一种碳纤维复合材料板连接孔的加工方法与流程

本发明属于碳纤维复合材料零部件连接技术领域，涉及一种碳纤维复合材料板连接孔的加工方法。

背景技术：

碳纤维复合材料(简称cfrp)具有质量轻、高强度、压溃吸能特性好等优点，在汽车领域的应用越来越广泛，是汽车实现轻量化的常用材料之一。近些年，大量采用碳纤维复合材料作为主要用材的汽车越来越多。

目前，碳纤维复合材料的成本远高于钢板、铝合金和镁合金等金属材料，从力学性能、轻量化效果和成本角度来看，碳纤维复合材料与金属材料的混合使用将是汽车用材的主要趋势。因此，碳纤维复合材料与其他材料尤其是金属材料的连接技术是碳纤维复合材料发展的关键技术之一。包括铆接和螺栓连接在内的有孔连接方式具有连接强度高、耐候性、耐高温性及耐久性好等优点，是碳纤维复合材料零部件间的主要连接方式。有孔连接方式需要提前在碳纤维复合材料板上加工出连接孔，现有的碳纤维复合材料板制孔方法主要有冲孔和机械制造加工孔，而制孔后往往仅进行打磨处理，并没有其它处理措施。由于在制孔的过程中不可避免会产生碳纤维复合材料板中碳纤维丝的切断，孔周切断的纤维丝在连接孔的服役过程中会产生局部断裂、分层等失效，导致孔周比母材非连接区预先发生连接失效，从而影响了连接强度和连接可靠性。

正是由于现有的碳纤维复合材料板制孔方法没有考虑到碳纤维复合材料的材料特性，制孔之后也没有进行特殊处理，因而经常会发生连接孔先于母材失效的问题。因此，根据碳纤维复合材料的特点和连接设计要求，对碳纤维复合材料板连接孔的加工方法进行改进，是目前亟待解决的问题之一。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种碳纤维复合材料板连接孔的加工方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种碳纤维复合材料板连接孔的加工方法，该方法包括以下步骤：

1)计算连接孔的基本直径以及孔深度方向的变形量；

2)根据连接孔的基本直径以及孔深度方向的变形量加工出连接孔；

3)在连接孔的孔周涂敷结构胶，并在室温下固化。

进一步地，步骤1)中，根据碳纤维复合材料板的机械连接设计要求，采用数值计算方法，对碳纤维复合材料板的连接强度进行预测，并计算连接孔的变形量，得到连接孔的基本直径以及孔深度方向的变形量。

碳纤维复合材料板的机械连接设计要求主要有：

①应尽量减小碳纤维复合材料板的应力集中；②应满足端距/孔径＞2.5，宽度/孔径＞5，条件允许的情况下尽可能增加端距与边距；③应尽可能使接头产生与挤压破坏有关的破坏模式，而非剪切破坏或拉伸破坏；④碳纤维复合材料的铺层方向应尽量与接头方向一致；⑤碳纤维复合材料板的塑性较差，载荷再分配能力差，多钉连接设计应尽量不使用多于两排紧固件的连接形式。

碳纤维复合材料板上连接孔的设计需满足破坏发生时板材先于紧固件破坏，即由以下①、②式可以得出连接孔的基本直径d的最小许可值。

根据板材拉伸破坏条件有：

根据板材剪切破坏条件有：

①、②式中，w为碳纤维复合材料板宽度，e为碳纤维复合材料板的端距，t为碳纤维复合材料板的厚度，σt板为碳纤维复合材料板抗拉强度，σs板为碳纤维复合材料板的抗剪强度，σs钉为紧固件(螺栓或铆钉)抗剪强度，0.75d为紧固件(螺栓或铆钉)外径。

连接孔深度方向的变形量由连接孔的基本直径决定，根据连接孔的基本直径选择紧固件(螺栓或铆钉)的直径，紧固后测量紧固件(螺栓或铆钉)直径的变化，即可得出连接孔深度方向的变形量。

进一步地，步骤1)中：所述的连接孔的内壁与紧固件的外侧面相适配。

进一步地，所述的紧固件为螺栓或铆钉。

进一步地，步骤2)中，采用冲孔、钻孔、铣孔或镗孔的方式加工出连接孔。

进一步地，步骤3)中，所述的结构胶包括环氧树脂类结构胶、聚氨酯类结构胶或丙烯酸酯类结构胶中的一种。选用固化后体积收缩率较小的结构胶。

进一步地，步骤3)中，所述的结构胶固化后的剪切强度≥碳纤维复合材料板的抗拉强度。

连接孔是开设在碳纤维复合材料板上的孔，且该孔是用于铆接、螺栓连接或其他有孔连接方式的连接用孔。根据连接孔的基本直径以及孔深度方向的变形量，可设计出连接孔的形状及孔特征尺寸，以便采用机械加工或材料成形加工方法在碳纤维复合材料板上加工出连接孔。

本发明中，一方面通过合理地设计连接孔的形状，增大了连接孔孔壁与紧固件(铆钉或螺栓)的接触面积；另一方面由于结构胶填补了连接孔孔壁与紧固件之间的间隙，进而提高了连接孔与紧固件间的配合精度。孔周应力集中现象是碳纤维复合材料板机械连接强度提升的主要限制因素，增大接触面积与提高配合精度都会缓解复合材料板上连接孔孔周的应力集中现象，进而提高连接强度。

与现有技术相比，本发明具有以下特点：

1)本发明充分考虑了碳纤维复合材料板材的特性，通过设计碳纤维复合材料板连接孔的形状及孔特征尺寸，并在制孔后涂敷一层结构胶进行强化，使制备出的连接孔在满足相关技术要求的前提下连接强度大大提高，减小连接孔孔周区域的应力集中，降低该区域碳纤维复合材料破裂或分层失效的风险，推迟了孔周分层失效的时间，使得孔周区域不会比其他区域先发生失效，从而提高了带连接孔的碳纤维复合材料零部件连接强度，延长使用寿命；

2)提高了产品开发成功率，缩短开发周期，有利于碳纤维复合材料零部件类产品的设计开发。

附图说明

图1为采用数值计算方法获得的cfrp与cfrp(图1a)、cfrp与trip780钢板(图1b)采用铆钉连接情况下的连接孔周的变形量图；

图2为加工后的带连接孔cfrp板；

图3为采用传统数控铣削方法(3a)及本发明方法(3b)加工出的带连接孔cfrp/cfrp铆接试样在单向拉伸至变形失效后的图片；

图4为采用传统数控铣削方法(4a)及本发明方法(4b)加工出的带连接孔cfrp/cfrp铆接试样在单向拉伸中所能承受的最大载荷图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1：

一种碳纤维复合材料板连接孔的加工方法，包括以下步骤：

1)根据碳纤维复合材料板的机械连接设计要求，采用数值计算方法，对碳纤维复合材料板的连接强度进行预测，并计算连接孔的变形量，得到连接孔的基本直径以及孔深度方向的变形量，使连接孔的内壁与紧固件(螺栓)的侧面相适配；

2)采用镗孔的方式，根据连接孔的基本直径以及孔深度方向的变形量加工出连接孔；

3)在连接孔的孔周涂敷结构胶(环氧树脂类结构胶)，并在室温下固化，结构胶固化后的剪切强度≥碳纤维复合材料板的抗拉强度。

图1为采用数值计算方法获得的cfrp与cfrp(图1a)、cfrp与trip780钢板(图1b)采用铆钉连接情况下的连接孔周的变形量图；图2为加工后的带连接孔cfrp板。

图3为采用传统数控铣削方法(3a)及本实施例方法(3b)加工出的带连接孔cfrp/cfrp铆接试样在单向拉伸至变形失效后的图片。由图3可见，采用传统数控铣削方法加工的cfrp板铆钉孔周发生了非常显著的碳纤维丝断裂和分层失效；而采用本发明方法加工的试样则是铆钉发生了剪断，而铆钉孔周没有失效。这说明本发明方法加工的连接孔具有比铆钉更高的剪切强度，而传统方法加工的连接孔比铆钉的剪切强度低，由此证明了本发明方法有效地提高了cfrp板孔区域的强度。

图4为采用传统数控铣削方法(4a)及本发明方法(4b)加工出的带连接孔cfrp/cfrp铆接试样在单向拉伸中所能承受的最大载荷图。由图4可见，采用数控铣削方法加工的试样的最大拉剪强度范围在2.72～3.62kn，平均值为3.12kn；而采用本发明方法加工的带连接孔cfrp板试样的最大拉剪强度范围在3.89～4.36kn，平均值为4.20kn，可见采用本发明方法加工的带连接孔cfrp板的连接强度得到显著提高。

实施例2：

一种碳纤维复合材料板连接孔的加工方法，包括以下步骤：

1)根据碳纤维复合材料板的机械连接设计要求，采用数值计算方法，对碳纤维复合材料板的连接强度进行预测，并计算连接孔的变形量，得到连接孔的基本直径以及孔深度方向的变形量，使连接孔的内壁与紧固件(铆钉)的侧面相适配；

2)采用铣孔的方式，根据连接孔的基本直径以及孔深度方向的变形量加工出连接孔；

3)在连接孔的孔周涂敷结构胶(聚氨酯类结构胶)，并在室温下固化，结构胶固化后的剪切强度≥碳纤维复合材料板的抗拉强度。

实施例3：

一种碳纤维复合材料板连接孔的加工方法，包括以下步骤：

1)根据碳纤维复合材料板的机械连接设计要求，采用数值计算方法，对碳纤维复合材料板的连接强度进行预测，并计算连接孔的变形量，得到连接孔的基本直径以及孔深度方向的变形量，使连接孔的内壁与紧固件(螺栓)的侧面相适配；

2)采用钻孔的方式，根据连接孔的基本直径以及孔深度方向的变形量加工出连接孔；

3)在连接孔的孔周涂敷结构胶(丙烯酸酯类结构胶)，并在室温下固化，结构胶固化后的剪切强度≥碳纤维复合材料板的抗拉强度。

实施例4：

一种碳纤维复合材料板连接孔的加工方法，包括以下步骤：

1)根据碳纤维复合材料板的机械连接设计要求，采用数值计算方法，对碳纤维复合材料板的连接强度进行预测，并计算连接孔的变形量，得到连接孔的基本直径以及孔深度方向的变形量，使连接孔的内壁与紧固件(铆钉)的侧面相适配；

2)采用冲孔的方式，根据连接孔的基本直径以及孔深度方向的变形量加工出连接孔；

3)在连接孔的孔周涂敷结构胶(环氧树脂类结构胶)，并在室温下固化，结构胶固化后的剪切强度≥碳纤维复合材料板的抗拉强度。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。