雙頭相位摩擦焊機核心部件的有限元分析

0 前言

摩擦焊不同于傳統(tǒng)的熔焊，它是利用兩個工件的接觸面相對旋轉摩擦生熱，并在壓力作用下焊接在一起的一種新興焊接技術。因為無需焊條、無煙塵和優(yōu)質的焊接質量，摩擦焊在世界各國的機械制造領域得到了廣泛的應用

。常見的相位摩擦焊機多為單軸旋轉式，在加工傳動軸軸管叉焊接總成這類對相位有精度要求的零件時，只能先加工一端，然后取下再加工另一端，生產(chǎn)節(jié)奏慢，焊件的相位精度低

。雙頭相位摩擦焊機的左、右主軸箱可以完成對兩個焊接叉的裝夾，并可以同時工作，一次性完成零件兩端的焊接，大大降低了加工時間和生產(chǎn)成本，而且焊件的相位精度提高很多。

在雙頭相位摩擦焊機的研究上，國內外的參考資料都很少。若依據(jù)傳統(tǒng)的經(jīng)驗和數(shù)據(jù)進行設計，計算結果的準確度很難保證，而且焊機內部的應力和應變情況無法得知。利用UG、ANSYS Workbench軟件對焊機的關鍵部件進行建模和模擬仿真，可以精確計算出應力、應變的大小和位移云圖，為檢查焊機是否滿足工作條件和結構的進一步優(yōu)化提供了依據(jù)。

1 雙頭相位摩擦焊機結構方案

本文以汽車傳動軸的軸管叉焊接總成為加工對象，它的結構如圖1所示。根據(jù)軸管叉焊接總成結構上的特點和使用要求，在兩個軸管叉和軸管焊接完成后，要求左、右叉的相位精度達到1.5°，距離偏差控制在0.7mm以內，而且在1800N·m靜扭矩的工況下，不會出現(xiàn)焊縫開裂的現(xiàn)象。

以上述軸管叉焊接總成的加工要求為依據(jù)，設計了雙頭相位摩擦焊機。該摩擦焊機的主要參數(shù)如表1。

該焊機的工作原理是:中間夾緊機構夾緊軸管，主軸箱1、主軸箱2上的旋轉夾具分別裝夾兩個軸管叉，并用定位桿保證左右叉的初始相位；傳動箱把電機的動力分配到兩個主軸箱內，實現(xiàn)兩個旋轉夾具同步轉動；兩個主軸箱在左右推力油缸的作用下沿著導軌前進或后退，實現(xiàn)軸管叉和軸管的焊接。據(jù)此設計的雙頭相位摩擦焊機的具體結構方案如圖2所示。

（三）仔細反思，積累經(jīng)驗。教學需要反思，但是在反思中出現(xiàn)了一些問題，一是“假反思”；二是“空反思”，只顧反思，不會決斷，因此，我們要杜絕“假反思”“空反思”，做到反思有深度，有高度，有執(zhí)行度。課后要經(jīng)常與學生交流課堂教學的問題，即使是一些細小的環(huán)節(jié)也不能放過，成功不僅僅是認真總結，完善不足之處，還需要一絲不茍的態(tài)度，我們要做到作出假設，嘗試假設，發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，反思總結，這樣才能使原來的教學走向我們所期望的高效教學。

從上述的工作原理中可以看出，在保證軸管叉焊接總成焊后相位精度的加工過程中，焊機左、右兩個主軸箱起著關鍵性的作用，而主軸箱的箱體和主軸更是主軸箱的核心部件，其設計結構如圖3所示。主軸箱的箱體安裝在導軌上，其結構看似簡單，但是由于它的內部要承載大量的零件，外部還要承受力和扭矩，這就對箱體結構設計的合理性提出了要求。左、右軸管叉裝夾在旋轉夾具上，而旋轉夾具又與主軸相連接，在頂鍛力的作用下，只有主軸有足夠的強度和剛度，才能確保焊后的相位精度滿足設計要求。

2 主軸箱箱體的有限元靜力學仿真

利用UG和ANSYS Workbench軟件，先建立主軸箱箱體的三維模型，然后導入有限元分析軟件中。為了便于在有限元分析時得到準確的計算結果、節(jié)省計算時間和簡便的劃分網(wǎng)格，需要對主軸箱模型做如下改動：假設部件不受阻尼的影響，密度分布均勻，并去掉部件中小的圓角

。主軸箱箱體材料屬性如表2所示。

采用六面體主導網(wǎng)格，根據(jù)箱體的大小，選取網(wǎng)格尺寸為10mm，劃定后網(wǎng)格節(jié)點數(shù)量為183132，單元數(shù)量為45565，主軸箱網(wǎng)格劃分模型如圖4所示。

我不好意思地笑笑，進洗手間沖涼。阿花從外面遞了一件男人的T恤衫和大褲衩進來。穿上衣服出來，我說你咋還有男人的衣服？阿花說，為你準備的呀，你看是不是合你的身？我拽了拽衣擺，正合身。

式中,

—電機轉速1000

；

—激振頻率。

2.1 剛度分析

剛度分析是檢驗主軸箱箱體抵抗變形的能力，在單位力的作用下箱體的位移量越小說明其剛度越好

。箱體在頂鍛階段的邊界條件下位移量的大小會直接影響到主軸上旋轉夾具的精度，從而影響到焊件的相位精度。由圖6箱體的位移云圖可知，在頂鍛階段，箱體上端面的位移量較大，其最大處的數(shù)值為1.0062×10

m，但在允許的位移范圍內，不影響工件的加工。因為箱體下端面有固定約束，內部與軸承的接觸面有圓柱約束，這些位置的變化量較小。

對主軸箱主軸的建模、導入和簡化，采用和箱體同樣的方法。主軸材料屬性如表3所示。

2.2 應力分析

在焊機工作過程中，頂鍛階段主軸已經(jīng)不發(fā)生旋轉，只受頂鍛力作用。摩擦階段主軸受力較復雜，有軸向摩擦力，又有摩擦扭矩。因此對主軸箱主軸做有限元靜力學分析時，應首選它在摩擦階段下的邊界條件，如圖9所示。摩擦階段主軸端面受到工件施加的壓力，大小和摩擦力一樣，為20KN。安裝在主軸上的旋轉夾具和主軸箱內部與主軸平鍵連接的齒輪都傳遞給主軸200.55N·m的扭矩。主軸軸段1和3處裝配有圓柱軸承，對此施加圓柱約束。在主軸鍵槽處施加固定約束。因為摩擦階段主軸帶動工件持續(xù)旋轉，所以對主軸施加和轉速大小一樣1000r/min的慣性載荷。最后考慮重力的影響。

3 主軸箱主軸的有限元靜力學仿真

絕大部分ncRNA不編碼蛋白質，在RNA水平上發(fā)揮其生理功能.越來越多的研究表明原核生物體內存在的轉錄后調控與ncRNA密切相關.ncRNA的功能多種多樣，幾乎參與了細菌的各個生命活動過程.針對S. Typhi中發(fā)現(xiàn)的ncRNA AsrC，對其表達特性和功能進行初步研究.

采用六面體主導網(wǎng)格，根據(jù)主軸的大小，選取網(wǎng)格尺寸為10mm，劃定后網(wǎng)格節(jié)點數(shù)量為26057，單元數(shù)量為7226，主軸網(wǎng)格劃分模型如圖8所示。

從圖7可以看出，在頂鍛階段應力分布不均勻，在箱體上端8個螺紋孔處和前后4個軸承端面處應力較大，其他地方應力較小。由箱體的材料可知，它的屈服強度為150MPa。在箱體應力云圖中，頂鍛階段的最大應力為7.108MPa。在允許的屈服強度范圍內，主軸箱箱體的性能完全可以滿足使用要求。

3.1 剛度分析

主軸在摩擦階段的邊界條件下位移量的大小會直接影響到主軸上旋轉夾具的精度，從而影響到焊件的相位精度。由圖10主軸的位移云圖可知，在摩擦階段，主軸端面和軸段2處的位移量較大，其最大處的數(shù)值為1.5028×10

m，但是在允許的位移范圍內，不影響工件的加工。因為軸段1和3處有圓柱約束，平鍵槽處有固定約束，這些位置的變化量較小。

3.2 應力分析

電機在旋轉過程中會產(chǎn)生激振頻率，若激振頻率與主軸箱箱體任意階模態(tài)的固有頻率相接近，則會產(chǎn)生共振，從而對焊機的關鍵部件造成疲勞破壞，嚴重影響加工精度。為避免這樣的情況發(fā)生，需要先求得電機的激振頻率，然后避免主軸箱箱體的固有頻率接近電機的激振頻率。電機的激振頻率只有一個，但箱體的固有頻率有若干個，而且固有頻率逐漸升高，因此理想的結果是箱體第一階模態(tài)的固有頻率遠大于電機的激振頻率。電機的激振頻率公式為：

Fig.2 shows a schematic of the fiow duct test rig in the Fluid and Acoustic Engineering Laboratory(FAEL)at BUAA.Theflow is provided by a continuous wind tunnel consisting of a centrifugal fan,plenum with metal screens,and silencing ducts.

4 主軸箱箱體的模態(tài)分析

主軸箱箱體的模態(tài)分析可以得到箱體各階的固有頻率和其在某個方向振型圖，為判斷箱體的結構是否合理提供了重要依據(jù)。

目前秦淮河水質改善以引江換水為主體，在豐水期降水較多時，可利用降雨徑流及上游來水對外秦淮河補水；在長江水位高于秦淮新河水位時，實施長江自流引水；在不滿足以上條件下實施翻水，利用秦淮新河抽水站抽引長江水入秦淮河?？菟诤推剿?，上游水量較小，長江水位也較低，不能實現(xiàn)自流，則繼續(xù)采用秦淮新河站抽引江水入秦淮河。

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模態(tài)分析在三維模型的導入和網(wǎng)格劃分與靜力學仿真的步驟一致，而邊界條件的施加與靜力學仿真有所不同。模態(tài)分析中，外載荷的施加對模態(tài)分析無效，因此僅施加相應的約束即可。箱體的固有頻率一般都是隨著階數(shù)的升高而越來越大，只需考慮其低階頻率即可。只要低階頻率不與外界產(chǎn)生耦合，高階頻率對零件的動態(tài)性能影響就非常小

。選取模態(tài)數(shù)為4，頻率范圍設為默認，其結果如圖12所示。

從圖12和圖13可以看出，箱體前4階模態(tài)的固有頻率值呈上升趨勢。箱體第1階模態(tài)固有頻率為60.162Hz，箱體一側箱壁內凹，沿著X軸方向振動；第2階模態(tài)固有頻率為60.416Hz，箱體另一側箱壁外凸，沿著X軸方向振動；第3階模態(tài)固有頻率為71.726Hz，箱體底部末端向上翹起，沿著Z軸方向振動；第4階模態(tài)固有頻率為89.683Hz，整個箱體向Y軸傾斜，箱體底部末端沿Z軸方向翹起。

從圖11可以看出，在摩擦階段，主軸端面和軸段2、軸段3連接處的應力較大，其他地方的應力較小。由主軸的材料可知，它的屈服強度為355MPa。在主軸應力云圖中，頂鍛階段的最大應力為77.589MPa，發(fā)生在端面內圓和端面的螺紋孔處。在允許的屈服強度范圍內，主軸箱主軸的性能完全可以滿足使用要求。

=60

根據(jù)焊機工作時實際受力情況，頂鍛階段箱體所承受的頂鍛力遠大于摩擦階段的摩擦力，所以做有限元靜力學分析時，只考慮箱體頂鍛階段的邊界條件，如圖5所示。在頂鍛階段，主軸箱受到推力油缸的推力，其最大推力為40kN，中間夾具施加與頂鍛力相反的力，其大小為40kN。箱體上端面通過螺栓與箱蓋相連，在8個螺栓孔處施加固定約束。箱體下端面通過螺栓與導軌壓板相連，在10個螺栓孔處施加固定約束，并且在接觸面施加位移約束。箱體內部裝配有軸承，在軸承與箱體的接觸面施加圓柱約束。

得出電機激振頻率為16

7Hz，遠小于箱體第1階模態(tài)的固有頻率，故主軸箱箱體不會發(fā)生共振現(xiàn)象，符合生產(chǎn)條件。

5 主軸箱主軸的模態(tài)分析

電機的旋轉、主軸箱裝配的誤差和主軸加工誤差都會使主軸在工作時產(chǎn)生振動，從而影響焊接質量

。假設裝配誤差和加工誤差較小，那么電機旋轉產(chǎn)生的激振頻率則成為影響主軸振動的最大因素。若激振頻率達到或接近主軸的固有頻率，則會導致共振。共振會使主軸產(chǎn)生較大位移，破壞主軸的自身結構，還會對與主軸直接配合的零部件造成沖擊、破壞。

只考慮主軸的低階頻率，選擇模態(tài)數(shù)為4，頻率范圍默認，如圖14所示。

從圖14和圖15可以看出，主軸前4階模態(tài)的固有頻率值呈上升趨勢。主軸第1階模態(tài)固有頻率為5334.8Hz，主軸端面繞著Z軸左右擺動，位移最大量發(fā)生在端面左右部分的邊緣；第2階模態(tài)固有頻率為5338.1Hz，主軸端面繞著X軸上下擺動，位移最大量發(fā)生在端面上下部分的邊緣；第3階模態(tài)固有頻率為6336.7Hz，主軸軸段5繞著Y軸振動，位移最大量發(fā)生在軸段5表面部分；第4階模態(tài)固有頻率為6841.7Hz，主軸端面繞著Z軸左右擺動同時又繞著X軸上下擺動，位移最大量發(fā)生在端面上下和左右部分的邊緣。

電機的激振頻率為16.7Hz，遠小于主軸第1階模態(tài)的固有頻率，所以不會產(chǎn)生共振，符合生產(chǎn)條件。

慢性硬膜下血腫（CSDH）是神經(jīng)外科常見病，占顱內血腫的10%，占硬腦膜下血腫的25%，好發(fā)于老年人。隨著老年人口的增加，該病呈上升趨勢。鉆孔引流是治療慢性硬膜下血腫的首選方法、適用于各年齡段的患者［1］。但老年患者慢性硬膜下血腫在單純行鉆孔引流術后仍有較多患者因腦膨起困難、硬膜下腔不能閉合、血腫腔內有血凝塊未能徹底清除、新鮮出血等致腦復張不良甚至復發(fā)等。我科選取部分患者在鉆孔引流術后聯(lián)合高壓氧治療，可有效促進殘留血腫吸收、促進腦復張、縮短病程，降低復發(fā)率，現(xiàn)總結報告如下。

6 結論

(1)通過Ansys Workbench軟件的計算，得到了主軸箱箱體和主軸的位移圖和應力圖，由此分析了箱體在頂鍛階段和主軸在摩擦階段的應力應變情況，由分析結果可知二者的剛度和強度均滿足要求，該焊機主軸箱結構設計合理。

該找一個什么借口和她搭訕呢？說沒有位子直接坐到她的對面嗎？可是位子明明很富余呀。跟她打聽點什么事情嗎？可是能打聽什么呢？跟她借點什么小東西嗎？都什么年代了，哪有隨便跟陌生人借東西的？再說了，男人能借的除了打火機還能是什么？在中國跟一個女子借打火機又算什么？咖啡廳不是不可以抽煙的嗎？哎呀！

(2)對主軸箱箱體和主軸進行了模態(tài)分析，提取了前4階固有頻率及振動圖，通過分析可以得出本方案設計的箱體及主軸不會與電機發(fā)生共振，它們的安全系數(shù)都較高，在加工過程中完全可以保證焊件的焊接精度。

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