CN115163620A - 一种陶瓷基复合材料蒙皮与工件的连接结构及其连接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种陶瓷基复合材料蒙皮与工件的连接结构及其连接方法，以解决现有陶瓷基复合材料蒙皮构件中蒙皮与工件的连接方式无法有效对蒙皮边缘施加预紧力，热应力作用下易发生张口、翘曲、变形的技术问题。该构件包括工件、至少覆盖工件部分表面的蒙皮及将蒙皮与工件紧固的连接件；连接件包括陶瓷基复合材料的沉头螺钉和沉头螺帽。该连接方法包括：1、蒙皮覆盖在工件的表面；2、连接件连接蒙皮和工件；3、进行CVI沉积。
Description
技术领域
本发明涉及陶瓷基复合材料蒙皮与工件的连接结构，具体涉及一种陶瓷基复合材料蒙皮与工件的连接结构及其连接方法。
背景技术
陶瓷基复合材料是一种兼有金属材料、陶瓷材料和碳材料性能优点的热结构/功能一体化新型材料，具有耐高温、低密度、高比强、高比模、抗氧化、抗烧蚀、对裂纹不敏感，不发生灾难性毁损等特点，在机械、航空航天、核、能源等领域有着广泛的应用。在现有技术中，轻质热防护工件表面的陶瓷基复合材料蒙皮均采用复材销钉或螺柱的连接方式，此连接方法无法有效对蒙皮边缘施加预紧力，如产品表面蒙皮采用销钉或螺钉连接时，蒙皮边缘部位在热应力作用下易发生张口、翘曲、变形等现象。
发明内容
本发明目的在于解决现有陶瓷基复合材料蒙皮与工件的连接方式无法有效对蒙皮边缘施加预紧力，热应力作用下易发生张口、翘曲、变形的技术问题，提出一种陶瓷基复合材料蒙皮与工件的连接结构及其连接方法。
本发明的技术方案为：
一种陶瓷基复合材料蒙皮与工件的连接结构，其特使之处征在于：
包括工件、至少覆盖工件部分表面的蒙皮及将蒙皮与工件紧固的连接件；
所述连接件包括沉头螺钉和沉头螺帽；
所述沉头螺钉和沉头螺帽均采用陶瓷基复合材料；
所述沉头螺钉包括头部和杆部；
所述头部为第一圆锥体，第一圆锥体的粗端的端面为第一端面，第一圆锥体的细端的端面与杆部一体连接且细端的端面直径与杆部直径相同；
所述沉头螺帽为第二圆锥体，第二圆锥体具有与杆部相适配的螺孔，杆部可贯穿第二圆锥体的螺孔；第二圆锥体的粗端端面和杆部远离头部的端面组成第二端面，第二圆锥体的内侧面与杆部螺纹连接。
进一步地，所述沉头螺帽还包括承压环，所述承压环位于所述第二圆锥体的细端并与第二圆锥体一体成型，承压环与第二圆锥体的细端相连接一端，直径与第二圆锥体的细端直径相同。
进一步地，所述承压环的径向厚度为0.5～3mm，承压环轴向高度大于等于1mm。
进一步地，所述工件具有相对的第一表面和第二表面，第一表面和第二表面平行；
所述蒙皮包括覆盖第一表面的第一蒙皮和覆盖第二表面的第二蒙皮；
所述第一端面与第一蒙皮的表面齐平，第一端面与沉头螺钉长度方向垂直。
进一步地，所述工件具有相对的第一表面和第二表面，第一表面和第二表面之间夹角为α，0＜α≤60°；
所述蒙皮包括覆盖第一表面的第一蒙皮和覆盖第二表面的第二蒙皮；
所述第一圆锥体的粗端设置有第一延伸部，所述第一端面位于第一延伸部的外端面，第一端面的形状与工件第一表面的形状相匹配，为斜面、曲面或台阶面。
进一步地，所述工件具有相对的第一表面和第二表面，第一表面和第二表面平行；
所述蒙皮包括覆盖第一表面的第一蒙皮和覆盖第二表面的第二蒙皮；
所述第二端面与第二蒙皮的表面齐平，第二端面与沉头螺钉长度方向垂直。
进一步地，所述工件具有相对的第一表面和第二表面，第一表面和第二表面夹角为α，0＜α≤60°；
所述蒙皮包括覆盖第一表面的第一蒙皮和覆盖第二表面的第二蒙皮；
所述第二圆锥体的粗端设置有第二延伸部，所述第二端面位于第二延伸部的外端面，第二端面的形状与工件第二表面的形状相匹配，为斜面、曲面或台阶面。
进一步地，所述沉头螺钉和沉头螺帽采用的陶瓷基复合材料密度≥1.85kg/cm3。
同时，本发明提供一种陶瓷基复合材料蒙皮与工件的连接方法，基于上述的陶瓷基复合材料蒙皮与工件的连接结构，其特殊之处在于，包括以下步骤：
S1、加工所需大小的蒙皮覆盖在工件的表面；
S2、将沉头螺钉贯穿蒙皮和工件，通过拧紧沉头螺钉在蒙皮的表面施加预紧力，拧紧沉头螺帽在蒙皮的另一侧面施加预紧力；
S3、采用CVI工艺对带蒙皮的工件进行CVI沉积，将沉头螺钉和沉头螺帽与蒙皮铆焊。
进一步地，步骤S1中，所述工件具有相对的第一表面和第二表面，第一表面和第二表面夹角为α，0＜α≤60°；所述蒙皮包括覆盖第一表面的第一蒙皮和覆盖第二表面的第二蒙皮；
步骤S3之前，还包括步骤S2-3，对第一延伸部和第二延伸部进行加工，使第一延伸部加工后形成的第一端面与第一表面的形状相匹配，呈斜面、曲面或台阶面；使第二延伸部加工后形成的第二端面与第二表面的形状相匹配，呈斜面、曲面或台阶面。
本发明的有益效果：
1、本发明提供的陶瓷基复合材料蒙皮与工件的连接结构通过沉头螺钉和沉头螺帽对工件表面覆盖的蒙皮表面施加预紧力，防止在使用过程中由于温度、压力的变化而导致的蒙皮边缘张口、卷曲或变形。
2、本发明提供的连接件不但可以适用于具有两个平行相对面的工件，还可以适用于相对面夹角小于等于60°的工件，适用范围广。
3、本发明在沉头螺帽上设置了承压环，避免了沉头螺帽在受力时被压溃，增加了连接件的承压能力，提高了沉头螺帽的拉伸强度。
4、本发明的连接方法操作简单，紧固性好，应用场景多。
附图说明
图1为本发明陶瓷基复合材料蒙皮与工件的连接结构实施例1结构示意图；
图2为本发明陶瓷基复合材料蒙皮与工件的连接结构实施例1中连接件结构示意图；
图3为本发明陶瓷基复合材料蒙皮与工件的连接结构实施例1中沉头螺帽结构示意图；
图4为本发明陶瓷基复合材料蒙皮与工件的连接结构实施例2结构示意图；
图5为本发明陶瓷基复合材料蒙皮与工件的连接结构实施例2中连接件结构示意图；
图6为本发明陶瓷基复合材料蒙皮与工件的连接结构实施例2中沉头螺帽结构示意图；
图7为本发明陶瓷基复合材料蒙皮与工件的连接结构实施例2中沉头螺帽与沉头螺钉连接示意图。
附图标记如下：
1-工件，2-蒙皮，21-第一蒙皮，22-第二蒙皮，3-沉头螺钉，31-头部，32-杆部，4-沉头螺帽，5-承压环，6-第一延伸部，7-第二延伸部。
具体实施方式
实施例1
参见图1和图2，本实施例提供一种陶瓷基复合材料蒙皮与工件的连接结构，该连接结构包括工件1、覆盖在工件1表面的蒙皮2及将蒙皮2与工件1紧固的连接件。
连接件包括沉头螺钉3和沉头螺帽4；沉头螺钉3和沉头螺帽4均采用陶瓷基复合材料，具体的，沉头螺钉3和沉头螺帽4采用的陶瓷基复合材料密度≥1.85kg/cm3。
沉头螺钉3包括头部31和杆部32；头部31为第一圆锥体，第一圆锥体的粗端的端面为第一端面，第一圆锥体的细端的端面与杆部32一体连接且细端的端面直径与杆部32相同；
沉头螺帽4为第二圆锥体，第二圆锥体具有与杆部32相适配的螺孔，杆部32贯穿第二圆锥体的螺孔；第二圆锥体的粗端的端面和杆部32的远离头部31的端面组成第二端面，第二圆锥体的细端内侧面与杆部32螺纹连接。
优选的，沉头螺帽4还包括承压环5，承压环5位于第二圆锥体的细端并与第二圆锥体一体成型，承压环5与第二圆锥体的细端相连接一端，直径与第二圆锥体的细端直径相同；承压环5的径向厚度为0.5～3mm，承压环5的轴向高度大于等于1mm。沉头螺帽4的细端边缘厚度过小，在受力情况下极易压溃，对图2中的沉头螺帽4进行测试，拉伸强度仅为35MPa；针对沉头螺帽4细端面易压溃的问题，对沉头螺帽4进行了结构改进，增加了一体连接的承压环5，改进后的结构如图3所示，改进后的沉头螺帽4经测试，拉伸强度达到了65MPa左右，与复合材料标准件连接强度基本持平，可以更好地满足对陶瓷基复合材料蒙皮2的紧固作用。
工件1有相对的第一表面和第二表面，第一表面和第二表面平行；蒙皮2包括覆盖第一表面的第一蒙皮21和覆盖第二表面的第二蒙皮22；沉头螺钉3贯穿第一蒙皮21、工件1和第二蒙皮22，沉头螺钉3的头部31压覆第一蒙皮21对其施加预紧力；沉头螺帽4与沉头螺钉3的杆部32螺纹连接，并压覆在第二蒙皮22对其施加预紧力；第一端面与第一蒙皮21的表面齐平，第一端面与沉头螺钉3长度方向垂直；第二端面与第二蒙皮22的表面齐平，第二端面与沉头螺钉3长度方向垂直。
上述陶瓷基复合材料蒙皮与工件的连接方法包括：
S1、加工所需大小的第一蒙皮21和第二蒙皮22分别覆盖在工件1的第一表面和第二表面；
S2、将沉头螺钉3贯穿第一蒙皮21、工件1和第二蒙皮22，通过拧紧沉头螺钉3在第一蒙皮21的表面施加预紧力，拧紧沉头螺帽4在第二蒙皮22的表面施加预紧力；
S3、采用CVI工艺对带蒙皮2的工件1进行CVI沉积，将沉头螺钉3和沉头螺帽4与蒙皮2铆焊。
实施例2
参见图4和图5，本实施例提供一种陶瓷基复合材料蒙皮与工件的连接结构，包括工件1、覆盖工件1部分表面的蒙皮2及将蒙皮2与工件1紧固的连接件。
连接件包括沉头螺钉3和沉头螺帽4；沉头螺钉3和沉头螺帽4均采用陶瓷基复合材料，具体的，沉头螺钉3和沉头螺帽4采用的陶瓷基复合材料密度≥1.85kg/cm3。
沉头螺钉3包括头部31和杆部32；头部31包括第一圆锥体和设置在第一圆锥体粗端的第一延伸部6，第一延伸部6的外端面为第一端面，第一端面的形状与工件第一表面的形状相匹配，为斜面、曲面或台阶面；第一圆锥体的细端的端面与杆部32一体连接且细端的端面直径与杆部32相同。
沉头螺帽4包括第二圆锥体和设置在第二圆锥体粗端的第二延伸部7，第二延伸部7的外端面为第二端面，第二端面的形状与工件第二表面的形状相匹配，为斜面、曲面或台阶面，第二圆锥体的细端内侧面与杆部32相螺纹连接。
参见图6和图7，沉头螺帽4还包括承压环5，承压环5位于第二圆锥体的细端并与圆锥体一体成型，承压环5与第二圆锥体的细端相连接一端，直径与第二圆锥体的细端直径相同；承压环5的径向厚度为0.5～3mm，承压环5的轴向高度大于等于1mm。
工件1有相对的第一表面和第二表面，第一表面和第二表面为平整面，第一表面和第二表面之间夹角为α，0＜α≤60°；蒙皮2包括覆盖第一表面的第一蒙皮21和覆盖第二表面的第二蒙皮22；沉头螺钉3贯穿第一蒙皮21、工件1和第二蒙皮22，沉头螺钉3的头部31压覆第一蒙皮21对其施加预紧力；沉头螺帽4与沉头螺钉3的杆部32螺纹连接，并压覆在第二蒙皮22对其施加预紧力；第一端面的形状与工件第一表面的形状相匹配，为斜面；第二端面的形状与工件第二表面的形状相匹配，为斜面。可以理解的是，第一表面和第二表面之间夹角为α，0＜α≤60°，可以是第一端面为平面，第二端面为斜面，或者是第一端面为斜面，第二端面为平面。
上述陶瓷基复合材料蒙皮与工件的连接方法包括以下步骤：
S1、加工所需大小的第一蒙皮21和第二蒙皮22覆盖在工件1的第一表面和第二表面。
S2、将沉头螺钉3贯穿第一蒙皮21、工件1和第二蒙皮22，通过拧紧沉头螺钉3在第一蒙皮21的表面施加预紧力，拧紧沉头螺帽4在第二蒙皮22的表面施加预紧力。
S3、沉头螺钉3和沉头螺帽4安装完成后，对第一延伸部6、第二延伸部7的端部进行加工，使第一延伸部6加工后形成的第一端面与第一蒙皮21的表面齐平，为斜面；使第二延伸部7加工后形成的第二端面与第二蒙皮22的表面齐平，同样为斜面；本实施例中，加工前，第一延伸部6和第二延伸部7均为圆柱状，方便沉头螺钉3和沉头螺帽4的加工制作。
S4、采用CVI工艺对步骤S3加工后带蒙皮2的工件1进行沉积，将沉头螺钉3和沉头螺帽4与蒙皮2铆焊。
上述实施方式中提供的陶瓷基复合材料蒙皮构件，已完成地面相关实验进行验证，例如，静力试验、力热试验、噪声试验、振动试验、风洞试验等，产品一切性能均满足使用要求，该陶瓷基复合材料蒙皮构件及其连接方法具有可靠性及可行性。
Claims (10)
1.一种陶瓷基复合材料蒙皮与工件的连接结构，其特征在于：
包括工件(1)、至少覆盖工件(1)部分表面的蒙皮(2)及将蒙皮(2)与工件(1)紧固的连接件；
所述连接件包括沉头螺钉(3)和沉头螺帽(4)；
所述沉头螺钉(3)和沉头螺帽(4)均采用陶瓷基复合材料；
所述沉头螺钉(3)包括头部(31)和杆部(32)；
所述头部(31)为第一圆锥体，第一圆锥体的粗端的端面为第一端面，第一圆锥体的细端的端面与杆部(32)一体连接且细端的端面直径与杆部(32)直径相同；
所述沉头螺帽(4)为第二圆锥体，第二圆锥体具有与杆部(32)相适配的螺孔，杆部(32)可贯穿第二圆锥体的螺孔；第二圆锥体的粗端端面和杆部(32)远离头部(31)的端面组成第二端面，第二圆锥体的内侧面与杆部(32)螺纹连接。
2.根据权利要求1所述的陶瓷基复合材料蒙皮与工件的连接结构，其特征在于：
所述沉头螺帽(4)还包括承压环(5)，所述承压环(5)位于所述第二圆锥体的细端并与第二圆锥体一体成型，承压环(5)与第二圆锥体的细端相连接一端，直径与第二圆锥体的细端直径相同。
3.根据权利要求2所述的陶瓷基复合材料蒙皮与工件的连接结构，其特征在于：
所述承压环(5)的径向厚度为0.5～3mm，承压环(5)轴向高度大于等于1mm。
4.根据权利要求1-3任一所述的陶瓷基复合材料蒙皮与工件的连接结构，其特征在于：
所述工件(1)具有相对的第一表面和第二表面，第一表面和第二表面平行；
所述蒙皮(2)包括覆盖第一表面的第一蒙皮(21)和覆盖第二表面的第二蒙皮(22)；
所述第一端面与第一蒙皮(21)的表面齐平，第一端面与沉头螺钉(3)长度方向垂直。
5.根据权利要求1-3任一所述的陶瓷基复合材料蒙皮与工件的连接结构，其特征在于：
所述工件(1)具有相对的第一表面和第二表面，第一表面和第二表面之间夹角为α，0＜α≤60°；
所述蒙皮(2)包括覆盖第一表面的第一蒙皮(21)和覆盖第二表面的第二蒙皮(22)；
所述第一圆锥体的粗端设置有第一延伸部(6)，所述第一端面位于第一延伸部(6)的外端面，第一端面的形状与工件(1)第一表面的形状相匹配，为斜面、曲面或台阶面。
6.根据权利要求4所述的陶瓷基复合材料蒙皮与工件的连接结构，其特征在于：
所述工件(1)具有相对的第一表面和第二表面，第一表面和第二表面平行；
所述蒙皮(2)包括覆盖第一表面的第一蒙皮(21)和覆盖第二表面的第二蒙皮(22)；
所述第二端面与第二蒙皮(22)的表面齐平，第二端面与沉头螺钉(3)长度方向垂直。
7.根据权利要求5所述的陶瓷基复合材料蒙皮与工件的连接结构，其特征在于：
所述工件(1)具有相对的第一表面和第二表面，第一表面和第二表面夹角为α，0＜α≤60°；
所述蒙皮(2)包括覆盖第一表面的第一蒙皮(21)和覆盖第二表面的第二蒙皮(22)；
所述第二圆锥体的粗端设置有第二延伸部(7)，所述第二端面位于第二延伸部(7)的外端面，第二端面的形状与工件(1)第二表面的形状相匹配，为斜面、曲面或台阶面。
8.根据权利要求1所述的陶瓷基复合材料蒙皮与工件的连接结构，其特征在于：
所述沉头螺钉(3)和沉头螺帽(4)采用的陶瓷基复合材料密度≥1.85kg/cm3。
9.一种陶瓷基复合材料蒙皮与工件的连接方法，基于权利要求1-8任一所述的陶瓷基复合材料蒙皮与工件的连接结构，其特征在于，包括以下步骤：
S1、加工所需大小的蒙皮(2)覆盖在工件(1)的表面；
S2、将沉头螺钉(3)贯穿蒙皮(2)和工件(1)，通过拧紧沉头螺钉(3)在蒙皮(2)的表面施加预紧力，拧紧沉头螺帽(4)在蒙皮(2)的另一侧面施加预紧力；
S3、采用CVI工艺对带蒙皮(2)的工件(1)进行CVI沉积，将沉头螺钉(3)和沉头螺帽(4)与蒙皮(2)铆焊。
10.根据权利要求9所述的陶瓷基复合材料蒙皮与工件的连接方法，其特征在于：
步骤S1中，所述工件(1)具有相对的第一表面和第二表面，第一表面和第二表面夹角为α，0＜α≤60°；所述蒙皮(2)包括覆盖第一表面的第一蒙皮(21)和覆盖第二表面的第二蒙皮(22)；
步骤S3之前，还包括步骤S2-3，对第一延伸部(6)和第二延伸部(7)进行加工，使第一延伸部(6)加工后形成的第一端面与第一表面的形状相匹配，呈斜面、曲面或台阶面；使第二延伸部(7)加工后形成的第二端面与第二表面的形状相匹配，呈斜面、曲面或台阶面。
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