CN104669604A - 一种编织纤维增强复合材料板材热压连接装置 - Google Patents

Abstract

一种编织纤维增强复合材料板材热压连接装置，包括铆钉供给系统，铆钉供给系统和铆钉自动安装系统配合连接，热风加热系统、板材打孔系统、铆钉自动安装系统、铆接系统、伺服转台系统安装在支架上，被连接板材通过连接在伺服转台系统上的气动夹紧装置安装在伺服转台系统上，随着伺服转台系统的转动，依次经过热风加热系统对被连接部分的加热，板材打孔系统对被连接部分的扎孔，铆钉自动安装系统进行铆钉的安装，铆接系统进行热压铆接形成连接接头了，本发明减少对编织纤维增强复合材料板材连接过程中对纤维的损伤，同时实现自动化生产，降低连接成本。

Description

一种编织纤维增强复合材料板材热压连接装置

技术领域

本发明涉及复合材料板材连接技术领域，特别涉及一种编织纤维增强复合材料板材热压连接装置。

背景技术

随着复合材料的应用越来越广泛，特别是编织纤维增强树脂基复合材料的应用越来越广泛，复合材料与复合材料之间的连接问题成为一个重要的技术问题，例如：飞行器复合材料结构有70％以上的破坏是发生在连接部位，可见连接技术对复合材料结构整体性能有重要影响。编织纤维增强树脂基复合材料根据树脂的特性不同分为编织纤维增强热塑性复合材料和编织纤维增强热固性复合材料。编织纤维增强热塑性复合材料由于其优异的抗冲击特性和韧性得到了广泛的应用。

对于复合材料的连接，传统的机械连接，由于要对复合材料零件进行打孔，对编织纤维的损伤较严重，大大降低了接头处的连接强度；采用胶接，由于粘接剂对工作环境的苛刻要求，使得其使用范围也大大减小，采用Z-Pining连接是一种对编织纤维损伤较小的连接方式。然而传统的Z-Pining连接主要用在复合材料层合板加工制造过程中，在其预浸料或泡沫夹层的厚度方向直接嵌入刚性的短棒，用来改善材料的层间韧性、冲击损失极限、冲击后压缩强度等性能，用于零件与零件之间的连接的实例还很少。

通常Z-Pining的材料是金属材料，这样连接后的接头就存在电化学腐蚀，降低了接头的连接强度，这就要求研究Z-Pining的新材料。此外由于传统的Z-Pining是一根根独立的短棒，不利于复合材料连接的工业化大批量应用，这就要设计新的Z-Pining的结构。

随着编织纤维增强热塑性树脂基复合材料应用的普及，也涉及到一些复合材料与金属材料的连接，这也对现在的连接方式提出了新的挑战。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种编织纤维增强复合材料板材热压连接装置，实现了对编织纤维较小损伤的多工位、流水式的连接，可用于工业化大批量应用。

为了达到上述的目的，本发明采取的技术方案为：

一种编织纤维增强复合材料板材热压连接装置，包括支架7，在支架7的中间安装有伺服转台系统6，支架7的周围依次安装有：热风加热系统1、板材打孔系统2、铆钉自动安装系统3、铆接系统5，热风加热系统1、板材打孔系统2、铆钉自动安装系统3、铆接系统5分别与伺服转台系统6的相应工位配合，铆钉供给系统4和铆钉自动安装系统3配合连接，热风加热系统1、板材打孔系统2、铆钉自动安装系统3、铆钉供给系统4、铆接系统5、伺服转台系统6分别与控制系统8连接，被连接板材9分别装夹在伺服转台系统6的工位上。

所述的热风加热系统1包括鼓风机1-1，鼓风机1-1出风口通过发热丝管1-2和热风喷嘴1-3连接，热风喷嘴1-3与被连接板材9的上端面的距离为10-20mm。

所述的板材打孔系统2包括第一气缸2-1，第一气缸2-1活塞杆与冲杆2-4连接，冲杆2-4与冲头2-5连接。

所述的铆钉自动安装系统3包括第一伺服电机3-1，第一伺服电机3-1输出轴与转臂3-3连接，转臂3-3的另一端与第二气缸3-5固定端连接，第二气缸3-5的活塞杆和气动三爪卡盘3-4连接。

所述的铆钉供给系统4包括铆钉筒4-1，铆钉筒4-1内部顺序放置着铆钉4-5，铆钉筒4-1最低端的铆钉4-5与伺服直线电机4-3接触，伺服直线电机4-3与控制系统8连接。

所述的铆接系统5包括第三气缸5-1，第三气缸5-1活塞杆与铆接系统连接杆5-4连接，铆接系统连接杆5-4与上压头5-7连接，第一加热棒5-5安装在上压头5-7的内孔中，第一温度传感器5-6安装在上压头5-7的测温孔中，第一加热棒5-5、第一温度传感器5-6与控制系统8连接，形成一个闭环温度控制系统。

所述的伺服转台系统6包括气动夹紧装置6-1，气动夹紧装置6-1连接在转盘6-6上，转盘6-6与转轴6-9上端连接，转轴6-9下端与第二伺服电机6-8输出轴连接，第二伺服电机6-8与控制系统8连接。

所述的被连接板材9包括上板9-1，上板9-1与下板9-2搭接，铆钉4-5被安装在已经完成打孔的上板9-1和下板9-2上。

所述的铆钉4-5由第一热塑性树脂基体4-5-2和连续纤维增强体4-5-1通过注射成型技术制备而成，铆钉4-5的端头部分的直径为5-10mm，厚度为1-1.5mm；铆钉的针状部分的直径0.6-1.2mm，长度为连接板厚度的2.3倍。

所述的上板9-1与下板9-2由第二热塑性树脂基体9-1-1和编织纤维增强体9-1-2利用层压成形技术制备而成。

所述的热风加热系统1的加热温度根据被连接板材9的树脂基体材料的熔点设置，比树脂基体材料熔点低10-20℃。

本发明的有益效果为：

(1)本发明的热压连接装置，可以将特殊结构的铆钉的针状部分插入到编织纤维的束与束之间的间隙处，在实现连接的过程中最大限度的减少对纤维的损伤。

(2)本发明设计的铆钉结构与传统铆钉相比，可以充分利用纤维增强复合材料可设计性的优点，最大限度的增加铆钉的连接强度。

(3)本发明的连接过程采用热压，铆钉的基体材料与板材的基体材料相同可以实现融合，增强了接头的连接强度，同时与传统的金属材料铆钉相比解决了不同材料之间的电化学腐蚀问题。

(4)本发明的热压连接装置，可以实现编织纤维增强复合材料板的自动化连接，降低了制造成本。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是本发明热风加热系统1的结构示意图。

图3是本发明板材打孔系统2的结构示意图。

图4是本发明铆钉自动安装系统3的结构示意图。

图5是本发明铆钉供给系统4的结构示意图。

图6是本发明铆接系统5的结构示意图。

图7-a，图7-b是本发明伺服转台系统6的结构示意图。

图8是铆钉连接接头的安装示意图，图8(a)是剖视图，图8(b)是俯视图。

图9是铆接后连接接头的示意图，图9(a)是剖视图，图9(b)是俯视图。

图10是本发明铆钉的内部纤维分布示意图。

图11是编织纤维增强热塑性树脂基复合材料板材的内部纤维分布示意图，图11(a)是正视图，图11(b)是图11(a)的A-A示意图。

图12是本发明板材打孔系统2中冲头安装结构示意图，图12(a)是正视图，图12(b)是图12(a)的B-B示意图。

图13是本发明铆接过程的结构示意图,图13(a)是正视图，图13(b)是图13(a)的A-A示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细描述。

参照图1，一种编织纤维增强复合材料板材热压连接装置，包括支架7，在支架7的中间安装有伺服转台系统6，支架7的周围依次安装有：热风加热系统1、板材打孔系统2、铆钉自动安装系统3、铆接系统5，热风加热系统1、板材打孔系统2、铆钉自动安装系统3、铆接系统5分别与伺服转台系统6的相应工位配合，铆钉供给系统4和铆钉自动安装系统3配合连接，为铆钉自动安装系统3提供铆钉；热风加热系统1、板材打孔系统2、铆钉自动安装系统3、铆钉供给系统4、铆接系统5、伺服转台系统6分别与控制系统8连接；被连接板材9安装在伺服转台系统6的工位上，依次经过热风加热系统1对被连接板材9加热，板材打孔系统2对被连接板材9扎孔，铆钉自动安装系统3进行铆钉的安装，铆接系统5进行热压铆接形成连接接头。

参照图2，所述的热风加热系统1包括鼓风机1-1，鼓风机1-1出风口通过发热丝管1-2和热风喷嘴1-3连接，热风喷嘴1-3与被连接板材9的上端面的距离为10-20mm，热风加热系统1的加热温度根据被连接板材9的树脂基体材料的熔点设置，比树脂基体材料熔点低10-20℃。

参照图3，所述的板材打孔系统2包括第一气缸2-1，第一气缸2-1与第一气缸连接板2-2通过螺钉连接，第一气缸连接板2-2与第一气缸支架连接板2-3通过螺钉连接，第一气缸支架连接板2-3通过螺钉连接在支架7上，冲杆2-4上端与第一气缸2-1的活塞杆通过螺纹进行连接，冲头2-5与冲杆2-4的下端连接。

参照图4，所述的铆钉自动安装系统3包括第一伺服电机3-1，第一伺服电机3-1输出轴与第一联轴器3-2输入端连接，第一联轴器3-2输出端与转臂3-3连接，转臂3-3另一端与第二气缸3-5固定端连接，第二气缸3-5的活塞杆和气动三爪卡盘3-4连接。

参照图5，所述的铆钉供给系统4包括铆钉筒4-1，铆钉筒4-1内部顺序放置着铆钉4-5，铆钉筒4-1最低端的铆钉4-5与伺服直线电机4-3接触，伺服直线电机4-3与控制系统8连接，铆钉筒4-1的下端面凹槽放在铆钉筒座4-2的凸台上，铆钉筒座4-2通过螺钉与铆钉供给系统支架4-4连接。

参照图6，所述的铆接系统5包括第三气缸5-1，第三气缸5-1与第三气缸连接板5-2通过螺钉连接，第三气缸连接板5-2与第三气缸支架连接板5-3通过螺钉连接，第三气缸支架连接板5-3通过螺钉连接在支架7上，第三气缸5-1活塞杆与铆接系统连接杆5-4上端通过螺纹连接，铆接系统连接杆5-4下端与上压头5-7通过螺纹连接，第一加热棒5-5安装在上压头5-7的内孔中，第一温度传感器5-6安装在上压头5-7的测温孔中，第一加热棒5-5、第一温度传感器5-6与控制系统8连接，形成一个闭环温度控制系统，

参照图7-a和图7-b，所述的伺服转台系统6包括气动夹紧装置6-1，气动夹紧装置6-1通过螺钉连接在转盘6-6上，转盘6-6与转轴6-9上端连接，转轴6-9下端与第二联轴器6-7连接，第二联轴器6-7与第二伺服电机6-8输出轴连接，第二伺服电机6-8与控制系统8连接，第二伺服电机6-8通过螺栓连接在支架7上，转轴6-9中部与第一轴承6-10，第二轴承6-11的内孔连接，第一轴承6-10、第二轴承6-11安装在支架7上，在第一轴承6-10、第二轴承6-11与支架7相连接的端部，安装有端盖，用来承受转盘6-6垂直方向的力；第二温度传感器6-3安装在下压头6-5的测温孔中，第二加热棒6-4安装在下压头6-5的中心加热孔中，各工位上的下压头6-5的温度控制系统通过线束6-12连接到温度控制器6-2上，温度控制器6-2通过螺钉连接在转盘6-6的上表面上，下压头6-5通过螺纹连接在转盘6-6上。

参照图8和图9，所述的被连接板材9包括上板9-1，上板9-1与下板9-2搭接，铆钉4-5被安装在已经完成打孔的上板9-1和下板9-2上。

参照图10，所述的铆钉4-5由第一热塑性树脂基体4-5-2和连续纤维增强体4-5-1通过注射成型技术制备而成，铆钉4-5的针状部分的连续纤维增强体4-5-1的取向为沿着针状的轴向，铆钉4-5的端头部分的连续纤维增强体4-5-1的取向为沿着径向，这样设计的铆钉4-5在热压连接后得到的接头的拉伸强度更高。

参照图11，所述的上板9-1与下板9-2由第二热塑性树脂基体9-1-1和编织纤维增强体9-1-2利用层压成形技术制备而成。

本发明的工作原理为：

参照图1，控制系统8控制伺服转台系统6间歇转动60°，实现被连接板材9在各个工位上停留一定时间，完成整个流水式的连接过程。

参照图2，当被连接板材9转到热风加热系统1的工位时，控制系统8控制热风加热系统1对被连接板材9的接头进行加热，加热温度可以通过控制系统8设定。

参照图3和图12，当被连接板材9转到板材打孔系统2的工位时，第一气缸2-1在控制系统8的控制下带动冲杆2-4、冲头2-5向下运动进行打孔，当冲头2-5接触到上板9-1时，冲头2-5在螺旋弹簧2-6的压力作用下拨开已经软化的复合材料板材，在编织纤维之间的间隙处扎出连接孔，并将挤出的树脂材料9-3存储在下压头6-5的型腔内，第一气缸2-1带动冲杆2-4、冲头2-5继续向下运动，当冲头2-5的钢针部分接触到下压头6-5型腔面时，冲头2-5停止向下运动，此时气缸带动冲杆2-4继续向下运动，螺旋弹簧2-6被压缩，由于第一气缸2-1的运动行程是设计好的，当螺旋弹簧2-6被压缩一半时，第一气缸2-1停止向下运动，在控制系统8的控制下开始向上回程，直到初始位置，板材的打孔过程结束。

参照图4，当被连接板材9从板材打孔系统2完成打孔过程时，伺服转台系统6在控制系统8的控制下开始转动，直到被连接板材9转到铆钉自动安装工位，铆钉自动安装系统3在第一伺服电机3-1的作用下先转动180°，然后在第二气缸3-5的作用下带动气动三爪卡盘3-4向下运动，同时气动三爪卡盘3-4松开，到达第二气缸3-5的下设定位置时，气动三爪卡盘3-4将已经准备好的铆钉夹紧，然后第二气缸3-5反向运动到上设定位置，接着第一伺服电机3-1再转动180°；等被连接板材9转动到铆钉自动安装工位时，在第二气缸3-5的作用下带动气动三爪卡盘3-4向下运动，直到下设定位置，此时刚好将铆钉插入到已经打好的孔中，气动三爪卡盘3-4松开铆钉后，第二气缸3-5反向运动到上设定位置，完成铆钉自动安装过程。

参照图5，当铆钉自动安装系统3的第一伺服电机3-1开始转动180°来取铆钉时，铆钉供给系统4中的伺服直线电机4-3在控制系统8的控制下驱动已经在铆钉筒4-1中排列好的铆钉4-5，伺服直线电机4-3在控制系统8的控制下，每次向上驱动一个铆钉4-5高度的距离，让铆钉4-5的一半高度露出铆钉筒4-1，便于气动三爪卡盘3-4夹紧铆钉的端头，当整筒铆钉都使用完后，取出铆钉筒4-1，再安装上已装满铆钉的铆钉筒4-1便可。

参照图6、图13，当被连接板材9转到铆接工位后，上压头5-7在第三气缸5-1的带动下，向下运动到下设定位置，将安装到被连接板材9上的铆钉向下压实，同时将打孔过程中存储在下压头6-5型腔中的树脂材料9-3与铆钉4-5的针状部端头压实形成连接下端头，在上压头5-7与下压头6-5的压实过程中，上压头5-7的温度一直由控制系统8控制保持设定的温度，下压头6-5的温度一直由温度控制器6-2控制保持设定的温度，这样在保持设定温度的上压头5-7和下压头6-5的压实过程中将两复合材料板材连接到一起。

Claims (9)

1.一种编织纤维增强复合材料板材热压连接装置，包括支架(7)，在支架(7)的中间安装有伺服转台系统(6)，支架(7)的周围依次安装有：热风加热系统(1)、板材打孔系统(2)、铆钉自动安装系统(3)、铆接系统(5)，热风加热系统(1)、板材打孔系统(2)、铆钉自动安装系统(3)、铆接系统(5)分别与伺服转台系统(6)的相应工位配合，铆钉供给系统(4)和铆钉自动安装系统(3)配合连接，热风加热系统(1)、板材打孔系统(2)、铆钉自动安装系统(3)、铆钉供给系统(4)、铆接系统(5)、伺服转台系统(6)分别与控制系统(8)连接；被连接板材(9)分别装夹在伺服转台系统(6)的工位上。

2.根据权利要求1所述的一种编织纤维增强复合材料板材热压连接装置，其特征在于：所述的热风加热系统(1)包括鼓风机(1-1)，鼓风机(1-1)出风口通过发热丝管(1-2)和热风喷嘴(1-3)连接，热风喷嘴(1-3)与被连接板材(9)的上端面的距离为10-20mm，加热温度根据被连接板材(9)的树脂基体材料的熔点设置，比树脂基体材料熔点低10-20℃。

3.根据权利要求1所述的一种编织纤维增强复合材料板材热压连接装置，其特征在于：所述的板材打孔系统(2)包括第一气缸(2-1)，第一气缸(2-1)活塞杆与冲杆(2-4)连接，冲杆(2-4)与冲头(2-5)连接。

4.根据权利要求1所述的一种编织纤维增强复合材料板材热压连接装置，其特征在于：所述的铆钉自动安装系统(3)包括第一伺服电机(3-1)，第一伺服电机(3-1)输出轴与转臂(3-3)连接，转臂(3-3)的另一端与第二气缸(3-5)固定端连接，第二气缸(3-5)的活塞杆和气动三爪卡盘(3-4)连接。

5.根据权利要求1所述的一种编织纤维增强复合材料板材热压连接装置，其特征在于：所述的铆钉供给系统(4)包括铆钉筒(4-1)，铆钉筒(4-1)内部顺序放置着铆钉(4-5)，铆钉筒(4-1)最低端的铆钉(4-5)与伺服直线电机(4-3)接触，伺服直线电机(4-3)与控制系统(8)连接。

6.根据权利要求1所述的一种编织纤维增强复合材料板材热压连接装置，其特征在于：所述的铆接系统(5)包括第三气缸(5-1)，第三气缸(5-1)活塞杆与铆接系统连接杆(5-4)连接，铆接系统连接杆(5-4)与上压头(5-7)连接，第一加热棒(5-5)安装在上压头(5-7)的内孔中，第一温度传感器(5-6)安装在上压头(5-7)的测温孔中，第一加热棒(5-5)、第一温度传感器(5-6)与控制系统(8)连接，形成一个闭环温度控制系统。

7.根据权利要求1所述的一种编织纤维增强复合材料板材热压连接装置，其特征在于：所述的伺服转台系统(6)包括气动夹紧装置(6-1)，气动夹紧装置(6-1)连接在转盘(6-6)上，转盘(6-6)与转轴(6-9)上端连接，转轴(6-9)下端与第二伺服电机(6-8)输出轴连接，第二伺服电机(6-8)与控制系统(8)连接。

8.根据权利要求1所述的一种编织纤维增强复合材料板材热压连接装置，其特征在于：所述的铆钉(4-5)由第一热塑性树脂基体(4-5-2)和连续纤维增强体(4-5-1)通过注射成型技术制备而成，铆钉(4-5)的端头部分的直径为5-10mm，厚度为1-1.5mm；铆钉(4-5)的针状部分的直径0.6-1.2mm，长度为连接板厚度的2.3倍。

9.根据权利要求1所述的一种编织纤维增强复合材料板材热压连接装置，其特征在于：所述的上板(9-1)与下板(9-2)由第二热塑性树脂基体(9-1-1)和编织纤维增强体(9-1-2)利用层压成形技术制备而成。