CN115122656A - 一种热固连续纤维增强树脂自冲铆接工艺 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种热固连续纤维增强树脂自冲铆接工艺，具体包括以下步骤：S1：对预浸带预先进行定位打孔，取设置有预制孔的预浸带进行铺层，制成纤维增强复合材料层板；S2：金属区域部件包括搭接部和装配部，搭接部直径大于预制孔孔径，装配部厚度不大于预制孔的孔深度；S3：在每一层纤维增强复合材料层板的预制孔中嵌入一个金属区域部件，然后，将纤维增强复合材料层板固化成形；S4：采用自冲铆接铆钉在两层纤维增强复合材料层板的金属区域部件上进行自冲铆接。本发明解决了连续纤维增强复合材料无塑性变形阶段，导致自冲铆接困难的问题。

Description

一种热固连续纤维增强树脂自冲铆接工艺

技术领域

本发明涉及轻量化连续纤维增强复合材料连接技术领域，具体而言，尤其涉及一种热固连续纤维增强树脂自冲铆接工艺。

背景技术

连续纤维增强材料因为其具有的轻质、高比模量、高比强度、耐腐蚀等优良性能，已经在航空航天、汽车工业、风力发电和体育休闲器械等领域有非常广泛的应用。自冲铆接工艺连接点牢固可靠，连接过程没有热应力。铆接点的动态疲劳强度高，不需要预打孔，加工周期短，适应自动化生产，远远优于点焊等传统薄板连接工艺。

自冲铆接连接技术通过压头将自冲铆钉分别刺穿上层被连接件和下层被连接件。下层被连接件受铆钉作用在下模中发生塑性变形。铆钉在刺穿上层被连接件后，自冲铆钉钉脚受到下模底部中心部分凸起结构的作用产生径向扩张的塑性变形。钉脚的径向的尺寸变大，形成嵌合结构。实现两个被连接件的机械连接。

连续纤维增强复合材料整体程脆性。自冲铆接过程中，铆钉对纤维增强复合材料的刺穿导致纤维增强复合材料纤维拔出和基体树脂崩碎等失效形式，这将是一个不好的开端，会引诱其他更为严重的失效形式出现。而钉脚径向塑性变形在纤维增强复合材料中也难以实现。

发明内容

为了解决连续纤维增强复合材料无塑性变形阶段，导致自冲铆接困难的技术问题，而提供一种热固连续纤维增强树脂自冲铆接工艺。

本发明采用的技术手段如下：

一种热固连续纤维增强树脂自冲铆接工艺，具体包括以下步骤：

S1：预浸带预打孔、铺层

对预浸带预先进行定位打孔，取设置有预制孔的预浸带进行铺层，制成未固化的需要铆接的两层纤维增强复合材料层板，预制孔位于纤维增强复合材料层板的接头处；

S2：预制金属区域部件

金属区域部件包括搭接部和装配部，搭接部直径大于预制孔孔径，装配部厚度不大于预制孔的孔深度；

S3：金属区域部件与纤维增强复合材料层板固化

在每一层纤维增强复合材料层板的预制孔中嵌入一个金属区域部件，然后，将纤维增强复合材料层板固化成形，通过基体树脂的固化，实现金属区域部件与纤维增强复合材料层板的胶接；

S4：自冲铆接

采用自冲铆接铆钉在两层纤维增强复合材料层板的金属区域部件上进行自冲铆接，通过自冲铆接铆钉与金属区域部件发生塑性变形实现两层纤维增强复合材料层板的铆接。

进一步地，步骤S1中，预浸带进行打孔前预先放入冰柜冷藏。

进一步地，步骤S1中通过激光切割对预浸带进行打孔。

进一步地，步骤S2中，通过金属3D打印技术，打印铝制金属区域部件。

进一步地，步骤S2预制分别对应至两层纤维增强复合材料层板的两个金属区域部件，包括金属区域部件上部和金属区域部件下部，且金属区域部件上部和金属区域部件下部的底部分别设置有能够相互嵌合的定位结构。

进一步地，步骤S4中自冲铆接铆钉与金属区域部件发生塑性变形的过程中，自冲铆接铆钉刺穿金属区域部件上部，未刺穿金属区域部件下部。

进一步地，步骤S4完成自冲铆接后，塑性变形后的自冲铆接铆钉宽度小于等于金属区域装配部的宽度。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明通过预设金属变形区域，解决纤维增强材料自冲铆接难题，相比传统紧固件连接，预设金属区域提高接头周围的整体塑性，降低因连接应力集中导致纤维增强材料预制孔周围出现的局部基体树脂失效现象；本发明中接头超载失效时，预设金属区域先发生塑性变形，避免树脂基复材的瞬间失效，提高了服役过程中的安全性，减少纤维增强复合材料瞬时失效的危险。

基于上述理由本发明可在轻量化连续纤维增强复合材料连接领域广泛推广。

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做以简单地介绍，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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为预设金属区域的纤维增强复合材料示意图。

图2为预设金属区域的纤维增强复合材料自冲铆接示意图。

图3为预设金属区域纤维增强复合材料、冲头和下模位置关系示意图。

图4为自冲铆接完成时，预设金属区域纤维增强复合材料、冲头和下模位置关系示意图。

图中：1、金属区域部件；11、金属区域部件上部；12、金属区域部件下部；13搭接部；14、装配部；2、上层纤维增强复合材料层板；3、下层纤维增强复合材料层板；4、自冲铆接铆钉；5、冲头；6、下模。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是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，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

实施例1

如图1-4所示，本发明提供了一种热固连续纤维增强树脂自冲铆接工艺，具体包括以下步骤：

S1：预浸带预打孔、铺层

对裁剪至所需尺寸的预浸带预先进行定位打孔，按照实际要求取设置有预制孔的预浸带进行铺层，制成未固化的需要铆接的两层纤维增强复合材料层板，预制孔位于纤维增强复合材料层板的接头处；

S2：预制金属区域部件

金属区域部件1包括搭接部13和装配部14，搭接部13直径大于预制孔孔径，装配部14厚度不大于预制孔的孔深度，目的是在接头处提供一定的预紧力；

S3：金属区域部件与纤维增强复合材料层板固化

在每一层纤维增强复合材料层板的预制孔中嵌入一个金属区域部件1，然后，将纤维增强复合材料层板固化成形，待预浸带中的基体树脂充分浸润接触的金属区域部件1后，将安装有金属区域部件1的纤维增强复合材料层板放入热压罐固化成形，通过基体树脂的固化，实现金属区域部件与纤维增强复合材料层板的胶接，形成良好的界面，有利于服役过程中，载荷通过金属区域部件1向纤维增强复合材料层板的传递；

S4：自冲铆接

采用自冲铆接铆钉4在两层纤维增强复合材料层板的金属区域部件上进行自冲铆接，可采用自冲铆接设备完成自冲铆接过程，将自冲铆接铆钉4、安装有金属区域部件1的需要铆接的两层纤维增强复合材料层板放置于自冲铆接设备的冲头5和下模6之间，在进行自冲铆接时，自冲铆接铆钉4首先刺穿上层纤维增强复合材料层板2的金属区域部件1，然后自冲铆接铆钉4钉脚在下层纤维增强复合材料层板3的金属区域部件1内发生塑性变形，形成上下纤维增强复合材料的嵌合结构，从而通过自冲铆接铆钉4与金属区域部件1发生塑性变形实现两层纤维增强复合材料层板的铆接。

进一步地，步骤S1中，预浸带进行打孔前预先放入冰柜冷藏，然后对温度为零下的预浸带通过激光切割进行打孔，切割过程中尽量将预浸带保持在较低的温度，温度的降低能够有效防止预浸带基体树脂和连续纤维的流动变形，打孔后将带有预制孔的预浸带恢复至常温，即可恢复粘性，再进行后续的铺层等操作。

进一步地，步骤S2中，通过金属3D打印技术，打印铝制金属区域部件1。

进一步地，步骤S2预制分别对应至两层纤维增强复合材料层板的两个金属区域部件，包括金属区域部件上部11和金属区域部件下部12，且金属区域部件上部11和金属区域部件下部12的底部分别设置有能够相互嵌合的定位结构。

进一步地，金属区域部件上部11的底部设置有凹陷结构，金属区域部件下部12的底部设置有凸起结构，凹陷结构和凸起结构能够相互嵌合，进而实现在进行自冲铆接时对金属区域部件上部11和金属区域部件下部12的定位。

进一步地，步骤S4中自冲铆接铆钉与金属区域部件发生塑性变形的过程中，自冲铆接铆钉4刺穿金属区域部件上部11，未刺穿金属区域部件下部12。

进一步地，步骤S4完成自冲铆接后，塑性变形后的自冲铆接铆钉4最大外径小于等于金属区域装配部的宽度，即应保证铆钉钉脚的变形区域不超出金属区域，否则会对纤维增强复合材料造成一定程度的初始破坏，引诱接头处失效现象的出现。

本发明能实现连续纤维增强材料同种材料之间的自冲铆接；自冲铆钉连接过程中钉脚需要产生较大的塑性变形以形成嵌合的结构，纤维增强复合材料属性远不能满足自冲铆钉钉脚大变形的要求，本发明通过在纤维增强复合材料连接处预设金属区域部件，满足自冲铆钉钉脚大变形的需求，实现两层纤维增强复合材料的自冲铆接。本发明中金属区域部件的引入有利于提高接头在过载时的安全性。本发明降低接头处连接集中应力对纤维增强复合材料局部树脂区域的失效程度，实现连续纤维增强材料同种材料之间的自冲铆接，其具有工序简单、成本较低、适用范围广、操作简单等特点，能够适应自动化发展潮流。

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：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部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实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种热固连续纤维增强树脂自冲铆接工艺，其特征在于，具体包括以下步骤：

S1：预浸带预打孔、铺层

对预浸带预先进行定位打孔，取设置有预制孔的预浸带进行铺层，制成未固化的需要铆接的两层纤维增强复合材料层板，预制孔位于纤维增强复合材料层板的接头处；

S2：预制金属区域部件

金属区域部件包括搭接部和装配部，搭接部直径大于预制孔孔径，装配部厚度不大于预制孔的孔深度；

S3：金属区域部件与纤维增强复合材料层板固化

在每一层纤维增强复合材料层板的预制孔中嵌入一个金属区域部件，然后，将纤维增强复合材料层板固化成形，通过基体树脂的固化，实现金属区域部件与纤维增强复合材料层板的胶接；

S4：自冲铆接

采用自冲铆接铆钉在两层纤维增强复合材料层板的金属区域部件上进行自冲铆接，通过自冲铆接铆钉与金属区域部件发生塑性变形实现两层纤维增强复合材料层板的铆接。

2.根据权利要求1所述的连续纤维增强树脂自冲铆接工艺，其特征在于，步骤S2中，通过金属3D打印技术，打印铝制金属区域部件。

3.根据权利要求1所述的连续纤维增强树脂自冲铆接工艺，其特征在于，步骤S2预制分别对应至两层纤维增强复合材料层板的两个金属区域部件，包括金属区域部件上部和金属区域部件下部，且金属区域部件上部和金属区域部件下部的底部分别设置有能够相互嵌合的定位结构。

4.根据权利要求3所述的连续纤维增强树脂自冲铆接工艺，其特征在于，步骤S4中自冲铆接铆钉与金属区域部件发生塑性变形的过程中，自冲铆接铆钉刺穿金属区域部件上部，未刺穿金属区域部件下部。

5.根据权利要求1所述的连续纤维增强树脂自冲铆接工艺，其特征在于，步骤S4完成自冲铆接后，塑性变形后的自冲铆接铆钉宽度小于等于金属区域装配部的宽度。

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