CN112959679B - 一种cfrp构件无损铆接装置以及无损铆接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种CFRP构件无损铆接装置以及无损铆接方法，该CFRP构件无损铆接装置，包括顶铁、铆钉、CFRP构件、沉头垫圈、定位套、铆模、带沉头衬套，所述顶铁的上方设置有所述铆钉，所述铆钉穿过所述CFRP构件、所述沉头垫圈、所述定位套，所述沉头垫圈位于所述CFRP构件上方，所述定位套位于所述沉头垫圈的上方，所述CFRP构件和所述铆钉之间设置有所述带沉头衬套，所述定位套上方设置有所述铆模。本发明通过采用沉头垫圈和带沉头衬套的铆接方法，为钉头部分的变形提供一个缓冲约束区域，使铆钉大量的形变作用力作用在沉头垫圈的凹槽内，限制了CFRP构件内的钉杆径向膨胀，仅发生小量均匀变形，进而避免了CFRP构件的铆接损伤。
Description
技术领域
本发明涉及航空航天制造技术领域，特别是涉及一种CFRP构件无损铆接装置以及无损铆接方法。
背景技术
复合材料凭借其优异的材料结构性能、高比强度和比模量以及显著的可设计性等优势，被广泛的应用于航空、航天、能源工程、汽车制造、风力发电及船舶制造等领域。以碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)为代表的先进复合材料具有高比强度、高比刚度，可剪裁设计和结构整体成型等优势，可使飞机结构减重10％～40％、降低结构设计成本15％～30％，因此，在新型飞机上的使用量大幅提高，应用范围也拓展到了主承力结构。美国RAH-66“科曼奇”直升机，所用复合材料占整个直升机结构重量的51％。美国海军用复合材料轴来替换Sacramento级补给舰的重20t，长10m、直径0.68m的钢轴，减重80％,制造成本降低50％。
工程实际中，CFRP连接构件大量存在，且是典型的整体结构薄弱环节，这是因为机械连接的方式破坏了CFRP构件整体结构的完整性，造成了应力集中、局部损伤等负面影响。复合材料的连接方式主要采用胶接、铆接、螺纹连接和混合连接。胶接连接强度高，防腐性好，但是胶接接头脆性大、各向异性、抗冲击性差。螺接是目前CFRP构件最主要的连接方法，具有可靠性高、传载大、可拆卸等优势，但成本较高，相同条件下是铆接的几倍到十几倍不等，且重量较铆接大，在有螺纹和无螺纹的螺杆交界处还易产生应力集中，发生断裂。铆接是飞机最重要的装配连接方法，成本低、可靠性高且工艺简单。铆接通过施加外载，使铆钉产生一定的形变与复合材料上的连接孔进行配合，包括间隙配合、过渡配合以及干涉配合。这些铆接方法的连接机理有两点，其一是通过铆钉的自身变形产生与孔周的紧密接触，其二是铆钉端部膨大变形锁住铆钉与孔的轴向移动。故铆接强度一方面决定于铆钉自身的变形能力和强度，另一方面决定于铆钉孔的强度，并且垫圈可以有效地抑制复合材料的拉脱失效，使失效形式转化为挤压失效，从而有效地提高接头的强度。然而，CFRP构件铆接过程中，钉杆膨胀不均匀，极易引起CFRP构件铆接损伤，例如复合材料层板局部剥层、基体局部压缩失效以及孔周围纤维断裂等。
为了避免将铆钉与工件进行直接铆接，引起大量安装损伤，申请号为201310554978.8的发明公开了一种带平头垫圈的电磁工艺铆接方法，该发明采用电磁铆接技术，并通过使用平垫圈和采用合适的钉孔间隙以及铆钉外伸量，使铆接过程中复合材料结构的安装损伤大幅度减小，从而提高了接头质量。但是，该发明所使用的平头垫圈在安装过程中不能固定，导致铆接安装时，垫圈容易滑移错位甚至掉落，铆接不方便，且铆接接头增加了平垫圈的额外重量。而申请号为201911380498.8的发明公开了一种铆接接头成形加工装置，解决了现有铆接设备在铆接板料时往往会出现偏差，不能很好地固定的问题。但是，该发明体积过于庞大，且拆卸板材较为不便，不适用于开敞性差、较为复杂的工况环境。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种CFRP构件无损铆接装置以及无损铆接方法。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
一种CFRP构件无损铆接装置，包括顶铁、铆钉、CFRP构件、沉头垫圈、定位套、铆模、带沉头衬套，所述顶铁的上方设置有所述铆钉，所述铆钉穿过所述CFRP构件、所述沉头垫圈、所述定位套，所述沉头垫圈位于所述CFRP构件上方，所述定位套位于所述沉头垫圈的上方，所述CFRP构件和所述铆钉之间设置有所述带沉头衬套，所述定位套上方设置有所述铆模。
优选地：所述沉头垫圈为圆形垫片，中间带锥形沉头通孔，所述沉头垫圈无沉头孔的表面与所述CFRP构件表面贴合。
优选地：所述定位套为鼓状结构，所述定位套制作材料为硅胶或橡胶，中间为鼓状腔体，顶部和底部带圆孔，顶部带环形凸脊。
优选地：所述铆模尾端带螺纹，铆接时铆模尾端与铆接装置进行螺接。
优选地：所述铆模头部带环形凹槽。
优选地：所述带沉头衬套头部为椎状壳体，尾部为圆柱壳体。
优选地：所述沉头垫圈沉头锥度包括30°、45°、60°、90°、120°、135°和150°，所述带沉头衬套锥度包括30°、45°、60°、90°、120°、135°和150°。
一种CFRP构件无损铆接方法，对于普通CFRP通孔结构，其铆接过程包括：
步骤一、固定CFRP构件，将铆钉放入CFRP构件的铆接孔内，顶铁顶持铆钉钉头；
步骤二、铆模通过铆接装置的螺纹孔与铆接装置螺接，定位套安装在铆模头部的环形凹槽上，将沉头垫圈套在铆钉镦头端，定位套顶住垫圈，铆模头部表面与铆钉镦头表面贴合；
步骤三、启动铆接装置，铆接装置激励铆模沿直线运动，带动定位套产生弹性形变，进一步压紧沉头垫圈，防止滑移，同时，铆模挤压铆钉镦头端，因为沉头垫圈的存在，CFRP构件内的钉杆径向膨胀受到限制，不发生挤压破坏，仅铆钉钉头产生塑性形变填满沉头孔形成镦头，完成铆接；
为使铆钉变形完全填满钉孔间隙和沉头垫圈的沉头，基于体积不变原理，钉杆外伸量和沉头锥度以及钉孔间隙的关系满足：
其中：h为沉头垫圈沉头部分深度、D为沉头垫圈内径、θ为沉头垫圈沉头锥度、H为沉头垫圈厚度、D1为CFRP构件铆接孔直径、δ为CFRP构件单块板厚度、d为铆钉直径、ΔL为铆钉钉杆外伸量；
或对于CFRP沉头孔结构，其铆接过程包括：
步骤一、固定CFRP构件，将带沉头衬套放入CFRP构件沉头孔内，再将铆钉放入带沉头衬套孔内，顶铁顶持铆钉钉头；
步骤二、铆模通过铆接装置的螺纹孔与铆接装置螺接，定位套安装在铆模头部的环形凹槽上，定位套顶住带沉头衬套，铆模头部表面与铆钉镦头表面贴合；
步骤三、启动铆接装置，铆接装置激励铆模沿直线运动，带动定位套产生弹性形变，进一步压紧带沉头衬套，防止滑移，同时，铆模挤压铆钉镦头端，因为带沉头衬套的存在，CFRP构件内的钉杆径向膨胀受到限制，不发生挤压破坏，仅铆钉钉头产生塑性形变填满沉头孔形成镦头，完成铆接；
为使铆钉变形完全填满铆钉与带沉头衬套之间间隙和带沉头衬套的沉头，基于体积不变原理，钉杆外伸量、钉孔间隙和带沉头衬套的沉头锥度的关系满足：
其中：H1为带沉头衬套的沉头部分深度、d1为带沉头衬套的圆柱段内径、α为带沉头衬套的沉头孔锥度、H2为带沉头衬套的总高度、d为铆钉直径、ΔL为铆钉钉杆外伸量。
本发明应用对象包括带沉头垫圈和带沉头衬套的CFRP/CFRP构件铆接、玻璃纤维增强树脂基复合材料构件铆接、CFRP/金属层板混合构件铆接和CFRP/其他材料混合构件无损铆接。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
通过采用沉头垫圈和带沉头衬套的铆接方法，为钉头部分的变形提供一个缓冲约束区域，使铆钉大量的形变作用力作用在沉头垫圈的凹槽内，限制了CFRP构件内的钉杆径向膨胀，仅发生小量均匀变形，进而避免了CFRP构件的铆接损伤；同时，通过采用沉头垫圈和带沉头衬套，利用沉头降低了垫圈和衬套的重量，进而降低了铆接接头重量；通过定位套的大变形弹性设计，实现了沉头垫圈和带沉头孔衬套铆接过程定位，防止沉头垫圈和带沉头孔衬套滑移和脱落，从而实现了CFRP构件铆钉水平铆接、竖直向上铆接、竖直向下铆接、斜向铆接等各类工况下的无损铆接。
附图说明
为了更清楚地说明本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是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明所述一种CFRP构件无损铆接装置的整体结构示意图；
图2是本发明所述一种CFRP构件无损铆接装置的铆模等轴视图；
图3是本发明所述一种CFRP构件无损铆接装置的定位套等轴视图；
图4是本发明所述一种CFRP构件无损铆接装置的沉头垫圈与CFRP构件铆接配合剖视图；
图5是本发明所述一种CFRP构件无损铆接装置的换向机构的沉头垫圈的等轴视图和正剖视图；
图6是本发明所述一种CFRP构件无损铆接装置的带沉头衬套与CFRP构件铆接配合剖视图；
图7是本发明所述一种CFRP构件无损铆接装置的带沉头衬套的等轴视图和正视图。
附图标记说明如下：
1-顶铁；2-铆钉；3-CFRP构件；4-沉头垫圈；5-定位套；6-铆模；7-带沉头衬套。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图1-图7所示，一种CFRP构件无损铆接装置，包括顶铁1、铆钉2、CFRP构件3、沉头垫圈4、定位套5、铆模6、带沉头衬套7，顶铁1的上方设置有铆钉2，顶铁1用于铆顶持铆钉2钉头端，铆钉2穿过CFRP构件3、沉头垫圈4、定位套5，沉头垫圈4位于CFRP构件3上方，定位套5位于沉头垫圈4的上方，CFRP构件3和铆钉2之间设置有带沉头衬套7，定位套5上方设置有铆模6。
优选地：沉头垫圈4为圆形垫片，中间带锥形沉头通孔，用于CFRP普通通孔铆接，铆接时套在铆钉2钉头端，沉头垫圈4无沉头孔的表面与CFRP构件3表面贴合，限制铆钉2钉杆径向膨胀过大，进而避免CFRP构件3铆接损伤；定位套5为鼓状结构，定位套5制作材料为硅胶或橡胶，中间为鼓状腔体，顶部和底部带圆孔，顶部带环形凸脊，用于与铆模6上环形凹槽配合连接，铆接过程中，定位套5底部顶住沉头垫圈4和带沉头衬套7，防止铆接时发生滑移，定位套5随铆钉2铆接变形而发生弹性变形、缩进，防止铆接时沉头垫片和带沉头衬套7发生滑移；铆模6用于铆接铆钉2；铆模6尾端带螺纹，铆接时铆模6尾端与铆接装置进行螺接；铆模6头部带环形凹槽，用于连接定位套5；带沉头衬套7头部为椎状壳体，尾部为圆柱壳体，用于CFRP构件3沉头孔铆接，铆接时放入工件铆接孔内，铆钉2穿过衬套中心，铆接时限制铆钉2钉杆径向膨胀过大，进而避免CFRP铆接损伤；根据不同工况采用不同锥度的沉头垫圈4和带沉头衬套7进行铆接；沉头垫圈4沉头锥度包括30°、45°、60°、90°、120°、135°和150°，带沉头衬套7锥度包括30°、45°、60°、90°、120°、135°和150°。
一种CFRP构件无损铆接方法，对于普通CFRP通孔结构，其铆接过程包括：
步骤一、固定CFRP构件3，将铆钉2放入CFRP构件3的铆接孔内，顶铁1顶持铆钉2钉头；
步骤二、铆模6通过铆接装置的螺纹孔与铆接装置螺接，定位套5安装在铆模6头部的环形凹槽上，将沉头垫圈4套在铆钉2镦头端，定位套5顶住垫圈，铆模6头部表面与铆钉2镦头表面贴合；
步骤三、启动铆接装置，铆接装置激励铆模6沿直线运动，带动定位套5产生弹性形变，进一步压紧沉头垫圈4，防止滑移，同时，铆模6挤压铆钉2镦头端，因为沉头垫圈4的存在，CFRP构件3内的钉杆径向膨胀受到限制，不发生挤压破坏，仅铆钉2钉头产生塑性形变填满沉头孔形成镦头，完成铆接；
为使铆钉2变形完全填满钉孔间隙和沉头垫圈4的沉头，基于体积不变原理，钉杆外伸量和沉头锥度以及钉孔间隙的关系满足：
其中：h为沉头垫圈沉头部分深度、D为沉头垫圈内径、θ为沉头垫圈沉头锥度、H为沉头垫圈厚度、D1为CFRP构件铆接孔直径、δ为CFRP构件单块板厚度、d为铆钉直径、ΔL为铆钉钉杆外伸量；
或对于CFRP沉头孔结构，其铆接过程包括：
步骤一、固定CFRP构件3，将带沉头衬套7放入CFRP构件3沉头孔内，再将铆钉2放入带沉头衬套7孔内，顶铁1顶持铆钉2钉头；
步骤二、铆模6通过铆接装置的螺纹孔与铆接装置螺接，定位套5安装在铆模6头部的环形凹槽上，定位套5顶住带沉头衬套7，铆模6头部表面与铆钉2镦头表面贴合；
步骤三、启动铆接装置，铆接装置激励铆模6沿直线运动，带动定位套5产生弹性形变，进一步压紧带沉头衬套7，防止滑移，同时，铆模6挤压铆钉2镦头端，因为带沉头衬套7的存在，CFRP构件3内的钉杆径向膨胀受到限制，不发生挤压破坏，仅铆钉2钉头产生塑性形变填满沉头孔形成镦头，完成铆接；
为使铆钉2变形完全填满铆钉2与带沉头衬套7之间间隙和带沉头衬套7的沉头，基于体积不变原理，钉杆外伸量、钉孔间隙和带沉头衬套7的沉头锥度的关系满足：
其中：H1为带沉头衬套的沉头部分深度、d1为带沉头衬套的圆柱段内径、α为带沉头衬套的沉头孔锥度、H2为带沉头衬套的总高度、d为铆钉直径、ΔL为铆钉钉杆外伸量。
本发明应用对象包括带沉头垫圈4和带沉头孔衬套的CFRP/CFRP构件3铆接、玻璃纤维增强树脂基复合材料构件铆接、CFRP/金属层板混合构件铆接和CFRP/其他材料混合构件无损铆接。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。
Claims (4)
1.一种CFRP构件无损铆接装置，包括顶铁(1)、铆钉(2)、CFRP构件(3)、沉头垫圈(4)、定位套(5)、铆模(6)、带沉头衬套(7)，所述顶铁(1)的上方设置有所述铆钉(2)，所述铆钉(2)穿过所述CFRP构件(3)、所述沉头垫圈(4)、所述定位套(5)，所述沉头垫圈(4)位于所述CFRP构件(3)上方，所述定位套(5)位于所述沉头垫圈(4)的上方，所述CFRP构件(3)和所述铆钉(2)之间设置有所述带沉头衬套(7)，所述定位套(5)上方设置有所述铆模(6)；
所述沉头垫圈(4)为圆形垫片，中间带锥形沉头通孔，所述沉头垫圈(4)无沉头孔的表面与所述CFRP构件(3)表面贴合，所述带沉头衬套(7)头部为椎状壳体，尾部为圆柱壳体，所述沉头垫圈(4)沉头锥度包括30°、45°、60°、90°、120°、135°和150°，所述带沉头衬套(7)锥度包括30°、45°、60°、90°、120°、135°和150°；
所述定位套(5)为鼓状结构，所述定位套(5)制作材料为硅胶或橡胶，中间为鼓状腔体，顶部和底部带圆孔，顶部带环形凸脊。
2.根据权利要求1所述的一种CFRP构件无损铆接装置，其特征在于：所述铆模(6)尾端带螺纹，铆接时所述铆模(6)尾端与铆接装置进行螺接。
3.根据权利要求1所述的一种CFRP构件无损铆接装置，其特征在于：所述铆模(6)头部带环形凹槽。
4.一种CFRP构件无损铆接方法，其特征在于：
对于普通CFRP通孔结构，其铆接过程包括：
步骤一、固定CFRP构件(3)，将铆钉(2)放入CFRP构件(3)的铆接孔内，顶铁(1)顶持铆钉(2)钉头；
步骤二、铆模(6)通过铆接装置的螺纹孔与铆接装置螺接，定位套(5)安装在铆模(6)头部的环形凹槽上，将沉头垫圈(4)套在铆钉(2)镦头端，定位套(5)顶住垫圈，铆模(6)头部表面与铆钉(2)镦头表面贴合；
步骤三、启动铆接装置，铆接装置激励铆模(6)沿直线运动，带动定位套(5)产生弹性形变，进一步压紧沉头垫圈(4)，防止滑移，同时，铆模(6)挤压铆钉(2)镦头端，因为沉头垫圈(4)的存在，CFRP构件(3)内的钉杆径向膨胀受到限制，不发生挤压破坏，仅铆钉(2)钉头产生塑性形变填满沉头孔形成镦头，完成铆接；
为使铆钉(2)变形完全填满钉孔间隙和沉头垫圈(4)的沉头，基于体积不变原理，钉杆外伸量和沉头锥度以及钉孔间隙的关系满足：
其中：h为沉头垫圈沉头部分深度、D为沉头垫圈内径、θ为沉头垫圈沉头锥度、H为沉头垫圈厚度、D1为CFRP构件铆接孔直径、δ为CFRP构件单块板厚度、d为铆钉直径、ΔL为铆钉钉杆外伸量；
或对于CFRP沉头孔结构，其铆接过程包括：
步骤一、固定CFRP构件(3)，将带沉头衬套(7)放入CFRP构件(3)沉头孔内，再将铆钉(2)放入带沉头衬套(7)孔内，顶铁(1)顶持铆钉(2)钉头；
步骤二、铆模(6)通过铆接装置的螺纹孔与铆接装置螺接，定位套(5)安装在铆模(6)头部的环形凹槽上，定位套(5)顶住带沉头衬套(7)，铆模(6)头部表面与铆钉(2)镦头表面贴合；
步骤三、启动铆接装置，铆接装置激励铆模(6)沿直线运动，带动定位套(5)产生弹性形变，进一步压紧带沉头衬套(7)，防止滑移，同时，铆模(6)挤压铆钉(2)镦头端，因为带沉头衬套(7)的存在，CFRP构件(3)内的钉杆径向膨胀受到限制，不发生挤压破坏，仅铆钉(2)钉头产生塑性形变填满沉头孔形成镦头，完成铆接；
为使铆钉(2)变形完全填满铆钉(2)与带沉头衬套(7)之间间隙和带沉头衬套(7)的沉头，基于体积不变原理，钉杆外伸量、钉孔间隙和带沉头衬套(7)的沉头锥度的关系满足：
其中：H1为带沉头衬套的沉头部分深度、d1为带沉头衬套的圆柱段内径、α为带沉头衬套的沉头孔锥度、H2为带沉头衬套的总高度、d为铆钉直径、ΔL为铆钉钉杆外伸量。
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