CN106671429A - 基于热熔原理的异种材料间无铆钉铆接装置及铆接方法 - Google Patents

Abstract

本发明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。本发明公开了基于热熔原理的异种材料间无铆钉铆接方法。

Description

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，具体涉及基于热熔原理的异种材料间无铆钉铆接装置及铆接方法。

背景技术

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。

发明内容

本发明设计开发了基于热熔原理的异种材料间无铆钉铆接装置，本发明的发明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。

本发明设计开发了基于热熔原理的异种材料间无铆钉铆接方法，本发明的发明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。

本发明提供的技术方案为：

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V_a、翻铆针铆接上行速度V_b、热熔钻头温度T_a以及翻铆针温度T_b；

步骤b、依次将碳纤维复合板的厚度H、热熔钻头下行速度V_a、翻铆针铆接上行速度V_b、热熔钻头温度T_a以及翻铆针温度T_b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,…,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,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

ω_i+1＝z₁ ⁱω_max，

F_i+1＝z₂ ⁱF_max，

H_a(i+1)＝z₃ ⁱH_{a_max}，

H_b(i+1)＝z₄ ⁱH_{b_max}，

其中，其中z₁ ⁱ、z₂ ⁱ、z₃ ⁱ、z₄ ⁱ分别为第i个采样周期输出层向量参数，ω_max、F_max、H_amax、H_bmax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，ω_i+1、F_i+1、H_a(i+1)、H_b(i+1)分别为第i+1个采样周期时的热熔钻头主轴转速、热熔钻头轴向进给力、热熔钻头下止点高度、翻铆针上止点高度。

优选的是，所述步骤e之后还包括：根据第i个采样周期中的厚度、速度、温度采样信号，判断第第i+1个采样周期中的铆接装置的运行状态，当输出信号时，进行紧急停止。

优选的是，所述步骤b中，碳纤维复合板的厚度H、热熔钻头下行速度V_a、翻铆针铆接上行速度V_b、热熔钻头温度T_a以及翻铆针温度T_b进行规格公式为：

其中，x_j为输入层向量中的参数，X_j分别为测量参数H、V_a、V_b、T_a、T_b，j＝1,2,3,4,5；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，在所述步骤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；以及

初始运行状态下，热熔钻头主轴转速、轴向进给力、热熔钻下止点高度、翻铆针上止点高度满足经验值：

ω₀＝0.5ω_max，

F₀＝0.65F_max，

H_a0＝0.85H_{a_max}，

H_b0＝0.85H_{b_max}，

其中，ω₀为热熔钻初始主轴转速，F₀为热熔钻初始轴向进给力，H_a0为热熔钻初始下止点高度，H_b0为翻铆针初始上止点高度；ω_max为热熔钻设定的最大主轴转速，F_max为热熔钻设定的最大轴向进给力，H_{a_max}为热熔钻设定的最低下止点高度，H_{b_max}为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采用带有通孔的碳纤维复合材料板，在碳纤维复合材料板制作过程中直接将该板做成带有通孔的，不需要进行冲孔。不但简化了工艺步骤，降低了加工成本，同时在铆接过程中碳纤维复合材料板几乎不发生变形，避免了碳纤维复合材料板发生脆性破坏；

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了翻孔工艺，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，提高了铆接接头的抗拉、抗剪和抗疲劳性能，并且不需要铆钉，质量减轻，成本降低；

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应用热熔原理，采用热熔钻将铝合金板一次钻削加工成孔并形成铝合金衬套，翻孔后与碳纤维复合材料板连接，加工工序减少，加工工艺简单，连接效率提高；

4、本发明通过基于BP神经网络的控制方法，使热熔钻头主轴转速、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板所采用模具的上凸模结构轴测投影视图。

图4为本发明所述的制备带有通孔的碳纤维复合板所采用模具的下凹模结构轴测投影视图。

图5为本发明所述的铝合金板与碳纤维复合板之间的无铆钉铆接方法中采用的无铆钉铆接装置组成示意图。

图6为本发明所述的铝合金板与碳纤维复合板之间的无铆钉铆接方法中采用的标准热熔钻头结构轴测投影图。

图7为本发明所述的铝合金板与碳纤维复合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标准热熔钻运动至下止点的工序。

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至上止点的工序。

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1～8所示，本发明提供铝合金板与碳纤维复合材料板之间的无铆钉铆接方法包括带有通孔的碳纤维复合材料板的制备方法和铝合金与碳纤维复合材料板之间的一种无铆钉铆接方法。

实施例1

制备带有通孔的碳纤维复合材料板所使用的模具

如图1所示，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、修剪试件和检查备用。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、图3所示，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圆锥体光孔，圆柱体光孔与圆锥体光孔之间采用光滑圆弧过渡，圆锥体光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。

在实施例中，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、图4所示，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，圆锥体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个半圆形通孔。

在本实施例中，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的半圆形通孔。

实施例2

制备带有通孔的碳纤维复合材料板所使用的方法

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2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板160备用。

实施例3

铝合金板与碳纤维复合材料板的无铆钉铆接方法

如图5所示，铝合金板150与碳纤维复合板160的铆接方法中的无铆钉铆接装置由热熔钻头130、压边圈140、翻铆针170、下模180组成。

热熔钻头130为标准型热熔钻钻头，由环状凸台、中部圆柱体和顶端圆锥体结构组成。压边圈140结构中心处设置一个用于定位热熔钻头130的通孔，在铆接过程中，热熔钻头130在压边圈140通孔中上下运动。

翻铆针170针体部分由两段不同底面直径的圆柱体组成，针头部分顶端采用圆弧面过渡，针头与针体之间采用圆弧面过渡，针体部分中两段不同底面半径的圆柱体之间采用圆弧面过渡。下模180结构中心处设置一个用于定位翻铆针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。热熔钻头130、压边圈140结构中的通孔、翻铆针170和下模180结构中的通孔均同心放置。

如图5、图6所示，铝合金板150与碳纤维复合板160的铆接方法中使用的碳纤维复合板160在中心处有直径为8—10mm的通孔。碳纤维复合板160的通孔与热熔钻头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。

铝合金板150与碳纤维复合板160的铆接方法的步骤如下：

1、如图5所示，将铝合金板150与所述制备成带有通孔的碳纤维复合板160放置在下模180上，铝合金板150在上，碳纤维复合板160在下，热熔钻头130、压边圈140、碳纤维复合板160与下模180同心放置，驱动压边圈140压紧铝合金板150和碳纤维复合板160。

2、如图7所示，铝合金板150与碳纤维复合板160的铆接过程中，首先正确将夹头装入刀柄，再将热熔钻头130装入夹头并锁紧，然后将刀柄接入钻床。加少量润滑油于刀具上，下压手柄，保持规则匀速的进给速度，不可停顿，将热熔钻头130送入压边圈140的中心定位通孔中。热熔钻头130顶端圆锥体最大直径6—8mm，中部圆柱体直径6—8mm，环状凸台外径12—14mm。压边圈140中心定位通孔直径与热熔钻头130环状凸台外径相同，环状凸台内径与中部圆柱体直径相同。

热熔钻头130在压边圈140中的通孔中向下运动至下止点，钻削铝合金板150成孔的同时形成铝合金衬套，衬套厚度约1mm，长度约为铝合金板厚的2—3倍。热熔钻头130到达下止点后泄压向上运动回程，准备进行下一次铆接。

3、如图8所示，铝合金板150与碳纤维复合板160的铆接过程中，翻铆针170针体较大圆柱体直径为18—20mm，较小圆柱体直径为6—8mm。下模180结构中通孔直径与翻铆针170针体较大圆柱体直径相同。驱动翻铆针170在下模180的通孔中向上运动至上止点，在运动过程中翻铆针170作用于步骤2中热熔钻头130在钻削铝合金板150过程中形成的衬套，使衬套底端沿着翻铆针170针体两底面直径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板160通孔的铆接接头。翻铆针170到达上止点后泄压向下运动回程，准备进行下一次铆接。

4、铆接工艺完成，卸下铝合金板150和碳纤维复合板160的铆接件，进行下一次无铆钉铆接的准备工序。

在另一种实施例中，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，对热熔钻头130主轴转速、热熔钻头130轴向进给力、翻铆针170铆接速度、热熔钻头130下止点高度和翻铆针170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＝5，输出层节点数为p＝5。隐藏层节点数m由下式估算得出：

按照采样周期，输入的5个参数为，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；

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，对于碳纤维复合板的厚度H，进行规格化后，得到碳纤维复合板的厚度系数x₁：

其中，H_min和H_max分别为碳纤维复合板的最小厚度和最大厚度。

同样的，对热熔钻头下行速度V_a，进行规格化后，得到热熔钻头下行速度系数x₂：

其中，V_{a_min}和V_{a_max}分别为热熔钻头的最小下行速度和最大下行速度。

对翻铆针铆接上行速度V_b，进行规格化后，得到翻铆针铆接上行速度系数x₃：

其中，V_{b_min}和V_{b_max}分别为翻铆针铆接的最小上行速度和最大上行速度。

使用温度传感器测量得到热熔钻头温度T_a，进行规格化后，得到热熔钻头温度系数x₄：

其中，T_{a_min}和T_{a_max}分别为热熔钻头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T_b，进行规格化后，得到翻铆针温度系数x₅：

其中，T_{b_min}和T_{b_max}分别为翻铆针的最小温度和最大温度。

输出信号的5个参数分别表示为：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；

热熔钻头主轴转速调节系数z₁表示为下一个采样周期中的主轴转速与当前采样周期中设定的最高转速之比，即在第i个采样周期中，采集到的主轴转速为ω_i，通过BP神经网络输出第i个采样周期的主轴转速调节系数z₁ ⁱ后，控制第i+1个采样周期中翻铆针铆接速度为ω_i+1，使其满足ω_i+1＝z₁ ⁱω_max；

热熔钻头轴向进给力调节系数z₂表示为下一个采样周期中的轴向进给力与当前采样周期中设定的最大轴向进给力之比，即在第i个采样周期中，采集到的轴向进给力为F_i，通过BP神经网络输出第i个采样周期的轴向进给力调节系数z₂ ⁱ后，控制第i+1个采样周期中热熔钻轴向进给力为F_i+1，使其满足F_i+1＝z₂ ⁱF_max；

热熔钻头下止点高度调节系数z₃表示为下一个采样周期中的热熔钻下止点高度与当前采样周期中设定的最高位置之比，即在第i个采样周期中，采集到的热熔钻头下止点高度为H_ai，通过BP神经网络输出第i个采样周期的热熔钻头下止点高度调节系数z₃ ⁱ后，控制第i+1个采样周期中热熔钻头下止点高度为H_a(i+1)，使其满足H_a(i+1)＝z₃ ⁱH_{a_max}；

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设定的最高位置之比，即在第i个采样周期中，采集到的翻铆针上止点高度为H_bi，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z₄ ⁱ后，控制第i+1个采样周期中翻铆针上止点高度为H_b(i+1)，使其满足H_b(i+1)＝z₄ ⁱH_{b_max}；

紧急停机信号z₅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；

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，与热熔钻头相连的电机及与翻铆针相连的电机均开始运行，热熔钻头主轴转速、热熔钻头轴向进给力均以最大值开始运行，热熔钻头下止点高度及翻铆针下止点高度均为最大位移，即热熔钻头主轴转速为ω₀＝0.5ω_max，热熔钻头轴向进给力为F₀＝0.65F_max，热熔钻头下止点初始高度为H_a0＝0.85H_{a_max}，翻铆针上止点初始高度为H_b0＝0.85H_{b_max}；

同时，使用温度传感器、速度传感器以及位移传感器测量初始碳纤维复合板的厚度H₀，初始热熔钻头下行速度V_a0，初始翻铆针铆接上行速度V_b0，初始热熔钻头温度T_a0以及初始翻铆针温度T_b0，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以及翻铆针上止点高度；得到初始输出向量后，即可进行转速、进给力及高度的调控，调节热熔钻头主轴转速、热熔钻头轴向进给力、热熔钻头下止点高度以及翻铆针上止点高度，使下一个采样周期热熔钻头主轴转速、热熔钻头轴向进给力、热熔钻头下止点高度以及翻铆针上止点高度分别为：

ω₁＝z₁ ⁰ω_max

F₁＝z₂ ⁰F_max

通过传感器获取第i个采样周期中的碳纤维复合板的厚度H，热熔钻头下行速度V_a，翻铆针铆接上行速度V_b，热熔钻头温度T_a以及翻铆针温度T_b，通过进行规格化得到第i个采样周期的输入向量xⁱ＝(x₁ ⁱ,x₂ ⁱ,x₃ ⁱ,x₄ ⁱ,x₅ ⁱ)，通过BP神经网络的运算得到第i个采样周期的输出向量zⁱ＝(z₁ ⁱ,z₂ ⁱ,z₃ ⁱ,z₄ ⁱ,z₅ ⁱ)，然后控制调节热熔钻头主轴转速、热熔钻头轴向进给力、热熔钻头下止点高度及翻铆针上止点高度，使第i+1个采样周期时热熔钻头主轴转速、热熔钻头轴向进给力、热熔钻头下止点高度及翻铆针上止点高度分别为：

ω_i+1＝z₁ ⁱω_max

F_i+1＝z₂ ⁱF_max

步骤五、监测铆接装置的紧急停机信号。

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热熔钻头及翻铆针的运行状态，通过采用BP神经网络算法，对熔钻头主轴转速、热熔钻头轴向进给力、热熔钻头下止点高度以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4

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为直径8mm通孔的碳纤维复合材料板，碳纤维复合材料板的整体尺寸为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，增强体材料为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、取一块待进行铆接加工的铝合金板150；

2、制备一块中心为直径8mm通孔的碳纤维复合板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，得到待进行铆接加工的带有通孔的碳纤维复合板160备用；

3、将铝合金板150与制备成带有通孔的碳纤维复合板160放置在下模180上，铝合金板150在上，碳纤维复合板160在下，热熔钻头130、压边圈140、碳纤维复合板160和下模180同心放置，驱动压边圈140压紧铝合金板150和碳纤维复合板160；

4、首先正确将夹头装入刀柄，再将热熔钻头130装入夹头并锁紧，然后将刀柄接入钻床。加少量润滑油于刀具上，下压手柄，保持规则匀速的进给速度，不可停顿。将热熔钻头130送入压边圈140的中心定位通孔中，驱动热熔钻头130在压边圈140的通孔中向下运动。热熔钻头130顶端圆锥体最大直径6mm，中部圆柱体直径6mm，环状凸台外径12mm。压边圈140中心定位通孔直径与热熔钻头130环状凸台外径相同，环状凸台内径与中部圆柱体直径相同；

热熔钻头130在压边圈140的通孔中向下运动至下止点，钻削铝合金板150成孔的同时形成铝合金衬套，衬套内径为6mm，厚度约为1mm，长度约为铝合金板厚的2—3倍。热熔钻头130到达下止点后泄压向上运动回程，准备进行下一次铆接；

5、翻铆针170针体较大圆柱体直径为18mm，较小圆柱体直径为6mm。下模180结构中通孔直径与翻铆针170针体较大圆柱体直径相同。驱动翻铆针170在下模180的通孔中向上运动至上止点，在运动过程中翻铆针170作用于步骤2中所述热熔钻头在钻削铝合金板过程中形成的衬套，使衬套底端沿着翻铆针170针体两底面直径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板160通孔的铆接接头。翻铆针170到达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 (10)

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，泄压向下运动回程，准备进行下一次铆接。

7.如权利要求6所述的基于热熔原理的异种材料间无铆钉铆接方法，其特征在于，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V_a、翻铆针铆接上行速度V_b、热熔钻头温度T_a以及翻铆针温度T_b；

步骤b、依次将碳纤维复合板的厚度H、热熔钻头下行速度V_a、翻铆针铆接上行速度V_b、热熔钻头温度T_a以及翻铆针温度T_b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,…,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,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

ω_i+1＝z₁ ⁱω_max，

F_i+1＝z₂ ⁱF_max，

H_a(i+1)＝z₃ ⁱH_{a_max}，

H_b(i+1)＝z₄ ⁱH_{b_max}，

其中，其中z₁ ⁱ、z₂ ⁱ、z₃ ⁱ、z₄ ⁱ分别为第i个采样周期输出层向量参数，ω_max、F_max、H_amax、H_bmax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，ω_i+1、F_i+1、H_a(i+1)、H_b(i+1)分别为第i+1个采样周期时的热熔钻头主轴转速、热熔钻头轴向进给力、热熔钻头下止点高度、翻铆针上止点高度。

8.如权利要求7所述的基于热熔原理的异种材料间无铆钉铆接方法，其特征在于，所述步骤e之后还包括：根据第i个采样周期中的厚度、速度、温度采样信号，判断第第i+1个采样周期中的铆接装置的运行状态，当输出信号时，进行紧急停止。

9.如权利要求8所述的基于热熔原理的异种材料间无铆钉铆接方法，其特征在于，所述步骤b中，碳纤维复合板的厚度H、热熔钻头下行速度V_a、翻铆针铆接上行速度V_b、热熔钻头温度T_a以及翻铆针温度T_b进行规格公式为：

$x_j=\frac{X_j-X_{jmin}}{X_{jmax}-X_{j\min }},j=1,2,3,4,5;$

其中，x_j为输入层向量中的参数，X_j分别为测量参数H、V_a、V_b、T_a、T_b，j＝1,2,3,4,5；X_jmax和X_jmin分别为相应测量参数中的最大值和最小值。

10.如权利要求8所述的基于热熔原理的异种材料间无铆钉铆接方法，其特征在于，在所述步骤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；以及

初始运行状态下，热熔钻头主轴转速、轴向进给力、热熔钻下止点高度、翻铆针上止点高度满足经验值：

ω₀＝0.5ω_max，

F₀＝0.65F_max，

H_a0＝0.85H_{a_max}，

H_b0＝0.85H_{b_max}，

其中，ω₀为热熔钻初始主轴转速，F₀为热熔钻初始轴向进给力，H_a0为热熔钻初始下止点高度，H_b0为翻铆针初始上止点高度；ω_max为热熔钻设定的最大主轴转速，F_max为热熔钻设定的最大轴向进给力，H_{a_max}为热熔钻设定的最低下止点高度，H_{b_max}为翻铆针设定的最高上止点高度。