CN205255328U - 碳纤维复合材料板的制备模具及其与铝合金板的自冲铆接模具 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了碳纤维复合材料板的制备模具，包括：上凸模，其为长方体式结构件，在长方体下表面设置长方体凸台，在凸台中心处设置光孔；下凹模，其为长方体式结构件，在长方体上表面设置长方体凹槽，其能够与长方体凸台相配合扣合，凹槽的中心处设置光柱，其能够插入到光孔中。本实用新型还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，其为圆柱状结构件；凹模主体，其中心位置处设置凹模型腔，凹模型腔侧壁为光孔圆柱侧壁，中心处为圆锥体凸台。本实用新型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模具及其与铝合金板的自冲铆接模具

技术领域

本实用新型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模具及其与铝合金板的自冲铆接模具。

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。

实用新型内容

本实用新型设计开发了碳纤维复合材料板的制备模具，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。

本实用新型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，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。

本实用新型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。

本实用新型提供的技术方案为：

碳纤维复合材料板的制备模具，包括：

上凸模，其为长方体式结构件，在所述长方体下表面中心处设置长方体凸台，在凸台中心处设置光孔；

下凹模，其为长方体式结构件，在所述长方体上表面中心处设置长方体凹槽，其能够与所述长方体凸台相配合扣合，所述凹槽的中心处设置光柱，其能够插入到所述光孔中；所述长方体凹槽侧壁中点处设置半圆形通孔。

优选的是，

所述光孔包括圆柱体光孔及圆锥体光孔，其中，靠近所述长方体凸台的光孔为所述圆柱体光孔，远离所述长方体凸台的光孔为所述圆锥体光孔；

所述光柱包括圆柱体光柱及圆锥体光柱，其中，靠近所述长方体凹槽的光柱为所述圆柱体光柱，远离所述长方体凹槽的光柱为所述圆锥体光柱。

优选的是，

所述圆柱体光孔与所述圆锥体光孔之间采用圆弧过渡；

所述圆柱体光柱与所述圆锥体光柱之间采用圆弧过渡。

优选的是，所述圆锥体光孔及所述圆锥体光柱在锥尖处设置为球面。

优选的是，所述上凸模及所述下凹模为铝合金材料。

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，其为圆柱状结构件；

凹模主体，其中心位置处设置凹模型腔，所述凹模型腔侧壁为光孔圆柱侧壁，中心处为圆锥体凸台；

所述冲头及所述凹模型腔同心设置，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，并且与所述冲头同心设置，所述冲头在运动过程中将所述铆钉张开并带入到所述碳纤维复合材料板及所述铝合金板共同进入所述凹模型腔中，进而形成机械互锁。

优选的是，所述圆柱状结构件的圆柱底面与柱面之间采用圆角过渡；所述圆锥体凸台顶端采用圆球体过渡，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。

优选的是，还包括：压边圈，其用于压紧碳纤维复合材料板及铝合金板，所述压边圈中心处设置安装所述冲头的通孔。

优选的是，所述冲头为Cr12MoV钢。

本实用新型与现有技术相比较所具有的有益效果为：

1.本实用新型所述的碳纤维复合材料板的制备模具能够制备出一体成型的带有通孔的碳纤维复合材料板，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；

2.本实用新型所述的铝合金板与碳纤维复合材料的自冲铆接模具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；

3.本实用新型所述的铝合金板与碳纤维复合材料板的自冲铆接模具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；

4.本实用新型所述的铝合金板与碳纤维复合材料板的自冲铆接模具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。

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为本实用新型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为本实用新型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为本实用新型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为本实用新型所述的铝合金板与碳纤维复合材料板之间的自冲铆接模具结构组成示意图；

图6为本实用新型所述的铝合金板与碳纤维复合材料板之间的自冲铆接模具中采用的带有通孔的碳纤维复合材料板全剖视图；

图7为本实用新型所述的铝合金板与碳纤维复合材料板之间的自冲铆接模具中在铆接过程中冲头运动到下止点的工序；

图8为本实用新型所述的铝合金板与碳纤维复合材料板之间的自冲铆接模具使用方式的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型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，本实用新型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。

通过使用本实用新型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，本实用新型的一种制备带有通孔的碳纤维复合材料板制备过程，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，本实用新型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模具，包括：

如图5，所述的铝合金板与碳纤维复合材料板的铆接模具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模具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。

在另一种实施例中，冲头130为Cr12MoV钢。

如图5～8所示，通过使用本实用新型提供的铝合金板与碳纤维复合材料板的自冲铆接模具，本实用新型的一种铆接铝合金板与碳纤维复合材料板的铆接过程的步骤如下：

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。

实施例：

应用本实用新型所述的带有通孔的碳纤维复合材料板的制备模具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。

本实用新型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过程的步骤如下：

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。

尽管本实用新型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实用新型的领域，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，本实用新型并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (9)

1.碳纤维复合材料板的制备模具，其特征在于，包括：

上凸模，其为长方体式结构件，在所述长方体下表面中心处设置长方体凸台，在凸台中心处设置光孔；

下凹模，其为长方体式结构件，在所述长方体上表面中心处设置长方体凹槽，其能够与所述长方体凸台相配合扣合，所述凹槽的中心处设置光柱，其能够插入到所述光孔中；所述长方体凹槽侧壁中点处设置半圆形通孔。

2.如权利要求1所述的碳纤维复合材料板的制备模具，其特征在于，

所述光孔包括圆柱体光孔及圆锥体光孔，其中，靠近所述长方体凸台的光孔为所述圆柱体光孔，远离所述长方体凸台的光孔为所述圆锥体光孔；

所述光柱包括圆柱体光柱及圆锥体光柱，其中，靠近所述长方体凹槽的光柱为所述圆柱体光柱，远离所述长方体凹槽的光柱为所述圆锥体光柱。

3.如权利要求2所述的碳纤维复合材料板的制备模具，其特征在于，

所述圆柱体光孔与所述圆锥体光孔之间采用圆弧过渡；

所述圆柱体光柱与所述圆锥体光柱之间采用圆弧过渡。

4.如权利要求2所述的碳纤维复合材料板的制备模具，其特征在于，所述圆锥体光孔及所述圆锥体光柱在锥尖处设置为球面。

5.如权利要求1-4中任一项所述的碳纤维复合材料板的制备模具，其特征在于，所述上凸模及所述下凹模为铝合金材料。

6.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，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，其为圆柱状结构件；

凹模主体，其中心位置处设置凹模型腔，所述凹模型腔侧壁为光孔圆柱侧壁，中心处为圆锥体凸台；

所述冲头及所述凹模型腔同心设置，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，并且与所述冲头同心设置，所述冲头在运动过程中将所述铆钉张开并带入到所述碳纤维复合材料板及所述铝合金板共同进入所述凹模型腔中，进而形成机械互锁。

7.如权利要求6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，所述圆柱状结构件的圆柱底面与柱面之间采用圆角过渡；所述圆锥体凸台顶端采用圆球体过渡，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。

8.如权利要求6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，还包括：压边圈，其用于压紧碳纤维复合材料板及铝合金板，所述压边圈中心处设置安装所述冲头的通孔。

9.如权利要求6-8中任一项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Cr12MoV钢。