CN110027304A - 复合材料层合板Z-pin连续植入装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种复合材料层合板Z‑pin连续植入装置，包括基座、安装在基座上部的送PIN机构、安装在基座底部的滑槽内的制孔机构和竖向贯穿基座安装在基座的空腔内的自适应裁切机构，自适应裁切机构与基座固定连接；送PIN机构包括送PIN电机、主动轮、从动轮、连杆和顶块，自适应裁切机构包括裁切上段、裁切中段、裁切下段和裁切机构，本发明还公开了一种复合材料层合板Z‑pin连续植入方法。本发明通过设计全新的机械结构和植入工艺，解决了现有植入技术的不足，实现复合材料层合板Z‑pin的连续、低损伤、精密植入，同时具备工艺参数可调、一次性裁剪等优势，大大简化工艺过程，降低工艺成本，提高层间强化质量。
Description
技术领域
本发明属于复合材料三维强化技术领域，具体涉及一种复合材料层合板Z-pin连续植入装置及方法。
背景技术
复合材料在航空航天上的应用比例不断攀升，由最初的非承力部件逐渐过渡到主承力部件，而复合材料风扇叶片是目前先进大型客机公司争相的应用关键部件。但复合材料层间强度差、冲击易分层的先天性缺陷难以满足风扇叶片鸟撞实验的试航要求，为此亟待提高复合材料风扇叶片抗冲击分层能力。国内外学者研究发现通过Z-pin层间强化工艺(即在未固化复合材料层合板厚度方向植入不完全固化的碳纤维棒，然后与层合板共固化)可以大大提高层间强度，抑制冲击分层。据报道英国罗罗公司现役的复合材料风扇叶片已经成功使用该强化工艺。传统Z-pin植入工艺过程如下：首先制备Z-pin预制体(即将定长Z-pin植入泡沫中，泡沫上层密度低，底部密度高)，然后将预制体贴合在待植Z-pin的层合板上，通过超声枪的高频振动敲击预制体，上部低密度的泡沫被击碎，Z-pin不断植入层合板，底部高密度泡沫起到支撑作用，避免植入过程Z-pin发生屈曲，植入一定深度后用裁剪装置除去裸露的Z-pin和高密度泡沫。
通过实际应用发现，现有技术具有以下不足，
1)过程过于繁琐，前期需要制备预制体，后期需要二次修剪；
2)工艺装备复杂，整个工艺过程需要预制体制备装置、超声枪系统、裁剪系统等
3)植入密度、Z-pin直径等关键工艺参数都取决于预制体，缺乏工艺柔性。
4)预制体与层合板的贴合精度难以控制，影响植入精度。
5)植入过程中会出现Z-pin底部劈裂，钝化、植入偏心等缺陷
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种结构紧凑，设计合理，能够提高层间强化质量，实现复合材料层合板Z-pin的连续、低损伤、精密植入，实用性强、使用效果好、便于推广使用的复合材料层合板Z-pin连续植入装置。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种复合材料层合板Z-pin连续植入装置，包括基座、安装在基座上部的送PIN机构、安装在基座底部的滑槽内的制孔机构和竖向贯穿基座安装在基座的空腔内的自适应裁切机构，所述自适应裁切机构与基座固定连接；
所述送PIN机构包括送PIN电机、与送PIN电机的输出轴连接的主动轮、与主动轮相对间隔设置的从动轮、与从动轮连接的连杆和与连杆连接的顶块，所述基座上部设置有用于容纳送PIN电机、连杆和顶块的安装孔，所述安装孔内设置有顶在顶块上的调节弹簧，所述安装孔的端部设置有内螺纹且螺纹连接有顶在调节弹簧上的调节螺钉；
所述制孔机构包括嵌入安装到基座底部的滑槽内的制孔针和用于将制孔针固定在基座底部的滑槽内的紧固螺母；
所述自适应裁切机构包括裁切上段、裁切中段、裁切下段、第一弹簧、第二弹簧、第一紧固螺钉、第二紧固螺钉、内六角限位轴和裁切机构，所述裁切机构包括裁切电机、偏心轮和裁刀，所述内六角限位轴贯穿裁切上段后下方通过螺纹与裁切中段固定连接，所述内六角限位轴上部的内六角螺母与裁切上段的台阶孔间隙配合，所述第一弹簧和第二弹簧位于裁切上段的滑块与裁切中段的滑槽的中间位置，所述第一弹簧和第二弹簧用于限制裁切中段与裁切上段的相对位置；所述裁切下段通过第一紧固螺钉和第二紧固螺钉固定在裁切中段底部；所述裁切机构安装在裁切中段的底部，所述偏心轮安装在裁切电机的输出轴上，所述裁刀一端位于偏心轮的偏心槽内，所述裁刀的刀片与裁切下段的导槽间隙配合。
上述的复合材料层合板Z-pin连续植入装置，所述制孔针上部为与基座底部的滑槽相配合的柱形滑块、中部为用于连接紧固螺母实现固定的螺纹柱、下部为开孔段、底部为针尖；所述制孔针采用硬质合金材料制成。
上述的复合材料层合板Z-pin连续植入装置，所述裁刀的刃面为45°刃。
上述的复合材料层合板Z-pin连续植入装置，所述基座外轮廓的形状为圆柱形。
上述的复合材料层合板Z-pin连续植入装置，所述自适应裁切机构通过第三紧固螺钉与基座固定连接。
本发明还公开了一种能够实现复合材料层合板Z-pin的连续、低损伤、精密植入，同时具备工艺参数可调、一次性裁剪等优势，大大简化工艺过程，降低工艺成本，提高层间强化质量，实用性强，使用效果好，便于推广使用的复合材料层合板Z-pin连续植入的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、将所述复合材料层合板Z-pin连续植入装置安装在数控机床主轴上；
步骤二、调节制孔针距离自适应裁切机构底部Z-pin输送孔的长度，并将该长度定义为植入间距L；
步骤三、旋转调节螺钉，调节好植入系统的摩擦植入力；
步骤四、通过内六角限位轴调节第一弹簧、第二弹簧的压缩量，使裁切上段的滑块部分位于裁切中段的滑槽内；内六角限位轴受拉，裁切中段有向下运动的趋势，但裁切上段的台阶孔限制了裁切中段的向下运动；
步骤五、当所述复合材料层合板Z-pin连续植入装置向下运动时，第一弹簧、第二弹簧进一步压缩变短，裁切机构上移，制孔针下移使自适应裁切机构的底面紧贴层合板表面；
步骤六、所述复合材料层合板Z-pin连续植入装置上移，制孔针拔出，形成预制孔；
步骤七、平移距离L后，重复步骤五和步骤六，制孔针植入下一个位置，此时，自适应裁切机构底部的Z-pin输送孔恰好与上一次形成的预制孔同轴，送PIN电机启动，将连续的Z-pin植入预制孔，通过送PIN电机转动位移控制Z-pin植入预制孔的长度；当达到设计植入长度时，送PIN电机停止，裁切电机工作，带动裁刀在导槽内做往复运动：当裁切电机前半周转动时，裁刀在导槽内朝Z-pin的方向移动，通过弧形刃口完成Z-pin的裁切；裁切电机后半周转动时，裁刀反向移动，返回初始位置，裁切电机停止工作；此时定长的Z-pin已经精确地植入符合材料层合板中。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明的制孔针可拆卸、可调节位置控制Z-pin植入密度；送PIN机构可通过调节螺钉、调节弹簧以及顶块控制摩擦植入力。
2、本发明的自适应裁切机构受压收缩实现紧贴层合板表面裁切；裁切机构采用偏心轮带动裁刀做往复运动完成Z-pin裁切。
3、本发明的通过更换内六角限位轴改变Z-pin输送孔直径，进而满足Z-pin植入直径可调。
4、本发明通过设计全新的机械结构和植入方法，解决了现有植入技术的不足，实现复合材料层合板Z-pin的连续、低损伤、精密植入，同时具备工艺参数可调、一次性裁剪等优势，大大简化了工艺过程，降低了工艺成本，提高了层间强化质量。
5、本发明的实用性强，使用效果好，便于推广使用。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明复合材料层合板Z-pin连续植入装置的整体装配图。
图2为本发明复合材料层合板Z-pin连续植入装置的爆炸图。
图3为本发明自适应裁切机构的整体装配图。
图4位为本发明自适应裁切机构的爆炸图。
图5为本发明自适应裁切机构在基座内的安装剖视图。
图6为本发明制孔机构在基座上的安装剖视图。
具体实施方式
如图1～图6所示，本发明的复合材料层合板Z-pin连续植入装置，包括基座3、安装在基座3上部的送PIN机构4、安装在基座3底部的滑槽内的制孔机构2和竖向贯穿基座3安装在基座3的空腔内的自适应裁切机构1，所述自适应裁切机构1与基座3固定连接；
所述送PIN机构4包括送PIN电机41、与送PIN电机41的输出轴连接的主动轮42、与主动轮42相对间隔设置的从动轮43、与从动轮43连接的连杆44和与连杆44连接的顶块45，所述基座3上部设置有用于容纳送PIN电机41、连杆44和顶块45的安装孔，所述安装孔内设置有顶在顶块45上的调节弹簧46，所述安装孔的端部设置有内螺纹且螺纹连接有顶在调节弹簧46上的调节螺钉47；
具体实施时，所述送PIN机构4中通过调节螺钉47进行控制压力来提供足够摩擦植入力。
具体实施时，所述主动轮42与从动轮43之间用于放置待植入的Z-pin。如图1所示，标号6表示待植入的Z-pin。
所述制孔机构2包括嵌入安装到基座3底部的滑槽内的制孔针22和用于将制孔针22固定在基座3底部的滑槽内的紧固螺母21；
所述自适应裁切机构1包括裁切上段17、裁切中段15、裁切下段11、第一弹簧16、第二弹簧19、第一紧固螺钉13、第二紧固螺钉14、内六角限位轴18和裁切机构12，所述裁切机构12包括裁切电机123、偏心轮122和裁刀121，所述内六角限位轴18贯穿裁切上段17后下方通过螺纹与裁切中段15固定连接，所述内六角限位轴18上部的内六角螺母与裁切上段17的台阶孔172间隙配合，所述第一弹簧16和第二弹簧19位于裁切上段17的滑块171与裁切中段15的滑槽152的中间位置，所述第一弹簧16和第二弹簧19用于限制裁切中段15与裁切上段17的相对位置；所述裁切下段11通过第一紧固螺钉13和第二紧固螺钉14固定在裁切中段15底部；所述裁切机构12安装在裁切中段15的底部，所述偏心轮122安装在裁切电机123的输出轴上，所述裁刀121一端位于偏心轮122的偏心槽内，所述裁刀121的刀片与裁切下段11的导槽111间隙配合。
具体实施时，所述自适应裁切机构1的第一弹簧16、第二弹簧19初始状态为部分压缩状态，内六角限位轴18受拉，裁切中段15有向下运动的趋势，但裁切上段17的台阶孔172限制了裁切中段15的向下运动；在接触层合板后第一弹簧16、第二弹簧19受压进一步收缩，裁切机构12向上运动，内六角限位轴18上移，从而实现无论制孔针22植入深度如何变化裁切机构12均能紧贴层合板表面完成Z-pin的裁切，即所谓的自适应裁切。
具体实施时，所述内六角限位轴18可更换，通过改变中心孔径实现Z-pin植入直径可调。
具体实施时，所述的裁切机构12通过裁切电机123带动偏心轮122转动，进一步带动裁刀121在导槽111内做往复直线运动。
本实施例中，所述制孔针22上部为与基座3底部的滑槽相配合的柱形滑块、中部为用于连接紧固螺母21实现固定的螺纹柱、下部为开孔段、底部为针尖；所述制孔针22采用硬质合金材料制成。
制孔针22采用硬质合金材料制成，能够避免开孔过程中发生屈曲。具体实施时，通过调节制孔针22的位置，实现Z-pin植入密度的控制。
本实施例中，所述裁刀121的刃面为45°刃。将裁刀121的刃面设计为45°刃，能够紧贴导槽111底部裁切，并在裁切位置加工出圆弧来适应圆型Z-pin的裁切。
本实施例中，所述基座3外轮廓的形状为圆柱形。
具体实施时，还将基座3顶部设计为规则的外形，可以通过专用夹具与数控机床主轴、机械臂末端等自动化设备实现一体化，实现Z-pin的自动化植入。整个复合材料层合板Z-pin连续植入装置的结构紧凑，工作空间较小，可以实现Z-pin高密度的植入。
本实施例中，所述自适应裁切机构1通过第三紧固螺钉5与基座3固定连接。
本发明的复合材料层合板Z-pin连续植入方法，包括以下步骤：
步骤一、将所述复合材料层合板Z-pin连续植入装置安装在数控机床主轴上；
步骤二、调节制孔针22距离自适应裁切机构1底部Z-pin输送孔112的长度，并将该长度定义为植入间距L；
步骤三、旋转调节螺钉47，调节好植入系统4的摩擦植入力；
步骤四、通过内六角限位轴18调节第一弹簧16、第二弹簧19的压缩量，使裁切上段17的滑块171部分位于裁切中段15的滑槽152内；具体配合关系如图5所示；内六角限位轴18受拉，裁切中段15有向下运动的趋势，但裁切上段17的台阶孔172限制了裁切中段15的向下运动；自适应裁切机构1的初始状态如图3和图4所示；
步骤五、当所述复合材料层合板Z-pin连续植入装置向下运动时，第一弹簧16、第二弹簧19进一步压缩变短，裁切机构12上移，制孔针22下移使自适应裁切机构1的底面紧贴层合板表面；
具体实施时，制孔针22的长度可以根据层合板厚度的变化进行更换；
步骤六、所述复合材料层合板Z-pin连续植入装置上移，制孔针22拔出，形成预制孔；
步骤七、平移距离L后，重复步骤五和步骤六，制孔针22植入下一个位置，此时，自适应裁切机构1底部的Z-pin输送孔112恰好与上一次形成的预制孔同轴，送PIN电机42启动，将连续的Z-pin植入预制孔，通过送PIN电机42转动位移控制Z-pin植入预制孔的长度；当达到设计植入长度时，送PIN电机42停止，裁切电机123工作，带动裁刀122在导槽111内做往复运动：当裁切电机123前半周转动时，裁刀122在导槽111内朝Z-pin的方向移动，通过弧形刃口完成Z-pin的裁切；裁切电机123后半周转动时，裁刀122反向移动，返回初始位置，裁切电机123停止工作；此时定长的Z-pin已经精确地植入符合材料层合板中。
具体实施时，可以通过更换不同中心孔径的内六角限位轴18实现Z-pin的变径植入。重复步骤一到步骤七的过程，能够实现不同植入深度、植入密度、Z-pin直径以及阵列形式的Z-pin连续植入；当植入最后一根Z-pin时，可以将制孔针22卸下，单独进行植入；在不考虑预制孔对层合板面内性能影响的情况下可以加工出一个多余的预制孔。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (6)
1.一种复合材料层合板Z-pin连续植入装置，其特征在于：包括基座(3)、安装在基座(3)上部的送PIN机构(4)、安装在基座(3)底部的滑槽内的制孔机构(2)和竖向贯穿基座(3)安装在基座(3)的空腔内的自适应裁切机构(1)，所述自适应裁切机构(1)与基座(3)固定连接；
所述送PIN机构(4)包括送PIN电机(41)、与送PIN电机(41)的输出轴连接的主动轮(42)、与主动轮(42)相对间隔设置的从动轮(43)、与从动轮(43)连接的连杆(44)和与连杆(44)连接的顶块(45)，所述基座(3)上部设置有用于容纳送PIN电机(41)、连杆(44)和顶块(45)的安装孔，所述安装孔内设置有顶在顶块(45)上的调节弹簧(46)，所述安装孔的端部设置有内螺纹且螺纹连接有顶在调节弹簧(46)上的调节螺钉(47)；
所述制孔机构(2)包括嵌入安装到基座(3)底部的滑槽内的制孔针(22)和用于将制孔针(22)固定在基座(3)底部的滑槽内的紧固螺母(21)；
所述自适应裁切机构(1)包括裁切上段(17)、裁切中段(15)、裁切下段(11)、第一弹簧(16)、第二弹簧(19)、第一紧固螺钉(13)、第二紧固螺钉(14)、内六角限位轴(18)和裁切机构(12)，所述裁切机构(12)包括裁切电机(123)、偏心轮(122)和裁刀(121)，所述内六角限位轴(18)贯穿裁切上段(17)后下方通过螺纹与裁切中段(15)固定连接，所述内六角限位轴(18)上部的内六角螺母与裁切上段(17)的台阶孔(172)间隙配合，所述第一弹簧(16)和第二弹簧(19)位于裁切上段(17)的滑块(171)与裁切中段(15)的滑槽(152)的中间位置，所述第一弹簧(16)和第二弹簧(19)用于限制裁切中段(15)与裁切上段(17)的相对位置；所述裁切下段(11)通过第一紧固螺钉(13)和第二紧固螺钉(14)固定在裁切中段(15)底部；所述裁切机构(12)安装在裁切中段(15)的底部，所述偏心轮(122)安装在裁切电机(123)的输出轴上，所述裁刀(121)一端位于偏心轮(122)的偏心槽内，所述裁刀(121)的刀片与裁切下段(11)的导槽(111)间隙配合。
2.按照权利要求1所述的复合材料层合板Z-pin连续植入装置，其特征在于：所述制孔针(22)上部为与基座(3)底部的滑槽相配合的柱形滑块、中部为用于连接紧固螺母(21)实现固定的螺纹柱、下部为开孔段、底部为针尖；所述制孔针(22)采用硬质合金材料制成。
3.按照权利要求1所述的复合材料层合板Z-pin连续植入装置，其特征在于：所述裁刀(121)的刃面为45°刃。
4.按照权利要求1所述的复合材料层合板Z-pin连续植入装置，其特征在于：所述基座(3)外轮廓的形状为圆柱形。
5.按照权利要求1所述的复合材料层合板Z-pin连续植入装置，其特征在于：所述自适应裁切机构(1)通过第三紧固螺钉(5)与基座(3)固定连接。
6.一种采用如权利要求1所述装置进行复合材料层合板Z-pin连续植入的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、将所述复合材料层合板Z-pin连续植入装置安装在数控机床主轴上；
步骤二、调节制孔针(22)距离自适应裁切机构(1)底部Z-pin输送孔(112)的长度，并将该长度定义为植入间距L；
步骤三、旋转调节螺钉(47)，调节好植入系统(4)的摩擦植入力；
步骤四、通过内六角限位轴(18)调节第一弹簧(16)、第二弹簧(19)的压缩量，使裁切上段(17)的滑块(171)部分位于裁切中段(15)的滑槽(152)内；内六角限位轴(18)受拉，裁切中段(15)有向下运动的趋势，但裁切上段(17)的台阶孔(172)限制了裁切中段(15)的向下运动；
步骤五、当所述复合材料层合板Z-pin连续植入装置向下运动时，第一弹簧(16)、第二弹簧(19)进一步压缩变短，裁切机构(12)上移，制孔针(22)下移使自适应裁切机构(1)的底面紧贴层合板表面；
步骤六、所述复合材料层合板Z-pin连续植入装置上移，制孔针(22)拔出，形成预制孔；
步骤七、平移距离L后，重复步骤五和步骤六，制孔针(22)植入下一个位置，此时，自适应裁切机构(1)底部的Z-pin输送孔(112)恰好与上一次形成的预制孔同轴，送PIN电机(42)启动，将连续的Z-pin植入预制孔，通过送PIN电机(42)转动位移控制Z-pin植入预制孔的长度；当达到设计植入长度时，送PIN电机(42)停止，裁切电机(123)工作，带动裁刀(122)在导槽(111)内做往复运动：当裁切电机(123)前半周转动时，裁刀(122)在导槽(111)内朝Z-pin的方向移动，通过弧形刃口完成Z-pin的裁切；裁切电机(123)后半周转动时，裁刀(122)反向移动，返回初始位置，裁切电机(123)停止工作；此时定长的Z-pin已经精确地植入符合材料层合板中。
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