CN113188869A - 一种制备复合材料测试样件的工装及测试样件制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种制备复合材料测试样件的工装及测试样件制备方法，设计专用工装固定由加强板、限位板和待测复材板构成的三夹层复合结构试样料坯，确保胶接固化过程中加强板和待测复材板无相对位移，采用耐高温环氧胶胶接固化的方法提高胶接可靠性，再按照尺寸要求机加工分割得到相应尺寸测试样件。本发明采用工装辅助耐高温环氧胶进行加强板/待测复板材原位胶接，再进行机加工的方法制备复合材料测试样件，确保树脂胶固化过程无相对位移，提高样件批次一致性，且加强板胶接可靠，可有效解决常规方法制备的样件在高温、湿热等严酷环境条件下测试时加强片脱粘、异常破坏导致的测试失效的问题，同时，大幅提高样件制备效率。
Description
技术领域
本发明涉及非金属材料制造技术领域，具体为一种力学性能测试样件的制备工装及方法。
背景技术
复合材料具有比强度高、比模量高、各向异性等特点，已被作为结构件广泛用于航空航天、电子装备制造等领域。力学性能是复合材料的基本特性，也是考核其能否用于实际装备的基础。工程应用中为了考核复合材料，经常需要结合装备工作环境，按照相应标准制备测试样件，并对其在特定温度和湿度条件下的力学性能进行试样测试比对和分析评估。为了能准确测试复合材料在特定环境下的力学性能，制备尺寸和精度满足要求、样件批次一致性高的试样，尽可能减少试样制备环节的误差对于材料本身性能的影响，确保其在特定环境下，试样加强片胶接牢靠、测试正常有效尤为关键。
常规方法制备的测试试样，大多采用手工胶接加强片，存在固化过程加强片易滑移导致的试样一致性差、因试样制备过程的偶然误差导致的测试数据离散性偏大的问题，同时，试样在湿热、高温等严酷条件下测试时，加强片易出现脱粘和破坏异常导致的测试失效的问题。
因此，通过工装辅助制样化制样方法，减少或避免制样过程带入的误差，提高制样一致性，同时，结合试样在湿热、高温等严酷条件下测试的具体需求，改进加强片胶接工艺，解决试样测试过程中，加强片脱粘和异常破坏导致的测试失效问题以及由此带来的不必要的损失显得尤为重要，并具备极大的价值。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种制备复合材料测试样件的工装及测试样件制备方法，可有效解决复合材料在严酷条件下测试时，加强片脱粘、异常破坏导致的测试失效的问题以及加强片胶接位置误差偏大导致的试样一致性差和测试数据离散性偏大的问题，并提高试样制备效率。
本发明设计专用工装固定由加强板、限位板和待测复材板构成的三夹层复合结构试样料坯，确保胶接固化过程中加强板和待测复材板无相对位移，采用耐高温环氧胶胶接固化的方法提高胶接可靠性，再按照尺寸要求机加工分割得到相应尺寸测试样件。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种制备复合材料测试样件的工装，包括底座、定位零件和控位零件，用于不同尺寸样件制作过程的定位和固定，其中定位零件包括定位压块(2)、定位螺杆(3)和定位螺母(4)，控位零件包括控位挡板(5)、控位螺栓(6)、控位螺母(7)和控位螺钉(8)，所述底座为相互垂直的侧板和底板构成，底板的尺寸大于待测复合材料板(11)的尺寸，侧板上表面设有均匀分布的凹槽，底板上设有均匀分布的卡槽，且每个卡槽与侧板上的凹槽位置一一对应，卡槽纵向方向与侧板相互垂直，卡槽长度大于待测复合材料板(11)的最大尺寸，卡槽宽度大于控位螺栓(6)的直径，每个凹槽内预留有螺纹孔，控位螺钉(8)通过螺纹孔将控位挡板(5)固定在侧板的凹槽内；
所述控位挡板(5)平行于底座平面，安装于侧板上，控位挡板(5)的一端通过控位螺钉(8)固定在底座侧板的凹槽内，另一端由控位螺栓(6)支撑，控位螺栓(6)通过控位螺母(7)固定，控位挡板(5)上有与底板卡槽相平行的通槽，实现定位螺杆(3)和控位螺栓(6)沿控位挡板(5)长度方向的位置调节。
所述控位螺栓(6)的下部为光杆，上部为外螺纹，且控位螺栓(6)的螺纹部分为穿过控位挡板(5)的通槽，并高出控位挡板(5)的上表面，起支撑控位挡板(5)的作用，控位螺栓(6)的光杆下端卡入底座的卡槽中，再穿过控位挡板(5)的通槽，并与控位螺母(7)配合，实现控位挡板(5)的位置固定。
所述定位螺杆(3)有外螺纹，通过两个定位螺母(4)在控位挡板(5)的上下表面将定位螺杆(3)固定，定位螺母(4)的外径大于控位挡板(5)的通槽的宽度，安装时定位螺杆(3)从上方穿过控位挡板(5)的通槽，并在控位挡板(5)上下表面各保留一个定位螺母(4)，定位螺杆(3)的下端与定位压块(2)螺接。
所述定位压块(2)为直径为30mm～60mm的圆台或外径为30mm～60mm的棱台，通过调节定位螺杆(3)上两个定位螺母(4)控制定位螺杆(3)和定位压块(2)上下移动，实现对料坯的固定。
本发明提出一种制备复合材料测试样件的工装的测试样件制备方法，包括以下步骤：
步骤1：先用丙酮或无水乙醇或清洗剂清洁工装、待测复合材料板(11)、加强板和限位板的表面油污，再打磨粗化待测复合材料板(11)两侧与加强板的胶接面，限位板的所有表面涂脱模剂；
步骤2：根据待测复合材料板(11)尺寸，确定所需定位零件、控位零件的套数，并进行工装的安装；
步骤3：加强板的胶接面均匀涂耐高温环氧树脂，并清理边缘溢胶和残胶，确保侧棱无树脂流挂；
步骤4：制备三夹层复合结构料坯，步骤如下：
在工装底座上铺放一块限位板，并在限位板两侧各铺放一块加强板，限位板与加强板长边对接，加强板的涂胶面朝上且每个板侧棱无残胶；再在涂胶面上放置待测复合材料板(11)，要求限位板的长边的两端分别比待测复合材料板(11)长出30mm～120mm；然后在待测复合材料板(11)的上表面铺放限位板，确保待测复合材料板(11)两个限位板呈镜面对称并及时清理溢胶；最后在限位板两侧沿长度方向各铺放一块加强板，限位板与加强板长边对接，加强板涂胶面朝下且各板侧棱无残胶，制作完成三夹层复合结构料坯；
步骤5：旋拧定位螺杆(3)上的两个定位螺母(4)至定位压块(2)压实三夹层复合结构料坯，在定位螺杆(3)调节过程中，待测复合材料板(11)、限位板、加强板不得发生相对位移；
步骤6：将工装连同固定好的三夹层复合结构料坯一起置于烘箱中，采用分阶段升温的方式进行加强板与复材板胶接固化，固化结束后，随炉降至室温后拆除工装；
步骤7：加工时，以限位板比待测复合材料板(11)长出的部分为机加工的两个基准边，将三夹层复合结构料坯进行装夹并定位，采用复合材料专用数铣刀具，按照目标测试样件所要求的尺寸和精度进行数铣，将待测复合材料板(11)加工成多个所需目标测试样件；
步骤8：去除数铣加工的测试样件的上下两侧限位板，打磨去除测试样件的毛刺，并用丙酮或无水乙醇或清洗剂清洁测试样件的表面油污和粉尘，得到目标测试样件。
所述步骤7中数控铣过程使用冷却液，则清洗除油除污后将样件置于烘箱中干燥除湿，干燥温度为70℃～100℃，干燥时间为90min～120min。
所述加强板采用环氧胶洛德230或乐泰G500或乐泰9514与待测复合材料板(11)胶接固化，固化温度由采用的环氧胶的类型确定，采取分阶段升温固化的方式保证胶接牢靠，升温梯度为30℃～60℃，每阶段保温20min～60min。
所述三夹层复合结构料坯包括待测复合材料板(11)、两块限位板和四块加强板，在辅助工装上铺放待测复合材料板(11)、两块限位板和四块加强板，限位板尺寸小于待测复合材料板(11)，两块限位板位于待测复合材料板(11)中间的上下表面，且两块限位板互为镜像，每块限位板的两侧沿长度方向各铺放一块加强板，且加强板与限位板无缝对接，铺放过程及时清理掉接缝部位残胶并避免溢流。
所述加强板的宽度W1＝a+h，长度为L1＝(b×n+c×(n-1)+h，其中a为所制备目标测试样件的加强片的长度，b为所制备目标测试样件的加强片的宽度，c为机加工切割损耗，n为所加工试样数量，加工余量h≥20mm，加强板的长度L1和待测复合材料板(11)的宽度相同；
所述限位板的宽度与测试样件的工作区长度相同，限位板的长度为L2＝L1+2k，k取值30mm～120mm，为后续机加工提供定位基准。
所述定位压块(2)均匀分布在待测复合材料板(11)上，两两相邻的定位压块(2)间距为50mm～120mm，待测复合材料板(11)、限位板、加强板在工装上铺放和固定前，根据待测复合材料板(11)的尺寸和定位压块(2)间距要求，确定所需定位零件、控位零件的数量，并进行安装。
本发明的有益效果是由于采用工装辅助耐高温环氧胶进行加强板/待测复板材原位胶接，再进行机加工的方法制备复合材料测试样件，确保树脂胶固化过程无相对位移，提高样件批次一致性，且加强板胶接可靠，可有效解决常规方法制备的样件在高温、湿热等严酷环境条件下测试时加强片脱粘、异常破坏导致的测试失效的问题，同时，相较传统制样方法，大幅提高样件制备效率。
附图说明
图1为制备复合材料测试样件的工装安装示意图。
图2为三夹层复合结构试样料坯在专用工装上的固定示意图。
图3为制备拉伸测试样件的三夹层复合结构试样料坯的断面图。
其中，1—工装底座，2—定位压块，3—定位螺杆，4—定位螺母，5—控位挡板，6—控位螺栓，7—控位螺母，8—控位螺钉，9—拉伸试样加强板，10—拉伸试样限位板，11—待测复合材料板，12—压缩试样加强板，13—压缩试样限位板。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
现结合实例、附图对本发明作进一步描述，所述实例为碳纤维复合材料板(11)拉伸样件的制备，该实例仅为本发明一部分。
本发明提出了一种辅助制备复合材料测试样件的工装及加工方法，采用专用工装固定由加强板、限位板和待测复材板构成的三夹层复合结构试样料坯，辅助制备带有加强片的复合材料力学性能测试样件，其特征在于先在专用工装上固定限位板、加强板和待测复材板，确保加强板和待测复材板胶接固化过程无相对位移，采用耐高温环氧胶胶接固化工艺提高胶接可靠性，再按照尺寸要求机加工分割得到相应尺寸测试样件。
一种辅助制备复合材料测试样件的工装由底座、定位零件和控位零件构成，具备位置对准、加强板固定等功能，可用于不同尺寸样件制作过程的定位和固定。其中定位零件包括定位螺杆(3)、定位压块(2)及定位螺母(4)，控位零件包括控位挡板(5)、控位螺栓(6)、控位螺钉(8)、控位螺母(7)。定位螺杆(3)、定位压块(2)及定位螺母(4)按照1:1:2配套安装，控位挡板(5)、控位螺栓(6)、控位螺钉(8)、控位螺母(7)为1:1:1:1配套安装。
所述辅助制备复合材料测试样件的工装的底座是由相互垂直的侧板和底板构成，底板轮廓尺寸为720mm×600mm，均布7个尺寸为600mm×20mm的卡槽。侧板上有与底板卡槽相对应的深20mm，宽50mm的凹槽，凹槽中心预留有M8的螺纹孔，用以与控位螺钉(8)配合进行控位挡板(5)的安装和固定。
所述控位挡板(5)平行于底座平面，安装于侧板上，控位挡板(5)的一端通过控位螺钉(8)固定在底座侧板的凹槽内，另一端由控位螺栓(6)支撑，控位螺栓(6)通过控位螺母(7)固定，控位挡板(5)上有与底板卡槽相平行的通槽，通槽尺寸为600mm×14mm，用以实现定位螺杆(3)和控位螺栓(6)在沿控位挡板(5)长度方向的位置调节。
所述控位螺栓(6)下部为直径18mm，高84mm光杆，上部直径10mm，高30mm，有外螺纹，且控位螺栓(6)的螺纹部分为穿过控位挡板(5)的通槽，并高出控位挡板(5)的上表面，起支撑控位挡板(5)的作用。安装时控位螺栓(6)的光杆下端卡入底座的卡槽中，再穿过控位挡板(5)的通槽，并与控位螺母(7)配合，实现控位挡板(5)的位置固定。
所述定位螺杆(3)有外螺纹，通过两个M12的定位螺母(4)在控位挡板(5)的上下表面将定位螺杆(3)固定，定位螺母(4)的外径大于控位挡板(5)的通槽的宽度，安装时定位螺杆(3)从上方穿过控位挡板(5)的通槽，并在控位挡板(5)上下表面各保留一个定位螺母(4)，定位螺杆(3)的下端与定位压块(2)螺接。
所述定位压块(2)为直径为40mm的圆台，通过调节定位螺杆(3)上两个定位螺母(4)控制定位螺杆(3)和定位压块(2)上下移动，实现对料坯的固定。
在辅助制备复合材料测试样件的工装上铺放待测复合材料板(11)、两块限位板和四块加强板，限位板尺寸小于待测复合材料板(11)，两块限位板位于待测复合材料板(11)中间的上下表面，且两块限位板互为镜像，每块限位板的两侧沿长度方向各铺放一块加强板，且加强板与限位板无缝对接，铺放过程及时清理掉接缝部位残胶并避免溢流。
所述实例中，采用洛德230进行碳纤维复合材料板(11)与加强板进行胶接，胶接采用分阶段升温固化的方式进行。
所述实例中，碳纤维增强环氧树脂板用于制备拉伸测试样件，样件尺寸为250mm×25mm×2mm，工作区长度为150mm，加强片长度为50mm，加工数量为6。
所述加强板为5A06铝板，尺寸为240mm×80mm，尺寸精度为±0.1mm。
所述限位板为5A06铝板，尺寸为300mm×150mm，尺寸精度为±0.1mm。
所述定位压块(2)应均匀分布在待测碳纤维复材板上，相邻定位压块(2)间距为72mm，待测复材板、限位板、加强板在专用工装上铺放和固定前，应先根据待测复材板尺寸和定位压块(2)间距要求，确定所需定位零件、控位零件的套数，并进行安装。
本发明提出的辅助制备复合材料测试样件的工装的加工方法，包括以下步骤：
步骤1：先用丙酮清洁工装、待测复材板、加强板、限位板表面油污，再打磨粗化待测复材板两侧和加强板胶接面，限位板表面涂脱模剂。
步骤2：根据待测碳纤维复材板尺寸，确定定位压块(2)9件，控位挡板(5)3件及配套数量控位和定位零件，并进行安装。
步骤3：加强板胶接面均匀涂洛德230，并清理边缘溢胶和残胶，确保侧棱无树脂流挂；
步骤4：在工装底座上铺放一块限位板，并在限位板两侧各铺放一块加强板，要求限位板与加强板长边对接，加强板涂胶面朝上且各板侧棱无残胶；再在涂胶面上放置待测复材板，要求限位板长边的两端分别较待测复材板长30mm～40mm；然后在待测复材板上表面铺放限位板，确保待测复材板两侧限位板呈镜面对称并及时清理溢胶；最后在限位板两侧沿长度方向各铺放一块加强板，要求限位板与加强板长边对接，加强板涂胶面朝下且各板侧棱无残胶，制作完成三夹层复合结构料坯；
步骤5：旋拧定位螺杆(3)上的定位螺母(4)至定位压块(2)压实三夹层复合结构料坯，在定位螺杆(3)调节过程中，待测复材板、限位板、加强板不得发生相对位移。
步骤6：将专用工装连同固定好的三夹层复合结构料坯一起置于烘箱中，采用分阶段升温的方式进行加强板与复材板胶接固化。具体为60℃，保温30min→110℃，保温30min→160℃，保温30min。固化结束后，随炉降至室温后拆除专用工装。
步骤7：采用复合材料专用数铣刀具，按照目标测试样件所要求的尺寸和精度进行数铣。加工时以限位板较待测复材板长出的部分为机加工基准边，进行三夹层复合结构料坯的装夹、定位。加工过程不使用冷却液。
步骤8：去除数铣加工的测试样件的上下两侧限位板，打磨去除测试样件的毛刺，并用丙酮清洁测试样件表面油污、粉尘，得到目标测试样件。
Claims (9)
1.一种制备复合材料测试样件的工装，包括底座、定位零件和控位零件，其特征在于：
所述制备复合材料测试样件的工装，其中定位零件包括定位压块(2)、定位螺杆(3)和定位螺母(4)，控位零件包括控位挡板(5)、控位螺栓(6)、控位螺母(7)和控位螺钉(8)，所述底座为相互垂直的侧板和底板构成，底板的尺寸大于待测复合材料板(11)的尺寸，侧板上表面设有均匀分布的凹槽，底板上设有均匀分布的卡槽，且每个卡槽与侧板上的凹槽位置一一对应，卡槽纵向方向与侧板相互垂直，卡槽长度大于待测复合材料板(11)的最大尺寸，卡槽宽度大于控位螺栓(6)的直径，每个凹槽内预留有螺纹孔，控位螺钉(8)通过螺纹孔将控位挡板(5)固定在侧板的凹槽内；
所述控位挡板(5)平行于底座平面，安装于侧板上，控位挡板(5)的一端通过控位螺钉(8)固定在底座侧板的凹槽内，另一端由控位螺栓(6)支撑，控位螺栓(6)通过控位螺母(7)固定，控位挡板(5)上有与底板卡槽相平行的通槽，实现定位螺杆(3)和控位螺栓(6)沿控位挡板(5)长度方向的位置调节。
所述控位螺栓(6)的下部为光杆，上部为外螺纹，且控位螺栓(6)的螺纹部分为穿过控位挡板(5)的通槽，并高出控位挡板(5)的上表面，起支撑控位挡板(5)的作用，控位螺栓(6)的光杆下端卡入底座的卡槽中，再穿过控位挡板(5)的通槽，并与控位螺母(7)配合，实现控位挡板(5)的位置固定。
2.根据权利要求1所述的制备复合材料测试样件的工装，其特征在于：
所述定位螺杆(3)有外螺纹，通过两个定位螺母(4)在控位挡板(5)的上下表面将定位螺杆(3)固定，定位螺母(4)的外径大于控位挡板(5)的通槽的宽度，安装时定位螺杆(3)从上方穿过控位挡板(5)的通槽，并在控位挡板(5)上下表面各保留一个定位螺母(4)，定位螺杆(3)的下端与定位压块(2)螺接。
3.根据权利要求1所述的制备复合材料测试样件的工装，其特征在于：
所述定位压块(2)为直径为30mm～60mm的圆台或外径为30mm～60mm的棱台，通过调节定位螺杆(3)上两个定位螺母(4)控制定位螺杆(3)和定位压块(2)上下移动，实现对料坯的固定。
4.一种利用权利要求1所述制备复合材料测试样件的工装的测试样件制备方法，其特征在于包括下述步骤：
步骤1：先用丙酮或无水乙醇或清洗剂清洁工装、待测复合材料板(11)、加强板和限位板的表面油污，再打磨粗化待测复合材料板(11)两侧与加强板的胶接面，限位板的所有表面涂脱模剂；
步骤2：根据待测复合材料板(11)尺寸，确定所需定位零件、控位零件的套数，并进行工装的安装；
步骤3：加强板的胶接面均匀涂耐高温环氧树脂，并清理边缘溢胶和残胶，确保侧棱无树脂流挂；
步骤4：制备三夹层复合结构料坯，步骤如下：
在工装底座上铺放一块限位板，并在限位板两侧各铺放一块加强板，限位板与加强板长边对接，加强板的涂胶面朝上且每个板侧棱无残胶；再在涂胶面上放置待测复合材料板(11)，要求限位板的长边的两端分别比待测复合材料板(11)长出30mm～120mm；然后在待测复合材料板(11)的上表面铺放限位板，确保待测复合材料板(11)两个限位板呈镜面对称并及时清理溢胶；最后在限位板两侧沿长度方向各铺放一块加强板，限位板与加强板长边对接，加强板涂胶面朝下且各板侧棱无残胶，制作完成三夹层复合结构料坯；
步骤5：旋拧定位螺杆(3)上的两个定位螺母(4)至定位压块(2)压实三夹层复合结构料坯，在定位螺杆(3)调节过程中，待测复合材料板(11)、限位板、加强板不得发生相对位移；
步骤6：将工装连同固定好的三夹层复合结构料坯一起置于烘箱中，采用分阶段升温的方式进行加强板与复材板胶接固化，固化结束后，随炉降至室温后拆除工装；
步骤7：加工时，以限位板比待测复合材料板(11)长出的部分为机加工的两个基准边，将三夹层复合结构料坯进行装夹并定位，采用复合材料专用数铣刀具，按照目标测试样件所要求的尺寸和精度进行数铣，将待测复合材料板(11)加工成多个所需目标测试样件；
步骤8：去除数铣加工的测试样件的上下两侧限位板，打磨去除测试样件的毛刺，并用丙酮或无水乙醇或清洗剂清洁测试样件的表面油污和粉尘，得到目标测试样件。
5.根据权利要求4所述的制备复合材料测试样件的工装的测试样件制备方法，其特征在于：
所述步骤7中数控铣过程使用冷却液，则清洗除油除污后将样件置于烘箱中干燥除湿，干燥温度为70℃～100℃，干燥时间为90min～120min。
6.根据权利要求4所述的制备复合材料测试样件的工装的测试样件制备方法，其特征在于：
所述加强板采用环氧胶洛德230或乐泰G500或乐泰9514与待测复合材料板(11)胶接固化，固化温度由采用的环氧胶的类型确定，采取分阶段升温固化的方式保证胶接牢靠，升温梯度为30℃～60℃，每阶段保温20min～60min。
7.根据权利要求4所述的制备复合材料测试样件的工装的测试样件制备方法，其特征在于：
所述三夹层复合结构料坯包括待测复合材料板(11)、两块限位板和四块加强板，在辅助工装上铺放待测复合材料板(11)、两块限位板和四块加强板，限位板尺寸小于待测复合材料板(11)，两块限位板位于待测复合材料板(11)中间的上下表面，且两块限位板互为镜像，每块限位板的两侧沿长度方向各铺放一块加强板，且加强板与限位板无缝对接，铺放过程及时清理掉接缝部位残胶并避免溢流。
8.根据权利要求4所述的制备复合材料测试样件的工装的测试样件制备方法，其特征在于：
所述加强板的宽度W1＝a+h，长度为L1＝(b×n+c×(n-1)+h，其中a为所制备目标测试样件的加强片的长度，b为所制备目标测试样件的加强片的宽度，c为机加工切割损耗，n为所加工试样数量，加工余量h≥20mm，加强板的长度L1和待测复合材料板(11)的宽度相同；
所述限位板的宽度与测试样件的工作区长度相同，限位板的长度为L2＝L1+2k，k取值30mm～120mm，为后续机加工提供定位基准。
9.根据权利要求4所述的制备复合材料测试样件的工装的测试样件制备方法，其特征在于：
所述定位压块(2)均匀分布在待测复合材料板(11)上，两两相邻的定位压块(2)间距为50mm～120mm，待测复合材料板(11)、限位板、加强板在工装上铺放和固定前，根据待测复合材料板(11)的尺寸和定位压块(2)间距要求，确定所需定位零件、控位零件的数量，并进行安装。
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