CN114562499B - 增强型铝合金榫卯结构 - Google Patents
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Abstract
本发明属于铝合金构件连接技术领域，具体涉及一种增强型铝合金榫卯结构，包括设置在榫件本体上的、与榫件本体一体成型的榫头和设置在卯件本体的对应位置上的、与榫头相匹配的卯孔，在卯孔的内表面依次设有氧化铝金属陶瓷复合材料涂层、碳化钨金属陶瓷复合材料涂层，在榫头与卯孔相对应的面上依次设有氧化铝金属陶瓷复合材料涂层、碳化钨金属陶瓷复合材料涂层，在卯孔的碳化钨金属陶瓷复合材料涂层和榫头的碳化钨金属陶瓷复合材料涂层之间设有化学连接剂结构层。本发明大幅度提高了铝合金榫卯结构的强度，能有效地防止榫头折断、榫头剪断、榫肩根部撕裂、卯孔根部撕裂、卯孔壁剪断、卯孔壁拉断的情况发生。
Description
技术领域
本发明属于铝合金构件连接技术领域，具体涉及一种增强型铝合金榫卯结构。
背景技术
榫卯结构，通常是指将一个构件的凸出部分与另一个构件的凹进部分相互咬合，从而将这两个构件连接固定的连接方式，其中，凸出部分称为“榫”或者榫头，与之相匹配的凹进部分称为“卯”或者卯孔、卯眼、榫眼、榫槽，而设有“榫”的构件也称为榫件本体，设有“卯”的构件也称为卯件本体。根据制作构件的材料之不同，可将榫卯结构分为木榫卯结构、石榫卯结构、塑料榫卯结构、铝合金榫卯结构等。就木榫卯结构而言，榫卯结构也可指通过榫头将两个设有卯孔的构件连接固定的连接方式。
近年来，随着铝合金材料在航天、航空、交通运输、建筑、机电、家用器具等多个领域的应用，铝合金榫卯结构也得到了广泛的应用。对于铝合金构件的连接来说，与焊接、螺纹连接等其他连接方式相比，榫卯结构具有诸多优点。然而，铝合金榫卯结构在使用的过程中也会因应力的集中而受损，导致榫头松动、脱落，严重的会导致榫头折断、榫头剪断、榫肩根部撕裂、卯孔根部撕裂、卯孔壁剪断、卯孔壁拉断。
为了提高铝合金榫卯结构的强度，本领域技术人员从不同的角度对铝合金榫卯结构或者其制备方法进行了改进。例如， 201610485526.2号发明专利公开了一种碳纤维加固铝合金榫卯结构的制备方法，该榫卯结构包括卯件和榫件，卯件设有卯眼，榫件的榫接部位插入卯眼连接，所述卯眼的至少一孔壁覆有碳纤维复合布，榫接部位与覆有碳纤维复合布的卯眼过盈配合，所述碳纤维复合布由卯眼的孔壁延伸至卯件的外侧面。
又如， 20181115 5180.5号发明专利申请公开了一种基于化学连接剂加固的铝合金型材榫卯结构，其主体结构为水平型榫卯结构，包括榫件本体和卯件本体，榫件本体一侧一体成型设置榫头，卯件本体一侧设置卯眼；其中，榫件本体和卯件本体均为铝合金材质，并且一体成型，榫件本体和卯件本体均包括：外框、水平支撑板、竖直支撑板；竖直支撑板与水平支撑板垂直设置，且与外框和水平支撑板形成田字型结构横截面，榫头与卯眼对应设置，且榫头卡合在卯眼内，榫头和卯眼通过化学连接剂进行粘接固定。
在榫头和卯眼的接触面使用碳纤维复合布或者化学连接剂，在一定程度上有助于提高铝合金榫卯结构的强度，但是，在特定的工况条件下效果不是很理想，例如，当铝合金榫卯结构用于新能源汽车的车身骨架，且新能源汽车在颠簸的路面上行驶时，榫头容易松动、脱落、甚至有可能损坏。
另需说明的是，期刊论文《用于某种电动客车的铝合金榫卯节点疲劳性能研究》（载《农业装备与车辆工程》，2020年第2期）采用三点弯曲疲劳试验方法，研究获得了铝合金榫卯节点面外疲劳弯曲工况下的寿命曲线，裂纹萌生与扩展情况和面外刚度变化规律，对完善铝合金榫卯结构的设计具有理论指导作用。
发明内容
本发明的目的旨在进一步提高铝合金榫卯结构的强度，使包含铝合金构件的产品或者由铝合金构件组成的产品更加牢固，该目的是通过下述技术方案实现的：
一种增强型铝合金榫卯结构，包括设置在榫件本体上的、与榫件本体一体成型的榫头和设置在卯件本体的对应位置上的、与榫头相匹配的卯孔，在卯孔的孔壁依次设有氧化铝金属陶瓷复合材料涂层、碳化钨金属陶瓷复合材料涂层，在榫头与卯孔相对应的面上依次设有氧化铝金属陶瓷复合材料涂层、碳化钨金属陶瓷复合材料涂层，在卯孔的碳化钨金属陶瓷复合材料涂层和榫头的碳化钨金属陶瓷复合材料涂层之间设有化学连接剂结构层。
在上述技术方案的基础上，本发明可附加下述技术手段，以便更有效地提高铝合金榫卯结构的强度：
在所述榫头的根部与卯孔接触处周边的榫件本体上设有加强筋板，榫件本体还通过加强筋板与卯件本体连接固定。
进一步地，所述加强筋板的材质为铝合金且与所述榫件本体一体成型。
进一步地，所述加强筋板的纵截面形状为等腰三角形。
进一步地，所述榫头由榫台和榫尖两部分构成，所述卯孔由外卯孔和内卯孔两部分构成，外卯孔的形状、尺寸与榫台的形状、尺寸相匹配，内卯孔的形状、尺寸与榫尖的形状、尺寸相匹配。
进一步地，所述外卯孔与内卯孔均为正方形孔，两者的边长之比为1比10，两者的深度之比为1比2。
进一步地，所述化学连接剂结构层由玻璃胶或者UV固化胶固化而成。
进一步地，所述榫头的氧化铝金属陶瓷复合材料涂层和所述卯孔的氧化铝金属陶瓷复合材料涂层的厚度均为0.5mm，所述榫头的碳化钨金属陶瓷复合材料涂层和所述卯孔的碳化钨金属陶瓷复合材料涂层的厚度均为0.6 mm，所述化学连接剂结构层的厚度为0.2mm。
进一步地，以一种耐磨粘接材料涂层替代所述氧化铝金属陶瓷复合材料涂层，按质量，该耐磨粘接材料涂层由环氧树脂12～16份、钛酸正丁脂3～5份、硼化钨粉末2～3份、硫酸钡粉末2～3份、石棉纤维2～3份、磷酸二氢铝粉末2～3份、硅化镁粉末2～3份、湿磨云母粉2～3份混合而成。
本发明的主要有益效果如下：
氧化铝金属陶瓷复合材料涂层与卯眼、榫头之间的粘接力强，且具有较强的硬度，碳化钨金属陶瓷复合材料涂层与氧化铝金属陶瓷复合材料涂层之间的粘接力强，且兼具高硬度和高韧度，通过氧化铝金属陶瓷复合材料涂层、碳化钨金属陶瓷复合材料涂层和加强筋板的协调保护，或者结合榫台与榫尖以及外卯孔与内卯孔的结构设计，本发明大幅度提高了铝合金榫卯结构的强度，能有效地防止榫头折断、榫头剪断、榫肩根部撕裂、卯孔根部撕裂、卯孔壁剪断、卯孔壁拉断的情况发生。
附图说明
图1为本发明实施例1的纵截面结构示意图；
图2为本发明实施例1的横截面结构示意图；
图3为本发明实施例2的纵截面分解结构示意图；
图4为图3中的卯件本体的右视图；
图中：
1——榫件本体； 2——卯件本体； 3——榫头；
4——加强筋板； 5——螺帽； 6——卯孔；
7——化学连接剂结构层；
301——榫头的氧化铝金属陶瓷复合材料涂层；
302——榫头的碳化钨金属陶瓷复合材料涂层；
601——卯孔的氧化铝金属陶瓷复合材料涂层；
602——卯孔的碳化钨金属陶瓷复合材料涂层；
3a——榫台； 3b——榫尖； 6a——外卯孔； 6b——内卯孔。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员更加充分地理解本发明，以下结合附图，介绍本发明的两个实施例。
实施例1
如图1和图2所示，一种增强型铝合金榫卯结构，包括设置在榫件本体1上的、与榫件本体1一体成型的榫头3和设置在卯件本体2的对应位置上的、与榫头3相匹配的卯孔6，在卯孔6的孔壁上依次设有氧化铝金属陶瓷复合材料涂层601、碳化钨金属陶瓷复合材料涂层602，在榫头3与卯孔6的孔壁相对应的面上依次设有氧化铝金属陶瓷复合材料涂层301、碳化钨金属陶瓷复合材料涂层302，在卯孔6的碳化钨金属陶瓷复合材料涂层602和榫头3的碳化钨金属陶瓷复合材料涂层302之间设有化学连接剂结构层7。
为了更有效地提高铝合金榫卯结构的强度，本实施例在榫头3的根部与卯孔6接触处周边的榫件本体1上设有加强筋板4。加强筋板4的材质为铝合金且与所述榫件本体1一体成型。除了通过榫头3和卯孔6与卯件本体2固定连接外，榫件本体1还通过加强筋板4与卯件本体2连接固定(加强筋板4与卯件本体2之间也可用化学连接剂连接)。另外，加强筋板4的纵截面形状为等腰三角形。加强筋板4的数量可根据实际需要调整，例如可设置四个加强筋板，四个加强筋板对称分布在榫头3的根部四周。
在本实施例中，化学连接剂结构层7由玻璃胶或者UV固化胶固化而成，其厚度为0.2mm。榫头3的氧化铝金属陶瓷复合材料涂层301和卯孔6的氧化铝金属陶瓷复合材料涂层601的厚度均为0.5mm。榫头3的碳化钨金属陶瓷复合材料涂层302和卯孔6的碳化钨金属陶瓷复合材料涂层602的厚度均为0.6 mm。化学连接剂结构层7具有两个作用，其一，使榫头与卯孔牢固粘接；其二，便于榫头3插入卯孔6。具体地说，就是榫头3的横截面的大小，略微小于卯孔6的横截面的大小（不能将榫头3与卯孔6相匹配简单地理解为两者的尺寸完全相同），从而一方面可以确保榫头3能够插入到卯孔6中，另一方面也会在榫头3与卯孔6的接触面之间形成空隙，而化学连接剂则可充填到该空隙中形成化学连接剂结构层7。
在本实施例中，卯孔6贯穿卯件本体2，榫头3的长度大于所述卯孔6的深度，在榫头3伸出卯孔6的前端部设有外螺纹（图中未显示）；还设有螺帽5，螺帽5的内螺纹与榫头3前端部的外螺纹相匹配。本实施例所采用的这种螺纹连接方式有两个作用，其一，在化学连接剂固化形成化学连接剂结构层之前起固定作用，其二，化学连接剂结构层形成之后，对提高榫卯结构的强度，防止榫卯松动起辅助作用。
实施例2
本实施例的基本结构与实施例1相同，所不同的是，如图3和图4所示，在本实施例中，榫头由榫台3a和榫尖3b两部分构成，卯孔由外卯孔6a和内卯孔6b两部分构成，外卯孔6a的形状、尺寸与榫台3a的形状、尺寸相匹配，内卯孔6b的形状、尺寸与榫尖3b的形状、尺寸相匹配，这就使得榫头能够卡合在卯孔内。在本实施例中，外卯孔6a和内卯孔6b的横截面形状均为正方形，这意味着榫台3a和榫尖3b的横截面形状也为正方形。此外，外卯孔6a与内卯孔6b的边长之比为1比10，外卯孔6a与内卯孔6b的深度之比为1比2,。本实施例采用这种结构设计，有助于防止榫尖3b折断。
与实施1类似，为了增强榫头与卯孔之间的结合力，本实施例可在榫台3a与外卯孔6a的相互接触的部位，以及榫尖3b与内卯孔6b的相互接触的部位，设置化学连接剂结构层；为了提高榫头与卯孔的结构强度，本实施例也可分别在外卯孔6a、内卯孔6b的孔壁和榫台3a、榫尖3b的对应表面上分别设置氧化铝金属陶瓷复合材料涂层和碳化钨金属陶瓷复合材料涂层。此外，本实施例也可增加榫尖3b的长度，使榫尖3b的长度大于内卯孔6b的深度，并在榫尖3b伸出内卯孔6b的前端部设置外螺纹，另设置与之匹配的螺帽。
以上通过两个实施例详细介绍了本发明的技术方案。需要特别说明的是，在实际实施本发明的过程中，氧化铝金属陶瓷复合材料涂层也可采用一种耐磨粘接材料涂层替代，按质量，该耐磨粘接材料涂层由环氧树脂12～16份、钛酸正丁脂3～5份、硼化钨粉末2～3份、硫酸钡粉末2～3份、石棉纤维2～3份、磷酸二氢铝粉末2～3份、硅化镁粉末2～3份、湿磨云母粉2～3份混合而成。与氧化铝金属陶瓷复合材料涂层一样，该耐磨粘接材料涂层与碳化钨金属陶瓷复合材料涂层和铝合金构件之间均能产生足够强的粘接力，从而充分发挥碳化钨金属陶瓷复合材料涂层对榫头和卯孔的保护作用。
Claims (9)
1.一种增强型铝合金榫卯结构，包括设置在榫件本体上的、与榫件本体一体成型的榫头和设置在卯件本体的对应位置上的、与榫头相匹配的卯孔，其特征在于：在卯孔的孔壁依次设有氧化铝金属陶瓷复合材料涂层、碳化钨金属陶瓷复合材料涂层，在榫头与卯孔的孔壁相对应的面上依次设有氧化铝金属陶瓷复合材料涂层、碳化钨金属陶瓷复合材料涂层，在卯孔的碳化钨金属陶瓷复合材料涂层和榫头的碳化钨金属陶瓷复合材料涂层之间设有化学连接剂结构层。
2.如权利要求1所述的增强型铝合金榫卯结构，其特征在于：在所述榫头的根部与卯孔接触处周边的榫件本体上设有加强筋板，榫件本体还通过加强筋板与卯件本体连接固定。
3.如权利要求2所述的增强型铝合金榫卯结构，其特征在于：所述加强筋板的材质为铝合金且与所述榫件本体一体成型。
4.如权利要求2所述的增强型铝合金榫卯结构，其特征在于：所述加强筋的纵截面形状为等腰三角形。
5.如权利要求1所述的增强型铝合金榫卯结构，其特征在于：所述榫头由榫台和榫尖两部分构成，所述卯孔由外卯孔和内卯孔两部分构成，外卯孔的形状、尺寸与榫台的形状、尺寸相匹配，内卯孔的形状、尺寸与榫尖的形状、尺寸相匹配。
6.如权利要求5所述的增强型铝合金榫卯结构，其特征在于：所述外卯孔与内卯孔均为正方形孔，两者的边长之比为1比10，两者的深度之比为1比2。
7.如权利要求1所述的增强型铝合金榫卯结构，其特征在于：所述化学连接剂结构层由玻璃胶或者UV固化胶固化而成。
8.如权利要求1至7任一项所述的增强型铝合金榫卯结构，其特征在于：所述榫头的氧化铝金属陶瓷复合材料涂层和所述卯孔的氧化铝金属陶瓷复合材料涂层的厚度均为0.5mm，所述榫头的碳化钨金属陶瓷复合材料涂层和所述卯孔的碳化钨金属陶瓷复合材料涂层的厚度均为0.6 mm，所述化学连接剂结构层的厚度为0.2mm。
9.如权利要求1所述的增强型铝合金榫卯结构，其特征在于：以一种耐磨粘接材料涂层替代所述氧化铝金属陶瓷复合材料涂层，按质量，该耐磨粘接材料涂层由环氧树脂12～16份、钛酸正丁脂3～5份、硼化钨粉末2～3份、硫酸钡粉末2～3份、石棉纤维2～3份、磷酸二氢铝粉末2～3份、硅化镁粉末2～3份、湿磨云母粉2～3份混合而成。
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