線性摩擦焊機液壓工裝夾具設計開題報告

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南昌航空大學畢業(yè)設計開題報告畢業(yè)設計（論文）開題報告題目 線性摩擦焊機液壓工裝夾具設計專 業(yè) 名 稱 焊接技術與工程班 級 學 號 078104201學 生 姓 名 指 導 教 師 填 表 日 期 2011 年 3 月 19 日南昌航空大學畢業(yè)設計開題報告線性摩擦焊機液壓工裝夾具設計一、選題的依據(jù)及意義：線性摩擦焊(LFW)是一種利用被焊工件接觸面在壓力作用下相對往復運動摩擦產(chǎn)生熱量，從而實現(xiàn)焊接的固態(tài)連接方法 [1]。原理圖如圖1所示。線性摩擦焊接是一種優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能與環(huán)保的固相焊接方法，與傳統(tǒng)的焊接方法相比，線性摩擦焊除了具有摩擦焊接技術高靠性、低成本、焊縫鍛造組織缺陷少等優(yōu)點外，對于非圓形構件(如方形、多邊形截面試樣)，線性摩擦焊接技術能克服焊接形狀對慣性摩擦焊、連續(xù)驅(qū)動摩擦焊的限制 [2-3]。它擁有傳統(tǒng)熔焊方法無法比擬的優(yōu)點，與其它摩擦焊如旋轉(zhuǎn)摩擦焊相比較其應用范圍更加廣泛。在線性摩擦焊接過程中, 摩擦副中一側的振動工件被往復機構驅(qū)動著，相對于另一側被夾緊的移動工件表面做相對往復運動。在垂直于振動方向摩擦壓力的作用下, 摩擦表面被清理并產(chǎn)生摩擦熱, 焊接區(qū)內(nèi)的屬溫度升高, 并逐漸達到粘塑性狀態(tài)。然后控制兩個工件迅速對中, 停止往復運動并施加頂鍛力, 完成焊接過程。線性摩擦焊接技術作為全球制造業(yè), 尤其是航空發(fā)動機制造業(yè)中一項關鍵的制造技術和修復技術 [4]。焊接工裝夾具在焊接結構生產(chǎn)的裝配與焊接過程中起配合及輔助作用 [5]。零件加工過程中的精確定位和裝夾的重復精度也是改進效率和質(zhì)量的關鍵。如柔性加工中心的產(chǎn)生就是為了減少產(chǎn)品循環(huán)周期。為了實現(xiàn)高產(chǎn)高效，工件的定位、支撐、夾緊和夾具的快速松開夾緊，以及操作方便、安全都是非常重要的環(huán)節(jié)。采用液壓作為焊機工裝夾具動力源，因液體具有不可壓縮性，故夾緊剛性大，并且液壓傳動動作平穩(wěn)，由于重量輕、慣性小（一般是油液）又有吸振能力，便于實現(xiàn)快速啟動、制動和頻繁的換向。因液壓傳動的壓力、流量及方向可控制，再加上電子技術的配合，便于實現(xiàn)自動化，控制方便，還可在運動過圖 1 線性摩擦焊工作原理圖南昌航空大學畢業(yè)設計開題報告程中進行調(diào)速，容易實現(xiàn)直線運動。現(xiàn)液壓傳動的元件已實現(xiàn)標準化、系列化，對制造和設計使用都很方便。但液壓系統(tǒng)結構復雜，流量脈動大，油液粘度隨溫度變化而變化等問題，使得液壓工裝夾具的設計并不完善，還有待提高。液壓定位和夾緊是一項非常可靠而且有效的技術 [6] 。研究表明，線性摩擦焊接過程中, 夾具系統(tǒng)的剛性對于焊接過程有很大的影響 [7] 。從而工件的裝夾及定位就成為生產(chǎn)出高質(zhì)量的產(chǎn)品的必要條件，因此線性摩擦焊機的液壓工裝夾具設計就顯的尤為重要。二、國內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢根據(jù) Vairis 的研究報道，將線性摩擦焊接過程分為四個階段 [8-9]。線性摩擦焊焊接過程示意圖如圖 2 所示。當今線性摩擦焊的應用主要集中在航空發(fā)動機的制造與維修領域， 羅·羅、MTU、普·惠和 GEAE 等公司均在進行線性摩擦焊在整體葉盤制造和維修中的應用研究。上世紀 80 年代中期，在航空發(fā)動機結構設計中出現(xiàn)了一種“整體葉盤”結構，它把發(fā)動機轉(zhuǎn)子的葉片和輪盤做成一個整體，省去了傳統(tǒng)的榫頭、榫槽，簡化了發(fā)動機結構，提高了可靠性和推重比 [10]。大型整體葉盤的加工方法歸納起來主要有五坐標數(shù)控銑、電化學加工和線性摩擦焊等方法，在這些加工方法中，線性摩擦焊最省時省力，而且還可以實現(xiàn)不同材料的葉片與葉盤焊接 [11]。羅 ·羅和 MTU 公司合作最先開始研究把線性摩擦焊用于航空發(fā)動圖 2 線性摩擦焊焊接過程示意圖南昌航空大學畢業(yè)設計開題報告機鈦合金整體葉盤的制造， 并在 2000 年開始把線性摩擦焊用在了 EJ200 的 1-3 級風扇葉盤的加工上。普·惠公司也采用了線性摩擦焊焊接 F119、F120 的風扇葉盤 [12]。線性摩擦焊的自身優(yōu)點可以使葉片與葉盤間的過渡區(qū)的晶粒組織變得很細，其靜、動態(tài)力學性能都超過非焊接的機體材料。世界上第一臺線性摩擦焊焊機的研制是在Allood、Searle和Timney公司負責研究，Blacks設備公司負責機器制造，英國焊接學會和Rolls-Royce公司提供技術合作和指導人員，由英國貿(mào)易工業(yè)部提供基金并于1990年研制成功。該設備往復運動機構頻率可達75MHz，位移幅度為±3mm。據(jù)TWI的有關資料介紹，線性摩擦焊的潛在用途包括齒輪、鏈環(huán)、行李箱蓋和地板塊等塑料部件，雙金屬葉片以及金屬與塑料的復合連接 [13]。主要運用于航空發(fā)動機的制造和維修（見圖3 LinFricTM 型線性摩擦焊機）。隨著線性摩擦焊技術的發(fā)展，線性摩擦焊逐漸作為航空發(fā)動機整體葉盤制造的核心技術，引起了我國航空領域的高度重視。目前，西北工業(yè)大學已在教育部“985”經(jīng)費的支持下，成功研制了型號為 XMH—160 線性摩擦焊機（如圖 4 所示）。近年來,為了使焊機工藝得到更廣泛的應用,同時也為了降低線性摩擦焊的成本,由歐洲集團進行了合作,率先研發(fā)出了液壓式線性摩擦焊機。而國內(nèi)對液壓式線性摩擦焊機剛開始進行研制 [14]。625 所成功研制出應用在線性摩擦焊機中的“線性摩擦焊電液伺服控制系統(tǒng)” 。不僅滿足航空飛機發(fā)動機整體葉盤和其他零部件的制造需求,還填補了我國在液壓伺服線性摩擦焊機這一領圖3 LinFric TM 型線性摩擦焊機圖 4 XMH-160 線性摩擦焊機南昌航空大學畢業(yè)設計開題報告域的空白。2010 年 3 月 4 日，中國上海穆格與湯普森摩擦焊有限公司聯(lián)合研發(fā)出世界最大的線性摩擦焊機。如圖 5 所示，該機的有效焊接表面積達 10,000平方毫米，幾乎是原有焊接能力的兩倍，而且以 100 公噸打破了鍛焊載荷的記錄。名為E100 的新型焊機將線性摩擦焊（LFW ）技術擴展應用到汽車與航空航天行業(yè)中，用于生產(chǎn)汽車地板等零部件，以及噴氣發(fā)動機上的槳葉焊接固定 [15]。E100 焊機及控制系統(tǒng)堪稱一項重大的工業(yè)突破，因為摩擦焊技術之前未用于如此寬大的工作范圍。其自動化處理系統(tǒng)與快速的開∕關機特性與傳統(tǒng)手動操作相比大大縮短了生產(chǎn)周期時間，與此同時，進行一次蓄能器充氮僅需 30s 左右即可完成最大最長焊接任務?，F(xiàn)在， E100 開啟了固態(tài)金屬部件焊制加工的新紀元，在原有的機加工過程中，高達 80%的原材料被浪費。通過縮短生產(chǎn)周期時間，大幅降低貴重原材料如鈦金屬的浪費，它將徹底改變噴氣發(fā)動機的制造方式。湯普森的 E100 是在其位于英國的工廠制造的。穆格因為在液壓、伺服系統(tǒng)的設計、控制工程以及制造方面的專長而成為湯普森密切的開發(fā)合作伙伴。線性摩擦焊機中的液壓系統(tǒng)是提供焊機個動作機構和施力系統(tǒng)的動力源。主要包括液壓機、液壓泵、油箱、油缸以及各種方向、壓力和流量控制閥所組成的液壓控制回路。目前中國汽車制造業(yè)發(fā)展迅猛，以前的汽車制造業(yè)普遍使用剛性專機加工發(fā)動機的缸體、缸蓋、連桿、曲軸、凸輪軸等關鍵零部件，導致汽車發(fā)動機改型周期較長。 隨著汽車對零部件變化和改進的需求與日俱增，加工設備和工藝也向著柔性化的方向轉(zhuǎn)變。加工裝備的柔性概念和需求主要體現(xiàn)在對設備快速性和適應性的需求上， 因此制造商不得不尋求柔性和產(chǎn)量之間的最佳組合。不論采用哪種方案，使用高性能的液壓夾具都顯得尤為重要，現(xiàn)在，柔性專機、可重新配置的機床及專用加工中 心的組合應用，使得發(fā)動機零件的加工變得越圖 5 世界最大的線性摩擦焊機南昌航空大學畢業(yè)設計開題報告來越柔性化，具體情況取決于每個加工項目的產(chǎn)量配額。上海久卓機電設備有限公司公司設計制作了全自動躲刀液壓夾具系統(tǒng)，經(jīng)安裝調(diào)試，各項性能達到了設計要求，經(jīng)實際生產(chǎn)驗證到出了令人滿足的結果。該項目集中了液壓夾具，自動控制，加工編成等多項先進技術，在實現(xiàn)夾具機床聯(lián)動，自動躲刀，進步加工精度，連續(xù)生產(chǎn)，夾具自動切換，進步重復精度，減少輔助加工時間等多方面都有新的突破，是一個具有當前先進水平的項目。目前，國內(nèi)生產(chǎn)的摩擦焊機液壓施力系統(tǒng)都是采用開關型液壓控制閥，雖具有成本低、維修方便的特點，但滿足摩擦焊接過程所用的控制閥數(shù)量多，頻繁開關所帶來的故障幾率高，且可控性差，無法進行焊接過程閉環(huán)控制，軸向壓力控制精度低，限制了摩擦焊接在一些高技術產(chǎn)業(yè)部門的應用 [16-17]。 并且由于線性摩擦焊設備的造價較高。故其應用領域主要集中在航空發(fā)動機整體葉盤的制造與維修中，很少看到在其它領域中的應用。因此，研發(fā)低成本經(jīng)濟型的線性摩擦焊設備是促進線性摩擦焊技術快速發(fā)展的前提條件。雖然距第一臺線性摩擦焊機的出現(xiàn)已經(jīng)有近 20 年，但其機理研究還處于初步階段，產(chǎn)熱傳熱、變形流動和組織轉(zhuǎn)變等方面的實驗研究還很不足，數(shù)值模擬手段的應用也不夠，大量基礎性的理論實驗研究十分必要 [18]。三、研究內(nèi)容3.1 線性摩擦焊機液壓工裝夾具分析零件加工過程中的精確定位和裝夾的重復精度是提高效率和質(zhì)量的重要因素。為了實現(xiàn)高產(chǎn)高效，工件的定位、支撐、夾緊和夾具的快速松開夾緊，以及操作方便、安全都是非常重要的環(huán)節(jié)。因此液壓定位和夾緊是一項非常可靠而且有效的技術。此套液壓工裝夾具中需要提供頂鍛壓力的液壓裝置，用于裝夾的液壓夾具以及各種執(zhí)行元件和控制元件。3.2 液壓式線性摩擦焊機工裝夾具總體設計根據(jù)線性摩擦焊接過程可知，線性摩擦焊接包括振動臺和直線導軌兩大部分，振動臺完成振動焊件在豎直方向周期性的高頻往復運動。移動焊件在液壓油缸的推動下向振動焊件逐步靠近，振動焊件在液壓振動臺的帶動下以一定的振幅、頻率開始振動，當兩焊件開始接觸后在一定的摩擦壓力的作用下進行摩擦，產(chǎn)生大量熱是摩擦界面發(fā)生塑性變形，在一定的摩擦時間后振動臺停止振南昌航空大學畢業(yè)設計開題報告動，移動焊件在液壓油缸的作用下進行頂鍛，頂鍛結束后將焊件卸除，液壓油缸帶動工作臺后退，工作過程結束。因此根據(jù)摩擦壓力及設備重量選擇合適的直線導軌，并選擇能產(chǎn)生足夠大壓力的液壓泵以滿足頂鍛壓力。在此次設計中包括振動系統(tǒng)、加壓系統(tǒng)、和夾具組成。振動系統(tǒng)提供焊件高頻振動的作用力；加壓系統(tǒng)提供夾緊和施加摩擦壓力和鍛壓力；回位機構用于確保左右焊件在焊接結束時能夠精確對中。夾具用來夾持焊件。根據(jù)設計構想畫出線性摩擦焊機工裝夾具原理圖，如圖 6 所示。3.3 夾具設計夾具的設計既要考慮定位同時也要考慮夾緊。在設計中要確保焊件在夾具保證正確位置。焊件定位后對焊件施加一定的外力，使其在加工過程中保持正確位置不變動。因此選用液壓元件對焊件進行夾緊。振動焊件所需的摩擦壓力和移動焊件所需的夾緊力都由液壓加壓系統(tǒng)提供。并且移動焊件與液壓油缸之間通過直線導軌進行連接。直線導軌在此起到支撐和引導焊件移動的作用。3.4 所需選擇的相應元件根據(jù)所需的頂鍛壓力可選擇合適大小的液壓泵及液壓缸，繼而選擇相應的電磁換向閥、溢流閥，最后根據(jù)所需的摩擦壓力及整體夾具的重量確定直線導軌。四、目標、主要特色及工作進度4.1 目標：設計液壓式線性摩擦焊機工裝夾具4.2 主要特色：設計的液壓式工裝夾具體積小，重量輕，結構緊湊，產(chǎn)生的工作壓力大。4.3 根據(jù)研究方案制定研究計劃表圖 6 液壓式線性摩擦焊機工裝夾具原理圖南昌航空大學畢業(yè)設計開題報告時間段 研究進度第四周 課題前期準備，包括系統(tǒng)學習 CAD 軟件制圖，焊接工裝夾具設計及液壓元件的選擇與使用第五周 查閱文獻資料，了解國內(nèi)外線性摩擦焊的研究狀況，準備外文文獻翻譯第六周 撰寫開題報告第七周 研究線性摩擦焊接的技術特點，對焊接過程及其工裝夾具有更深入的了解第八-十一周 確定工裝夾具的設計方案，選擇合適的液壓元件，電磁換向閥，溢流閥及直線導軌第十二-十三周運用軟件畫出工裝夾具設計圖第十四周 整理各項數(shù)據(jù)，撰寫畢業(yè)論文第十六周 畢業(yè)論文答辯五、參考文獻[1] Nicholas E D. 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