一类模具标准件惯性摩擦焊机床设计

1、一类模具标准件惯性摩擦焊机床设计 作 者 姓 名： 单 位 名 称：机械工程与自动化专 业 名 称：机械工程及自动化东 北 大 学2009年6月Design of inertial friction welding machine tool a class of Mold standard partsNortheastern UniversityJune 2009毕业设计（论文）任务书机械工程与自动化学院 班级 0512 姓名 周凤龙 毕业设计（论文）题目： 一类模具标准件惯性摩擦焊机床设计设计(论文)的基本内容：一类模具标准件的摩擦焊工艺分析与设计摩擦焊机床的整机构型惯性摩擦焊的动力学分析惯

2、性主轴结构设计工件自动化夹具设计编写设计说明书外文科技文献翻译毕业设计（论文）专题部分：题目： 设计或论文专题的基本内容： 学生接受毕业设计（论文）题目日期第1周指导教师签字：2009年3月5日一类模具标准件惯性摩擦焊机床设计摘 要摩擦焊作为一种先进的固态连接技术，具有优质，高效，节能，低耗，清洁等技术特征，通过与材料，计算机，知识与信息处理，光机电一体化，软件，可靠性工程的紧密结合，具有广泛的开发应用与产业化前景。本毕业设计按照从工艺到设备到控制的设计过程进行设计，首先，在查阅原有资料基础上并结合待加工工件的加工要求，对工艺参数进行设计优化，并在已有实验数据基础上确定摩擦焊工艺参数并对参数关

3、系进行初步探究，为确定惯性摩擦焊机参数提供依据。其次，在得出的工艺参数基础上进行惯性摩擦焊机结构设计，在已有摩擦焊机技术经验基础上，结合有限元软件ANSYS和CAD软件PROE和已学过的知识确定焊机结构参数，并完成相应组件的设计和选型，最后画出加工用2维CAXA图纸。在完成设备设计之后进行焊机控制系统的设计，其中包括液压系统和控制系统。对液压系统，分析惯性摩擦焊机工作过程特点并进行初步设计和选型。对控制系统，结合惯性摩擦焊机工作流程得出控制流程图，提出控制要求，为控制系统设计提供依据。关键词：惯性摩擦焊，有限元，工艺，液压系统，控制系统Design of inertial friction w

4、elding machine tool a class of Mold standard partsAbstractFriction welding technology to connect an advanced solid-state technology, with the features of high quality, high efficiency, energy saving, low consumption, clean technologies , connected with the materials, computers, knowledge and informa

5、tion processing, optical-mechanical-electrical integration, software, reliability engineering. It encompass a wide range of development and application and industrialization prospectsAccording to the process of from craft to design and then to control, on the foundation of checking original data, co

6、mbined with the workpiece to be processed. Make the Superior design of craft parameter; on the foundation of Inertial friction welding experiment data already existed to carry on an initial investigation of friction parameter.Making the machine structure design on the foundation of craft parameter,

7、on the basic of welding machine technical experience, combined with finite element software ANSYS and PROE and the knowledge have been studied to determine the structure of welding parameters, finally complete the design and selection of the corresponding components. After the completion of equipmen

8、t design, then make the design of machine control systems, including hydraulic system and control system, to make a preliminary design and selection of hydraulic systerm,draw the control flow chart of the control system, give the control requirements.Keywords:inertia friction welding,FEM,Crafts,cont

9、rol system,hydraulic systems TOC o 1-3 u 毕业设计（论文）任务书 PAGEREF _Toc233268137 h i摘 要 PAGEREF _Toc233268138 h iiABSTRACT PAGEREF _Toc233268139 h iii第1章 绪论 PAGEREF _Toc233268140 h - 1 -选题的目的和意义 PAGEREF _Toc233268141 h - 1 -国内外研究现状和发展动态 PAGEREF _Toc233268142 h - 1 -本文主要内容 PAGEREF _Toc233268143 h - 3 -第2章

10、模具标准件的摩擦焊工艺分析与设计 PAGEREF _Toc233268144 h - 4 -惯性摩擦焊工艺参数分析 PAGEREF _Toc233268145 h - 4 -惯性摩擦焊接的主要工艺参数 PAGEREF _Toc233268146 h - 4 -惯性摩擦焊的工艺参数关系分析 PAGEREF _Toc233268147 h - 4 -工艺参数的计算与优化 PAGEREF _Toc233268148 h - 5 -工艺参数优化的依据 PAGEREF _Toc233268149 h - 5 -待加工工件工艺参数的计算 PAGEREF _Toc233268150 h - 6 -第3章 主

11、轴系统动力学分析 PAGEREF _Toc233268151 h - 9 -有限元法求模态的基本理论 PAGEREF _Toc233268152 h - 9 -轴单元 PAGEREF _Toc233268153 h - 9 -盘单元及总质量阵、总刚度阵的组成 PAGEREF _Toc233268154 h - 12 -转轴临界转速的计算 PAGEREF _Toc233268155 h - 13 -3.3 主轴系统的手动建模 PAGEREF _Toc233268156 h - 13 -主轴的有限元求解 PAGEREF _Toc233268157 h - 14 -本章小结 PAGEREF _Toc

12、233268158 h - 16 -第4章 整机构型及主轴系统设计 PAGEREF _Toc233268159 h - 17 -4.1 整机构型 PAGEREF _Toc233268160 h - 17 -主轴系统的工作要求 PAGEREF _Toc233268161 h - 18 -主轴系统构造特征 PAGEREF _Toc233268162 h - 18 -主轴系统设计 PAGEREF _Toc233268163 h - 19 -电动机选型 PAGEREF _Toc233268164 h - 19 -离合器选型 PAGEREF _Toc233268165 h - 21 -主轴系统轴承选型

13、PAGEREF _Toc233268166 h - 22 -夹头选型 PAGEREF _Toc233268167 h - 24 -旋转飞轮设计 PAGEREF _Toc233268168 h - 24 -主轴设计 PAGEREF _Toc233268169 h - 25 -4.5.1 主轴的参数设计 PAGEREF _Toc233268170 h - 25 -4.5.2 主轴的校核 PAGEREF _Toc233268171 h - 25 -衬套的有限元校核 PAGEREF _Toc233268172 h - 27 -第5章 液压及控制系统设计 PAGEREF _Toc233268173 h

14、- 29 -明确液压系统设计要求 PAGEREF _Toc233268174 h - 29 -5.2 分析系统工况 PAGEREF _Toc233268175 h - 29 -确定执行元件的工作压力 PAGEREF _Toc233268176 h - 30 -5.3.1 初选工作液压缸工作压力 PAGEREF _Toc233268177 h - 30 -5.3.2 确定液压缸的主要工作参数 PAGEREF _Toc233268178 h - 30 -5.3.3 计算液压缸的工作压力流量和功率 PAGEREF _Toc233268179 h - 30 -拟定液压原理图 PAGEREF _Toc2

15、33268180 h - 32 -液压系统性能验算 PAGEREF _Toc233268181 h - 34 -控制系统设计： PAGEREF _Toc233268182 h - 34 -第6章 经济性与环保性分析 PAGEREF _Toc233268183 h - 36 -经济性分析 PAGEREF _Toc233268184 h - 36 -环保性分析： PAGEREF _Toc233268185 h - 36 -第7章 全文总结与展望 PAGEREF _Toc233268186 h - 37 -本文总结 PAGEREF _Toc233268187 h - 37 -设计中遇到的问题 PAG

16、EREF _Toc233268188 h - 37 -本文展望 PAGEREF _Toc233268189 h - 37 -参考文献 PAGEREF _Toc233268190 h - 39 -结束语 PAGEREF _Toc233268191 h - 41 -附录 PAGEREF _Toc233268192 h - 42 -机械设计理论 PAGEREF _Toc233268193 h - 42 -Machine design theory PAGEREF _Toc233268194 h - 47 -第1章 绪论选题的目的和意义利用摩擦热焊接起源于一百多年前，此后经半个多世纪的研究发展，摩擦焊

17、技术才逐渐成熟起来，并进入推广应用阶段。自从20世纪50年代摩擦焊真正焊出合格焊接接头以来，就以其优质、高效、低耗、环保的突出优点而受到所有工业强国的重视。我国的摩擦焊研究始于1957年，发祥地是哈尔滨焊接研究所，同时也是世界上最早开展摩擦焊研究的几个国家之一，48年来取得了很多引人注目的成果。摩擦焊有以下优点：焊接质量好而且稳定、焊接生产效率高、生产费用低、能焊接异种钢和异种金属、摩擦焊机容易实现机械化自动化、操作简单容易掌握和维修、工作场地卫生，没有火花弧光和有害气体、可节省焊接材料，节省生产成本。我国现有六百余台摩擦焊机，绝大部分是连续驱动摩擦焊机。近年来由于加强了与德国KUKA、日东株

18、氏会社、美国MTI公司等摩擦焊机制造公司的交流与引进样机，焊机先后采用了液压马达驱动的主轴系统，串联轴承组平衡油缸液力平衡旋转活塞，多片式粉末冶金涂层离合器，滚动导轨和可编程序控制器（PLC）控制等多项先进技术，使焊机制造水平有了较大的提高。由此可见摩擦焊机是一种涉及机械，电工电子，液压等多方面技术的焊接机械，此次我所设计的是惯性摩擦焊接，针对的是一类模具标准件的焊接，其中包括摩擦工艺参数的优化设计，机床的整机构型设计，动力学分析，惯性主轴结构设计，工件自动化夹具设计，液压和PLC系统设计等。其涉及内容全面，包含机，电，液等多个方面，应用PROE，ANSYS，CAXA等软件，并综合应用理论力学

19、，材料力学，电机拖动等多们课程知识，自己独立思索研究，系统性强。其意义是对大学四年所学知识做出总结和升华，并初步体会和实践机械设计的过程和方法，提高科研能力并对后续的研究生阶段有良好的延续性和启迪性。国内外研究现状和发展动态摩擦焊技术作为一种先进的固态连接技术，具有优质，高效，节能，低耗，清洁等技术特征，通过与材料，计算机，知识与信息处理，光机电一体化，软件，可靠性工程的紧密结合，具有广泛的开发应用与产业化前景。经过几十年的发展，摩擦焊技术在国内目前已经具备了包括工艺、设备、控制、检验等整套完备的专业技术规模，并且在基础理论研究上也形成了一定的独立体系。目前我国摩擦焊技术的应用比较广泛，可焊接

20、直径120mm的工件以及8000mm的大截面管件，同时还开发了相位焊和径向摩擦焊技术，以及搅拌摩擦焊技术。我国现有六百余台摩擦焊机，绝大部分是连续驱动摩擦焊机。近年来由于加强了与德国KUKA、日东株氏会社、美国MTI公司等摩擦焊机制造公司的交流与引进样机，焊机先后采用了液压马达驱动的主轴系统，串联轴承组平衡油缸液力平衡旋转活塞，多片式粉末冶金涂层离合器，滚动导轨和可编程序控制器（PLC）控制等多项先进技术，使焊机制造水平有了较大的提高。面对国内市场的需要，摩擦焊机的生产也在向系列化方向发展，目前国内生产的焊机最大吨位是1250kN，最小是5KN。总之，在国内的焊机系列中，变型少，品种也比较单一

21、，还没有巨型机和微型机。与焊机相配套的去飞边装置，自动上下料装置，焊后热处理，无损检测装置等虽有不同的类型，但是这些还比较专业化，没有形成标准通用的系列，有待不断的完善。我国也有了自己的摩擦焊机行业标准，随着制造技术的提高，这个标准也将有待向着较高水平方向修订。随着摩擦焊技术的广泛应用，摩擦焊设备也得到了迅速的发展，2000年不完全统计全世界共有5000多台摩擦焊机用于焊接生产。为了适应大型和特殊部件的焊接，要研制我国的大型和微型的摩擦焊机。为适应特种用途还要开发惯性摩擦焊、径向摩擦焊，搅拌摩擦焊、双头摩擦焊，立式摩擦焊及水下摩擦焊等多种特种摩擦焊机。在制造及监控技术方面要本着柔性和自动化来设

22、计。焊机可附加很多自动化设备和加工装置，从而创造出一个高度柔性和自动化的完整系统，以适应用户的各种要求。为强化焊接过程质量保证，除了时间控制、变形量控制、能量控制外，还要开发特殊过程控制技术。如摩擦扭矩和声发射监控技术等。为了适应焊接生产的自动化要求，要加强相关技术及外围设备的研究。如不同类型的去飞边装置、机器人或其他上下料装置、热处理及无损检验技术，工件可在焊前或焊后在焊机上进行机加工，有的甚至可进行CNC加工。使之在生产线上可靠运行。还可与柔性制造系统（FMS）配合使用。 本文主要分为工艺，设备，控制三部分，三者相辅相成，在查阅原有资料基础上并结合待加工工件，对工艺参数进行优化，并在已有实

23、验数据基础上对摩擦焊工艺参数进行初步研究。由工艺参数进行焊机结构设计，结合已有焊机技术，结合有限元软件和CAD软件和已学过的知识确定焊机参数和结构，完成相应组件的设计和选型。在完成设备设计之后进行焊机控制系统的设计，其中包括液压系统和控制系统，对液压系统初步确定基本参数并给出系统原理图，对控制系统给控制流程图，并提出控制要求。第2章 模具标准件的摩擦焊工艺分析与设计惯性摩擦焊工艺参数分析惯性摩擦焊接的主要工艺参数惯性摩擦焊：惯性摩擦焊是先将飞轮加速到预定的转速，以储存所需的能量，然后使飞轮脱开驱动电机，使两工件接触，在轴向或径向压力作用下，飞轮的动能在工件接合面处转变为热能，接头温度升高，飞轮

24、转速迅速下降，直到转速停止。在旋转停止之后，锻压力继续保持在一个预定的时间.这种利用动能转化为热能的焊接方法所需的主轴电机功率小，省电能。惯性摩擦焊的工艺参数主要包括：飞轮转动惯量（flywheel mass），主轴转速（rotational speed），顶锻力（axial force）辅助工艺参数包括：长度缩短量l,摩擦时间 t，扭矩Mr。惯性摩擦焊过程中工艺参数的变化分析：首先对于主轴转速n，为了令变形层加热到焊接温度 转速n必须能够令接合面上的平均摩擦速度高于最低摩擦速度 令结合面温度达到焊接温度；其次对于轴向顶锻力F，在预摩擦阶段 轴向顶锻力为顶锻阶段的1/3,在焊接过程中飞轮停转之

25、后要提供5-15s的保压阶段。惯性摩擦焊的工艺参数关系分析图2.1 惯性摩擦焊接工艺参数变化从图中我们可以看出在摩擦焊过程中转速n非线性下降，轴向力F保持变不变。摩擦焊过程中主要参数和辅助参数之间的关系分析：采用正交试验法（1）.在转动惯量和转速不变的情况下改变顶段力P的值 表 2.1 实验数据1n(r/min)P(lb/in2)wk2(lb-ft2)L(mm)t(s)Mr(lb-ft) E(ft-lb)43006301275072043001000139507194300130013750720（2）.在转动惯量和P不变的情况下改变转速n的值表 2.2 实验数据2n(r/min)P(lb/i

26、n2)wk2(lb-ft2)L(mm)t(s)Mr(lb-ft) E(ft-lb)380010001303960943001000139507194500100012055545由以上实验数据可得一下结论P增大，和Mr增大，而t下降n增大，和t增大，Mr变化很小根据公式知 转动惯量和转速决定摩擦焊的能量大小，而P的值决定能量转化的速度（摩擦时间t值变化）。2.2工艺参数的计算与优化工艺参数优化的依据基本思想：能量守恒原理即焊机输入的能量（或飞轮存储的能量）等于焊接所需要的能量。依据：由于到目前为止没有通用的计算规范可用于惯性摩擦焊接参数的计算，借鉴目前主流的设计方法在试验数据的基础上进行摩擦焊

27、工艺参数的设计。待加工工件工艺参数的计算待加工的工件如下工件1图2.2 工件1加工图纸工件2图2.3 工件2加工图纸根结美国焊接手册提供的数据 工件直径为1英寸时的焊接数据表 1英寸时焊接参数材料焊接参数总焊接规范速度（r/min)推力（kg）转动惯量（kg/m2）能量（kg.m）顶锻量（mm）焊接时间（s）工具钢30001800055203由美国焊接手册得知：根据标准参数可以按接头断面的变化，凭经验来选择焊接参数。其中包括改变作为直径平方根函数单位压力 ，选择单位能量时可以应用相同的函数关系。在工件直径改变时，圆周速度保持不便，因而主轴每分钟转速的变化与工件直径成反比。在这种条件下焊接直径和

28、接头顶锻量，焊接时间按的变化大致成线性关系。焊接参数的计算工件1材料：T8A 碳素工具钢表2.4 T8A化学成分分析CSiMnPS0.030()1转速计算12mm= =6349r/min （2-1）2能量计算 E=6139.5(ft-lb)=8324J （2-2）3顶锻力 =预摩擦顶锻力 =/34转动惯量 =0.88(lb-ft2.m2 （2-3）5顶锻量 L= （2-4）6摩擦时间 t （2-5）工件2材料 SKH51 （W6Mo5Cr4V2）表2.5 SKH51化学成分分析成分CSiMnPS百分数0.3断面直径25mm=0.9348in 1转速nn=30002能量E E= =388448.

29、45(ft-3顶锻压力P=388448.45(pounds)=17440kg预摩擦压力=/3=5823kg4转动惯量：=24.31(lb-ft2 m25焊接时间： 6顶锻量：至此，工件的焊接工艺参数已经确定，当这些参数在一定范围内变化是均可得到高质量的焊接质量。第3章 主轴系统动力学分析在实际工程结构的设计工作中，动力学设计和分析是必不可少的一部分。几乎所有工程结构都面临着动力学问题。特别是有大量旋转结构的行业中。当转子转动时，在某一转速下，转子会出现剧烈振动，转子形状显著弯曲，引起这种现象的转速，人们称之为临界转速。转轴的运转速度如与其临界转速相符合，或与之接近时，转轴就发生强烈振动。结果会

30、使轴或轴上机件振动加剧，以致整台机器遭到损坏。如果知道了转轴的临界转速，便可使选定的运转速度远离其临界转速。这样在轴的运转速度范围内，就不会发生严重的振动，确保轴和轴轴上零件，以致整台机器的正常运转和寿命。故在此主要进行系统的动力特性分析，求解系统的固有频率和振型。方法主要采用有限元法。3.1有限元法求模态的基本理论有限元法是根据变分原理来求解数学物理方程问题的一种数值计算方法。计算步骤为：划分单元并计算各单元的质量阵、刚度阵；组成总质量阵、刚度阵；支承条件的处理及临界转速计算。用有限元法计算轴的临界转速时，可根据轴径不同，把轴分为若干轴单元。又因轴上的盘形零件回转时会产生回转力矩，故还需划分

31、出盘单元。3轴单元图3.1所示为横向振动等截面均质轴单元，为轴两端横向位移，,为两端端面角位移，为作用于两端节点处的横向力，为作用于两端节点的弯矩。u(x)表示单元坐标x处的位移。因为刚度阵与时间变量无关、我们在横向振动运动方程式 （，为单位长度质量） (3-1)式中，取时间为常数，可得振幅函为图3.1轴单元 (0 xL) (3-2)可得 (3-3)式中、为积分常数。由边界条件知 (3-4)将上式代入(3.3)式，可得 (3-5)故可解得： (3-6)代入(3.3)式，可得： (3-7)式中： (3-8)又因 (3-9)故可算得 (3-10)式(3.10)可写成矩阵形式， (3-11) (3-

32、12) (3-13) (3-14)即为轴单元的刚度矩阵取 (3.15)则轴单元的动能可写为： (3-16)代入上式，可得矩阵为： (3-17)即为轴单元的质量阵。3盘单元及总质量阵、总刚度阵的组成计算盘单元的质量阵时，应采用盘的尺寸进行计算。计算盘单元的刚度阵时，其截面惯性矩I的计算却不应采用盘的外径，而应采用轴径，这是因为刚度阵主要反映轴的变形刚度的原因。这里就不再详细介绍。建立单元质量阵、刚度阵后，就可组成总质量阵及总刚度阵。 (3-18) (3-19)3.2转轴临界转速的计算转轴的临界转速即为轴的横向振动固有频率，故可由转轴横向振动的特征方程： (3-20)求出其固有频率。又可由主振型方

33、程 (3-21)求其主振型。 3.3 主轴系统的手动建模主轴系统简化如下图图3.2 主轴系统简化建模如下 图4.3 主轴系统建模建立主轴系统微分方程如下 （3-22） （3-23） + + =0 （3-24）另加边界条件， 经过求解后可求得主轴系统的临界转速和固有频率。3.4主轴的有限元求解应用ANSYS WORKVBENCH 软件 经过前处理，建模加载，后处理三个步骤求得结果如下表 表3.1 主轴的各阶频率阶数固有频率 (Hz)图号12345678910 图3.1 一阶振型 图3.2 二阶振型 图3.3三阶振型 图3.4 四阶振型 在此只列出前4阶振型。 不平衡响应分析也是和模态分析类似的，

34、由于没有达到临界转速，不平衡响应不会对轴和轴上零件产生较大的危害，但不平衡响应还与偏心质量块的大小和位置有关，所以应该在加工时加以注意。3.5本章小结本章通过对主轴进行模态分析分析，得出了以下结论：模态分析中，计算出的临界转速都是比实际转速高得多的转速，即本设计的传动轴在旋转时远离共振区，故轴的设计符合临界转速要求。第4章 整机构型及主轴系统设计4.1 整机构型摩擦焊机的构成示意图如下图4.1整机构型示意图惯性摩擦焊机由六部分组成：1主轴系统,其中包括 主轴电动机（电主轴）离合 ，主轴，轴承，卡头等，其中主轴电动机通过离合器与主轴连接，通过离合器的接合与断开来控制主轴和电机的接合与脱离。2加压

35、系统，加压机构，采用液压加压 其中包括顶锻机构加压，液压夹头加压以保 ,证焊接工艺的要求。 受力机构，对称布置拉杆,或者由导轨充当拉杆来平衡顶锻力和摩擦扭矩以保证焊机的刚度和强度。3床身，主轴箱、导轨、拉杆和加压机构装在机身上所以对机身要求要有 较大的强度和刚度以防止变形和振动，结构上分为承力部分和构造部分 。4夹头，夹头要承受摩擦压力，顶端压力和摩擦扭矩的综合作用，要求首先要夹固工件，不能发生打滑、旋转、后退、和振动，硬度高 、耐磨损，在工件夹持形式和尺寸上要满足一定的成组要求。在加工时成组夹具的应用有利于设计者在以成组技术的工艺设计合理化和标准化的基础上实现计算机辅助工艺进程设计（CAPP

36、）。形式上：主轴部分采用液压夹盘，尾座部分采用自动定心液压虎钳。5控制系统，包括对上料、工件加紧、摩擦加热、顶端焊接、退出焊件及工序之间的连锁保护，拟采用PLC实现焊机的控制。6 辅助装置，摩擦焊机的辅助装置包括自动送料，卸料和自动切除飞边装置。自动切除飞边装置是一台能够自动进给的车刀刀架。当焊接过程结束后，移动卡头松开，旋转卡头带动焊接好的工件从新旋转，刀架自动进给，趁热切除接头的飞边。4.2主轴系统的工作要求主轴系统的转速高，要传送很大的功率和扭矩，同时还要承受较大的轴向压力，主轴系统包括主轴电动机（电主轴）、离合器、主轴、轴、卡头等，电主轴通过电磁离合器与焊机主轴以及安装在焊机主轴上的飞

37、轮连接，旋转卡具与焊机主轴连接，电主轴上连有变频器和传感器，以实现控制系统对电主轴的控制。主轴系统其特殊之处在应用了高速切削交工技术中的电主轴单元技术，实现了焊机主轴飞轮与其驱动电机的同轴配置和直接驱动，取消了所有中间环节，其传动链长度为零，并具有转速高，结构紧凑易于平衡，传动效率高以及重量轻，响应速度快，震动小，噪声低等优点。过对焊机主轴及其轴系转动件结构的优化设计，使其固有转动惯量值为焊接12mm时工艺要求，同焊机飞轮结合实现分级加工。电磁离合器在机床中起传递动力和和控制运动的作用，实现对电主轴扭矩的传递和与电主轴，主轴之间的结合与脱离。4.3主轴系统构造特征主轴系统示意图如下图4.2 摩

38、擦焊机主轴系统构型其中电主轴是焊机的动力源，通过电磁离合器与焊机主轴和按装在其上的飞轮连接。飞轮的作用是主要高其释放的转动动能提供给焊接工件所需的能量，主要转化为摩擦加热所需能量，使电主轴内藏电机功率降低。旋转卡具与焊机主轴连接，焊机主轴的转速最高可达6300r/min，由于焊接接工艺要求，焊机所要承受的轴向力较大故在设计焊机主轴系统时考虑到主轴强度和焊件所需主轴转动惯量及旋转卡具连接要求后，令主轴系统的转动惯量等于焊机12mm工件是所需的转动惯量。，同时为了满足25mm工件的工艺要求另，实现了分级加工。4.4主轴系统设计4.4.1电动机选型对于本焊机，施加负载的时间很短，但不断电停机，在负载

39、周期中施加负载时间所占比例很小。，在施加负载是主轴转速略有降低，由飞轮释放能量做功。其工作制为短时负载工作制。在选型是电动机功率可适当减小 ，同时要求有足够的启动转矩。（1）电动机容量的计算在焊接25mm工件是飞轮所需要存储的能量为52.192KJ取焊机的启动时间为4s，则功率为查产品样本选用洛阳轴承研究所选用 260XDJ12Y 型号 加工中心用电主轴 其性能和安装尺寸如下：表4.1电主轴参数型号转速r/min功率Kwn1-n2 r/min电压220电流Af3 Hz轴承轴端功率260XDJ12Y12000112141200-8000120-3804004-VEX65定制14电主轴工作性能如下

40、：图4.3 电主轴参数（2）启动时间校验： rad/s (4-1)rad/s (4-2) (4-3) (4-4) (4-5) 启动时间t=t1+t2=1.129s+3.149s=4.278s 符合要求 。（3）电动机功率校验电动机平均功率为：14Kw (4-6)符合要求。（4）转矩校验 ：T额定其中 T额定：电动机额定转矩Tmax: 启动过程中的负载转矩和惯性力矩Ks :- (4-7)式中：为轴承内径，为滚动轴承摩擦系数 ， 为轴承内圈直径。 (4-8)其中：J为主轴系统转动惯量，n为主轴转速，t 为加速时间。 (4-9)符合要求。4.4.2离合器选型 对离合器选型的要求是：1.额定转速要高于

41、6300r/min,2. N.m 3.可连接轴的直径要在80mm以上4.转动惯量要相对小，拟采用北京古德高公司的DLD5-5型电磁离合器。4.4.3主轴系统轴承选型对于主轴系统的轴承选型要满足几点要求 首先由于工件焊接工艺参数中轴向顶锻力较大轴承要有很大的轴向载荷承载能力，其次轴承转速相对较高应能达到6300r/min另外由于主轴结构要求轴承内圈直径在100mm左右。经过分析选用角接触轴承，并以组配的形式在主轴上应用，初选7022C串联轴承和7220C轴承。查产品样本选用日本NSK钢制轴承。 （1）轴承的校核轴承当量动载荷计算：a轴承径向载荷计算：轴向受力可简化如图下,其中Fa1为飞轮和夹头重

42、力取35kg。 (4-10)图4.4主轴系统径向受力分析25mm艺情况下：当量静载Fr=XFr+YFa (4-11) 171000N 当量动载荷For=XoFr+YoFa (4-12) 615N+171000N轴承额定静载荷 Cr=172000N额定动载荷 Cor=208000N12mm工艺情况下当量静载荷 27300N 当量动载荷For=XoFr+YoFa 27300N b极限转速计算： (4-13)式中 为载荷系数P/C，为 载荷分布系数,对于角接触轴承取1。25m工艺参数情况：6300=4095r/min 符合要求12mm工艺参数情况： 下轴承载荷在理想工况下故轴承以达到极限转速=630

43、0r/min 。符合要求。若实际情况下转速达不到，可以采取适当提高，主轴系统的转动惯量，顶端压力和增加保压时间，增大飞轮转动惯量等措施来保证焊接质量。c轴承寿命计算：轴承寿命计算公式 (4-14)在12mm工艺参数情况：代入数据n=6300r/min,C=208000N,P=30846N,=3计算得=811小时，在25mm工艺参数情况下，代入数据 n=3048r/min ,C=208000N，P=160084N，=3计算得=12小时，不符合要求。对于7020C轴承由于主轴结构特点决定其不受轴向顶锻力，其所受的载荷情况好于于7022C轴承故不需进行校核。故选取同型号NSK陶瓷轴承，可符合要求。（

44、2）轴承的润滑：系统采用强制油润滑，当轴承高速旋转时滚动体，保持架也以相当高的速度旋转使其周围空气形成气流，造成较大的阻力，用一般润滑方法很难将润滑油输入轴承中，所以必须用油泵将高压油经喷嘴喷射到轴承中，贯穿轴承内部流入油槽。喷嘴的位置指向内圈和保持架之间的间隙处。喷射润滑所需要的油量取决于油应排除的热量。主轴轴承的用油量取4l/min,喷嘴直径取2mm，为避免喷嘴阻塞，在润滑系统中安装一个滤油器。（3）轴承的密封：由于轴的转速较高，不能采用以往的接触式密封，需采用非接触式密封，非接触密封就是密封装置和所需密封部位间不发生直接接触。由于非接触式密封装置中的密封间隙处，除了存在润滑剂摩擦外均不会

45、出现其他的摩擦，因此非接触式密封不会产生摩擦，使用时间较长也不会产生明显的热量，故可适用于较高转速的工况。4.4.4夹头选型：摩擦焊机对旋转卡头的要求 要满足夹紧力，转速 ，和小转动惯量要求。初步选型为台湾strong公司生产的N-200液压卡头 基本性能参数：整体外径为110mm， 配合面直径85mm。固定端夹头由经验选为液压虎钳 要满足装夹行程，卡紧力要求 初步选型为0788202 VJ-130型液压虎钳 。4.4.5旋转飞轮设计飞轮 通过螺栓与主轴轴端法兰连接。有连接尺寸最终确定飞轮结构。飞轮转动惯量计算：（4-15）4.5主轴设计4.5.1 主轴的参数设计主轴的设计要考虑到，主轴转动惯

46、量，卡头连接尺寸，轴承直径及布置安装方式，临界转速，轴向强度，刚度等诸多因素的影响最终确定主轴的结构（具体见附图）主轴材料，由经验选为40Cr钢，主轴平均直径的确定，由于选定轴承内径，和卡头连接尺寸在100mm左右故基本确定轴的直径为100mm。轴的孔径确定，由于空轴可提高轴的临界转速和刚度，由可放置液压缸，由液压缸要求选为50mm。轴向长度的确定，主轴转动惯量要求为0.037mm，故初步确定轴向尺寸为298mm。轴伸长度的确定：考虑到扳手空间和轴端结构定轴向尺寸为47mm。轴向跨度的确定。由联轴器端要求于轴承润滑要求选为80mm。4.5.2 主轴的校核由焊机的工况决定 焊机的主要受力为轴向顶

47、锻力和扭矩，径向载荷主要为系统自重，影响较小。故主要按轴向压力和扭矩校核。（1）校验扭转强度：=符合要求 （4-16）式中：T 为电机转矩 为轴的抗扭截面模量 为40Cr的许用值 （4-18）（2）如下轴的抗拉强度校验：选用有限元法分析轴的应力分布，网格划分采用ANSYS自动网格划分，对主轴网格划分划分图。图4.4主轴网格划分加载如下图：图4.5 主轴ANSYS加载求得的应力分布如下：图4.6 主轴应力分析结果由分析结果可知， Mpa ，查手册40Cr钢 。4.6衬套的有限元校核1）网格划分图4.7 衬套网格划分2) ANSYAS加载图4.8 衬套加载3) 应力分析结果衬套应力分析结果结论：最

48、大应力为83Mpa，符合要求。第5章 液压及控制系统设计5.1明确液压系统设计要求根据工艺过程 该系统的工作循环是：快速前进工作进给快速返回原位停止，由系统要求和经验快退快进速度约为/s,公进速度应能在40m/min90m/min范围内无极调速，最大行程为450mm 进给方向最大顶锻力为170.91kN，最大形成为450mm运动部件估算自重为1KN启动换向时间t=0.05s,采用水平放置的平导轨静摩擦系数=0.2 动摩擦系数5.2 分析系统工况表5.1液压缸在各阶段的速度和负载值工作阶段速度V（m/s）负载（N）工作阶段速度（m/s）负载（N）启动加速工进30436-190011快进111快退

49、111液压缸各阶段的负载为 启动加速阶段 （5-1）快进或快退阶段 N （5-2）工进阶段：25mm:N （5-3）12mm：N预摩擦阶段 工况与工进阶段相同5.3确定执行元件的工作压力最大负载为工进阶段的压力F=190011 N5.3.1 初选工作液压缸工作压力 参考参考同类型机床得P=9 Mpa。5.3.2 确定液压缸的主要工作参数由上表得知最大负载为工进阶段的压力F=190011N 则有D=mm （5-4）查设计手册按液压缸内径系列将以上计算值圆整为标准系列 ，取D=180mm,为了实现快退与快进速度相等，采用差动连接 则dD，取d=125mm无杆腔有效作用面积为=cm2 （5-5）有杆

50、腔有效作用面积为cm2 （5-6）工进采用调速阀调速 调速阀选用AXQF-E10L型单向行程调速阀 其最小量流量稳定流量=0.07L/min,因最小工进流量为40mm/min,则 （5-7）符合要求。5 计算液压缸的工作压力流量和功率1)计算工作压力 查表，本系统的背压估计值可在1-任选，故暂定：工进时Pb=1.6Mpa快速运动时Pb=1Mpa。液压缸在工作循环各阶段的工作压力P1即可计算为：差动快进阶段： （5-8）工作进给阶段： 快速退回阶段 ( 5-9）2)计算液压缸的工作流量 因快进速度V1V2，则液压缸各工作阶段的输入流量为：快进阶段：快进阶段 （5-10） 工进阶段 （5-11）快

51、退阶段 3)计算液压缸的输入功率快进阶段： （5-12）工进阶段：快退阶段：将计算的压力，流量， 功率值列表如下表5.2 压力、流量、功率值工作阶段压力（Mpa）流量L/min功率（Kw）快速进给工作进给-快速退回预摩擦保压5.4拟定液压原理图1. 机床的进给运动要求有良好的稳定性，进口节流调速能获得良好的稳定性。进口节流调速能获得更好的稳定性 故本机床液压系统采用调速阀进口节流调速回路，在回油路上夹背压阀。液压系统的供油主要为 低压大流量和高压小流量2个阶段，为提高系统效率和节约能源采用双泵供油回路通电磁换向阀。为了调整方便和便于增设液压夹紧支路选用Y型中位机能，选用2位2通换向阀来进行速度

52、换接，以减少液压冲击。由工进转为快退时，在回路上并联一个单向阀以实现速度换接。由工进转为快退时，在回路上并联了一个单向阀以实现速度换接。为了控制轴向加工尺寸，提高换向位置精度，采用死挡块加压力继电器的行程重点换接控制。系统原理图见附图。3.压力控制回路由于采用双泵供油回路，故用液控顺序阀实现低压大量泵卸荷，用溢流阀调整高压小流量泵的供油压力。为了便于观察和调整压力在液压泵的出口处，背压阀 和液压缸无杆腔几口处设测压点。4. 选择元件 1) 选择液压泵Mpa (5-14)因此液压泵的工作压力可取为 0.25）Mpa=11Mpa快退快进时泵的流量为：Mpa工进时泵的流量Mpa，流调速系统中溢流阀的

53、性能特点，尚需加上溢流阀稳定工作的最小溢流量，一般取为3L/min，所以小流量泵的流量为：查手册产品样本采用小流量泵排量为V1=8ml/r，大泵排量为V2=16ml/r的YB-E型双联叶片泵，其额定转速960r/min容积效率。小泵流量为 （5-15）大泵流量为L/min则大泵的额定流量为L/min L/min 快退阶段的功率最大，故按快退阶段估算电动机功率。若取快退时进油路的压力损失Mpa效率p=0.75则电动机的功率为：（5-17）查电动机产品样本选用：Y160L-8型异步电动机,Kw.液压阀及辅助元件：算分析通过各液压阀油液的最高压力和最大流量后，可选择各液压阀型号。5.5液压系统性能验

54、算 由于本液压系统比较简单， 压力损失可以忽略。又由于系统采用双泵供油方式，在液压缸工进阶段，大流量泵卸荷，功率使用合理；同时油箱容量可以取较大值，系统发热温升不大，故不必进行系统温升的校验。5.6控制系统设计：控制系统包括对上料，工件加紧， 摩擦加热，顶端焊接 ，退出焊件， 及工序之间的连锁保护 拟采用PLC实现焊机的控制. 对焊接接头的质量控制采用变形量控制 即控制工件的摩擦缩短量以保证接头质量。其在一定程度上反映了接头的加热温度，塑形变形，和焊接工艺的特点。焊机控制流程图见下页： 图5.1控制系统流程图第6章 经济性与环保性分析6.1经济性分析（1）对于待加工的零件由摩擦焊接的工艺过程决定可以节省的材料量为：12mm：V= =mm3 （6-1）25mm:V= 由于该模具标准件为大批量加工且材料为T8A碳素工具钢和SKH51（W6Mo5Cr4V2）价格均较高，故通过此工艺可以节省大量的材料成本。（2）由于本焊机为惯性摩擦焊机，焊接所需能量由飞轮提供，由于飞轮的存在可以在减小电机功率，节省电能。6.2环保性分析：回转体加工主要的环境问题是噪声。噪声的起因是振动，减振就能达到减噪。本文对传动轴所作的模态分析，都是为了远离轴的共振区，减少振动产生的噪声，还能提高增速传动的平稳性和运行期限。另外相对于车削等其他工艺手段，摩擦焊机去处的材料少，工作场地卫生没有火花弧光和有害气体，且整