CN115447152A - 一种应用于碳纤维复合材料零件包边工艺的加温加压装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于碳纤维复合材料零件包边工艺的加温加压装置，属于复合材料加工领域。包括上夹头和下夹头，上夹头和下夹头通过连接销钉组合形成“开口夹”结构，其钳口部分用于夹住碳纤维复合材料零件包边区域；所述上夹头的开口端设置有下压头组件，所述下压头组件包括活动连接的气动柱塞和柱塞压块，所述气动柱塞外接气源提供动力，气动柱塞沿轴线下行推动柱塞压块与下压头共同作用对碳纤维复合材料零件包边区域产生持续可控的压紧力。本发明可以实现在装配型架上完成飞机碳纤维复合材料零件预浸料包边工作，从而避免了飞机大型零、部件由于热压罐的加温加压设备尺寸限制条件，无法进行包边的问题，同时降低能耗。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料加工领域，具体涉及一种应用于碳纤维复合材料零件包边工艺的加温加压装置。
背景技术
复合材料是一种新型的结构材料，具有高比强度、高比刚度、抗疲劳、耐腐蚀及可设计性等诸多优点，被广泛应用于工程结构中，尤其是航空飞行器结构。与传统金属材料相比，采用复合材料可使结构减重20~30％。随着复合材料技术的发展，航空飞行器复合材料的用量从最初的不足1％，发展到现今的50％以上（BOEING 787、AIRBUS 350XWB）。复合材料的应用结构也由最初的次承力结构发展到主承力结构，如机身承压框、机翼扭矩盒、上下翼面壁板、机翼前后墙等。复合材料的用量已经成为衡量航空飞行器先进性的重要标志之一。
目前，飞机结构所用复合材料，以碳纤维增强树脂基复合材料为主。现有碳纤维复合材料零件是采用单层预浸料铺叠增厚、热压成形工艺制造。由于碳纤维复材预浸料铺叠过程中不可避免的会引入缺陷，以及复合材料层间性能非常薄弱的结构特点，使得复合材料零件具有基体开裂、界面脱胶、分层和纤维断裂等特殊损伤破坏模式。
尤其是在复合材料零件边缘，一旦出现分层损伤，则会对结构整体性能造成严重破坏。为解决复材零件边缘分层的问题，现在通常采用在复材零件边缘包单层预浸料的工艺方法解决。但是“单层预浸料包边”工艺，需要复材零件二次进罐，这种工艺不但需要与之适应的价格昂贵的固化成型工装，还需要耗费大量的真空袋、密封胶条、隔离膜、透气毡、脱模布等辅助材料，同时成型过程中需消耗大量的能源。并且，由于受制于热压罐内腔尺寸，待固化的复材零、部件尺寸需控制在小于热压罐内腔尺寸之内。这就限制了先进复合材料在飞机复材零、部件制造和使用范围。
发明内容
本发明旨在解决现有技术中存在的上述问题，提出一种应用于碳纤维复合材料零件包边工艺的加温加压装置，通过将此加温加压装置，就可以实现在装配型架上完成飞机碳纤维复合材料零件预浸料包边工作，从而避免了飞机大型零、部件由于热压罐的加温加压设备尺寸限制条件，无法进行包边的问题，同时降低能耗。
为了实现上述发明目的，本发明的技术方案如下：
一种应用于碳纤维复合材料零件包边工艺的加温加压装置，其特征在于，包括上夹头和下夹头，上夹头和下夹头通过连接销钉组合形成“开口夹”结构，其钳口部分用于夹住碳纤维复合材料零件包边区域；所述上夹头的开口端设置有下压头组件，所述下压头组件包括活动连接的气动柱塞和柱塞压块，所述气动柱塞外接气源提供动力，气动柱塞沿轴线下行推动柱塞压块与上夹头共同作用对碳纤维复合材料零件包边区域产生持续可控的压紧力。
在某一实施例中，所述上夹头的开口端头设置有圆柱形腔室，气动柱塞滑动连接于所述圆柱形腔室内，所述圆柱形腔室顶部设有与圆柱形腔室内部连通的螺纹孔，进气管嘴通过该螺纹孔与上夹头连接。
在某一实施例中，所述气动柱塞为表面设置有密封环槽的圆柱体零件，所述密封环槽中装配有弹性密封圈。
在某一实施例中，所述气动柱塞的底部设置有凸台，凸台上制有销钉通孔；所述柱塞压块上设置有带孔插耳，所述带孔插耳的宽度与凸台的宽度相匹配，销钉穿过带孔插耳和销钉通孔将柱塞压块与气动柱塞连接。
在某一实施例中，柱塞压块具有沿气动柱塞轴线平动和沿销钉轴线转动两个自由度，所述凸台对应柱塞压块转动方向的两侧设置有起避让作用的倒角。
在某一实施例中，所述柱塞压块的底面粘贴有软性且隔热的胶垫，所述胶垫底部设置有加热膜。
在某一实施例中，上夹头的中后端设置有一对连接耳一，下夹头上设置有与所述连接耳一对应的连接耳二，销钉穿过连接耳一和连接耳二上的中心孔使上夹头与下夹头连接，且上夹头和下夹头具有沿中心孔的一维转动自由度。
在某一实施例中，所述柱塞压块的顶部两侧设置有起导向作用的挡板，所述挡板的内表面与上夹头的侧表面相对。
在某一实施例中，所述上夹头的后端开设有一槽口，所述槽口内通过转轴转动连接有一顶杆，所述顶杆可绕所述转轴在竖直平面内转动，顶杆的自由端顶在下夹头对应的凹坑内。
在某一实施例中，上夹头与下夹头之间设置有U型弹簧片，U型弹簧片固定设置在上夹头与下夹头连接处的后端。
综上所述，本发明具有以下优点：
1、本发明所述装置，通过外接气源输入，气动柱塞沿轴线下行，推动柱塞压块，与下夹头共同作用对碳纤维复合材料零件包边区域产生持续可控的压紧力。在压紧的同时，加热膜产生热量对包边单层预浸料可控加温，达到工艺要求，完成碳纤维复合材料零件包边工序。本发明提高了碳纤维复合材料零件包边区域的压紧力的精确度和温度，有利于零件质量的进一步提升；
2、本发明结构小巧，能够应用在飞机空间结构狭小区域，并且相对于现行采用的热压罐工艺，在保证加工质量的前提下，减少能耗；
3、对于超出热压罐工作尺寸的超大型零件，本发明可串联起来，形成阵列，在飞机复杂曲面零件包边工序中代替专用工装，解决无法加工的问题；
4、本发明可作为标准模块，代替专用工装，降低了工装数量和品类；
5、本发明在上夹头和下夹头的尾端设置了顶杆，当上夹头围绕连接销钉向上旋转时，顶杆的端头顶在下夹头的凹坑中，限制了上夹头、下夹头之间的开口宽度，进而满足了复合材料零件包边工艺要求。
附图说明
图1为本发明的装配轴测图；
图2为本发明的下压头组件的纵向结构剖视图；
图3为本发明的俯视结构图；
图4为图1的左视图；
图5为气动柱塞的结构示意图；
图6为柱塞压块的正视图；
图7为柱塞压块的侧视图；
图中，
1、上夹头，2、下夹头，3、连接销钉，4、气动柱塞，5、柱塞压块，6、圆柱形腔室，7、进气管嘴，8、弹性密封圈，9、连接耳一，10、连接耳二，11、销钉，12、胶垫，13、加热膜，14、挡板，15、槽口，16、顶杆，17、凹坑，18、U型弹簧片，19、带孔插耳，20、凸台，21、倒角，22、转轴，23、销钉通孔，24、安装孔，25、密封环槽。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语 “上”、“下”、“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。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
本发明提供了一种应用于碳纤维复合材料零件包边工艺的加温加压装置，如图1所示，包括上夹头1和下夹头2，上夹头1和下夹头2通过连接销钉3组合形成“开口夹”结构，其钳口部分用于夹住碳纤维复合材料零件包边区域。为了满足碳纤维复合材料零件包边工艺关于压力的要求，上夹头1的开口端设置有下压头组件，所述下压头组件包括活动连接的气动柱塞4和柱塞压块5，气动柱塞4外接气源提供动力，气动柱塞4沿轴线下行推动柱塞压块5与上夹头1共同作用对碳纤维复合材料零件包边区域产生持续可控的压紧力，完成加压功能。
本实施例中，上夹头1与下夹头2的开口端为前端，远离开口端的一侧为后端。
进一步的，上夹头1的开口端头部位设置有圆柱形腔室6，气动柱塞4滑动连接于所述圆柱形腔室6内，圆柱形腔室6顶部设置有与圆柱形腔室6连通的螺纹孔，进气管嘴7通过该螺纹孔连接在上夹头1上。气动柱塞4为表面设置有密封环槽25的圆柱体零件，密封环槽25中装配有弹性密封圈8，防止漏气。
上夹头1与下夹头2为铰接连接，上夹头1的中后端设置有一对连接耳一9，下夹头2上设置有连接耳二10，连接耳一9和连接耳二10上均设置有中心孔，连接销钉3穿过连接耳一9和连接耳二10上的中心孔使上夹头1与下夹头2实现转动连接，上夹头1和下夹头2具有沿中心孔的一维转动自由度。在上夹头1与下夹头2之间设置有U型弹簧片18，U型弹簧片18通过螺钉固定设置在上夹头1与下夹头2连接处的后端起到回弹作用。
为满足碳纤维复合材料零件包边工艺关于温度的要求，在所述柱塞压块5的底面粘贴有软性且隔热的胶垫12，所述胶垫12底部设置有加热膜13。
本装置的工作原理如下：
当外接气源通过进气管嘴7，气体压力驱动柱塞沿圆柱形腔室6的轴线下行，推动柱塞压块5，与下夹头2共同作用对碳纤维复合材料零件包边区域产生持续可控的压紧力。在压紧的同时，加温片通电产生热量，对包边单层预浸料可控加温，达到工艺要求，完成碳纤维复合材料零件包边工序。
实施例2
本实施例提供了一种应用于碳纤维复合材料零件包边工艺的加温加压装置，在实施例1的基础上，进一步的，如图2所示，在气动柱塞4的底部设置有凸台20，凸台20上制有销钉通孔23；柱塞压块5的顶部设置有带孔插耳19，该带孔插耳19的宽度与凸台20的宽度相匹配，销钉11穿过带孔插耳19和销钉通孔23将柱塞压块5与柱塞连接，使柱塞压块5与柱塞能够同步下压。
由于上述连接方式，柱塞压块5具有沿气动柱塞4轴线向下平动和沿销钉11轴线转动两个自由度。由于碳纤维复合材料零件包边区域存在不平整的情况，柱塞压块5可以随形调整，使包边区域受热更加均匀。为了适应柱塞压块5沿销钉11轴向转动的自由度，所述凸台20对应柱塞压块5转动方向的两侧设置有起避让作用的倒角21。
实施例3
本实施例提供了一种应用于碳纤维复合材料零件包边工艺的加温加压装置，在实施例2的基础上，进一步的，柱塞压块5的顶部两侧设置有挡板14，所述挡板14的内表面与上夹头1的侧表面相对，在气动柱塞4向下运动时，挡板14可起到导向作用，防止柱塞压块5发生旋转，以更好地贴合零件包边区域。
实施例4
本实施例提供了一种应用于碳纤维复合材料零件包边工艺的加温加压装置，在实施例1的基础上，进一步的，在上夹头1的后端位置（尾端）开设有一槽口15，槽口15将上夹头1尾端分离成两个连接耳，这两个连接耳处制有一对转轴22安装孔24。槽口15内通过转轴22转动连接有一顶杆16，所述顶杆16可绕所述转轴22在竖直平面内转动，顶杆16的自由端顶在下夹头2对应的凹坑17内。
由于上夹头1在气动柱塞4下行作用下，会围绕连接销钉3向上旋转，从而无法对碳纤维复合材料零件包边区域产生足够的压力。因此在上夹头1和下夹头2的尾端设置了顶杆16，当上夹头1围绕连接销钉3向上旋转时，顶杆16的端头顶在下夹头2的凹坑17中，限制了上夹头1、下夹头2之间的开口宽度，进而满足了复合材料零件包边工艺要求。
具体的操作过程如下：
首先，将上夹头1下压，将其尾端的顶杆16旋转移出下夹头2底部的凹坑17；然后同时按压上夹头1和下夹头2的尾端，使其开口部位放置在碳纤维复合材料零件包边区域；释力后上下夹头2在U型弹簧片18的回弹作用下夹住零件包边区域；此时将顶杆16旋转至其自由端顶在下夹头2上的凹坑17内；最后通过进气管嘴7接通外接气源，气动柱塞4沿轴线下行推动柱塞压块5与上夹头1共同作用对碳纤维复合材料零件包边区域产生持续可控的压紧力，完成加压功能。
实施例5
对于复杂曲面的大型碳纤维复合材料零件，由于其包边区域超出现有热压罐工作尺寸，并且包边区域是双曲率曲面，虽然包边区域为曲面，但是可以近似的认为，包边曲面是有众多的小平面组合排列而成。因此可采用本发明装置通过串联方式形成阵列，以适应上述曲面，完成包边工序。
虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种应用于碳纤维复合材料零件包边工艺的加温加压装置，其特征在于，包括上夹头（1）和下夹头（2），上夹头（1）和下夹头（2）通过连接销钉（3）组合形成“开口夹”结构，其钳口部分用于夹住碳纤维复合材料零件包边区域；所述上夹头（1）的开口端设置有下压头组件，所述下压头组件包括活动连接的气动柱塞（4）和柱塞压块（5），所述气动柱塞（4）外接气源提供动力，气动柱塞（4）沿轴线下行推动柱塞压块（5）与上夹头（1）共同作用对碳纤维复合材料零件包边区域产生持续可控的压紧力。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述上夹头（1）的开口端头设置有圆柱形腔室（6），气动柱塞（4）滑动连接于所述圆柱形腔室（6）内，所述圆柱形腔室（6）顶部设有与圆柱形腔室（6）内部连通的螺纹孔，进气管嘴（7）通过该螺纹孔与上夹头（1）连接。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述气动柱塞（4）为表面设置有密封环槽（25）的圆柱体零件，所述密封环槽（25）中装配有弹性密封圈（8）。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述气动柱塞（4）的底部设置有凸台（20），凸台（20）上制有销钉通孔（23）；所述柱塞压块（5）上设置有带孔插耳（19），所述带孔插耳（19）的宽度与凸台（20）的宽度相匹配，销钉（11）穿过带孔插耳（19）和销钉通孔（23）将柱塞压块（5）与柱塞连接。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，柱塞压块（5）具有沿气动柱塞（4）轴线平动和沿销钉（11）轴线转动两个自由度，所述凸台（20）对应柱塞压块（5）转动方向的两侧设置有起避让作用的倒角（21）。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述柱塞压块（5）的底面粘贴有软性且隔热的胶垫（12），所述胶垫（12）底部设置有加热膜（13）。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，上夹头（1）的中后端设置有一对连接耳一（9），下夹头（2）上设置有与所述连接耳一（9）对应的连接耳二（10），连接销钉（3）穿过连接耳一（9）和连接耳二（10）上的中心孔使上夹头（1）与下夹头（2）连接，且上夹头（1）和下夹头（2）具有沿中心孔的一维转动自由度。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述柱塞压块（5）的顶部两侧设置有起导向作用的挡板（14），所述挡板（14）的内表面与上夹头（1）的侧表面相对。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述上夹头（1）的后端开设有一槽口（15），所述槽口（15）内通过转轴（22）转动连接有一顶杆（16），所述顶杆（16）可绕所述转轴（22）在竖直平面内转动，顶杆（16）的自由端顶在下夹头（2）对应的凹坑（17）内。
10.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，上夹头（1）与下夹头（2）之间设置有U型弹簧片（18），U型弹簧片（18）固定设置在上夹头（1）与下夹头（2）连接处的后端。
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