CN108162420B - 一种热塑性碳纤维复合材料板与合金板自冲铆接装置及铆接方法 - Google Patents

一种热塑性碳纤维复合材料板与合金板自冲铆接装置及铆接方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种热塑性碳纤维复合材料板与合金板自冲铆接装置，包括：凹模，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；压边圈，其为圆柱形结构且中心设置有圆柱形中心孔，所述压边圈设置在所述凹模上方并与其相对设置；冲头，其为空心圆柱形结构且内部设置有电磁加热器，所述冲头能够在所述中心孔内沿中心孔轴向运动，能够在适宜温度下进行铆接，铆接效果好且结构简单，操作方便。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铆接方法，能够根据复合材料和铆钉的结构特点确定铆钉铆接温度，提高铆接接头的质量，还能够根据冲头的冲击高度和铆接件厚度，主动调节冲头的冲击速度，提高铆接效果。

Description

一种热塑性碳纤维复合材料板与合金板自冲铆接装置及铆接 方法
技术领域
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铆接装置及铆接方法。
背景技术
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。
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。
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，是在常温下进行铆接，还需要在纤维板上做通孔，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
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铆接装置，能够在适宜温度下进行铆接，铆接效果好且结构简单，操作方便。
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铆接方法，能够根据复合材料和铆钉的结构特点确定铆钉铆接温度，提高铆接接头的质量。
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铆接方法，能够根据冲头的冲击高度和铆接件厚度，主动调节冲头的冲击速度，提高铆接效果。
本发明提供的技术方案为：
一种热塑性碳纤维复合材料板与合金板自冲铆接装置，包括：
凹模，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；
压边圈，其为圆柱形结构且中心设置有圆柱形中心孔，所述压边圈设置在所述凹模上方并与其相对设置；
冲头，其为空心圆柱形结构且内部设置有电磁加热器，所述冲头能够在所述中心孔内沿中心孔轴向运动。
优选的是，所述圆锥形凸起上表面与凹模上表面共面；所述圆锥形凸起的回转轴线与圆形凹槽的回转轴线共线。
优选的是，还包括：
真空隔热管，其与所述中心孔过盈配合；
过孔，其呈圆周式设置在所述压边圈下部并与所述中心孔连通；
铆接件，其设置在所述凹模和压边圈之间；
铆钉，其为半空心沉头铆钉，钉帽中心开孔，其设置在所述中心孔内并与所述铆接件上表面接触。
优选的是，还包括：
多个热敏电阻传感器，其设置所述过孔内并与中心孔连通，用于检测铆钉的温度；
高度传感器，其设置在所述冲头底面，用于检测冲头距离铆钉的高度；
速度传感器，其设置在所述冲头上，用于检测冲头的冲击速度；
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，用于测量铆接件的厚度；
驱动机构，其与所述冲头连接，用于控制所述冲头距离铆钉的高度和冲击速度；
控制器，其与所述热敏电阻传感器、高度传感器、速度传感器、厚度传感器和驱动机构连接，用于接收所述热敏电阻传感器、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。
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铆接方法，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：启动电磁加热器对铆钉进行加热，直至铆钉的温度满足：
其中，T为铆钉的温度，tm为热塑性碳纤维复合材料的熔点；cf为热塑性碳纤维复合材料的比热容；cg为铆钉的比热容；mg为铆钉质量；r1为铆钉腿部外圈半径；r2为铆钉腿部内圈半径；δ为热塑性碳纤维复合材料板与合金板的厚度，t0为环境温度；ρf为热塑性碳纤维复合材料的密度；
步骤3：驱动冲头上行到一定高度后下行，将铆钉推动刺入热塑性碳纤维复合材料板与合金板，完成铆接。
优选的是，所述步骤3中还包括模糊控制器；
将热塑性碳纤维复合材料板与合金板的厚度δ和冲头距离铆钉的高度H输入模糊控制器，所述热塑性碳纤维复合材料板与合金板的厚度δ和冲头距离铆钉的高度H分为7个等级；
模糊控制器输出冲头的冲击速度V，输出分为7个等级；
所述热塑性碳纤维复合材料板与合金板的厚度δ的模糊论域为[0,1]，其量化因子为10；所述冲头距离铆钉的高度H的模糊论域为[0,1]，量化因子为40；输出冲头的冲击速度V的模糊论域为[0,1]，量化因子为5；
输入和输出的模糊集为{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}。
优选的是，还包括模糊PID控制器：
输入第i个冲击过程的铆钉温度T和铆钉最佳温度T0的偏差、偏差变化率，输出PID的比例系数、比例积分系数和微分系数，比例系数、比例积分系数和微分系数输入PID控制器进行冲头冲击速度V的误差补偿控制。
优选的是，
所述铆钉温度T和铆钉最佳温度T0的偏差e的模糊论域为[-1,1]，量化因子为5；所述偏差变化率ec的模糊论域为[-2,2]，量化因子为1；
所述输出PID的比例系数的模糊论域为[-1,1]，其量化因子为0.1；比例积分系数的模糊论域为[-1,1]，其量化因子为0.1；微分系数的模糊论域为[-1,1]，其量化因子为0.0001；
所述偏差e和偏差变化率ec分为7个等级；所述输出PID的比例系数、比例积分系数和微分系数分为7个等级；
所述模糊PID控制器的输入和输出的模糊集为{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}。
优选的是，所述冲头冲击铆钉的时间为2～2.5s。
优选的是，所述电磁加热器的参数为：
电流大小：I＝8A～10A；
电流频率：f＝20kHz～40kHz；
线圈匝数；N＝20～40。
本发明至少具备以下有益效果：
(1)本发明所述的热塑性碳纤维复合材料板与合金板自冲铆接装置，能够在适宜温度下进行铆接，无需在复合材料板上做通孔，铆接效果好且结构简单，操作方便。
(2)本发明所述的热塑性碳纤维复合材料板与合金板自冲铆接方法，能够根据复合材料和铆钉的结构特点确定铆钉铆接温度，提高铆接接头的质量；同时，能够根据冲头的冲击高度和铆接件厚度，主动调节冲头的冲击速度，提高铆接效果。
附图说明
图1为本发明所述自冲铆接装置主视图的全剖视图。
图2为本发明所述的凹模主视图的全剖视图。
图3为本发明所述凹模的俯视图。
图4为本发明所述压边圈主视图的全剖视图。
图5为本发明所述压边圈的俯视图。
图6为本发明所述冲头主视图的全剖视图。
图7为本发明所述冲头的俯视图。
图8为本发明所述控制模块的模块示意图。
图9为本发明所述的热塑性碳纤维复合材料板与合金板和铆钉完成铆接的结构示意图。
图10是本发明所述的模糊控制器和模糊PID控制器的控制示意图。
图11是本发明所述的模糊控制器的输入热塑性碳纤维复合材料板与合金板的厚度δ的隶属度函数图。
图12是本发明所述的模糊控制器的输入冲头距离铆钉的高度H的隶属度函数图。
图13是本发明所述的模糊控制器的输出冲头的冲击速度V的隶属度函数图。
图14是本发明所述的模糊PID控制器的输入偏差e的隶属度函数图。
图15是本发明所述的模糊PID控制器的输入偏差变化率ec的隶属度函数图。
图16是本发明所述的模糊PID控制器的输出比例系数Kp的隶属度函数图。
图17是本发明所述的模糊PID控制器的输出比例积分系数Ki的隶属度函数图。
图18是本发明所述的模糊PID控制器的输出微分系数Kd的隶属度函数图。
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。
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。
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铆接装置，包括：凹模100，其下部为实心圆柱形结构，上部中心设置有圆形凹槽110，所述凹槽底面向上凸起呈圆锥形120；压边圈200，其为圆柱形结构且中心设置有圆柱形中心孔230，所述压边圈200设置在所述凹模100上方并与其相对设置；冲头300，其为空心圆柱形结构且内部设置有电磁加热器310，所述冲头300能够在所述中心孔230内沿中心孔轴向运动。本实施例中，所述圆锥形凸起120上表面与凹模100上表面共面；所述圆锥形凸起120的回转轴线与圆形凹槽110的回转轴线共线，优选的，所述圆锥形凸起120的棱线与圆形凹槽110的侧面的夹角为45°。
作为本发明的另一实施例，还包括：真空隔热管210，其与所述中心孔230过盈配合；过孔220，其呈圆周式设置在所述压边圈200下部并与所述中心孔230连通，本实施例中所述过孔为4个，且相邻过孔220之间相互垂直，孔径为1mm，当铆钉400与热塑性碳纤维复合材料板500接触时，铆钉400的钉帽与过孔220位于同一水平面；铆接件(包括粘接的热塑性碳纤维复合材料板500与合金板600)，其设置在所述凹模100和压边圈200之间；铆钉400，其为半空心沉头铆钉，钉帽中心开孔，其设置在所述中心孔230内并与所述粘接的热塑性碳纤维复合材料板500上表面接触，所述铆钉400材质选用电磁敏感材质碳钢，并在铆钉外表面镀不锈钢，避免与热塑性碳纤维复合材料发生电化学腐蚀。
作为本发明的另一实施例，还包括：多个热敏电阻传感器710，其设置所述过孔220内并与中心孔230连通，用于检测铆钉400的温度；高度传感器720，其设置在所述冲头300底面，用于检测冲头300距离铆钉400的高度；速度传感器730，其设置在所述冲头300上，用于检测冲头300的冲击速度；厚度传感器740，其分别设置在所述压边圈200的下表面和凹模100的上表面，用于测量铆接件的厚度；驱动机构750，其与所述冲头400连接，用于控制所述冲头400距离铆钉400的高度和冲击速度；控制器700，其与所述热敏电阻传感器710、高度传感器720、速度传感器730、厚度传感器740和驱动机构750连接，用于接收所述热敏电阻传感器710、高度传感器720、速度传感器730和厚度传感器740的检测数据并控制所述驱动机构750工作。
本发明所述的热塑性碳纤维复合材料板与合金板自冲铆接装置，能够在适宜温度下进行铆接，无需在复合材料板上做通孔，铆接效果好且结构简单，操作方便。
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：启动电磁加热器对铆钉进行加热，所述电磁加热器的参数为：
电流大小：I＝8A～10A；
电流频率：f＝20kHz～40kHz；
线圈匝数；N＝20～40。
直至铆钉的温度满足：
其中，T为铆钉的温度，tm为热塑性碳纤维复合材料的熔点；cf为热塑性碳纤维复合材料的比热容；cg为铆钉的比热容；mg为铆钉质量；r1为铆钉腿部外圈半径；r2为铆钉腿部内圈半径；δ为热塑性碳纤维复合材料板与合金板的厚度，t0为环境温度；ρf为热塑性碳纤维复合材料的密度；
步骤3：驱动机构驱动冲头上行到一定高度后下行，随着冲头继续下移，高温铆钉使待铆接部位热塑性碳纤维复合材料板热熔，穿透复合材料板，同时熔融态纤维复合材料流入铆钉半空心腔内；冲头作用使铝合金板变形流入凹模内的凹槽型腔，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，在热塑性碳纤维复合材料板与合金板间形成锁死结构，实现碳纤维复合材料板和铝合金板的自冲铆接，如图9所示。所述冲头冲击铆钉的时间为2～2.5s。
所述步骤3中包括模糊控制器和模糊PID控制器，控制方法如图10所示，包括以下步骤：
步骤3.1：将热塑性碳纤维复合材料板与合金板的厚度δ、冲头距离铆钉的高度H和冲头的冲击速度V进行模糊处理；在无控时，热塑性碳纤维复合材料板与合金板的厚度δ的模糊论域为[0,1]，其量化因子为10，单位mm；所述冲头距离铆钉的高度H的模糊论域为[0,1]，量化因子为40，单位mm；输出冲头的冲击速度V的模糊论域为[0,1]，量化因子为5，单位mm/s；为了保证控制的精度，实现更好的控制，反复进行实验，确定了最佳的输入和输出等级，其中，所述热塑性碳纤维复合材料板与合金板的厚度δ和冲头距离铆钉的高度H分为7个等级；输出冲头的冲击速度V，输出分为7个等级；输入和输出的模糊集均为{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}。其中，所述模糊控制器的控制规则为：
(3.11)热塑性碳纤维复合材料板与合金板的厚度δ一定，冲头距离铆钉的高度H增大时，需要减小冲头的冲击速度V；
(3.12)冲头距离铆钉的高度H一定，热塑性碳纤维复合材料板与合金板的厚度δ增大时，需要增大冲头的冲击速度V；
模糊控制的具体控制规则详见表一。
表一冲头的冲击速度的模糊控制表
模糊控制器输入热塑性碳纤维复合材料板与合金板的厚度δ和冲头距离铆钉的高度H，用模糊控制规则表一得出模糊控制器的输出冲头的冲击速度V，冲头的冲击速度V利用重心法解模糊化。
步骤3.2：模糊PID控制器
将第i个冲击过程的铆钉温度T和铆钉最佳温度T0的偏差e、偏差变化率ec、输出PID的比例系数、比例积分系数和微分系数进行模糊处理，在无控时，偏差e的模糊论域为[-1,1]，量化因子为5，单位℃；偏差变化率ec的模糊论域为[-2,2]，量化因子为1；PID的比例系数Kp的模糊论域为[-1,1]，其量化因子为0.1；比例积分系数Ki的模糊论域为[-1,1]，其量化因子为0.1；微分系数Kd的模糊论域为[-1,1]，其定量化因子为0.0001。为了保证控制的精度，实现更好的控制，反复进行实验，确定了最佳的输入和输出等级，其中，所述模糊控制器中偏差e、偏差变化率ec分为7个等级；输出PID的比例系数、比例积分系数和微分系数分为7个等级；输入和输出的模糊集均为{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}，输入和输出的隶属度函数均采用三角形隶属函数，详见图11-18。其模糊控制规则为：
1、当偏差|e|较大时，增大Kp的取值，从而使偏差快速减小，但同时产生了较大的偏差变化率，应取较小的Kd，通常取Ki＝0；
2、当|ec|和|e|取值处于中等时，为避免超调，适当减小Kp的取值，使Ki较小，选择适当大小的Kd；
3、当偏差|e|较小时，增大Kp Ki的取值，为避免出现在系统稳态值附近震荡的不稳定现象，通常使当|ec|较大时，取较小的Kd；当|ec|较小时，取较大的Kd；具体的模糊控制规则详见表二、三和四。
表二PID的比例系数Kp的模糊控制表
表三PID的比例积分系数Ki的模糊控制表
表四PID的微分系数Kd的模糊控制表
输入第i个所述冲击过程的铆钉温度T和铆钉最佳温度T0的偏差e、偏差变化率ec，输出PID的比例系数、比例积分系数和微分系数，比例系数、比例积分系数和微分系数用高度法进行解模糊化，输入PID控制器进行冲头冲击速度V的误差补偿控制，其控制算式为：
经实验反复确定，模糊PID控制器对冲头冲击速度V进行精确控制，冲头冲击速度V为模糊控制器的输出冲击速度和PID控制器的冲击速度误差补偿值的加和，使冲头的冲击速度V得以精确控制，使其偏差小于0.1％。
本发明所述的热塑性碳纤维复合材料板与合金板自冲铆接方法，能够根据复合材料和铆钉的结构特点确定铆钉铆接温度，提高铆接接头的质量；同时，能够根据冲头的冲击高度和铆接件厚度，主动调节冲头的冲击速度，提高铆接效果。
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 (9)

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；
压边圈，其为圆柱形结构且中心设置有圆柱形中心孔，所述压边圈设置在所述凹模上方并与其相对设置；
冲头，其为空心圆柱形结构且内部设置有电磁加热器，所述冲头能够在所述中心孔内沿中心孔轴向运动；
多个热敏电阻传感器，其设置在过孔内并与中心孔连通，用于检测铆钉的温度；
高度传感器，其设置在所述冲头底面，用于检测冲头距离铆钉的高度；
速度传感器，其设置在所述冲头上，用于检测冲头的冲击速度；
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，用于测量铆接件的厚度；
驱动机构，其与所述冲头连接，用于控制所述冲头距离铆钉的高度和冲击速度；
控制器，其与所述热敏电阻传感器、高度传感器、速度传感器、厚度传感器和驱动机构连接，用于接收所述热敏电阻传感器、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。
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铆接装置，其特征在于，所述圆锥形凸起上表面与凹模上表面共面；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铆接装置，其特征在于，还包括：
真空隔热管，其与所述中心孔过盈配合；
过孔，其呈圆周式设置在所述压边圈下部并与所述中心孔连通；
铆接件，其设置在所述凹模和压边圈之间；
铆钉，其为半空心沉头铆钉，钉帽中心开孔，其设置在所述中心孔内并与所述铆接件上表面接触。
4.一种热塑性碳纤维复合材料板与合金板自冲铆接方法，使用如权利要求1-3任意一项所述的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：启动电磁加热器对铆钉进行加热，直至铆钉的温度满足：
其中，T为铆钉的温度，tm为热塑性碳纤维复合材料的熔点；cf为热塑性碳纤维复合材料的比热容；cg为铆钉的比热容；mg为铆钉质量；r1为铆钉腿部外圈半径；r2为铆钉腿部内圈半径；δ为热塑性碳纤维复合材料板与合金板的厚度；t0为环境温度；ρf为热塑性碳纤维复合材料的密度；
步骤3：驱动冲头上行到一定高度后下行，将铆钉推动刺入热塑性碳纤维复合材料板与合金板，完成铆接。
5.如权利要求4所述的热塑性碳纤维复合材料板与合金板自冲铆接方法，其特征在于，所述步骤3中还包括模糊控制器；
将热塑性碳纤维复合材料板与合金板的厚度δ和冲头距离铆钉的高度H输入模糊控制器，所述热塑性碳纤维复合材料板与合金板的厚度δ和冲头距离铆钉的高度H分为7个等级；
模糊控制器输出冲头的冲击速度V，输出分为7个等级；
所述热塑性碳纤维复合材料板与合金板的厚度δ的模糊论域为[0,1]，其量化因子为10；所述冲头距离铆钉的高度H的模糊论域为[0,1]，量化因子为40；输出冲头的冲击速度V的模糊论域为[0,1]，量化因子为5；
输入和输出的模糊集为{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}。
6.如权利要求5所述的热塑性碳纤维复合材料板与合金板自冲铆接方法，其特征在于，还包括模糊PID控制器：
输入第i个冲击过程的铆钉温度T和铆钉最佳温度T0的偏差、偏差变化率，输出PID的比例系数、比例积分系数和微分系数，比例系数、比例积分系数和微分系数输入PID控制器进行冲头冲击速度V的误差补偿控制。
7.如权利要求6所述的热塑性碳纤维复合材料板与合金板自冲铆接方法，其特征在于，
所述铆钉温度T和铆钉最佳温度T0的偏差e的模糊论域为[-1,1]，量化因子为5；所述偏差变化率ec的模糊论域为[-2,2]，量化因子为1；
所述输出PID的比例系数的模糊论域为[-1,1]，其量化因子为0.1；比例积分系数的模糊论域为[-1,1]，其量化因子为0.1；微分系数的模糊论域为[-1,1]，其量化因子为0.0001；
所述偏差e和偏差变化率ec分为7个等级；所述输出PID的比例系数、比例积分系数和微分系数分为7个等级；
所述模糊PID控制器的输入和输出的模糊集为{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}。
8.如权利要求4所述的热塑性碳纤维复合材料板与合金板自冲铆接方法，其特征在于，所述冲头冲击铆钉的时间为2～2.5s。
9.如权利要求4所述的热塑性碳纤维复合材料板与合金板自冲铆接方法，其特征在于，所述电磁加热器的参数为：
电流大小：I＝8A～10A；
电流频率：f＝20kHz～40kHz；
线圈匝数；N＝20～40。
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