CN105479770B - 碳纤维复合材料板的制备方法及其与铝合金板的无铆钉铆接模具及方法 - Google Patents

碳纤维复合材料板的制备方法及其与铝合金板的无铆钉铆接模具及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了碳纤维复合材料板与铝合金板的无铆钉铆接模具，包括：上冲针，其能够在压边圈通孔中做上下往复运动；翻铆针，其与所述上冲针同心设置，所述翻铆针在下模具通孔中做上下往复运动；其中，所述上冲针及所述翻铆针分别连接有传感器，通过对数据采集，得到所述上冲针及所述翻铆针的高度调节系数及速度调节系数，控制所述上冲针及所述翻铆针的高度及运行速度。本发明还公开了碳纤维复合材料板的制备方法及碳纤维复合材料板与铝合金板的无铆钉铆接方法。本发明具有能够承受较大冲击力、工艺步骤简单、成本低、铆接接头抗拉、抗剪和抗疲劳性能优越等特点。

Description

碳纤维复合材料板的制备方法及其与铝合金板的无铆钉铆接 模具及方法
技术领域
本发明涉及碳纤维复合材料板与铝合金板的铆接领域，具体涉及碳纤维复合材料板的制备方法及其与铝合金板的无铆钉铆接模具及方法。
背景技术
现如今，由于环境、能源问题的日益严峻，汽车轻量化技术飞速发展。为实现汽车的轻量化，使用轻质、高强度的新型材料将是一种有效的方法。碳纤维复合材料是一种新型复合材料，有着良好的力学性能，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着相对于传统的金属材料有着更高的比刚度、比强度、比吸能，同时单位质量远小于金属材料的优势，在汽车行业中的应用也越来越广泛。
为促使汽车轻量化的实现，必然导致在车身应用材料中，非金属复合材料所占比重显著提高，使金属与复合材料的组合机构件的数量有所增加。为实现汽车轻量化，金属材料与非金属材料之间的较高质量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，碳纤维复合材料最终的破坏形式是以上四种破坏形式的共同作用。然而现有的对于碳纤维复合材料板件的无铆钉连接过程中，碳纤维复合材料易发生脆性破坏，影响铆接接头的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流程：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。另一方面，由于碳纤维复合材料塑性较差，在铆接过程中，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流程中，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，同时通过改善原有的工艺方法来提高铆接接头的质量，得到性能良好的铆接件。
发明内容
本发明设计开发了碳纤维复合材料板的制备方法，目的是解决现有技术中，在完成碳纤维复合材料板再次打孔时材料板易发生脆性破坏的问题。
本发明还设计开发了碳纤维复合材料板与铝合金板的无铆钉铆接模具及方法，目的是解决现有技术中铆接过程中易发生脆性破坏、降低铆接接头质量，甚至无法形成有效的铆接接头的问题。
本发明具有能够承受较大冲击力、工艺步骤简单、成本低、铆接接头抗拉、抗剪和抗疲劳性能优越等特点。
本发明提供的技术方案为：
碳纤维复合材料板的制备方法，包括：
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，
所述步骤一中，对预浸布进行超声处理，将所述预浸布浸泡到丙酮溶液中，超声20～30分钟后取出晾干，再将所述预浸布浸泡在甲醇溶液中，超声10～15分钟后取出晾干；
所述步骤二中，所述凝胶介质为酚醛环氧乙烯基树脂，在进行所述步骤二之前，将所述预浸布浸泡在所述酚醛环氧乙烯基树脂中保持15～25分钟，然后将浸泡好的预浸布再逐层平铺至所述模具凹槽中，在进行升温加热之前，在30℃～35℃中预热10～15分钟，再升温4小时至100℃～110℃，并且在110℃条件下，保持15分钟，完成酚醛环氧乙烯基树脂的凝胶；
所述步骤三中，对模具施加5MPa的压力，同时对模具继续升温20分钟至120℃，并且在120℃条件下保持2小时，完成酚醛环氧乙烯基树脂的固化；
所述步骤四中，取出所述碳纤维复合材料板后，将所述碳纤维复合材料板置于真空干燥箱中，在真空度为0.1～1Pa、温度为60℃～80℃的条件下，保持15～25分钟后，自然冷却至室温，取出所述碳纤维复合材料板。
碳纤维复合材料板与铝合金板的无铆钉铆接模具，使用所述的碳纤维复合材料板，包括：
上冲针，其能够在压边圈通孔中做上下往复运动；
翻铆针，其与所述上冲针同心设置，所述翻铆针在下模具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，并且与所述上冲针及所述翻铆针同心设置，所述上冲针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，所述上冲针及所述翻铆针分别连接有传感器，通过采集所述上冲针及所述翻铆针的高度及速度，控制所述上冲针及所述翻铆针的运行高度及运行速度。
优选的是，所述传感器包括温度传感器、速度传感器及位置传感器。
优选的是，所述上冲针为圆柱状，其顶部为圆锥体；所述翻铆针分为针头与针体，所述针头为圆锥体，其顶部采用圆球体过渡，所述针头与所述针体采用圆弧曲面过渡。
碳纤维复合材料板与铝合金板的无铆钉铆接方法，包括：
步骤一：制备出带有一个通孔的碳纤维复合材料板件，在铝合金板件上冲出一个的通孔；
步骤二：将所述的铝合金板和碳纤维复合材料板件置于模具的凹模之上；其中，所述铝合金板在上，所述碳纤维复合材料板件在下，并使两板通孔同心放置，驱动压边圈下移至将两块板件压紧；
步骤三：将上冲针下移作用于所述铝合金板通孔处，所述上冲针作用使所述铝合金板通孔处变形形成半径仅小于所述碳纤维复合板通孔半径的薄壁圆筒状，直到上冲针到达下止点，所述上冲针泄压向上运动回程，准备进行下一次铆接；
步骤四：将翻铆针向上移动，作用于变形后的所述铝合金板通孔处挤压所述铝合金板，在所述翻铆针挤压下所述铝合金板通孔的端部向周围外翻形成铆接接头，所述翻铆针向下运动回程，准备进行下一次铆接；
其中，在所述步骤三之前，对上冲针及翻铆针的冲压速度及冲止点高度进行基于BP神经网络的控制，其控制方法包括如下步骤：
步骤A、按照采样周期，通过传感器测量环境温度T0，环境湿度RH，上冲针温度Ta，翻铆针温度Tb；
步骤B、依次将传感器测量环境温度T0，环境湿度RH，上冲针温度Ta，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}；其中，x1为环境温度系数，x2为环境湿度系数，x3为上冲针温度系数，x4为翻铆针温度系数；
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}；其中，z1为上冲针冲击速度调节系数，z2为翻铆针铆接速度调节系数，z3为上冲针下止点高度调节系数，z4为翻铆针上止点高度调节系数；
步骤E、控制上冲针冲击速度、翻铆针铆接速度、上冲针下止点高度、翻铆针上止点高度，使
其中，分别为第i个采样周期输出层向量参数，Va_max、Vb_max、Ha_max、Hb_max分别为上冲针设定的最大冲击速度、翻铆针设定的最大铆接速度、上冲针设定的最低下止点高度、翻铆针设定的最高上止点高度，Va(i+1),Vb(i+1),Ha(i+1),Hb(i+1)分别为第i+1个采样周期时上冲针设定冲击速度、翻铆针设定铆接速度、上冲针设定下止点高度、翻铆针设定上止点高度。
优选的是，所述步骤B中，将环境温度T0，环境湿度RH，上冲针温度Ta，翻铆针温度Tb进行规格化公式为：
其中，xj为输入层向量中的参数，Xj分别为测量参数T0、RH、Ta、Tb，j＝1,2,3,4；Xjmax和Xjmin分别为相应测量参数中的最大值和最小值。
优选的是，所述步骤C中，所述中间层节点个数m满足：其中n为输入层节点个数，p为输出层节点个数。
优选的是，所述步骤C中，初始运行状态，上冲针冲击速度、翻铆针铆接速度、上冲针下止点高度、翻铆针上止点高度满足经验值：
Va0＝0.7Va_max
Vb0＝0.7Vb_max
Ha0＝0.7Ha_max
Hb0＝0.7Hb_max
其中，T00为初始环境温度，RH0为初始环境湿度，Ta0为初始上冲针温度，Tb0为初始翻铆针温度；Va_max为上冲针设定的最大冲击速度，Vb_max翻铆针设定的最大铆接速度，Ha_max上冲针设定的最低下止点高度，Ha_max翻铆针设定的最高上止点高度。
本发明与现有技术相比较所具有的有益效果：
1.本发明所述的铝合金板与碳纤维复合材料板的铆接方法中应用带有通孔的铝合金板件和碳纤维复合板件来进行无铆钉铆接，解决了铆接过程中铆接设备需要提供较大冲击力使两板件发生理想变形并得到力学性能良好的铆接接头的问题；
2.本发明所述的铝合金板与碳纤维复合材料板的铆接方法中采用带有通孔的碳纤维复合材料板，在碳纤维复合材料板在制作过程中直接将该板件做成带有通孔的，不需要进行冲孔加工工艺。不但简化工艺步骤，节省成本，同时也避免了碳纤维复合材料板在冲孔过程中发生脆性破坏，破坏材料本身良好的力学性能；
3.本发明所述的铝合金板与碳纤维复合材料板的铆接方法中采用带有通孔的碳纤维复合材料板，在铆接过程中碳纤维复合材料板不需要发生变形，防止了碳纤维复合材料板发生基体开裂和纤维断裂等材料破坏形式，保证了铆接接头的力学性能；
4.本发明所述的铝合金板与碳纤维复合材料板的铆接方法中采用了冲翻孔的工艺，该工艺使铝合金板在碳纤维复合材料板通孔处形成外翻的接头，提高铆接接头的抗拉、抗剪和抗疲劳性能；
5、本发明通过基于BP神经网络的控制方法，使上冲针冲击速度、翻铆针铆接速度、上冲针下止点高度及翻铆针上止点高度进行调控，使其达到最佳的运行状态，从而提高运行效率。
附图说明
图1为碳纤维复合材料模压成型工艺的流程图；
图2为本发明所述的制备带有通孔的碳纤维复合材料板所采用模具的全剖视图；
图3为本发明所述的制备带有通孔的碳纤维复合材料板所采用模具中上凸模结构的轴测投影视图；
图4为本发明所述的制备带有通孔的碳纤维复合材料板所采用模具中下凹模结构的轴测投影视图；
图5为本发明所述的铝合金板与碳纤维复合材料板之间的无铆钉铆接方法中采用的无铆钉铆接设备结构组成示意图；
图6为本发明所述的铝合金板与碳纤维复合材料板之间的无铆钉铆接方法中采用的带有通孔的铝合金板全剖视图；
图7为本发明所述的铝合金板与碳纤维复合材料板之间的无铆钉铆接方法中采用的带有通孔的碳纤维复合材料板全剖视图；
图8为本发明所述的铝合金板与碳纤维复合材料板之间的无铆钉铆接方法中采用的无铆钉铆接设备在铆接过程中上冲针运动到下止点的工序；
图9为本发明所述的铝合金板与碳纤维复合材料板之间的无铆钉铆接方法中采用的无铆钉铆接设备在铆接过程中翻铆针运动到上止点的工序；
图10为本发明所述的铝合金板与碳纤维复合材料板之间的无铆钉铆接方法的流程图。
具体实施方式
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。
如图1～4所示，本发明提供的带有通孔的碳纤维复合材料板所使用的模具如下：如图1，所述的碳纤维复合材料模压工艺流程有预浸布装模、预浸布凝胶、合模加压、升温固化、降温脱模、修剪试件和检查包。所述的制备模具由上凸模110和下凹模120共同组成，模具结构简单，便于制备带通孔的碳纤维复合材料板。
如图2与图3，所述的上凸模110为长方体式结构件，以长方体的下表面为基准面在中心处设置一个长和宽相对较小的长方体凸台，在凸台的正中心设置有一个圆柱体与圆锥体组合光孔，以长方体凸台的底面为基准面，靠近基准面的光孔为圆柱体光孔，远离基准面的光孔为锥形体光孔，圆柱体光孔与锥形体光孔之间采用光滑圆弧过渡，锥形孔锥尖处采用圆弧过渡,，圆柱体光孔与长方体凸台底面之间采用圆弧过渡。
实施例中上凸模110采用铝合金材料，上凸模110底座长方体长为300mm，宽为180mm，高为30mm。长方体凸台的长为200mm，宽为80mm，高为25mm，长方体凸台侧面分别与底座长方体各侧面平行，每组平行平面之间距离均为50mm。上凸模110内的光孔结构包含一圆柱体光孔和一圆锥体光孔，圆柱体光孔底面圆直径为8mm，深为10mm，圆锥体光孔底面圆锥面圆直径为8mm，圆锥体光孔的深为10mm，圆锥体光孔锥尖处为半径为1mm的球面，圆锥体光孔与圆柱体光孔连接处采用半径为5mm的圆弧面过渡，圆柱体光孔与长方体凸台底面之间采用半径为1.5mm的圆角过渡。
如图2和图4，所述的下凹模120为长方体式结构件，以长方体上表面为基准面在中心处设置一个长和宽相对较小的长方体凹槽，在凹槽的正中心设置有一个圆柱体与圆锥体组合光柱，以长方体凸台的底面为基准面，靠近基准面的光柱为圆柱体光柱，远离基准面的光柱为圆锥体光柱，圆柱体光柱与圆锥体光柱之间采用光滑圆弧过渡，锥形光柱锥尖处采用圆弧过渡，圆柱体光柱与长方体凹槽底面之间采用圆弧过渡。在长方体凹槽长和宽方向的中心轴线与凹槽侧壁相交处设置4个半圆形通孔。
实施例中下凹模120采用铝合金材料，下凹模120底座长方体长为300mm，宽为180mm，高为30mm。长方体凹槽的长为200mm，宽为80mm，深为15mm，长方体凹槽侧面分别与底座长方体各侧面平行，每组平行平面之间距离均为50mm。下凹模120内的光柱结构几何形状和尺寸与上凸模110中光孔结构一致，圆柱体光柱底面圆直径为8mm，高为10mm，圆锥体光柱底面圆锥面直径为8mm，圆锥体光柱的高为10mm，圆锥体光柱锥尖处为半径为1mm的球面，圆锥体光柱与圆柱体光柱连接处采用半径为5mm的圆弧面过渡，圆柱体光柱与长方体凹槽底面之间采用半径为1.5mm的圆角过渡。长方体凹槽长和宽方向的中心轴线与凹槽侧壁相交处设置4个半径为5mm，深为15mm的半圆形通孔。
通过使用本发明所提供的带有通孔的碳纤维复合材料板所使用的模具，如图1～4所示，本发明还提供了制备带有通孔的碳纤维复合材料板所使用的方法，包括：
在所设计的模具的基础之上实现碳纤维复合板的制备，所设计的模具可以制备带有通孔的碳纤维复合材料板件。
带有通孔的碳纤维复合材料板的制备过程：
1.在完成碳纤维布预浸工序后将碳纤维复合材料预浸布剪裁好，将预浸布平铺放入下凹模120内的凹槽处，平铺过程中使编织碳纤维复合材料预浸布的编织孔隙穿过下凹模120中的光柱，并且保证碳纤维复合材料预浸布在凹槽内全部铺平，凹槽的底面与碳纤维复合材料预浸布之间没有空隙；
2.将上凸模110与下凹模120合装到一起，使上凸模110和下凹模120组成的合模共同加热进行预浸布凝胶。以酚醛环氧乙烯基树脂为例，将合模的温度升高到100℃～110℃，完成树脂的凝胶工序；
3.在上凸模110与下凹模120合装状态下对上凸模110和下凹模120均施加一定的压力，以酚醛环氧乙烯基树脂为例，在加压的同时提高合装后装置的温度到120℃～130℃并保持一段时间，完成树脂的固化。
4.降低上凸模110与下凹模120合装后装置温度，分离上凸模110与下凹模120，取出碳纤维复合材料试件，对板件进行修剪，得到带有通孔并且在通孔底部与板件下表面呈圆角过渡的碳纤维复合材料板160。
在另一种实施例中，对预浸布进行超声处理，将预浸布浸泡到丙酮溶液中，超声20～30分钟后取出晾干，再将所述预浸布浸泡在甲醇溶液中，超声10～15分钟后取出晾干，留作备用；凝胶介质为酚醛环氧乙烯基树脂，在将预浸布平铺放入下凹模120内的凹槽之前，先将预浸布浸泡在酚醛环氧乙烯基树脂中保持15～25分钟，然后将浸泡好的预浸布再逐层平铺至所述模具凹槽中，在进行升温加热之前，在30℃～35℃中预热10～15分钟，再升温4小时至100℃～110℃，并且在110℃条件下，保持15分钟，完成酚醛环氧乙烯基树脂的凝胶；对模具施加5MPa的压力，同时对模具继续升温20分钟至120℃，并且在120℃条件下保持2小时，完成酚醛环氧乙烯基树脂的固化；在取出碳纤维复合材料板后，再将碳纤维复合材料板置于真空干燥箱中，在真空度为0.1～1Pa、温度为60℃～80℃的条件下，保持15～25分钟后，自然冷却至室温，取出所述碳纤维复合材料板，此时可有效的降低碳纤维复合材料板的密度，从而对材料进行了减重。
如图5～10所示，本发明还提供了所述的铝合金板与碳纤维复合材料板的无铆钉铆接方法，包括：
如图5，所述的铝合金板与碳纤维复合材料板的铆接方法中的无铆钉铆接装置由上冲针130，压边圈140，翻铆针170，下模180共同组成。
所述的上冲针130针体处为圆柱状，针头处为圆锥体。压边圈140结构的中心处设置有一个安装上冲针130的通孔，在铆接过程中，上冲针130在压边圈140通孔中上下运动。
所述的翻铆针170针体部分由两段底面半径不同的圆柱体共同组成，针头部分为圆锥体，圆锥体的顶部采用圆球体过渡，针头与针体件采用圆弧曲面过渡，针体结构中两个不同底面半径的圆柱体之间采用圆弧曲面过渡。下模180结构的中心处设置有一个安装翻铆针170的通孔，在铆接过程中，翻铆针170在下模180通孔中上下运动。上冲针130、压边圈140结构中的通孔、翻铆针170、下模180结构中的通孔均同心放置。
如图5、图6和图7，所述的铝合金板与碳纤维复合材料板的铆接方法中应用的铝合金板150在中心部有直径为2—4mm的通孔。所述的碳纤维复合材料板160在中心部有直径为8—10mm的通孔，并且在通孔底部与板件下表面呈圆角过渡。铝合金板150的通孔、碳纤维复合材料板160的通孔与上冲针130、压边圈140结构中的通孔、翻铆针170、下模180结构中的通孔均同心放置。
所述的铝合金板与碳纤维复合材料板的铆接方法的步骤如下：
1.如图5，将带有通孔的铝合金板150与所述制备成带有通孔的碳纤维复合材料板160同心放置在下模180上，铝合金板150在上碳纤维复合材料板160在下，驱动压边圈140压紧铝合金板150和碳纤维复合板160。
2.如图8，所述的铝合金板与碳纤维复合材料板的铆接过程中上冲针130沿着压边圈140中的通孔向下运动到下止点，在运动过程中上冲针130作用于铝合金板150的通孔处，同时施加力于铝合金板150，使铝合金板150由铝合金板150通孔处向碳纤维复合材料板160通孔方向挤压，铝合金板150在通孔处形成穿过碳纤维复合材料板160通孔并包裹上冲针130针体的薄壁圆管结构。达到下止点后上冲针130泄压向上运动回程，准备进行下一次铆接。
3.如图9，所述的铝合金板与碳纤维复合材料板的铆接过程中翻铆针170沿着下模180中的通孔向上运动到上止点，在运动过程中翻铆针170作用于步骤2中所述变形后的铝合金板150的薄壁圆筒结构，使薄壁圆筒结构底端部沿着翻铆针170针体部两底面大小不同的圆柱体间的过渡曲面外翻变形，形成包裹住碳纤维复合材料板160通孔的铆接接头。达到上止点后翻铆针170泄压向下运动回程，准备进行下一次铆接。
4.铆接工艺完成卸下铝合金板150和碳纤维复合材料板160的铆接件，进行下一次无铆钉铆接的准备工序。
在完成加将铝合金板150和碳纤维复合板160固定在模具上时，对上冲针130及翻铆针170的冲压速度及冲止点高度进行基于BP神经网络的控制，其控制方法包括如下步骤：
步骤一：建立BP神经网络模型；
本发明采用的BP网络体系结构由三层组成，第一层为输入层，共n个节点，对应了表示设备工作状态的n个检测信号，这些信号参数由数据预处理模块给出。第二层为隐层，共m个节点，由网络的训练过程以自适应的方式确定。第三层为输出层，共p个节点，由系统实际需要输出的响应确定。
该网络的数学模型为：
输入层向量：x＝(x1,x2,…,xn)T
中间层向量：y＝(y1,y2,…,ym)T
输出层向量：z＝(z1,z2,…,zp)T
本发明中，输入层节点数为n＝4，输出层节点数为p＝4。隐藏层节点数m由下式估算得出：
按照采样周期，输入信号的4个参数为，x1为环境温度系数，x2为环境湿度系数，x3为上冲针温度系数，x4为翻铆针温度系数；
由于传感器获取的数据属于不同的物理量，其量纲各不相同。因此，在数据输入神经网络之前，需要将数据规格化为0-1之间的数。
具体而言，对于使用温度传感器测量的环境温度T0，进行规格化后，得到环境温度系数x1：
其中，T0_min和T0_max分别为环境温度的最小环境温度和最大环境温度。
同样的，使用湿度传感器测量的环境湿度RH通过下式进行规格化，得到环境湿度系数x2：
其中，RHmin和RHmax分别为环境湿度的最小环境湿度和最大环境湿度。
使用温度传感器测量得到上冲针温度Ta，进行规格化后，得到上冲针温度系数x3：
其中，Ta_min和Ta_max分别为上冲针的最小温度和最大温度。
使用温度传感器测量得到翻铆针温度Tb，进行规格化后，得到上冲针温度系数x4：
其中，Tb_min和Tb_max分别为翻铆针的最小温度和最大温度。
输出信号的4个参数分别表示为：z1为上冲针冲击速度调节系数，z2为翻铆针铆接速度调节系数，z3为上冲针下止点高度调节系数，z4为翻铆针上止点高度调节系数；
上冲针冲击速度调节系数z1表示为下一个采样周期中上冲针冲击速度与当前采样周期中上冲针冲击速度的设定最高速度之比，即在第i个采样周期中，采集到的上冲针冲击速度为Vai，通过BP神经网络输出第i个采样周期的上冲针冲击速度调节系数后，控制第i+1个采样周期中上冲针冲击速度为Va(i+1)，使其满足
翻铆针铆接速度调节系数z2表示为下一个采样周期中翻铆针铆接速度与当前采样周期中翻铆针铆接速度的设定最高速度之比，即在第i个采样周期中，采集到的翻铆针铆接速度为Vbi，通过BP神经网络输出第i个采样周期的翻铆针铆接速度调节系数后，控制第i+1个采样周期中翻铆针铆接速度的为Vb(i+1)，使其满足
上冲针下止点高度调节系数z3表示为下一个采样周期中上冲针下止点高度与当前采样周期中上冲针下止点高度的设定最低位置之比，即在第i个采样周期中，采集到的上冲针下止点高度为Hai，通过BP神经网络输出第i个采样周期的上冲针下止点高度调节系数后，控制第i+1个采样周期中上冲针下止点高度的为Ha(i+1)，使其满足
翻铆针上止点高度调节系数z4表示为下一个采样周期中翻铆针上止点高度与当前采样周期中翻铆针上止点高度的设定最高位置之比，即在第i个采样周期中，采集到的翻铆针上止点高度为Hbi，通过BP神经网络输出第i个采样周期的翻铆针上止点高度调节系数后，控制第i+1个采样周期中翻铆针上止点高度的为Hb(i+1)，使其满足
步骤二：进行BP神经网络的训练。
建立好BP神经网络节点模型后，即可进行BP神经网络的训练。根据产品的经验数据获取训练的样本，并给定输入节点i和隐含层节点j之间的连接权值wij，隐层节点j和输出层节点k之间的连接权值wjk，隐层节点j的阈值θj，输出层节点k的阈值wij、wjk、θj、θk均为-1到1之间的随机数。
在训练过程中，不断修正wij和wjk的值，直至系统误差小于等于期望误差时，完成神经网络的训练过程。
如表1所示，给定了一组训练样本以及训练过程中各节点的值。
表1训练过程各节点值
步骤三：采集数据运行参数输入神经网络得到调控系数；
训练好的人工神经网络固化在芯片之中，使硬件电路具备预测和智能决策功能，从而形成智能硬件。智能硬件加电启动后，与上冲针相连的电机及与翻铆针相连的电机均开始运行，上冲针冲击速度及翻铆针铆接速度均以最大的速度开始运行，上冲针下止点高速及翻铆针下止点高度均为最大位移，即上冲针初始冲击速度为Va0＝0.7Va_max，翻铆针初始铆接速度为Vb0＝0.7Vb_max，上冲针下止点初始高度为Ha0＝0.7Ha_max，翻铆针上止点初始高度为Hb0＝0.7Hb_max；
同时，使用温度传感器及湿度传感器测量初始环境温度T00，初始环境湿度RH0，初始上冲针温度Ta0，初始翻铆针温度Tb0，通过将上述参数规格化，得到BP神经网络的初始输入向量通过BP神经网络的运算得到初始输出向量
步骤四：控制上冲针冲击速度、翻铆针铆接速度、上冲针下止点高度、翻铆针上止点高度；得到初始输出向量后，即可进行速度及高度的调控，调节上冲针冲击速度、翻铆针铆接速度、上冲针下止点高度及翻铆针上止点高度，使下一个采样周期上冲针冲击速度、翻铆针铆接速度、上冲针下止点高度及翻铆针上止点高度分别为：
通过传感器获取第i个采样周期中的环境温度T0，环境湿度RH，上冲针温度Ta，翻铆针温度Tb，通过进行规格化得到第i个采样周期的输入向量通过BP神经网络的运算得到到第i个采样周期的输出向量然后控制调节上冲针冲击速度、翻铆针铆接速度、上冲针下止点高度及翻铆针上止点高度，使第i+1个采样周期时上冲针冲击速度、翻铆针铆接速度、上冲针下止点高度及翻铆针上止点高度分别为：
通过上述设置，通过传感器实时监测上冲针及翻铆针的运行状态，通过采用BP神经网络算法，对上冲针冲击速度、翻铆针铆接速度、上冲针下止点高度及翻铆针上止点高度进行调控，使其达到最佳的运行状态，从而提高运行效率。
实施例
应用本发明所述的带有通孔的碳纤维复合材料板的制备方法制备一块中心带有直径为8mm通孔，通孔底部与板件下表面呈半径为1.5mm的圆角过渡，碳纤维复合材料板件的整体尺寸为200mm×80mm×2mm。制备的碳纤维复合材料板基体材料为酚醛环氧乙烯基树脂，增强体材料选用3k碳纤维丝。
本发明所述的包含带有通孔的碳纤维复合材料板制备工序的铝合金板与碳纤维复合材料板之间的无铆钉铆接方法的步骤如下：
1.取一块带直径为3mm通孔的铝合金板150；
2.制备一块带直径为8mm通孔的碳纤维复合材料板160。将预浸布剪裁出8块尺寸为200mm×80mm大小的长方体，将剪裁好的碳纤维预浸布一层一层平铺到所述带有通孔的碳纤维复合材料板装置中的下凹模120结构的凹槽内，在平铺过程中经过预浸的碳纤维编织布通过编织缝隙穿过下凹模120凹槽内的光柱。上凸模110与下凹模120相合并施加5MPa的压力，对合模升温4小时，使合模温度升高到110℃凝胶15分钟，完成酚醛环氧乙烯基树脂的凝胶。凝胶结束后对合模继续升温20分钟使温度达到到120℃固化2小时，完成酚醛环氧乙烯基树脂的固化。降低合模温度，分离上凸模110与下凹模120，取出碳纤维复合材料试件，对板件进行修剪，得到应用于板件之间铆接带有通孔的碳纤维复合材料板160。
3.将带有通孔的铝合金板150与所述制备成带有通孔的碳纤维复合材料板160放置在下模180上，铝合金板150在上碳纤维复合材料板160在下，铝合金板150、碳纤维复合材料板160、上冲针130和翻铆针170同心布置，驱动压边圈140压紧铝合金板150和碳纤维复合板160。
4.驱动上冲针130沿着压边圈140中的通孔向下运动，上冲针130针体部分柱体底面圆半径为6mm，在运动过程中上冲针130作用于铝合金板150的通孔处，同时施加力于铝合金板150，使铝合金板150由铝合金板150通孔处向碳纤维复合材料板160通孔方向挤压，铝合金板150在通孔处形成穿过碳纤维复合材料板160通孔并包裹上冲针130针体的薄壁圆筒结构，薄壁圆筒的圆环内径为6mm厚度为1mm。达到下止点后上冲针130泄压向上运动回程，准备进行下一次铆接。
5.驱动翻铆针170沿着下模180中的通孔向上运动，在运动过程中翻铆针170作用于步骤140中所述变形后的铝合金板150的薄壁圆筒结构，使薄壁圆筒结构底端部沿着翻铆针170针体部两底面大小不同的圆柱体间的过渡曲面外翻变形，形成包裹住碳纤维复合材料板160通孔的铆接接头，翻铆针170达到上止点后泄压向下运动回程，准备进行下一次铆接。
6.铆接工艺完成卸下铝合金板150和碳纤维复合材料板160的铆接件，进行下一次无铆钉铆接的准备工序。
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。

Claims (8)

1.碳纤维复合材料板的制备方法，其特征在于，包括：
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，将浸泡好的预浸布再逐层平铺至所述模具凹槽中，再将所述模具合装，在进行升温加热之前，在30℃～35℃中预热10～15分钟，再升温4小时至110℃，并且在110℃条件下，保持15分钟，完成酚醛环氧乙烯基树脂的凝胶；
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的压力，同时对模具继续升温20分钟至120℃，并且在120℃条件下保持2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；
所述步骤一中，对预浸布进行超声处理，将所述预浸布浸泡到丙酮溶液中，超声20～30分钟后取出晾干，再将所述预浸布浸泡在甲醇溶液中，超声10～15分钟后取出晾干；
所述步骤二中，所述凝胶介质为酚醛环氧乙烯基树脂，在进行所述步骤二之前，将所述预浸布浸泡在所述酚醛环氧乙烯基树脂中保持15～25分钟；
所述步骤四中，取出所述碳纤维复合材料板后，将所述碳纤维复合材料板置于真空干燥箱中，在真空度为0.1～1Pa、温度为60℃～80℃的条件下，保持15～25分钟后，自然冷却至室温，取出所述碳纤维复合材料板。
2.如权利要求1所述的碳纤维复合材料板的制备方法，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。
3.碳纤维复合材料板与铝合金板的无铆钉铆接模具，其特征在于，使用如权利要求1-2之一所述的碳纤维复合材料板，包括：
上冲针，其能够在压边圈通孔中做上下往复运动；
翻铆针，其与所述上冲针同心设置，所述翻铆针在下模具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具上，并且与所述上冲针及所述翻铆针同心设置，所述上冲针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，所述上冲针及所述翻铆针分别连接有传感器，通过采集所述上冲针及所述翻铆针的高度及速度，控制所述上冲针及所述翻铆针的运行高度及运行速度。
4.如权利要求3所述的碳纤维复合材料板与铝合金板的无铆钉铆接模具，其特征在于，所述传感器包括温度传感器、速度传感器及位置传感器。
5.如权利要求3所述的碳纤维复合材料板与铝合金板的无铆钉铆接模具，其特征在于，所述上冲针为圆柱状，其顶部为圆锥体；所述翻铆针分为针头与针体，所述针头为圆锥体，其顶部采用圆球体过渡，所述针头与所述针体采用圆弧曲面过渡。
6.碳纤维复合材料板与铝合金板的无铆钉铆接方法，其特征在于，使用权利要求1-2之一所述的碳纤维复合材料板，包括：
步骤一：制备出带有一个通孔的碳纤维复合材料板，在铝合金板上冲出一个的通孔；
步骤二：将所述的铝合金板和碳纤维复合材料板置于模具的凹模之上；其中，所述铝合金板在上，所述碳纤维复合材料板在下，并使两板通孔同心放置，驱动压边圈下移至将两块板件压紧；
步骤三：将上冲针下移作用于所述铝合金板通孔处，所述上冲针作用使所述铝合金板通孔处变形形成半径仅小于所述碳纤维复合材料板通孔半径的薄壁圆筒状，直到上冲针到达下止点，所述上冲针泄压向上运动回程，准备进行下一次铆接；
步骤四：将翻铆针向上移动，作用于变形后的所述铝合金板通孔处挤压所述铝合金板，在所述翻铆针挤压下所述铝合金板通孔的端部向周围外翻形成铆接接头，所述翻铆针向下运动回程，准备进行下一次铆接；
其中，在所述步骤三之前，对上冲针及翻铆针的冲压速度及冲止点高度进行基于BP神经网络的控制，其控制方法包括如下步骤：
步骤A、按照采样周期，通过传感器测量环境温度T0，环境湿度RH，上冲针温度Ta，翻铆针温度Tb；
步骤B、依次将传感器测量环境温度T0，环境湿度RH，上冲针温度Ta，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}；其中，x1为环境温度系数，x2为环境湿度系数，x3为上冲针温度系数，x4为翻铆针温度系数；
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}；其中，z1为上冲针冲击速度调节系数，z2为翻铆针铆接速度调节系数，z3为上冲针下止点高度调节系数，z4为翻铆针上止点高度调节系数；
步骤E、控制上冲针冲击速度、翻铆针铆接速度、上冲针下止点高度、翻铆针上止点高度，使
其中，分别为第i个采样周期输出层向量参数，Va_max、Vb_max、Ha_max、Hb_max分别为上冲针设定的最大冲击速度、翻铆针设定的最大铆接速度、上冲针设定的最低下止点高度、翻铆针设定的最高上止点高度，Va(i+1),Vb(i+1),Ha(i+1),Hb(i+1)分别为第i+1个采样周期时上冲针设定冲击速度、翻铆针设定铆接速度、上冲针设定下止点高度、翻铆针设定上止点高度。
7.如权利要求6所述的碳纤维复合材料板与铝合金板的无铆钉铆接方法，其特征在于，所述步骤B中，将环境温度T0，环境湿度RH，上冲针温度Ta，翻铆针温度Tb进行规格化公式为：
其中，xj为输入层向量中的参数，Xj分别为测量参数T0、RH、Ta、Tb，j＝1,2,3,4；Xjmax和Xjmin分别为相应测量参数中的最大值和最小值。
8.如权利要求6所述的碳纤维复合材料板与铝合金板的无铆钉铆接方法，其特征在于，所述步骤C中，初始运行状态，上冲针冲击速度、翻铆针铆接速度、上冲针下止点高度、翻铆针上止点高度满足经验值：
Va0＝0.7Va_max
Vb0＝0.7Vb_max
Ha0＝0.7Ha_max
Hb0＝0.7Hb_max
其中，Va_max为上冲针设定的最大冲击速度，Vb_max翻铆针设定的最大铆接速度，Ha_max上冲针设定的最低下止点高度，Ha_max翻铆针设定的最高上止点高度。
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