CN113526222B - 一种超长复合材料应变能杆的连续胶接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超长复合材料应变能杆的连续胶接方法，其步骤为：将应变能杆瓣膜卷绕在卷筒上；瓣膜放卷经过外力作用维持平直状态；打磨并清理胶接面；在胶接部位施胶；两瓣膜对接进入平板模具，保持加压状态实现胶接；裁切边界，应变能杆在拉力作用下牵引前进，并收卷。本发明采用平压胶接代替传统原位胶接，避免了因应变能杆瓣膜弱刚性无法精确定位与工装制造误差造成的胶接后应变能杆无法压平卷曲的问题，同时利用应变能杆自身弹性变形特性，保证了平压胶接后能够回弹至初始状态。此外，将压平、打磨、清理、施胶、加压胶接、裁切等工序集成，实现超长应变能杆的连续胶接，可以保证应变能杆高精度、高稳定、高效率的制备。

Description

一种超长复合材料应变能杆的连续胶接方法
技术领域
本发明涉及大型复合材料可展开空间结构件的制备方法，具体涉及一种超长复合材料应变能杆的连续胶接方法。
背景技术
未来航天探测技术的发展趋势是不断向太阳系及以外的星辰大海挺近，而要完成这一任务，航天器亟待突破两个关键问题：(1)复合材料结构的大型化，如卫星天线面积达到600m2量级、推进机构大型太阳帆面积更是高达1000m2、未来建设的空间太阳能电站更是达到极大尺寸；(2)复合材料结构具备可收拢及展开特性，由于运载能力有限，深空探测航天器必须重量轻、刚度好、收拢体积小、展开可靠性高。空间超长应变能杆(单根长度≥50m)具有大型化及轻量化特点，同时具备了智能收拢与展开功能，是突破上述关键问题的理想结构。
复合材料应变能杆属于连续超长结构，单根长度达到了50m以上，是由一对应变能杆瓣膜对称胶接而成。传统的复合材料胶接方法是首先通过手工打磨、清理胶接面，再进行施胶，采用产品同样面型的工装装夹(根据工艺需要决定是否需要烘箱或热压罐固化胶层)实现胶接，最后修整产品至设计要求状态。传统胶接工艺不仅会因为各种误差导致应变能杆最终无法压平卷绕收拢，产品尺寸更是会严重受到空间尺寸限制，这显然已无法满足超长复合材料应变能杆的胶接需求。因此，必须开发一种能够规避误差影响且突破空间限制的新方法，实现这类超长复合材料应变能结构的高精度、高可靠、高效制备，从而为我国深空探测用大型航天器的研究提供技术储备。
发明内容
本发明的目的是提供一种超长复合材料应变能杆的连续胶接方法，解决胶接产品尺寸受到空间限制的问题，并提高应变能杆胶接的精度、稳定性和效率。
本发明的目的可以通过以下方案来实现：
一方面，本发明提供一种超长复合材料应变能杆的连续胶接方法，其胶接步骤为：
S1、通过放料模块，将一对应变能杆瓣膜卷绕在两个卷筒上，将卷筒放在放料轴上放料，并保持薄膜处于平直状态；
S2、平直状态的瓣膜通过施胶模块时，停止放料，在两根瓣膜的对应胶接部位施胶；
S3、施胶后的平直状态瓣膜通过加压模块，两瓣膜被牵引进入平板模具，定位完成后，保持加压状态实现胶接；
S4、胶接后的维持平直状态的应变能杆通过收卷模块；收料筒收卷，放料模块同时放料实现连续胶接。
优选地，步骤S1中瓣膜厚度小于0.3mm；宽度偏差低于0.2mm；直线度优于0.5mm；料筒直径不小于80mm。所述一对应变能杆瓣膜等长。
瓣膜厚度小于0.3mm：根据前期研究发现，厚度大于0.3mm的瓣膜由于刚度过大难以压平和卷曲，无法满足专利所提工艺方法的需要(本申请中需要对瓣膜进行压平和卷曲的操作)和结构所需功能。宽度偏差低于0.2mm：影响到胶接宽度的均匀性，进而影响结构使用时的可靠性(比如胶接区域突变引起应力集中)。直线度优于0.5mm：①直线度差无法满足专利所提连续自动化的工艺方法的前提，直接影响胶接的顺利进行；②即便实现了胶接，胶接完成的结构本身直线度差也会影响使用的可靠性。料筒直径不小于80mm：瓣膜为弹性体结构(可类比钢卷尺)，过小的卷曲直径会永久损伤瓣膜。
优选地，步骤S1中两卷瓣膜放在放料轴上，处于对中状态；放料模块设有导向辊和对辊，放出的瓣膜经过导向辊轮与对辊约束保持平直状态。此模块具有纠偏功能，通过限位块保证两料筒在中性面共面，将两瓣膜拉出，保证后续其他模块的作业具有高的位置精度。
优选地，在放料模块后设有打磨模块，打磨胶接面部位。打磨模块设有打磨头，打磨头砂料目数为120～600目，打磨压力为0.05MPa～0.2MPa。打磨过程将胶接面以外附近区域压紧固定，保证仅胶接区域受到打磨工具的打磨。砂料目数为120～600目：砂粒太粗很容易磨穿瓣膜，砂粒太细打磨效率低，打磨不到位。打磨压力为0.1MPa～0.2MPa：压力过大很容易磨穿瓣膜，压力太小打磨效率低，打磨不到位。
优选地，在施胶模块和打磨模块之间设有清理模块。清理模块清理打磨后的胶接面部位，通过清理将胶接面部位清理至可胶接状态。
优选地，清理模块外设防尘罩。清理时通过毛刷与吸尘头清除瓣膜表面打磨粉尘。胶接面部位经过沾有清洗剂的纱布多次往复擦拭，再经过干净纱布擦拭，完成胶接面的清理。
优选地，步骤S2施胶过程可采用胶膜或胶粘剂。所述胶膜的厚度小于0.15mm，宽度偏差低于0.2mm，固化时间为5～15min；所述胶粘剂的最低粘度大于15000mPa·s。胶膜厚度小于0.15mm：①工艺中希望胶膜或者胶粘剂尽可能受压不延展(改变胶膜或胶粘剂配方提高其最低粘度)；②胶膜或胶粘剂在胶接过程中可能会受压延展。对于情况①，胶膜或胶粘剂受压不延展，若胶膜或胶粘剂厚了，会导致胶接完成后的应变能杆胶接面的厚度偏大，影响卷曲性能；对于情况②，减小胶膜或胶粘剂的厚度可以减小其延展的程度，若胶膜或胶粘剂在固化过程中受压延展，胶接面宽度会大于理论宽度且宽度不均匀，进而使结构偏离设计值，影响结构使用时的可靠性。宽度偏差低于0.2mm：影响到胶接宽度的均匀性，进而影响结构在使用时的可靠性。胶粘剂最低粘度大于15000mPa·s：尽可能减少胶粘剂固化过程中受压延展的程度。
优选地，胶粘剂为双组份。经过混合后，最低粘度大于15000mPa·s。
优选地，步骤S3中平板模具表面粗糙度优于Ra1.6，平面度优于0.1mm。平板模具作用在压平状态应变能杆上的压力为0.1～0.3Mpa。平板模具具有加热功能。表面粗糙度优于Ra1.6，平面度优于0.1mm：对模具面粗糙度和平面度提出要求是为了保证胶接完产品的表面质量和厚度均匀性。压力0.1～0.3MPa：压力过小，胶接不充分导致胶接性能差；压力过大，胶层会过度延展导致胶层太薄且宽度不均。
平板模具上模可以上下开合，模具面涂覆脱模剂，平板模具作用在压平状态应变能杆上的压力为0.1～0.3MPa。模具可根据工艺需要加压加热模具温度小于100℃，胶接温度要至少比瓣膜树脂基材使用温度低80℃。
优选地，在加压模块后设有切割模块。切割模块将应变能杆两侧边界裁切至设计尺寸。裁切过程中设计边界以内部分区域采用夹具压紧，并采用超声辅助切割方法，降低切割过程对结构的损伤。
优选地，在收卷模块前设有牵引模块。胶接好的应变能杆在牵引模块拉力作用下牵引前进，继续保持平直状态并通过料卷收卷。
优选地，步骤S4中收卷模块设有对辊，应变能杆经过对辊约束保持平直状态。通过收卷模块收拢应变能杆，收料筒的直径不小于150mm。
当加压模块的平板模具打开，应变能杆被牵引前进时，仅放卷模块放料，收卷模块收料；在加压模块的平板模具压合的过程中，打磨模块打磨胶接面，清理模块清理打磨部位，施胶模块在胶接面涂覆胶粘剂或贴附胶膜，切割模块裁边。通过上述步骤从而完成了一个胶接循环周期，并通过不断重复这个周期，实现应变能杆的连续胶接。
另一方面，本发明还涉及一种超长复合材料应变能杆的连续胶接的装置，依次包括放料模块、打磨模块、清理模块、施胶模块、加压模块、切割模块、牵引模块、收卷模块；所述放料模块包括放在料轴上的卷筒、瓣膜从料筒上放料依次经过的导向辊和对辊；所述打磨模块设有打磨头；所述施胶模块包括刮胶头或者压辊；所述加压模块设有可加热平板模具；所述收卷模块设有压平状态应变能杆经过对辊进行收料的料筒。
应变能杆由两片瓣膜对称胶接而成，因其弹性超薄的特点，可以被压平后卷曲收拢，展开后恢复设计截面。本申请中提及的工艺方法正是利用这一特点：将瓣膜收卷，瓣膜发生弹性变形，截面变成平直状态，在平直状态下进行胶接，不仅简化了胶接方法，提高了胶接效率和质量，更可以解决原位胶接过程中因瓣膜弱刚性无法精确定位与工装制造误差造成的胶接后应变能杆无法压平卷曲的问题(原位胶接就是按设计状态胶接，这必须保证对称瓣膜完全处于理论位置，对位置精度要求极高)。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明采用连续压平胶接的方法代替传统手工胶接，不仅解决了原位胶接因各种误差引起的后续无法压平卷绕的问题，更是突破空间尺寸限制，将压平、打磨、清理、施胶、加压胶接、裁切等工序集成，实现了超长尺寸的复合材料应变能结构高精度、高可靠、高效制备。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明提供的超长复合材料应变能杆连续胶接方法的整体示意图；
图2为本发明应变能杆胶接前后形变示意图；
其中，1、放料模块，2、打磨模块，3、清理模块，4、施胶模块，5、加压模块，6、切割模块，7、牵引模块，8、收卷模块。
具体实施方式
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例和附图对本发明进行进一步详细说明，实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明提供一种超长复合材料应变能杆的连续胶接方法，其胶接步骤为：
S1、将一对等长的应变能杆瓣膜卷绕并固定在两个料筒上，绕卷过程中保持应变能杆被张紧；
S2、将两卷瓣膜料筒安装在放料模块的料轴上，通过限位块保证两料筒在中性面共面，将两瓣膜拉出，经过导向辊及对辊的约束，使瓣膜保持平直状态；
S3、两瓣膜经过各自的打磨模块，瓣膜外表面(非打磨面)由刚性平板支撑，胶接面以外附近区域通过压板压紧固定在支撑平板上，漏出打磨面，通过打磨头沿牵引方向往复运动，打磨胶接面。
S4、两瓣膜经过各自的清理模块，模块外设防尘罩，先经过毛刷与吸尘头清除表面打磨粉尘，然后经过沾有清洗剂的纱布多次往复擦拭打磨部位，再经过干净纱布擦拭，完成胶接面的清理；
S5、两瓣膜经过导向辊转向，经过施胶模块，模块中包含压辊与收膜辊，位于上部(或者下部)的瓣膜外表面(非打磨面)由刚性平板支撑，胶接面以外附近区域通过压板压紧固定在支撑平板上，漏出胶接面，采用胶膜或胶粘剂对胶接面进行施胶。
S6、两瓣膜经过对辊约束对接，合为平直状态的应变能杆，并经过加压模块，加压模块为一对平板模具，具有加热功能，上模可以上下开合，模具面涂覆脱模剂，应变能杆进入平板模具后，模具压合，保压，胶层固化完全，模具再抬起；
S7、应变能杆经过切割模块，应变能杆外的设计边界以内部分区域采刚性平板压紧，具有超声辅助振动的切割片通过旋转与往复运动，低损伤裁切边界部位。
S8、应变能杆经过牵引模块，由履带式牵引机构压紧拖拽，实现应变能杆的牵引；
S9、应变能杆经过对辊约束保持平直状态，由收卷模块提供张力，被卷绕在料筒上。
本发明还涉及一种超长复合材料应变能杆的连续胶接的装置，包括依次连接的放料模块1、打磨模块2、清理模块3、施胶模块4、加压模块5、切割模块6、牵引模块7、收卷模块8。所述放料模块包括放在料轴上的卷筒、瓣膜从料筒上放料依次经过的导向辊和对辊；所述施胶模块包括施胶的刮胶头或者压辊；所述加压模块设有平板模具；所述收卷模块设有瓣膜经过对辊被收卷的料筒。瓣膜在放料模块的料筒上，经导向辊和对辊的约束保持平直状态，被牵引至打磨模块，打磨后至清理模块，清理打磨部位，再经施胶模块对胶接面涂抹胶粘剂或贴附胶膜，瓣膜进入加压模块压合固化粘接，出了加压模块在切割模块进行切割，将应变能杆两侧边界裁切至设计尺寸，后经过牵引模块的牵引进入收卷模块，粘接好的应变能杆经过对辊被收卷在料筒上。
实施例1
本实施例涉及一种超长复合材料应变能杆的连续胶接方法，图1给出了超长复合材料应变能杆连续胶接方法的整体示意图。
具体的胶接方法如下：
S1、将一对等长的应变能杆瓣膜卷绕并固定在两个直径为150mm的料筒上，绕卷过程中保持应变能杆被张紧；瓣膜厚度为0.2mm；宽度偏差为0.1mm；直线度为0.2mm；
S2、将两卷瓣膜料筒安装在放料模块1的料轴上，通过限位块保证两料筒在中性面共面，将两瓣膜拉出，经过导向辊及对辊的约束，使瓣膜保持平直状态；
S3、两瓣膜经过各自的打磨模块，瓣膜外表面(非打磨面)由刚性平板支撑，胶接面以外附近区域通过压板压紧固定在支撑平板上，漏出打磨面，通过打磨头沿牵引方向往复运动，打磨胶接面，打磨头砂料目数为400目，打磨压力为0.15MPa。
S4、两瓣膜经过各自的清理模块，模块外设防尘罩，先经过毛刷与吸尘头清除表面打磨粉尘，然后经过沾有清洗剂的纱布多次往复擦拭打磨部位，再经过干净纱布擦拭，完成胶接面的清理；
S5、两瓣膜经过导向辊转向，经过各自的施胶模块，模块中包含可以往复运动的刮胶头，胶粘剂为双组份，A、B组分经过混合后，最低粘度为20000mPa·s的胶粘剂经过刮胶头出口的约束，被挤出厚度为0.15mm、宽度与胶接面等宽的胶液，并通过刮胶头的运动，均匀的涂覆在上部(或者下部)瓣膜胶接面上，而另外一根瓣膜上未涂覆。
S6、两瓣膜经过对辊约束对接，合为平直状态的应变能杆，并经过加压模块，加压模块为一对平板模具，上模可以上下开合，模具面涂覆脱模剂，应变能杆进入平板模具后，模具压合，作用在压平状态应变能杆上的压力为0.1MPa，并保持10min，胶粘剂固化完全，模具再抬起；
S7、应变能杆经过切割模块，应变能杆外的设计边界以内部分区域采刚性平板压紧，具有超声辅助振动的切割片通过旋转与往复运动，低损伤裁切边界部位。
S8、应变能杆经过牵引模块，由履带式牵引机构压紧拖拽，实现应变能杆的牵引；
S9、应变能杆经过对辊约束保持平直状态，由收卷模块提供张力，被卷绕在直径为200mm的料筒上。
当加压模块5的平板模具打开，应变能杆被牵引模块7牵引前进时，仅放卷模块1放料，收卷模块8收料；在加压模块5的平板模具压合并保持10min的过程中，打磨模块2打磨胶接面，清理模块3清理打磨部位，施胶模块4在胶接面涂覆胶粘剂，切割模块6裁边，从而完成了一个胶接循环周期。并通过不断重复这个周期，实现应变能杆的连续胶接。
实施例2
本实施例涉及一种超长复合材料应变能杆的连续胶接方法，图1给出了超长复合材料应变能杆连续胶接方法的整体示意图。
具体的胶接方法如下：
S1、将一对等长的应变能杆瓣膜卷绕并固定在两个直径为150mm的料筒上，绕卷过程中保持应变能杆被张紧；瓣膜厚度为0.2mm；宽度偏差为0.1mm；直线度为0.2mm；
S2、将两卷瓣膜料筒安装在放料模块1的料轴上，通过限位块保证两料筒在中性面共面，将两瓣膜拉出，经过导向辊及对辊的约束，使瓣膜保持平直状态；
S3、两瓣膜经过各自的打磨模块，瓣膜外表面(非打磨面)由刚性平板支撑，胶接面以外附近区域通过压板压紧固定在支撑平板上，漏出打磨面，通过打磨头沿牵引方向往复运动，打磨胶接面，打磨头砂料目数为400目，打磨压力为0.15MPa。
S4、两瓣膜经过各自的清理模块，模块外设防尘罩，先经过毛刷与吸尘头清除表面打磨粉尘，然后经过沾有清洗剂的纱布多次往复擦拭打磨部位，再经过干净纱布擦拭，完成胶接面的清理；
S5、两瓣膜经过导向辊转向，经过施胶模块，模块中包含压辊与收膜辊，位于上部(或者下部)的瓣膜外表面(非打磨面)由刚性平板支撑，胶接面以外附近区域通过压板压紧固定在支撑平板上，漏出胶接面，单面带膜(带膜一侧与压辊接触)的厚度为0.1mm、宽度与胶接面等宽的胶膜经过压辊与牵引所造成的相对运动，被贴附在胶接面上，并通过收膜辊收回薄膜。位于上部(或者下部)的瓣膜胶接面上贴附了一层胶膜，而另外一根瓣膜上没有胶膜。
S6、两瓣膜经过对辊约束对接，合为平直状态的应变能杆，并经过加压模块，加压模块为一对平板模具，具有加热功能，上模可以上下开合，模具面涂覆脱模剂，模具温度保持80℃，应变能杆进入平板模具后，模具压合，作用在压平状态应变能杆上的压力为0.2MPa，并保压15min，胶膜固化完全，模具再抬起；
S7、应变能杆经过切割模块，应变能杆外的设计边界以内部分区域采刚性平板压紧，具有超声辅助振动的切割片通过旋转与往复运动，低损伤裁切边界部位。
S8、应变能杆经过牵引模块，由履带式牵引机构压紧拖拽，实现应变能杆的牵引；
S9、应变能杆经过对辊约束保持平直状态，由收卷模块提供张力，被卷绕在直径为200mm的料筒上。
当加压模块5的80℃平板模具打开，应变能杆被牵引模块7牵引前进时，仅放卷模块1放料，施胶模块4在胶接面贴附胶膜，收卷模块8收料；在加压模块5的80℃平板模具压合并保持15min的过程中，打磨模块2打磨胶接面，清理模块3清理打磨部位，切割模块6裁边，从而完成了一个胶接循环周期。并通过不断重复这个周期，实现应变能杆的连续胶接。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (7)

1.一种超长复合材料应变能杆的连续胶接方法，其特征在于，胶接步骤为：
S1、通过放料模块，将一对应变能杆瓣膜卷绕在两个卷筒上，将卷筒放在放料轴上放料，并保持瓣膜处于平直状态；
S2、平直状态的瓣膜通过施胶模块时，停止放料，在两根瓣膜的胶接面部位施胶；
S3、施胶后的平直状态瓣膜通过加压模块，两瓣膜被牵引进入平板模具，定位完成后，保持加压状态实现胶接；
S4、胶接后的维持平直状态的应变能杆通过收卷模块，收料筒收卷，放料模块同时放料实现连续胶接；
步骤S1中两卷瓣膜放在放料轴上，处于对中状态；放料模块设有导向辊和对辊，放出的瓣膜经过导向辊与对辊约束保持平直状态；
步骤S2施胶过程可采用胶膜或胶粘剂，所述胶膜的厚度小于0.15mm，宽度偏差低于0.2mm，固化时间为5~15min；所述胶粘剂的最低粘度大于15000mPa·s；
步骤S3中平板模具表面粗糙度优于Ra1.6，平面度优于0.1mm；平板模具作用在压平状态应变能杆上的压力为0.1~0.3Mpa。
2.根据权利要求1所述超长复合材料应变能杆的连续胶接方法，其特征在于，步骤S1中瓣膜的厚度小于0.3mm；宽度偏差低于0.2mm；直线度优于0.5mm；料筒直径不小于80mm。
3.根据权利要求1所述超长复合材料应变能杆的连续胶接方法，其特征在于，在放料模块后设有打磨模块，打磨胶接面部位。
4.根据权利要求3所述超长复合材料应变能杆的连续胶接方法，其特征在于，在施胶模块和打磨模块之间设有清理模块。
5.根据权利要求1所述超长复合材料应变能杆的连续胶接方法，其特征在于，在加压模块后设有切割模块。
6.根据权利要求1所述超长复合材料应变能杆的连续胶接方法，其特征在于，所述步骤S4中收卷模块设有对辊，应变能杆经过对辊约束保持平直状态。
7.一种如权利要求1-6任一项所述胶接方法使用的胶接装置，其特征在于，依次包括放料模块、打磨模块、清理模块、施胶模块、加压模块、切割模块、牵引模块、收卷模块；所述放料模块包括放在料轴上的卷筒、瓣膜从料筒上放料依次经过的导向辊和对辊；所述打磨模块设有打磨头；所述施胶模块包括刮胶头或者压辊；所述加压模块设有可加热平板模具；所述收卷模块设有压平状态应变能杆经过对辊进行收料的料筒。
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