司成立，标志着搅拌摩擦焊技术在中国市场的研发及工程应用工作的正式开启。到现在年我国已经成功开发了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。我国新代重型运载火箭长征五号将在年底在海南航天发射场发射，其火箭燃料贮箱就是使用搅拌摩擦焊焊接。火箭燃料贮箱指的是航天产品火箭助推器中不可回收的外挂燃料贮箱，具体形状结构为个中心薄壁筒体与两个半球面体，其中个球面体开口用于注入燃料。形状基本如下图所示,实物图如所示。图火箭燃料贮箱结构示意图搅拌摩擦焊可以焊接很多传统焊接方式无法焊接的材料，而且焊接适应性火箭燃料贮箱焊接用组合夹具设计好，成本低，并且效率和精度很高，操作简单，及其容易实现自动化。不过搅拌摩擦焊有个比较关键的缺点就是在焊接过程中，自旋转的搅拌头对工件有较大的轴向压力，这个轴向压力可能使薄弱的工件产生轴向变形，导致产品报废或者大大降低精确度。航空航天对精度要求比较高，所以在使用搅拌摩擦焊焊接过程中应该尽量避免这种轴向变形的发生。图贮箱实物图搅拌摩擦焊全部焊接完成主要有三个过程，分别是焊具的插入，平移，抽出。搅拌摩擦焊在焊接过程中主要有三个力，分别为轴向压力，纵向力，横向力。由于轴向载荷最大，所以轴向压力是主要力，也是设计夹具过程中最需要注意的。航天器具有高精度要求，因此需要种特制的夹具，在保证般夹具基础功能的前提下承受焊接压力。夹具的结构设计和研究是焊接工艺设备的基础。焊接工艺装备是在焊接结构生产的装配与焊接过程中起配合及辅助作用的夹具机械装置或设备的总称，简称焊接工装。提高焊接效率的最佳途径是大力推广使用机械化和自动化程度较高的焊接工装。本文研究的火箭燃料贮箱焊接用组合夹具分为三部分，其中球面体夹具和回转工作台用于球面体的焊接。球面体般先由块瓜瓣片形状的金属板焊接成半球面体状，再和个底座焊接成完整的贮箱球面盖。薄壁筒体焊接用夹具由于搅拌摩擦焊焊接机械自带使工件绕中心轴旋转的功能，不用另外设计旋转机构。浙江理工大学本科毕业设计论文国内外研究现状薄壁筒体夹具研究现状目前，国内应用广泛的筒体夹具主要是普通的型夹具，比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。如下图所示。图组合钻床夹具还有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。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。如下图所示。图三爪卡盘四爪卡盘较为新颖的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。般火箭燃料贮箱焊接用组合夹具设计可达。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，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。如下图所示。图薄壁筒状零件弹性夹具有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，筒体内部还需要有定的接触面积来抵消轴向力，需要另外添加底板。如下图所示。图高压电缆固定夹具球面体夹具研究现状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型座顶紧微调装置等组件。如图所示。有种小型球面体夹具，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。如图浙江理工大学本科毕业设计论文所示。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两端通过转轴支撑在支座上承力机构固定连接在框架上，在所述承力机构上方设有定位机构框架下的对角处设有平衡支撑弹簧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底部两侧，所述承力机构通过与主从动传动机构传动连接的螺杆上的滚轮活动支撑。如图所示。图加工瓜瓣片焊接坡口的夹具图小球体内球面加工用夹具火箭燃料贮箱焊接用组合夹具设计图空间曲面的搅拌摩擦焊专用夹具主要研究内容筒体夹具分倒圆角为，其余见二维图。大齿轮轴上初步确定轴的最小直径选取轴的材料为钢，调制处理。根据表取。大齿轮由下面公式初算得浙江理工大学本科毕业设计论文作用在大齿轮上的力分析由下面的公式得到作用在大齿轮上的力由于是直齿圆柱齿轮，所以由于两个齿轮的中心距为标准中心距，即所以没有进行角度变位，啮合角则圆周力，径向力，轴向力。联轴器的选择轴的最小直径显然是安装联轴器处的直径。由于所选轴的最小直径必须与联轴器的孔径相适应，故需同时选取联轴器型号。联轴器的计算转矩，查表，考虑到转矩变化很小，故取，则根据设计需求，计算转矩必须小于联轴器公称转矩，查联轴器离合器与制动器设计选用手册表，选用型弹性套柱销联轴器，其标准公称转矩为，许用转速为。半联轴器孔径，半联轴器推荐长度，与轴配合的毂孔长度，最大直径。火箭燃料贮箱焊接用组合夹具设计轴的其他尺寸联轴器需要轴向定位，所以需要段轴肩，直径大概比联轴器孔径略大点，取。左端需要用挡圈定位。若安装齿轮处的轴段直径为，齿轮与轴承之间使用套筒定位。已经算得大齿轮轮毂的宽度为，为了使套筒端面可靠地压紧齿轮，此轴段考虑应该略短于轮毂宽度，般选择。齿轮的另端采用轴肩固定，轴肩高度，取，则轴环处直径为，轴环宽度，取。轴承的选择轴承需要承受轴向力与径向力，所以选择应用较为广泛的滚子轴承。这里根据情况选用单列圆锥滚子轴承。根据与最新轴承手册的表选择基本尺寸为的单列圆锥滚子轴承，轴承代号为型。键的选择齿轮半联轴器与轴的周向定位均采用平键连接。首先选齿轮与轴配合使用的键，根据机械设计第八版表得到平键截面，键宽键高。键槽用键槽铣刀加工，长度为，同时为了保证齿轮与轴配合有良好的对中性，故选择齿轮轮毂与轴的配合为。选择半联轴器与轴配合时的键步骤是样的，最后选择键宽键高，长度为，半联轴器与轴配合精度为。倒角与圆角轴端倒角，倒圆角为，其余见二维图。中心轴上确定轴的最小直径选取轴的材料为钢，调制处理。根据表取。由下面公式初算得浙江理工大学本科毕业设计论文轴承选用双列圆锥滚子轴承，详细尺寸见二维图。轴的校核小齿轮轴的校核转速功率转矩图小齿轮轴尺寸左平行面弯矩图如校核图支点反力截面的弯矩截面的弯矩火箭燃料贮箱焊接用组合夹具设计作垂直面内的弯矩图截面的弯矩截面的弯矩作合成弯矩图截面的弯矩截面的弯矩求转矩图确定危险截面的校核截面截面查表,故设计的轴强度满足。浙江理工大学本科毕业设计论文图小齿轮轴校核图大齿轮轴的校核转速功率转矩火箭燃料贮箱焊接用组合夹具设计图大齿轮轴尺寸左平行面弯矩图如校核图支点反力截面的弯矩截面的弯矩作垂直面内的弯矩图截面的弯矩截面的弯矩作合成弯矩图截面的弯矩浙江理工大学本科毕业设计论文截面的弯矩求转矩图确定危险截面的校核截面截面查表,故设计的轴强度满足。校核图如下图。火箭燃料贮箱焊接用组合夹具设计图大齿轮轴校核图回转工作台装配图装配图见下图，。图回转工作台装配图主视图浙江理工大学本科毕业设计论文图回转工作台装配图俯视图火箭燃料贮箱焊接用组合夹具设计第章筒状体夹具设计机械加工工艺分析加工形面筒体与半球面体结合面形面尺寸筒体圆柱度相互位置筒体右端与半球面体底面接触重合，薄壁筒体与半球面体同轴。可用于定位的形面底面支撑轮，薄壁筒体左端夹具，右端夹具。筒体外圆轮廓直径，粗糙度筒体内圆轮廓直径，粗糙度相互位置薄壁筒体与半球面体同轴。夹具的结构方案确定定位方案由于工件使用搅拌摩擦焊焊接，考虑到搅拌头轴向压力的存在，在焊缝处应该有承力挡板。以中心轴为基准，根据左端夹具与右端夹具确定薄壁筒体在轴方向上的位置，以底面支撑轮和中心轴高定位筒体在轴上的高度，以左右两端夹具定位筒体的轴坐标。确定夹紧机构夹具零件之间选择螺栓固定，工件与夹具之间使用重力自压紧与压块几何压紧。压块既可增大夹紧接触面积，又能防止回转工作台带动工件旋转时产生偏转而破坏定位并且损伤工件表面。定位面与加工面的关系分析定位误差计算由加工工序知，加工面为半球面体底面与筒体结合面。筒体与球面体有同轴度要求同轴度允许差对薄壁筒体的圆柱度有要求。以中心线为基准，其设计计算如下确定受力挡板尺寸与公差设计受力挡板装配后形状如下图所示。受力挡板外轮廓直径,圆柱度为，查表得到公差等级为级，浙江理工大学本科毕业设计论文粗糙度为。总的装配由三块大小形状相同的分挡板，每块角度构成个整个环形受力面。分挡板直径靠个直径的薄圆柱块连接，连接方式为螺钉连接，螺钉为开槽盘头螺钉。图薄壁筒体夹具受力挡板装配图确定夹具左端与公差夹具左端的二维图如下图所示。火箭燃料贮箱焊接用组合夹具设计图薄壁筒体夹具左端部分夹具左端通过面接触限制筒体的自由度。左端中间面的间距为筒体直径，查表得到公差等级为级，粗糙度为。左端中心孔与筒体同轴，同轴度允许差，查表得到公差等级为级。确定夹具右端与公差夹具右端的二维图如下图所示。浙江理工大学本科毕业设计论文图筒体夹具右端尺寸形状筒体夹具右端通过环状体与面定位夹紧半球面体。环状体内轮廓直径为，与半球面体可能有同轴度误差，允许误差为，查表得到公差等级为级，粗糙度为。确定夹具