一种复合材料制件胶接装配工装及其使用方法与流程

1.本发明属于复材制件成型技术领域，具体涉及一种复合材料制件胶接装配工装及其使用方法。


背景技术：

2.在航天航空领域，碳纤维复合材料制件在一些受力要求较小且不易一体成型的区域，多采用二次胶接的方法成型。二次胶接需对胶接件及胶黏剂施加压力，现阶段的加压方法有：打真空袋加压、螺栓拧紧加压、热压机加压、束紧带加压等。打真空袋加压无法时刻关注胶黏剂凝胶情况，且像异形筒体这类筒型曲面结构，结构紧凑，空间有限，定位要求高，环向皆需加压的制件，打真空袋加压或热压机加压都操作复杂，时间及人工成本高，且最终的胶接效果还不理想；利用螺栓拧紧加压，在胶黏剂凝固收缩时，压力将松开，也达不到持续加压的作用，需要人为不断地拧紧螺栓以施加压力；在异形筒体上使用束紧带加压易打滑，加压效果也不好。


技术实现要素：

3.为解决现有技术中的不足，本发明提供一种复合材料制件胶接装配工装及其使用方法，能够对需要胶接的复合材料制件的胶接位置进行持续加压，具有结构紧凑，操作方便，通用性强等特点，尤其适用于异形筒体的胶接。
4.为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：第一方面，提供一种复合材料制件胶接装配工装，包括支架组件和安装在所述支架组件上的加压定位板组件，所述加压定位板组件用于对需要胶接的复合材料制件的胶接位置进行持续加压。
5.进一步地，所述支架组件包括工作台，在所述工作台上安装有若干个脚架；所述脚架用于安装所述加压定位板组件。
6.进一步地，所述加压定位板组件包括安装在所述脚架上的定位板，所述定位板上安装有加压单元，所述加压单元用于通过压条对复合材料制件的胶接位置进行加压，所述压条的型面与其安装位置处的复合材料制件的型面相匹配。
7.进一步地，所述加压单元包括压力轴、压力板和弹簧；所述压力板包括固定端和支撑端，所述固定端用于与所述定位板连接，所述支撑端设有锁型孔；所述压力轴包括操作端和用于抵接在所述压条上的圆头端，在所述操作端与圆头端之间设有第一限位卡点和可穿过所述锁型孔的第二限位卡点，所述弹簧安装在所述第一限位卡点和压力板的支撑端之间。
8.进一步地，所述固定端和支撑端之间的夹角为直角或钝角。
9.进一步地，所述加压单元还包括压块，所述压块与所述定位板连接，用于将t型法兰的定位边固定在所述定位板上。
10.进一步地，所述定位板包括分别安装在所述脚架上的第一定位板、第二定位板和
第三定位板；所述第一定位板和第二定位板镜像对称，并分别与所述脚架螺栓连接，且分别包含至少一个定位螺栓，所述定位螺栓用于实现所述第一定位板和第二定位板的旋转开合；所述第三定位板通过设置在其上的若干个定位螺栓孔和导向螺栓孔与所述脚架螺栓连接，所述导向螺栓孔用于实现第三定位板的重力下移；所述第一定位板、第二定位板和第三定位板上分别安装有若干个加压单元。
11.进一步地，所述加压定位板组件还包括t型校准板，所述t型校准板分别与所述第一定位板和第二定位板固定连接，用于保持所述第一定位板和第二定位板的相对位置。
12.进一步地，所述工作台由若干个支腿和横梁拼接而成，在所述工作台上安装有若干个脚架；在所述工作台上设有若干个用于调整所述脚架及加压定位板组件的位置的基准孔。
13.第二方面，提供一种复合材料制件胶接装配工装的使用方法，包括：调整加压定位板组件、支架组件之间的相对位置；将加压定位板组件中的压力轴提起；将用于胶接复合材料制件的t型法兰的定位边固定在所述定位板上；将压条放置在待压紧的胶接位置，将压力轴放下，弹簧处于压缩状态，压力轴的圆头端压在压条上。
14.与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：（1）本发明通过支架组件和加压定位板组件，可以对需要胶接的复合材料制件的胶接位置进行持续加压，具有结构紧凑，操作方便，通用性强等特点，尤其适用于异形筒体的胶接；（2）本发明解决了异形曲率结构的复合材料二次胶接压力施加困难的问题，尤其是像异形筒体这类周向皆要施压的制件；（3）本发明斜向加压的方式，减少了法兰定位边翘曲，定位不准确的问题产生；（4）本发明上定位板左右旋转开合和下定位板重力下移的结构，大大方便了操作工操作，方便快捷、省时省力；（5）本发明解决了狭小空间操作问题；相较于打袋加压、压机加压及束紧带加压，更方便观察加压胶接情况。
附图说明
15.图1是适用于本发明实施例提供的一种复合材料制件胶接装配工装的异形复合材料制件的结构示意图；图2是本发明实施例提供的一种复合材料制件胶接装配工装使用时的状态示意图；图3是本发明实施例中支架组件的结构示意图；图4是本发明实施例中加压定位板组件在使用状态下的局部放大图；图5是本发明实施例中加压定位板组件与l型脚架的连接关系示意图一；图6是本发明实施例中用于连接异形复合材料制件的t型法兰的结构示意图；图7是本发明实施例中加压单元工作状态示意图一；图8是本发明实施例中压力轴的结构示意图；图9是本发明实施例中压力板的结构示意图；图10是本发明实施例中加压单元工作状态示意图二；
图11是本发明实施例中压块的结构示意图；图12是本发明实施例中校准板的安装状态示意图；图13是本发明实施例中加压定位板组件与l型脚架的连接关系示意图二；图14是图13的后视图；图15是本发明实施例中加压单元工作状态示意图三；图16是本发明实施例中操作压力轴的示意图；图17是本发明实施例中加压定位板组件与l型脚架之间定位螺栓的连接状态示意图；图18是本发明实施例中第一定位板和第二定位板旋转开合以及第三定位板重力下降的示意图；图19是本发明实施例中用于操作压力轴的自制扳手示意图；图中，1、支架组件；101、支腿；102、横梁；103、l型脚架；opt、基准孔；2、加压定位板组件；201、第一定位板；202、第二定位板；203、第三定位板；2031、定位螺栓孔；2032、导向螺栓孔；204、定位螺栓；205、压条；206、硅胶垫；207、校准板；2071、定位块；2072、滚花螺母；208、压力轴；2081、操作端；20811、六方；2082、圆头端；2083、第一限位卡点；2084、紧定螺栓孔；20841、第二限位卡点；2085、螺母；209、压力板；2091、固定端；2092、支撑端；20921、锁型孔；210、弹簧；211、压块；2111、蝶型螺栓；212、自制扳手；3、筒体模具；a、法兰；a1、定位边；b、筒体；f0、曲面法向；t、曲面切向。
具体实施方式
16.下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
17.实施例一：如图1~图19所示，本实施例以对异形筒体胶接为例进行说明，如图1所示，异形筒体由法兰a与筒体b二次胶接而成，法兰结构为环形，分成两瓣，围绕筒体一圈进行胶接，故二次胶接施加的力也应为周向分布的，这给胶接工作增加了难度。综合考虑到其他加压方式的成本及可操作性，故采用本实施例所述的工装。
18.一种复合材料制件胶接装配工装，包括支架组件1和安装在支架组件1上的加压定位板组件2，加压定位板组件2用于对需要胶接的复合材料制件的胶接位置进行持续加压，如图2所示。
19.如图3所示，支架组件1包括由若干个支腿101和横梁102拼接成的工作台，在工作台上安装有若干个l型脚架103；加压定位板组件2安装在l型脚架103上。工作台为焊接框架结构，在工作台上设有若干个用于调整l型脚架及加压定位板组件的位置的基准孔opt。本实施例中，工作台顶面的焊接平板上设计4个基准孔opt，该基准孔opt用于调整l型脚架103及加压定位板组件2整体在工作台上的相对位置；l型脚架103在加压定位板组件2反复拆卸及装配的工作中用于定位及固定，l型脚架103的位置在工装制造时确定，先将l型脚架103及加压定位板组件2先连接为一体，再通过激光跟踪仪，利用支架上的4个基准孔opt，来调节各个加压定位板组件2上的靶标孔pt（附图中未示出）的坐标位置，调整好后，利用螺栓将l型脚架103锁死在工作台上，与工作台形成一体，不再拆卸，这样加压定位板组件2反复拆
装也不会改变其位置。该支架组件1的作用主要为：1、增高工装，便于工人操作；2、定位带筒体模具3的异形筒体筒体；3、定位各个加压定位板组件，以保证各法兰及加强筋在筒体上的相对装配位置。
20.本实施例中，加压定位板组件共5组，每组的结构类似，基本原理相同，故以其一为例，介绍加压定位板组件的结构、工作原理、设计思路及优势。
21.如图4~图6、图13~图14、图18所示，加压定位板组件2共有3块定位板，其中，上定位板为2块，包括分别通过等高螺栓安装在l型脚架103上的第一定位板201和第二定位板202，下定位板1块，为通过等高螺栓安装在l型脚架103上的第三定位板203；第一定位板201和第二定位板202镜像对称，且分别包含至少一个定位螺栓204（其中一个等高螺栓作为定位螺栓），定位螺栓204用于实现第一定位板201和第二定位板202的旋转开合；第三定位板203通过设置在其上的若干个定位螺栓孔2031和导向螺栓孔2032与l型脚架103螺栓连接，导向螺栓孔2032用于实现第三定位板203的重力下移；第一定位板201、第二定位板202和第三定位板203上分别安装有若干个加压单元；加压单元用于通过压条205对复合材料制件的胶接位置进行加压，压条有多个，每个压条205的型面分别与其安装位置处的复合材料制件的型面相匹配。
22.本实施例中，法兰a的截面为t型，如图6所示，法兰a竖直的边为定位边a1，定位边a1两侧与筒体胶接的边都需要加压，故两侧都要设计压条及施压装置。压条205与法兰a胶接型面随型，与法兰需加压的型面之间加一层2mm硅胶垫206以保护法兰，定位边a1单侧一圈压条分3段，沿法兰中轴面左右对称，压条205一共有12件。
23.由于上定位板为左右对称的2块，安装固定在 l型脚架103上，中间为悬空段，为保证中间悬空段的刚度及2块上定位板共面，设计了该校准板207，将2块上定位板连成一体。该校准板207呈t型，t型上部开4个螺栓过孔，锁螺栓将2块上定位板校平，t型下部开1个螺栓过孔，螺栓从该孔和2块上定位板之间的缝隙穿过，与上定位板另一面的定位块2071和滚花螺母2072（蝶型螺母也可以）连接，如图5、图12所示。
24.如图4~图5、图7~图11、图15~图16、图19所示，加压单元包括压力轴208、压力板209和弹簧210；压力轴208包括操作端2081和用于抵接在压条205上的圆头端2082，操作端2081设有外螺纹，在操作端2081与圆头端2082之间设有第一限位卡点2083和可穿过锁型孔20921的第二限位卡点20841，弹簧210安装在第一限位卡点2083和第二限位卡点20841之间。压力轴208为阶梯轴，圆头端2082与压条205接触，操作端2081为螺纹段，可安装螺母2085用于限位，防止压力轴208从压力板209上的锁型孔20921中脱落，靠近操作端2081顶端加工一个小一圈的六方20811（由于空间狭小，手指无法操作，使用自制小扳手（图19）卡住六方操作），压力轴208中间位置开设紧定螺栓孔2084，以安装紧定螺钉，形成压力轴的卡点，即第二限位卡点20841（此处紧定螺钉孔也可以不作，直接在压力轴紧定螺钉安装的位置焊接一个小凸点，也能达到开设紧定螺钉孔安装紧定螺钉，使压力轴上有一个卡点的效果）。
25.压力板209呈l型，包括一体成型的固定端2091和支撑端2092；固定端2091钻2个螺栓过孔，用于与第一定位板201、第二定位板202或第三定位板203连接，支撑端2092设有锁型孔20921，用于压力轴穿过压力板209，各个压力板209的角度根据实际法兰型面的法向确定，所以角度并不一致，通常固定端2091和支撑端2092之间的夹角为直角或钝角，但工作原
理和大体结构是一样的。装配关系如图10所示，先将压力板209安装在定位板上，再将紧定螺钉拧进压力轴内，让紧定螺钉头留1mm左右突出在压力轴外，形成压力轴208的第二限位卡点20841，弹簧210从压力轴208的螺纹端穿入，最后将压力轴208整体从压力板209的锁型孔20921上穿过，当弹簧210碰到压力板209平面时，拧上螺母2085，此时松开手，压力轴因为螺母能够挂在压力板209上，此时弹簧210也处于自然状态。一个压条上大约布置1～3个，具体个数与压条大小有关，具体在下面说明。
26.压块211使用蝶型螺栓2111将其锁在第一定位板201、第二定位板202或第三定位板203上，用于将t型法兰的定位边固定在第一定位板201、第二定位板202或第三定位板203上，对法兰定位边辅助施压，使得法兰定位边能够贴死在定位卡板上，以保证法兰在异形筒体筒体上的位置。
27.工作原理：该套工装核心部分为加压单元，加压原理是利用弹簧210压缩时产生持续的力对法兰进行加压。如图15所示，一般胶接压力应垂直于曲面，沿曲面法向f0加压（与曲面切向t垂直），但本实施例中法兰呈t型，其定位边a1也需要施加力将其与定位面贴合，故将力的方向偏转一定角度，本工装可偏转0~45
°
，该角度不易过大，该角度如果过大，用于胶接的压力就会过小，且会造成定位边a1与定位板之间压的太死，胶接时，法兰无法上下蹿动，压块211压不下去，从而影响胶接质量，本实施例中，偏转角度为30
°
；偏转一定角度后，压力杆上的力f就有了分力，分力f1用于法兰与筒体的胶接，分力f2用于保证法兰定位边与定位板紧贴，另外，这种施力方式，像异形筒体这种曲面是从低到高的趋势，可以避免压条205沿胶接斜面下滑。由于压紧定位边与定位板的力是不确定的，故为避免分力f2不一定足够，增加压块211，利用拧紧螺母的松紧程度来辅助压紧定位边。
28.如图16所示，未胶接前，使用结构类似于开口扳手的自制扳手212，叉住压力轴208的六方20811，将压力轴208向靠近压力板209的方向提起，让压力轴208上的第二限位卡点20841从压力板209的锁型孔20911通过，通过后，转动压力轴208，使得第二限位卡点20841避开锁型孔20911的开口后松手，压力轴208即可卡住。胶接时，放上压条205后，使用扳手扳动压力轴208，弹簧210将带着压力轴208弹出，从而压住压条205，此时的弹簧210仍然处在被压缩状态，压缩的弹簧210会产生一定的力，该力将通过压力轴208顶住压条205传递到法兰上，即便是在树脂胶凝固变薄的过程中，压力都是持续施加的。
29.该套工装的每块定位板与l型脚架103皆用等高螺栓定位夹紧，结构如图17所示，定位板与l型脚架103利用等高螺栓的销杆段保证相对位置，再利用螺纹段拧螺母夹紧。如图18所示，上定位板（即第一定位板201、第二定位板202）的2个等高螺栓，下侧角落里的等高螺栓除了作定位，亦作上定位板的旋转轴，上定位板上侧角落开一三角形口作为旋转扳动时的抠手；下定位板（即第三定位板203）有4个等高螺栓，2个起定位夹紧作用，另外2个作为导向销，下定位板上对应位置为纵向的腰型孔（即导向螺栓孔），当定位夹紧的2个等高螺栓拔出后，可防止下定位板向前倾倒，同时限制下定位板在重力作用下向下滑动。这样的方式大大方便了操作工作，操作时，仅需拔出对应的等高螺栓，下定位板会自动下滑脱开，上定位板也仅需稍稍用力搬开，无需定位板整个拆卸搬运。
30.参数设计：一般胶接压强为3～50psi（即0.0207mpa～0.345mpa），设计的二次胶接压条与制
件接触的面积 s=0.004m2，则根据压力格式可得，在压块上所需施加的力为f=ps=82.8n～1380n；若取压力为108n，压力轴设计3处，则均布到每一个压力轴上则需要沿曲面法线方向的分力f1=108/3=36n，分力角30
°
，所以根据公式，可以得出工作时，压力轴上产生的力为f=f1/cos30
°
≈41.57n，再考虑到需要有塞入及取出压条的空间，所以弹簧在胶接时不能为弹簧完全压缩的状态，应为半压缩状态，故需再乘系数n，所以弹簧工作极限载荷为pj=f/n，若n取0.5，则pj为83n，再根据圆柱螺旋压缩弹簧的标准参数表找到对应的弹簧为1.4
×
10，长度结合实际所需塞/取压条的空间及压缩弹簧的各项参数计算公式，得出适合该套工装的长度。
31.本发明加压单元可以根据实际胶接情况，增加或减小胶接压力，减少了反复试验修改工装的成本，缩短了项目周期。
32.以上为参数为举例，许多参数皆可进行变更，具体参数需按实际需求设定，设定是遵循以下原则：1、根据实际胶接压强及压条与胶接接触面的面积设定压力；2、考虑操作空间，合理布置加压装置个数；3、若使用人力压缩弹簧，需考虑人所能承受的最大力。比如若所需压缩弹簧的力为150n，则一位操作人员则需要能够抬起15kg的物件，故尽量不要超过100n，可以通过增长弹簧长度（因为胡克定律f=kx，当弹簧长度增长，弹簧可压缩量越大，则其系数越小，而需要塞/取压条的空间
△
x一定，则需拉伸弹簧所需增加的力
△
f=k
△
x越小），或增加加压装置的个数来降低pj；若实在是实际所需胶接压强较大，空间受限，弹簧压缩压力较大，操作人员无法用自制扳手扳动来压缩弹簧，可额外设计一套如图19所示的省力夹来操作（省力杠杆原理，不做过多赘述）。
33.本发明通过斜向施力轴外加压块的结构，成功减少了法兰定位边翘曲，减少定位不准的问题产生；该套工装的施力装置可以根据实际胶接情况，增加或减小胶接压力；增加：1、在弹簧与角钢制件增加垫片，使工作状态下弹簧压得更紧，从而增加压力；2、换成线径更大的弹簧 3、更换压力板，压力板偏角减少，以增大分力。减少：1、换成线径更小的弹簧；2、增加弹簧长度；3、更换角钢，角钢偏角加大，以减小分力。空间狭小处，用自制扳手操作，简单便捷；上定位板翻转及下定位板滑移的方式，大大减轻了员工搬运的负担；相较于打袋加压、压机加压及束紧带加压，更方便观察加压胶接情况，各点的压力更多变可调。
34.本发明不仅适用于简单的平板胶接、而且还适用于各类筒型、环形异形曲面结构的复合材料装配胶接。该工装可以根据实际情况调整施加的压力大小，并可以通过更换部分小零件达到更改压力方向。
35.实施例二：基于实施例一所述的一种复合材料制件胶接装配工装，本实施例提供一种复合材料制件胶接装配工装的使用方法，包括：1、调整加压定位板组件、支架组件之间的相对位置；具体的，调整脚架、加压定位板组件、工作台之间的相对位置，利用基准孔及靶标孔，调整加压定位板组件在工作台上的位置，并将这两部分安装成一体；2、将所有压力轴用扳手通过操作端提起，使压力轴上第二限位卡点从压力板上的锁型孔通过；3、拔出各加压定位板组件的等高螺栓，使得加压定位板组件的下定位板下移脱
开，上定位板向两侧旋转打开；4、将异形筒体及筒体模具整体，利用工装定位支架上两端的定位板将其定位锁紧；5、将上定位板转回，下定位板上抬，插回等高螺栓定位，上定位板安装上校准板；6、放上法兰，利用法兰定位边与定位板紧贴定位，再装上压块，涂上树脂胶，使用压块压住法兰定位边；调整压块，将用于胶接复合材料制件的t型法兰的定位边固定在所述第一定位板、第二定位板和/或第三定位板上；7、在法兰上曲面放上硅胶垫及压条，压条放置在待压紧的胶接位置，将压力轴放下，弹簧处于压缩状态，圆头端压在压条上；将压块的螺母往回旋松一点，让压条能压住胶接面向树脂胶施加压力。
36.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。