. 頂隙系數(shù) c* 0.20
14. 蝸桿齒寬 b1 ≥ 86.00 (mm)
15. 蝸輪齒寬 b2 ≤ 30.00 (mm)
16. 是否磨削加工 否
17. 蝸桿軸向齒距 px 15.71 (mm)
18. 蝸桿齒頂高 ha1 5.00 (mm)
19. 蝸桿頂隙 c1 1.00 (mm)
20. 蝸桿齒根高 hf1 6.00 (mm)
21. 蝸桿齒高 h1 11.00 (mm)
22. 蝸桿齒頂圓直徑 da1 50.00 (mm)
23. 蝸桿齒根圓直徑 df1 28.00 (mm)
24. 蝸輪分度圓直徑 d2 250.00 (mm)
25. 蝸輪喉圓直徑 da2 290.00 (mm)
26. 蝸輪齒根圓直徑 df2 268.00 (mm)
27. 蝸輪齒頂高 ha2 20.00 (mm)
28. 蝸輪齒根高 hf2 -9.00 (mm)
29. 蝸輪齒高 h2 11.00 (mm)
30. 蝸輪外圓直徑 de2 ≤ 297.50 (mm)
31. 蝸輪齒頂圓弧半徑 Ra2 15.00 (mm)
32. 蝸輪齒根圓弧半徑 Rf2 26.00 (mm)
33. 蝸桿軸向齒厚 sx1 7.85 (mm)
34. 蝸桿法向齒厚 sn1 7.62 (mm)
35. 蝸輪分度圓齒厚 s2 18.77 (mm)
36. 蝸桿齒厚測(cè)量高度 ha1' 5.00 (mm)
37. 蝸桿節(jié)圓直徑 d1' 70.00 (mm)
38. 蝸輪節(jié)圓直徑 d2' 250.00 (mm)
四、蝸桿蝸輪精度
----------------------------------------------------------
項(xiàng)目名稱(chēng) 蝸 桿 蝸 輪
----------------------------------------------------------
1. 第一組精度 7 7
----------------------------------------------------------
2. 第二組精度 7 7
----------------------------------------------------------
3. 第三組精度 7 7
----------------------------------------------------------
4. 側(cè) 隙 f f
----------------------------------------------------------
五、強(qiáng)度剛度校核結(jié)果和參數(shù)
1. 許用接觸應(yīng)力 200.00 (N/mm^2)
2. 計(jì)算接觸應(yīng)力 11.46 (N/mm^2) 滿(mǎn)足
3. 許用彎曲應(yīng)力 52.50 (N/mm^2)
4. 計(jì)算彎曲應(yīng)力 0.07 (N/mm^2) 滿(mǎn)足
5. 許用撓度值 0.0600 (N/mm^2)
6. 計(jì)算撓度值 0.0001 (N/mm^2) 滿(mǎn)足
1. 蝸桿圓周力 Ft1 3.00 (N)
2. 蝸桿軸向力 Fx1 -8.86 (N)
3. 蝸桿徑向力 Fr1 -3.23 (N)
4. 蝸輪圓周力 Ft2 8.86 (N)
5. 蝸輪軸向力 Fx2 -3.00 (N)
6. 蝸輪徑向力 Fr2 3.23 (N)
7. 蝸輪法向力 Fn -9.69 (N)
8. 滑動(dòng)速度 Vs 3.15 (m/s)
9. 蝸桿傳動(dòng)當(dāng)量摩擦角 ρv 2.000°
10. 蝸桿傳動(dòng)效率 η 0.83
11. 蝸桿的嚙合效率 η1 0.87
12. 攪油損耗 η2 0.97
13. 滾動(dòng)軸承效率 η3 0.98
14. 使用系數(shù) Ka 1.02
15. 動(dòng)載荷系數(shù) Kv 1.15
16. 載荷分布系數(shù) Kβ 1.00
17. 材料的彈性系數(shù) ZE 155.00
18. 滑動(dòng)速度影響系數(shù) Zvs 0.92
19. 壽命系數(shù) ZN 0.95
20. 齒形系數(shù) Yfs 3.57
21. 導(dǎo)程角系數(shù) Yβ 0.95
22. 蝸桿截面慣性矩 I 30171.86 (mm^4)
23. 彈性模量 E 207000.00 (N/mm^2)
24. 蝸桿兩端支承點(diǎn)的跨度 L 180.00 (mm)
六、自然通風(fēng)散熱計(jì)算
1. 熱導(dǎo)率 k 8.70 ( W / m^2℃ )
2. 散熱的計(jì)算面積 A 0.02 (m^2)
3. 冷卻的箱殼表面積 A1 0.02 (m^2)
4. 補(bǔ)充的箱殼表面積 A2 0.00 (m^2)
5. 潤(rùn)滑油溫度 t1 40 ( ℃ )
6. 周?chē)諝鉁囟?t2 20 ( ℃ )
7. 損耗的功率 Ps 0.00 ( kW )
8. 能散出的功率 Pc 0.00 ( kW ) 滿(mǎn)足
2.2.2步進(jìn)電機(jī)的選用
查表選一個(gè)型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。電機(jī)的有關(guān)參數(shù)見(jiàn)表2-5。
2.2.3絲杠螺母的設(shè)計(jì)計(jì)算
2.2.3.1耐磨性的計(jì)算
由耐磨性決定決定絲杠中徑的公式為：
式中：p－絲杠所受的最大軸向力（kgf）；－螺母長(zhǎng)徑比，＝，L為螺母的長(zhǎng)度（mm），一般取1.2～4，但螺母的螺紋圈數(shù)一般不超過(guò)10，因?yàn)槿?shù)越多，載荷分布愈不均，第10圈以后的螺紋，實(shí)際上起不到分擔(dān)載荷的作用。
耐磨性核算公式為：
絲杠－螺母的材料為：鋼（不淬硬）－鑄鐵 精度等級(jí)7級(jí) 許用單位壓力p為20kgf/。
取長(zhǎng)徑比＝2；經(jīng)計(jì)算解得p＝150020kgf/ 絲杠中徑＝40mm，L＝80mm。
2.2.3.2穩(wěn)定性核算
絲杠具有良好穩(wěn)定性時(shí)的最大允許軸向壓縮載荷
絲杠采用兩端均為簡(jiǎn)支的支承方式，支承系數(shù)＝1；
式中：E－材料彈性模量，鋼為；
I－絲杠內(nèi)徑的斷面慣性矩，；為內(nèi)徑；
L－支承距離（mm）；
K－安全系數(shù)，一般取3。
當(dāng)K=3，并代入常數(shù)時(shí)，上式化簡(jiǎn)為：
2.2.3.3剛度的計(jì)算：可在絲杠軸向拉伸壓縮變形圖中求得（略）。
2.2.3.4強(qiáng)度計(jì)算：絲杠拉壓應(yīng)力的計(jì)算公式為: (kgf)
式中：P－絲杠所受的最大的軸向力（kgf）；
A－絲杠內(nèi)徑的斷面積（），；
－絲杠的內(nèi)徑（mm）；
－絲杠的傳動(dòng)效率；
－許用拉壓應(yīng)力（kgf/）,由于螺紋所引起的應(yīng)力集中系數(shù)不能確定，因此，取=，為材料的屈服點(diǎn)（kgf/）。絲杠參數(shù)見(jiàn)表2－6。
2.3（三）主軸箱的設(shè)計(jì)
采用漸開(kāi)線圓柱齒輪傳動(dòng) ，變頻調(diào)速電機(jī)，主軸箱和電機(jī)軸采用TL6型彈性套筒聯(lián)軸器。
2.3.1聯(lián)軸器的選擇
TL6型彈性套筒聯(lián)軸器參數(shù)見(jiàn)表2－7。
2.3.2變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)的選擇
由南京特種電機(jī)有限責(zé)任公司生產(chǎn)的變頻調(diào)速電機(jī)信息和參數(shù)如下：
YTP(YVP)系列變頻調(diào)速三相異步電動(dòng)機(jī)是一種交流、高效、節(jié)能調(diào)速電動(dòng)機(jī)，與變頻器配合使用，是機(jī)電一體化的調(diào)速新產(chǎn)品。其具有以下的優(yōu)點(diǎn)。
● 效率高，節(jié)能效果明顯。
● 調(diào)頻范圍廣，能在5Hz~100Hz甚至更寬的范圍內(nèi)平滑無(wú)極調(diào)速。
● 噪音低、振動(dòng)小。
● 起動(dòng)力矩大，低頻起動(dòng)對(duì)負(fù)載沖擊小。
● 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行穩(wěn)定（尤其在低頻時(shí)）、使用可靠，維護(hù)方便。
● 體積小、重量輕，除風(fēng)罩比Y系列異步電動(dòng)機(jī)稍長(zhǎng)外，其它外形及安裝尺寸皆相同。便于安裝。
● 起動(dòng)電流小，無(wú)須附加起動(dòng)設(shè)備。
● 單獨(dú)裝有軸流風(fēng)機(jī)，在不同轉(zhuǎn)速下均有較好的冷卻效果。
● 應(yīng)有范圍廣，可以作恒轉(zhuǎn)矩（50Hz以下）、恒功率（50Hz以上）或遞減轉(zhuǎn)矩負(fù)載機(jī)械無(wú)級(jí)調(diào)速之用，基本可以取代任何一種調(diào)速產(chǎn)品。
● 型號(hào)說(shuō)明
圖2－2
● 使用條件
（1） 最高環(huán)境溫度不超過(guò)40℃
（2） 海拔不超過(guò)1000m
（3） 電動(dòng)機(jī)防護(hù)等級(jí)IP44(或IP55)
（4） 電網(wǎng)電壓：380V(220V)±10%,頻率50Hz±2%
（5） 相對(duì)濕度：不超過(guò)90%（20℃以下時(shí)）
（6）工作制：SI（連續(xù)）
調(diào)速系統(tǒng)的特性
圖2－3
注:１、系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)應(yīng)選擇比較合理的Ｖ－Ｆ特性２、要求大于１：１０恒轉(zhuǎn)矩調(diào)頻和大于１：２恒功率調(diào)頻電機(jī)請(qǐng)?jiān)诙ㄘ洉r(shí)說(shuō)明。參數(shù)見(jiàn)表2－8。選用YTP132M1－4型變頻調(diào)速電機(jī)。
圖2－4
2.3.3 一級(jí)齒輪變速箱的齒輪設(shè)計(jì)
一、設(shè)計(jì)信息
漸開(kāi)線圓柱齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)
二、設(shè)計(jì)參數(shù)
傳遞功率 P=7.50000 (kW)
傳遞轉(zhuǎn)矩 T=47.74500 (N.m)
齒輪1轉(zhuǎn)速 n1=1500 (r/min)
齒輪2轉(zhuǎn)速 n2=3000 (r/min)
傳動(dòng)比 i=0.50000
原動(dòng)機(jī)載荷特性 SF=輕微振動(dòng)
工作機(jī)載荷特性 WF=均勻平穩(wěn)
預(yù)定壽命 H=10000 (小時(shí))
三、布置與結(jié)構(gòu)
結(jié)構(gòu)形式 ConS=開(kāi)式
齒輪1布置形式 ConS1=對(duì)稱(chēng)布置
齒輪2布置形式 ConS2=對(duì)稱(chēng)布置
四、材料及熱處理
齒面嚙合類(lèi)型 GFace=硬齒面
熱處理質(zhì)量級(jí)別 Q=ML
齒輪1材料及熱處理 Met1=45<表面淬火>
齒輪1硬度取值范圍 HBSP1=45-50
齒輪1硬度 HBS1=46
齒輪1材料類(lèi)別 MetN1=0
齒輪1極限應(yīng)力類(lèi)別 MetType1=11
齒輪2材料及熱處理 Met2=45<表面淬火>
齒輪2硬度取值范圍 HBSP2=45-50
齒輪2硬度 HBS2=48
齒輪2材料類(lèi)別 MetN2=0
齒輪2極限應(yīng)力類(lèi)別 MetType2=11
五、齒輪精度
齒輪1第Ⅰ組精度 JD11=7
齒輪1第Ⅱ組精度 JD12=7
齒輪1第Ⅲ組精度 JD13=7
齒輪1齒厚上偏差 JDU1=F
齒輪1齒厚下偏差 JDD1=L
齒輪2第Ⅰ組精度 JD21=7
齒輪2第Ⅱ組精度 JD22=7
齒輪2第Ⅲ組精度 JD23=7
齒輪2齒厚上偏差 JDU2=F
齒輪2齒厚下偏差 JDD2=L
六、齒輪基本參數(shù)
模數(shù)(法面模數(shù)) Mn=3
端面模數(shù) Mt=3.00000
螺旋角 β=0.0000000 (度)
基圓柱螺旋角 βb=0.0000000 (度)
齒輪1齒數(shù) Z1=60
齒輪1變位系數(shù) X1=0.00
齒輪1齒寬 B1=15 (mm)
齒輪1齒寬系數(shù) Φd1=0.16667
齒輪2齒數(shù) Z2=30
齒輪2變位系數(shù) X2=0.00
齒輪2齒寬 B2=15 (mm)
齒輪2齒寬系數(shù) Φd2=0.33333
總變位系數(shù) Xsum=0.00000
標(biāo)準(zhǔn)中心距 A0=135.00000 (mm)
實(shí)際中心距 A=135.00000 (mm)
齒數(shù)比 U=0.50000
端面重合度 εα=1.71911
縱向重合度 εβ=0.00000
總重合度 ε=1.71911
齒輪1分度圓直徑 d1=180.00000 (mm)
齒輪1齒頂圓直徑 da1=186.00000 (mm)
齒輪1齒根圓直徑 df1=172.50000 (mm)
齒輪1齒頂高 ha1=3.00000 (mm)
齒輪1齒根高 hf1=3.75000 (mm)
齒輪1全齒高 h1=6.75000 (mm)
齒輪1齒頂壓力角 αat1=24.580194 (度)
齒輪2分度圓直徑 d2=90.00000 (mm)
齒輪2齒頂圓直徑 da2=96.00000 (mm)
齒輪2齒根圓直徑 df2=82.50000 (mm)
齒輪2齒頂高 ha2=3.00000 (mm)
齒輪2齒根高 hf2=3.75000 (mm)
齒輪2全齒高 h2=6.75000 (mm)
齒輪2齒頂壓力角 αat2=28.241393 (度)
齒輪1分度圓弦齒厚 sh1=4.71185 (mm)
齒輪1分度圓弦齒高 hh1=3.03084 (mm)
齒輪1固定弦齒厚 sch1=4.16114 (mm)
齒輪1固定弦齒高 hch1=2.24267 (mm)
齒輪1公法線跨齒數(shù) K1=7
齒輪1公法線長(zhǎng)度 Wk1=60.08756 (mm)
齒輪2分度圓弦齒厚 sh2=4.71024 (mm)
齒輪2分度圓弦齒高 hh2=3.06167 (mm)
齒輪2固定弦齒厚 sch2=4.16114 (mm)
齒輪2固定弦齒高 hch2=2.24267 (mm)
齒輪2公法線跨齒數(shù) K2=3
齒輪2公法線長(zhǎng)度 Wk2=23.40148 (mm)
齒頂高系數(shù) ha*=1.00
頂隙系數(shù) c*=0.25
壓力角 α*=20 (度)
端面齒頂高系數(shù) ha*t=1.00000
端面頂隙系數(shù) c*t=0.25000
端面壓力角 α*t=20.0000000 (度)
七、檢查項(xiàng)目參數(shù)
齒輪1齒距累積公差 Fp1=0.06869
齒輪1齒圈徑向跳動(dòng)公差 Fr1=0.04750
齒輪1公法線長(zhǎng)度變動(dòng)公差 Fw1=0.03577
齒輪1齒距極限偏差 fpt(±)1=0.01692
齒輪1齒形公差 ff1=0.01325
齒輪1一齒切向綜合公差 fi'1=0.01810
齒輪1一齒徑向綜合公差 fi''1=0.02394
齒輪1齒向公差 Fβ1=0.01114
齒輪1切向綜合公差 Fi'1=0.08194
齒輪1徑向綜合公差 Fi''1=0.06649
齒輪1基節(jié)極限偏差 fpb(±)1=0.01590
齒輪1螺旋線波度公差 ffβ1=0.01810
齒輪1軸向齒距極限偏差 Fpx(±)1=0.01114
齒輪1齒向公差 Fb1=0.01114
齒輪1x方向軸向平行度公差 fx1=0.01114
齒輪1y方向軸向平行度公差 fy1=0.00557
齒輪1齒厚上偏差 Eup1=-0.06767
齒輪1齒厚下偏差 Edn1=-0.27070
齒輪2齒距累積公差 Fp2=0.05121
齒輪2齒圈徑向跳動(dòng)公差 Fr2=0.03979
齒輪2公法線長(zhǎng)度變動(dòng)公差 Fw2=0.03097
齒輪2齒距極限偏差 fpt(±)2=0.01603
齒輪2齒形公差 ff2=0.01213
齒輪2一齒切向綜合公差 fi'2=0.01690
齒輪2一齒徑向綜合公差 fi''2=0.02271
齒輪2齒向公差 Fβ2=0.00630
齒輪2切向綜合公差 Fi'2=0.06333
齒輪2徑向綜合公差 Fi''2=0.05571
齒輪2基節(jié)極限偏差 fpb(±)2=0.01507
齒輪2螺旋線波度公差 ffβ2=0.01690
齒輪2軸向齒距極限偏差 Fpx(±)2=0.00630
齒輪2齒向公差 Fb2=0.00630
齒輪2x方向軸向平行度公差 fx2=0.00630
齒輪2y方向軸向平行度公差 fy2=0.00315
齒輪2齒厚上偏差 Eup2=-0.06414
齒輪2齒厚下偏差 Edn2=-0.25655
中心距極限偏差 fa(±)=0.02813
八、強(qiáng)度校核數(shù)據(jù)
齒輪1接觸強(qiáng)度極限應(yīng)力 σHlim1=960.0 (MPa)
齒輪1抗彎疲勞基本值 σFE1=480.0 (MPa)
齒輪1接觸疲勞強(qiáng)度許用值 [σH]1=931.2 (MPa)
齒輪1彎曲疲勞強(qiáng)度許用值 [σF]1=342.9 (MPa)
齒輪2接觸強(qiáng)度極限應(yīng)力 σHlim2=960.0 (MPa)
齒輪2抗彎疲勞基本值 σFE2=480.0 (MPa)
齒輪2接觸疲勞強(qiáng)度許用值 [σH]2=931.2 (MPa)
齒輪2彎曲疲勞強(qiáng)度許用值 [σF]2=342.9 (MPa)
接觸強(qiáng)度用安全系數(shù) SHmin=1.00
彎曲強(qiáng)度用安全系數(shù) SFmin=1.40
接觸強(qiáng)度計(jì)算應(yīng)力 σH=742.7 (MPa)
接觸疲勞強(qiáng)度校核 σH≤[σH]=滿(mǎn)足
齒輪1彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算應(yīng)力 σF1=195.9 (MPa)
齒輪2彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算應(yīng)力 σF2=203.1 (MPa)
齒輪1彎曲疲勞強(qiáng)度校核 σF1≤[σF]1=滿(mǎn)足
齒輪2彎曲疲勞強(qiáng)度校核 σF2≤[σF]2=滿(mǎn)足
九、強(qiáng)度校核相關(guān)系數(shù)
齒形做特殊處理 Zps=特殊處理
齒面經(jīng)表面硬化 Zas=不硬化
齒形 Zp=一般
潤(rùn)滑油粘度 V50=120 (mm^2/s)
有一定量點(diǎn)饋 Us=不允許
小齒輪齒面粗糙度 Z1R=Rz≤6μm ( Ra≤1μm )
載荷類(lèi)型 Wtype=靜強(qiáng)度
齒根表面粗糙度 ZFR=Rz≤16μm ( Ra≤2.6μm )
刀具基本輪廓尺寸 HMn=Hao/Mn＝1.25, Pao/Mn＝0.38
圓周力 Ft=530.50000 (N)
齒輪線速度 V=14.13717 (m/s)
使用系數(shù) Ka=1.21000
動(dòng)載系數(shù) Kv=3.44976
齒向載荷分布系數(shù) KHβ=1.00000
綜合變形對(duì)載荷分布的影響 Kβs=1.00000
安裝精度對(duì)載荷分布的影響 Kβm=0.00000
齒間載荷分布系數(shù) KHα=1.31528
節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù) Zh=2.49457
材料的彈性系數(shù) ZE=189.80000
接觸強(qiáng)度重合度系數(shù) Zε=0.87195
接觸強(qiáng)度螺旋角系數(shù) Zβ=1.00000
重合、螺旋角系數(shù) Zεβ=0.87195
接觸疲勞壽命系數(shù) Zn=1.00000
潤(rùn)滑油膜影響系數(shù) Zlvr=0.97000
工作硬化系數(shù) Zw=1.00000
接觸強(qiáng)度尺寸系數(shù) Zx=1.00000
齒向載荷分布系數(shù) KFβ=1.00000
齒間載荷分布系數(shù) KFα=1.45715
抗彎強(qiáng)度重合度系數(shù) Yε=0.68627
抗彎強(qiáng)度螺旋角系數(shù) Yβ=1.00000
抗彎強(qiáng)度重合、螺旋角系數(shù) Yεβ=0.68627
壽命系數(shù) Yn=1.00000
齒根圓角敏感系數(shù) Ydr=1.00000
齒根表面狀況系數(shù) Yrr=1.00000
尺寸系數(shù) Yx=1.00000
齒輪1復(fù)合齒