碳纤维复合材料与铝合金无铆钉铆接装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术碳纤维复合材料与铝合金无铆钉铆接装置及方法，属于复合材料铆接技术领域，解决了现有技术中存在的易发生纤维断裂、基体开裂、界面脱胶和分层、接头性能低的技术问题；本发明专利技术装置包括压边圈、冲头和凹模；所述凹模包括弹簧垫块Ⅰ、弹簧垫块Ⅱ，弹簧Ⅰ、弹簧Ⅱ和下模；并应用上述装置实现碳纤维复合材料与铝合金无铆钉铆接工艺，该工艺使铝合金板在碳纤维复合材料板通孔处形成自锁结构，提高了接头的抗拉、抗剪和抗疲劳性能，并且不需要铆钉等铆接元件，质量减轻。

【技术实现步骤摘要】
碳纤维复合材料与铝合金无铆钉铆接装置及方法
本专利技术属于复合材料铆接
，具体涉及一种碳纤维复合材料与铝合金无铆钉铆接装置及方法。
技术介绍
安全、节能、环保的汽车成为21世纪汽车发展的主流，汽车轻量化无疑是其最佳途径，而汽车轻量化的主流材质之一就是车用材料铝合金、复合材料等轻量化材料，尤其是复合材料更是新能源汽车的首选材料，因其材料密度低、比强度高、比刚度高等优点，非常适合新能源汽车的研发需求。与此同时，复合材料与金属材料无损连接是影响车身结构服役性能的重要装配问题。现行通用的复合材料和金属材料的连接方式主要有3种：胶接、螺接和铆接。胶接和螺接在汽车中应用存在一些无法克服的弊端：胶接性能受环境(湿、热、腐蚀介质)影响较大，在传统汽车上，发动机和废气的高温，汽油、机油和防冻液等的腐蚀性以及环境中的腐蚀介质对胶接性能有很大影响；而螺栓连接易松动，可靠性较差，因此限制了其在汽车工业上的应用。相对而言，铆接工艺可有效解决以上问题，并具有抗疲劳性能和抗静拉力性能良好等优点，已成为近年来发展较快的薄板材料机械连接技术。然而，在现有的碳纤维复合材料板无铆钉铆接工艺中，由于碳纤维复合材料塑性较差，易发生纤维断裂、基体开裂、界面脱胶和分层等破坏，降低接头性能，甚至直接导致接头失效。另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。因此，在现有的无铆钉铆接工艺中，需要增加新的工艺方法，设计新型铆接凹模模具，保证在铝合金和碳纤维复合材料无铆钉铆接过程中得到成形效果良好的铆接接头，提高接头的力学性能。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供碳纤维复合材料与铝合金无铆钉铆接装置及方法，解决现有技术中存在的易发生纤维断裂、基体开裂、界面脱胶和分层、接头性能低的技术问题。为解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案：本专利技术碳纤维复合材料与铝合金无铆钉铆接装置包括压边圈、冲头和凹模；所述凹模包括弹簧垫块Ⅰ、弹簧垫块Ⅱ，弹簧Ⅰ、弹簧Ⅱ和下模；所述的压边圈结构中心处设置一个用于定位冲头的通孔，在铆接过程中，冲头在压边圈通孔中上下运动；所述的冲头为一体式结构，包括针体和针头；所述针体为圆柱状，所述针头为圆台状，针头圆台侧面有一个小的倾角，均向靠近针体中心线倾斜；针体与针头之间采用圆弧面过渡，针头圆台顶面与侧面也采用圆弧面过渡；所述的弹簧垫块Ⅰ为圆柱体式结构件，所述的弹簧垫块Ⅱ为带有凹槽的圆柱体式结构件；弹簧垫块Ⅱ的凹槽位于弹簧垫块Ⅱ顶面中心处，为圆柱体式凹槽，弹簧垫块Ⅱ的凹槽底面尺寸与弹簧垫块Ⅰ底面尺寸相同，弹簧垫块Ⅱ的凹槽表面与弹簧垫块Ⅰ侧面接触且可自由滑动；弹簧Ⅰ为螺旋压缩弹簧，弹簧Ⅰ放置在弹簧垫块Ⅱ凹槽内，弹簧Ⅰ的外径与弹簧垫块Ⅰ底面直径相同；弹簧Ⅱ为螺旋压缩弹簧，弹簧Ⅱ的外径与弹簧垫块Ⅱ底面直径相同；下模为带有凹槽的圆柱体式结构件；下模的凹槽位于下模中心处，为圆柱体式凹槽，下模的凹槽底面尺寸与弹簧垫块Ⅱ底面尺寸相同，下模的凹槽深度与弹簧垫块Ⅱ高度和弹簧Ⅱ长度之和相同，下模的凹槽表面与弹簧垫块Ⅱ侧面接触且可自由滑动；弹簧Ⅱ放置在下模凹槽内。所述的弹簧垫块Ⅰ的底面直径尺寸与碳纤维复合材料板小孔孔径相同，弹簧垫块Ⅰ的高与碳纤维复合材料板的厚度相同，弹簧Ⅰ为螺旋压缩弹簧，放置在弹簧垫块Ⅱ凹槽内，弹簧Ⅰ外径与弹簧垫块Ⅰ底面直径相同，弹簧弹簧Ⅰ长度达到使弹簧垫块Ⅰ在未冲压状态下完全抵住铝合金板。弹簧垫块Ⅰ的底面直径为8mm，高为2mm。弹簧Ⅰ由弹簧钢制成，刚度系数为K1＝580N/mm，弹簧Ⅰ外径为8mm，在弹簧垫块Ⅰ重力作用下的弹簧长度为2.5mm。弹簧垫块Ⅱ的底面尺寸与弹簧垫块Ⅰ底面尺寸相同，弹簧垫块Ⅱ的凹槽深度与弹簧Ⅰ1′在未冲压状态下的长度相同，弹簧垫块Ⅱ的凹槽表面与弹簧垫块Ⅰ侧面接触且可自由滑动；对弹簧垫块Ⅱ的底面直径为碳纤维复合材料板小孔直径的3倍，保证弹簧垫块Ⅱ顶部与下板充分接触，以达到支撑下板的目的。弹簧垫块Ⅱ采用铝合金材料，弹簧垫块Ⅱ的凹槽的底面直径为8mm，深度为2.5mm；垫块Ⅱ的底面直径为24mm，高度为12mm。弹簧Ⅱ由弹簧钢制成，刚度系数为K2＝2180N/mm，弹簧外径为24mm，在弹簧垫块Ⅱ重力作用下的弹簧长度为4mm。弹簧Ⅱ为螺旋压缩弹簧，放置在下模凹槽内，弹簧Ⅱ的弹簧外径与弹簧垫块Ⅱ底面直径相同，弹簧Ⅱ的弹簧长度达到使弹簧垫块Ⅱ在未冲压状态下完全抵住碳纤维复合材料板。下模的凹槽的底面尺寸与弹簧垫块Ⅱ底面尺寸相同，下模的凹槽的深度与弹簧垫块Ⅱ高度和弹簧Ⅱ长度之和相同，下模的凹槽的表面与弹簧垫块Ⅱ侧面接触且可自由滑动；对下模的底面直径为碳纤维复合材料板小孔直径的倍，保证下模顶部与下板充分接触，以达到支撑下板的目的。下模采用铝合金材料，下模的凹槽的底面直径为24mm，深度为16mm；下模的底面直径为40mm，高度为20mm。冲头针体直径13-15mm，针头顶部直径6-8mm，底部直径8-10mm，针头高5-7mm，压边圈中心定位通孔直径与冲头针体直径相同，压边圈外径与下模外径相同。应用上述装置实现碳纤维复合材料与铝合金无铆钉铆接装置的方法包括以下步骤：步骤一：通过数控CNC机床在碳纤维复合材料板的中心切割出一个直径为8-10mm的通孔；步骤二：将步骤一中的带有8-10mm的通孔的碳纤维复合材料板和铝合金板从下至上依次放在凹模上，冲头、压边圈、碳纤维复合材料板通孔与凹模同心放置，驱动压边圈下移，直至压紧碳纤维复合材料板和铝合金板；步骤三：启动碳纤维复合材料与铝合金无铆钉铆接装置，使冲头以5-15m/s的速度冲压铝合金板，直至弹簧垫块Ⅰ完全嵌入弹簧垫块Ⅱ凹槽中；步骤四：冲头继续冲压碳纤维复合材料板和铝合金板，直至弹簧Ⅱ完全压缩，铝合金板在碳纤维复合材料板的通孔处随着冲头的持续加压，金属向碳纤维复合材料板通孔的两侧流动形成自锁结构，直至冲头到达下止点，完成无铆钉铆接；步骤五：对碳纤维复合材料与铝合金无铆钉铆接装置铆接机进行泄压，弹簧Ⅱ回弹，产生回弹压力使接头二次成形，增大底切；冲头向上运动回程，准备进行下一次铆接。在所述步骤二之后，在步骤三之前，对冲头铆接速度、冲头下止点高度和冲头在下止点的停留时间进行基于BP神经网络的调控，具体方法如下：在每个采样周期中，使用传感器测量环境温度Ta、环境湿度H、碳纤维复合材料板件开孔直径D、铝合金板厚度tb，对这4个参数规格化后得到三层BP神经网络的输入层向量x＝(x1,x2,x3,x4)，其中x1环境温度系数，x2环境湿度系数，x3CFRP板件开孔直，x4铝合金板厚度系数。规格化公式为其中xj为输入层向量中的参数，Xj分别为测量参数Ta、H、Tb、tb，Xjmax和Xjmin分别为相应测量参数中的最大值和最小值。输入层向量映射到中间层，中间层节点数为4，向量为y＝(y1,y2,y3,y4)，得到输出层向量z＝(z1,z2,z3,z4)，其中z1冲头铆接速度调节系数，z2冲头下止点高度调节系数，z3冲头在下止点停留时间调节系数，z4紧急停机信号，表示当前设备的运行状态，1表示非正常状态，需紧急停机；0表示正常状态，可继续运行。控制冲头铆接速度、冲头下止点高度、冲头在下止点停留时间，使Vi+1＝z1iVmax、hi+1＝z2ihmax、ti+1＝z本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.碳纤维复合材料与铝合金无铆钉铆接装置，其特征在于，包括压边圈(6)、冲头(7)和凹模；所述凹模包括弹簧垫块Ⅰ(1)、弹簧垫块Ⅱ(2)，弹簧Ⅰ(1′)、弹簧Ⅱ(2′)和下模(3)；所述的压边圈(6)结构中心处设置一个用于定位冲头(7)的通孔，在铆接过程中，冲头(7)在压边圈(6)通孔中上下运动；所述的冲头(7)为一体式结构，包括针体和针头；所述针体为圆柱状，所述针头为圆台状，针头圆台侧面有一个小的倾角，均向靠近针体中心线倾斜；针体与针头之间采用圆弧面过渡，针头圆台顶面与侧面也采用圆弧面过渡；所述的弹簧垫块Ⅰ(1)为圆柱体式结构件，所述的弹簧垫块Ⅱ(2)为带有凹槽的圆柱体式结构件；弹簧垫块Ⅱ(2)的凹槽位于弹簧垫块Ⅱ(2)顶面中心处，为圆柱体式凹槽，弹簧垫块Ⅱ(2)的凹槽底面尺寸与弹簧垫块Ⅰ(1)底面尺寸相同，弹簧垫块Ⅱ(2)的凹槽表面与弹簧垫块Ⅰ(1)侧面接触且可自由滑动；弹簧Ⅰ(1′)为螺旋压缩弹簧，弹簧Ⅰ(1′)放置在弹簧垫块Ⅱ(2)凹槽内，弹簧Ⅰ(1′)的外径与弹簧垫块Ⅰ(1)底面直径相同；弹簧Ⅱ(2′)为螺旋压缩弹簧，弹簧Ⅱ(2′)的外径与弹簧垫块Ⅱ(2)底面直径相同；下模(3)为带有凹槽的圆柱体式结构件；下模(3)的凹槽位于下模(3)中心处，为圆柱体式凹槽，下模(3)的凹槽底面尺寸与弹簧垫块Ⅱ(2)底面尺寸相同，下模(3)的凹槽深度与弹簧垫块Ⅱ(2)高度和弹簧Ⅱ(2′)长度之和相同，下模(3)的凹槽表面与弹簧垫块Ⅱ(2)侧面接触且可自由滑动；弹簧Ⅱ(2′)放置在下模(3)凹槽内。...

【技术特征摘要】
1.碳纤维复合材料与铝合金无铆钉铆接装置，其特征在于，包括压边圈(6)、冲头(7)和凹模；所述凹模包括弹簧垫块Ⅰ(1)、弹簧垫块Ⅱ(2)，弹簧Ⅰ(1′)、弹簧Ⅱ(2′)和下模(3)；所述的压边圈(6)结构中心处设置一个用于定位冲头(7)的通孔，在铆接过程中，冲头(7)在压边圈(6)通孔中上下运动；所述的冲头(7)为一体式结构，包括针体和针头；所述针体为圆柱状，所述针头为圆台状，针头圆台侧面有一个小的倾角，均向靠近针体中心线倾斜；针体与针头之间采用圆弧面过渡，针头圆台顶面与侧面也采用圆弧面过渡；所述的弹簧垫块Ⅰ(1)为圆柱体式结构件，所述的弹簧垫块Ⅱ(2)为带有凹槽的圆柱体式结构件；弹簧垫块Ⅱ(2)的凹槽位于弹簧垫块Ⅱ(2)顶面中心处，为圆柱体式凹槽，弹簧垫块Ⅱ(2)的凹槽底面尺寸与弹簧垫块Ⅰ(1)底面尺寸相同，弹簧垫块Ⅱ(2)的凹槽表面与弹簧垫块Ⅰ(1)侧面接触且可自由滑动；弹簧Ⅰ(1′)为螺旋压缩弹簧，弹簧Ⅰ(1′)放置在弹簧垫块Ⅱ(2)凹槽内，弹簧Ⅰ(1′)的外径与弹簧垫块Ⅰ(1)底面直径相同；弹簧Ⅱ(2′)为螺旋压缩弹簧，弹簧Ⅱ(2′)的外径与弹簧垫块Ⅱ(2)底面直径相同；下模(3)为带有凹槽的圆柱体式结构件；下模(3)的凹槽位于下模(3)中心处，为圆柱体式凹槽，下模(3)的凹槽底面尺寸与弹簧垫块Ⅱ(2)底面尺寸相同，下模(3)的凹槽深度与弹簧垫块Ⅱ(2)高度和弹簧Ⅱ(2′)长度之和相同，下模(3)的凹槽表面与弹簧垫块Ⅱ(2)侧面接触且可自由滑动；弹簧Ⅱ(2′)放置在下模(3)凹槽内。2.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料与铝合金无铆钉铆接装置，其特征在于，所述的弹簧垫块Ⅰ(1)的底面直径尺寸与碳纤维复合材料板(4)小孔孔径相同，弹簧垫块Ⅰ(1)的高与碳纤维复合材料板(4)的厚度相同，弹簧Ⅰ(1′)为螺旋压缩弹簧，放置在弹簧垫块Ⅱ(2)凹槽内，弹簧Ⅰ(1′)外径与弹簧垫块Ⅰ(1)底面直径相同，弹簧弹簧Ⅰ(1)长度达到使弹簧垫块Ⅰ(1)在未冲压状态下完全抵住铝合金板(5)。3.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料与铝合金无铆钉铆接装置，其特征在于，弹簧垫块Ⅰ(1)的底面直径为8mm，高为2mm；弹簧Ⅰ(1′)由弹簧钢制成，刚度系数为K1＝580N/mm，弹簧Ⅰ(1′)外径为8mm，在弹簧垫块Ⅰ(1)重力作用下的弹簧长度为2.5mm。4.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料与铝合金无铆钉铆接装置，其特征在于，弹簧垫块Ⅱ(2)的底面尺寸与弹簧垫块Ⅰ(1)底面尺寸相同，弹簧垫块Ⅱ(2)的凹槽深度与弹簧Ⅰ(1′)在未冲压状态下的长度相同，弹簧垫块Ⅱ(2)的凹槽表面与弹簧垫块Ⅰ(1)侧面接触且可自由滑动；对弹簧垫块Ⅱ(2)的底面直径为碳纤维复合材料板(4)小孔直径的3倍，保证弹...

【专利技术属性】
技术研发人员：庄蔚敏，武世杰，吴迪，敖文宏，施宏达，王鹏跃，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22