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浙江理工大学本科毕业设计（论文） 文献综述 报告 班 级 09 机械设计制造及其自动化（ 4）班 姓 名 唐筠超 课题名称 火箭燃料贮箱 接用组合 夹具设计 文献综述 报告 （ 包括国内外本课题及相关研究的现状、分析及参考文献目录，理工类要求不少于2000 字 ） 目 录 1 前言 2 筒体夹具国内外研究现状 内 外 筒体夹具 拌摩擦焊筒体夹具思路 3 球面体夹具 国 内 外研究现状 内 外 球面体夹具 拌摩擦焊球面体夹具思路 4 总结 参考文献 指导教师 审批意见 签名： 年 月 日 火箭燃料贮箱 具设计 唐筠超 (机械设计制造及其自动化 09(4)班 1 前言 自从 1991 年英国焊接研究所发明了搅拌摩擦焊技术以来，已经过去了 21 年，搅拌摩擦焊 在这 21 年间为世界制造业做出了巨大的贡献，其中在航天航空，航海船泊，高速列车，交通运输这些高科技行业的表现尤其突出。已经有多个国家如：英国，美国，法国，德国，瑞典，日本，中国等在扩 大应用搅拌摩擦焊技术时，在世界范围内申请了 与搅拌摩擦焊相关技术的 专利 ，自 1997 年起平均每年有 100120 项搅拌摩擦焊技术专利申请。我国第一家专业化的搅拌摩擦焊技术授权公司（中国搅拌摩擦焊中心即北京赛福斯特技术有限公司）到现在 2012年已经成功开发了 60 余套 搅拌摩擦焊设备， 将搅拌摩擦焊技术应用于我国航空、航天、船舶、列车、汽车、电子、电力等工业领域中，创造了可观的社会经济效益，为铝、镁、铜、钛、钢等金属材料提供了完美的技术解决方法 。在这种大背景下，研究设计搅拌摩擦焊接过程中要用到 的 夹具 就显得极其重要 1。 这次 主要设计 航天火箭的燃料贮箱在用搅拌摩擦焊焊接时所用到的一系列夹具以及 计算选择 夹具转动所需要的定制电机，转轴，齿轮减速器。火箭燃料贮箱 由三部分组成，分别是作为中心的 薄壁筒体与两端的球面体箱盖。球面体 箱盖由多片瓜瓣片经纵缝焊接而成。 2 筒体夹具 国内 外 研究现状 内 外 筒体夹具 目前，国内应用 广泛的 筒体夹具主要是普通的 较普遍的是组合机床夹具。优点是简单易行 ，并可以与加工设备相结合。 缺点是不方便移动，而且精确度不高。 这种夹具的夹紧定位方式并不适合筒体的环缝焊接，更多的是应用于钻床与铣 床。 图 2合钻床夹具 还有一种应用较为广泛的是卡盘式夹具，主要有三爪卡盘和四爪卡盘 两种 2。这种夹紧方式 多用于小型圆柱体和少部分小型筒体。由于这种夹紧方式只是适用与小型圆筒状零件，而搅拌摩擦焊接中加工的基本都是大型筒体，所以设计时不考虑这种夹具样式。 图 2爪卡盘 图 2爪卡盘 较为新颖的一种筒体夹具是弹性夹具。该夹具利用弹性元件受力后均匀弹性形变的原理，实现对工件的自动定心与夹紧。 这种自动定心弹簧套筒夹具，具有结构简单，夹具行程小，装夹工件迅速，定位可靠，具 有较高的定心精度。一般可达 然而这种夹具仅仅只能用于小型筒体或是加工过程中受力较小的筒体，一旦筒体连带夹具受力过大，超出弹簧的可承受极限，就会变成弹性疲劳状态，无法自动恢复成原状，就不能起到定位夹紧的作用。 图 2壁筒状零件弹性夹具 有 一种应用于高压电缆的 固定夹具，由两个半环状紧固环相接来起固定作用。这种方式可以试用于搅拌摩擦焊接中，但是 考虑到 焊接过程中有较大轴向力作用于焊件，仅仅只有这点固定作用是完全不够的， 筒体内部还 需要有一定的接触面积 来“抵消”轴向力，需要另外添加“底板 ”。 图 2压电缆固定夹具 拌摩擦焊筒体夹具思路 目前国内外的筒体夹具形状各式各样。但按筒体的直径分大致有两种，一种适用于是大直径 /深筒体的夹具，另一种是用于小直径筒体的夹具。一般来说，搅拌摩擦焊应用的行业都是大直径深筒体，所以采用的夹具体积与质量也会相对较大。这时不单单要考虑夹具能否满足定位夹紧等基本要求，还得考虑夹具在焊接过程中对焊接件下面带来的额外负荷是否会造成变形。而且对于搅拌摩擦焊的夹具来说，最重要的是要考虑怎样的夹具样式才能抵消焊接过程中的轴向压力，保证焊件不会因为焊接的原因 在焊缝周围出现形变。对于航空航天这些高科技产业，焊接产品的高精度要求是最重要的。 按照目前筒体的焊接方式分，有直缝与环缝两种形式。这里主要设计的是环缝焊接类的筒体夹具。 首先，夹具要满足最基本的夹紧定位要求。参考国内外文献中的筒体夹具，这次采用四个半圆紧固环和多个紧定螺钉对筒体进行两端定位夹紧。 由于焊接零件是筒体，焊接形式为环缝焊接，那么考虑到筒体必须满足圆度与同心度要求，并且要有足够的支撑面来承受搅拌头的轴向压力，夹具就需要在筒体焊件的内部有足够的接触面。 普通 环缝的焊接顺序一般是先焊筒体内侧焊缝，把外 侧清根（简单的 说即清理第一面焊缝的缺陷以便第二次焊缝进行）后再焊筒体外侧焊缝。由于搅拌摩擦焊接不需要进行内侧焊接， 也不需要 清根， 所以只 需要 筒体 夹具 内部与焊接件接触处 有足够的支撑面来保证筒体在焊接过程中不受力弯曲变形 就行 ，外部接触面不用考虑 。 由此得出，要设计的筒体夹具必须在筒体内侧焊缝处 有“底板” （或者叫受力挡板） ，而且“底板”与筒体的距离必须是可调的，不会在焊接时给工人造成麻烦。最好是可以平移或调距的，可以应付不同类型的环缝。 最后的筒体夹具模型应该是由两端的定位夹紧面与环形焊缝处 内 侧可移动或可拆卸的环形带状面构成。 最后筒体与球面体组装环缝焊接时只需要在两端加上新的定位夹紧面。 3 球面体夹具 国 内 外研究现状 内 外 球面体夹具 根据所能查到的资料来看，球面体夹具 普遍应用于大型组合球面 的组装 。 大型球面体结构多数是由拼装组合而成，例如核电设备中的安注箱。由于安注箱的球体尺寸过大，所以由球封头与中段的瓜瓣片球壳筒身拼接组成。组装时所用夹具主要包含了 车夹座、定位圈、 V 型座、顶紧微调装置等组件 9。 图 3工瓜瓣片焊接坡口的夹具 有一种小型球面体夹具， 用在 对薄壁同心球 壳内球面的轻切削与抛光 时定位与夹紧。这种夹具 同心度高， 简单易行， 但是 只能加工小型球体的内球面 6。 图 3球体内球面加工用夹具 也有专门的夹具应用于搅拌摩擦焊的空间曲面焊接加工。 空间曲面的搅拌摩擦焊专用夹具，主要由夹具骨架结构与传动机构组成，其特征在于：所述夹具骨架结构的框架 1两端通过转轴 10支撑在支座 9上；承力机构 8固定连接在框架 1上，在所述承力机构 9上方设有定位机构12；框架 1下的对角处设有平衡支撑弹簧 2；所述传动机构由主动传动机构和从动传动机构组成，所述主、从动传动机构均置于承力机构 8底 部两侧，所述承力机构 8通过与主、从动传动机构传动连接的螺杆 3上的滚轮 18活动支撑 10。 图 3间曲面的搅拌摩擦焊专用夹具 拌摩擦焊球面体夹具思路 目前国内外用于空间曲面的夹具较少，而且有涉及的大多数都是对小型非圆曲面的研究。本文所提到的球面体夹具则是用于搅拌摩擦焊焊接过程的专用大型夹具，与普通的空间球面夹具相比，需要考虑焊接过程中较大的轴向力对焊件与夹具所造成的形变。 按照国内外的球面体夹具摆放位置分，有外夹紧与内夹紧的区别。搅拌摩擦焊加工过程多数为曲面的外部焊接，故选用内夹紧方式 。 为了满足焊接精确度的要求，需要焊件在焊接过程中保持位置度与同心度不偏移，并且根据施工要求，夹具需要绕轴旋转，所以夹具与主动旋转轴之间需要有固定连接，能够承受足够的扭矩。 由于前面提到的焊接过程中较大的轴向力的存在，需要在焊接轨迹下有“底板”。足够厚实的底板才能够在平衡轴向力的同时而不会使焊件变形。但是球面体需要的“底板”与筒状体不同。筒状体只需要环状宽带型承受面，而球面体则是由多条小型的弯曲的宽带型曲面与三个环状固定宽曲面构成。其中条状宽带曲面用于平衡轴向力，提供给焊接过程做够的受力面积，而环状固定面用 于连接所有的曲面，构成夹具的本体。截取一半的简略俯视图如图 1所示。 图 3略俯视图 这里的环形为固定面，直线均为三维空间里的弯曲条状宽带面，小圆为两种曲面的接触部分，也即固定连接部分。整体的夹具如果从俯视图来看，最中间的圆是按实际情况来看是空心平面环带，用于与主动旋转轴相连。最大的圆是整个夹具的底座，与最上面的环带配合来固定焊件并且用于定位。 4 总结 筒体夹具总的来说数量较多，可以相互比较与分析，并可以选取合适的优点应用到搅拌摩擦焊的专用夹具中。具体方法可以参考电缆固定夹具加移动底板的组合模 型。而对于数量较少的球面体夹具，虽然已经有搅拌摩擦焊专用的空间曲面夹具，但是那个专利并不适用于球面体 ， 需要重新参考瓜瓣片球壳组合 时 用 到 的夹具 ，再设计出一种能够防止焊接过程中焊件变形的夹具。 火箭燃料贮箱成型的最后一步需要筒体与球面体进行环缝焊接，所用的夹具可以与筒体夹具通用， 因为 都需要