CN109968680A - 一种基于脉冲电流的碳纤维复合材料与铝合金无铆钉铆接装置及方法 - Google Patents

一种基于脉冲电流的碳纤维复合材料与铝合金无铆钉铆接装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于脉冲电流的碳纤维复合材料与铝合金无铆钉铆接装置，包括：底座，其顶部开设有圆柱形凹槽；分瓣模，其匹配安装在所述底座上，所述分瓣模具有中心通孔；其中，所述分瓣模的中心通孔与所述底座的凹槽同轴；弹簧，其设置在所述底座的凹槽中；弹簧垫块，其一端可移动的穿过所述分瓣模的中心通孔并与所述弹簧的一端固定连接，另一端延伸至所述分瓣模的中心通孔外侧；压边圈，其具有中心通孔；冲头，其能够在所述压边圈的中心通孔内沿所述中心通孔的轴向往复运动；电源装置，其两极分别连接所述冲头及所述弹簧的另一端。同时，本发明还提供的基于脉冲电流的碳纤维复合材料与铝合金无铆钉铆接方法。

Description

一种基于脉冲电流的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
本发明属于碳纤维复合材料板与铝合金板的铆接技术领域，特别涉及一种基于脉冲电流的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
由于环保和节能的需要，汽车轻量化已成为当今汽车产业主要发展方向，而实现汽车轻量化的主要途径即为采用铝合金、碳纤维复合材料等轻质材料。轻质材料的使用可降低汽车的整备质量，从而减少了燃油消耗量，有效地提高整车动力性，满足节能减排的要求。
脉冲电流对金属材料的塑性变形以及组织结构与性能有着重要的影响。利用高强脉冲电流可以降低材料流动应力，提高材料塑性，在给定的电流密度下，应力降值随着变形量的增加呈线性增加；可以显著改善金属材料的加工性能及力学性能，改变疲劳损伤金属材料的位错组态，提高其疲劳寿命。
在碳纤维复合材料板与铝合金板铆接工艺中，碳纤维复合材料板需要预打孔。由于碳纤维复合材料板塑性差且微观结构复杂，其破坏形式也有纤维断裂、基体开裂等多种，从而铆接接头容易出现接头失效。因此，在现有的铆接工艺中，需要增加新的工艺方法，保证铝合金板和碳纤维复合材料板在铆接接头处的连接强度，得到质量良好的铆接接头。
发明内容
本发明提供了一种基于脉冲电流的碳纤维复合材料与铝合金无铆钉铆接装置，设有弹簧和弹簧垫块；其目的是在冲头冲压完成后，铆接接头形成自锁结构的基础上，利用弹簧的回弹力，对铆接接头二次成型，使铆接接头的连接更牢固。
本发明提供了一种基于脉冲电流的碳纤维复合材料与铝合金无铆钉铆接方法，其目的是通过脉冲电流提高铝合金的疲劳寿命，增加铝合金板塑性变形能力，降低成型阻力，同时通过控制脉冲电流的初始电流密度，能够进一步提升铆接强度。
本发明提供的技术方案为：
一种基于脉冲电流的碳纤维复合材料与铝合金无铆钉铆接装置，包括：
底座，其顶部开设有圆柱形凹槽；
分瓣模，其匹配安装在所述底座上，所述分瓣模具有中心通孔；
其中，所述分瓣模的中心通孔与所述底座的凹槽同轴；
弹簧，其设置在所述底座的凹槽中；
弹簧垫块，其一端可移动的穿过所述分瓣模的中心通孔并与所述弹簧的一端固定连接，另一端延伸至所述分瓣模的中心通孔外侧；
压边圈，其具有中心通孔；
冲头，其能够在所述压边圈的中心通孔内沿所述中心通孔的轴向往复运动；
电源装置，其两极分别连接所述冲头及所述弹簧的另一端。
优选的是，所述弹簧垫块为圆柱形，并且与所述分瓣模的中心通孔同轴设置。
优选的是，所述底座顶部在所述凹槽的外侧，设有圆环形的凸棱，所述凸棱与所述凹槽同轴。
优选的是，所述冲头包括同轴连接的针体和针头；
其中，所述针体为圆柱体，所述针头为圆台状，并且所述针头的外径小于所述针体的外径。
优选的是，所述电源装置的正极与所述冲头的针体连接，所述电源装置的负极与所述弹簧连接。
优选的是，所述弹簧为螺旋压缩弹簧，刚度系数为2900N/mm。
一种基于脉冲电流的碳纤维复合材料与铝合金无铆钉铆接方法，使用所述的基于脉冲电流的碳纤维复合材料与铝合金无铆钉铆接装置，包括如下步骤：
步骤一、在碳纤维复合材料板上开设预开孔；
步骤二、将所述碳纤维复合材料板与铝合金板依次放置在分瓣模上，使所述预开孔与分瓣模的中心通孔同轴，并且使弹簧垫块的一端穿过所述预开孔抵靠在所述铝合金板上；
步骤三、将压边圈放置在所述铝合金板上，并且使所述压边圈的中心通孔与所述预开孔同轴，驱动所述压边圈将所述铝合金板压紧；
步骤四、打开电源装置，使其产生脉冲电流；给冲头施加压力，使铝合金板在冲头挤压作用下变形，直至冲头达到下止点，铝合金板嵌入到碳纤维复合材料板的预开孔中，形成铆接接头；
步骤五、关闭电源装置，对冲头停止加压，弹簧回弹，使铆接接头受到反向挤压，完成二次成型。
优选的是，所述预开孔的直径与所述弹簧垫块的外径相同。
优选的是，在所述步骤四中，产生脉冲电流的初始电流密度为：
其中，J0为基础电流密度，l1为弹簧在初始状态的长度，l2为冲头达到下止点时弹簧的长度，d1为弹簧外径，K为弹簧刚度系数，K0为基准弹簧刚度系数，d为预开孔的直径，h为铝合金板的厚度。
本发明的有益效果是：
(1)本发明提供的碳纤维复合材料与铝合金无铆钉铆接的装置，设有弹簧及弹簧垫块，在冲头冲压完成后，铆接接头形成自锁结构的基础上，利用弹簧的回弹力，对铆接接头二次成型，使铆接接头的连接更牢固。
(2)本发明提供的碳纤维复合材料与铝合金无铆钉铆接装置，采用弹簧垫块，其顶面与铝合金板接触，内嵌于碳纤维复合材料板的预开孔中，压边圈、冲头、弹簧垫块、底座均同轴放置，易于碳纤维复合材料板与铝合金板定位。
(3)本发明提供的碳纤维复合材料与铝合金无铆钉铆接装置，采用分瓣模，增大了与碳纤维复合材料板的接触面积，在冲头冲压板材时，可减少碳纤维复合材料板与铝合金板的受压情况，防止板材发生损伤。
(4)本发明提供的碳纤维复合材料与铝合金无铆钉铆接方法，采用脉冲电流，能够改善金属材料性能，提高金属材料疲劳寿命，增加铝合金板塑性变形能力，同时成型阻力降低；并且在通入脉冲电流时，碳纤维复合材料板与铝合金板之间不会发生电化学腐蚀。
(5)本发明提供的碳纤维复合材料与铝合金无铆钉铆接的铆接方法，能够有效增加铆接接头的连接强度，对板材无损伤，安全环保。
附图说明
图1为本发明所述的基于脉冲电流的碳纤维复合材料与铝合金无铆钉铆接装置的总体结构示意图。
图2为本发明所述的底座结构示意图。
图3为本发明所述的分瓣模结构示意图。
图4为本发明所述的底座与分瓣模配合示意图。
图5为本发明所述的基于脉冲电流的碳纤维复合材料与铝合金无铆钉铆接方法流程示意图。
图6为本发明所述的碳纤维复合材料板与铝合金板示意图。
图7本发明所述的冲头下降至下止点的示意图。
图8本发明所述的完成二次成型的示意图。
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所示，本发明提供了一种基于脉冲电流的碳纤维复合材料与铝合金无铆钉铆接装置，包括底座110、分瓣模120、弹簧130、弹簧垫块140、压边圈150、冲头160及电源装置。
如图2所示，底座110为圆盘状结构，底座110的顶部中心开设有圆柱形凹槽111。作为优选，底座110的顶部在凹槽111的外侧，设有圆环形的凸棱112，凸棱112与凹槽111同轴。
如图3-4所示，分瓣模120由多个模瓣121组成，并且具有中心通孔122，分瓣模120在受到水平方向的外力时沿径向呈辐射状向外滑动。分瓣模120匹配安装在底座111上，分瓣模120的中心通孔122与底座上的凹槽111同轴。分瓣模120的外壁位于凸棱122的内侧。当分瓣模120沿径向呈辐射状向外滑动时，凸棱122对于分瓣模120起到限位作用。
采用分瓣模，增大了与碳纤维复合材料板的接触面积，在冲头冲压板材时，可减少碳纤维复合材料板与铝合金板的受压情况，防止板材发生损伤。
弹簧130同轴设置在底座110的凹槽111中，弹簧130为螺旋压缩弹簧。弹簧垫块140的下端可移动的穿过分瓣模的中心通孔122并与弹簧130的上端固定连接，弹簧垫块140的上端延伸至分瓣模的中心通孔122上方。作为优选，弹簧垫块140为圆柱状，并且与分瓣模的中心通孔122同轴设置。
压边圈150具有中心通孔151。冲头160连接驱动装置，并能够在驱动装置的驱动下，在压边圈150的中心通孔151内沿中心通孔151的轴向往复运动。
电源装置(图中未示出)的两极分别通过电线连接冲头160及弹簧130的下端。
在本实施例中，冲头160包括同轴连接的针体161和针头162；其中，所述针体161为圆柱体，所述针头162为圆台状，并且所述针头162的外径小于所述针体161的外径。所述电源装置的正极与冲头的针体162连接，所述电源装置的负极与弹簧130的下端连接。
如图5-8所示，本发明还提供了一种基于脉冲电流的碳纤维复合材料与铝合金无铆钉铆接方法，使用所述的基于脉冲电流的碳纤维复合材料与铝合金无铆钉铆接装置，包括如下步骤：
步骤一、在碳纤维复合材料板210上开设预开孔211，为保证定位效果，使预开孔211的直径与弹簧垫块140的外径相同。
步骤二、将碳纤维复合材料板210与铝合金板220依次放置在分瓣模120上，使预开孔211与分瓣模的中心通孔122同轴；并且使弹簧垫块140的上端穿过预开孔211抵靠在铝合金板220上。
步骤三、将压边圈150放置在铝合金板220上，并且使压边圈150的中心通孔151与碳纤维复合材料板210上的预开孔211同轴，驱动压边圈150将铝合金板220压紧。
步骤四、将电源装置的正负极分别与冲头160和弹簧130的下端相连接，打开电源装置，使其产生设定电流密度的矩形脉冲。同时给冲头160施加压力，让冲头160沿压边圈150的中心通孔151向下运动，当冲头160与铝合金板220接触时，通过铝合金板220使电源正负极连通，形成脉冲电流回路。当铝合金板220温度达到设定温度时，驱动冲头160继续向下运动，使铝合金板220在冲头160挤压作用下向下变形而部分进入碳纤维复合材料板210和分瓣模120的中心通孔122中，分瓣模120开始受到水平方向的外力并在底座110上沿径向呈辐射状向外滑动。同时，随着冲头160的持续下行，弹簧130逐渐压缩，电流密度随弹簧形变量的增加而线性递减。对冲头160持续加压，直至冲头160达到下止点，此时，铝合金板220在铆接位置嵌入到碳纤维复合材料板210的预开孔211，并形成一个卡扣状铆接接头。
步骤五、对冲头160停止加压，并且关闭产生脉冲电流的电源装置，弹簧130回弹，产生向上回弹的位移，推动铆接接头底面向上移动，增加铆接接头的连接强度，对铆接接头二次成型。直到弹簧130停止向上运动时，铆接接头的二次成型完成，至此无铆钉铆接工作完成，取下碳纤维复合材料板210与铝合金板220。
为进一步提高铆接强度，在所述步骤三中，产生脉冲电流的初始(设定)电流密度为：
其中，J0为基础电流密度，单位：A/mm2；l1为弹簧在初始状态的长度，单位：mm；l2为冲头达到下止点时弹簧的长度，单位：mm；d1为弹簧外径，K为弹簧刚度系数，单位：N/mm；K0为基准弹簧刚度系数，单位：N/mm；d为预开孔的直径，单位：mm；h为铝合金板的厚度，单位：mm。
实施例
对厚度为1.0mm的碳纤维复合材料板和厚度为1.5mm的铝合金板采用本发明提供的基于脉冲电流的碳纤维复合材料与铝合金无铆钉铆接装置及方法进行铆接。
步骤一、在碳纤维复合材料板上开设预开孔，预开孔直径为8mm。
步骤二、将碳纤维复合材料板与铝合金板依次放置在分瓣模上，使预开孔与分瓣模的中心通孔同轴；并且使弹簧垫块的上端穿过预开孔抵靠在铝合金板上。
步骤三、将压边圈放置在铝合金板上，并且使压边圈的中心通孔与碳纤维复合材料板上的预开孔同轴，驱动压边圈将铝合金板压紧。
步骤四、将电源装置的正负极分别与冲头和弹簧的下端相连接，打开电源装置，使其产生设定电流密度的矩形脉冲。同时给冲头施加压力，让冲头沿压边圈的中心通孔向下运动，当冲头与铝合金板接触时，通过铝合金板使电源正负极连通，形成脉冲电流回路。当铝合金板温度达到165℃时，驱动冲头继续向下运动，使铝合金板在冲头挤压作用下向下变形而部分进入碳纤维复合材料板和分瓣模的中心通孔中，分瓣模开始受到水平方向的外力并在底座上沿径向呈辐射状向外滑动。同时，随着冲头的持续下行，弹簧逐渐被压缩，电流密度随弹簧形变量的增加而线性递减。对冲头持续加压，直至冲头达到下止点，此时，铝合金板在铆接位置嵌入到碳纤维复合材料板的预开孔中，并形成一个卡扣状铆接接头。
其中，根据铆接材料设定基础电流密度J0＝135A/mm2；弹簧在初始状态的长度l1＝3.5mm；冲头达到下止点时弹簧的长度l2＝1mm；弹簧外径d1＝8mm；弹簧刚度系数K＝2900N/mm；设定基准弹簧刚度系数为K0＝2500N/mm。
根据上述参数，控制脉冲电流的初始(设定)电流密度为：
步骤五、对冲头停止加压，并且关闭产生脉冲电流的电源装置，弹簧回弹，产生向上回弹的位移，推动铆接接头底面向上移动，增加铆接接头的连接强度，对铆接接头二次成型。直到弹簧停止向上运动时，铆接接头的二次成型完成，至此无铆钉铆接工作完成，取下碳纤维复合材料板与铝合金板。
本发明提供的碳纤维复合材料与铝合金无铆钉铆接的装置，设有弹簧及弹簧垫块，在冲头冲压完成后，铆接接头形成自锁结构的基础上，利用弹簧的回弹力，对铆接接头二次成型，使铆接接头的连接更牢固。采用弹簧垫块，其顶面与铝合金板接触，内嵌于碳纤维复合材料板的预开孔中，压边圈、冲头、弹簧垫块、底座均同轴放置，易于碳纤维复合材料板与铝合金板定位。
本发明提供的碳纤维复合材料与铝合金无铆钉铆接方法，采用脉冲电流，能够改善金属材料性能，提高金属材料疲劳寿命，增加铝合金板塑性变形能力，同时成型阻力降低；并且在通入脉冲电流时，碳纤维复合材料板与铝合金板之间不会发生电化学腐蚀。并且能够有效增加铆接接头的连接强度，对板材无损伤，安全环保。
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)

1.一种基于脉冲电流的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：
底座，其顶部开设有圆柱形凹槽；
分瓣模，其匹配安装在所述底座上，所述分瓣模具有中心通孔；
其中，所述分瓣模的中心通孔与所述底座的凹槽同轴；
弹簧，其设置在所述底座的凹槽中；
弹簧垫块，其一端可移动的穿过所述分瓣模的中心通孔并与所述弹簧的一端固定连接，另一端延伸至所述分瓣模的中心通孔外侧；
压边圈，其具有中心通孔；
冲头，其能够在所述压边圈的中心通孔内沿所述中心通孔的轴向往复运动；
电源装置，其两极分别连接所述冲头及所述弹簧的另一端。
2.根据权利要求1所述的基于脉冲电流的碳纤维复合材料与铝合金无铆钉铆接装置，其特征在于，所述弹簧垫块为圆柱形，并且与所述分瓣模的中心通孔同轴设置。
3.根据权利要求2所述的基于脉冲电流的碳纤维复合材料与铝合金无铆钉铆接装置，其特征在于，所述底座顶部在所述凹槽的外侧，设有圆环形的凸棱，所述凸棱与所述凹槽同轴。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的基于脉冲电流的碳纤维复合材料与铝合金无铆钉铆接装置，其特征在于，所述冲头包括同轴连接的针体和针头；
其中，所述针体为圆柱体，所述针头为圆台状，并且所述针头的外径小于所述针体的外径。
5.根据权利要求4所述的基于脉冲电流的碳纤维复合材料与铝合金无铆钉铆接装置，其特征在于，所述电源装置的正极与所述冲头的针体连接，所述电源装置的负极与所述弹簧连接。
6.根据权利要求5所述的基于脉冲电流的碳纤维复合材料与铝合金无铆钉铆接装置，其特征在于，所述弹簧为螺旋压缩弹簧，刚度系数为2900N/mm。
7.一种基于脉冲电流的碳纤维复合材料与铝合金无铆钉铆接方法，其特征在于，使用权利要求1-6任意一项所述的基于脉冲电流的碳纤维复合材料与铝合金无铆钉铆接装置，包括如下步骤：
步骤一、在碳纤维复合材料板上开设预开孔；
步骤二、将所述碳纤维复合材料板与铝合金板依次放置在分瓣模上，使所述预开孔与分瓣模的中心通孔同轴，并且使弹簧垫块的一端穿过所述预开孔抵靠在所述铝合金板上；
步骤三、将压边圈放置在所述铝合金板上，并且使所述压边圈的中心通孔与所述预开孔同轴，驱动所述压边圈将所述铝合金板压紧；
步骤四、打开电源装置，使其产生脉冲电流；给冲头施加压力，使铝合金板在冲头挤压作用下变形，直至冲头达到下止点，铝合金板嵌入到碳纤维复合材料板的预开孔中，形成铆接接头；
步骤五、关闭电源装置，对冲头停止加压，弹簧回弹，使铆接接头受到反向挤压，完成二次成型。
8.根据权利要求7所述的基于脉冲电流的碳纤维复合材料与铝合金无铆钉铆接方法，其特征在于，所述预开孔的直径与所述弹簧垫块的外径相同。
9.根据权利要求8所述的基于脉冲电流的碳纤维复合材料与铝合金无铆钉铆接方法，其特征在于，在所述步骤四中，产生脉冲电流的初始电流密度为：
其中，J0为基础电流密度，l1为弹簧在初始状态的长度，l2为冲头达到下止点时弹簧的长度，d1为弹簧外径，K为弹簧刚度系数，K0为基准弹簧刚度系数，d为预开孔的直径，h为铝合金板的厚度。
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