CN113357236A - 三维打印碳纤维复合材料与金属材料的连接结构及连接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及连接结构技术领域,特别涉及一种三维打印碳纤维复合材料与金属材料的连接结构及连接方法,包括碳纤维复合材料构件、金属材料构件以及紧固件,所述碳纤维复合材料构件和金属材料构件分别开设有配合孔和安装孔,所述配合孔和安装孔相互对应,所述配合孔内固定套接有金属套筒,所述金属套筒内形成有用于连接所述紧固件的通孔,所述紧固件穿过所述通孔和安装孔将所述碳纤维复合材料构件和金属材料构件紧固连接。本发明一种三维打印碳纤维复合材料与金属材料的连接结构及连接方法,能解决碳纤维复合材料结构连接紧固件与受载孔之间的直接接触问题,确保连接结构不易损坏,有效提高连接件的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及连接结构技术领域,特别涉及一种三维打印碳纤维复合材料与金属材料的连接结构及连接方法。
背景技术
随着机器人轻量化的发展趋势,材料轻量化相对于结构轻量化而言,具有更大的减重潜力和更广阔的应用范围。碳纤维复合材料因其密度小、强度比模量高、可设计性强等优势,常用来代替部分金属结构件,那么碳纤维复合材料结构件不可避免地要与金属材料结构件连接。然而,与金属材料相比,碳纤维复合材料有性脆,表层易受损伤,各向异性显著,应力集中高等缺点,因此其机械连接工艺与金属有显著不同。
在机器人的运用中,用碳纤维复合材料代替金属材料制成的机械臂外壳需与减速机等金属材料结构件连接,采用传统的螺栓连接方式,碳纤维复合材料结构连接有紧固件与受载孔之间的直接接触问题,由于接触连接接头传力机理与碳纤维复合材料零部件中各层的作用机理不相适应。在机械臂关节进行旋转工作时,紧固件与碳纤维复合材料受载孔在侧向力作用下有频繁的微动摩擦造成磨损甚至疲劳破坏,以及由于碳纤维复合材料和金属材料刚性差异大,紧固件在之间传递载荷,应力会过于集中在紧固件上而导致紧固件会发生断裂失效。
发明内容
本发明提供一种三维打印碳纤维复合材料与金属材料的连接结构及连接方法,能解决碳纤维复合材料结构连接紧固件与受载孔之间的直接接触问题,确保连接结构不易损坏,有效提高连接件的使用寿命,对碳纤维复合材料在机器人轻量化推广应用中有着重要的作用。
本发明提供一种三维打印碳纤维复合材料与金属材料的连接结构,包括碳纤维复合材料构件、金属材料构件以及紧固件,所述碳纤维复合材料构件和金属材料构件分别开设有配合孔和安装孔,所述配合孔和安装孔相互对应,其特征在于,所述配合孔内固定套接有金属套筒,所述金属套筒内形成有用于连接所述紧固件的通孔,所述紧固件穿过所述通孔和安装孔以将所述碳纤维复合材料构件和金属材料构件紧固连接。
根据本发明提供的一种三维打印碳纤维复合材料与金属材料的连接结构,所述金属套筒的外壁镶嵌在所述配合孔内。
根据本发明提供的一种三维打印碳纤维复合材料与金属材料的连接结构,所述金属套筒的外壁与所述配合孔的内壁之间粘连有结构胶层。
根据本发明提供的一种三维打印碳纤维复合材料与金属材料的连接结构,所述金属套筒的外壁做机械打磨等表面处理,增加其粗糙度。
根据本发明提供的一种三维打印碳纤维复合材料与金属材料的连接结构,所述紧固件为半螺纹螺栓。
根据本发明提供的一种三维打印碳纤维复合材料与金属材料的连接结构,所述螺栓的杆部覆盖有润滑防护涂层。
根据本发明提供的一种三维打印碳纤维复合材料与金属材料的连接结构,所述润滑防护涂层为环氧基二硫化钼涂层。
根据本发明提供的一种三维打印碳纤维复合材料与金属材料的连接结构,所述金属套筒为黄铜材质。
根据本发明提供的一种三维打印碳纤维复合材料与金属材料的连接结构,所述结构胶层为环氧树脂AB胶。
根据本发明提供的一种三维打印碳纤维复合材料与金属材料的连接结构,还包括螺母,所述螺母螺纹连接于所述半螺纹螺栓的末端。
根据本发明提供的一种三维打印碳纤维复合材料与金属材料的连接结构,所述配合孔的内径与所述金属套筒的外径相互适配,形成过盈配合,所述金属套筒的内径与所述紧固件的外径相互适配。
根据本发明提供的一种三维打印碳纤维复合材料与金属材料的连接结构,所述金属套筒的高度等于所述配合孔中与金属套筒相适配部分的深度。
本发明还提供一种三维打印碳纤维复合材料与金属材料的连接方法,包括上述碳纤维复合材料与金属材料的连接结构,还包括如下步骤:
S1,在碳纤维复合材料构件的配合孔内壁涂抹结构胶层;
S2,将金属套筒外壁做机械打磨等表面处理;
S3,将金属套筒固定镶嵌于碳纤维复合材料构件的配合孔内;
S4,在紧固件的杆部预涂润滑防护涂层;
S5,通过把紧固件穿过通孔和安装孔将碳纤维复合材料构件与金属材料构件紧固连接在一起。
本发明提供的一种三维打印碳纤维复合材料与金属材料的连接结构及连接方法,在碳纤维复合材料配合孔内固定镶嵌金属套筒,可以避免紧固件与碳纤维复合材料受载孔之间的直接接触,能有效减缓由于在运转中因微动摩擦而对碳纤维复合材料构件和紧固件造成的磨损甚至疲劳破坏,增加了碳纤维复合材料接头的使用寿命,以及解决了由于碳纤维复合材料和金属材料刚性差异大,紧固件在传递载荷过程中应力过于集中所导致的紧固件断裂失效的问题,延长了其紧固件的使用寿命,对碳纤维复合材料在机器人轻量化推广应用中有着重要的作用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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是本发明连接结构的剖视图;
图2是本发明连接结构的正视图;
图3是本发明连接结构的整体结构示意图。
1-碳纤维复合材料构件;11-配合孔;2-金属材料构件;21-安装孔;3-紧固件;31-润滑防护涂层;4-金属套筒;41-通孔;5-结构胶层;6-螺母。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明中的附图,对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
下面结合图1描述本发明的一种三维打印碳纤维复合材料与金属材料的连接结构,包括碳纤维复合材料构件1、金属材料构件2以及紧固件3,碳纤维复合材料构件1和金属材料构件2分别开设有配合孔11和安装孔21,配合孔11和安装孔21相互对应,配合孔11内固定套接有金属套筒4,金属套筒4内形成有用于连接紧固件3的通孔41,紧固件3穿过通孔41和安装孔21以将碳纤维复合材料构件1和金属材料构件2紧固连接。
本实施例中,在碳纤维复合材料的配合孔11内固定镶嵌金属套筒4,可以避免紧固件3与碳纤维复合材料受载孔之间的直接接触,能有效减缓由于在运转中因微动摩擦而对碳纤维复合材料构件1和紧固件3造成的磨损以及疲劳破坏,增加了碳纤维复合材料接头的使用寿命,以及解决了由于碳纤维复合材料和金属材料刚度差异大,紧固件在传递载荷过程中应力过于集中所导致的紧固件断裂失效的问题,延长了其紧固件的使用寿命。
进一步地,金属套筒4的外壁镶嵌在配合孔11内。以使金属套筒4可以更为稳固地固定连接在配合孔11内。
进一步地,金属套筒4的外壁做机械打磨等表面处理,以及金属套筒4的外壁与配合孔11的内壁之间粘连有结构胶层5。通过表面处理和结构胶层5可以增加金属套筒4与碳纤维复合材料接头之间的结合力。
进一步地,螺栓的杆部覆盖有润滑防护涂层31。通过在紧固件上涂抹覆盖一层均匀且较薄的自润滑防护涂层,使得紧固件具有优良的耐磨、承载、自润滑、抗腐蚀性和热稳定性,可以起到表面防护、防腐、润滑和延长紧固件使用寿命的作用。
进一步地,还包括螺母6,螺母6螺纹连接于螺栓的末端。
进一步地,配合孔11的内径与金属套筒4的外径相互适配,形成过盈配合,所述金属套筒4的内径与所述紧固件3的外径相互适配。
进一步地,金属套筒4的高度等于配合孔11中与金属套筒4相适配部分的深度。
可选地,结构胶层5的材质为环氧树脂AB胶,具有密实、强度高、附着力强的特点。金属套筒4采用黄铜材质,具有质软、耐磨性能强的特点,其属于一种用于轴承的材料,能够大大减缓碳纤维复合材料构件1内配合孔11的磨损以及避免了与紧固件3之间传递载荷时应力过于集中的问题,延长了碳纤维复合材料构件1接头和紧固件3的使用寿命。
紧固件3为半螺纹的螺栓,半螺纹螺栓能有助于提高连接结构的机械强度,使连接更为稳固,在螺栓的杆部涂抹的润滑防护涂层31为环氧基二硫化钼涂层,其具有优良的耐磨、承载、自润滑、抗腐蚀性和热稳定性,可以起到表面防护、防腐、润滑和延长紧固件使用寿命的作用。
本发明还提供一种三维打印碳纤维复合材料与金属材料的连接方法,包括上述本实施例的碳纤维复合材料与金属材料的连接结构,还包括如下步骤:
S1,在碳纤维复合材料构件1的配合孔11内壁涂抹结构胶层5;
S2,将金属套筒4外壁做机械打磨等表面处理;
S3,将金属套筒4固定镶嵌于碳纤维复合材料构件1的配合孔11内;
S4,在紧固件3的杆部预涂润滑防护涂层31;
S5,通过把紧固件3穿过通孔41和安装孔21将碳纤维复合材料构件1与金属材料构件2紧固连接在一起。
本实施例的一种三维打印碳纤维复合材料与金属材料的连接方法,通过在碳纤维复合材料配合孔11内镶嵌金属套筒4,并且通过结构胶层5连固为一体,不仅可以增加金属套筒4与碳纤维复合材料接头之间的结合力,还可以避免紧固件3与碳纤维复合材料受载孔之间的直接接触,减缓由于在运转中微动摩擦产生的磨损以及疲劳破坏,增加了碳纤维复合材料接头的使用寿命,以及解决了由于碳纤维复合材料和金属材料刚性差异大,紧固件在传递载荷过程中应力过于集中所导致的紧固件断裂失效的问题,延长了其紧固件的使用寿命,对碳纤维复合材料在机器人轻量化推广应用中有着重要的作用。
基于上述本实施例的方案,作出如下试验例:
试验例1
碳纤维复合材料和铝板试验件规格均为长度100mm×宽度25mm×厚度2mm,两者通过紧固件将其通孔连接做拉伸断裂试验。在碳纤维复合材料受载孔中不镶嵌金属套筒以及分别镶嵌H65黄铜、TA2钛合金、304不锈钢的金属套筒。不镶嵌金属套筒的情况下碳纤维复合材料受载孔的断裂强度为75.9MPa,而采用镶嵌H65黄铜、TA2钛合金、304不锈钢的金属套筒的情况下碳纤维复合材料受载孔的断裂强度分别为91.8MPa、90.2MPa、93.7MPa。
试验例2
金属套筒4分别采用三种不同材质,有H65黄铜、TA2钛合金、304不锈钢,长度均为2mm,外径均为3.98mm,完全镶嵌于2mm厚度的碳纤维复合材料受载孔中,其受载孔内径为3.97mm,受载孔内壁抹有环氧树脂ab胶。对套筒做沿其长度方向从碳纤维复合材料受载孔中顶出的强度试验,不对金属套筒4做表面处理时,H65黄铜、TA2钛合金、304不锈钢的金属套筒被顶出时的极限强度分别为6.58MPa、5.89MPa、4.63MPa;对金属套筒4外壁均做相同程度的机械打磨来增加粗糙度,H65黄铜、TA2钛合金、304不锈钢的金属套筒被顶出时的极限强度分别为7.38MPa、6.87MPa、7.21MPa。
最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种三维打印碳纤维复合材料与金属材料的连接结构,包括碳纤维复合材料构件(1)、金属材料构件(2)以及紧固件(3),所述碳纤维复合材料构件(1)和金属材料构件(2)分别开设有配合孔(11)和安装孔(21),所述配合孔(11)和安装孔(21)相互对应,其特征在于,所述配合孔(11)内固定套接有金属套筒(4),所述金属套筒(4)内形成有用于连接所述紧固件(3)的通孔(41),所述紧固件(3)穿过所述通孔(41)和安装孔(21)以将所述碳纤维复合材料构件(1)和金属材料构件(2)紧固连接。
2.根据权利要求1所述的三维打印碳纤维复合材料与金属材料的连接结构,其特征在于,所述金属套筒(4)的外壁镶嵌在所述配合孔(11)内。
3.根据权利要求1所述的三维打印碳纤维复合材料与金属材料的连接结构,其特征在于,所述金属套筒(4)的外壁与所述配合孔(11)的内壁之间粘连有结构胶层(5)。
4.根据权利要求1所述的三维打印碳纤维复合材料与金属材料的连接结构,其特征在于,所述金属套筒(4)的外壁做机械打磨等表面处理,增加粗糙度。
5.根据权利要求1所述的三维打印碳纤维复合材料与金属材料的连接结构,其特征在于,所述紧固件(3)为半螺纹螺栓。
6.根据权利要求5所述的三维打印碳纤维复合材料与金属材料的连接结构,其特征在于,所述螺栓的杆部覆盖有润滑防护涂层(31)。
7.根据权利要求5所述的三维打印碳纤维复合材料与金属材料的连接结构,其特征在于,所述润滑防护涂层(31)为环氧基二硫化钼涂层。
8.根据权利要求1所述的三维打印碳纤维复合材料与金属材料的连接结构,其特征在于,所述金属套筒(4)为黄铜材质。
9.根据权利要求3所述的三维打印碳纤维复合材料与金属材料的连接结构,其特征在于,所述结构胶层(5)为环氧树脂AB胶。
10.一种三维打印碳纤维复合材料与金属材料的连接方法,其特征在于,包括权利要求1~9所述的碳纤维复合材料与金属材料的连接结构,还包括如下步骤:
S1,在碳纤维复合材料构件(1)的配合孔(11)内壁涂抹结构胶层(5);
S2,将金属套筒(4)外壁做机械打磨等表面处理;
S3,将金属套筒(4)固定镶嵌于碳纤维复合材料构件(1)的配合孔(11)内;
S4,在紧固件(3)的杆部预涂润滑防护涂层(31);
S5,通过把紧固件(3)穿过通孔(41)和安装孔(21)将碳纤维复合材料构件(1)与金属材料构件(2)紧固连接在一起。
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