CN116967955A - 一种复合材料立体桁架装配和机加工工装及使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种复合材料立体桁架装配和机加工工装，包括下框架，下框架上以可拆卸的方式间隔设置有两个侧框架，下框架和两个侧框架上设有多个可拆卸的定位组件，各定位组件上设有至少一个基准面，下框架与两个侧框架之间形成容纳立体桁架的空间，立体桁架由多个复合材料管件通过接头组件连接形成，接头组件可拆卸地连接于各基准面上以精准定位。本发明通过定位组件能单独替换或任意组合替换，下框架和两个侧框架为分体结构，能根据不同空间的立体桁架的结构形式、接口位置和安装面位置的需要进行分解和组装，以满足要求；其工装的刚性好，重量轻，操作简便，能保证基准面的平面度，其装配精确，实现装配效率高且成本低。
Description
技术领域
本发明涉及桁架结构技术领域，具体涉及一种复合材料立体桁架装配和机加工工装及使用方法。
背景技术
桁架结构由于结构简单，载荷分配合理，易于安装和拆卸的特点，在浮空器、空间站和卫星中都是很有效的一种结构。立体桁架往往具有多个空间角度基准面，不仅要满足基准面的平面度、空间角度及尺寸精度，还要满足接口位置孔的位置度。
目前常见的复合材料立体桁架胶接装配及机加工一般采用传统方式进行，先对复合材料管件进行打孔，然后胶接复合材料管件内部埋件，其次将复合材料管件与接头在胶接装配工装上进行预装修配，并在工装上定位胶接桁架，最后在机加工装上组合机加。
目前传统的复合材料立体桁架胶接装配及加工方法多存在以下几方面问题：1.胶接装配工装难以实现外径超差的复合材料零件的精确定位；2.机加时难以调校整体桁架角度来保证每个基准面的平面度；3.难以实现桁架的精确组装；4.立体桁架的胶接装配采用一套工装，立体桁架的机加采用另一套工装，而且胶接装配及机加工装往往具有独特性，即使结构类似的桁架结构，也要重新设计和制造工装，大大增加了时间和制造成本。
公开号为CN111098507A的中国专利申请公开了一种卫星复合材料桁架原位胶接装配的方法，该方法工装结构设计繁琐，精度要求高，大大增加了制造成本，且使用钻模板对复合材料管件进行制孔，人为因素影响比较大，平面度的保证需要在专门的机加工装上进行机加。公开号为CN106785314A的中国专利申请公开了一种多层复杂桁架结构装配成型方法，该方法采用逐层胶接装配，累积误差比较多，组合胶接装配时容易产生应力，导致桁架变形。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术存在的不足，提供一种复合材料立体桁架装配和机加工工装及使用方法，其工装的刚性好，操作简便，能保证基准面的平面度，其装配精确，能方便进行分解和组装，实现装配效率高且成本低。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种复合材料立体桁架装配和机加工工装，包括下框架，所述下框架上以可拆卸的方式间隔设置有两个侧框架，所述下框架和两个侧框架上设有多个可拆卸的定位组件，各所述定位组件上设有至少一个基准面，所述下框架与两个侧框架之间形成容纳立体桁架的空间，所述立体桁架由多个复合材料管件通过接头组件连接形成，所述接头组件可拆卸地连接于各基准面上以精准定位。
作为上述技术方案的进一步改进：
多个所述定位组件包括设于下框架上且靠近侧框架的第一定位件和第二定位件、以及设于两个侧框架上的第三定位件和第四定位件，所述接头组件包括与第一定位件配合连接的第一接头、与第二定位件配合连接的第二接头、与第三定位件配合连接的第三接头、和与第四定位件配合连接的第四接头，所述第一接头设于立体桁架底部的四角处，所述第二接头设于立体桁架底部的侧边上，所述第三接头设于立体桁架顶部的四角处，所述第四接头设于立体桁架顶部的侧边上。
所述第一定位件上设有与第一接头配合的第一水平基准面，所述第一接头的安装面紧贴于第一水平基准面上、并通过螺栓紧固连接。
所述第二定位件设有与第二接头配合的第二水平基准面和第二倾斜基准面，所述第二水平基准面与第一水平基准面位于同一平面上，所述第二水平基准面与第二倾斜基准面连接并形成一定的夹角，所述第二接头的安装面紧贴于第二水平基准面和第二倾斜基准面上、并通过螺栓紧固连接。
所述第三定位件设有与第三接头配合的第三水平基准面和第三倾斜基准面，位于同一侧框架上的所述第三倾斜基准面和第二倾斜基准面二者倾角相同、并位于同一平面上，所述第三水平基准面与第三倾斜基准面连接并形成一定的夹角，所述第三接头的安装面紧贴于第三水平基准面和第三倾斜基准面上、并通过螺栓紧固连接。
各所述第三倾斜基准面上设有侧基准面，所述侧基准面位于第三接头远离立体桁架的一侧。
所述第四定位件设有与第四接头配合的第四水平基准面和第四倾斜基准面，所述第四水平基准面与第三水平基准面位于同一平面上，位于同一侧框架上的所述第四倾斜基准面和第三倾斜基准面二者倾角相同、并位于同一平面上，所述第四水平基准面与第四倾斜基准面连接并形成一定的夹角，所述第四接头的安装面紧贴于第四水平基准面和第四倾斜基准面上、并通过螺栓紧固连接。
所述第二水平基准面与第二倾斜基准面为一体成型，所述第三水平基准面与第三倾斜基准面可拆卸连接，所述第四水平基准面与第四倾斜基准面可拆卸连接，所述第一水平基准面、第二水平基准面、第二倾斜基准面、第三水平基准面、第三倾斜基准面、第四水平基准面和第四倾斜基准面中的一个或多个上设有至少一个定限位槽，各所述定限位槽3211中设有基准孔，所述第一接头、第二接头、第三接头和第四接头中的一个或多个上设有与定限位槽匹配的定限位突起，所述定限位突起卡装于定限位槽中。
两个侧框架之间连接有用于加强稳定的连杆，所述连杆的两端均以可拆卸的方式与设于侧框架上的定位组件连接。
一种复合材料立体桁架装配和机加工工装的使用方法，包括以下步骤：
S1、复合材料管件通过模压成型，并通过机加工裁切；
S2、通过塞打螺钉在复合材料管件内定位并安装预埋件；
S3、将接头组件插装在复合材料管件端部；
S4、将插装有复合材料管件的接头组件与下框架和两个侧框架上的定位组件紧固连接，然后进行胶接固化，即形成立体桁架；
S5、在立体桁架的安装面上贴装垫片，并进行热稳定化处理；
S6、在装配和机加工一体化工装上组合机加安装面。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明通过定位组件能单独替换或任意组合替换，下框架和两个侧框架为分体结构，能根据不同空间的立体桁架的结构形式、接口位置和安装面位置的需要进行分解和组装；能单独拆装，单个替换或任意多个组合替换以满足胶接装配和机加技术要求；其工装的刚性好，重量轻，操作简便，能保证基准面的平面度，其装配精确，实现装配效率高且成本低。
附图说明
图1为复合材料立体桁架装配和机加工工装的结构示意图一。
图2为复合材料立体桁架装配和机加工工装的结构示意图二。
图3为下框架的结构示意图。
图4为侧框架的结构示意图。
图5为复合材料立体桁架的结构示意图。
图6为第一定位件的结构示意图。
图7为第二定位件的结构示意图。
图8为第三定位件的结构示意图。
图9为第四定位件的结构示意图。
图例说明：
1、下框架；2、侧框架；3、定位组件；31、第一定位件；311、第一水平基准面；32、第二定位件；321、第二水平基准面；3211、定限位槽；3212、基准孔；322、第二倾斜基准面；33、第三定位件；331、第三水平基准面；332、第三倾斜基准面；333、侧基准面；34、第四定位件；341、第四水平基准面；342、第四倾斜基准面；4、立体桁架；41、复合材料管件；42、接头组件；421、第一接头；422、第二接头；423、第三接头；424、第四接头；5、连杆。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1-图9所示，本实施例的复合材料立体桁架装配和机加工工装，包括下框架1，下框架1上以可拆卸的方式间隔设置有两个侧框架2，下框架1和两个侧框架2上设有多个可拆卸的定位组件3，各定位组件3上设有至少一个基准面，下框架1与两个侧框架2之间形成容纳立体桁架4的空间，立体桁架4由多个复合材料管件41通过接头组件42连接形成，接头组件42可拆卸地连接于各基准面上以精准定位。通过定位组件3能单独替换或任意组合替换，下框架1和两个侧框架2为分体结构，能根据不同空间的立体桁架4的结构形式、接口位置和安装面位置的需要进行分解和组装；能单独拆装，单个替换或任意多个组合替换以满足胶接装配和机加技术要求；其工装的刚性好，重量轻，操作简便，能保证基准面的平面度，其装配精确，实现装配效率高且成本低。下框架1包括框架方管、基准面平板和垫脚，侧框架2包括框架方管和加强筋。下框架1和两个侧框架2通过M15*140螺栓和防松螺母紧固连接，各定位组件3通过螺栓和螺纹胶与下框架1和两个侧框架2紧固连接。复合材料管件41为碳纤维复合材料。
本实施例中，多个定位组件3包括设于下框架1上且靠近侧框架2的第一定位件31和第二定位件32、以及设于两个侧框架2上的第三定位件33和第四定位件34，接头组件42包括与第一定位件31配合连接的第一接头421、与第二定位件32配合连接的第二接头422、与第三定位件33配合连接的第三接头423、和与第四定位件34配合连接的第四接头424，第一接头421设于立体桁架4底部的四角处，第二接头422设于立体桁架4底部的侧边上，第三接头423设于立体桁架4顶部的四角处，第四接头424设于立体桁架4顶部的侧边上。通过相互匹配的各定位件和各接头实现对立体桁架的结构进行精准定位。
本实施例中，第一定位件31上设有与第一接头421配合的第一水平基准面311，第一接头421的安装面紧贴于第一水平基准面311上、并通过螺栓紧固连接。通过各基准面的设置能进一步实现精准定位，第一定位件31和第一接头421通过销钉定位、螺栓紧固连接。
本实施例中，第二定位件32设有与第二接头422配合的第二水平基准面321和第二倾斜基准面322，第二水平基准面321与第一水平基准面311位于同一平面上，第二水平基准面321与第二倾斜基准面322连接并形成一定的夹角，第二接头422的安装面紧贴于第二水平基准面321和第二倾斜基准面322上、并通过螺栓紧固连接。通过各基准面的设置能进一步实现精准定位，第二定位件32和第二接头422通过销钉定位、螺栓紧固连接。
本实施例中，第三定位件33设有与第三接头423配合的第三水平基准面331和第三倾斜基准面332，位于同一侧框架2上的第三倾斜基准面332和第二倾斜基准面322二者倾角相同、并位于同一平面上，第三水平基准面331与第三倾斜基准面332连接并形成一定的夹角，第三接头423的安装面紧贴于第三水平基准面331和第三倾斜基准面332上、并通过螺栓紧固连接。第三水平基准面331与第三定位件33通过销钉定位、螺栓紧固连接，第三定位件33与第三接头423通过塞打螺钉定位和紧固连接。
本实施例中，各第三倾斜基准面332上设有侧基准面333，侧基准面333位于第三接头423远离立体桁架4的一侧。通过各侧基准面333能进一步地对立体桁架4在垂直于两个侧框架2相对方向上进行定位。
本实施例中，第四定位件34设有与第四接头424配合的第四水平基准面341和第四倾斜基准面342，第四水平基准面341与第三水平基准面331位于同一平面上，位于同一侧框架2上的第四倾斜基准面342和第三倾斜基准面332二者倾角相同、并位于同一平面上，第四水平基准面341与第四倾斜基准面342连接并形成一定的夹角，第四接头424的安装面紧贴于第四水平基准面341和第四倾斜基准面342上、并通过螺栓紧固连接。
本实施例中，第二水平基准面321与第二倾斜基准面322为一体成型，第三水平基准面331与第三倾斜基准面332可拆卸连接，第四水平基准面341与第四倾斜基准面342可拆卸连接，第一水平基准面311、第二水平基准面321、第二倾斜基准面322、第三水平基准面331、第三倾斜基准面332、第四水平基准面341和第四倾斜基准面342中的一个或多个上设有至少一个定限位槽3211，各所述定限位槽3211中设有基准孔3212，第一接头421、第二接头422、第三接头423和第四接头424中的一个或多个上设有与定限位槽3211匹配的定限位突起，定限位突起卡装于定限位槽3211中。通过定限位槽3211和定限位突起配合连接，以及基准孔3212的设置，能更便于精准定位和检验和机加的基准。
本实施例中，两个侧框架2之间连接有用于加强稳定的连杆5，连杆5的两端均以可拆卸的方式与设于侧框架2上的定位组件3连接。连杆5通过螺栓与定位组件3紧固连接，能进一步提高框架整体的牢固性和稳定性。
本实施例的复合材料立体桁架装配和机加工工装的使用方法，包括以下步骤：
S1、复合材料管件41通过模压成型，长度通过机加完成，可以保证零件状态的内径和端面尺寸精度高，以复合材料管件41内壁和端面为基准，对复合材料管件41进行机加打孔；
S2、通过塞打螺钉对预埋件进行定位，胶接复合材料管件41内部的预埋件；
S3、将复合材料管件41与接头组件42在在胶接装配与机加一体化工装上进行预装配，桁架的接头与复合材料管件41的连接方式为多通接头组件42插入复合材料管件41内部；具体包括如下步骤：
步骤S3.1、以接头外径为装配基准，打磨复合材料杆件内腔，保证桁架的接头与复合材料管件41之间的配合间隙为0.1～0.3mm；
步骤S3.2、复合材料管件41与接头组件42在胶接装配与机加一体化工装上进行预装；
步骤S3.3、使用无水乙醇等溶剂将复合材料管件41打磨位置清洁干净。
S4、胶接装配与机加一体化工装上胶接装配复合材料管件41与接头组件42；具体包括如下步骤：
步骤S4.1、接头组件42可能被残胶污染的非胶接位置使用3M胶带进行保护；
步骤S4.2、第一定位件31、第二定位件32、第三定位件33和第四定位件34、以及销钉、螺栓、防松螺母和塞打螺钉涂覆不低于3遍脱模剂；
步骤S4.3、在接头组件42和复合材料管件41的胶接面均匀刮涂一层厚度≥0.3mm结构胶；
步骤S4.4、组装第一接头421、第二接头422和对应复合材料管件41，第一接头421和第二接头422分别与第一定位件31和第二定位件32通过销钉定位、螺栓紧固，保证各零件之间无应力；
步骤S4.5、组装第三接头423、第四接头424和对应复合材料管件41，第三接头423和第四接头424分别与第三定位件33和第四定位件34通过销钉定位、螺栓紧固，保证各零件之间无应力。
步骤S4.6、室温固化，脱模并清理残胶。
S5、拆除胶接装配与机加一体化工装，在立体桁架4安装面上胶接垫片；
S6、将复合材料立体桁架4热稳定化处理；
S7、在胶接装配与机加一体化工装上组合机加安装面；具体包括如下步骤：
步骤S7.1、使用无水乙醇等溶剂将立体桁架4和胶接装配与机加一体化工装清洁干净；
步骤S7.2、在胶接装配与机加一体化工装上定位、装夹立体桁架4，在保证立体桁架4与机加一体化工装定位面配合间隙≤0.2mm前提下，无应力装夹；
步骤S7.3、以定位组件3上的基准孔为机加基准，组合加工立体桁架4除底面和两侧面外的安装面；
步骤S7.4、侧框架2翻转180°以后与下框架1紧固连接，立体桁架4翻转180°后在胶接装配与机加一体化工装上定位、装夹立体桁架4，在保证立体桁架4与机加一体化工装定位面配合间隙≤0.2mm前提下，无应力装夹；
步骤S7.5、以定位组件3上的基准孔为机加基准，组合加工立体桁架4剩余的安装面，加工两侧面时可在桁架中间安装插板来增加立体桁架4的稳定性。
本发明与传统的胶接装配、机加方式相比，能减少机加工装的单独设计和制造，以及类似桁架结构重新设计工装的费用，能实现快速低成本制造。同时桁架结构的定位、胶接、固化和机加在同一工装同一基准下进行，不仅维持了复合材料零件的装配关系，还提高了装配精度，保证了零件之间的装配质量。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术构思前提下所得到的改进和变换也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种复合材料立体桁架装配和机加工工装，包括下框架(1)，其特征在于，所述下框架(1)上以可拆卸的方式间隔设置有两个侧框架(2)，所述下框架(1)和两个侧框架(2)上设有多个可拆卸的定位组件(3)，各所述定位组件(3)上设有至少一个基准面，所述下框架(1)与两个侧框架(2)之间形成容纳立体桁架(4)的空间，所述立体桁架(4)由多个复合材料管件(41)通过接头组件(42)连接形成，所述接头组件(42)可拆卸地连接于各基准面上以精准定位。
2.根据权利要求1所述的复合材料立体桁架装配和机加工工装，其特征在于，多个所述定位组件(3)包括设于下框架(1)上且靠近侧框架(2)的第一定位件(31)和第二定位件(32)、以及设于两个侧框架(2)上的第三定位件(33)和第四定位件(34)，所述接头组件(42)包括与第一定位件(31)配合连接的第一接头(421)、与第二定位件(32)配合连接的第二接头(422)、与第三定位件(33)配合连接的第三接头(423)、和与第四定位件(34)配合连接的第四接头(424)，所述第一接头(421)设于立体桁架(4)底部的四角处，所述第二接头(422)设于立体桁架(4)底部的侧边上，所述第三接头(423)设于立体桁架(4)顶部的四角处，所述第四接头(424)设于立体桁架(4)顶部的侧边上。
3.根据权利要求2所述的复合材料立体桁架装配和机加工工装，其特征在于，所述第一定位件(31)上设有与第一接头(421)配合的第一水平基准面(311)，所述第一接头(421)的安装面紧贴于第一水平基准面(311)上、并通过螺栓紧固连接。
4.根据权利要求3所述的复合材料立体桁架装配和机加工工装，其特征在于，所述第二定位件(32)设有与第二接头(422)配合的第二水平基准面(321)和第二倾斜基准面(322)，所述第二水平基准面(321)与第一水平基准面(311)位于同一平面上，所述第二水平基准面(321)与第二倾斜基准面(322)连接并形成一定的夹角，所述第二接头(422)的安装面紧贴于第二水平基准面(321)和第二倾斜基准面(322)上、并通过螺栓紧固连接。
5.根据权利要求4所述的复合材料立体桁架装配和机加工工装，其特征在于，所述第三定位件(33)设有与第三接头(423)配合的第三水平基准面(331)和第三倾斜基准面(332)，位于同一侧框架(2)上的所述第三倾斜基准面(332)和第二倾斜基准面(322)二者倾角相同、并位于同一平面上，所述第三水平基准面(331)与第三倾斜基准面(332)连接并形成一定的夹角，所述第三接头(423)的安装面紧贴于第三水平基准面(331)和第三倾斜基准面(332)上、并通过螺栓紧固连接。
6.根据权利要求5所述的复合材料立体桁架装配和机加工工装，其特征在于，各所述第三倾斜基准面(332)上设有侧基准面(333)，所述侧基准面(333)位于第三接头(423)远离立体桁架(4)的一侧。
7.根据权利要求5所述的复合材料立体桁架装配和机加工工装，其特征在于，所述第四定位件(34)设有与第四接头(424)配合的第四水平基准面(341)和第四倾斜基准面(342)，所述第四水平基准面(341)与第三水平基准面(331)位于同一平面上，位于同一侧框架(2)上的所述第四倾斜基准面(342)和第三倾斜基准面(332)二者倾角相同、并位于同一平面上，所述第四水平基准面(341)与第四倾斜基准面(342)连接并形成一定的夹角，所述第四接头(424)的安装面紧贴于第四水平基准面(341)和第四倾斜基准面(342)上、并通过螺栓紧固连接。
8.根据权利要求7所述的复合材料立体桁架装配和机加工工装，其特征在于，所述第二水平基准面(321)与第二倾斜基准面(322)为一体成型，所述第三水平基准面(331)与第三倾斜基准面(332)可拆卸连接，所述第四水平基准面(341)与第四倾斜基准面(342)可拆卸连接，所述第一水平基准面(311)、第二水平基准面(321)、第二倾斜基准面(322)、第三水平基准面(331)、第三倾斜基准面(332)、第四水平基准面(341)和第四倾斜基准面(342)中的一个或多个上设有至少一个定限位槽(3211)，各所述定限位槽(3211)中设有基准孔(3212)，所述第一接头(421)、第二接头(422)、第三接头(423)和第四接头(424)中的一个或多个上设有与定限位槽(3211)匹配的定限位突起，所述定限位突起卡装于定限位槽(3211)中。
9.根据权利要求1所述的复合材料立体桁架装配和机加工工装，其特征在于，两个侧框架(2)之间连接有用于加强稳定的连杆(5)，所述连杆(5)的两端均以可拆卸的方式与设于侧框架(2)上的定位组件(3)连接。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的复合材料立体桁架装配和机加工工装的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、复合材料管件(41)通过模压成型，并通过机加工裁切；
S2、通过塞打螺钉在复合材料管件(41)内定位并安装预埋件；
S3、将接头组件(42)插装在复合材料管件(41)端部；
S4、将插装有复合材料管件(41)的接头组件(42)与下框架(1)和两个侧框架(2)上的定位组件(3)紧固连接，然后进行胶接固化，即形成立体桁架(4)；
S5、在立体桁架(4)的安装面上贴装垫片，并进行热稳定化处理；
S6、在装配和机加工一体化工装上组合机加安装面。
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| CN202310945158.5A CN116967955A (zh) | 2023-07-28 | 2023-07-28 | 一种复合材料立体桁架装配和机加工工装及使用方法 |
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