CN106273793A - 正交卡芯金属蜂窝板 - Google Patents

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Abstract

金属蜂窝板夹芯层为正六边蜂窝结构，重量轻负荷强。虽然正六边形蜂窝能用最少材料围出最大有效空间，但其截轴平面任意方向外力都可轻易改变其几何形状。对平面上任意点施加轴向外力，也容易使其扭曲变形。这虽对蜂窝板变形加工有利，但对达到轻量高强目标来说绝非善策。再者粘合剂会污染环境。本发明的正交卡芯金属蜂窝板，其蜂窝夹芯层采用正交插卡式结构，所围空间是正四棱柱矩阵，蜂芯虽多用1/4材料，但正交插卡式蜂窝夹芯层结构密实浑然一体，特别是沿板条纵横两个方向刚度甚好，外力作用下变形量小，使得本发明正交卡芯金属蜂窝板具有超强负荷能力。本发明蜂窝板采用相同金属材质的铆钉铆固或焊接成型，寿命远超粘合工艺且不污染环境。

Description

正交卡芯金属蜂窝板
【技术领域】
本发明涉及一种全金属材料制成的蜂窝夹芯结构板材，具体涉及一种夹芯层为非传统正六边形蜂窝结构，而是正交网格结构的金属蜂窝板。本发明属于轻量高强新材料领域，具体涉及铝合金蜂窝板、镁合金蜂窝板、钛合金蜂窝板等轻量高强合金及合金钢蜂窝板材等领域。
【背景技术】
重量轻强度高的轻量高强材料一直是装备制造业等诸多行业多年来持续不断追求的目标之一，蜂窝夹芯层组合式金属蜂窝板的结构正是各类板材特别是金属板材在制成原材料基本不变的前提下，实现高强度轻量化目标的优选结构之一。
传统金属蜂窝板夹芯层为正六边蜂窝结构，重量轻负荷强。众所周知，正六边形蜂窝能用最少材料围出最大有效空间，但在其截轴平面受任意方向外力都可轻易改变其几何形状。对该平面上任意点施加轴向外力，也容易使其扭曲变形。这虽对蜂窝板变形加工有利，但对达到轻量高强目标来说绝非善策；再者粘合剂(树脂)会污染环境。
传统的金属蜂窝板材，其两侧面板中间的蜂窝夹芯层都是仿蜂窝的正六边形结构，因为从仿生学原理和材料应用角度来说，要使用最少材料围成最大有效空间，非六边形蜂窝结构莫属。这种结构的蜂窝板，比重量轻，材料节省而整板强度可以得到大幅度提高。
以某型25mm铝合金蜂窝板为例，3003蜂窝芯材六角形边长5mm，围成六角形蜂芯的铝箔厚0.05mm，外层两侧的5052AH14面板厚1.0mm，采用胶合成型工艺。该板材与同等刚度的钢材相比，重量仅有其1/10！大约是同几何尺寸木材重量的1/5、玻璃的1/6！
此前金属合金蜂窝板材的制造普遍使用粘合剂黏合成型制造工艺，近年来也鲜见焊接制造工艺，目前焊接工艺并未普及。制造金属合金蜂窝板的粘合工艺简单有效行之多年，但由于粘合剂与蜂窝板金属材料不同，其寿命与金属材料难以长久匹配，当粘合剂性能逐渐下降功能逐渐失效，会导致蜂窝板材整体结构劣化，部分甚至整体结构渐趋散裂而终至散架。此外还有，粘合剂对环境有一定程度的污染，对废旧材料回收再利用也构成某些处理障碍。
另一方面，虽然六角形蜂巢结构最节省材料，但从其横截平面角度分析，任何方向的外力对都可轻易改变其结构边角关系而轻易使其变形，这一点足以说明蜂窝型结构的稳定性欠佳。这一缺点虽然对蜂窝板材各向同性的折弯变形有某些好处，但其弊大于利的结果是同时丧失了某些方向超强结构性能的获得，例如沿蜂窝板材的纵向和横向。
【发明内容】
本发明要解决的技术问题是：【1】设计一种在特定结构方向上具有更高强刚性的轻量高强金属合金蜂窝型板材；【2】组成该蜂窝板的各部件以及整体的结构特征，有利于安排机械化自动化大批量地生产和加工工艺；【3】不使用污染环境的粘合剂和粘合制造工艺，使该金属蜂窝板材具备与相应金属制造材料相近的超长使用寿命。
本发明设计之正交卡芯金属蜂窝板基本类似常规蜂窝板夹层结构，在两侧金属合金面板之间夹有正交插卡式蜂窝夹芯层，以非胶合制造工艺的特殊结构和/或工艺组合制造而成。
一种正交卡芯金属蜂窝板，其特征是：该蜂窝板由两侧面板和夹在其中的正交插卡式蜂窝夹芯层，经不使用粘结剂组合成型的铆固加工工艺或焊接加工工艺制造而成。
一种正交卡芯金属蜂窝板，其特征是：所述蜂窝夹芯层仍然是由金属板条或金属箔条构成，但其结构不是正六边形蜂窝结构，而是纵横交错的正交矩阵结构，如图2所示。
为实现上述要求，本发明设计之正交卡芯金属蜂窝板的主要构成部分是：
【1】正交插卡式蜂窝夹芯层：采用如图1所示插卡式蜂芯板条若干，将其纵横正交排列、插口正交相对，注意插卡式蜂芯板条上插口方向：纵横相对，纵向排列板条的插口方向与横向排列板条的插口相对插入。板条上所开插口深度为板条宽度1/2，插口宽度等于/略小于板条厚度；装配成型的正交插卡式蜂窝夹芯层如图2所示。
一种正交卡芯金属蜂窝板，其特征是：蜂窝夹芯层非六边形蜂窝结构，而是正交矩阵结构：是由正交排列且其上开有等间距、宽度等于和/或略小于板条厚度、深度等于板条1/2宽度的槽口的预制板条若干，按纵横正交对口深插到底装配构成。
【1.1】插卡式蜂芯板条为预制部件，根据总体指标确定结构和材料厚度，选定材料型号标号，再则按照其宽度、卡槽间距，以及长度等参数进行预加工。一般来说，制作蜂芯的板材很薄，因此有时称其为金属“箔”，但从最终蜂窝板材的综合指标分析，适当的厚度是必须的，特别在本发明正交卡芯金属蜂窝板的应用中，适当的厚度既有利于适应正交插卡式蜂窝夹芯层的批量化快速装配生产工艺，更对于在蜂窝板材纵向、横向上提供类似于工字梁支撑的整体效果，蜂窝板刚性将大幅度提升，而所增重量占比甚少，利大于弊。
【1.2】工程实践中难免随机出现各种不确定因素。为大批量高速机械化自动化生产，各部件精准对位入位至关重要。在插卡式蜂芯板条边缘处进行倒角设计，就是确保上述要求的关键方案之一。倒角处之一是插槽端口处两边，如图3的②所指，作用是便于正交蜂芯层的板条对插组装；倒角处之二是板条上下沿两侧的倒角，如图3的③所指，有利于组装好的正交插卡式蜂窝夹芯层顺利准确地与两侧面板V型槽就位组合成型。
一种正交卡芯金属蜂窝板，其特征是：所述构成正交插卡式蜂窝夹芯层的插卡式蜂芯板条，其边缘部分施以倒角，倒角部位一是插接开口槽入口处的两边，如图3的②所指；再者是板条两侧面的两边，如图3的③所指。
【2】双侧金属合金面板：面板选用合适型号的金属合金板材，宽度与厚度等几何尺寸按照设计具体要求。根据加工制造的要求，预先在面板内侧，即装配接触正交插卡式蜂窝夹芯层的一面，采用机加工或压铸/印制工艺，加工出图4中④所示的正交V型槽阵列。该槽阵列在批量化生产时，便于两侧面板与正交插卡式蜂窝夹芯层快速准确入位；金属蜂窝板成型后锁定正交卡芯层在二维平面的自由度，强化结构刚性。该正交V型槽的深度与倒角角度以便与装配、利于定位、强化结构、降低负面效应为原则确定。
一种正交卡芯金属蜂窝板，其特征是：所述面板内侧有安装定位正交插卡式蜂窝夹芯层的正交V型槽矩阵阵列。
【2.1】考虑到采用沉头铆钉将正交插卡式蜂窝夹芯层与两侧金属合金面板铆固成最终产成品：正交卡芯金属蜂窝板，因此在两侧面板的预制备程序中，预先制造沉头铆钉孔。沉头铆钉孔也可以在正交卡芯金属蜂窝板锚固的前一道工序完成，则无需预制铆钉孔。一种正交卡芯金属蜂窝板，其特征是：所述面板上有铆钉孔。
【2.2】由于V型槽深度对面板有效厚度的影响，或多或少降低面板原有强度。有鉴于此，仍可采用原始板材不加工V型槽就直接与正交插卡式蜂窝夹芯层进行组装。面板与蜂芯层的固定成一体化，一种方案是依靠双侧沉头铆钉锚固，再者是靠焊接构成一体，即在面板与蜂芯层接触面、线或点，将其焊接成为一体。这样的蜂窝板所用面板，无需V型槽。当然，组装成正交插卡式蜂窝夹芯层的插卡式蜂芯板条也无需图3中③所指的倒角。
一种正交卡芯金属蜂窝板，其特征是：所述面板内侧与外侧一样，无需有安装定位正交插卡式蜂窝夹芯层的正交V型槽阵列。
【3】采用铆固工艺，将规避传统的粘合工艺，不使用粘合剂，而采用同样金属材料或匹配金属材料的铆钉，将正交插卡式蜂窝夹芯层与两侧金属合金面板铆固在一起，或者采用焊接工艺，将正交插卡式蜂窝夹芯层与其两侧金属合金面板安装结合的界面、边线或触点焊接在一起，成为全金属合金材料的蜂窝板，实现金属材料般的长效寿命。
一种正交卡芯金属蜂窝板，其特征是：通过使用沉头铆钉将正交插卡式蜂窝夹芯层与其两侧金属合金面板锚固在一起。
一种正交卡芯金属蜂窝板，其特征是：通过将正交插卡式蜂窝夹芯层与其两侧金属合金面板组装结合的界面、边线或触点焊接在一起。
本发明的正交卡芯金属蜂窝板，其蜂窝夹芯层采用正交插卡式结构，所围空间是正四棱柱矩阵，蜂芯虽多用1/4材料，但正交插卡式蜂窝夹芯层结构密实浑然一体，特别是沿板条纵横两个方向刚度甚好，不施加强大外力难以变形，使得本发明正交卡芯金属蜂窝板具有超强负荷能力。本发明蜂窝板用金属铆钉铆固/焊接成型，寿命远超粘合工艺且不污染环境。
本发明优越之处在于：【1】正交卡芯金属蜂窝板在纵向和横向的刚性强度大幅提升，因而在整个平面承受负荷能力上，指标大幅提升。【2】摆脱了粘合剂与粘合制造工艺，使得金属蜂窝板整体寿命与所成材料同步，使用寿命极大延长，同时也规避了粘合剂材料的污染。【3】优化的结构设计保障了大批量工业化生产要求，既能确保产成品质量，又能有效降低产成品成本，有利于提升金属蜂窝板材使用占有率，对多快好省地环境友好地建设国家、提升国民经济实力具有一定的意义。
本发明的技术方案创新之处在于：【1】金属蜂窝板所用蜂芯的正交结构和批量制造工艺；【2】铆接与焊接工艺大幅延长产品寿命，规避粘合剂污染。【3】正交插卡式蜂窝夹芯层，在所围有效空间相等前提下，虽然所用材料比传统六边蜂窝型夹芯层多用1/4，但是首先，在蜂窝板构成的材料中，蜂芯夹层所用材料总重量占比不很大，故而对整体蜂窝板材的用料成本影响不大；再者关键是：传统六边蜂窝型夹芯层不能承受水平面任何方向的力，因此除了在垂直面承受局部压力外，对于提升蜂窝板整体刚性贡献有限。而正交插卡式蜂窝夹芯层虽多用1/4材料，但其不仅能自成相对稳定的固态体系，而且在纵、横向与上下面板构成密集工字梁结构，极大地提升同尺寸同材料蜂窝板的刚性，绝对是以小博大，利大于弊。
本发明的关键点和优越点在于：【1】正交结构改善纵横刚性、批量制造工艺；【2】铆接与焊接工艺去粘合剂粘接工艺大幅延长了产品寿命，规避了粘合剂的材料污染。
【附图说明】
图1是插卡式蜂芯板条示意图，该板条是构成正交插卡式蜂窝夹芯层的基本部件，为进行正交插卡式组装，该板条上开有等间距的插装槽口，如图1中①所示。槽口宽度等于板条厚度，为插接组装牢固，槽口宽度可略小于板条厚度，槽口宽度尺寸范围在板条厚度的0.95～1.0倍之间即可，其加工标注误差为+0/-n，n值待定，原则上小于槽宽5％。
图2是正交插卡式蜂窝夹芯层示意图。异于六边蜂窝型夹心层，本发明设计的正交插卡式蜂窝夹芯层浑然一体，自成稳定的固体状态，即使在未安装面板时，只要保证其正交结构，其自身也具有一定的刚性，特别是在沿着插卡式蜂芯板条的纵向和横向，其刚性远胜于六边蜂窝型夹心层，究其原因在于，六边形蜂窝结构在受到外力时，水平面处于自由状态，而当垂直受力时，非轴向受力边会轻易扭曲，导致整体轻易变形。因此，本发明正交卡芯金属蜂窝板，与同等厚度同等材料的传统蜂窝板相比，刚性大幅度提高。
图3是工程实用细化设计的带V型倒角的插卡式蜂芯板条示意图，图中②所示为槽口插口处两边的倒角，图中③所示为板条两面边沿两侧的倒角。考虑组装加工中，机械定位误差在所难免，对板条合适参数的倒角设计，可以大幅降低专用组装设备制造、调试和维修的成本，大幅提升正交插卡式蜂窝夹芯层部件批量生产的效能并降低成本。
图4是内侧面有正交V型槽的面板示意图，这些V型槽形成整齐的阵列，用于装配正交插卡式蜂窝夹芯层时的定位对位与就位，对最终产成品正交卡芯金属蜂窝板的性能保障十分重要。V型槽的设计参数宜精雕细刻，精准计算并经试验调整而后确定。
图5是正交卡芯金属蜂窝板示意图，结构简洁明了。
图6是铆固正交卡芯金属蜂窝板示意图，两侧面板表面留有整齐的沉头铆钉顶部的痕迹阵列。精准的锚固加工可使金属板面光洁如镜，几乎不留沉头铆钉孔位的痕迹。图中⑧所示为沉头式铆钉柱，该铆钉柱既可空心也可实心；图中⑨所示为沉头式铆钉帽。
【具体实施方式】
实施例1 25mm×600mm×2000mm正交卡芯镁合金蜂窝板
面板：采用AZ91D精轧镁合金板材，厚1.5mm，内测面开V型槽，槽矩阵行/列中心距5.0mm，V型槽深0.2mm，槽边倒角15°，沉头铆钉孔中心与V型槽矩阵某方格中心重合，孔间距50mm，孔外园直径5.0mm，内圆直径3.0mm，倒角45°；
插卡式蜂芯板条：采用镁合金AZ91D精轧板材，厚0.4mm，宽22.4mm，单侧间隔5.0mm开槽，槽宽0.4+0-0.02mm，槽深11.2mm，槽口顶端倒角0.2mm/15°，板条双面两边倒角0.2mm/15°；
沉头铆钉对：M3规格，帽径5mm：纵横间距50mm，总数量＝12×40＝480(对)
简单计算：本例单块正交卡芯镁合金蜂窝板，【1】两侧面板板宽600mm，长2000mm，
∴两侧面板总重量＝2×200×60×0.15×1.81＝6516g；【2】正交插卡式蜂窝夹芯层，纵向插卡式板条120条，横向400条，插入V型槽部分的重量已经计入面板总重中，其余重量＝2.2×0.04×1.81×(120×200+400×60)＝7645.44g；【3】沉头铆钉按照实心柱考虑，仅计算双层面板中间露出部分，重量＝480×2.2×pi×0.152×1.81＝135.1g
∴本例单块正交卡芯镁合金蜂窝板总重量＝6516+7645.4+135.1＝14296.5g≈14.3kg；
同体积的水重30kg，与之相比重量不足其一半。
实施例2 35mm x 1200mm x 3000mm宽幅正交卡芯镁合金蜂窝板
面板：采用AZ91D精轧镁合金板材，厚2.0mm，内测面开V型槽，槽矩阵行/列中心距5.0mm，V型槽深0.2mm，槽边倒角15°，沉头铆钉孔中心与V型槽矩阵某方格中心重合，孔间距50mm，孔外园直径5.0mm，内圆直径3.0mm，倒角45°；
插卡式蜂芯板条：采用镁合金AZ91D精轧板材，厚0.4mm，宽31.4mm，单侧间隔5.0mm开槽，槽宽0.4+0-0.02mm，槽深15.7mm，槽口顶端倒角0.2mm/15°，板条双面两边倒角0.2mm/15°；
沉头铆钉对：M3规格，帽径5mm：纵横间距50mm，总数量＝24×60＝1440(对)
简单计算：本例单块正交卡芯镁合金蜂窝板，【1】两侧面板板宽1200mm，长3000mm，
∴两侧面板总重量＝2×300×120×0.2×1.81＝26064g；【2】正交插卡式蜂窝夹芯层，纵向插卡式板条240条，横向600条，插入V型槽部分的重量已经计入面板总重中，其余重量＝3.1×0.04×1.81×(240×300+600×120)＝32319.36g；【3】沉头铆钉按照实心柱考虑，仅计算双层面板中间露出部分，重量＝1440×3.1×pi×0.152×1.81＝315.54g
∴本例单块镁合金蜂窝板总重量＝26064+32319.36+315.54＝58698.9g≈58.7kg；
同体积的水重126kg，与之相比重量不足其一半。

Claims (9)

1.一种正交卡芯金属蜂窝板，其特征是：该蜂窝板由两侧面板和夹在其中的正交插卡式蜂窝夹芯层，经不使用粘结剂组合成型的铆固加工工艺或焊接加工工艺制造而成。
2.根据权利要求1所述的一种正交卡芯金属蜂窝板，其特征是：所述蜂窝夹芯层仍然是由金属板条或金属箔条构成，但其结构不是正六边形蜂窝结构，而是纵横交错的正交矩阵结构，如图2所示。
3.根据权利要求1所述的一种正交卡芯金属蜂窝板，其特征是：蜂窝夹芯层非六边形蜂窝结构，而是正交矩阵结构：是由正交排列且其上开有等间距、宽度等于和/或略小于板条厚度、深度等于板条1/2宽度的槽口的预制板条若干，按纵横正交对口深插到底装配构成。
4.根据权利要求1所述的一种正交卡芯金属蜂窝板，其特征是：所述构成正交插卡式蜂窝夹芯层的插卡式蜂芯板条，其边缘部分施以倒角，倒角部位一是插接开口槽入口处的两边，如图3的②所指；再者是板条两侧面的两边，如图3的③所指。
5.根据权利要求1所述的一种正交卡芯金属蜂窝板，其特征是：所述面板内侧有安装定位正交插卡式蜂窝夹芯层的正交V型槽矩阵阵列。
6.根据权利要求1所述的一种正交卡芯金属蜂窝板，其特征是：所述面板上有铆钉孔。
7.根据权利要求1所述的一种正交卡芯金属蜂窝板，其特征是：所述面板内侧与外侧一样，无需有安装定位正交插卡式蜂窝夹芯层的正交V型槽阵列。
8.根据权利要求1所述的一种正交卡芯金属蜂窝板，其特征是：通过使用沉头铆钉将正交插卡式蜂窝夹芯层与其两侧金属合金面板锚固在一起。
9.根据权利要求1所述的一种正交卡芯金属蜂窝板，其特征是：通过将正交插卡式蜂窝夹芯层与其两侧金属合金面板组装结合的界面、边线或触点焊接在一起。
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