复材组件中紧固件的选择

        为涉及复合材料的零部件或组件选择合适的紧固 件可能是一项复杂的任务。克服术语障碍， 了解材料和 紧固功能的多样性是至关重要的。在这篇文章中， 我们 探讨了如何简化这一过程， 从 Bossard（瑞士 Zug）和热 成型公司之间的合作中获得了见解，为热塑性飞机内饰板开发紧固解决方案。

        术语障碍，紧固件选择途径示例

        如何以高效的方式为涉及复合材料和塑料材料的  部件或组件确定“正确”的紧固件类型？要定义紧固件  类型适用于哪些材料和概念， 需要了解所涉及的材料、它们的成型过程以及所需的连接或组装功能。

车窗遮阳板总成的内板

        以飞机内部面板为例。仅仅将其描述为一种“航空 航天复合材料”过于简化了丰富的可用材料和工艺。同 样，“航空紧固件”一词对紧固件最适合的材料及其紧固 件的功能方面缺乏专门性。紧固件，如插入螺柱、铆钉 螺柱、表面粘合紧固件和焊接紧固件， 可能都适用于航 空航天应用，但在它们可以紧固的材料及其功能方面存

在显著差异。

 使用粘合剂将紧固件安装在复合材料上的示例。

在紧固件世界中搜索的问题在于如何对紧固件产 品进行分类，通常使用与紧固件特别相关的术语， 而不 是它们最适合的材料。然而，  复合材料专用术语在浏览 紧固件类别时往往相关性有限。例如， 在没有详细了解 紧固件安装中的表面粘合或超声波焊接的情况下， 您如 何知道表面粘合或超声焊接紧固件是否是热成型层压 材料的适用紧固选项？如果你的世界是聚合物基体性能、纤维增强结构和加工参数，你如何在一个谈论组装策略、紧固方向、拧紧扭矩预期和目标预载荷的世界中搜索、选择？

        联系紧固件供应商或经销商寻求建议和指导通常 是有效且成功的第一步；但是， 通过以允许简单、快速 搜索到相关选项的方式呈现应用程序， 可以实现进一步 的精简。在这里，  我们以热塑性飞机内侧板为例， 说明了这种改进紧固件选择的途径的重要方面。

        紧固要求

        首先， 定义紧固要求是有帮助的。是否要为复合材 料或塑料零部件创建一个紧固点，以便后续的装配操作 做好准备？ 或者， 您想直接将组件固定到复合材料或塑料组件上或固定到其中吗？

        对于我们的示例， 要求是创建紧固点—— 特别是在 复合面板上提供螺纹连接点。因此，我们将转向提供安 装紧固连接点的方法的技术， 而不是用于直接将部件固 定在一起的技术。使用这些术语对紧固技术进行分类相 对容易， 而且术语相对简单，  因此每个人都可以使用相同的语言进行交流。

材料概念

        与所涉及材料相关的因素可能会影响紧固件类型的适用性，但这些因素的相关性通常取决于所考虑的紧 固件类型。为了打破这种循环性，避免在早期过滤过程 中进行过于详细的对话，我们可以将复合材料和塑料材料一般定义为：

        w 无增强聚合物。

        w 不连续纤维增强聚合物材料。

        w 连续纤维增强聚合物层压板。

        w 夹芯（三明治） 材料。

        w 非织造和纤维材料。

        在我们的例子中， 飞机内部面板材料是层压板结构 中的连续纤维增强聚合物。通过以这种简单的方式定义 材料概念，我们可以快速关注一系列相关的材料考虑因素：

        w 紧固件将如何融入制造过程链？

        w 材料如何影响紧固集成或安装？

        例如， 在热成型之前或热成型期间将紧固件集成在 连续增强材料内可能会导致不希望的工艺复杂性， 例如 切割或移位纤维， 这可能会不希望地影响机械性能。换 言之， 连续纤维增强件可能会对共加工紧固件集成带来挑战，人们可能希望避免这种挑战。

        同时， 它只需要对紧固技术有基本的了解，就可以确定它是使用共过程安装还是后过程安装。通过简化材料和紧固术语， 可以快速轻松地查看哪些匹配，哪些不 匹配。在我们的例子中， 紧固件的选择应侧重于后处理 技术， 除非我们希望将紧固件集成到连续纤维增强材料/制造过程中。

        详细要求

        在这一点上， 为了确定相关的紧固技术， 我们需要 定义更多关于紧固策略、所涉及的材料和成型过程的细 节。对于我们的连续纤维增强层压板示例，我们将应用定义如下：

        w 一般应用是飞机内部侧板。

        w 紧固策略是在面板的背面（不可见） 提供一个双头螺栓，  用于使用螺母连接聚合物车窗周围。

        w 紧固要求是一个盲的、不可见的外螺纹连接点 —— 盲的意思是从部件的一侧进行安装/紧固

—— 能够承受大约 500 牛顿的拔出力。

       w 面板是一种连续的纤维增强热塑性材料， 紧固 件的安装必须在成型过程之后进行， 以避免破坏增强结构。

                     在决定热塑性复合材料飞机内板的表面粘合  紧固件（例如 bigHead）和超声波焊接紧

                     固件（如多材料 MM 焊接）时需要考虑的因素。

        进一步排序因素，向下选择

        看看我们的例子， 我们可以开始看到多个因素会影 响我们决定使用哪种紧固件。问题是， 这些因素中哪 一 个最重要，尤其是如果紧固件成本不是唯一的决定性因 素？在我们的例子中，我们将选择范围缩小到表面粘合紧固件或超声波焊接紧固件。

                                             超声波安装紧固件的示例，显示焊接过程（顶部）

                                             和由此产生的机械联锁（底部）。

        在这里， 即使是简单的应用程序信息也会有所帮助。 例如， 知道我们正在使用热塑性材料有助于我们设定相    关的性能预期。考虑到专业粘合剂和表面处理技术的可    用性， 我们可以预期这两种技术的机械性能都达到合理

水平。

        然而，  因为我们知道应用是航空航天， 所以机械联 锁连接可以提供更简单的性能保证和认证途径。粘合剂 需要时间才能固化， 而超声波安装可以立即加载， 因此 我们应该考虑工艺时间的影响。访问限制也可能是一个 关键因素。尽管内板通常很容易被提供给自动粘合剂涂抹器或超声波机进行紧固件安装，但在进行最终下选之

前，应仔细检查。

        做出最终决定

        纯粹基于连接方法鉴定和固定时间的决策是不可 能的；  最终决定将取决于对设备投资、机械性能和耐用 性、整体工艺时间影响、准入限制以及批准或认证策略 的考虑。此外， 设计、制造和装配操作可能涉及不同的

利益相关者，因此最终决策需要他们的参与。

        此外， 做出这一决定需要考虑整个价值主张， 包括 生产力和总体拥有成本（TCO- total cost of ownership）。通 过从整体上看待紧固问题， 并考虑初始设计阶段、制造 过程和最终组装操作中的所有相关因素， 可以计算并积 极影响生产力和 TCO。这些是 Bossard 装配技术专家教 育门户网站的关键原则之一，旨在帮助个人获得装配技术知识。

        最终， 使用哪种紧固策略或产品的最终决定取决于    多个因素—— 没有一刀切的解决方案， 而且有很多不同    的选择需要考虑。然而，正如我们上面所概述的， 即使    以相对简单的方式定义申请细节，也可以简化选择过程， 突出相关决策因素，  并确定可能需要利益相关者投入的地方。

        补充资料

        复材机身、机翼使用的紧固件， 又叫标准件。  它与金属飞机使用的标准件-铆钉，  大不相同（见下图）。 制造 C929的机身、 机翼， 将使用类似的标准件。

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                                          注：原文见，  《 Fastenerselection for composite materials  》

                                                                    2024.1.19

杨超凡        2024.1.22