CN112475648B - 一种陶瓷基复合材料结构件铆焊防变形工装及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种陶瓷基复合材料结构件铆焊防变形工装及方法。克服采用现有成型工艺制备的大型陶瓷基复合材料结构件易变形、精度差的缺陷。工装包括定位底板、m个U形工装及n个定位块；m个U形工装沿x方向排布，且固定在定位底板上；各个U形工装的两个侧壁上均螺纹连接有穿过其侧壁的j个螺杆，螺杆的端部用于与陶瓷基复合材料结构件的侧壁接触，n个定位块安装在定位底板上，且与n个定位轴一一对应，定位轴与定位孔孔轴配合，确保n个定位轴的轴线共面。方法包括工装处理、安装工装、装炉沉积及拆除工装的步骤。通过该工装和方法，可有效实现大型陶瓷基复合材料结构件的铆焊工艺，成型过程中不会出现变形的情况，尤其适用于长条形结构件。
Description
技术领域
本发明公开了一种CMC复合材料组件防变形装置及使用方法，具体涉及一种陶瓷基复合材料结构件铆焊防变形工装及方法。
背景技术
翼类C/SiC复合材料结构件，一般长度尺寸较大，栅格数量多，成型工艺是将大型结构件拆分为多个小型结构件，先对单个小零件成型后再铆焊组装成型。因小零件存在变形和尺寸精度差等问题，故由多个小零件成型后再铆焊组装成型的工艺会造成组装起来的大型结构件内部会存在较多的应力，在高温铆焊过程中，应力会释放，从而造成大型结构件精度差、出现变形等问题。
发明内容
为了克服采用现有成型工艺制备的大型陶瓷基复合材料结构件易变形、精度差的缺陷，本发明提供了一种陶瓷基复合材料结构件铆焊防变形工装及方法，通过该工装和方法，可有效实现大型陶瓷基复合材料结构件的铆焊工艺，且成型过程中不会出现变形的情况，尤其适用于长条形结构件。
本发明的技术方案是提供一种陶瓷基复合材料结构件铆焊防变形工装，上述陶瓷基复合材料结构件底部沿其长度方向设有n个定位轴，n个定位轴的轴线共面；定义该平面为xz平面，陶瓷基复合材料结构件的长度方向为x向，厚度方向为y向，高度方向为z向；
其特征在于：
包括定位底板、m个U形工装及n个定位块；上述m、n均为大于等于2的正整数；
上述n个定位块上开设与定位轴相适配的定位孔；
上述m个U形工装沿x方向排布，且固定在定位底板上；m个U形工装的内腔用于支撑装夹待铆焊陶瓷基复合材料结构件，各个U形工装的两个侧壁上均螺纹连接有穿过其侧壁的j个螺杆，螺杆的端部用于与陶瓷基复合材料结构件的侧壁接触，j为大于等于1的正整数；
上述n个定位块安装在定位底板上，且与n个定位轴一一对应，定位轴与定位孔孔轴配合，确保n个定位轴的轴线共面。
进一步地，为了保证结构件底面与U形工装底面接触，上述防变形工装还包括紧固板，上述紧固板的两端分别以可拆卸的方式固定在U形工装两个侧壁的顶端。
进一步地，为了实现立式装炉，上述防变形工装还包括固定座，上述固定座固定在定位底板的端部。
进一步地，上述定位底板上开设有与n个定位块相适配的n个通孔，上述定位块固定在通孔内。
进一步地，定位轴的材料为金属；定位底板、U形工装、定位块及螺杆的材料为石墨。
进一步地，U形工装两个侧壁之间的直线距离大于待铆焊陶瓷基复合材料结构件装夹部位的厚度。
进一步地，为了保证结构件装夹稳定，U形工装的z向高度与待铆焊陶瓷基复合材料结构件待装夹部位的z向高度相等。
进一步地，j个螺杆沿z向均布。
本发明还提供一种基于上述防变形工装的陶瓷基复合材料结构件铆焊方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
步骤1、工装处理；
步骤1.1、根据待铆焊陶瓷基复合材料结构件的长度选取与其长度相适配的定位底板，并确定U形工装的数量，确保支撑装夹后，待铆焊陶瓷基复合材料结构件不易变形；
步骤1.2、根据待铆焊陶瓷基复合材料结构件的厚度选取U形工装；
步骤1.3、将确定数量的U形工装沿定位底板的长度方向固定在定位底板上；之后置于CVI碳化硅沉积设备进行CVI-SiC沉积；
步骤2、安装工装；
步骤2.1、将n个定位轴沿待铆焊陶瓷基复合材料结构件的长度方向安装在其底部，确保n个定位轴的轴线共面；
步骤2.2、将带有定位轴的待铆焊陶瓷基复合材料结构件放置于步骤1CVI-SiC沉积后的工装上，待铆焊陶瓷基复合材料结构件的底面与各个U形工装的底面贴合；
步骤2.3、将各个定位块安装到底板上，每个定位块与一个定位轴孔轴配合安装，确保各个定位块的轴线共面；
步骤2.4、将螺杆旋入U形工装侧壁，并旋转至螺杆接触到待铆焊陶瓷基复合材料结构件侧壁表面时，即停止旋转；
步骤2.5、将螺杆固定在U形工装侧壁上；
步骤3、装炉沉积；
步骤3.1、将安装好的防变形工装的待铆焊陶瓷基复合材料结构件装入CVI碳化硅沉积设备中；
步骤3.2、放置到位后，取出定位轴以及定位块；
步骤3.3、在1000±150℃温度下，通入MTS、Ar和H2，沉积60±10h，完成陶瓷基复合材料结构件的铆焊；
步骤4、拆除工装。
进一步地，步骤2.3、将各个定位块从下至上安装到定位底板的通孔内，当定位块底面与定位底板底面齐平时，则安装到位。定位块是用于限制定位轴在y方向的位置，保证n个定位轴轴线在XZ平面上是共面的。
进一步地，步骤1.3中还包括将固定座安装在定位底板端部的步骤，以实现立式装炉沉积。
本发明的有益效果是：
1、本发明的防变形工装，主要用于C/SiC复合材料结构件的铆焊时不会发生变形，由底板、U形工装、定位块及螺杆拼装而成；U形工装及螺杆可依据产品厚度来调整其间距。结构简单、拆装方便。
2、本发明的底板、U形工装、定位块及螺杆均拼接而成，工装加工时只需保证定位块的定位孔共面即可，加工和运输方便。
3、本发明使用上述防变形工装的C/SiC复合材料结构件铆焊方法，先对单个小零件成型后再铆焊组装成型。利用工装上定位块的定位孔轴线共面来保证结构件中的定位轴轴线共面，从而保证产品在冷态下不会出现形变，再通过螺杆固定，将结构件型面约束在一定范围内，使其高温状态下的应力释放也在一定范围内进行，成型过程中不会出现变形的情况。
4、本发明在防变形工装的端部安装固定座，固定座上开设固定待铆焊陶瓷基复合材料结构件的凹槽，可立置放于碳化硅沉积设备中，进行铆焊。
附图说明
图1为本发明实施例一中防变形工装装夹陶瓷基复合材料结构件的结构示意图；
图2为本发明实施例二中防变形工装装夹陶瓷基复合材料结构件的结构示意图；
图中附图标记为：001-陶瓷基复合材料结构件，002-第一U形工装，003-第二U形工装，004-第三U形工装，005-第一定位块，006-第二定位块，007-第三定位块，008-定位底板，009-第一定位轴，010-第二定位轴，011-第三定位轴，012-固定座，013-紧固板，014-销钉。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步地描述。
实施例一
本实施例陶瓷基复合材料结构件001为长条形结构，长约1.5-4m米，采用常规方法铆焊，容易发生形变。因此本实施例采用如图1所示的防变形工装，将其装夹后置于CVI碳化硅沉积设备中完成铆焊，之后将工装拆卸即可。因铆焊过程中，防变形工装的装夹对长条形陶瓷基复合材料结构件001的型面进行限定，保证其不会沿y方向出现变形；利用工装上定位块的定位孔轴线共面来保证结构件中的定位轴轴线共面，从而保证产品在冷态下不会出现形变，再通过螺杆固定，将结构件型面约束在一定范围内，使其高温状态下的应力释放也在一定范围内进行。
从图1可以看出，为了与防变形工装配合，本实施例在陶瓷基复合材料结构件001的底部沿其长度方向均布3个金属定位轴，3个金属定位轴的轴线共面，分别为第一定位轴009，第二定位轴010及第三定位轴011。该金属定位轴的数量可根据实际需求进行改变，如陶瓷基复合材料结构件001长度较长时，可增加金属定位轴的数量，长度较短时，可减小金属定位轴的数量。
为了便于描述，将陶瓷基复合材料结构件001的长度方向为x向，厚度方向为y向，高度方向为z向。本实施例中3个定位轴的端面位于xy平面。
本实施例防变形工装为石墨材料，包括定位底板008、3个U形工装及3个定位块；同理，U形工装及定位块的数量也可根据陶瓷基复合材料结构件001长度进行调整，只需保证在铆焊时，该结构件不发生形变即可。3个U形工装分别为第一U形工装002，第二U形工装003，第三U形工装004；3个定位块分别为第一定位块005，第二定位块006，第三定位块007。
从图中可以看出，3个U形工装沿x方向排布，且固定在定位底板008上；需要说明的是，本实施例中为了便于固定，U形工装的底部为平面。U形工装的结构，如底部的x向尺寸、y向尺寸、侧壁的z向尺寸、x向尺寸等均与待铆焊的陶瓷基复合材料结构件001的结构尺寸相关。待铆焊陶瓷基复合材料结构件001放置于U形工装的内腔，待铆焊陶瓷基复合材料结构件001的底面与U形工装的底面接触，U形工装两个侧壁之间的直线距离需要大于待铆焊陶瓷基复合材料结构件001装夹部位的厚度。U形工装的z向高度与待铆焊陶瓷基复合材料结构件001待装夹部位的z向高度最好可以相等，以确保产品固定稳当。
U形工装两个侧壁上均螺纹连接有穿过其侧壁的3个螺杆，螺杆的端部用于与陶瓷基复合材料结构件001的侧壁接触，螺杆的数量也可根据实际需求进行改变，如陶瓷基复合材料结构件001较高时，相对应的U形工装两个侧壁也较高，因此可增设螺杆数量。本实施例，3个螺杆沿z向均布为一列，在其他实施例中也可以z向均布为多列。为了保证结构件底面与U形工装底面接触，还可以在U形工装两个侧壁的顶端固定紧固板013。
3个定位块上开设与定位轴相适配的定位孔；定位底板008上开设有与3个定位块相适配的3个通孔，定位块固定在通孔内，此时，3个定位块上的定位孔轴线共面。3个定位孔与3个定位轴一一对应，定位轴与定位孔孔轴配合，确保3个定位轴的轴线共面。
具体利用上述防变形工装可通过下述过程实现铆焊：
步骤1、工装处理；
步骤1.1、根据待铆焊陶瓷基复合材料结构件001的长度选取与其长度相适配的定位底板008，并确定U形工装的数量，确保支撑装夹后，待铆焊陶瓷基复合材料结构件001不易变形；如上所述，本实施例选取3件U形工装。
步骤1.2、根据待铆焊陶瓷基复合材料结构件001的厚度选取U形工装；
步骤1.3、将确定数量的U形工装沿定位底板008的长度方向固定在定位底板008上；之后置于CVI碳化硅沉积设备进行CVI-SiC沉积；
步骤2、安装工装；
步骤2.1、将n个定位轴沿待铆焊陶瓷基复合材料结构件001的长度方向安装在其底部；
步骤2.2、将带有定位轴的待铆焊陶瓷基复合材料结构件001放置于步骤1CVI-SiC沉积后的工装上，待铆焊陶瓷基复合材料结构件001的底面与各个U形工装的底面贴合；
步骤2.3、将各个定位块从定位底板008下方安装到定位底板008的通孔内，定位块底面与定位底板008底面齐平，则安装到位；
步骤2.4、将螺杆旋入U形工装侧壁，并旋转至螺杆接触到待铆焊陶瓷基复合材料结构件001侧壁表面时，即停止旋转；
步骤2.5、使用502胶水将螺杆固定在U形工装侧壁上；
步骤3、装炉沉积；
步骤3.1、将安装好的防变形工装的待铆焊陶瓷基复合材料结构件001装入卧式CVI碳化硅沉积设备中；
步骤3.2、放置到位后，取出定位轴以及定位块；
步骤3.3、在1000±150℃温度下，通入MTS、Ar和H2，沉积60±10h，完成陶瓷基复合材料结构件001的铆焊；
步骤4、拆除工装；
旋转螺杆至螺杆y向间距大于结构件厚度，从工装上取出结构件即可。
实施例二
与实施例一不同的是，本实施例采用立式CVI碳化硅沉积设备实现铆焊，因此如图2所示，可在实施例一公开的防变形工装的端部安装固定座012，固定座012上可开设固定待铆焊陶瓷基复合材料结构件001的凹槽，装夹完成后，可立置放于碳化硅沉积设备中，进行铆焊。
Claims (6)
1.一种基于防变形工装的陶瓷基复合材料结构件铆焊方法，所述陶瓷基复合材料结构件底部沿其长度方向设有n个定位轴，n个定位轴的轴线共面；定义共面的平面为xz平面，陶瓷基复合材料结构件的长度方向为x向，厚度方向为y向，高度方向为z向；
所述防变形工装，包括定位底板、n个定位块及m个U形工装；所述m、n均为大于等于2的正整数；
所述定位底板上开设有与n个定位块相适配的n个通孔；
所述n个定位块上开设与定位轴相适配的定位孔；
所述m个U形工装沿x方向排布，且固定在定位底板上；所述m个U形工装的内腔用于支撑装夹待铆焊陶瓷基复合材料结构件，待铆焊陶瓷基复合材料结构件底面与U形工装底面接触，各个U形工装的两个侧壁上均螺纹连接有穿过其侧壁的j个螺杆，螺杆的端部用于与陶瓷基复合材料结构件的侧壁接触，j为大于等于1的正整数；
定位轴的材料为金属；定位底板、U形工装、定位块及螺杆的材料为石墨；
其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、工装处理；
步骤1.1、根据待铆焊陶瓷基复合材料结构件的长度选取与其长度相适配的定位底板，并确定U形工装的数量，确保支撑装夹后，待铆焊陶瓷基复合材料结构件不易变形；
步骤1.2、根据待铆焊陶瓷基复合材料结构件的厚度选取U形工装；
步骤1.3、将确定数量的U形工装沿定位底板的长度方向固定在定位底板上；之后置于CVI碳化硅沉积设备进行CVI-SiC沉积；
步骤2、安装工装；
步骤2.1、将n个定位轴沿待铆焊陶瓷基复合材料结构件的长度方向安装在其底部，确保n个定位轴的轴线共面；
步骤2.2、将带有定位轴的待铆焊陶瓷基复合材料结构件放置于步骤1中CVI-SiC沉积后的工装上，待铆焊陶瓷基复合材料结构件的底面与各个U形工装的底面贴合；
步骤2.3、将各个定位块安装到定位底板上，每个定位轴与每个定位块上的定位孔孔轴配合安装，确保各个定位轴的轴线共面；具体为：将各个定位块从下至上安装到定位底板的各个通孔内，当定位块底面与定位底板底面齐平时，则安装到位；
步骤2.4、将螺杆旋入U形工装侧壁，并旋转至螺杆接触到待铆焊陶瓷基复合材料结构件侧壁表面时，即停止旋转；
步骤2.5、将螺杆固定在U形工装侧壁上；
步骤3、装炉沉积；
步骤3.1、将安装好的防变形工装的待铆焊陶瓷基复合材料结构件装入CVI碳化硅沉积设备中；
步骤3.2、放置到位后，取出定位轴以及定位块；
步骤3.3、在1000±150℃温度下，通入MTS、Ar和H2，沉积60±10h，完成陶瓷基复合材料结构件的铆焊；
步骤4、拆除工装。
2.根据权利要求1所述铆焊方法，其特征在于：步骤1.3中还包括将固定座安装在定位底板端部的步骤，以实现立式装炉沉积。
3.根据权利要求1所述的铆焊方法，其特征在于：还包括紧固板，所述紧固板的两端分别以可拆卸的方式固定在U形工装两个侧壁的顶端。
4.根据权利要求1或3所述的铆焊方法，其特征在于：还包括固定座，所述固定座固定在定位底板的端部。
5.根据权利要求4所述的铆焊方法，其特征在于：U形工装两个侧壁之间的直线距离大于待铆焊陶瓷基复合材料结构件装夹部位的厚度；U形工装的z向高度与待铆焊陶瓷基复合材料结构件待装夹部位的z向高度相等。
6.根据权利要求5所述的铆焊方法，其特征在于：j个螺杆沿z向均布。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| CP03 | Change of name, title or address |
Address after: 710117 West Section 912 of Biyuan Road, Xi'an High-tech Zone, Shaanxi Province Patentee after: Xi'an Xinyao Ceramic Composite Co.,Ltd. Country or region after: China Address before: 710117 West Section 912 of Biyuan Road, Xi'an High-tech Zone, Shaanxi Province Patentee before: XI'AN GOLDEN MOUNTAIN CERAMIC COMPOSITES CO.,LTD. Country or region before: China |
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| CP03 | Change of name, title or address |