浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告班級(jí)09機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化（4）班姓名唐筠超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（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）目錄1選題的背景與意義1.1定義1.2研究意義2研究的基本內(nèi)容與擬解決的主要問題2.1基本內(nèi)容2.2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3.1研究思路方案3.2可行性分析3.3預(yù)期研究成果4研究工作計(jì)劃參考文獻(xiàn)（開題報(bào)告全文附后）成績(jī)：答辯意見（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：年月日系主任審核意見簽名：年月日火箭燃料貯箱FSW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1.1.1攪拌摩擦焊定義攪拌摩擦焊，英文全稱為frictionstirwelding，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(weldingpin)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)容與擬解決的主要問題2.1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”谕搀w）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研究思路方案、可行性分析及預(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1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/