本发明涉及复合材料构件装配技术领域，具体涉及一种面复合材料构件机械连接的动态循环冲击加载干涉插钉装置及使用方法。
背景技术：
随着复合材料在工程应用中的发展与普及，航空航天、轨道交通装备对复合材料装配的需求逐步由非承力结构向次承力结构和承力结构过渡，其连接方式主要为抽芯铆钉连接、螺栓连接及胶接。其中，抽芯铆钉与螺栓装配前的干涉插钉工序同样是决定装配质量的重要因素。在常规的干涉插钉中纤维受力情况，当紧固件进入孔内时完全依赖于轴向的压力完成干涉插钉，导致复合材料孔壁区域的纤维出现严重径向和环向的高应力现象，导致孔壁发生挤伤、失稳、分层等缺陷。因此，亟需设计一种新的技术方案，以综合解决上述问题。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种复合材料构件机械连接干涉插钉装置及使用方法，其在动态循环冲击加载下的复合材料结构干涉插钉，利用中频循环冲击下的加载与卸载，有效地抑制复合材料孔壁因干涉插钉连接时出现分层、损伤等缺陷。
为解决上述技术问题，本发明采用了以下技术方案：
一种复合材料构件机械连接干涉插钉装置，包括：
数据采集模块，包括压力传感器、数据采集卡和用于测量动态循环冲击装置工作行程的位移传感器，所述数据采集卡采集数据、且与计算机终端相连；
固定模块，包括固定块、固定座和设置在固定座上的固定座盖板，用于连接动力装置和和动态循环冲击装置；
导向模块，包括滑块、导轨固定板和导轨，用于限定和导向动态循环冲击装置在轴向运动；
动态循环冲击装置，包括从上到下依次连接的超声波装置、支点套筒、变幅杆、紧固套筒和工具头，用于实现干涉插钉时复合材料孔壁纤维的轴向力释放，其中超声波装置包括超声波发生器和超声波换能器。
进一步地方案为，所述导轨固定板上设置有导轨和位移传感器，所述滑块设置在导轨内、且滑块沿导轨轨长方向活动设置，所述导轨轨长方向与动态循环冲击装置的轴向一致；所述动力装置通过动力输出端与固定座相连，所述固定块设置在固定座的后侧，所述固定座通过固定块与导向模块的滑块相连，所述固定块的前侧通过固定座盖板与动态循环冲击装置的支点套筒相连。
进一步地方案为，所述固定座和固定座盖板的相接侧设置有用于安装支点套筒的凹槽，所述支点套筒通过凹槽设置在固定模块上。
更进一步地方案为，所述固定座为l型、包括主座和设置在主座一端的侧座，所述固定块设置在l型固定座远离侧座的一侧，所述固定座盖板设置在侧座上方。
并且提供上述复合材料构件机械连接干涉插钉装置的使用方法，包括以下步骤：
s1.安装复合材料构件机械连接干涉插钉装置；
s2.开启复合材料构件机械连接干涉插钉装置与动力装置；
s3.打开超声换能器，调节超声换能器的功率，利用位移传感器设定动态循环冲击装置的最大位移，将数据采集卡与计算机相连；
s4.启动动力装置，当动态循环冲击装置达到位移上线值，停止工作并回程。
其中，位移上限值是根据钉杆长度采用位移模式设置的。
上述技术方案中提供的复合材料构件机械连接干涉插钉装置，通过设置导向模块保证动力装置带动动态循环冲击装置在工作过程中运动状态的平稳与精确控制；通过设置固定模块连接动态循环冲击装置与动力装置，以保证干涉插钉过程中的平稳工作；并且在动态循环冲击装置与动力装置之间配备电压力传感器，对插钉力进行实时采集与控制，配备位移传感器，对工具头干涉插钉的行程进行限定。并且提供了该复合材料构件机械连接干涉插钉装置的使用方法，其可直接安装在现有的干涉插钉设备上，不改变现有干涉插钉设备的结构，安装方便，操作便捷，相比于传统干涉插钉中存在的紧固件干涉装配时因为复合材料孔壁因承受过大径向和环向的高应力现象，导致孔壁发生挤伤、失稳、分层等缺陷，利用动态循环冲击加载的插钉方式能够有效提高复合材料的叠层结构干涉插钉质量及插钉效率，保证装配的一致性和可靠性提高插钉效率。
本发明复合材料构件机械连接干涉插钉装置的机理为，当动态循环冲击装置边振动边向下移动时，工具头在纵向上的位移模式是斜向上的正弦函数，使紧固件处于冲击加载与卸载的高频循环下，一方面利用循环动态冲击实现干涉插钉时复合材料孔壁纤维的轴向力释放，抑制应力集中，保证干涉插钉的连接域各处应力的均匀且降低；另一方面，相比传统干涉插钉为防止孔壁缺陷而降低插钉速度，利用动态循环冲击加载的插钉方式能够提高插钉效率；因此采用动态循环冲击记载的干涉插钉方法能够有效提高复合材料的叠层结构干涉插钉质量及效率。与传统复合材料叠层结构紧固件干涉插钉设备相比较有以下特点：
1)采用动态循环冲击加载的干涉插钉方式代替普通干涉方式，提高了干涉插钉的效率，普通插钉工艺速度过高会导致复合材料孔壁出现损伤，且在出口端面出现分层；
2)能够充分利用动态循环冲击加载实现插钉过程中钉的轴向力和径向力的降低，减少孔壁处纤维挤压变形量；
3)动态循环冲击释放钉孔的局部应力集中，能改善干涉插钉的配合面区域应力的均匀性，降低孔壁缺陷的出现和损伤衍生的几率，有效提高复合材料的叠层结构干涉插钉效率及插钉质量；
4)适用性广，紧固件包括：普通螺栓、抽芯铆钉、高锁螺栓、自冲铆接；
5)可技术迁移到干涉插钉液压或丝杠电机动力系统上，整个装置占地空间小，操作简单；
6)运动行程与设备的自身插钉动作相协同，容易实现自动化，保持高的生产率。
附图说明
图1为本发明所述复合材料构件机械连接干涉插钉装置的主视图；
图2为本发明所述复合材料构件机械连接干涉插钉装置的侧视图；
图3为本发明所述动态循环冲击装置的结构示意图；
图4为图3中a-a方向的剖视图；
图5为本发明所述固定模块的结构示意图；
图6为本发明所述导向模块的主视图；
图7为本发明所述导向模块的侧视图；
图8为本发明所述复合材料构件机械连接干涉插钉装置的使用状态示意图。
图中：1-动力装置；11-上端压盖板；12-上支撑板；2-动态循环冲击装置；21-超声波装置；22-支点套筒；23-变幅杆；24-紧固套筒；25-工具头；3-固定模块；31-固定座；32-固定块；33-固定座盖板；34-凹槽；4-导向模块；41-导轨固定板；42-导轨；43-滑块；5-数据采集模块；51-位移传感器；52-压力传感器；6-机架；61-工作台面。
具体实施方式
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行具体说明。应当理解，以下文字仅仅用以描述本发明的一种或几种具体的实施方式，并不对本发明具体请求的保护范围进行严格限定。
本发明采取的技术方案如图1～8所示，一种复合材料构件机械连接干涉插钉装置，包括：
数据采集模块5，包括压力传感器、数据采集卡和用于测量动态循环冲击装置2工作行程的位移传感器51，数据采集卡采集数据、且与计算机终端相连，灵敏度误差可达到2％以内，采集频率可达50khz，从而保证压铆力的精度和数据采集的准确性；位移传感器51，精度在0.01mm以内，最大行程为100mm；
固定模块3，包括固定块32、固定座31和设置在固定座31上的固定座盖板33，用于连接动力装置1和和动态循环冲击装置2；
导向模块4，包括滑块43、导轨固定板41和导轨42，用于限定和导向动态循环冲击装置2在轴向运动；
动态循环冲击装置2，包括从上到下依次连接的超声波装置21、支点套筒22、变幅杆23(10um～60um)、紧固套筒24和工具头25，其用于实现干涉插钉时复合材料孔壁纤维的轴向力释放，其中超声波装置21包括超声波发生器(15khz～25khz)和超声波换能器。
导轨固定板41上设置有导轨42和位移传感器51，滑块43设置在导轨42内、且滑块43沿导轨42轨长方向活动设置，导轨42轨长方向与动态循环冲击装置2的轴向一致；动力装置1通过动力输出端与固定座31相连，固定块32设置在固定座31的后侧，固定座31通过固定块32与导向模块4的滑块43相连，固定块32的前侧通过固定座盖板33与动态循环冲击装置2的支点套筒22相连；具体地，固定座31和固定座盖板33的相接侧设置有用于安装支点套筒22的凹槽34，支点套筒22通过凹槽34设置在固定模块3上。
另外，固定座31为l型、包括主座和设置在主座一端的侧座，固定块32设置在l型固定座31远离侧座的一侧，固定座盖板33设置在侧座上方。
该复合材料构件机械连接干涉插钉装置设置动态循环冲击装置(本实施例中超声振动频率为20khz，振幅为10～60um，最大功率为3000w)；根据动态循环冲击装置设置相应的固定方法，为保证结构的平稳工作设置了l固定座，利用固定座盖板将动态循环冲击装置与设备动力装置紧固在一起，确保两者的协同运动，利用固定座盖板压紧支点套筒，保证冲击加载时的稳定性；同时为保证动态循环冲击装置轴向运动的精度，设置导向模块，利用导轨固定板将滑块与固定模块锁紧，通过导轨与滑块进行导向；最后设置压电式力传感器，固定于动力装置与超声换能器之间，设置位移传感器，用于精准测量工作行程。
上述复合材料构件机械连接干涉插钉装置的使用方法为：
s1.首先将干涉插钉装置通过上端压盖板11和上支撑板12安装在液压动力或丝杠电机动力的干涉插钉设备的机架6上，如图8所示；
s2.将待插钉叠层板置于工作台面61，并用夹具固定(压力传感器52设置在工作台面上的夹具工装上)；
s3.根据仿真结果对干涉插钉所需的压力进行预测，然后利用压力大小，然后根据钉杆长度采用位移模式设置铆接设备工作行程的上限值，本实施例中采用螺栓直径为6mm，钉杆长度为13mm，干涉量为3％；
s4.打开超声发生器，本实施例中超声频率为20khz，然后，根据需求调节超声换能器的功率来改变振幅，振幅与功率成正比，因此功率越大，振幅也就越大，本实施例中振幅最大值可达60um；
s5.设定位移上线值20mm，将数据采集卡与计算机相连接，打开相应的数据采集软件，为压力实时采集做准备；
s6.启动动力装置，液压缸带动动态循环冲击装置向下运动，直至位移设置达到上限值20mm时结束工作，并返回至初始位置，完成干涉插钉工作。
本发明提供的复合材料构件机械连接干涉插钉装置及方法，使紧固件(螺栓等)在孔壁内产生高频振动，利用循环冲击实现干涉插钉过程中释放孔壁的局部应力集中，保证干涉插钉的配合面各处应力的均匀性，提高复合材料的叠层结构干涉插钉效率及插钉质量。
附注：本发明适用于各种金属板、纤维增强、颗粒增强的绝缘型树脂基或橡胶基复合材料的钛钉、铝钉等干涉插钉工艺。
上面结合实施例对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在获知本发明中记载内容后，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对其作出若干同等变换和替代，这些同等变换和替代也应视为属于本发明的保护范围。
1.一种复合材料构件机械连接干涉插钉装置，其特征在于，包括：
数据采集模块，包括压力传感器、数据采集卡和用于测量动态循环冲击装置工作行程的位移传感器，所述数据采集卡采集数据、且与计算机终端相连；
固定模块，包括固定块、固定座和设置在固定座上的固定座盖板；用于连接动力装置和和动态循环冲击装置；
导向模块，包括滑块、导轨固定板和导轨；用于限定和导向动态循环冲击装置在轴向运动；
动态循环冲击装置，包括从上到下依次连接的超声波装置、支点套筒、变幅杆、紧固套筒和工具头；用于实现干涉插钉时复合材料孔壁纤维的轴向力释放，其中超声波装置包括超声波发生器和超声波换能器。
2.根据权利要求1所述的复合材料构件机械连接干涉插钉装置，其特征在于：所述导轨固定板上设置有导轨和位移传感器，所述滑块设置在导轨内、且滑块沿导轨轨长方向活动设置，所述导轨轨长方向与动态循环冲击装置的轴向一致；所述动力装置通过动力输出端与固定座相连，所述固定块设置在固定座的后侧，所述固定座通过固定块与导向模块的滑块相连，所述固定块的前侧通过固定座盖板与动态循环冲击装置的支点套筒相连。
3.根据权利要求1所述的复合材料构件机械连接干涉插钉装置，其特征在于：所述固定座和固定座盖板的相接侧设置有用于安装支点套筒的凹槽，所述支点套筒通过凹槽设置在固定模块上。
4.根据权利要求1所述的复合材料构件机械连接干涉插钉装置，其特征在于：所述固定座为l型、包括主座和设置在主座一端的侧座，所述固定块设置在l型固定座远离侧座的一侧，所述固定座盖板设置在侧座上方。
5.权利要求1～4中任一项所述的复合材料构件机械连接干涉插钉装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
s1.安装复合材料构件机械连接干涉插钉装置；
s2.开启复合材料构件机械连接干涉插钉装置与动力装置；
s3.打开超声换能器，调节超声换能器的功率，利用位移传感器设定动态循环冲击装置的最大位移，将数据采集卡与计算机相连；
s4.启动动力装置，当动态循环冲击装置达到位移上线值，停止工作并回程。
6.根据权利要求5所述的复合材料构件机械连接干涉插钉装置的使用方法，其特征在于：所述位移上限值是根据钉杆长度采用位移模式设置的。
技术总结