CN108380765B - 碳纤维复合材料与铝合金无铆钉铆接装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明碳纤维复合材料与铝合金无铆钉铆接装置及方法，属于复合材料铆接技术领域，解决了现有技术中存在的易发生纤维断裂、基体开裂、界面脱胶和分层、接头性能低的技术问题；本发明装置包括压边圈、冲头和凹模；所述凹模包括弹簧垫块Ⅰ、弹簧垫块Ⅱ，弹簧Ⅰ、弹簧Ⅱ和下模；并应用上述装置实现碳纤维复合材料与铝合金无铆钉铆接工艺，该工艺使铝合金板在碳纤维复合材料板通孔处形成自锁结构，提高了接头的抗拉、抗剪和抗疲劳性能，并且不需要铆钉等铆接元件，质量减轻。

Description

碳纤维复合材料与铝合金无铆钉铆接装置及方法

技术领域

本发明属于复合材料铆接技术领域，具体涉及一种碳纤维复合材料与铝合金无铆钉铆接装置及方法。

背景技术

安全、节能、环保的汽车成为21世纪汽车发展的主流，汽车轻量化无疑是其最佳途径，而汽车轻量化的主流材质之一就是车用材料铝合金、复合材料等轻量化材料，尤其是复合材料更是新能源汽车的首选材料，因其材料密度低、比强度高、比刚度高等优点，非常适合新能源汽车的研发需求。

与此同时，复合材料与金属材料无损连接是影响车身结构服役性能的重要装配问题。现行通用的复合材料和金属材料的连接方式主要有3种：胶接、螺接和铆接。胶接和螺接在汽车中应用存在一些无法克服的弊端：胶接性能受环境(湿、热、腐蚀介质)影响较大，在传统汽车上，发动机和废气的高温，汽油、机油和防冻液等的腐蚀性以及环境中的腐蚀介质对胶接性能有很大影响；而螺栓连接易松动，可靠性较差，因此限制了其在汽车工业上的应用。相对而言，铆接工艺可有效解决以上问题，并具有抗疲劳性能和抗静拉力性能良好等优点，已成为近年来发展较快的薄板材料机械连接技术。

然而，在现有的碳纤维复合材料板无铆钉铆接工艺中，由于碳纤维复合材料塑性较差，易发生纤维断裂、基体开裂、界面脱胶和分层等破坏，降低接头性能，甚至直接导致接头失效。另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。

因此，在现有的无铆钉铆接工艺中，需要增加新的工艺方法，设计新型铆接凹模模具，保证在铝合金和碳纤维复合材料无铆钉铆接过程中得到成形效果良好的铆接接头，提高接头的力学性能。

发明内容

本发明的目的是提供碳纤维复合材料与铝合金无铆钉铆接装置及方法，解决现有技术中存在的易发生纤维断裂、基体开裂、界面脱胶和分层、接头性能低的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

本发明碳纤维复合材料与铝合金无铆钉铆接装置包括压边圈、冲头和凹模；所述凹模包括弹簧垫块Ⅰ、弹簧垫块Ⅱ，弹簧Ⅰ、弹簧Ⅱ和下模；

所述的压边圈结构中心处设置一个用于定位冲头的通孔，在铆接过程中，冲头在压边圈通孔中上下运动；

所述的冲头为一体式结构，包括针体和针头；所述针体为圆柱状，所述针头为圆台状，针头圆台侧面有一个小的倾角，均向靠近针体中心线倾斜；针体与针头之间采用圆弧面过渡，针头圆台顶面与侧面也采用圆弧面过渡；

所述的弹簧垫块Ⅰ为圆柱体式结构件，所述的弹簧垫块Ⅱ为带有凹槽的圆柱体式结构件；

弹簧垫块Ⅱ的凹槽位于弹簧垫块Ⅱ顶面中心处，为圆柱体式凹槽，弹簧垫块Ⅱ的凹槽底面尺寸与弹簧垫块Ⅰ底面尺寸相同，弹簧垫块Ⅱ的凹槽表面与弹簧垫块Ⅰ侧面接触且可自由滑动；

弹簧Ⅰ为螺旋压缩弹簧，弹簧Ⅰ放置在弹簧垫块Ⅱ凹槽内，弹簧Ⅰ的外径与弹簧垫块Ⅰ底面直径相同；

弹簧Ⅱ为螺旋压缩弹簧，弹簧Ⅱ的外径与弹簧垫块Ⅱ底面直径相同；

下模为带有凹槽的圆柱体式结构件；下模的凹槽位于下模中心处，为圆柱体式凹槽，下模的凹槽底面尺寸与弹簧垫块Ⅱ底面尺寸相同，下模的凹槽深度与弹簧垫块Ⅱ高度和弹簧Ⅱ长度之和相同，下模的凹槽表面与弹簧垫块Ⅱ侧面接触且可自由滑动；弹簧Ⅱ放置在下模凹槽内。

所述的弹簧垫块Ⅰ的底面直径尺寸与碳纤维复合材料板小孔孔径相同，弹簧垫块Ⅰ的高与碳纤维复合材料板的厚度相同，弹簧Ⅰ为螺旋压缩弹簧，放置在弹簧垫块Ⅱ凹槽内，弹簧Ⅰ外径与弹簧垫块Ⅰ底面直径相同，弹簧弹簧Ⅰ长度达到使弹簧垫块Ⅰ在未冲压状态下完全抵住铝合金板。

弹簧垫块Ⅰ的底面直径为8mm，高为2mm。

弹簧Ⅰ由弹簧钢制成，刚度系数为K₁＝580N/mm，弹簧Ⅰ外径为 8mm，在弹簧垫块Ⅰ重力作用下的弹簧长度为2.5mm。

弹簧垫块Ⅱ的底面尺寸与弹簧垫块Ⅰ底面尺寸相同，弹簧垫块Ⅱ的凹槽深度与弹簧Ⅰ1′在未冲压状态下的长度相同，弹簧垫块Ⅱ的凹槽表面与弹簧垫块Ⅰ侧面接触且可自由滑动；对弹簧垫块Ⅱ的底面直径为碳纤维复合材料板小孔直径的3倍，保证弹簧垫块Ⅱ顶部与下板充分接触，以达到支撑下板的目的。

弹簧垫块Ⅱ采用铝合金材料，弹簧垫块Ⅱ的凹槽的底面直径为 8mm，深度为2.5mm；垫块Ⅱ的底面直径为24mm，高度为12mm。

弹簧Ⅱ由弹簧钢制成，刚度系数为K₂＝2180N/mm，弹簧外径为 24mm，在弹簧垫块Ⅱ重力作用下的弹簧长度为4mm。

弹簧Ⅱ为螺旋压缩弹簧，放置在下模凹槽内，弹簧Ⅱ的弹簧外径与弹簧垫块Ⅱ底面直径相同，弹簧Ⅱ的弹簧长度达到使弹簧垫块Ⅱ在未冲压状态下完全抵住碳纤维复合材料板。

下模的凹槽的底面尺寸与弹簧垫块Ⅱ底面尺寸相同，下模的凹槽的深度与弹簧垫块Ⅱ高度和弹簧Ⅱ长度之和相同，下模的凹槽的表面与弹簧垫块Ⅱ侧面接触且可自由滑动；对下模的底面直径为碳纤维复合材料板小孔直径的倍，保证下模顶部与下板充分接触，以达到支撑下板的目的。

下模采用铝合金材料，下模的凹槽的底面直径为24mm，深度为 16mm；下模的底面直径为40mm，高度为20mm。

冲头针体直径13-15mm，针头顶部直径6-8mm，底部直径8-10mm，针头高5-7mm，压边圈中心定位通孔直径与冲头针体直径相同，压边圈外径与下模外径相同。

应用上述装置实现碳纤维复合材料与铝合金无铆钉铆接装置的方法包括以下步骤：

步骤一：通过数控CNC机床在碳纤维复合材料板的中心切割出一个直径为8-10mm的通孔；

步骤二：将步骤一中的带有8-10mm的通孔的碳纤维复合材料板和铝合金板从下至上依次放在凹模上，冲头、压边圈、碳纤维复合材料板通孔与凹模同心放置，驱动压边圈下移，直至压紧碳纤维复合材料板和铝合金板；

步骤三：启动碳纤维复合材料与铝合金无铆钉铆接装置，使冲头以5-15m/s的速度冲压铝合金板，直至弹簧垫块Ⅰ完全嵌入弹簧垫块Ⅱ凹槽中；

步骤四：冲头继续冲压碳纤维复合材料板和铝合金板，直至弹簧Ⅱ完全压缩，铝合金板在碳纤维复合材料板的通孔处随着冲头的持续加压，金属向碳纤维复合材料板通孔的两侧流动形成自锁结构，直至冲头到达下止点，完成无铆钉铆接；

步骤五：对碳纤维复合材料与铝合金无铆钉铆接装置铆接机进行泄压，弹簧Ⅱ回弹，产生回弹压力使接头二次成形，增大底切；冲头向上运动回程，准备进行下一次铆接。

在所述步骤二之后，在步骤三之前，对冲头铆接速度、冲头下止点高度和冲头在下止点的停留时间进行基于BP神经网络的调控，具体方法如下：

在每个采样周期中，使用传感器测量环境温度T_a、环境湿度H、碳纤维复合材料板件开孔直径D、铝合金板厚度t_b，对这4个参数规格化后得到三层BP神经网络的输入层向量x＝(x₁,x₂,x₃,x₄)，其中x₁环境温度系数，x₂环境湿度系数，x₃CFRP板件开孔直，x₄铝合金板厚度系数。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T_a、H、T_b、t_b，X_jmax和X_jmin分别为相应测量参数中的最大值和最小值。

输入层向量映射到中间层，中间层节点数为4，向量为 y＝(y₁,y₂,y₃,y₄)，得到输出层向量z＝(z₁,z₂,z₃,z₄)，其中z₁冲头铆接速度调节系数，z₂冲头下止点高度调节系数，z₃冲头在下止点停留时间调节系数，z₄紧急停机信号，表示当前设备的运行状态，1表示非正常状态，需紧急停机；0表示正常状态，可继续运行。

控制冲头铆接速度、冲头下止点高度、冲头在下止点停留时间，使V_i+1＝z₁ ⁱV_max、h_i+1＝z₂ ⁱh_max、t_i+1＝z₃ ⁱt_max。其中z₁ ⁱ、z₂ ⁱ、z₃ ⁱ分别为第i个采样周期输出层向量参数，V_max、h_max、t_max分别为设定的冲头最大铆接速度、冲头最低下止点高度和冲头在下止点停留的最长时间，V_i+1、h_i+1、 t_i+1分别为第i+1个采样周期时的冲头铆接速度、冲头下止点高度、冲头在下止点的停留时间。

初始运行状态下，冲头铆接速度、冲头下止点高度、冲头在下止点的停留时间满足经验值：V₀＝0.7V_max，h₀＝0.7h_max，V₀＝0.7V_max。其中 V₀为冲头初始冲击速度，h₀为冲头下止点起始高度，t₀冲头在下止点初始停留时间；V_max为冲头设定的最大铆接速度，h_max为冲头设定的最低下止点高度，t_max为冲头在下止点的最大停留时间。

本发明的有益技术效果：

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，在铆接之前对碳纤维复合材料板进行激光切割制孔，孔边无毛刺，无分层，相较于无损碳纤维复合材料板件的铆接来说，预制孔避免了碳纤维复合材料板在铆接过程中产生损伤，保证了接头成形质量和力学性能；

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无铆钉铆接工艺，该工艺使铝合金板在碳纤维复合材料板通孔处形成自锁结构，提高了接头的抗拉、抗剪和抗疲劳性能，并且不需要铆钉等铆接元件，质量减轻；

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弹簧垫板，其中弹簧垫块可辅助板件、凹模、冲头同心定位，保证接头颈厚尺寸分布均匀；

4、弹簧垫块可以引导冲头冲压铝合金板，形成较大的流体静压力，使铝合金材料均匀流动变形，避免了颈部开裂；

5、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弹簧垫块，弹簧垫块在冲压过程中支撑CFRP下板，减少了碳纤维复合材料板件由于冲压力而发生损伤，保证铝合金材料均匀流动变形形成底切，实现有效自锁；铆接冲压过程中，弹簧垫块抵住铝合金板，引导金属均匀流动变形，产生流动压应力，直至弹簧垫块完全嵌入弹簧垫块凹槽中，两个垫块成为一体；

6、在卸载过程中，弹簧回弹使接头二次成形，增大底切，有效提高了接头强度；

7、本发明通过基于BP神经网络的控制方法，对冲头铆接速度、冲头下止点高度和冲头在下止点的停留时间进行调控，使其达到最佳运行状态。

附图说明

图1为本发明碳纤维复合材料与铝合金无铆钉铆接装置的凹模爆炸视图；

图2为本发明碳纤维复合材料与铝合金无铆钉铆接装置凹模全剖视图；

图3为本发明碳纤维复合材料与铝合金无铆钉铆接装置的弹簧垫块1与弹簧1′结构轴测投影视图；

图4为本发明碳纤维复合材料与铝合金无铆钉铆接装置的弹簧垫块2与弹簧2′结构轴测投影视图；

图5为本发明碳纤维复合材料与铝合金无铆钉铆接装置的凹模结构轴测投影视图；

图6为本发明碳纤维复合材料与铝合金无铆钉铆接装置全剖视图；

图7为本发明碳纤维复合材料与铝合金无铆钉铆接装置的冲头运行至弹簧垫块1完全嵌入弹簧垫块2凹槽的工序示意图；

图8为本发明碳纤维复合材料与铝合金无铆钉铆接装置的冲头运行至弹簧2完全压缩(下止点)的工序示意图；

图9为本发明碳纤维复合材料与铝合金无铆钉铆接装置的冲头回程、弹簧2回弹、接头二次成形的工序的示意图；

其中，1、弹簧垫块Ⅰ，1′、弹簧Ⅰ，2、弹簧垫块Ⅱ，2′、弹簧Ⅱ，3、下模，4、碳纤维复合材料板，5、铝合金板，6、压边圈，7、冲头。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步阐述。

实施例一：

参见附图1-9，本发明碳纤维复合材料与铝合金无铆钉铆接装置包括压边圈6、冲头7和凹模；所述凹模包括弹簧垫块Ⅰ1、弹簧垫块Ⅱ2，弹簧Ⅰ1′、弹簧Ⅱ2′和下模3；

所述的压边圈6结构中心处设置一个用于定位冲头7的通孔，在铆接过程中，冲头7在压边圈6通孔中上下运动；

所述的冲头7为一体式结构，包括针体和针头；所述针体为圆柱状，所述针头为圆台状，针头圆台侧面有一个小的倾角，均向靠近针体中心线倾斜；针体与针头之间采用圆弧面过渡，针头圆台顶面与侧面也采用圆弧面过渡；

所述的弹簧垫块Ⅰ1为圆柱体式结构件，所述的弹簧垫块Ⅱ2为带有凹槽的圆柱体式结构件；

弹簧垫块Ⅱ2的凹槽位于弹簧垫块Ⅱ2顶面中心处，为圆柱体式凹槽，弹簧垫块Ⅱ2的底面尺寸与弹簧垫块Ⅰ1底面尺寸相同，弹簧垫块Ⅱ2的凹槽表面与弹簧垫块Ⅰ1侧面接触且可自由滑动；

弹簧Ⅰ1′为螺旋压缩弹簧，弹簧Ⅰ1′放置在弹簧垫块Ⅱ2凹槽内，弹簧Ⅰ1′的外径与弹簧垫块Ⅰ1底面直径相同；

弹簧Ⅱ2′为螺旋压缩弹簧，弹簧Ⅱ2′的外径与弹簧垫块Ⅱ2底面直径相同；

下模3为带有凹槽的圆柱体式结构件；下模3的凹槽位于下模3 中心处，为圆柱体式凹槽，下模3的凹槽底面尺寸与弹簧垫块Ⅱ2底面尺寸相同，下模3的凹槽深度与弹簧垫块Ⅱ2高度和弹簧Ⅱ2′长度之和相同，下模3的凹槽表面与弹簧垫块Ⅱ2侧面接触且可自由滑动；弹簧Ⅱ2′放置在下模3凹槽内。

所述的弹簧垫块Ⅰ1的底面直径尺寸与碳纤维复合材料板4小孔孔径相同，弹簧垫块Ⅰ1的高与碳纤维复合材料板4的厚度相同，弹簧Ⅰ1′为螺旋压缩弹簧，放置在弹簧垫块Ⅱ2凹槽内，弹簧Ⅰ1′外径与弹簧垫块Ⅰ1底面直径相同，弹簧弹簧Ⅰ1长度达到使弹簧垫块Ⅰ1 在未冲压状态下完全抵住铝合金板5。

弹簧垫块Ⅰ1的底面直径为8mm，高为2mm。

弹簧Ⅰ1′由弹簧钢制成，刚度系数为K₁＝580N/mm，弹簧Ⅰ1′外径为8mm，在弹簧垫块Ⅰ1重力作用下的弹簧长度为2.5mm。

弹簧垫块Ⅱ2的底面尺寸与弹簧垫块Ⅰ1底面尺寸相同，弹簧垫块Ⅱ2的凹槽深度与弹簧Ⅰ1′在未冲压状态下的长度相同，弹簧垫块Ⅱ2的凹槽表面与弹簧垫块Ⅰ1侧面接触且可自由滑动；对弹簧垫块Ⅱ2的底面直径为碳纤维复合材料板4小孔直径的3倍，保证弹簧垫块Ⅱ2顶部与下板充分接触，以达到支撑下板的目的。

弹簧垫块Ⅱ2采用铝合金材料，弹簧垫块Ⅱ2的凹槽的底面直径为8mm，深度为2.5mm；垫块Ⅱ2的底面直径为24mm，高度为12mm。

弹簧Ⅱ2′由弹簧钢制成，刚度系数为K₂＝2180N/mm，弹簧外径为 24mm，在弹簧垫块Ⅱ2重力作用下的弹簧长度为4mm。

弹簧Ⅱ2′为螺旋压缩弹簧，放置在下模3凹槽内，弹簧Ⅱ2′的弹簧外径与弹簧垫块Ⅱ2底面直径相同，弹簧Ⅱ2′的弹簧长度达到使弹簧垫块Ⅱ2在未冲压状态下完全抵住碳纤维复合材料板4。

下模3的凹槽的底面尺寸与弹簧垫块Ⅱ2底面尺寸相同，下模3 的凹槽的深度与弹簧垫块Ⅱ2高度和弹簧Ⅱ2′长度之和相同，下模3 的凹槽的表面与弹簧垫块Ⅱ2侧面接触且可自由滑动；对下模3的底面直径为碳纤维复合材料板4小孔直径的5倍，保证下模3顶部与下板充分接触，以达到支撑下板的目的。

下模3采用铝合金材料，下模3的凹槽的底面直径为24mm，深度为16mm；下模3的底面直径为40mm，高度为20mm。

冲头7针体直径13-15mm，针头顶部直径6-8mm，底部直径 8-10mm，针头高5-7mm，压边圈6中心定位通孔直径与冲头7针体直径相同，压边圈外径与下模3外径相同。

应用上述装置实现碳纤维复合材料与铝合金无铆钉铆接装置的方法包括以下步骤：

步骤一：通过数控CNC机床在碳纤维复合材料板4的中心切割出一个直径为8-10mm的通孔；

步骤二：将步骤一中的带有8-10mm的通孔的碳纤维复合材料板 4和铝合金板5从下至上依次放在凹模上，冲头7、压边圈6、碳纤维复合材料板4通孔与凹模同心放置，驱动压边圈6下移，直至压紧碳纤维复合材料板4和铝合金板5；

步骤三：启动碳纤维复合材料与铝合金无铆钉铆接装置，使冲头 7以5-15m/s的速度冲压铝合金板5，直至弹簧垫块Ⅰ1完全嵌入弹簧垫块Ⅱ2凹槽中；

步骤四：冲头7继续冲压碳纤维复合材料板4和铝合金板5，直至弹簧Ⅱ2′完全压缩，铝合金板5在碳纤维复合材料板4的通孔处随着冲头的持续加压，金属向碳纤维复合材料板4通孔的两侧流动形成自锁结构，直至冲头7到达下止点，完成无铆钉铆接；

步骤五：对碳纤维复合材料与铝合金无铆钉铆接装置铆接机进行泄压，弹簧Ⅱ2′回弹，产生回弹压力使接头二次成形，增大底切；冲头7向上运动回程，准备进行下一次铆接。

在步骤二之后，步骤三之前，对冲头7铆接速度、冲头7下止点高度和冲头7在下止点的停留时间进行基于BP神经网格的控制，其控制方法包括以下步骤：

S1：建立BP神经网格模型：

本发明中采用的BP网格结构由三层组成，第一层为输入层，有 4个节点，对应装置工作状态的3个检测信号和铝合金板件的1个固有属性，这些参数由数据预处理模块给出。第二层为隐层，有4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，有4个节点，由实际需要输出的响应确定。

网络的数学模型为：输入层向量x＝(x₁,x₂,x₃,x₄)，中间层向量 y＝(y₁,y₂,y₃,y₄)，输出层向量z＝(z₁,z₂,z₃,z₄)。

采样周期中的4个输入信号参数为：x₁环境温度系数，x₂环境湿度系数，x₃CFRP板件开孔直径，x₄铝合金板厚度系数。由于传感器获取的数据量纲不同，需要将数据规格化为0—1之间的数。

对于温度传感器测量的环境温度T_a，规格化后得到环境温度系数

其中T_amax和T_amin分别为最大环境温度和最小环境温度；

对于湿度传感器测量的环境湿度H，规格化后得到环境湿度系数

其中H_max和H_min分别为最大环境湿度和最小环境湿度；

对于CFRP板件开孔直径D，规格化后得到CFRP板件开孔直径D 系数

其中D_max和D_min分别为最大CFRP板件开孔直径和最小CFRP板件开孔直径；

对于位置传感器测量的铝合金板厚度t_b，规格化后得到铝合金板厚度系数

其中t_bmax和t_bmin分别为铝合金板最大厚度和最小厚度。

采样周期中的4个输出信号参数为：z₁冲头铆接速度调节系数， z₂冲头下止点高度调节系数，z₃冲头在下止点停留时间调节系数，z₄为紧急停机信号0或1。

冲头铆接速度调节系数z₁表示为下一个采样周期中的铆接速度与当前采样周期中设定的最高速度之比，即在第i个采样周期中，采集到的铆接速度为V_i，通过BP神经网络输出第i个采样周期的铆接速度调节系数z₁ ⁱ后，控制第i+1个采样周期中冲头铆接速度为V_i+1，使其满足V_i+1＝z₁ ⁱV_max；

冲头下止点高度调节系数z₂表示为下一个采样周期中的下止点高度与当前采样周期中设定的最大下止点高度之比，即在第i个采样周期中，采集到的下止点高度为h_i，通过BP神经网络输出第i个采样周期的下止点高度调节系数z₂ ⁱ后，控制第i+1个采样周期中冲头下止点高度为h_i+1，使其满足h_i+1＝z₂ ⁱh_max；

冲头在下止点的停留时间调节系数z₃表示为下一个采样周期中冲头在下止点的停留时间与当前采样周期中设定的最大停留时间之比，即在第i个采样周期中，采集到的冲头在下止点的停留时间为t_i，通过BP神经网络输出第i个采样周期的冲头在下止点的停留时间调节系数z₃ ⁱ后，控制第i+1个采样周期中冲头在下止点的停留时间为t_i+1，使其满足t_i+1＝z₃ ⁱt_max；

S2：进行BP神经网络的训练：

建立好BP神经网络节点模型后，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θ_k，4个值均为-1到1之间的随机数。

在训练过程中，不断地修正W_ij和W_jk的值，直至系统误差小于等于期望误差，完成神经网络的训练过程。

S3：采集数据输入神经网络，输出初始调控系数：

训练好的神经网络固化到芯片之中，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，冲头铆接速度、冲头下止点高度冲头在下止点的停留时间均以最大值标定，即冲头初始铆接速度为V₀＝0.7V_max，初始下止点高度为h₀＝0.7h_max，冲头在下止点的初始停留时间为t₀＝0.7t_max；

与此同时，分别用温度传感器、湿度传感器和位置传感器测量环境初始温度T_a0，环境初始湿度H₀，冲头初始温度T_b0，铝合金初始厚度t_b0，规格化后得到初始输入向量x⁰＝(x₁ ⁰,x₂ ⁰,x₃ ⁰,x₄ ⁰)，通过BP神经网络的运算得到初始输出向量z⁰＝(z₁ ⁰,z₂ ⁰,z₃ ⁰,z₄ ⁰)。

S4：对铆接速度、下止点高度、冲头在下止点停留时间进行调控：

通过各传感器得到第i个采样周期的输入向量xⁱ＝(x₁ ⁱ,x₂ ⁱ,x₃ ⁱ,x₄ 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)，控制调节后使第i+1个采样周期的冲头铆接速度、下止点高度、冲头在下止点停留时间分别为：V_i+1＝z₁ ⁱV_max、h_i+1＝z₂ ⁱh_max、 t_i+1＝z₃ ⁱt_max。传感器实时监测冲头的运行状态，采用BP神经网络算法进行调控，使其在最好的运行状态下工作，以提高生产效率。

实施例二：

应用上述装置实现碳纤维复合材料与铝合金无铆钉铆接装置的方法包括以下步骤：

步骤一：通过数控CNC机床在碳纤维复合材料板4的中心切割出一个直径为8mm的通孔；

步骤二：将步骤一中的带有8mm的通孔的碳纤维复合材料板4 和铝合金5从下至上依次放在凹模上，冲头7、压边圈6、碳纤维复合材料板通孔与凹模同心放置，驱动压边圈6下移，直至压紧碳纤维复合材料板4和铝合金板5；

步骤三：将冲头7装入铆接机夹具中并锁紧，然后启动铆接机，将冲头7送入压边圈6的中心定位通孔中，冲头7在压边圈6的通孔中以规定的铆接速度向下运动冲压铝合金板5，弹簧垫块Ⅱ2和下模 3支撑碳纤维复合材料板4，以防止下板由于冲压力作用而产生损伤；铆接冲压过程中，弹簧垫块Ⅰ1抵住铝合金板5，引导金属均匀流动变形，产生流动压应力，直至弹簧垫块Ⅰ1完全嵌入弹簧垫块Ⅱ2凹槽中，两个垫块成为一体；

步骤四：弹簧垫块Ⅰ1和弹簧垫块Ⅱ2组合抵住铝合金板5，冲头继续冲压碳纤维复合材料板和铝合金板，直至弹簧Ⅱ2′完全压缩；铝合金板5在碳纤维复合材料板4的通孔处随着冲头的持续加压，金属向通孔的两侧流动形成自锁结构，直至冲头到达下止点，完成无铆钉铆接；

步骤五：对碳纤维复合材料与铝合金无铆钉铆接装置铆接机进行泄压，弹簧Ⅱ2回弹，产生回弹压力使接头二次成形，增大底切；冲头7向上运动回程，准备进行下一次铆接。

所述步骤三中的冲头7头部直径6mm，尾部部直径8mm，冲头 7高5mm。压边圈6中心定位通孔直径与冲头7针冲头体直径相同为 13mm，压边圈6外径与下模3外径相同。

Claims (9)

1.碳纤维复合材料与铝合金无铆钉铆接装置，其特征在于，包括压边圈(6)、冲头(7)和凹模；所述凹模包括弹簧垫块Ⅰ(1)、弹簧垫块Ⅱ(2)，弹簧Ⅰ(1′)、弹簧Ⅱ(2′)和下模(3)；

所述的压边圈(6)结构中心处设置一个用于定位冲头(7)的通孔，在铆接过程中，冲头(7)在压边圈(6)通孔中上下运动；

所述的冲头(7)为一体式结构，包括针体和针头；所述针体为圆柱状，所述针头为圆台状，针头圆台侧面有一个小的倾角，均向靠近针体中心线倾斜；针体与针头之间采用圆弧面过渡，针头圆台顶面与侧面也采用圆弧面过渡；

所述的弹簧垫块Ⅰ(1)为圆柱体式结构件，所述的弹簧垫块Ⅱ(2)为带有凹槽的圆柱体式结构件；

弹簧垫块Ⅱ(2)的凹槽位于弹簧垫块Ⅱ(2)顶面中心处，为圆柱体式凹槽，弹簧垫块Ⅱ(2)的凹槽底面尺寸与弹簧垫块Ⅰ(1)底面尺寸相同，弹簧垫块Ⅱ(2)的凹槽表面与弹簧垫块Ⅰ(1)侧面接触且可自由滑动；

弹簧Ⅰ(1′)为螺旋压缩弹簧，弹簧Ⅰ(1′)放置在弹簧垫块Ⅱ(2)凹槽内，弹簧Ⅰ(1′)的外径与弹簧垫块Ⅰ(1)底面直径相同；

弹簧Ⅱ(2′)为螺旋压缩弹簧，弹簧Ⅱ(2′)的外径与弹簧垫块Ⅱ(2)底面直径相同；

下模(3)为带有凹槽的圆柱体式结构件；下模(3)的凹槽位于下模(3)中心处，为圆柱体式凹槽，下模(3)的凹槽底面尺寸与弹簧垫块Ⅱ(2)底面尺寸相同，下模(3)的凹槽深度与弹簧垫块Ⅱ(2)高度和弹簧Ⅱ(2′)长度之和相同，下模(3)的凹槽表面与弹簧垫块Ⅱ(2)侧面接触且可自由滑动；弹簧Ⅱ(2′)放置在下模(3)凹槽内。

2.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料与铝合金无铆钉铆接装置，其特征在于，所述的弹簧垫块Ⅰ(1)的底面直径尺寸与碳纤维复合材料板(4)小孔孔径相同，弹簧垫块Ⅰ(1)的高与碳纤维复合材料板(4)的厚度相同，弹簧Ⅰ(1′)为螺旋压缩弹簧，放置在弹簧垫块Ⅱ(2)凹槽内，弹簧Ⅰ(1′)外径与弹簧垫块Ⅰ(1)底面直径相同，弹簧Ⅰ(1′)长度达到使弹簧垫块Ⅰ(1)在未冲压状态下完全抵住铝合金板(5)。

3.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料与铝合金无铆钉铆接装置，其特征在于，弹簧垫块Ⅰ(1)的底面直径为8mm，高为2mm；

弹簧Ⅰ(1′)由弹簧钢制成，刚度系数为K₁＝580N/mm，弹簧Ⅰ(1′)外径为8mm，在弹簧垫块Ⅰ(1)重力作用下的弹簧长度为2.5mm。

4.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料与铝合金无铆钉铆接装置，其特征在于，弹簧垫块Ⅱ(2)的底面尺寸与弹簧垫块Ⅰ(1)底面尺寸相同，弹簧垫块Ⅱ(2)的凹槽深度与弹簧Ⅰ(1′)在未冲压状态下的长度相同，弹簧垫块Ⅱ(2)的凹槽表面与弹簧垫块Ⅰ(1)侧面接触且可自由滑动；对弹簧垫块Ⅱ(2)的底面直径为碳纤维复合材料板(4)小孔直径的3倍，保证弹簧垫块Ⅱ(2)顶部与下板充分接触，以达到支撑下板的目的。

5.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料与铝合金无铆钉铆接装置，其特征在于，弹簧垫块Ⅱ(2)采用铝合金材料，弹簧垫块Ⅱ(2)的凹槽的底面直径为8mm，深度为2.5mm；垫块Ⅱ(2)的底面直径为24mm，高度为12mm；

弹簧Ⅱ(2′)由弹簧钢制成，刚度系数为K₂＝2180N/mm，弹簧外径为24mm，在弹簧垫块Ⅱ(2)重力作用下的弹簧长度为4mm。

6.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料与铝合金无铆钉铆接装置，其特征在于，下模(3)采用铝合金材料，下模(3)的凹槽的底面直径为24mm，深度为16mm；下模(3)的底面直径为40mm，高度为20mm。

7.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料与铝合金无铆钉铆接装置，其特征在于，冲头(7)针体直径13-15mm，针头顶部直径6-8mm，底部直径8-10mm，针头高5-7mm，压边圈(6)中心定位通孔直径与冲头(7)针体直径相同，压边圈外径与下模(3)外径相同。

8.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料与铝合金无铆钉铆接装置，其特征在于，应用上述装置实现碳纤维复合材料与铝合金无铆钉铆接装置的方法包括以下步骤：

步骤一：通过数控CNC机床在碳纤维复合材料板(4)的中心切割出一个直径为8-10mm的通孔；

步骤二：将步骤一中的带有8-10mm的通孔的碳纤维复合材料板(4)和铝合金板(5)从下至上依次放在凹模上，冲头(7)、压边圈(6)、碳纤维复合材料板(4)通孔与凹模同心放置，驱动压边圈(6)下移，直至压紧碳纤维复合材料板(4)和铝合金板(5)；

步骤三：启动碳纤维复合材料与铝合金无铆钉铆接装置，使冲头(7)以5-15m/s的速度冲压铝合金板(5)，直至弹簧垫块Ⅰ(1)完全嵌入弹簧垫块Ⅱ(2)凹槽中；

步骤四：冲头(7)继续冲压碳纤维复合材料板(4)和铝合金板(5)，直至弹簧Ⅱ(2′)完全压缩，铝合金板(5)在碳纤维复合材料板(4)的通孔处随着冲头的持续加压，金属向碳纤维复合材料板(4)通孔的两侧流动形成自锁结构，直至冲头(7)到达下止点，完成无铆钉铆接；

步骤五：对碳纤维复合材料与铝合金无铆钉铆接装置铆接机进行泄压，弹簧Ⅱ(2′)回弹，产生回弹压力使接头二次成形，增大底切；冲头(7)向上运动回程，准备进行下一次铆接。

9.根据权利要求8所述的碳纤维复合材料与铝合金无铆钉铆接装置，其特征在于，在步骤二之后，步骤三之前，对冲头(7)铆接速度、冲头(7)下止点高度和冲头(7)在下止点的停留时间进行基于BP神经网格的控制，其控制方法包括以下步骤：

S1：建立BP神经网格模型；

S2：进行BP神经网络的训练；

S3：采集数据输入神经网络，输出初始调控系数；

S4：对铆接速度、下止点高度、冲头在下止点停留时间进行调控。

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