申请/专利权人：吉林大学

申请日：2017-12-26

公开（公告）日：2024-04-16

公开（公告）号：CN107932927B

主分类号：B29C65/60

分类号：B29C65/60

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.16#授权;2018.05.15#实质审查的生效;2018.04.20#公开

摘要：本发明公开一种热塑性碳纤维复合材料板与合金板自冲柳接装置，包括：凹模，其为圆柱形结构且中心设置有通孔，凹模两侧开设有第一过孔，所述第一过孔与所述通孔连通，通孔和第一过孔内过盈配合有隔热管；芯轴，其下部为实心圆柱形结构，上部中心设置有圆形凹槽，凹槽底面向上凸起呈圆锥形，芯轴与所述通孔配合连接且能够沿所述通孔轴向运动；压边圈，其为圆柱形结构且中心设置有中心孔，压边圈两侧开设有第二过孔，所述第二过孔与所述中心孔连通，所述中心孔和第二过孔内过盈配合有隔热管；冲头，其为圆柱形结构且与所述中心孔配合连接，其能够沿所述中心孔轴向运动。本发明还提供一种柳接方法，能够调节冲头的冲击压力，提高柳接接头的质量。

主权项：1.一种热塑性碳纤维复合材料板与合金板自冲铆接装置，其特征在于，包括：凹模，其为圆柱形结构且中心设置有通孔，所述凹模两侧开设有第一过孔，所述第一过孔与所述通孔连通，所述通孔和第一过孔内过盈配合有隔热管；芯轴，其下部为实心圆柱形结构，上部中心设置有圆形凹槽，所述凹槽底面向上凸起呈圆锥形，所述芯轴与所述通孔配合连接且能够沿所述通孔轴向运动；压边圈，其为圆柱形结构且中心设置有中心孔，所述压边圈两侧开设有第二过孔，所述第二过孔与所述中心孔连通，所述中心孔和第二过孔内过盈配合有隔热管；冲头，其为圆柱形结构且与所述中心孔配合连接，其能够沿所述中心孔轴向运动；呈圆锥形的凸起上表面与芯轴上表面共面；呈圆锥形的凸起的回转轴线与圆形凹槽的回转轴线共线。

全文数据：一种热塑性碳纤维复合材料板与合金板自冲柳接装置及柳接方法技术领域[0001]本发明涉一种热塑性碳纤维复合材料板与合金板的铆接领域，更具体的是，本发明涉及一种热塑性碳纤维复合材料板与合金板自冲柳接装置及柳接方法。背景技术[0002]热塑性碳纤维复合材料具有比强度高、比模量高、抗撞吸能性好、抗疲劳性好、耐电化学腐蚀、韧性比价高、成型过程中无化学反应、可回收重复利用等显著优点。因而，热塑性复合材料在航空、船舶、汽车等领域已经广泛应用。在汽车行业中，碳纤维复合材料的应用比重也在逐年上升，作为一种高性能的复合材料正在被广泛认可，其从高端车型向中端车型的转化正在迅速实现。[0003]热塑性复合材料在汽车行业的应用将不可避免地产生与钢、铝合金等传统金属材料的连接问题。目前汽车中板件的连接方式主要有:焊接、铆接和粘接。碳纤维复合材料在汽车中和其它板结的连接通常使用粘结和螺栓连接。铆接是一种新型的轻量化连接技术，其通常应用于同种金属或者异种金属的连接。碳纤维复合材料在变形过程中塑性变形很小，延展性比金属材料相差很多，限制了铆接技术的应用。[0004]中国发明专利申请“CN105479771B”公开了一种“碳纤维复合材料板的制备方法及其与铝合金板的自冲铆接模具及方法”，但是，是在常温下进行柳接，还需在复合材料板上做通孔，由于热塑性碳纤维复合材料在冷变形破坏的过程中形式过于复杂，很有可能出现“藕断丝连”即树脂基质发生破坏而纤维未断裂，这样会严重降低铆接处的力学性能。另一方面，在铆钉完全穿过碳纤维复合材料板会造成碳纤维局部发生破坏，由于纤维的力学性能相互关联，会导致周围出现局部性能下降。发明内容[0005]本发明的一个目的是设计开发了一种热塑性碳纤维复合材料板与合金板自冲柳接装置，能够在复合材料板处于粘流态时进行柳接，柳接效果好且结构简单，操作方便。[0006]本发明的另一个目的是设计开发了一种热塑性碳纤维复合材料板与合金板自冲柳接方法，能够对热塑性碳纤维复合材料板与合金板进行加热并使复合材料板柳接处处于粘流态，并主动调节冲头的冲击压力，提尚柳接接头的质量。[0007]本发明提供的技术方案为：[0008]—种热塑性碳纤维复合材料板与合金板自冲柳接装置，包括：[0009]凹模，其为圆柱形结构且中心设置有通孔，所述凹模两侧开设有第一过孔，所述第一过孔与所述通孔连通，所述通孔和第一过孔内过盈配合有隔热管；[0010]芯轴，其下部为实心圆柱形结构，上部中心设置有圆形凹槽，所述凹槽底面向上凸起呈圆锥形，所述芯轴与所述通孔配合连接且能够沿所述通孔轴向运动；[0011]压边圈，其为圆柱形结构且中心设置有中心孔，所述压边圈两侧开设有第二过孔，所述第二过孔与所述中心孔连通，所述中心孔和第二过孔内过盈配合有隔热管；[0012]冲头，其为圆柱形结构且与所述中心孔配合连接，其能够沿所述中心孔轴向运动。[0013]优选的是，所述圆锥形凸起上表面与芯轴上表面共面;所述圆锥形凸起的回转轴线与圆形凹槽的回转轴线共线。[0014]优选的是，所述第一过孔斜向上设置与所述通孔连通;所述第二过孔斜向下设置与所述中心孔连通。[0015]优选的是，所述隔热管为真空隔热管。[0016]优选的是，还包括恒温热风枪，用于向所述第一过孔和第二过孔内提供热风。[0017]优选的是，还包括：[0018]第一温度传感器，其设置所述第一过孔与通孔连通处，用于检测通孔内温度；[0019]第二温度传感器，其设置所述第二过孔与中心孔连通处，用于检测中心孔内温度；[0020]高度传感器，其设置在所述冲头底面，用于检测冲头距离柳钉的高度；[0021]压力传感器，其设置在所述冲头上，用于检测冲头的冲击压力；[0022]厚度传感器，其分别设置在所述压边圈的下表面和凹模的上表面，用于测量柳接件的厚度；[0023]驱动机构，其与所述冲头连接，用于控制所述冲头距离柳钉的高度和冲击压力；[0024]控制器，其与所述第一温度传感器、第二温度传感器、高度传感器、压力传感器、厚度传感器和驱动机构连接，用于接收所述第一温度传感器、第二温度传感器、高度传感器、速度传感器和厚度传感器的检测数据并控制所述驱动机构工作。[0025]相应地，本发明还提供一种热塑性碳纤维复合材料板与合金板自冲柳接方法，包括如下步骤：[0026]步骤1:将待铆接的热塑性碳纤维复合材料板与合金板放置于凹模和压边圈之间并压紧，合金板在下，冲头推送铆钉接触热塑性碳纤维复合材料板上表面；[0027]步骤2:通过第一过孔和第二过孔向通孔和中心孔内吹入热风，控制中心孔内的温度满足：270彡T彡290°C，保温5〜8min;[0028]步骤3:驱动冲头上行到一定高度后下行，以一定冲击压力将柳钉推动刺入热塑性碳纤维复合材料板与合金板，完成柳接后缓慢冷却至室温，所述冲头的冲击压力为：[0030]其中，Fp为冲头的冲击压力；d为铆钉半径;S1为碳纤维复合材料板厚度;δ2为合金板厚度；F1为碳纤维复合材料板的抗剪强度；Γ2为合金板的抗剪强度;Obs为碳纤维复合材料板的许用挤压应力;Oas为合金板的许用挤压应力；S为冲头面积;υρ为冲头的冲击速度;Mp为冲头重S；。[0031]优选的是，所述冲头距离柳钉的高度为：[0033]其中，Hp为冲头距离柳钉的高度;Fp冲头的冲击压力；υρ为冲头的冲击速度;d为铆钉半径;S为冲头面积;T为中心孔内温度。[0034]优选的是，所述步骤3中缓慢冷却至室温包括调节恒温热风枪温度满足：[0036]其中，Tt为t时间时恒温热风枪的温度，Tt+At+1时间时恒温热风枪的温度。[0037]优选的是，所述冲头冲击柳钉的时间1.6〜2.Os。[0038]本发明至少具备以下有益效果：[0039]1本发明所述的热塑性碳纤维复合材料板与合金板自冲柳接装置，能够在复合材料板处于粘流态时进行柳接，无需在复合材料板上做通孔，柳接效果好且结构简单，操作方便。[0040]2本发明所述的热塑性碳纤维复合材料板与合金板自冲柳接方法，能够对热塑性碳纤维复合材料板与合金板进行加热并使复合材料板柳接处处于粘流态，并主动调节冲头的冲击压力，提高柳接接头的质量；同时调节冲头距离柳钉的高度，提高柳接效果，在缓慢冷却至室温时，对恒温热风炉的温度进行调节，进一步提高柳接接头的质量。附图说明[0041]图1为本发明所述自冲柳接装置主视图的全剖视图。[0042]图2为本发明所述压边圈主视图的全剖视图。[0043]图3为本发明所述压边圈俯视图。[0044]图4为本发明所述凹模主视图的全剖视图。[0045]图5为本发明所述凹模的俯视图。[0046]图6为本发明所述芯轴主视图的全剖视图。[0047]图7为本发明所述芯轴的俯视图。[0048]图8为本发明所述控制模块的模块示意图。[0049]图9为本发明所述步骤1中加热前时冲头、凹模和芯轴的工位图。[0050]图10为本发明所述步骤3中铆接前冲头、凹模和芯轴的工位图。[0051]图11为本发明所述步骤3中完成柳接的结构示意图。具体实施方式[0052]下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。[0053]本发明可以有许多不同的形式实施，而不应该理解为限于再次阐述的实施例，相反，提供这些实施例，使得本公开将是彻底和完整的。在附图中，为了清晰起见，会夸大结构和区域的尺寸和相对尺寸。[0054]如图1-8所示，本发明提供一种热塑性碳纤维复合材料板与合金板自冲柳接装置，包括:凹模100,其为圆柱形结构且中心设置有通孔120,所述凹模两侧开设有第一过孔110，所述第一过孔与所述通孔120连通，所述通孔120和第一过孔110内分别过盈配合有隔热管121和111;芯轴200,其下部为实心圆柱形结构，上部中心设置有圆形凹槽210,所述凹槽底面向上凸起呈圆锥形220,所述芯轴200与所述通孔120配合连接且能够沿所述通孔120轴向运动;压边圈300,其为圆柱形结构且中心设置有中心孔320,所述压边圈两侧开设有第二过孔310,所述第二过孔310与所述中心孔320连通，所述压边圈300设置在所述凹模100上方并与其相对设置，所述中心孔320和第二过孔310内分别过盈配合有隔热管321和311;冲头400,其为圆柱形结构且与所述中心孔320配合连接，其能够沿所述中心孔320轴向运动。本实施例中，所述圆锥形凸起220上表面与芯轴200上表面共面;所述圆锥形凸起220的回转轴线与圆形凹槽210的回转轴线共线。优选的，所述圆锥形凸起220的棱线与圆形凹槽210的侧面的夹角为45°[0055]作为本发明的另一实施例，所述第一过孔110斜向上设置与所述通孔120连通，一侧为进风孔，一侧为出风孔;所述第二过孔310斜向下设置与所述中心孔320连通，一侧为进风孔，一侧为出风孔，所述第一过孔110和第二过孔310的孔径为4mm，所述隔热管为真空隔热管，壁厚为lmm，当柳钉500与热塑性碳纤维复合材料板600接触时，柳钉500的钉帽下边缘与第二过孔310位于同一水平面;柳接件包括粘接的热塑性碳纤维复合材料板600与合金板700，其设置在所述凹模100和压边圈300之间；柳钉500,其为半空心沉头铆钉，钉帽中心开孔，其设置在所述中心孔320内并与所述热塑性碳纤维复合材料板600上表面接触。本实施例中，还包括恒温热风枪（图中未示出），用于向所述第一过孔110和第二过孔320内提供热风。[0056]作为本发明的另一实施例，还包括:第一温度传感器810,其设置所述第一过孔110与通孔120连通处，用于检测通孔110内温度;第二温度传感器820，其设置所述第二过孔310与中心孔320连通处，用于检测中心孔320内温度;高度传感器830，其设置在所述冲头400底面，用于检测冲头400距离柳钉500的高度;压力传感器840，其设置在所述冲头400上，用于检测冲头400的冲击压力；厚度传感器850,其分别设置在所述压边圈300的下表面和凹模100的上表面，用于测量柳接件的厚度;驱动机构860,其与所述冲头400连接，用于控制所述冲头400距离柳钉500的高度和冲击压力;控制器800,其与所述第一温度传感器810、第二温度传感器820、高度传感器830、速度传感器840、厚度传感器850和驱动机构860连接，用于接收所述第一温度传感器810、第二温度传感器820、高度传感器830、速度传感器840和厚度传感器850的检测数据并控制所述驱动机构860工作。[0057]本发明所述的热塑性碳纤维复合材料板与合金板自冲柳接装置，能够在复合材料板处于粘流态时进行柳接，无需在复合材料板上做通孔，柳接效果好且结构简单，操作方便。[0058]本发明还提供一种热塑性碳纤维复合材料板与合金板自冲柳接方法，包括如下步骤：[0059]步骤1:将待铆接的热塑性碳纤维复合材料板与合金板放置于凹模和压边圈之间并压紧，合金板在下，冲头推送铆钉接触热塑性碳纤维复合材料板上表面；[0060]步骤2:恒温热风炉通过第一过孔和第二过孔向通孔和中心孔内吹入热风，对待铆接热塑性碳纤维复合材料板和合金板局部进行加热，如图9所示，恒温热风枪参数为：[0061]热风温度可调范围：T=265〜300°C;[0062]恒温热风枪风量:V=20〜40Lmin;[0063]控制中心孔内的温度满足:270彡T彡290°C，保温5〜8min，使得热塑性碳纤维复合材料板柳接处处于粘流态；[0064]步骤3:驱动冲头上行到一定高度后下行，以一定冲击压力将柳钉推动穿透粘流态的热塑性碳纤维复合材料板，熔融态纤维增强复合材料流入柳钉半空心腔内，铆钉在凹槽型腔和冲头的共同作用下，铆钉腿部逐渐外翻形成铆扣，如图10-11所示，完成柳接后缓慢冷却至室温，所述冲头冲击柳钉的时间1.6〜2.Os;[0065]所述冲头的冲击压力为：[0067]其中，Fp为冲头的冲击压力；d为铆钉半径;S1为碳纤维复合材料板厚度;δ2为合金板厚度；F1为碳纤维复合材料板的抗剪强度；Γ2为合金板的抗剪强度;Obs为碳纤维复合材料板的许用挤压应力;Oas为合金板的许用挤压应力；S为冲头面积;υρ为冲头的冲击速度;Mp为冲头重量。[0068]所述冲头距离柳钉的高度为：[0070]其中，Hp为冲头距离柳钉的高度;Fp冲头的冲击压力；υρ为冲头的冲击速度;d为铆钉半径;S为冲头面积;T为中心孔内温度。[0071]所述缓慢冷却至室温包括调节恒温热风枪温度满足：[0073]其中，Tt为t时间时恒温热风枪的温度，Tt+1St+l时间时恒温热风枪的温度，本实施例中1代表一个时间段，可以为Is、IOs、30s，Imin等，依实际情况而设定。[0074]本发明所述的热塑性碳纤维复合材料板与合金板自冲柳接方法，能够对热塑性碳纤维复合材料板与合金板进行加热并使复合材料板柳接处处于粘流态，并主动调节冲头的冲击压力，提高柳接接头的质量；同时调节冲头距离柳钉的高度，提高柳接效果，在缓慢冷却至室温时，对恒温热风炉的温度进行调节，进一步提高柳接接头的质量。[0075]尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

权利要求：1.一种热塑性碳纤维复合材料板与合金板自冲柳接装置，其特征在于，包括：凹模，其为圆柱形结构且中心设置有通孔，所述凹模两侧开设有第一过孔，所述第一过孔与所述通孔连通，所述通孔和第一过孔内过盈配合有隔热管；芯轴，其下部为实心圆柱形结构，上部中心设置有圆形凹槽，所述凹槽底面向上凸起呈圆锥形，所述芯轴与所述通孔配合连接且能够沿所述通孔轴向运动；压边圈，其为圆柱形结构且中心设置有中心孔，所述压边圈两侧开设有第二过孔，所述第二过孔与所述中心孔连通，所述中心孔和第二过孔内过盈配合有隔热管；冲头，其为圆柱形结构且与所述中心孔配合连接，其能够沿所述中心孔轴向运动。2.如权利要求1所述的热塑性碳纤维复合材料板与合金板自冲柳接装置，其特征在于，所述圆锥形凸起上表面与芯轴上表面共面;所述圆锥形凸起的回转轴线与圆形凹槽的回转轴线共线。3.如权利要求1所述的热塑性碳纤维复合材料板与合金板自冲柳接装置，其特征在于，所述第一过孔斜向上设置与所述通孔连通;所述第二过孔斜向下设置与所述中心孔连通。4.如权利要求1所述的热塑性碳纤维复合材料板与合金板自冲柳接装置，其特征在于，所述隔热管为真空隔热管。5.如权利要求1所述的热塑性碳纤维复合材料板与合金板自冲柳接装置，其特征在于，还包括恒温热风枪，用于向所述第一过孔和第二过孔内提供热风。6.如权利要求1所述的热塑性碳纤维复合材料板与合金板自冲柳接装置，其特征在于，还包括：第一温度传感器，其设置所述第一过孔与通孔连通处，用于检测通孔内温度；第二温度传感器，其设置所述第二过孔与中心孔连通处，用于检测中心孔内温度；高度传感器，其设置在所述冲头底面，用于检测冲头距离柳钉的高度；压力传感器，其设置在所述冲头上，用于检测冲头的冲击压力；厚度传感器，其分别设置在所述压边圈的下表面和凹模的上表面，用于测量柳接件的厚度；驱动机构，其与所述冲头连接，用于控制所述冲头距离柳钉的高度和冲击压力；控制器，其与所述第一温度传感器、第二温度传感器、高度传感器、压力传感器、厚度传感器和驱动机构连接，用于接收所述第一温度传感器、第二温度传感器、高度传感器、速度传感器和厚度传感器的检测数据并控制所述驱动机构工作。7.—种热塑性碳纤维复合材料板与合金板自冲柳接方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1:将待铆接的热塑性碳纤维复合材料板与合金板放置于凹模和压边圈之间并压紧，合金板在下，冲头推送铆钉接触热塑性碳纤维复合材料板上表面；步骤2:通过第一过孔和第二过孔向通孔和中心孔内吹入热风，控制中心孔内的温度满足：270彡T彡290°C，保温5〜8min;步骤3:驱动冲头上行到一定高度后下行，以一定冲击压力将柳钉推动刺入热塑性碳纤维复合材料板与合金板，完成柳接后缓慢冷却至室温，所述冲头的冲击压力为：其中，Fp为冲头的冲击压力；d为铆钉半径；S1为碳纤维复合材料板厚度;δ2为合金板厚度；F1为碳纤维复合材料板的抗剪强度；Γ2为合金板的抗剪强度;Obs为碳纤维复合材料板的许用挤压应力；Oas为合金板的许用挤压应力;S为冲头面积;υρ为冲头的冲击速度;Mp为冲头重量。8.如权利要求7所述的热塑性碳纤维复合材料板与合金板自冲柳接方法，其特征在于，所述冲头距离柳钉的高度为：其中，Hp为冲头距离柳钉的高度;Fp冲头的冲击压力；υρ为冲头的冲击速度;d为铆钉半径;S为冲头面积;T为中心孔内温度。9.如权利要求8所述的热塑性碳纤维复合材料板与合金板自冲柳接方法，其特征在于，所述步骤3中缓慢冷却至室温包括调节恒温热风枪温度满足：其中，Tt为t时间时恒温热风枪的温度，IVi为t+1时间时恒温热风枪的温度。10.如权利要求9所述的热塑性碳纤维复合材料板与合金板自冲柳接方法，其特征在于，所述冲头冲击柳钉的时间1.6〜2.Os。

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