基于热熔原理的异种材料间无铆钉铆接装置及铆接方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了基于热熔原理的异种材料间无铆钉铆接装置，包括：压边圈，其具有通孔，用于将铝合金板以及碳纤维复合材料板进行固定；热熔钻头，其能够在所述压边圈的通孔中做上下往复运动；翻铆针，其与所述热熔钻头同心设置；下模，其具有通孔，用于对所述翻铆针进行定位，所述翻铆针在所述下模具的通孔中做上下往复运动；所述铝合金板与所述碳纤维复合材料板同心放置在所述下模上，并且与所述热熔钻头及所述翻铆针同心设置，所述热熔钻头及所述翻铆针在运动过程中作用于所述铝合金板及所述碳纤维复合材料板的通孔处，进而形成无铆钉铆接件。本发明专利技术公开了基于热熔原理的异种材料间无铆钉铆接方法。

Non rivet riveting device and riveting method of dissimilar material based on hot melt principle

The invention discloses a hot melt principle of dissimilar materials between the riveting device, which is based on a blank holder, which is provided with a through hole, for Aluminum Alloy plate and carbon fiber composite plate is fixed; hot melt drill, the through hole to the edge pressing ring in the make up and down reciprocating motion; turning riveting needle, provided with the lower die, hot melt drill concentric; it has through holes for the rivet turning needle positioning, the through holes in the die rivet turning needle under the up and down reciprocating motion; the Aluminum Alloy plate and the carbon fiber composite plate concentric placed in the mould, and turning the riveting needle arranged in concentric with the hot melt and the drill hole, the hot melt and the drill rivet turning needle acts on the Aluminum Alloy board and the carbon fiber composite plate in the process of movement, and the formation of clinching A. The invention discloses a non rivet riveting method of dissimilar materials based on the principle of hot melt.

【技术实现步骤摘要】
基于热熔原理的异种材料间无铆钉铆接装置及铆接方法
本专利技术涉及碳纤维复合材料板与铝合金板的铆接领域，具体涉及基于热熔原理的异种材料间无铆钉铆接装置及铆接方法。
技术介绍
由于环境、能源问题的日益严峻，汽车轻量化技术飞速发展。碳纤维复合材料是一种新型复合材料，有良好的力学性能，在航空航天已经有广泛的应用。近年来，碳纤维复合材料凭借相对于传统金属材料有更高的比刚度、比强度，同时抗撞吸能性好、抗疲劳性好、耐电化学腐蚀等优势，在汽车行业中的应用也越来越广泛。在车身应用材料中，非金属复合材料所占比重显著提高，使得金属与复合材料组合件的数量不断增加。为实现汽车轻量化，金属材料与非金属材料之间较高质量的连接工艺成为实现在汽车中大量应用复合材料的关键技术。由于在铆接过程中不发生化学反应，抗疲劳性能和抗静拉力性能良好等优点，铆接工艺成为近年来发展较快的薄板材料机械连接技术。碳纤维复合材料的主要破坏形式有基体开裂、纤维断裂、界面脱胶和分层破坏等，其最终的破坏形式是以上四种破坏形式的共同作用。在现有的碳纤维复合材料板无铆钉连接工艺中，碳纤维复合材料易发生脆性破坏，影响铆接接头的抗疲劳性能和抗静拉力性能，甚至直接导致接头失效。现有的无铆钉铆接工艺：一方面，由于碳纤维复合材料有较高的强度，在铆接过程中，对设备的冲铆能力有较高的要求，并且铆接前需对铝合金板预冲孔，加工工序增加，加工工艺复杂；另一方面，由于碳纤维复合材料塑性较差，在铆接过程中，碳纤维复合材料易发生脆性破坏，降低铆接接头质量，甚至无法形成有效的铆接接头。因此，在现有的无铆钉铆接工艺中，需要增加新的工艺方法，保证在铝合金和碳纤维复合材料铆接过程中得到质量良好的铆接接头，同时通过改进原有的工艺方法来提高连接效率，在得到性能良好的铆接件前提下降低成本。
技术实现思路
本专利技术设计开发了基于热熔原理的异种材料间无铆钉铆接装置，本专利技术的专利技术目的是解决需要对铝合金板预冲孔导致的工序复杂、铆接过程中易发生脆性破坏的铆接接头的问题。本专利技术设计开发了基于热熔原理的异种材料间无铆钉铆接方法，本专利技术的专利技术目的是解决对铆接装置性能参数进行监测后有效控制，使其达到较好的运行状态的问题。本专利技术提供的技术方案为：基于热熔原理的异种材料间无铆钉铆接装置，包括：压边圈，其具有通孔，用于将铝合金板以及碳纤维复合材料板进行固定；热熔钻头，其能够在所述压边圈的通孔中做上下往复运动；翻铆针，其与所述热熔钻头同心设置；下模，其具有通孔，用于对所述翻铆针进行定位，所述翻铆针在所述下模具的通孔中做上下往复运动；所述铝合金板与所述碳纤维复合材料板同心放置在所述下模上，并且与所述热熔钻头及所述翻铆针同心设置，所述热熔钻头及所述翻铆针在运动过程中作用于所述铝合金板及所述碳纤维复合材料板的通孔处，进而形成无铆钉铆接件；其中，所述热熔钻头及所述翻铆针分别连接有传感器，通过采集所述碳纤维复合板的厚度、所述热熔钻头下行速度、所述翻铆针上行速度、所述热熔钻头温度以及所述翻铆针温度，控制所述热熔钻头主轴转速、轴向进给力以及下止点高度，控制所述翻铆针上止点高度。优选的是，所述碳纤维复合材料板的制备方法包括如下步骤：步骤一：对预浸布进行装模，将碳纤维预浸布平铺至模具中的凹槽中，并且所述凹槽的底面与所述碳纤维预浸布之间无空隙；步骤二：对预浸布进行凝胶处理，向所述模具的凹槽中加入凝胶介质后将所述模具合装，加热至100℃～110℃；步骤三：对预浸布进行升压固化处理，对凝胶处理后的模具进行加压，施加5MPa～10MPa的压力，同时，升温至120℃～130℃，并且保持2小时～6小时；步骤四：完成预浸布的升压固化处理之后，将模具自然冷却至室温，取出所述碳纤维复合材料板；其中，所述凹槽中设置有光柱，所述光柱与所述凹槽底面之间采用圆弧过渡，所述碳纤维预浸布平铺至所述凹槽中时，所述碳纤维预浸布的编织空隙穿过所述光柱，得到所述碳纤维复合材料板具有通孔并且在所述通孔底部与所述碳纤维复合材料板的下表面呈圆角过渡。优选的是，所述模具分为上凸模及下凹模，所述碳纤维预浸布平铺至所述下凹模中的凹槽中，所述上凸模设置有与所述凹槽相匹配的凸台，在所述凹槽的中心处设置光柱，所述上凸模的凸台设置有与所述光柱相匹配的光孔。优选的是，所述光柱为圆柱体光柱与圆锥体光柱的组合光柱，所述圆柱体光柱与圆锥体光柱之间采用圆弧过渡；以及所述光孔包含圆柱体光孔及圆锥体光孔，所述圆柱体光孔与圆锥体光孔采用圆弧过渡。优选的是，所述热熔钻头包括环状凸台、中部圆柱以及顶端圆锥体；以及所述翻铆针分为针头与针体，所述针头顶部采用圆弧面过渡，所述针头与所述针体采用圆弧面过渡，所述针体包括两段不同底面直径的圆柱体，其采用圆弧面过渡。基于热熔原理的异种材料间无铆钉铆接方法，包括如下步骤：步骤一：制备出带有一个通孔的碳纤维复合材料板件；步骤二：将铝合金板和碳纤维复合材料板件置于铆接装置的下模之上；其中，所述铝合金板在上，所述碳纤维复合材料板件在下，并使碳纤维板与下模同心放置，驱动压边圈下移至将两块板件压紧；步骤三：将热熔钻头下移作用于所述铝合金板，所述热熔钻头钻削铝合金板成孔的同时金属流动形成具有铝合金衬套，直到热熔钻头到达下止点，所述热熔钻头泄压向上运动回程，准备进行下一次铆接；步骤四：将翻铆针向上移动，作用于钻削铝合金板后形成的衬套，在所述翻铆针挤压作用下，铝合金衬套端部向周围外翻形成铆接接头，所述翻铆针到达上止点后，泄压向下运动回程，准备进行下一次铆接。优选的是，在所述步骤三之前，对热熔钻头主轴转速、热熔钻头轴向进给力、热熔钻头下止点高度和翻铆针上止点高度进行基于BP神经网络的调控，具体方法如下：步骤a、按照采样周期，通过传感器采集碳纤维复合板的厚度H、热熔钻头下行速度Va、翻铆针铆接上行速度Vb、热熔钻头温度Ta以及翻铆针温度Tb；步骤b、依次将碳纤维复合板的厚度H、热熔钻头下行速度Va、翻铆针铆接上行速度Vb、热熔钻头温度Ta以及翻铆针温度Tb进行规格化，确定三层BP神经网络的输入层向量x＝{x1,x2,x3,x4,x5}；其中，x1为碳纤维复合板的厚度系数，x2为热熔钻头下行速度系数，x3为翻铆针铆接上行速度系数，x4为热熔钻头温度系数，x5所述翻铆针温度系数；步骤c、所述输入层向量映射到中间层，所述中间层向量y＝{y1,y2,…,ym}；m为中间层节点个数；步骤d、得到输出层向量z＝{z1,z2,z3,z4,z5}；其中，z1热熔钻头主轴转速调节系数，z2热熔钻头轴向进给力调节系数，z3热熔钻头下止点高度调节系数，z4翻铆针上止点高度调节系数，z5为紧急停机信号；步骤e、控制热熔钻头主轴转速、热熔钻头轴向进给力、热熔钻下止点高度、翻铆针上止点高度，使ωi+1＝z1iωmax，Fi+1＝z2iFmax，Ha(i+1)＝z3iHa_max，Hb(i+1)＝z4iHb_max，其中，其中z1i、z2i、z3i、z4i分别为第i个采样周期输出层向量参数，ωmax、Fmax、Hamax、Hbmax分别为设定的热熔钻头最大主轴转速、热熔钻头最大轴向进给力，热熔钻头最低下止点高度和翻铆针最高上止点高度，ωi+1、Fi+1、Ha(i+1)、Hb(i+1)分别为第i+1个采样周期时的热熔钻头主轴转速、热熔钻头本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于热熔原理的异种材料间无铆钉铆接装置，其特征在于，包括：压边圈，其具有通孔，用于将铝合金板以及碳纤维复合材料板进行固定；热熔钻头，其能够在所述压边圈的通孔中做上下往复运动；翻铆针，其与所述热熔钻头同心设置；下模，其具有通孔，用于对所述翻铆针进行定位，所述翻铆针在所述下模具的通孔中做上下往复运动；所述铝合金板与所述碳纤维复合材料板同心放置在所述下模上，并且与所述热熔钻头及所述翻铆针同心设置，所述热熔钻头及所述翻铆针在运动过程中作用于所述铝合金板及所述碳纤维复合材料板的通孔处，进而形成无铆钉铆接件；其中，所述热熔钻头及所述翻铆针分别连接有传感器，通过采集所述碳纤维复合板的厚度、所述热熔钻头下行速度、所述翻铆针上行速度、所述热熔钻头温度以及所述翻铆针温度，控制所述热熔钻头主轴转速、轴向进给力以及下止点高度，控制所述翻铆针上止点高度。

【技术特征摘要】
1.基于热熔原理的异种材料间无铆钉铆接装置，其特征在于，包括：压边圈，其具有通孔，用于将铝合金板以及碳纤维复合材料板进行固定；热熔钻头，其能够在所述压边圈的通孔中做上下往复运动；翻铆针，其与所述热熔钻头同心设置；下模，其具有通孔，用于对所述翻铆针进行定位，所述翻铆针在所述下模具的通孔中做上下往复运动；所述铝合金板与所述碳纤维复合材料板同心放置在所述下模上，并且与所述热熔钻头及所述翻铆针同心设置，所述热熔钻头及所述翻铆针在运动过程中作用于所述铝合金板及所述碳纤维复合材料板的通孔处，进而形成无铆钉铆接件；其中，所述热熔钻头及所述翻铆针分别连接有传感器，通过采集所述碳纤维复合板的厚度、所述热熔钻头下行速度、所述翻铆针上行速度、所述热熔钻头温度以及所述翻铆针温度，控制所述热熔钻头主轴转速、轴向进给力以及下止点高度，控制所述翻铆针上止点高度。2.如权利要求1所述的基于热熔原理的异种材料间无铆钉铆接装置，其特征在于，所述碳纤维复合材料板的制备方法包括如下步骤：步骤一：对预浸布进行装模，将碳纤维预浸布平铺至模具中的凹槽中，并且所述凹槽的底面与所述碳纤维预浸布之间无空隙；步骤二：对预浸布进行凝胶处理，向所述模具的凹槽中加入凝胶介质后将所述模具合装，加热至100℃～110℃；步骤三：对预浸布进行升压固化处理，对凝胶处理后的模具进行加压，施加5MPa～10MPa的压力，同时，升温至120℃～130℃，并且保持2小时～6小时；步骤四：完成预浸布的升压固化处理之后，将模具自然冷却至室温，取出所述碳纤维复合材料板；其中，所述凹槽中设置有光柱，所述光柱与所述凹槽底面之间采用圆弧过渡，所述碳纤维预浸布平铺至所述凹槽中时，所述碳纤维预浸布的编织空隙穿过所述光柱，得到所述碳纤维复合材料板具有通孔并且在所述通孔底部与所述碳纤维复合材料板的下表面呈圆角过渡。3.如权利要求2所述的基于热熔原理的异种材料间无铆钉铆接装置，其特征在于，所述模具分为上凸模及下凹模，所述碳纤维预浸布平铺至所述下凹模中的凹槽中，所述上凸模设置有与所述凹槽相匹配的凸台，在所述凹槽的中心处设置光柱，所述上凸模的凸台设置有与所述光柱相匹配的光孔。4.如权利要求3所述的基于热熔原理的异种材料间无铆钉铆接装置，其特征在于，所述光柱为圆柱体光柱与圆锥体光柱的组合光柱，所述圆柱体光柱与圆锥体光柱之间采用圆弧过渡；以及所述光孔包含圆柱体光孔及圆锥体光孔，所述圆柱体光孔与圆锥体光孔采用圆弧过渡。5.如权利要求4所述的基于热熔原理的异种材料间无铆钉铆接装置，其特征在于，所述热熔钻头包括环状凸台、中部圆柱以及顶端圆锥体；以及所述翻铆针分为针头与针体，所述针头顶部采用圆弧面过渡，所述针头与所述针体采用圆弧面过渡，所述针体包括两段不同底面直径的圆柱体，其采用圆弧面过渡。6.基于热熔原理的异种材料间无铆钉铆接方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：制备出带有一个通孔的碳纤维复合材料板件；步骤二：将铝合金板和碳纤维复合材料板件置于铆接装置的下模之上；其中，所述铝合金板在上，所述碳纤维复合材料板件在下，并使碳纤维板与下模同心放置，驱动压边圈下移至将两块板件压紧；步骤三：将热熔钻头下移作用于所述铝合金板，所述热熔钻头钻削铝合金板成孔的同时金属流动形成具有铝合金衬套，直到热熔钻头到达下止点，所述热熔钻头泄压向上运动回程，准备进行下一次铆接；步骤四：将翻铆针向上移动，作用于钻削铝合金板后形成的衬套，在所述翻铆针挤压作用下，铝合金衬套端部向周围外翻形成铆接接头，所述翻铆针到达上止点后，泄压向下...

【专利技术属性】
技术研发人员：庄蔚敏，武世杰，吴迪，敖文宏，刘西洋，解东旋，施宏达，杨冠男，徐纪栓，高瑞娟，秦龙，张凯希，胡哲，李冰娇，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22