CN105479771B - 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 - Google Patents

Abstract

本发明公开了碳纤维复合材料板与铝合金板的自冲铆接模具，包括：铆钉，其用于将碳纤维复合材料板与铝合金板铆接；冲头，其能够在压边圈通孔中做上下往复运动；凹模主体，其中心位置的凹模型腔与冲头同心设置，凹模型腔侧壁为光孔圆柱侧壁，中心处为圆锥体凸台，光孔及圆锥体凸台与铆接匹配，冲头及凹模主体连接有传感器，通过对数据采集，得到冲头的高度调节系数、速度调节系数及计时调节系数。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自冲铆接方法。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自冲铆接模 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自冲铆接模具及方法。

背景技术

随着科技日新月异的快速发展，碳纤维复合材料具有很高的机械性能使其在航空、船舶、汽车等领域碳纤维复合材料已了广泛的应用。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。碳纤维复合材料自身具有抗撞吸能性好、抗疲劳性好、耐电化学腐蚀等性质帮助其在汽车行业的发展提供了更广阔的空间。

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。碳纤维复合材料与金属材料的自冲铆接技术发展很晚，目前还没有批量的应用于汽车行业中，是因为碳纤维复合材料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。

现有的自冲铆接工艺流程：由于碳纤维复合材料在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。

因此，在现有的自冲铆接工艺流程中，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自冲铆接模具及方法，目的是解决现有技术中自冲铆接过程中需要提供较大冲击力完全穿透碳纤维复合材料板、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。

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25～35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10～20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25℃～30℃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55℃～75℃的条件下，保持20～30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自冲铆接模具，使用所述的碳纤维复合材料板，包括：

铆钉，其用于将碳纤维复合材料板与铝合金板铆接；

冲头，其能够在压边圈通孔中做上下往复运动；

凹模主体，其中心位置的凹模型腔与所述冲头同心设置，所述凹模型腔侧壁为光孔圆柱侧壁，中心处为圆锥体凸台，所述光孔圆柱及所述圆锥体凸台与所述铆钉匹配；

所述铝合金板与所述碳纤维复合材料板同心放置在所述凹模主体上，所述冲头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，进而形成自冲铆接件；

其中，所述冲头及所述凹模主体连接有传感器，通过采集所述冲头的高度、速度及计时，控制所述冲头的高度、运行速度及运行至下止点的停留时间。

优选的是，所述传感器包括温度传感器、速度传感器、位置传感器及计时传感器。

优选的是，所述冲头为圆柱状结构件；所述凹模型腔侧壁与所述凸台的圆锥面采用圆弧过渡，所述凹模型腔侧壁与所述凹模主体上表面采用圆弧过渡。

碳纤维复合材料板与铝合金板的自冲铆接方法，包括：

步骤一：制备出带有一个通孔的碳纤维复合材料板件，将待铆接的铝合金板和碳纤维复合材料板件置于凹模主体之上，碳纤维复合材料板在上铝合金板在下，驱动压边圈下移至将两块板件压紧；

步骤二：采用送钉机构将铆钉送入压边圈的中心光通孔中，冲头下移与铆钉的顶端面接触，再推动铆钉下移实施自冲铆接；其中，随着冲头继续下移作用于碳纤维复合材料板和铝合金板，冲头作用使铝合金板变形流入凹模内的型腔，铆钉在凹模和冲头的共同作用下铆钉腿部逐渐外翻形成铆扣，实现碳纤维复合材料板和铝合金板的自冲铆接；

步骤三：直到冲头到达下止点，冲头泄压向上运动回程，准备进行下一次铆接；

其中，在所述步骤二之前，对冲头的冲压速度、下止点高度及在运行至下止点的停留时间进行基于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，冲头温度T，铆接件厚度h；

步骤B、依次将传感器测量环境温度T₀，环境湿度RH，冲头温度T，铆接件厚度h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为冲头温度系数，x₄为铆接件厚度系数；

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,…,y_m}；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为冲头冲击速度调节系数，z₂为冲头下止点高度调节系数，z₃为冲头在运行至下止点的停留时间调节系数，z₄为紧急停机信号；

步骤E、控制冲头冲击速度、冲头下止点高度、冲头在运行至下止点的停留时间，使

其中，分别为第i个采样周期输出层向量参数，V_max、H_max、t_max分别为冲头设定的最大冲击速度、冲头设定的最低下止点高度、冲头在运行至下止点设定的最大停留时间系数，V_i+1、H_i+1、t_i+1分别为第i+1个采样周期时冲头设定冲击速度、冲头设定下止点高度、冲头在运行至下止点的设定停留时间。

优选的是，所述步骤B中，将环境温度T₀，环境湿度RH，冲头温度T，铆接件厚度h进行规格化公式为：

其中，x_j为输入层向量中的参数，X_j分别为测量参数T₀、RH、T、h，j＝1,2,3,4；X_jmax和X_jmin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，步骤E之后还包括：根据第i次周期中的温度、湿度、厚度信号，判定第i+1次周期时铆接模具的运行状态，当输出信号时，进行紧急停机。

本发明与现有技术相比所具有的有益效果：

1.本发明所述的铝合金板与碳纤维复合材料的铆接方法中应用带有通孔的碳纤维复合板件来进行自冲铆接，解决了自冲铆接过程中铆钉需要提供较大冲击力完全穿透碳纤维复合材料板的问题；

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只需要发生小变形，避免了铆钉切割碳纤维复合材料板使板件发生基体开裂和纤维断裂等材料破坏形式，保证了铆接连接处的力学性能；

4、本发明通过基于BP神经网络的控制方法，使冲头冲击速度、冲头下止点高度及冲头运行至下止点停留时间进行调控，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自冲铆接方法中采用的自冲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自冲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7为本发明所述的铝合金板与碳纤维复合材料板之间的自冲铆接方法中采用的自冲铆接设备在铆接过程中冲头运动到下止点的工序；

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自冲铆接方法的流程图。

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,。

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。

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，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个半圆形通光孔。

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，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的半圆形通光孔。

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和下凸模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，得到带有通孔的碳纤维复合材料板150。

在另一种实施例中，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25～35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，将所述预浸布浸泡在所述酚醛环氧乙烯基树脂中保持10～20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25℃～30℃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；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55℃～75℃的条件下，保持20～30分钟后，自然冷却至室温，取出所述碳纤维复合材料板。

如图5～8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自冲铆接方法，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自冲铆接装置由冲头130，铆钉140，凹模主体170，凹模型腔180，压边圈190共同组成。

所述的冲头130主体为圆柱状结构件，圆柱底面与柱面之间采用圆角过渡。所述压边圈190结构的中心处设置有一个安装冲头130的光通孔，在铆接过程中，冲头130在压边圈190通孔中上下运动。

所述的凹模主体170顶端平面的中心处设置有一凹模型腔180。凹模型腔180侧壁为光孔圆柱侧壁，凹模型腔180中心处为圆锥体凸台且圆锥体顶端采用圆球体过渡，凹模型腔180侧壁与中心处凸台圆锥面采用圆弧过渡，侧壁与凹模主体170上表面之间采用圆弧过渡。凹模型腔180的形状将迫使在自冲铆接过程中，使铆钉140能更好的张开并带入碳纤维复合材料板150和铝合金板160共同进入凹模型腔180，形成机械互锁，得到性能良好的铆接接头。

如图5和图6，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碳纤维复合材料板150在中心部有直径为6mm～8mm的通孔，碳纤维复合材料板150的通孔与冲头130、压边圈190结构中的通孔、凹模主体180结构中均同心放置。

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，将所述制备成带有通孔的碳纤维复合材料板150与铝合金板160放置在凹模主体170上，碳纤维复合材料板150在上铝合金板160在下，驱动压边圈190压紧碳纤维复合材料板150和铝合金板160，并保证碳纤维复合材料板150中通孔、冲头130和凹模主体170的同轴度。

2.采用送钉机构将铆钉送入压边圈的中心光通孔中，铆钉头部直径范围为8mm～10mm，腿部范围为6mm～8mm，铆钉腿部外径与所述碳纤维复合材料板150通孔直径相同，使铆钉腿部恰好可放入带有通孔的碳纤维复合材料板150的通孔中。

3.如图7，所述的铝合金板与碳纤维复合材料板的自冲铆接过程中冲头130沿着压边圈190中的通孔向下运动到下止点，随着冲头130继续下移铆钉作用于碳纤维复合材料板150和铝合金板160，冲头130作用使铝合金板160变形流入凹模主体170内的凹模型腔180，铆钉140在凹模主体170、凹模型腔180和冲头130的共同作用下铆钉腿部逐渐外翻形成铆扣，实现碳纤维复合材料板和铝合金板的自冲铆接。

4.直到冲头130到达下止点，冲头130泄压向上运动回程，自冲铆接工艺完成卸下铝合金板160和碳纤维复合材料板150的铆接件，进行下一次自冲铆接的准备工序。

在完成加将铝合金板160和碳纤维复合板150固定在凹模主体170上时，对冲头的冲压速度、冲止点及在冲止点停留时间进行基于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,…,x_n)^T

中间层向量：y＝(y₁,y₂,…,y_m)^T

输出层向量：z＝(z₁,z₂,…,z_p)^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为冲头温度系数，x₄为铆接件厚度系数；

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，在数据输入人工神经网络之前，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，T_{0_min}和T_{0_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，RH_min和RH_max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冲头温度T，进行规格化后，得到冲头温度系数x₃：

其中，T_min和T_max分别为冲头的最小温度和最大温度。

使用位置传感器测量得到铆接件厚度h，进行规格化后，得到铆接件厚度系数x₄：

其中，h_min和h_max分别为铆接件的最小厚度和最大厚度。

输出信号的4个参数分别表示为：z₁为冲头冲击速度调节系数，z₂为冲头下止点高度调节系数，z₃为冲头运行至下止点停留时间调节系数，z₄为紧急停机信号。

冲头冲击速度调节系数z₁表示为下一个采样周期中冲头冲击速度与当前采样周期中冲头冲击速度的设定最高速度之比，即在第i个采样周期中，采集到的冲头冲击速度为V_i，通过BP神经网络输出第i个采样周期的冲头冲击速度调节系数后，控制第i+1个采样周期中冲头冲击速度的为V_i+1，使其满足

冲头下止点高度调节系数z₂表示为下一个采样周期中冲头下止点高度与当前采样周期中冲头下止点高度的设定最低位置之比，即在第i个采样周期中，采集到的冲头下止点高度为H_i，通过BP神经网络输出第i个采样周期的冲头下止点高度调节系数后，控制第i+1个采样周期中冲头下止点高度的为H_i+1，使其满足

冲头运行至下止点停留时间调节系数z₃表示为下一个采样周期中冲头运行至下止点停留时间与当前采样周期中冲头运行至下止点停留时间的设定最大停留时间之比，即在第i个采样周期中，采集到的冲头运行至下止点的停留时间为t_i，通过BP神经网络输出第i个采样周期的冲头运行至下止点停留时间调节系数后，控制第i+1个采样周期中冲头运行至下止点的停留时间为t_i+1，使其满足

紧急停机信号z₄表示为当前设备的运行状态，其输出值为0或1，当输出值为0时，表示当前设备处于非正常状态，此时，需要进行紧急停机；当输出值为1时，表示当前设备处于正常状态，可以继续运行。

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。根据产品的历史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w_ij，隐层节点j和输出层节点k之间的连接权值w_jk，隐层节点j的阈值θ_j，输出层节点k的阈值w_ij、w_jk、θ_j、θ_k均为-1到1之间的随机数。

在训练过程中，不断修正w_ij和w_jk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及紧急停车信号；

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，与冲头相连的电机开始运行，冲头冲击速度以最大的速度开始运行，冲头下止点高速为最大位移，冲头运行至下止点停留时间为最大停留时间，即冲头初始冲击速度为V₀＝0.7V_max，冲头下止点初始高度为H₀＝0.7H_max，冲头运行至下止点初始停留时间为t₀＝0.7t_max；

同时，使用温度传感器、湿度传感器及位置传感器测量初始环境温度T₀₀，初始环境湿度RH₀，初始冲头温度T₀，初始铆接件厚度h₀，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：控制冲头冲击速度、冲头下止点高度、冲头运行至下止点的停留时间；得到初始输出向量后，即可进行冲头冲击速度、冲头下止点高度及冲头运行至下止点的停留时间的调控，调节冲头冲击速度、冲头下止点高度、冲头运行至下止点的停留时间，使下一个采样周期冲头冲击速度、冲头下止点高度、冲头运行至下止点的停留时间分别为：

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，冲头温度T，铆接件厚度h，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冲头冲击速度、冲头下止点高度及冲头在运行至下止点的停留时间，使第i+1个采样周期时冲头冲击速度、冲头下止点高度及冲头在运行至下止点的停留时间分别为：

步骤五：监测铆接机的紧急停车信号以紧急停车；

根据的值判断设置的工作状态，是否处于非正常工作状态，当设备处于被正常工作状态时需使设备立即停机，以进行检修，避免设备进一步的损坏。

通过上述设置，通过传感器实时监测铆接设备的运行状态，实时监测冲头的运行状态，通过采用BP神经网络算法，对冲头冲击速度、冲头下止点高度、冲头在运行至下止点的停留时间进行调控，使铆接达到最佳的运行状态，从而提高铆接运行效率。

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，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自冲铆接方法的步骤如下：

1.取一块厚度为2mm的铝合金板160；

2.制备一块带直径为8mm通孔的碳纤维复合材料板150。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150。

3.将所述制备成带有通孔的碳纤维复合材料板150与铝合金板160放置在凹模主体170上，碳纤维复合材料板150在上铝合金板160在下，驱动压边圈190压紧碳纤维复合材料板150和铝合金板160，并保证碳纤维复合材料板150中通孔、冲头130和凹模主体170的同轴度。

4.采用送钉机构将铆钉送入压边圈的中心光通孔中，铆钉头部直径为10mm，腿部外径为8mm，铆钉腿部外径与所述碳纤维复合材料板150通孔直径相同，恰使铆钉腿部可放入带有通孔的碳纤维复合材料板150的通孔中。

5.驱动冲头130沿着压边圈190中的通孔向下运动，冲头130圆柱主体的底面圆直径为10mm与铆钉头部直径相同，随着冲头130继续下移铆钉作用于碳纤维复合材料板150和铝合金板160，冲头130作用使铝合金板160变形流入凹模主体170内的凹模型腔180，铆钉140在凹模主体170、凹模型腔180和冲头130的共同作用下铆钉腿部逐渐外翻形成铆扣，实现碳纤维复合材料板和铝合金板的自冲铆接。

6.直到冲头130到达下止点，冲头130泄压向上运动回程，自冲铆接工艺完成卸下铝合金板160和碳纤维复合材料板150的铆接件，进行下一次自冲铆接的准备工序。

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 (10)

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，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；

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25～35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10～20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25℃～30℃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。

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.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55℃～75℃的条件下，保持20～30分钟后，自然冷却至室温，取出所述碳纤维复合材料板。

4.碳纤维复合材料板与铝合金板的自冲铆接模具，其特征在于，使用如权利要求1-3之一所述的碳纤维复合材料板，包括：

铆钉，其用于将碳纤维复合材料板与铝合金板铆接；

冲头，其能够在压边圈通孔中做上下往复运动；

凹模主体，其中心位置的凹模型腔与所述冲头同心设置，所述凹模型腔侧壁为光孔圆柱侧壁，中心处为圆锥体凸台，所述光孔圆柱及所述圆锥体凸台与所述铆钉匹配；

所述铝合金板与所述碳纤维复合材料板同心放置在所述凹模主体上，所述冲头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，进而形成自冲铆接件；

其中，所述冲头及所述凹模主体连接有传感器，通过采集所述冲头的高度、速度及计时，控制所述冲头的高度、运行速度及运行至下止点的停留时间。

5.如权利要求4所述的碳纤维复合材料板与铝合金板的自冲铆接模具，其特征在于，所述传感器包括温度传感器、速度传感器、位置传感器及计时传感器。

6.如权利要求4所述的碳纤维复合材料板与铝合金板的自冲铆接模具，其特征在于，所述冲头为圆柱状结构件；所述凹模型腔侧壁与所述凸台的圆锥面采用圆弧过渡，所述凹模型腔侧壁与所述凹模主体上表面采用圆弧过渡。

7.碳纤维复合材料板与铝合金板的自冲铆接方法，其特征在于，包括：

步骤一：制备出带有一个通孔的碳纤维复合材料板件，将待铆接的铝合金板和碳纤维复合材料板件置于凹模主体之上，碳纤维复合材料板在上铝合金板在下，驱动压边圈下移至将两块板件压紧；

步骤二：采用送钉机构将铆钉送入压边圈的中心光通孔中，冲头下移与铆钉的顶端面接触，再推动铆钉下移实施自冲铆接；其中，随着冲头继续下移作用于碳纤维复合材料板和铝合金板，冲头作用使铝合金板变形流入凹模内的型腔，铆钉在凹模和冲头的共同作用下铆钉腿部逐渐外翻形成铆扣，实现碳纤维复合材料板和铝合金板的自冲铆接；

步骤三：直到冲头到达下止点，冲头泄压向上运动回程，准备进行下一次铆接；

其中，在所述步骤二之前，对冲头的冲压速度、下止点高度及在运行至下止点的停留时间进行基于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，冲头温度T，铆接件厚度h；

步骤B、依次将传感器测量环境温度T₀，环境湿度RH，冲头温度T，铆接件厚度h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为冲头温度系数，x₄为铆接件厚度系数；

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,…,y_m}；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为冲头冲击速度调节系数，z₂为冲头下止点高度调节系数，z₃为冲头在运行至下止点的停留时间调节系数，z₄为紧急停机信号；

步骤E、控制冲头冲击速度、冲头下止点高度、冲头在运行至下止点的停留时间，使

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其中，分别为第i个采样周期输出层向量参数，V_max、H_max、t_max分别为冲头设定的最大冲击速度、冲头设定的最低下止点高度、冲头在运行至下止点设定的最大停留时间系数，V_i+1、H_i+1、t_i+1分别为第i+1个采样周期时冲头设定冲击速度、冲头设定下止点高度、冲头在运行至下止点的设定停留时间。

8.如权利要求7所述的碳纤维复合材料板与铝合金板的自冲铆接方法，其特征在于，所述步骤B中，将环境温度T₀，环境湿度RH，冲头温度T，铆接件厚度h进行规格化公式为：

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其中，x_j为输入层向量中的参数，X_j分别为测量参数T₀、RH、T、h，j＝1,2,3,4；X_jmax和X_jmin分别为相应测量参数中的最大值和最小值。

9.如权利要求7所述的碳纤维复合材料板与铝合金板的自冲铆接方法，其特征在于，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。

10.如权利要求7所述的碳纤维复合材料板与铝合金板的自冲铆接方法，其特征在于，步骤E之后还包括：根据第i次周期中的温度、湿度、厚度信号，判定第i+1次周期时铆接模具的运行状态，当输出信号时，进行紧急停机。