《复合材料装配技术》课件-任务4.复合材料机

复合材料装配技术复合材料机械连接强度纤维增强树脂基复合材料的主要连接方式除了胶接连接外，还有机械连接及混合连接；由于胶接强度分散性大，可靠性差、剥离强度低等原因，对于重要的高载荷部位，机械连接仍是最常用的方法。A380上10000个螺钉，F-22上有14000个螺钉；据统计，飞行器结构破坏的70%都发生在连接部位CONTENTS目录复材机械连接类型及应用特点01复合材料机械连接破坏形式02复材机械连接类型及应用特点PART01一、复材机械连接类型及应用特点什么是机械连接？紧固件一、复材机械连接类型及应用特点（一）复材机械连接基本类型按结构特点分可拆、不可拆按连接紧固件螺栓连接：承载大，可拆铆钉连接：强度低，承载小，不可拆，常用于板厚1~3mm铆钉直径一般小于4mm，否则铆钉成型困难，且容易造成复合材料损伤一、复材机械连接类型及应用特点（二）复材机械连接应用特点优点强度高可传递大载荷、安全可靠受环境影响小不用制备连接面螺接可重复装拆无胶接固化的残余应力一、复材机械连接类型及应用特点（二）复材机械连接应用特点缺点增重、不平、钻孔问题多（开孔应力集中、纤维中断、分层、边缘起毛）、要考虑电位腐蚀、安装损伤问题应用受力较大、连接构件稍厚、强调可靠性的场合复合材料机械连接破坏形式PART02二、复合材料机械连接破坏形式FFP第一排边距s板厚t板宽W端距e接头几何参数孔径D端距e板宽W板厚t孔距（排距P）边距s（一）复合材料机械连接接头几何参数二、复合材料机械连接破坏形式连接接头的任一组成部分，被连接件或连接介质（紧固件）发生破坏。IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII连接破坏二、复合材料机械连接破坏形式（二）基本破坏形式

（c）复材板劈裂破坏（a）复材板拉伸破坏（b）复材板剪切破坏二、复合材料机械连接破坏形式（二）基本破坏形式

(f）紧固件的拉弯变形（d）复材板的挤压破坏（e）拉脱破坏

二、复合材料机械连接破坏形式（三）复材板的拉伸与剪切破坏的识别板的挤压破坏剪切破坏拉伸破坏二、复合材料机械连接破坏形式（三）复材板的拉伸与剪切破坏的识别01.被连接板拉伸破坏时的应力计算AL=(w-

nD)

tσL=

F/AL

（σ读西格马）拉伸应力①紧固件间距>5D②加厚连接部位板厚拉伸应力净截面拉伸破坏为灾难性破坏，应避免发生沿着载荷方向承载的纵向纤维比例不能太少二、复合材料机械连接破坏形式（三）复材板的拉伸与剪切破坏的识别02.被连接板剪切破坏时的应力剪切应力

τj=

F/Aj

剪切面积Aj=

2et二、复合材料机械连接破坏形式（三）复材板的拉伸与剪切破坏的识别02.被连接板剪切破坏时的应力剪切劈裂措施加大端距：端距e=3D~4D；

0°层不宜过多，否则容易发生劈裂破坏，即使加大e也无济于事（40%以上±45°铺层；10%以上90°铺层；）劈裂及剪切破坏为灾难性破坏应避免发生二、复合材料机械连接破坏形式03.被连接板挤压破坏时的应力被连接板孔壁受紧固件的挤压：孔壁纤维和基体表面被压碎，受压侧的材料堆积分层、沿载荷方向孔发生变形。挤压应力：σjy=

F/Ajy

铺层合理、W/D，e/D足够大时发生挤压破坏。几种破坏中，只有挤压破坏为局部破坏，承载能力最高，非灾难性破坏，设计时应设计成只发生这种破坏形式圆柱面挤压时A

jy=

D

tFF二、复合材料机械连接破坏形式04.拉脱破坏层压板过薄面外拉伸沉头孔过深措施增加层压板厚度t>0.6D设计时避免连接部位承受面外拉伸载荷沉头孔深度<0.6tFF二、复合材料机械连接破坏形式05.紧固件剪切破坏时的应力剪切面积Aj

=

πr2τj=

F/Aj

铆钉直径过小或铆钉材料剪切强度小都会造成铆钉剪切破坏措施增加紧固件直径d/t>1采用抗剪强度高的紧固件小结破坏时的应力受力面积被连接板的拉伸应力

σL=F/AL板受拉伸面积AL=(w-nD)t被连接板的剪切应力τj=F/Aj板受剪切面积Aj=2et被连接板的挤压应力σy=F/Ay

板受挤压面积Ay=Dt紧固件钉的剪切应力τj=F/Aj

钉受剪面积Aj=πr2

连接板不同破坏情况时的应力思考题σ=F/A<[σ]下图所示为铆钉连接接头，若复合材料连接板拉伸破坏应力为56mpa，已知板厚t为2mm，铆钉直径取4mm，板宽40mm，铆钉孔径按D=d+0.2，F=4000N问题1、图A被连接板是否会发生拉伸破坏？问题2、其他参数不变，板厚增加一倍，被连接板抵抗拉伸破坏的能力是否增加？问题3、图B，其他参数值不变，横截面上增加铆钉数量到2颗，能否增强被连接板抵抗拉伸破坏的能力图BW图AWW复合材料装配技术复合材料机械连接的影响因素CONTENTS目录被连接件材料参数01紧固件参数02接头几何形状参数03其他影响因素04被连接件材料参数PART01一、被连接件材料参数铺层角度及比例对破坏模式及强度的影响保证连接区有足够的挤压和剪切强度，不应单一角度连接区铺层推荐：±45°>40%；0°>25%；90°=10~25%）挤压破坏[0/45/-45/90/0]S

[90]10—拉伸破坏[0]10——剪切破坏一、被连接件材料参数铺层角度及比例对破坏模式及强度的影响保证连接区有足够的挤压和剪切强度，不应单一角度连接区铺层推荐：±45°>40%；0°>25%；90°=10~25%）凸头紧固件沉头紧固件一、被连接件材料参数连接区的铺层设计，一般遵循以下原则①+45°和-45°应该成对出现或在对称中心平面两侧有等量的+45和-45°层；②±45°铺层应大于40%，0°层应大于25%，90°层应10%~25%；③相同角度的铺层均匀散开铺叠，同一角度的连续铺层应<4层。一、被连接件材料参数连接区的铺层设计，一般遵循以下原则④连接区可局部加厚，以避免孔径与板厚比（D/t）过大，避免紧固件发生破坏，1≤D/t<3。⑤连接区应避免拼接纤维。紧固件参数PART02二、紧固件参数（一）紧固件类型螺栓强度大于铆钉二、紧固件参数（二）紧固件头型：凸头或沉头凸头紧固件沉头紧固件钉头型式对复合材料层合板机械连接强度的影响；D/t=2，e/D=3.6，W/D=7.2，纤维体积分数67%，单一铺层厚0.125mm，拧紧力矩2.5N*m。0/±45/90铺层比例%铺层角极限挤压强度mpa沉头凸头30/60/10[+45/0/-45/0/45/90/-45/0/+45/-45]s919102940/50/10[+45/0/-45/0/45/90/0/-45/0/-45]s87195150/40/10[+45/0/-45/0/90/0/+45/0/-45/0]s9561023二、紧固件参数（二）紧固件头型：凸头或沉头凸头紧固件沉头紧固件尽量用凸头，沉头比凸头强度降低12%注意：防止拉脱沉头板厚>0.6d二、紧固件参数（三）紧固件材质：金属紧固件防止电位腐蚀防止电位腐蚀（碳纤维复材采用钛合金紧固件，不用铝合金紧固件，或用铝紧固件时必须采取湿装配等防腐措施）复合材料与金属构件的接触部位铺覆一层玻璃布，涂胶或涂漆等采用湿装配，还可对铆接中难以完全避免的工艺损伤起到弥补作用。二、紧固件参数（三）紧固件材质：金属紧固件防止电位腐蚀结构胶涂覆金属紧固件结构胶填充CFRP零件金属紧固件螺母湿装配二、紧固件参数（四）紧固件钉杆与被连接件孔采用间隙配合或者也可以镶嵌金属衬套后再用过盈配合金属紧固件间隙配合金属紧固件过盈配合镶嵌金属衬套胶粘剂二、紧固件参数（五）紧固件直径d紧固件直径选择应使满足其强度条件不应发生剪切破坏通常1<D/t<3，可取D=（1.2~2）tIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIF/A<

A=πr2二、紧固件参数（六）垫圈尺寸复合材料一侧铆成非沉头镦头时，镦头下面必须安放金属垫圈金属垫圈金属材料CFRP镦头铆钉头铆钉杆二、紧固件参数（七）拧紧力矩的影响拧紧力矩过大引起层合板损伤接头几何形状参数PART03三、接头几何形状参数（一）机械连接形式单搭接板单剪对接变厚度盖板对接单剪搭接双搭接板双剪对接三、接头几何形状参数（二）钉数及排列形式对连接强度的影响钉的数量多强度大，相同钉数排列形式不同强度不同三、接头几何形状参数（三）复合材料机械连接接头几何参数FP第一排边距Sw板厚t板宽W端距eF被连接板一般受拉伸载荷接头几何参数孔径D端距e或E板宽W板厚t行距P（排距）边距Sw列距Sw/D>5，e/D>3，1<D/t<3，机械连接破坏模式为挤压破坏，接头强度较高三、接头几何形状参数（四）接头几何尺寸为防止复合材料机械连接出现低强度破坏模式，被连接板接头可按下表取值。孔径/板厚D/t端距E边距Sw排距p列距s沉头孔板厚t1~

2≥

3D≥

2.5D≥

4D≥4.

5~6D≥

0.6D2.5D~4D（锪窝深度<0.6t）其他影响因素PART04四、其他影响因素机械连接强度的其他因素IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII载荷因素载荷类型及方向IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII使用环境温度、湿度、介质小结01机械连接强度的主要影响因素02紧固件尺寸、连接区尺寸、铺层角度等复合材料装配技术复合材料机械连接工艺机械连接工艺过程装配施工装配前准备质量检验无损检验外观检验试装、定位打磨铆接螺接修余量预装配制孔分解清理重新上架定位CONTENTS目录复材预装配01复材制孔修配02复材装配及质量检验03复材预装配PART01一、复材预装配（一）前期准备确认工装应完好无损，在定检周期内检查装配零件，不应损伤，边缘线定位孔符合要求准备制孔工具：试钻孔、试锪孔、试铆，调整压铆机行程及锪窝限位器深度准备辅助垫块、夹具、定位销等一、复材预装配（一）前期准备试锪孔锪窝限位器调整锪孔深度视频预留位一、复材预装配（一）前期准备C型夹和弹簧侧夹：板边缘无需钻孔即可夹紧两连接板常用夹具：C型夹、弹簧侧夹、穿心夹（定位销）一、复材预装配（一）前期准备定位销（穿心夹）：需要预先根据定位销规格（通常比定位孔径小0.1mm）钻出对应孔，再插入定位销常用夹具：C型夹、弹簧侧夹、穿心夹（定位销）一、复材预装配（一）前期准备夹具：航空定位销与弹簧侧夹定位销专用钳弹簧式定位销一、复材预装配（一）前期准备夹具：航空定位销与弹簧侧夹弹簧侧夹一、复材预装配（二）预装配试装配-定位→确定余量线→切割打磨修余量、分解清理夹层碎屑注意：复合材料制件不允许强迫定位及装配一、复材预装配（二）预装配零件按定位基准装配到工装的正确位置，定位孔定位，注夹紧部位防护防止变形测量出对接和搭接区域尺寸，并标记塞尺检查配合面间隙按工艺要求进行修边预装配合格后应做出定位标记，以保证正式装配时的正确位置一、复材预装配（二）预装配不允许敲击复材制品使其变形来消除间隙。IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII注意复合材料装配前应消除间隙<0.3mm的小间隙用液体垫片（涂一层胶）0.3mm<间隙<0.7mm，加浸透胶的玻璃布填充消除，层数及形状根据间隙厚度及形状进行调整>0.7mm的大间隙用固体垫片（补偿垫片）一、复材预装配（二）预装配消除装配间隙方法：因公差累积引起的干涉可打磨补偿层或加垫消除复材制件对接或搭接时，对缝或搭接面涂胶，胶层应固化后再进行制孔操作一、复材预装配（二）预装配消除装配间隙方法：复材制孔修配PART02二、复材制孔修配（一）制孔金属板复材板钻初孔，保证连接件的定位与压紧用夹具夹紧两个连接件，定位后切边从厚板侧钻入，混合材料从金属侧钻入清除切屑粉末二、复材制孔修配（二）打磨要求厚度方向打磨容易产生分层砂纸或打磨工具打磨装配表面，打磨不应损坏纤维边缘打磨应沿着制件边缘长度方向打磨避免分层打磨过程应吸尘，注意个人防护戴口罩二、复材制孔修配（三）分解/清理按装配顺序的相反顺序分解零组件，并做好标识01砂纸去除孔口及边缘毛刺，清理碎屑，酒精擦洗02需要涂胶的区域按要求进行表面处理03分解过程注意零组件的防护，防止人为损伤04二、复材制孔修配（四）重新上架定位零件重新在工装上定位，需涂胶的区域应不受污染复材装配及质量检验PART03三、复材装配及质量检验（一）装配施工铆接：普通压铆、抽芯铆钉铆接胶铆：胶层固化后再机械连接，减少固化前的机械连接施工普通螺栓连接：与碳纤维复合材料件孔配合处的钢铝零件均采用湿装配，沉头螺栓不应凹陷，可高出埋头窝0~0.1mm，拧紧力矩符合规定要求，有防松要求的直径≥8mm的螺栓紧固后用红色漆打标记装配过程不应敲击、不应强迫装配、不能损伤复材表面和边缘、不应有油污污染三、复材装配及质量检验（二）检验检验项目：蒙皮印痕、表面划伤、胶缝边缘缺胶、溢胶流淌、零件错位、外廓尺寸、有无变形，不允许有目视可见的富胶区是否漏铆、连接件数量是否遗漏密封区及胶缝质量连接件阶差及间隙凸头螺栓，0.05mm塞尺插入间隙不应接触钉杆小结01复材预装配02复材制孔修配03复材装配及质量检验复合材料装配技术复合材料制孔CONTENTS目录制孔设备和工具01制孔缺陷和质量控制02锪窝工艺和工具03制孔设备PART01一、制孔设备钻孔钻孔设备及工具（a）摇臂钻床（b）立式钻床（c）台式钻床（d）普通气钻（a）钻孔（b）扩孔（c）铰孔（d）锪孔一、制孔设备钻孔钻孔刀具钻孔——钻头铰孔——铰刀锪窝——锪窝钻一、制孔设备钻孔钻孔刀具制孔缺陷和质量控制PART02二、制孔缺陷和质量控制（一）复合材料上钻孔问题多孔口纤维撕裂层间分层孔口毛边孔钻入端剥离分层钻孔缺陷多孔的钻入和钻出端容易产生分层二、制孔缺陷和质量控制（一）复合材料上钻孔问题多钻头钻入时，纤维完全切断前将沿着螺旋槽上升，产生向上的剥离力，使未切除的部分产生剥离分。入口端剥离分层出口端顶出分层二、制孔缺陷和质量控制（一）复合材料上钻孔问题多入口端剥离分层出口端顶出分层钻削时，主切削刃上各点的切削速度不等，中心处为0，钻边缘处最大。钻头越接近出口平面，承受钻削推力的未除材料层数逐渐减少，横刃最先接触最底层，轴向力使钻孔边缘处发生分层。二、制孔缺陷和质量控制（二）复合材料钻孔缺陷孔入口端：孔口劈裂、毛边孔壁分层、微裂纹孔出口端：毛边、撕裂、分层芳纶纤维是复合材料中最难加工的材料，特别容易分层、起毛孔不圆、尺寸小烧伤毛边撕裂毛边二、制孔缺陷和质量控制（三）复材钻孔质量控制措施钻<8mm孔，碳纤维4000r/min，高转速低进给；正确选择刀具材质：硬质合金或金刚石涂层刀具（碳纤维硬度相当于高速钢硬度）正式钻孔前，先在试件上试钻3个孔；保证孔的垂直度；二、制孔缺陷和质量控制（三）复材钻孔质量控制措施孔出口面放垫板并与零件夹紧用以支撑防止分层，芳纶复合材料应两面加垫板夹紧。垫板用硬木板或硬塑料板；金属及复材混合件，先钻金属；尽量将钻孔出口面用于锪窝面。锪孔钻必须旋转后接触工件，以防止表面纤维劈裂。二、制孔缺陷和质量控制（四）钻孔工艺按图纸确认：孔的直径、位置及数量；钻孔刀具：锋利的切削刃、硬质合金或金刚石涂层刀具、按铆钉杆直径+0.1选择空的铆钉杆直径+0.1。孔直径大于6mm，需要铰孔，孔径4.1mm，可不铰孔，钻2.6，扩3.2，钻4.1；注意：每一次钻孔应清理上一道钻孔的杂质。二、制孔缺陷和质量控制（四）钻孔工艺保证孔的位置：利用钻模、引孔器、钻孔导向块；保证孔的垂直度：用钻孔导套、衬套、钻模板；保证沉头孔深度：惚钻定深器。钻模引孔器锪窝工艺和工具PART03三、锪窝工艺和工具锪孔锪孔（或称锪窝）：指在已加工的孔口表面加工沉头孔或凸台平面等。复材构件锪窝用硬质合金锪窝钻500~800r/min，或金刚石锪窝钻800~1400r/min。导柱锪孔时使用的刀具称为锪窝钻（也叫埋头钻），配合锪窝限位器使用三、锪窝工艺和工具复合材料构件锪窝用硬质合金锪窝钻500~800r/min，或金刚石锪窝钻800~1400r/min小结01制孔设备和工具02制孔缺陷和质量控制03锪窝工艺和工具复合材料装配技术复材铆接和螺接CONTENTS目录铆接前的准备工作01复材压铆工艺和质量要求02复材抽铆工艺和质量检查03复材螺接装配04铆接前的准备工作PART01一、铆接前的准备工作（一）正式铆接前还需检查a：检查铆钉材料规格，卡尺检查铆距、边距是否符合要求b：目视检查铆孔有无棱角、毛刺；极限量规检查直径，锥形塞尺检查铆孔圆度，检查垂直度c：目视检查埋头窝是否偏斜、棱角、毛刺d：孔口毛刺用细砂纸打磨清除干净一、铆接前的准备工作（二）识别不同铆钉类型90°沉头铆钉HB6304-2002~HB6314HB6299—4×10一、铆接前的准备工作（三）普通铆钉直径的确定GB152.188铆接时铆钉直径的大小和被连接板的最小厚度有关。铆钉直径一般取板厚的1.8倍，并选取铆钉；标准铆钉的直径按下表选取。在复材一侧形成墩头，应安放金属垫圈。铆钉直径（mm）2.53.03.54.05.06.0铆钉孔直径（mm）2.63.13.64.15.26.2金属垫圈尺寸（mm）内径2.63.13.64.15.26.2外径788或9101215垫圈厚度0.8~1111~1.51.5~21.5~2一、铆接前的准备工作（四）普通铆钉长度选择按经验公式计算铆钉长度按铆钉长度选标准尺寸若双面沉头：L=∑δ+（0.6~0.8）d铆钉直径d（mm2.533.545678铆钉长度L/mm∑δ+1.4d∑δ+1.3d∑δ+1.2d∑δ+1.1d复材压铆工艺和质量要求PART02二、复材压铆工艺和质量要求（一）施铆普通实心铆钉的铆接：碳纤维复合材料结构应使用压铆试件上试铆3个合格后再正式进行施铆压铆时可用平锥头铆钉代替半圆头铆钉根据压铆件的结构和铆钉直径选择压铆机二、复材压铆工艺和质量要求（二）计算压铆行程H铆接前

铆接后压铆机测量铆缝夹层的厚度Σδ，单位mm；H=Σδ+（0.5±0.1）d，

d为铆钉直径，单位mm。二、复材压铆工艺和质量要求（三）手提式压铆机压铆操作工艺铆接前

铆接后压铆机测量铆缝夹层的厚度Σδ，单位mm，计算压铆行程H，H=Σδ+（0.5±0.1）d，d为铆钉直径，单位mm。调整行程：接通气源，启动气门按钮，使下冲头移动至极限，测量并调整上下冲头距离为H。试铆：用等厚度试件试铆3个铆钉，直至合格。二、复材压铆工艺和质量要求（三）手提式压铆机压铆操作工艺铆接前

铆接后压铆机压铆：一般采用正铆法，固定臂上的冲头应首先接触铆钉头，并调整铆接件外表面与冲头垂直，然后扳动压铆机气门按钮进行压铆。检查铆钉，标记不合格的铆钉。拆除不合格铆钉，重新铆接。二、复材压铆工艺和质量要求（四）铆接质量要求铆钉头质量要求：标准镦头应呈鼓形，不允许呈“喇叭形”或“马蹄形”；目测铆钉头及镦头表面不允许出现伤痕、压坑、切痕、下陷、裂纹和其它机械损伤；铆钉头及镦头均应与铆接零件表面应贴合，允许不贴合的单向间隙＜0.05mm。沉头铆钉允许凸出蒙皮0.02~0.05mm的高度，或满足技术条件规定值。（四）铆接质量要求二、复材压铆工艺和质量要求检查最小镦头高度为0.4d，当d≤5时，镦头直径D=（1.5±0.1）d，d＞5时D=（1.45±0.1）d标准镦头的端面应平行于铆接件表面，相对于铆接件表面的平行度允差不大于0.1倍铆钉直径。在未锪平的斜面零件上铆接，应将其镦头置于斜面上。二、复材压