一种复合材料与金属连接结构的制造方法技术

本发明专利技术涉及一种复合材料与金属连接结构的制造方法，属于异质材料连接结构制造领域，其工艺步骤如下：1)表面处理；2)铺胶；3)搭接区域定位打孔；4)插入涂有胶粘剂的金属细针或纤维束；5)加温加压固化。本发明专利技术采用专有夹具进行可重复定位钻孔，解决了由于大型结构无法在数控机床打孔导致的孔定位不准问题。本发明专利技术在胶膜未固化前利用专有夹具进行打孔，解决了胶膜固化后打孔由于胶层阻挡导致钻头易折断的问题。本发明专利技术得到的连接结构质量轻，克服了常规机械连接导致的孔边应力集中问题，提高了连接结构的承载能力和可靠性，并降低连接结构破坏的突发性。而且本发明专利技术能够适用于大型结构连接件，工艺简单，成本低，有较强的推广性。

【技术实现步骤摘要】
一种复合材料与金属连接结构的制造方法
本专利技术涉及异质材料连接结构制造技术，尤其是涉及一种复合材料与金属连接结构的制造方法。
技术介绍
相比传统的金属材料，纤维增强复合材料具有高比强、高比模、各向异性、耐疲劳、耐腐蚀、性能可设计和多功能性等优势，其应用对促进航空航天装备的轻量化和高性能化具有至关重要的作用。复合材料的广泛应用不可避免会遇到复合材料与金属这两种异质材料的连接问题，如在飞机结构上大量存在的井字梁接头、桁条等金属件与复合材料蒙皮之间的连接。现有的该连接结构的制造方法，在小型结构上应用时，可以利用数控机床进行定位钻孔。但应用到大型结构时，钻孔无法在数控机床完成。为保证孔的精确定位，需要开发适用于大型结构的钻孔方法。此外由于孔很小且需要保证被连接件的相对位置，传统的利用已固化的胶粘膜先固定位置再打孔的方法容易导致钻头折断(钻头直径低于1毫米)。因此，需要开发一种能够解决现有连接工艺所存在问题的新方法。
技术实现思路
本专利技术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复合材料与金属连接结构的制造方法，本专利技术方法既能保证大型连接件孔间的精确定位，又解决了在已固化胶膜上打孔钻头易断等问题。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种复合材料与金属连接结构的制造方法，包括以下步骤：(1)表面处理：对金属件与复合材料件搭接区域表面进行丙酮清洗、干燥、打磨、再清洗、再干燥的处理，尤其是金属与复合材料搭接区域；(2)铺胶：在经表面处理过的金属件与复合材料件搭接区域铺胶，使得金属件与复合材料件通过质检的胶粘膜实现搭接区域的预定位；(3)搭接区域定位打孔：利用定位打孔夹具在金属件与复合材料件的搭接区域进行可重复定位钻孔；(4)插入涂有胶粘剂的细针：首先对细针进行表面处理，然后在细针表面和贯穿于金属件与复合材料件的孔中均匀涂抹胶粘剂，之后将涂有胶粘剂的细针插入孔中；(5)加温加压固化：在高温环境下保持一定时长，固化过程中要保持金属件与复合材料件之间的压力，然后温度自然降至室温，得到复合材料与金属连接结构。贯穿于金属件的孔与贯穿于复合材料件的孔位置重合。所述复合材料件的材质为已固化碳纤维增强复合材料。胶粘区域包括金属件与复合材料件的贴合区域，以及细针与被连接件上孔的贴合区域。步骤(3)中所述的定位打孔夹具包含上夹具与下夹具，上夹具下侧形成置放复合材料件的腔体，下夹具上侧形成置放金属件的腔体，在下夹具置放金属件的腔体下侧为碎屑槽，置放复合材料件的腔体一端闭合，另一端为复合材料件延伸出去的开口，置放金属件的腔体一端闭合，另一端为金属件延伸出去的开口，所述的上夹具与下夹具的端部设置紧固螺栓孔，所述的上夹具上设置有导向孔，使用时，将复合材料件放置于上夹具内，金属件放置于下夹具内，在两侧紧固螺栓孔中通过紧固螺栓夹紧固定后，钻头通过上夹具上的导向孔对金属件与复合材料件搭接区域进行打孔。上夹具上所述的导向孔直径为0.5-1.5mm之间，导向孔之间互相平行，导向孔可以垂直分布也可以成一定角度分布。步骤(4)中所述的细针可以为碳纤维束或金属细针，其两端与被连接的复合材料件与金属件表面平齐。步骤(4)中将涂有胶粘剂的细针插入孔中的方法可以为手工操作，也可以通过衬套导引，空气压入等半自动化方式将细针嵌入孔中。步骤(5)中所述的固化方法由胶粘剂的种类决定，连接结构可以在室温下完成固化，也可以采用电热毯或微波加热等局部加热方法完成固化，还可以在温度箱中完成固化。步骤(5)中所述固化过程中要保持一定压力，可以用紧固螺栓实现，也可以用真空袋压缩实现。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点及有益效果：本专利技术采用定位打孔夹具进行可重复定位钻孔，克服了大型结构上对连接件打孔时定位不准的问题。此外，本专利技术在胶膜未固化前利用定位打孔夹具进行打孔，解决了胶膜固化后打孔由于胶层阻挡导致钻头易折断的问题。通过该方法制造的连接件有效解决机械连接孔边应力集中、重量大等缺点，以及胶接分散性大、可靠性低等缺点。而且通过本专利技术得到的连接结构质量轻，提高复合材料与金属连接结构的承载能力和可靠性，并降低连接结构破坏的突发性。而且本专利技术能够适用于大型结构连接件，工艺简单，成本低，有较强的推广性。附图说明图1是本专利技术制造方法的流程图；图2是本专利技术所针对的复合材料与金属连接结构示意图；图3是本专利技术的可重复定位钻孔夹具示意图；图4是本专利技术的试验件进行定位钻孔加工示意图。图中，1是复合材料件，2是细针，3是胶粘膜，4是金属件，5是上夹具，6是下夹具，7是紧固螺栓孔，8是碎屑槽，9是导向孔。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。实施例一种复合材料与金属连接结构的制造方法，如图1所示，包括以下步骤：(1)原材料准备：复合材料件和金属件为165mm×100mm×3mm各一块，HysolEA9696中温固化胶膜，AB胶，直径为1mm，长度为6mm的不锈钢细针。(2)表面处理：对金属件与复合材料件搭接区域表面进行丙酮擦拭，等干燥后先用500目粗砂纸打磨表面，随后再用2000目细砂纸打磨表面，然后再次用丙酮清洗，放置在通风处等待自然干燥；(3)铺胶：在经表面处理过的金属件与复合材料件搭接区域铺HysolEA9696胶粘膜，在常温(未固化)下加一定压力并放置30分钟，使得金属件与复合材料件通过质检的胶粘膜实现搭接区域的预定位；(4)搭接区域定位打孔：利用定位打孔夹具在金属件与复合材料件的搭接区域进行可重复定位钻孔；(5)插入涂有胶粘剂的细针：首先对细针进行表面处理，打磨、清洗、干燥，然后在细针表面和贯穿于金属件与复合材料件的孔中均匀涂抹胶粘剂，之后将涂有胶粘剂的细针插入孔中；(6)加温加压固化：将打好孔的试件和夹具一起放入120℃的温度箱中保持60分钟，固化过程中要保持粘接件之间的压力(200kPa)，关闭温度箱，将连接件温度自然降至室温。(7)分剪与检验将固化后的整个连接件分剪成宽度为25mm的5个连接件，之后进行拉伸试验对每个连接件进行力学性能的测试，经测试本实施例所得复合材料与金属连接结构质量轻，克服了常规机械连接导致的孔边应力集中问题，提高了复合材料与金属连接结构的承载能力和可靠性，并降低连接结构破坏的突发性。而且本专利技术能够适用于大型结构连接件，工艺简单，成本低，有较强的推广性。如图2所示本实施例的复合材料与金属连接结构包括：带有通孔的复合材料件1，涂有胶粘剂的细针2，位于贴合面的胶粘膜3，带有通孔的金属件4。其中，贯穿于金属件的孔与贯穿于复合材料件的孔位置重合。本实施例中，复合材料件的材质为已固化碳纤维增强复合材料。本实施例中，胶粘区域包括金属件与复合材料件的贴合区域，以及细针与被连接件上孔的贴合区域。如图3、图4所示，步骤(3)中定位打孔夹具包含上夹具5与下夹具6，上夹具5下侧形成置放复合材料件的腔体，下夹具6上侧形成置放金属件的腔体，在下夹具6置放金属件的腔体下侧为碎屑槽8，置放复合材料件的腔体一端闭合，另一端为复合材料件延伸出去的开口，置放金属件的腔体一端闭合，另一端为金属件延伸出去的开口，上夹具5与下夹具6的端部设置紧固螺栓孔7，上夹具5上设置有导向孔9，使用时，将复合材料件1放置于上夹具5内，金属件4放置于下夹具6内，在两侧紧固螺栓孔7中通过紧固螺栓本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种复合材料与金属连接结构的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)表面处理：对金属件与复合材料件搭接区域表面进行丙酮清洗、干燥、打磨、再清洗、再干燥的处理；(2)铺胶：在经表面处理过的金属件与复合材料件搭接区域铺胶，使得金属件与复合材料件通过质检的胶粘膜实现搭接区域的预定位；(3)搭接区域定位打孔：利用定位打孔夹具在金属件与复合材料件的搭接区域进行可重复定位钻孔；(4)插入涂有胶粘剂的细针：首先对细针进行表面处理，然后在细针表面和贯穿于金属件与复合材料件的孔中均匀涂抹胶粘剂，之后将涂有胶粘剂的细针插入孔中；(5)加温加压固化：在高温环境下保持一定时长，固化过程中要保持金属件与复合材料件之间的压力，然后温度自然降至室温，得到复合材料与金属连接结构。

【技术特征摘要】
1.一种复合材料与金属连接结构的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)表面处理：对金属件与复合材料件搭接区域表面进行丙酮清洗、干燥、打磨、再清洗、再干燥的处理；(2)铺胶：在经表面处理过的金属件与复合材料件搭接区域铺胶，使得金属件与复合材料件通过质检的胶粘膜实现搭接区域的预定位；(3)搭接区域定位打孔：利用定位打孔夹具在金属件与复合材料件的搭接区域进行可重复定位钻孔；(4)插入涂有胶粘剂的细针：首先对细针进行表面处理，然后在细针表面和贯穿于金属件与复合材料件的孔中均匀涂抹胶粘剂，之后将涂有胶粘剂的细针插入孔中；(5)加温加压固化：在高温环境下保持一定时长，固化过程中要保持金属件与复合材料件之间的压力，然后温度自然降至室温，得到复合材料与金属连接结构。2.根据权利要求1所述的一种复合材料与金属连接结构的制造方法，其特征在于，贯穿于金属件的孔与贯穿于复合材料件的孔位置重合。3.根据权利要求1所述的一种复合材料与金属连接结构的制造方法，其特征在于，所述复合材料件的材质为已固化碳纤维增强复合材料。4.根据权利要求1所述的一种复合材料与金属连接结构的制造方法，其特征在于，胶粘区域包括金属件与复合材料件的贴合区域，以及细针与被连接件上孔的贴合区域。5.根据权利要求1所述的一种复合材料与金属连接结构的制造方法，其特征在于，步骤(3)中所述的定位打孔夹具包含上夹具与下夹具，上夹具下侧形成置放复合材料件的腔体，下夹具上侧形成置放金属件的腔体，在下...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐华清，刘龙权，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海,31