一种复合材料连接件辅助定位粘接工装及定位粘接工艺的制作方法

1.本发明属于复合材料技术领域，具体涉及一种复合材料连接件辅助定位粘接工装及定位粘接工艺。


背景技术：

2.针对大型复合材料结构主体通常尺寸较大，无法机加工与附体通常较小，可采用模具成型的连接，如图1所示。主体结构1粘接螺母等嵌件，附体结构2粘接套筒结构，然后通过连接螺栓形成如图2所示的连接结构。套筒及螺母的粘接通常采用“配钻”技术定位，即把附体放置于主体并固定，手工钻孔，同时钻穿主体和附体结构，确保主体和附体复合材料件上的通孔形位一致，适当扩钻后将套筒和螺母分别粘接在附体结构和主体结构上。该过程包含以下工序：
3.1)附体与主体重合；
4.2)钻孔定位，手工“配钻”方式打通附体与主体；
5.3)附体与主体钻孔分别适当扩钻；
6.4)附体结构粘接套筒，主体粘接螺母结构。
7.在不考虑尺寸公差和轮廓公差，仅考虑定位公差的情况下，采用极值法分析，达到装配要求需满足如下关系：
8.d-δd＞d δdꢀꢀꢀ
式1
9.其中d—附体套筒的特征圆通孔面尺寸形状数据；
10.δd—附体套筒特征圆的旋转轴定位公差累积公差；
11.d—主体螺母的特征圆螺纹孔面尺寸形状数据；
12.δd—主体螺母特征圆的旋转轴定位公差累积公差；
13.该工序过程存在定位公差分配如表1所示。
14.表1传统粘接工艺工序及定位公差分配
15.序号工序名称定位公差基准备注1手工配钻2mm设计值较高的测量技术和手工技术要求2扩钻0.5mm手工配钻孔较高的手工技术要求3粘接0.2mm扩钻后孔 16.三个工序之间存在公差累积。在满足附体互换性的要求下，附体套筒3和主体螺母4需采用设计值作为定位基准，δd＝δd＝2.7mm三个工序公差累积，则根据装配要求应满足：d＝d 5.4，即如果采用m6的主体螺母，则需要采用内孔直径以上的附体套筒，才能满足盖板互换性的装配要求，同时对定位测量和人工操作提出较高要求。传统的粘接定位工艺存在手工操作过多，手工定位难度较大的问题。同时最终的装配性与各工序公差相关性较大，容易产生公差累积。为满足装配要求，传统的粘接工艺对连接件的特征孔尺寸提出苛刻要求，导致连接件设计困难。对于标准的连接件，采用传统粘接工艺存在由于过大的定位公差导致装配困难。


技术实现要素：

17.本发明的目的是为了解决上述现有技术上存在的问题，提供一种连接件辅助定位粘接工装及定位粘接工艺。该辅助定位粘接工装及定位粘接工艺可以有效解决复材连接件粘接过程中各工序引起的定位公差积累，提高连接件粘接过程中的定位精度。有效解决大型复合材料结构装配过程中机械连接件粘接定位困难的问题。
18.本发明的目的之一是提供一种复合材料连接件辅助定位粘接工装，包括主体螺母，用于固定在主体结构上，其包括同轴设置的螺纹孔部和止挡定位部，所述止挡定位部设置在螺纹孔部的一端外围，所述螺纹孔部沿其中心轴线方向形成有内螺纹孔；附体套筒，用于固定在附体结构上，其整体呈回转体结构，所述附图套筒沿其中心轴线方向开设有中心轴孔，所述中心轴孔与所述内螺纹孔正对应设置，所述附体套筒的第一端与附体结构相接触，所述附体套筒的第二端形成有开口，所述第二端的直径大于第一端的直径；连接螺栓，包括螺栓头部、定位配合部和螺纹连接部，所述螺栓头部、定位配合部和螺纹连接部由一端向另一端依次连接，且同轴设置，所述定位配合部的横截面直径大于所述螺纹连接部的横截面直径；所述螺纹连接部的一端由附体套筒的第二端开口处穿入，并进所述中心轴孔穿出，与主体螺母的内螺纹孔配合连接。
19.作为优选方案，所述附体套筒的中心轴孔包括轴孔一和轴孔二，所述轴孔一和轴孔二的一端对接并连通，所述轴孔二的开口直径大于所述轴孔一的开口直径。
20.本发明的另一目的是提供一种复合材料连接件的定位粘结工艺，具体步骤如下：
21.步骤一、在附体结构上采用预埋定位成型方式安装附体套筒，附体结构采用复合材料成型工艺制备，附体结构制备过程中，将附体套筒在模具上精确定位后，铺覆纤维织物并成型；
22.步骤二、采用配钻方式，将步骤一的附体结构与主体结构按照装配要求对齐后，使用直径小于附体套筒的中心轴孔直径的钻头穿过所述中心轴孔在主体结构上钻取定位孔；
23.步骤三、定位孔打好后，将附体结构与主体结构分离开，对所述定位孔进行扩钻，采用直径大于主体螺母的螺纹孔部外径的钻头进行手工扩钻，扩孔后形成待粘接孔；
24.步骤四、将主体结构与附体结构重新定位对齐，在所述主体螺母的外表面涂抹一层胶黏剂，并从主体结构远离附体结构的一侧，将主体螺母放入步骤三所得的待粘结孔内，将连接螺栓的螺纹连接部从附体结构远离主体结构的一侧，穿过附体套筒的中心轴孔，与所述主体螺母螺纹连接，并适当固定拧紧，待所述胶黏剂固化后，即可形成定位粘结。
25.作为优选方案，所述主体结构复合材料连接位置厚度在2mm-40mm，所述附体结构复合材料连接位置厚度在2-40mm，复合材料连接位置总体厚度在4mm-80mm。
26.作为优选方案，所述定位配合部与所述中心轴孔之间形成有间隙，所述间隙范围在0.01-0.5mm。
27.作为优选方案，所述内螺纹孔的直径在2mm-40mm。
28.作为优选方案，所述步骤一，模具采用金属模具或玻璃钢模具，模具机加工尺寸公差≤0.2mm。
29.作为优选方案，所述步骤三，扩孔直径为所述主体螺母的螺纹孔部外径的1.1-1.5倍。
30.作为优选方案，所述胶黏剂采用环氧类、聚氨酯类、丙烯酸类胶黏剂的一种或多
种，所述胶黏剂的粘度大于10000mpa
·
s且小于80000mpa
·
s。
31.作为优选方案，所述连接螺栓与主体螺母的固定拧紧力小于等于10n
·
m，并可随连接件尺寸进行增减变化。
32.有益效果
33.其一、在附体结构上预埋附体套筒，并在附体套筒内开设有中心轴孔，以及连接螺栓的三段设置，其中位于中部的定位配合部加工有精度较高的圆柱面，可与附体套筒形成小间隙配合，保证一定的定位精度，同时便于手工装配，主体螺母通过胶黏剂与主体结构连接，将主体螺母与连接螺栓螺纹连接定位后，胶黏剂才发生凝固，本方案对大型复合材料尤其是无法采用传统机械加工定位的大型复合材料与其附属小型附体的装配具有明显的改善效果。通过采用辅助工装，可有效减小人工钻孔中的定位误差，提高人工操作的一致性，同时避免各工序间的公差积累。
34.其二、优化了复合材料连接件的定位粘结工艺，本方案采用特殊结构的连接螺栓、附体套筒和主体螺母，先通过模具实现附体套筒在附体结构的高精度预埋，并在连接件加工过程中严格控制连接螺栓的中部定位配合部的加工精度，并采用特殊的连接安装方式，将主体螺母涂抹胶黏剂后，及时与连接螺栓进行配合连接，此时胶黏剂还未凝固，可以根据连接螺栓的位置适应调整主体螺母位置，通过胶黏剂的凝固对主体螺母进行最终的固定，通过提高粘接的定位精度，降低了嵌件的设计难度，使连接效果更为可控。
35.其三，本方案增加了标准连接件的应用范围，针对大型复合材料结构的传统机械连接结构能够很好的应用，而不必特殊设计。
附图说明
36.为了更清楚地说明发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
37.图1是现有技术中主体结构与附体结构连接及通孔示意图一；
38.图2是现有技术中主体结构与附体结构连接及通孔示意图二；
39.图3是本方案中连接件装配示意图；
40.图4是预埋附体套筒关键特征示意图；
41.图5是主体螺母关键特征示意图；
42.图6是连接螺栓示意图；
43.图7为螺栓头部结构图；
44.图8是辅助定位工装装配示意图；
45.图9为本发明中的式1示意图；
46.图中标记：1、主体结构，11、定位通孔，2、附体结构，21、安装通孔，3、附体套筒，31、中心轴孔，4、主体螺母，41、螺纹孔部，42、止挡定位部，43、内螺纹孔，5、连接螺栓，51、螺栓头部，52、定位配合部，53、螺纹连接部。
具体实施方式
47.以下通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益的结合到其它实施方式中。
48.需要说明的是：除非另做定义，本文所使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中所使用的“一个”、“一”或者“该”等类似词语不表述数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同，但并不排除其他具有相同功能的元件或者物件。
49.如图3所示，本发明提供一种复合材料连接件辅助定位粘接工装，包括设置在主体结构1上的主体螺母4、设置在附体结构2上的附体套筒3以及连接主体结构1和附体结构2的连接螺栓5，主体结构1复合材料连接位置厚度在2mm-40mm，附体结构2复合材料连接位置厚度在2-40mm，复合材料连接位置总体厚度在4mm-80mm。其中复合材料包含复合材料层合板和夹芯复合材料结构，本发明对大型复合材料尤其是无法采用传统机械加工定位的大型复合材料与其附属小型附体的装配具有明显的改善效果。通过采用辅助工装，并采用特定的粘接工艺，可有效减小人工钻孔中的定位误差，提高人工操作的一致性，同时避免各工序间的公差积累。
50.如图3和5所示，其中主体螺母4固定在主体结构1上，其包括同轴设置的螺纹孔部41和止挡定位部42，止挡定位部42设置在螺纹孔部41的一端外围，螺纹孔部41沿其中心轴线方向形成有内螺纹孔43；主体螺母4的内径通常在2mm-40mm。附体套筒3固定在附体结构2上，其整体呈回转体结构，附图套筒3沿其中心轴线方向开设有中心轴孔31，中心轴孔31与内螺纹孔43正对应设置，附体套筒3的第一端与附体结构2相接触，附体套筒3的第二端形成有开口，第二端的外径大于第一端的外径，且第二端内径同样大于第一端的内径。
51.本实施例，附体套筒3的第一端向第二端的横截面直径逐渐增大，在附体套筒3的中段形成有锥体结构，锥体表面与附体结构2相接触，附体套筒3的中心轴孔31包括轴孔一和轴孔二，轴孔一和轴孔二的一端对接并连通，轴孔二的开口直径大于轴孔一的开口直径。
52.本实施例中，连接螺栓5包括螺栓头部51、中部的定位配合部52和尾部的螺纹连接部53三个部分，螺栓头部51、定位配合部52和螺纹连接部53由一端向另一端依次连接且同轴设置，定位配合部52的横截面直径大于螺纹连接部53的横截面直径；螺栓头部51的端面通常采用标准的平头六角螺栓头、内六角螺栓头或其他多边形螺栓头，其内切圆直径大于附体结构2的附体套筒3处的开孔外径，可以与通用螺栓拆装工具配合。中部的定位配合部52，其特点是采用加工精度较高的圆柱面，与附体套筒3的中心轴孔31形成小间隙配合，间隙通常在0.01-0.5mm之间，保证一定的定位精度，同时便于手工装配。螺纹连接部53的一端由附体套筒3的第二端开口处穿入，并经中心轴孔31穿出，与主体螺母4的内螺纹孔43配合连接。尾部螺纹连接部53与主体结构1的主体螺母4形成螺纹配合，其长度保证在结构连接过程中与主体螺母4连接。
53.本实施例还提供一种复合材料连接件的定位粘结工艺，具体步骤如下：
54.步骤一，附体结构2的附体套筒3采用预埋定位成型。附体结构2一般较小，可以采
insusion)制备，附体套筒3位置公差为0.2mm。
66.第二步，主体结构1的配钻。将上述复合材料盖板与复合材料船体按装配方式重合，采用带的钻头手持电钻，穿过盖板附体套筒3的中心轴孔31，对船体进行定位钻孔。
67.第三步，主体结构1扩孔。将复合材料盖板取下，采用带的钻头手持电钻，对上述定位孔扩钻，形成待粘接孔。
68.第四步，主体螺母4定位粘接。将复合材料盖板与船体重新对齐，将主体螺母4外表面涂抹粘度为10000mpa
·
s的环氧结构胶黏剂，从船体侧放入上述待粘结孔，并采用上述定位粘接工装从复合材料盖板侧穿过附体套筒3与主体螺母4连接，采用扭矩扳手拧紧，控制扭矩为4n
·
m左右。待胶黏剂完全固化后，旋出定位粘接工装完成定位粘接。
69.采用定位粘接工艺并辅以定位粘接工装，本实施例定位粘接工艺的工序及定位公差分配如表2所示。
70.表2定位粘接工艺工序及定位公差分配
71.序号工序定位公差基准备注1预埋套筒定位0.2图纸设计值模具成型定位精度较高2主体结构配钻1.5预埋套筒套筒通孔半径减去钻头半径3主体结构扩孔0.5定位钻孔手工操作精度较低4螺母定位粘接0.05预埋套筒辅助定位工装中部小间隙
72.该工艺过程形成的附体套筒3与主体螺母4关键特征孔的定位公差分别为δd＝0.2，δd＝0.2 0.05＝0.25工序间公差累积，满足式1的装配关系。
73.实施例二、复合材料船体结构与其附属复合材料舱门的连接件定位粘接。
74.主体结构1为复合材料船体结构，长度20m，宽度5m，高度3m，装配部位复材厚度10mm。附体结构2为复合材料夹芯复合材料舱门，长度2m，宽度0.8m，机械连接位置厚度20mm。
75.附体套筒3的中心轴孔31的内径20mm，采用主体螺母4的螺纹为m16。所设计的连接辅助定位粘接工装，具有如下特征：
76.连接螺栓5的头部采用与m30平头螺柱一致的内六方头，其对边距离大于套筒外径，可以与对应的普通内六方扳手配套。中部定位配合部52采用的圆柱，与附体套筒3内径形成小间隙配合，配合间隙0.5mm。尾部螺纹与翼边螺母一致，采用m16螺柱。
77.定位粘接工艺步骤如下：
78.第一步，附体结构2的附体套筒3采用预埋的定位成型。复合材料舱门结构采用带定位嵌件的金属模具的复合材料模压成型工艺制备，附体套筒3的位置公差为0.02mm。
79.第二步，主体结构1的配钻。将上述复合材料舱门与复合材料船体按装配方式重合，采用带的钻头手持电钻，穿过舱门附体套筒3的中心轴孔31，对船体进行定位钻孔。
80.第三步，主体结构1扩孔。将复合材料盖板取下，采用带扩孔器的手持电钻，对上述定位孔扩钻，形成待粘接孔。
81.第四步，主体螺母4定位粘接。将复合材料盖板与船体重新对齐，将主体螺母4外表面涂抹粘度为80000mpa
·
s的聚氨酯胶黏剂，从船体侧放入上述待粘结孔，并采用上述定位粘接工装从复合材料盖板侧穿过附体套筒3与主体螺母4连接，采用扭矩扳手拧紧，控制扭
矩为10n
·
m左右。等胶黏剂完全固化后，退出定位粘接工装完成定位粘接。
82.采用定位粘接工艺并辅以定位粘接工装，本实施例中定位粘接工艺的工序及定位公差分配如表3所示。
83.表3定位粘接工艺工序及定位公差分配
84.序号工序定位公差基准备注1预埋套筒定位0.02图纸设计值模具成型定位精度较高2主体结构配钻1.5预埋套筒套筒通孔半径减去钻头半径3主体结构扩孔5定位钻孔扩孔器操作精度较低4螺母定位粘接0.5预埋套筒辅助定位工装中部小间隙
85.该工艺过程形成的附体套筒3与主体螺母4关键特征孔的定位公差分别为δd＝0.02，δd＝0.02 0.5＝0.52工序间公差累积，满足式1的装配关系。
86.以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。