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脈沖點焊裝置機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計 摘 要 焊接學科自誕生的半個世紀以來，一直受到諸學科最新發(fā)展的直接引導， 尤其是受材料、信息學科新技術(shù)的影響，不僅導致了數(shù)十種焊接新工藝的問世， 而且也使得焊接工藝操作正經(jīng)歷著從手工焊到自動焊，自動化、柔性化到智能化的過渡，焊接自動化、機器人化，以及智能化已經(jīng)成為公認的發(fā)展趨勢。 其中，點焊是現(xiàn)代制造業(yè)中最常用的焊接工藝之一，已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用到了航空、電子產(chǎn)品的制造，模具的修復等各個方面。與其它焊接方式相比，它具有接頭質(zhì)量高、輔助工序少、無須填加焊接材料及文明生產(chǎn)等優(yōu)點，尤其易于機械化、自動化生產(chǎn)的高效率，使其經(jīng)濟效益顯著。 但是現(xiàn)有的 P115 型、P320 型、P103 型等不同類型的點焊機，由于輸出功率小、穩(wěn)定性差等缺點，已經(jīng)不能適應(yīng)于生產(chǎn)的需要。因此設(shè)計制造新型的點焊機就顯得十分必要。 基于此，本文對用于焊接釘子的脈沖電焊裝置進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。本文主要對點焊機制具傳動部分的工作流程、結(jié)構(gòu)、傳動方式進行了詳細的設(shè)計與闡述。主要包括制具傳動部分的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計，并對機構(gòu)中的零件進行設(shè)計校核，利用Auto CAD 軟件繪制裝配圖及零件圖。 關(guān)鍵詞：脈沖點焊，傳動，結(jié)構(gòu) II Abstract Since its emergence, welding has been lead by several subjects’ recent development in almost a half-century. Especially is affected by material and information science, it not only leads the advent of dozens of new welding procedure, but also let the welding procedure experience a transition from hand welding to automatic welding, from automation, flexibility, to intelligence. Spot welding which has been used in aviation, the manufacture of electronic product and many other aspects is one of the most thriving methods of modern manufacturing. In comparison with other welding manners, it has many advantages, especially tends to improve the efficiency of mechanized and automatic production. But the existing spot welding machine of P115 model, P320 model, P103 model and other different machine can no longer adapt to the situation for production, because of its low delivered power and stability. So it becomes necessary to make new-type spot welding machine. As a result, this article is focus on the structural design of the spot welding machine. This text is mostly for the workflow, structure and driving mode of the transmission part. It includes the whole structure design of the transmission part, the design and check on the components, and the assembling drawing and part drawing. Key words: spot welding, transmission, structure 目 錄 第一章 前 言 1 1.1 點焊技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展現(xiàn)狀 2 1.2 點焊的基本介紹 7 1.3 選題背景、目的和意義 11 1.4 本論文的主要研究內(nèi)容 11 第二章 脈沖點焊裝置機械結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計 13 2.1 概述 13 2.2 設(shè)計方案的確定 13 第三章 制具傳動部分的設(shè)計計算與校核 15 3.1 電動機的選擇 15 3.2 齒輪的設(shè)計計算與校核 17 3.3 同步帶傳動的設(shè)計計算 39 3.4 軸的設(shè)計計算與校核 43 第四章 經(jīng)濟技術(shù)分析報告 47 4.1 經(jīng)濟分析與評價的意義和基本原理 47 4.2 經(jīng)濟技術(shù)分析 47 第五章 結(jié)論與展望 49 參 考 文 獻 50 致 謝 52 III 第一章 前 言 點焊是在熱與機械力作用下形成焊點的過程，熱作用是焊件接合面母材金屬熔化，機械力作用是焊接區(qū)產(chǎn)生必要的塑性變形，使兩者適當配合和共同作用是獲得優(yōu)質(zhì)點焊接頭的基本條件。在金屬材料的性質(zhì)、板厚以及焊接規(guī)范一定的情況下，焊接設(shè)備的工藝性能決定了焊接質(zhì)量。目前，在國內(nèi)外應(yīng)用面最廣的電阻焊焊接電源是單相工頻電阻焊機，逆變式電阻焊機也已取得長足發(fā)展。單相工頻電阻焊機功率因數(shù)低，它提供的焊接電流為 50Hz 的類似正弦波的交流電，在焊接時存在著焊接電流 100 次/s 過零的問題。其電流大小的調(diào)節(jié)由改變周波的導通角來實現(xiàn)，電流越小，導通角也越小，從而其電流波形也就越不連續(xù)，這些都造成焊接加熱過程不連續(xù)。逆變焊機通常采用電流反饋脈寬調(diào)制獲得穩(wěn)定的恒流輸出，由于逆變頻率高，故整個反饋控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度和控制分解能力比工頻點焊機優(yōu)越，有利于焊接適量的控制。此外，逆變整流方式可使焊接時間控制更為精確，可以方便的使焊接電流有效值隨時間有規(guī)律的變化，為點焊質(zhì)量控制提供了有效手段。逆變焊機輸出直流焊接電流，焊接時熱量連續(xù)積累，溫度也就持續(xù)上升，最終的加熱效果要優(yōu)于交流焊機，又因為直流沒有電流尖峰，故熔核不易破裂而產(chǎn)生飛濺。 由于焊接制造工藝具有多學科綜合技術(shù)的特點，使得焊接技術(shù)能夠更多更 快的融入最新科學技術(shù)的成就而具有時代發(fā)展的特征。眾所周知，焊接學科自誕生的半個世紀以來，一直受到諸學科最新發(fā)展的直接引導，尤其是受材料、信息學科新技術(shù)的影響，不僅導致了數(shù)十種焊接新工藝的問世，而且也使得焊接工藝操作正經(jīng)歷著從手工焊到自動焊，自動化、柔性化到智能化的過渡，焊接自動化、機器人化，以及智能化已經(jīng)成為公認的發(fā)展趨勢[1]。 電阻點焊與鉚接或其它的焊接方法相比，具有接頭質(zhì)量高、輔助工序少、無須填加焊接材料及文明生產(chǎn)等優(yōu)點，尤其易于機械化、自動化生產(chǎn)的高效率， 使其經(jīng)濟效益顯著。在汽車、摩托車、工程機械、航空航天等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。近年來，新材料的出現(xiàn)，計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息技術(shù)、電力電子技術(shù)、智能控制技術(shù)的迅猛發(fā)展，對電阻點焊技術(shù)的研究提出了新的內(nèi)容和挑戰(zhàn)。 微電子器件、超薄部件及精密儀器的焊接要求點焊過程要穩(wěn)定、可靠、無飛濺，焊接輸入能量必須能精確控制，點焊電源要具有良好的動特性，快速響應(yīng)規(guī)范參數(shù)的變化，以獲得質(zhì)量可靠、表面美觀、尺寸符合要求的焊點；點焊機器人的發(fā)展、點焊設(shè)備的機械化、自動化要求點焊電源必須高效、輕巧，點焊控制 51 系統(tǒng)智能化。傳統(tǒng)的點焊電源以及傳統(tǒng)的質(zhì)量控制技術(shù)已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代工程的需要，必須有新的點焊電源出現(xiàn)、新型的質(zhì)量控制技術(shù)等一系列的新技術(shù)[2]。 本文簡單介紹了焊接技術(shù)的歷史、現(xiàn)狀以及今后的發(fā)展，之后簡單敘述了脈沖電焊裝置的發(fā)展及功能與特點，并設(shè)計一個結(jié)構(gòu)合理的脈沖電焊裝置。 1.1 點焊技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展現(xiàn)狀 1.1.1 中頻點焊機器人在轎車生產(chǎn)中的應(yīng)用 根據(jù)中頻點焊機器人在國外轎車裝焊線的應(yīng)用，其具有突出的優(yōu)點。 由于汽車制造廠 95%的電阻焊機是交流的。交流點焊機與電力網(wǎng)接通靠晶閘管導通，有空白區(qū)，熱量不集中，焊接質(zhì)量不穩(wěn)定。中頻點焊機三相負載平衡、低輸入、沒有電網(wǎng)過渡過程、功率因數(shù)高，節(jié)約電能。 在美、日等國汽車廠已建成中頻點焊機器人轎車車身裝焊線。日本本田 （HONDA）汽車公司與宮地（MIYACHI）電子技術(shù)公司合作，早在 1986 年就 建成中頻點焊機器人轎車車身裝焊線，共用了 520 臺中頻點焊機器人，走在世界汽車行業(yè)的前列[3]。投產(chǎn)后焊接質(zhì)量提高，點焊機器人的打點速度加快，提高了生產(chǎn)率。美國通用汽車公司（GM）也建成用 750 臺中頻點焊機器人組成的轎車車身裝焊線，同時美國實快利公司（SQUARE D）B M BROWN 根據(jù)轎車身鋼板采用交流和中頻點焊對比得出結(jié)論：中頻點焊比交流點焊節(jié)能 27%。該公司統(tǒng)計出交流點焊和中頻點焊焊一個焊點電費比較，見表 1。 基于 14kA，通電 15Hz，電能成本 $6.0/kWh 焊接方法 傳統(tǒng)交流 中頻直流 匝數(shù)比 17 100 功率因數(shù) 0.9 1.0 每個焊點總成本 $0.00148 $0.0004 表 1．交流點焊和中頻電焊電源對比 圖 2 和圖 3 是不帶鍍層鋼板和帶鍍層鋼板的單相交流焊機、單相整流焊機和中頻點焊機焊核直徑和電流關(guān)系圖。 按點焊規(guī)定，穩(wěn)定的焊接范圍焊核直徑為 4t（t 為板厚），經(jīng)試驗，在單相交流焊機點焊 100 焊點情況下，單相整流焊機為 129 焊點，中頻點焊機為 214 焊點；同樣對鍍層鋼板，單相交流焊機為 110 焊點，中頻點焊機為 355 個焊點。 可見，中頻點焊機穩(wěn)定的焊接范圍是大的。 對于汽車裝焊合件，在保證焊核直徑為 4t 時，焊接電流為計算電流的 1.5 倍。按圖 3，0.7t 鍍層鋼板單相交流焊機焊接電流為 8.7kA1.5=13kA，在標準焊接電流的條件下產(chǎn)生飛濺；而中頻點焊機焊接電流為 5.6kA1.5=8.4kA，按設(shè)置的焊接電流無飛濺，一次受到焊工的歡迎；并且焊接電流小、電極發(fā)熱量小，延長了電極使用時間。 1.1.1.1 焊接回路小型輕量化 中頻點焊機器人系統(tǒng)焊鉗和整流焊接變壓器一體化，中頻整流焊接變壓器的質(zhì)量約為單相交流式的 1/3~1/5，而焊鉗質(zhì)量約減小 1/2~1/3。 近年來國外點焊機器人與整流焊接變壓器一體化的 X/C 型焊鉗改進了設(shè)計，采用高強度鋁板組裝成板式鉗體結(jié)構(gòu)代替鑄銅整體結(jié)構(gòu)，因此進一步減小了焊鉗質(zhì)量。而且鋁板式鉗體結(jié)構(gòu)在 CNC 機床加工中心制造，提高了制造精度。另外 X/C 型焊鉗結(jié)構(gòu)設(shè)計具有高共用相似性，可以減少庫存?zhèn)浼? 由于焊鉗的質(zhì)量減小，這樣點焊機器人的機械裝置所支撐的質(zhì)量小，從而使驅(qū)動電動機功率下降。點焊作業(yè)時在加速和制動以及點焊過程中磨損相應(yīng)減少。當點焊機器人在高速旋轉(zhuǎn)時，對極限點焊區(qū)也能實現(xiàn)驅(qū)動接近。 此外，整流焊接變壓器的裝配零部件基本上可以置換，不用從機器上拆下焊鉗和其它零件，而且也不用機械動力供給機器人的傳動裝置。 1.1.1.2 可以廣泛點焊異種金屬 中頻點焊具有焊接電流波形廣泛設(shè)置，直流極性的效果（peltier effect）和良好的熱效率——電流焊接熱效率比交流高，可以用低電流焊接，兩者點焊的焊核溫度見圖 4。因此具有廣泛焊接鋼、帶鍍層鋼板、不銹鋼、鋁以及不同導熱材料組合焊接的可能性（例如鋁和鋼的點焊）。 1.1.1.3 展望 中頻點焊機器人和交流點焊機器人轎車白車身裝焊線相比較，除了外圍裝置如：換焊鉗系統(tǒng)、換電極帽系統(tǒng)和電極帽修整研磨裝置外，中頻點焊機器人的一次性投資較大。但是由于其諸多優(yōu)點，從技術(shù)、經(jīng)濟、環(huán)保等方面綜合考慮， 中頻點焊機器人可減小裝焊線整體投資。 我國轎車生產(chǎn)的幾個主導廠目前已建立了交流點焊機器人生產(chǎn)線。個別廠 （上海-大眾汽車公司）在試制車間用10 幾臺中頻懸掛式點焊機調(diào)試新產(chǎn)品焊接參數(shù)。隨著焊接技術(shù)的進步和有關(guān)廠新車型投產(chǎn)以及生產(chǎn)綱領(lǐng)的擴大，中頻點焊機器人在我國必將進入轎車工業(yè)的大發(fā)展。 1.1.2 國內(nèi)外電焊技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 20 世紀 60 年代，國外開始用二次脈沖點焊的方法，對可淬硬鋼的焊點進行 電極間回火熱處理。國內(nèi)從 80 年代初進行可淬硬鋼的二次脈沖點焊工藝試驗研究工作[4]，并取得了理想的工藝效果。 采用二次脈沖點焊時的熱循環(huán)曲線如圖 5 所示。圖中第 1 個脈沖為焊接脈沖，用以獲得合格的熔核尺寸。等焊點溫度冷卻至馬氏體形成溫度 Ms 點以下時， 在通過第二個脈沖電流，對淬硬區(qū)進行回火，使馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗鹚魇象w組織， 以改善焊點的組織性能。 圖 5.二次脈沖點焊時的熱循環(huán)曲線 用二次脈沖點焊時，應(yīng)注意以下兩點: a.兩次脈沖之間的時間間隔 ts，一定要保證使焊點溫度冷卻至 Ms 點以下。b.回火電流 I2 與回火時間 t2 應(yīng)選擇適當。如果 I2 過大，t2 過長，則將使整 個熔核溫度超過奧氏相變點而重新淬硬；如果 I2 過小，t2 過短，則只有熔核中心小部分區(qū)域回火，如圖 6 所示。但是，由于對焊點的拉仲、剪切及疲勞強度影響最大的是熔核邊緣的組織，此時熔核中心必會形成一次淬硬組織。 圖 6.回火電流變化時回火范圍的變化 近期的試驗研究工作表明，用圖 6 所示的三次脈沖點焊 1Cr171Ni2 馬氏體小銹鋼時，可使整個熔核得到回火組織，井使焊點的拉伸、剪切強度及延性比得到進一步提高，如表 7 所示。 圖 7.三次脈沖點焊示意圖 焊接脈沖 強度值 PⅡ/ PⅠ/N PⅡ/PⅠ 二次 3975.6 13761.7 0.26 三次 5890.9 19146.5 0.31 表 2.二次及三次脈沖點焊接頭的拉伸剪切強度 趙熹華等人采用調(diào)制焊接電流脈沖和隨機多脈沖熱處理等點焊工藝措施， 獲得了 60Si2Mn、65Mn 彈簧鋼的優(yōu)質(zhì)點焊接頭，為鋼質(zhì)彈簧件的以焊代鉚指出了方向[5]。 系統(tǒng)的試驗發(fā)現(xiàn)，多脈沖(脈沖數(shù)大于 2)回火熱處理優(yōu)于傳統(tǒng)的雙脈沖點焊工藝，它可使點焊頭高應(yīng)力區(qū)域的回火過程進行得更為充分、有效。應(yīng)用多脈沖回火熱處理工藝應(yīng)注意以下兩點： a. 回火脈沖的個數(shù) n(n=1，2，3，4……)。根據(jù)板厚δ不同由試驗確定，一般隨δ的增加而增加。 b. 回火電流的脈沖時間 t2 應(yīng)遠小于傳統(tǒng)的雙脈沖點焊，井需適當增加回火脈沖的時間間隔，以防止出現(xiàn)過燒組織。 試驗表明，四脈沖回火 65Mn 鍍鋅板(δ=0.35)點焊接頭時，拉伸、剪切載荷及延性比均與爐中回火的情況相近。 除了可淬硬鋼以外，TC3 雙相鈦合金的雙脈沖點焊同樣可改善點焊接頭的塑性。尤其是當二次電流脈沖為一次電流脈沖的 40%時，接頭的延性比提高最為明顯，對應(yīng)的拉伸斷口呈現(xiàn)塑性斷裂的典型特征。研究表明，附加電流脈沖還是提高點焊接頭疲勞壽命的有效方法。 1.2 點焊的基本介紹 點焊是焊件在接頭處接觸面的個別點上被焊接起來，要求金屬要有較好的塑性。脈沖點焊，則是在一個焊接循環(huán)中，通過兩個以上焊接電流脈沖的點焊。 由于點焊的焊點間有一定的間距，所以只用于沒有密封性要求的薄板搭接結(jié)構(gòu)和金屬網(wǎng)、交叉鋼筋結(jié)構(gòu)件等的焊接。如果把柱狀電極換成圓盤狀電極，電極緊壓焊件并 轉(zhuǎn)動，焊件在圓盤狀電極只間連續(xù)送進，再配合脈沖式通電。就能形成一個連續(xù)并重疊的焊點，形成焊縫。 焊接時，先把焊件表面清理干凈，再把被焊的板料搭接裝配好，壓在兩柱狀銅電極之間，施加 P 力壓緊。當通過足夠大的電流時，在板的接觸處產(chǎn)生大量的電阻熱，將中心最熱區(qū)域的金屬很快加熱至高塑性或熔化狀態(tài)，形成一個透鏡形的液態(tài)熔池[6]。繼續(xù)保持壓力 P，斷開電流，金屬冷卻后，形成了一個焊點。如圖 8 所示，是一臺點焊機的示意圖。 圖 8.點焊機 1.2.1 點焊的基本原理 電阻點焊是通過點焊電極對被焊工件施加并保持一定的壓力，使工件穩(wěn)定接觸，然后使焊接電源輸出的電流通過被焊工件和它們的接觸表而，產(chǎn)生熱量， 升高溫度，熔化接觸點局部形成焊點，達到將金屬工件焊接在一起的目的。點焊結(jié)構(gòu)和熱量分布特性如圖 9 所示。電阻點焊過程中，在良好的焊接循環(huán)條件下， 無論焊接干什么材料，每一個焊點的形成過程必分為 3 個連續(xù)的階段：第一階段 ——預壓階段。緊密接觸工件的焊接處，保證所需的接觸電阻。第一階段——通 電加熱階段。電流通過擠壓在電極間的工件，產(chǎn)生熱量，加熱工件達到熔化狀態(tài)， 形成熔核。熔核外部金屬因通過的電流較小，形成包圍熔核的塑形環(huán)，影響焊點強度。第三階段——冷卻結(jié)晶階段[7]。焊點熔化形核后，在冷卻結(jié)晶過程中伴隨有相當大的收縮，在這個階段一定要延遲解除電極的壓力，使焊點在未完全冷卻前，在電極壓力作用下得到更加致密的結(jié)晶組織。點焊形核如圖 10 所示。 圖 9．電焊結(jié)構(gòu)與熱量分布特性圖 圖 10．點焊形核圖 1.2.2 焊接循環(huán) 點焊的焊接循環(huán)由四個基本階段： 1） 預壓階段——電極下降到電流接通階段，確保電極壓緊工件，使工件間 有適當壓力。 2） 焊接時間——焊接電流通過工件，產(chǎn)熱形成熔核。 3） 維持時間——切斷焊接電流，電極壓力繼續(xù)維持至熔核凝固到足夠強度。 4） 休止時間——電極開始提起到電極再次開始下降，開始下一個焊接循環(huán)。 為了改善焊接接頭的性能，有時需要將下列各項中的一個或多個加于基本循環(huán)： 1） 加大預壓力以消除厚工件之間的間隙，使之緊密貼合。 2） 用預熱脈沖提高金屬的塑性，使工件易于緊密貼合、防止飛濺。 3） 加大鍛壓力以壓實熔核，防止產(chǎn)生裂紋或縮孔。 4） 用回火或緩冷脈沖消除合金鋼的淬火組織，提高接頭的力學性能，或在不加大鍛壓力的條件下，防止裂紋和縮孔。 1.2.3 點焊的特點 點焊具有低能耗、低成本、高質(zhì)量、高效率、且便于實現(xiàn)自動化、使用方便等特點。同時無需耗材，無需焊條、焊絲和焊藥等，焊接過程耗熱小，無煙塵等有害物質(zhì)，無刺眼的光污染，而且工作電壓只有幾個伏特，是一種安全、經(jīng)濟、高效、可靠、無污染的環(huán)保型焊接方法。 點焊主要采用雙面單點焊接、雙面雙點焊接、單面單點焊接、單面多點焊接和雙面多點焊接等焊接方式。 1.2.4 對點焊質(zhì)量的影響因素 影響點焊質(zhì)量穩(wěn)定的因素是多方面的。在材料方面主要有材質(zhì)(導電、導熱、導磁、鍍層等性能)、板厚形狀、表面狀況；在供電方面主要有網(wǎng)壓波動、其它焊機或用電設(shè)備的影響!電流波動；在加壓機構(gòu)方面主要有壓力波動、電極的沖擊性、振動性、跟隨性；在焊接工況方面主要有已焊點的分流、焊點位置、軟磁工件伸入極臂內(nèi)的距離、板間接觸狀態(tài)；在電極方面主要有電極材質(zhì)、端部形狀、已焊點數(shù)、端部粘損與變形等因素 IIW 推薦通過考察當以下 8 個因素變化時， 控制器的精度!靈敏度以及對焊接質(zhì)量的保證能力所受的影響來評價控制系統(tǒng)的性能。這 8 個因素分別是：電流；壓力；通電時間；電極端部變形；分流；邊緣距離；板厚；板表面的清潔度。在這些眾多的因素中，常見的影響較大的因素除了焊接規(guī)范自身的波動外，應(yīng)是分流與電極端部的粘損與變形。一個性能良好的控制器應(yīng)能有效地補償上述各種因素的影響[8]。 1.2.5 脈沖點焊的分類 根據(jù)脈沖次數(shù)的不同，可將其分為單脈沖點焊、雙脈沖點焊以及多脈沖點焊。根據(jù)電流的種類，脈沖點焊又可分為交流脈沖點焊和直流脈沖點焊。 1. 交流電：可以通過調(diào)幅使電流緩升、緩降，以達到預熱和緩冷的目的，這對于鋁合金焊接十分有利。交流電還可以用于多脈沖點焊，即用于兩個或多個脈沖之間留有冷卻時間，以控制加熱速度。這種方法主要應(yīng)用于厚鋼板的焊接。 2. 直流電：主要用于需要大電流的場合，由于直流焊機大都三相電源供電， 避免單相供電時三相負載不平衡。 其中，直流脈沖電阻點焊被廣泛應(yīng)用于有色金屬、尤其是一些易產(chǎn)生縮孔和裂紋的輕合金板材的焊接。在國內(nèi)，這類焊機主要用于航空及電子工業(yè)，但多為 50 年代的產(chǎn)品。 1.2.6 點焊設(shè)備分類及簡介 點焊設(shè)備由焊接電源、電極頭和壓力機構(gòu)組成，主要有以下幾種類型。 1.2.6.1 工頻交流點焊設(shè)備 使用最廣泛的常規(guī)電焊機是將三相或單相頻率為 50Hz 的交流電，輸入給單相降壓變壓器，經(jīng)變壓器輸出低電壓、大電流的正弦波，以滿足接觸焊點的需求 [9]。優(yōu)點是：結(jié)構(gòu)簡單，焊接時間、壓力和電流等焊接規(guī)范易調(diào)節(jié)；缺點時功率 因數(shù)較低，且熱影響較大。 1.2.6.2 電容儲能式點焊機 利用儲能電容器在較長時間內(nèi)儲積電能，而在一瞬間以極高速率釋放能量， 獲得較大的焊接電流。由于充電電流遠小于放電電流，因而焊接效率較高，適合于焊接導電性、導熱性良好的輕金屬。 1.2.6.3 品體管點焊機 具有微秒級反饋波形控制，脈沖波形可任意設(shè)定，有效防止焊接熱影響， 可獲得高質(zhì)量無飛濺的焊點，適用于精密精細件的高要求焊接，能出色完成薄板和極細線的焊接。 1.2.6.4 高頻逆變點焊機 將工頻三相交流電通過整流器變?yōu)橹绷麟?，再按一定?guī)則控制逆變器中功率開關(guān)器件的導通或斷開，使逆變器的輸出側(cè)獲得一定頻率(中頻或高頻)的輸出交流電壓，再通過焊接變壓器給電極提供焊接電流。這種焊接方式功率因數(shù)高、可精確控制，與交流點焊機相比，其焊接變壓器體積很小，是目前比較流行的一 種焊機。 1.2.6.5 激光點焊機 利用高能量的激光脈沖對材料進行微小區(qū)域內(nèi)的局部加熱，激光輻射的能量通過熱傳導向材料內(nèi)部擴散，將材料熔化后形成特定的熔池。激光點焊 1.3 選題背景、目的和意義 1.3.1 選題背景 焊接是電子、微電子工業(yè)的支撐點，沒有可靠的焊接，就沒有先進的電子系統(tǒng)，而各種先進的電子系統(tǒng)越來越受制于互連引入的各種約束。其中，點焊是現(xiàn)代制造業(yè)中最常用的焊接工藝之一，它已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用到了航空、電子產(chǎn)品的制造，模具的修復等各個方面。其中一個典型應(yīng)用的實例就是汽車車身部件的連接。有關(guān)資料表明，一個典型的汽車車身大約由 5000 多個焊點，而這些焊點的質(zhì)量直接影響著車身的質(zhì)量及汽車的整體性能。 隨著電子產(chǎn)品的小型化、微型化及高性能化，這種約束越來越明顯。在電子、微電子元器件的生產(chǎn)制作中，如何對元器件短引腳細導線進行焊接，且焊接牢靠、焊點細小，從而形成較小的阻抗，對建立先進可靠的電子系統(tǒng)影響極大。因此，成為最佳的連接，應(yīng)滿足焊點細小牢靠，電阻小，電感小，最大限度降低對高頻小信號的延遲、衰減條件，還需滿足耐高溫、耐低溫、抗震動、抗腐蝕的要求，且無需焊料、輔料和無環(huán)境污染。而點焊則是一種安全、經(jīng)濟、高效、可靠、無污染的環(huán)保型焊接方法，滿足了現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展需要，因此受到了廣泛的關(guān)注。 電阻焊是一種將金屬工件連接在一起的焊接方法。通過對被焊工件之間施加、控制和保持一定的壓力，從而使工件之間形成一個穩(wěn)定的接觸電阻，然后使焊接電源控制器輸出的控制電流流過被焊工件之間的接觸表而，產(chǎn)生熱量，溫度升高，局部熔化接觸點，并控制該過程的熱量大小與過程，從而達到將金屬工件焊接在一起的目的。 1.3.2 研究意義 隨著科技的發(fā)展，伴著電子產(chǎn)品的小型化，對焊接的技術(shù)要求也越來越高。例如，今年來電子工業(yè)發(fā)展迅速，對繼電器的需求大大增加，而對繼電器的要求卻越來越向自動化生產(chǎn)方向發(fā)展。繼電器的質(zhì)量好壞很大程度上取決于動靜簧片的接觸點點焊，接點脫焊和拉毛都會給產(chǎn)品造成報廢和損失。 此外，在制造等其他行業(yè)中，也有越來越多產(chǎn)品的點焊結(jié)合件中多數(shù)零件的尺寸較小，由于窄搭接接頭的搭接面積小，造成焊點距零件邊緣近，形狀較復雜，易產(chǎn)生較嚴重的熔化金屬飛濺友其它內(nèi)、外部缺陷[10]。零件厚度相對較厚或兩焊件厚度不等，加經(jīng)材料的焊接性較差，且有的還是單點接頭等諸多不利因素，使其點焊的工藝性較差，而點焊技術(shù)的利用很好的改變了這一現(xiàn)狀。但是現(xiàn)有的 P115 型、P320 型、P103 型等不同類型的點焊機，由于輸出功率小、穩(wěn)定性差等缺點，已經(jīng)不能適應(yīng)于生產(chǎn)的需要。因此設(shè)計制造新型的點焊機就顯得十分必要。 1.4 本論文主要研究內(nèi)容 由于脈沖點焊裝置的焊點細小牢靠，電阻小，且無需焊料和輔料，因此被廣泛的應(yīng)用到制造業(yè)中，制釘業(yè)就是其中之一。本文研究的主要內(nèi)容就是針對脈沖點焊裝置制具傳動部分的機械結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。 制具傳動部分主要由振動盤、導軌和焊胎等幾部分組成。傳動部分是通過電動機帶動齒輪減速，進而通過同步帶帶動焊胎來完成的。文章的主要設(shè)計部分就是對電機、減速齒輪以及同步帶進行選擇和設(shè)計計算，從而達到最優(yōu)的配置。除了對主要部分進行計算，還將用 Auto CAD 繪制傳動部分的示意圖、裝配圖以及零件圖。 第二章 脈沖點焊裝置機械結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計 2.1 概述 電阻點焊是通過點焊電極對被焊工件施加并保持一定的壓力，使工件穩(wěn)定接觸，然后使焊接電源輸出的電流通過被焊工件和它們的接觸表而，產(chǎn)生熱量， 升高溫度，熔化接觸點局部形成焊點，達到將金屬工件焊接在一起的目的。電阻點焊過程中，在良好的焊接循環(huán)條件下，無論焊接干什么材料，每一個焊點的形成過程必分為 3 個連續(xù)的階段：第一階段——預壓階段。緊密接觸工件的焊接處， 保證所需的接觸電阻。第一階段——通電加熱階段。電流通過擠壓在電極間的工件，產(chǎn)生熱量，加熱工件達到熔化狀態(tài)，形成熔核。熔核外部金屬因通過的電流較小，形成包圍熔核的塑形環(huán)，影響焊點強度。第三階段——冷卻結(jié)晶階段。焊點熔化形核后，在冷卻結(jié)晶過程中伴隨有相當大的收縮，在這個階段一定要延遲解除電極的壓力，使焊點在未完全冷卻前，在電極壓力作用下得到更加致密的結(jié)晶組織。 2.2 設(shè)計方案的確定 本文是設(shè)計用于焊接釘子的脈沖點焊裝置，主要針對脈沖點焊裝置的機械結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，因此要求設(shè)計的結(jié)構(gòu)既簡單又實用。 裝置主要由上料、軌道、焊接、切斷、輸送和卷曲幾部分組成，其工作流程如圖 11．所示。本文主要就脈沖點焊裝置的制具傳動部分進行設(shè)計。具體的方案如下：首先確定該機構(gòu)是由一個軌道作為傳送釘子的傳輸裝置，然后送到作為承載裝置的承釘輪上，再由承釘輪配合裝置進行焊接。其次，確定傳動部分是由電機帶動一對齒輪嚙合，由齒輪帶動同步帶傳動，進而帶動承載論轉(zhuǎn)動。 上料 軌道（振動） 承釘輪 焊接 拔釘 切斷 計數(shù)、切斷、定 位三個作用 輸送帶 浮動裝置 （速度調(diào)整） 機械手取走 卷曲 輸送帶 電磁吸力（斷電后） 圖 11．點焊機工作流程圖 電機 同步帶 大帶輪 輸出轉(zhuǎn)速 13r/min 2 軸 1 軸 0 軸 小帶輪 小齒輪 轉(zhuǎn)速 360r/min 第三章 制具傳動部分的設(shè)計計算與校核 輸 出 圖 12．制具傳動部分示意圖 3.1 電動機的選擇 已知：輸出轉(zhuǎn)速 n=13r/min 電動機轉(zhuǎn)速 nm=360 r/min 功率 P=1.5kw 因此，根據(jù) JB/T6447-1992 選擇 YCT 系列電磁調(diào)速三相異步電動機，電動機型號為 YCT132-4B。 查表得：額定功率 P=1.5kw 額定轉(zhuǎn)速 nm=360 r/min 轉(zhuǎn)矩 T=9.72Nm 根據(jù)《機械設(shè)計課程設(shè)計》表 2-3 確定各部分效率：滾動軸承傳動效率η1=0.99， 閉式齒輪傳動效率η1=0.97，聯(lián)軸器傳動效率η3=0.99，同步帶傳動效率η4=0.97，代入得 傳動裝置總效率： η=η1η2η3η4=0.990.970.990.97=0.922 根據(jù)圖 1 算得：  總傳動比i = nm n  = 360 = 27.69 13  （3-1） 1.3 i 齒輪傳動比i1 = i i 帶輪傳動比i2 = 1 = = 6 1.3 27.69 = 27.69 = 4.615 6 （3-2） （3-3） 0 軸：  P0 = 1.5kw n0 = 360r / min T0 = 9.72N m 1 軸：  P1 = P0 h1 h2 = 1.5 0.99 0.97 = 1.44kw  （3-4） 1 n = nm i1 = 360 = 60r / min 6  （3-5） 1 T = 9550P1 n1 = 9550 1.44 = 229.2N m 60  （3-6） 2 軸：  P2 = 1.44 0.99 0.97 = 1.38kw 2 n = n1 i2 = 60 4.615  = 13r / min 2 T = 9550P2 n2 = 9550 1.38 = 1013.77N m 13 軸名 功率(kw) 轉(zhuǎn)矩(Nm) 轉(zhuǎn)速 n(r/min) 傳動比 I 效率 η 輸入 輸出 輸入 輸出 0 1.5 9.72 360 1 0.99 1 1.5 1.44 9.72 229.2 60 6 0.9603 2 1.44 1.38 229.2 1013.77 13 4.615 0.951 表 3．運動和動力參數(shù)計算結(jié)果 3.2 齒輪的設(shè)計計算與校核 3.2.1 選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù) 按設(shè)計圖所示傳動方案，選用直齒圓柱齒輪傳動。 焊臺為一半工作機器，速度不高，故選用 7 級精度（GB10095-88）。 材料選擇。由《機械設(shè)計（第七版）》中表 10-1 選擇小齒輪材料為鎳合金，硬度為 280HBS，大齒輪材料為鎳合金，硬度為 240HBS，二者材料硬度差為 40HBS。選小齒輪齒數(shù) Z1=23，Z2=69 3.2.2 按齒面接觸強度設(shè)計 3 1 fd K u 1 ? Z u ? E ? ?2 ? s H ? 由設(shè)計計算公式（3-1）進行計算，即 d1t  2.32 （3-7） 3.2.2.1 確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值試選載荷系數(shù)  Kt=1.3 小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩  T1= 97200Nmm 由《機械設(shè)計（第七版）》表 10-7，選取齒寬系數(shù) f d = 1 .1 由《機械設(shè)計（第七版）》表 10-6 查得材料的彈性影響系數(shù) ZE。 1 2p ? ? ? 1 - m 2 ? E1 ? ? ZE = = 189.8MPa1 / 2 （3-8） 由《機械設(shè)計（第七版）》圖 10-21d 按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強度極限， 選擇 MQ 線與 ML 線之間的值。σHlim1=600MPa；大齒輪的接觸疲勞強度極限σ Hlim1=550MPa； 由式（3-9），即 N1=60n1jLh （3-9） 計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，設(shè)工作壽命為 15 年，每年工作 300 天，每天工作 8 小時， 則應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為： N1=60n1jLh=603601830015=51840000 N2=N1/u=5184000023/69=17280000 由《機械設(shè)計（第七版）》中的圖 10-19 查得接觸疲勞壽命系數(shù) KHN1=1.20；KHN2=1.18 計算接觸疲勞許用應(yīng)力 取失效概率為 1%，安全系數(shù) S=1，由式（3-10），即 [s ] = K N s lim S  （3-10） 得 [s H ]1 [s ] = KHN1s H lim1 S = KHN 2s H lim 2  = 1.18 600MPa = 708MPa = 1.20 550MPa = 660MPa H 2 S 3.2.2.2 計算 3 1 1 ? E ? K T u 1 ? Z ? 2 f d u ? s H ? 試計算小齒輪分度圓直徑 d1t，帶入[σH]中較小的值 d1t  2.32  （3-11） 3 ? 1.3 9.72 104 3 + 1 ? 189.8 ?2 1 3 ? 660 ? ? = 2.32 = 55.83mm 計算圓周速度 v v = p d1t n1 60 = p 55.83 360 mm / s = 1.05m / s 60 1000  （3-12） 計算齒寬 b b = fd d1t = 1 55.83mm = 55.83mm （3-13） 計算齒寬和齒高之比 b/h 模數(shù)： mt = d1t / Z1 = 55.83 / 23 = 2.43mm （3-14） 齒高： h=2.25mt=2.252.43=5.47mm b/h=55.83/5.47=10.21 計算載荷系數(shù) 根據(jù) v=1.05mm/s，7 級精度，由《機械設(shè)計（第七版）》中的圖 10-8 查得動載荷系數(shù)： KV=1.03 直齒輪，假設(shè) KAFt/b<100N/mm。由《機械設(shè)計（第七版）》中表 10-3 查得齒間載荷分配系數(shù)： KHa=KFa=1.2； 由《機械設(shè)計（第七版）》中表 10-2 查得使用系數(shù)： KA=1； 由《機械設(shè)計（第七版）》中表 10-4 查得 7 級精度、小齒輪相對支承非對稱布置時，接觸疲勞強度計算用齒向載荷分布系數(shù) KHb 的簡化公式為： K = 1.12 + 0.18(1 + 0.6f 2 )f 2 + 0.23 10 -3 b  (3-15) Hb d d 將數(shù)據(jù)帶入后得 KHb=1.12+0.18（1+0.612）12+0.2310-329.2=1.415 由 b/h=10.21，KHb=1.415 查《機械設(shè)計（第七版）》中圖 10-13 得 KFb=1.36； 故載荷系數(shù) K = KAKV KFa KFb = 11.031.21.415= 1.749 按實際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑，由式（3-16）即 K 3 K t d1 = d1t （3-16） 3 1.749 1.3 代入數(shù)據(jù)，得 3 K K t d1 = d1t = 55.83 = 61.63mm 計算模數(shù) m m=d1/Z1=55.83/23=2.43mm 3.2.3 按齒根彎曲強度設(shè)計 彎曲強度設(shè)計公式為（3-17） 3 2KT1 ? YFaYSa ? fd Z1 ? [s F ] ? ? 2 ? m （3-17） 3.2.3.1 確定公式內(nèi)的各級算數(shù)值 由《機械設(shè)計（第七版）》中圖 10-20c 查得小齒輪的彎曲疲勞強度極限 FE1=500MPa；大齒輪的彎曲疲勞強度極限 FE2=380 MPa； 由《機械設(shè)計（第七版）》中圖 10-18 查得彎曲疲勞壽命系數(shù) KFN1=0.85，KFN2=0.88； 計算彎曲疲勞許用應(yīng)力 取彎曲疲勞安全系數(shù) S=1.4，由式（3-18）即 [s ] = KN s lim S  （3-18） 代入數(shù)據(jù)，得 [s F ]1 = KFN1s FE1 S = 0.85 500 MPa = 303.57MPa 1.4 [s F ]2 計算載荷系數(shù) K = KFN 2s FE 2 S = 0.88 380 MPa = 238.86MPa 1.4 K = KAKV KFa KFb =11.031.21.36 =1.681 查取齒形系數(shù) 由《機械設(shè)計（第七版）》中表 10-5 查得 YFa1=2.69，Y Fa2=2.45 查取應(yīng)力校正系數(shù) 由《機械設(shè)計（第七版）》中表 10-5 查得 YSa1 = 1.575 ，YSa 2 = 1.65 計算大、小齒輪的YFaYSa [s F ]  ，并加以比較 YFa1YSa1 [s F ]1 YFa 2YSa 2 [s F ]2 = 2.69 1.575 = 0.01395 303.57 = 2.45 1.65 = 0.01624 238.86 大齒輪的數(shù)值大 3.2.3.2 設(shè)計計算 3 0.01624 2 1.681 9.72 104 1 232 m = 2.157mm 對比計算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強度計算的模數(shù) m 大于由齒根彎曲疲勞強度計算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù) m 的大小主要取決于彎曲強度所決定的承載能力， 而齒面接觸疲勞強度所決定的承載能力僅與齒輪直徑（即模數(shù)與齒數(shù)的乘機）有關(guān)，可取由彎曲強度算得的模數(shù) 2.157 并就近圓整為標準值 m=2.5mm，按接觸強度算得的分度圓直徑 d1=55.83mm，算出小齒輪齒數(shù) z = d1 1 m = 55.83 = 22.33 2.5 大齒輪齒數(shù) Z2=uZ1=322.33=66.99，取 Z2=67 這樣設(shè)計出的齒輪傳動，既滿足了齒面接觸疲勞強度，又滿足了齒根彎曲疲勞強度，并做到結(jié)構(gòu)緊湊，避免浪費。 3.2.3.2 幾何尺寸計算計算分度圓直徑 d1 = z1 m = 23 2.5 = 57.5mm d 2 = z2 m = 67 2.5 = 167.5mm 計算中心距 a = (d1 + d 2 ) / 2 = (57.5 + 167.5) / 2 = 112.5mm 計算齒輪寬度 b = fd d1 = 1 57.7 = 57.5mm 取 B2=58mm，B1=63mm 3.2.3.3 驗算 t F = 2T1 d1 = 2 9.72 104 57.5 N = 3380.9N Ka Ft b = 1 3380.9 N / mm = 58.80N / mm < 100N / mm 57.5 合適 3.2.4 齒圈的設(shè)計計算與校核 3.2.4.1 選定齒圈類型，精度等級以及材料齒數(shù) 按所設(shè)計的圖所示，齒圈節(jié)圓直徑為 150mm。由于速度不高，選用 7 級精度。 材料的選擇，由《機械設(shè)計（第七版）》中的表 10-1 查得，小齒輪為鎳合金， 硬度為 280HBS；齒圈為鎳合金，硬度為 240HBS，二者硬度差為 40HBS。 選取小齒輪 z 1 = 67 1 z3 = i2  z = 150 ， 故取 z3 = i2  z = 150 1 3.2.4.2 按齒面接觸強度設(shè)計由設(shè)計公式（3-1）進行試算 確定公式中的各計算數(shù)值試選載荷系數(shù) t K = 1.3 計算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩 T 1 = 97200N mm 由《機械設(shè)計（第七版）》中表 10-7，查出圓柱齒輪的齒寬系數(shù) d f = 1 由《機械設(shè)計（第七版）》中表 10-6 彈性影響系數(shù)表，可以查得材料的彈性影響系數(shù) 1 2p ? ? ? 1 - m 2 ? E1 ? ? Z = E = 189.8MPa 1 / 2 （3-19） 由《機械設(shè)計（第七版）》中圖 12-21d 按齒面硬度查得接觸疲勞強度極限，選擇 MQ 線與 ML 線之間的值。 o H lim 3 s H lim1 = 550MPa ， = 550MPa ； 計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，設(shè)工作壽命為十五年，每年工作 300 天，每天工作 8 小時， 則應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為： N1=60n1jLh=603601830015=51840000 N2=N1/u=5184000023/69=17280000 由《機械設(shè)計（第七版）》中的圖 10-19 查得接觸疲勞壽命系數(shù) K HN1 = 1.18 K HN 3 = 1.22 計算接觸疲勞許用應(yīng)力 取失效概率為 1%，安全系數(shù) S=1，得 K s ] [s H 1 [s H ]3 = HN1 H lim1 S = KHN 2s H lim 2 S = 1.18 600MPa = 708MPa = 1.22 550MPa = 671MPa 3.2.4.3 計算 d 試計算小齒輪分度圓直徑 1t  ，帶入[σH]中較小的值 d1t  2.32 （3-20） 3 T 1 2 ? ?E ? K T u + 1 ? Z ?2 f d u 2 ? H ? [s ] 3 ? 1.3 9.72 104 3 + 1 ? 189.8 ?2 1 3 ? 671 ? ? = 2.32 = 55.21mm 計算圓周速度 v＇ v p d n p 55.21 360 = 1t 1 = 60 1000 60 1000 =1.04m/s 計算齒寬 d d 1t b = f = 1 55.21 = 55.21mm 計算齒寬和齒高之比 b/h 取模數(shù)： t 取 m = 1 d m t = 1t = Z1 55.21 67 = 0.824 齒高： t h = 2.25m = 2.25mm b / h = 55.21/ 2.25 = 24.54 計算載荷系數(shù) 根據(jù) v＇=1.04m/s，7 級精度，由《機械設(shè)計（第七版）》中的圖 10-8 查得動載荷系數(shù)： V K = 1 直齒輪，假設(shè) KAFt/b<100N/mm，由《機械設(shè)計（第七版）》中表 10-3 查得齒間載荷分配系數(shù)： Ha K = 1.1 Fa K = 1.1 由《機械設(shè)計（第七版）》中表 10-2 查得使用系數(shù)： A K = 1； 由《機械設(shè)計（第七版）》中表 10-4 查得 7 級精度，小齒輪相對支承非對稱布置時，接觸疲勞強度計算用齒向載荷分布系數(shù) KHβ 的簡化公式（3-4）代入數(shù)據(jù) K Hb = 1.12 + 0.18 12 + 0.23 10-5 62.73 = 1.31 由 b/h=27.88，KHb=1.31 查《機械設(shè)計（第七版）》中圖 10-13 得 Fb K = 1.35 ； 故載荷系數(shù) K = K K K K = 111.11.31 = 1.441 A V Ha Hb 按實際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑，由式（3-5）代入數(shù)據(jù)得 1.441 3 1.3 1 d = 55.21 = 57.138mm 計算模數(shù) m m = d1 z1 = 57.138 = 0.85mm 1mm 67 3.2.5 按齒根彎曲強度設(shè)計 3.2.5.1 確定公式內(nèi)各計算數(shù)值 由《機械設(shè)計（第七版）》中圖 10-20c 查得小齒輪的彎曲疲勞強度極限 s FE1 = 500MPa ，s  FN 3 = 380MPa ； 由《機械設(shè)計（第七版）》中圖 10-18 查得彎曲疲勞壽命系數(shù) K FN1 = 0.96 K FN 3 = 0.98 計算彎曲疲勞許用應(yīng)力 取彎曲疲勞安全系數(shù)為 S=1.4，代入數(shù)據(jù)得 [s F K ] = FN1 = 1 S 0.96 500 1.4 = 342.86MPa [s F ]3 = FFN 3s FE 3 S = 0.98 380 = 266.00MPa 1.4 計算載荷系數(shù) K K = K K K K =11.1.11.35 =1.485 A V Fa Fb 查取齒形系數(shù) 由《機械設(shè)計（第七版）》中表 10-5 查得 查取應(yīng)力校正系數(shù)  Y Fa1 = 2.28 ， Y Fa 3 = 2.14 由《機械設(shè)計（第七版）》中表 10-5 查得 Y Sa1 = 1.73 ， Y Sa 3 = 1.83 計算大小齒輪的YFaYSa [s F ]  并加以比較 Y Y 2.28 1.83 Fa1 Sa1 = [s F ]1 342.86 = 0.012169 YFa3YSa3 [s F ]3 = 2.14 1.83 = 0.014723 266.00 大齒輪數(shù)值大設(shè)計計算 m 3 2 1.485 9.72 104 0.014723mm = 1.057mm 1 672 對比結(jié)果，由齒面接觸疲勞強度計算的模數(shù)大于由齒根彎曲疲勞強度計算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù) m 的大小主要取決于彎曲強度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑（即模數(shù)與齒數(shù)的乘積）有關(guān)，可取由彎曲強度算得的模數(shù) 1.057，并就近圓整為標準