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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) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化09(4)班 姓 名 陳偉杰 課題名稱 雙攪拌軸攪拌摩擦焊機(jī)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 2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) 2.1 攪拌摩擦焊的發(fā)展歷史及研究成果 2.2 國(guó)內(nèi)攪拌軸摩擦焊的發(fā)展及應(yīng)用 2.3 攪拌摩擦焊中雙攪拌軸攪拌摩擦焊目前的應(yīng)用情況和前景 3 研究的基本內(nèi)容與擬解決的主要問題 3.1 基本內(nèi)容 3.2 待解決的主要問題 4 研究方案、可行性分析及預(yù)期研究成果 5 研究工作計(jì)劃（進(jìn)度安排） 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 雙攪拌軸攪拌摩擦焊機(jī)設(shè)計(jì) 陳偉杰 (機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化09(4)班 B09300405) 1 選題的背景與意義 1991年．?dāng)嚢枘Σ梁?Friction stir Welding．FSW)由英國(guó)焊接研究所(The Welding lnstirate-TWl)發(fā)明，這項(xiàng)杰出的焊接技術(shù)一步一步地為世界制造技術(shù)的進(jìn)步做出了巨大的貢獻(xiàn)。 自1991年攪拌摩擦焊(Friction stir Welding．FSW)被發(fā)明到現(xiàn)在，該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外的眾多領(lǐng)域出現(xiàn)它的身影。如今，攪拌摩擦焊焊已經(jīng)在諸多制造領(lǐng)域（船舶、軌道列車、航天、航空、汽車、兵器、電子電力等）達(dá)到規(guī)模化、工業(yè)化的應(yīng)用水平[1]。 雙攪拌軸摩擦焊縫技術(shù)作為攪拌摩擦焊的新型攪拌技術(shù)，它具有以下優(yōu)勢(shì)：（1）兩個(gè)攪拌頭同時(shí)焊接可以產(chǎn)生更多的熱量，該方法可以運(yùn)用于鋼及其他高溫合金攪拌摩擦焊中（2）可以確保在較小的扭矩下實(shí)現(xiàn)材料的可靠連接。這些優(yōu)點(diǎn)可以使得雙攪拌軸摩擦焊縫技術(shù)將攪拌摩擦焊的發(fā)展空間得到進(jìn)一步的拓展，將推動(dòng)制造業(yè)更快更好地發(fā)展，同時(shí)也必將擁有更廣闊的市場(chǎng)，在不久的將來必將迎來快速的發(fā)展和應(yīng)用的高峰。 2 國(guó)內(nèi)外攪拌摩擦焊的發(fā)展?fàn)顩r及研究成果 2.1 攪拌摩擦焊的發(fā)展歷史及研究成果 攪拌摩擦焊在其發(fā)明初期主要解決厚度1.2毫米的鋁合金板材焊接問題；1996年，用FSW技術(shù)解決了6～12毫米的鋁、鎂、銅合金的連接．1997年實(shí)現(xiàn)了12-25毫米厚鋁合金板的攪拌摩擦焊．并且在宇航結(jié)構(gòu)件上得到應(yīng)用。1999年攪拌摩擦焊可以焊接50毫米厚的銅合金及75毫米厚度的鋁合金零件和產(chǎn)品。2004年，英國(guó)焊接研究所已經(jīng)能夠單道單面實(shí)現(xiàn)100毫米厚鋁合金板材的攪拌摩擦焊。迄今，在材料的厚度上，單道焊可以實(shí)現(xiàn)厚度為0.8～100mm鋁合金材料的焊接：雙道焊可以焊接180mm厚的對(duì)接板材。最近，又開發(fā)了可以連接0.4mm鋁板的微型攪拌摩擦焊技術(shù)[2]。 攪拌摩擦作為一種優(yōu)選焊接技術(shù)，已經(jīng)在從技術(shù)研究向高層次的工程化和工業(yè)化應(yīng)用階段發(fā)展。就拿國(guó)外的例子來說：在美國(guó)的宇航制造工業(yè)、北歐的船舶制造工業(yè)、日本的高速列車制造等制造領(lǐng)域?？傊?dāng)嚢枘Σ梁敢呀?jīng)廣泛地涉及到了在船舶制造工業(yè)、航空航天工業(yè)、軌道交通及陸路交通工業(yè)、汽車工業(yè)以及兵器、建筑、電力、能源、家電等工業(yè)。 攪拌摩擦在今年來取得的成就主要可以從以下幾方面來體現(xiàn)： （1）攪拌摩擦焊在船舶制造工業(yè)上的應(yīng)用 目前攪拌摩擦焊在船用鋁合金的焊接方面研究應(yīng)用較多，幾乎可以焊接所有系列的鋁合金材料，另外，攪拌摩擦焊也可以實(shí)現(xiàn)鋁合金與銅合金、鋁合金與鎂合金等不同材料的焊接。攪拌摩擦焊與普通摩擦焊相比，因不受軸類零件的限制，可焊接直焊縫、角焊縫。傳統(tǒng)焊接工藝焊接鋁合金時(shí)要求對(duì)表面進(jìn)行去除氧化膜處理，并要求在48 h內(nèi)進(jìn)行焊接，而攪拌摩擦焊工藝只要在焊前去除油污即可，并對(duì)裝配要求不高。因此，攪拌摩擦焊是船用鋁合金結(jié)構(gòu)首選的連接技術(shù)。 （2）攪拌摩擦焊在航天航空工業(yè)上的應(yīng)用 以英國(guó)焊接研究所、波音、空客以及美國(guó)月蝕公司為代表的攪拌摩擦焊技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用的先鋒已經(jīng)取得了豐碩的成果。近期的研究結(jié)果表明攪拌摩擦焊可以在飛機(jī)機(jī)翼結(jié)構(gòu)、翼盒結(jié)構(gòu)、機(jī)身結(jié)構(gòu)、艙門結(jié)構(gòu)、裙翼結(jié)構(gòu)、機(jī)艙氣密隔板以及貨物裝卸結(jié)構(gòu)等方面得到應(yīng)用[3]。 （3）攪拌摩擦焊在高速列車鋁合金焊接的應(yīng)用 在攪拌摩擦焊出現(xiàn)后，攪拌摩擦焊由于是一種無需外加焊接材料的焊接方法，因此沒有熔化焊接時(shí)選擇焊接材料的困難，也節(jié)省了焊材費(fèi)用。更重要的是沒有熔化焊接凝固時(shí)的一次結(jié)晶過程，克服了焊接高強(qiáng)鋁合金時(shí)的結(jié)晶裂紋、氣孔和夾雜傾向，不會(huì)產(chǎn)生焊縫塌陷問題，也不會(huì)形成焊縫鑄造組織和低強(qiáng)區(qū)。因此攪拌摩擦取代了先前的熔化焊，成為焊接高速列車時(shí)優(yōu)先選擇的焊接方法[4]。 （4）攪拌摩擦焊在其他領(lǐng)域的應(yīng)用 攪拌摩擦焊除了上述3個(gè)領(lǐng)域外，還在軌道交通及陸路交通工業(yè)、汽車工業(yè)在兵器、建筑、電力、能源、家電等工業(yè)中的應(yīng)用也越來越廣泛。而且都取得了或多或少的成就[5]。 2.2 國(guó)內(nèi)攪拌軸摩擦焊的術(shù)發(fā)展發(fā)展應(yīng)用 2002年，北京航空制造工程研究所與英國(guó)焊接研究所正式簽署攪拌摩擦焊專利許可協(xié)議，并在技術(shù)合作的基礎(chǔ)上成立了中國(guó)攪拌摩擦焊中心。中國(guó)攪拌摩擦焊中心的成立標(biāo)志著攪拌摩擦焊技術(shù)正式登陸中國(guó)。中國(guó)攪拌摩擦焊中心全權(quán)代表英國(guó)焊接研究所，發(fā)售和管理中國(guó)地區(qū)(包括香港、澳門和臺(tái)灣)的攪拌摩擦焊技術(shù)專利許可，從此為攪拌摩擦焊技術(shù)在中國(guó)地區(qū)的發(fā)展、推廣和工業(yè)化應(yīng)用打開了大門[6]。 采用攪拌摩擦焊焊接的鋁合金材壁機(jī) 圖（1） 圖（2）攪拌摩擦加工技術(shù)的發(fā)展 自攪拌摩擦焊進(jìn)入國(guó)內(nèi)后，較快的運(yùn)用于我國(guó)工業(yè)上的許多領(lǐng)域（船舶制造行業(yè)、航天制造工業(yè)、軌道交通行業(yè)等）。 攪拌摩擦焊在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用現(xiàn)狀，主要通過船舶制造行業(yè)、航天制造工業(yè)兩方面來介紹。首先在船舶制造行業(yè)，2006年4月，我國(guó)設(shè)計(jì)制造了國(guó)內(nèi)第一臺(tái)用于大型船用型材料拼焊的攪拌摩擦焊設(shè)備，此后，中國(guó)攪拌摩擦焊中心大力發(fā)展鋁合金型材壁板的攪拌摩擦焊制造。其次，攪拌摩擦焊在航天制造工業(yè)也發(fā)揮著重大的作用。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于2000系列、7000系列以及鋁鋰合金的材料制成的太空交通運(yùn)載工具都優(yōu)先采用攪拌摩擦焊。中國(guó)攪拌摩擦焊中心于‘十五’期間重點(diǎn)對(duì)航天運(yùn)載火箭攪拌摩擦焊開展了系統(tǒng)的科研攻關(guān)，國(guó)內(nèi)的航天制造工業(yè)企業(yè)也積極采用了攪拌摩擦焊技術(shù)。 除卻上述的兩個(gè)領(lǐng)域外，攪拌摩擦焊在國(guó)內(nèi)還廣泛應(yīng)用于汽車制造業(yè)、軌道交通行業(yè)、電子電力能源行業(yè)[7]。 上圖（2）為攪拌摩擦焊在國(guó)內(nèi)的發(fā)展趨勢(shì)。隨著攪拌摩擦焊研究、技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用推廣的不斷深入，基于攪拌摩擦的基本原理形成了材料鏈接、材料改姓、材料成行等多種材料加工方法。 總之，在中國(guó)，攪拌摩擦焊的研究、開發(fā)和推廣應(yīng)用才剛剛起步，在市場(chǎng)化的環(huán)境下，通過引進(jìn)、消化、吸收和技術(shù)創(chuàng)新，攪拌摩擦得到了快速發(fā)展，尤其在航空、航天等領(lǐng)域、在國(guó)家政策和項(xiàng)目的支持下，攪拌摩擦焊必將在我國(guó)其他工業(yè)領(lǐng)域得到較快的推廣。 2.3攪拌摩擦焊縫中雙攪拌軸攪拌摩擦焊目前的應(yīng)用情況和前景 （1） 雙攪拌軸摩擦焊的工作原理 在提及雙攪拌軸摩擦焊縫技術(shù)的工作原理前，我們先講講攪拌摩擦焊的工作原理：攪拌摩擦焊過程中，一個(gè)柱形帶特殊軸肩和針凸的攪拌頭旋轉(zhuǎn)著緩慢插入被焊接工件，攪拌頭和被焊接材料之間的摩擦剪切阻力產(chǎn)生了摩擦熱，使攪拌頭鄰近區(qū)域的材料熱塑化(焊接溫度一般不會(huì)達(dá)到和超過被焊接材料的熔點(diǎn))，當(dāng)攪拌頭旋轉(zhuǎn)著向前移動(dòng)時(shí)，熱塑化的金屬材料從攪拌頭的前沿向后沿轉(zhuǎn)移，并且在攪拌頭軸肩與工件表層摩擦產(chǎn)熱和鍛壓共同作用下，形成致密固相連接接頭。 相對(duì)于攪拌摩擦焊的工作原理，雙攪拌摩擦焊縫為采用兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)相反的攪拌頭同時(shí)進(jìn)行焊接，由于兩個(gè)攪拌頭轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，產(chǎn)生的工作扭矩因相互抵消而減弱，焊接過程中采用較小的側(cè)向裝夾力就能實(shí)現(xiàn)可靠的連接。在雙攪拌頭復(fù)雜的機(jī)械力和摩擦熱的作用下，塑性金屬的流動(dòng)、焊接溫度場(chǎng)、應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)都將受到影響，這會(huì)對(duì)焊件性能產(chǎn)生很大的影響[8]。 雖然兩者看起來是十分的相似，無非是多了一個(gè)攪拌軸，但是雙攪拌軸摩擦焊相對(duì)于攪拌摩擦焊有以下優(yōu)點(diǎn)：（a）可以得到比攪拌摩擦焊更寬的焊縫區(qū)域；（b）焊接質(zhì)量更高；（c）兩個(gè)攪拌頭同時(shí)焊接可以產(chǎn)生更多的熱量，該方法可以運(yùn)用于鋼及其他高溫合金攪拌摩擦焊中；（d）可以確保在較小的扭矩下實(shí)現(xiàn)材料的可靠連接，（e）生產(chǎn)效率更高。 目前雙攪拌軸摩擦焊有以下幾種：平行并列式雙頭(Parallel Twin-stir)攪拌摩擦焊、前后交錯(cuò)排列式雙頭(Staggered Twin-stir)攪拌摩擦焊、前后一字排列式雙頭(Tandem Twin-stir)攪拌摩擦焊。 （2）雙攪拌軸摩擦焊取得得成就 TWI采用雙攪拌軸進(jìn)行了雙頭攪拌摩擦焊焊接，試驗(yàn)中得出了在6mm厚的6082-T6鋁合金一字排列式雙頭攪拌摩擦焊搭接接頭中，無論前進(jìn)側(cè)還是后退側(cè)的焊縫區(qū)域殘留氧化物均有所減少，前后交錯(cuò)排列式雙頭攪拌摩擦焊3mm厚的5083-H111鋁合金搭接接頭的金相分析表明，焊接區(qū)域尺寸可達(dá)板厚度的4.3倍。 在一系列的試驗(yàn)后，事實(shí)證明了雙攪拌軸摩擦焊的優(yōu)點(diǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其不足之處。多頭系統(tǒng)可以確保在較小的扭矩下實(shí)現(xiàn)材料的可靠連接。采用 前后交錯(cuò)排列式雙頭攪拌摩擦焊工藝，用于材料加工和搭接焊具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，而且可以在更大的對(duì)接間隙下實(shí)現(xiàn)對(duì)接接頭的可靠連接。 由此，在接下來的幾年內(nèi)，雙攪拌軸摩擦焊縫技術(shù)將會(huì)得到越來越廣泛的應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。 3 研究的基本內(nèi)容與擬解決的主要問題 3.1 基本內(nèi)容 在接下來的時(shí)間里，我將會(huì)通過ProE、CAD等軟件畫出雙攪拌軸攪拌摩擦焊中的雙攪拌軸部分的二維圖和三維模型并結(jié)合ProE的仿真功能初步的做出其工作原理的仿真。其中涉及到的工作包括以下幾個(gè)方面。 1） 掌握雙攪拌軸的工藝要求； 2） 建立機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型； 3） 確定合理的參數(shù)，得到機(jī)構(gòu)的大致輪廓； 4） 根據(jù)獲得的參數(shù)在ProE中設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)，包括零部件和裝配體，對(duì)關(guān)鍵的攪拌軸運(yùn)動(dòng)部分進(jìn)行有限元分析，并在ProE中進(jìn)行仿真； 5） 設(shè)計(jì)完整體裝配后，進(jìn)行二維加工圖紙繪制。 圖（3）為一個(gè)電機(jī)帶動(dòng)的雙攪拌軸的三維裝配圖 3.2 擬解決的主要問題 攪拌摩擦焊在國(guó)內(nèi)外都已經(jīng)被工業(yè)化的應(yīng)用于航天航空、汽車制造等工業(yè)領(lǐng)域，因此單軸的攪拌摩擦焊設(shè)備在這些工業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)隨處可見。但是，雙攪拌摩擦焊設(shè)備在國(guó)內(nèi)還是比較少見，也還沒有被大范圍的使用，因此，我的主要待解決的問題就是設(shè)計(jì)出一個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)可以由一個(gè)電機(jī)來同時(shí)帶動(dòng)兩個(gè)攪拌軸和如何將該機(jī)構(gòu)于攪拌摩擦設(shè)備相配套使用。 4 研究方案、可行性分析及預(yù)期研究成果 本課題以雙攪拌軸攪拌摩擦焊機(jī)為對(duì)象，根據(jù)工藝要求，以雙攪拌軸為分析的主體，在分析符合的參數(shù)后，確定雙攪拌軸的內(nèi)部機(jī)構(gòu)和參數(shù)。從而，進(jìn)一步的確定雙攪拌軸的工作過程。 4.1 研究方案 雙攪拌軸的內(nèi)部機(jī)構(gòu)的三維效果如圖（3）所示，一個(gè)電機(jī)通過齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)左右兩個(gè)攪拌軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，兩個(gè)攪拌軸由于通過齒輪傳動(dòng)，朝相反的方向轉(zhuǎn)動(dòng)。進(jìn)而使得這兩個(gè)攪拌軸可以同步加工，可以大大提高生產(chǎn)效率。當(dāng)然這樣的機(jī)構(gòu)也可以成直線排列，用于提高焊接質(zhì)量。 4.2 可行性分析 該機(jī)構(gòu)主要是通過齒輪傳動(dòng)將兩個(gè)攪拌軸聯(lián)系在一起，有一個(gè)電機(jī)帶動(dòng)同步轉(zhuǎn)動(dòng)。因此，從工藝的角度看，這樣的機(jī)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)。而且，這樣的機(jī)構(gòu)在其他的領(lǐng)域也被廣泛的應(yīng)用，它只是運(yùn)用了齒輪的傳動(dòng)。目前TWI已經(jīng)發(fā)明了直線排列的雙攪拌軸。 4.3 預(yù)期研究成果 本課題主要研究的是雙攪拌軸的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，只要掌握機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般流程，完成的機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算（該機(jī)構(gòu)有一定的通用性），確定零件的參數(shù)，繪制機(jī)構(gòu)圖紙。最終研制一種可以完成攪拌摩擦焊過程的部件。 5 研究工作計(jì)劃（進(jìn)度安排） 起止時(shí)間 內(nèi)容 2012年11月上旬 下達(dá)畢業(yè)論文任務(wù) 2012年11月20日 完成中外文資料收集 2012年12月12日 完成外文翻譯、文獻(xiàn)綜述 2012年12月31日 完成開題報(bào)告 2013年1月15日 完成開題答辯 2013年2月中旬 應(yīng)用proe進(jìn)行可行性分析 2013年2月下旬 初步運(yùn)用proe仿真 2013年3月中旬 完成二維工程圖紙的設(shè)計(jì) 2013年3月下旬 完成三維零部件設(shè)計(jì)并裝配，努力實(shí)現(xiàn)仿真 2013年4月15日 完成論文初稿 2013年4月30日 完成實(shí)習(xí)報(bào)告 2013年5月上旬 部分論文提前答辯 2013年5月中旬 完成論文定稿 2013年5月下旬 完成論文答辯 2013年6月（離校前） 論文修改（優(yōu)秀論文壓縮為規(guī)定字?jǐn)?shù)），交紙質(zhì)和電子稿 參考文獻(xiàn) [1] 中國(guó)機(jī)床商務(wù)網(wǎng) http://www.jic35.cn/Tech_news/Detail/3970.html [2]鄢東洋.史清宇.吳愛萍.Juerqen Silvanus 攪拌摩擦焊應(yīng)力變形有限元模擬的研究進(jìn)展[期刊論文]-焊接 2009(1) [3]李光.李從卿.欒國(guó)紅.董春林薄壁鋁合金攪拌摩擦焊焊接應(yīng)力變形與控制[期刊論文]-焊接 2009(1) [4]張友壽.何建軍.謝志強(qiáng).蔣蔚翔攪拌摩擦焊接技術(shù)基礎(chǔ)及其工程應(yīng)用[期刊論文]-材料導(dǎo)報(bào) 2008(1) [5]董春林 欒國(guó)紅 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