CN205660962U - 碳纤维复合材料板的制备模具及其与铝合金板的无铆钉铆接模具 - 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无铆钉铆接模具，包括：上冲针，其针体处为圆柱状，针头处为圆锥体；下模具，其中心通孔处设置翻铆针，其针体由两段底面半径不同的圆柱体共同组成，翻铆针的针头为圆锥体。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无铆钉铆接 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无铆钉铆接模具。

背景技术

现如今，由于环境、能源问题的日益严峻，汽车轻量化技术飞速发展。为实现汽车的轻量化，使用轻质、高强度的新型材料将是一种有效的方法。碳纤维复合材料是一种新型复合材料，有着良好的力学性能，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着相对于传统的金属材料有着更高的比刚度、比强度、比吸能，同时单位质量远小于金属材料的优势，在汽车行业中的应用也越来越广泛。

为促使汽车轻量化的实现，必然导致在车身应用材料中，非金属复合材料所占比重显著提高，使金属与复合材料的组合机构件的数量有所增加。为实现汽车轻量化，金属材料与非金属材料之间的较高质量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，碳纤维复合材料最终的破坏形式是以上四种破坏形式的共同作用。然而现有的对于碳纤维复合材料板件的无铆钉连接过程中，碳纤维复合材料易发生脆性破坏，影响铆接接头的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流程：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。另一方面，由于碳纤维复合材料塑性较差，在铆接过程中，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无铆钉铆接模具，目的是解决现有技术中铆接过程中易发生脆性破坏、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；

其中，所述光孔与所述凸台底面之间采用圆弧过渡，所述光柱与所述凹槽底面之间采用圆弧过渡。

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无铆钉铆接模具，包括：

上冲针，其针体处为圆柱状，针头处为圆锥体；

下模具，其中心通孔处设置翻铆针，其针体由两段底面半径不同的圆柱体共同组成，所述翻铆针的针头为圆锥体；

其中，所述上冲针及所述翻铆针同心设置，所述铝合金板与所述碳纤维复合材料板同心放置在所述下模具上，并且与所述上冲针及所述翻铆针同心设置，所述上冲针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。

优选的是，所述圆锥体顶部为圆球体，所述针头与所述针体采用圆弧曲面过渡，所述针体的圆柱体之间采用圆弧曲面过渡。

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上冲针的通孔。

优选的是，所述上冲针及所述翻铆针为Cr12MoV钢。

本实用新型与现有技术相比较所具有的有益效果：

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板的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不需要发生变形，防止了碳纤维复合材料板发生基体开裂和纤维断裂等材料破坏形式，保证了铆接接头的力学性能；

3.本实用新型所述的铝合金板与碳纤维复合材料板的铆接模具中采用了冲翻孔的工艺，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，提高铆接接头的抗拉、抗剪和抗疲劳性能。

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无铆钉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无铆钉铆接模具中采用的带有通孔的铝合金板全剖视图；

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无铆钉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无铆钉铆接模具中在铆接过程中上冲针运动到下止点的工序；

图9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无铆钉铆接模具中在铆接过程中翻铆针运动到上止点的工序；

图10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无铆钉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，圆柱体光孔与长方体凸台底面之间采用圆弧过渡。

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，圆柱体光孔与长方体凸台底面之间采用半径为1.5mm的圆角过渡。

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，圆柱体光柱与长方体凹槽底面之间采用圆弧过渡。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。

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，圆柱体光孔与长方体凹槽底面之间采用半径为1.5mm的圆角过渡。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。

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和下凹模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，得到带有通孔并且在通孔底部与板件下表面呈圆角过渡的碳纤维复合材料板160。

在另一种实施例中，对预浸布进行超声处理，将预浸布浸泡到丙酮溶液中，超声20～30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，留作备用；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，先将预浸布浸泡在酚醛环氧乙烯基树脂中保持15～25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30℃～35℃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；在取出碳纤维复合材料板后，再将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60℃～80℃的条件下，保持15～25分钟后，自然冷却至室温，取出所述碳纤维复合材料板，此时可有效的降低碳纤维复合材料板的密度，从而对材料进行了减重。

如图5～9所示，本实用新型还提供了铝合金板与碳纤维复合材料板的无铆钉铆接模具，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无铆钉铆接装置由上冲针130，压边圈140，翻铆针170，下模180共同组成。

所述的上冲针130针体处为圆柱状，针头处为圆锥体。压边圈140结构的中心处设置有一个安装上冲针130的通孔，在铆接过程中，上冲针130在压边圈140通孔中上下运动。

所述的翻铆针170针体部分由两段底面半径不同的圆柱体共同组成，针头部分为圆锥体，圆锥体的顶部采用圆球体过渡，针头与针体件采用圆弧曲面过渡，针体结构中两个不同底面半径的圆柱体之间采用圆弧曲面过渡。下模180结构的中心处设置有一个安装翻铆针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。上冲针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。

如图5、图6和图7，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铝合金板150在中心部有直径为2—4mm的通孔。所述的碳纤维复合材料板160在中心部有直径为8—10mm的通孔，并且在通孔底部与板件下表面呈圆角过渡。铝合金板150的通孔、碳纤维复合材料板160的通孔与上冲针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。

在另一种实施例中，上冲针130及翻铆针170为Cr12MoV钢。

如图5～9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无铆钉铆接模具，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，将带有通孔的铝合金板150与所述制备成带有通孔的碳纤维复合材料板160同心放置在下模180上，铝合金板150在上碳纤维复合材料板160在下，驱动压边圈140压紧铝合金板150和碳纤维复合板160。

2.如图8，所述的铝合金板与碳纤维复合材料板的铆接过程中上冲针130沿着压边圈140中的通孔向下运动到下止点，在运动过程中上冲针130作用于铝合金板150的通孔处，同时施加力于铝合金板150，使铝合金板150由铝合金板150通孔处向碳纤维复合材料板160通孔方向挤压，铝合金板150在通孔处形成穿过碳纤维复合材料板160通孔并包裹上冲针130针体的薄壁圆管结构。达到下止点后上冲针130泄压向上运动回程，准备进行下一次铆接。

3.如图9，所述的铝合金板与碳纤维复合材料板的铆接过程中翻铆针170沿着下模180中的通孔向上运动到上止点，在运动过程中翻铆针170作用于步骤2中所述变形后的铝合金板150的薄壁圆筒结构，使薄壁圆筒结构底端部沿着翻铆针170针体部两底面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材料板160通孔的铆接接头，达到上止点后翻铆针170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和碳纤维复合材料板160的铆接件，进行下一次无铆钉铆接的准备工序。

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，通孔底部与板件下表面呈半径为1.5mm的圆角过渡，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无铆钉铆接模具的一种铆接过程的步骤如下：

1.取一块带直径为3mm通孔的铝合金板150。

2.制备一块带直径为8mm通孔的碳纤维复合材料板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160。

3.将带有通孔的铝合金板150与所述制备成带有通孔的碳纤维复合材料板160放置在下模180上，铝合金板150在上碳纤维复合材料板160在下，铝合金板150、碳纤维复合材料板160、上冲针130和翻铆针170同心布置，驱动压边圈140压紧铝合金板150和碳纤维复合板160。

4.驱动上冲针130沿着压边圈140中的通孔向下运动，上冲针130针体部分柱体底面圆半径为6mm，在运动过程中上冲针130作用于铝合金板150的通孔处，同时施加力于铝合金板150，使铝合金板150由铝合金板150通孔处向碳纤维复合材料板160通孔方向挤压，铝合金板150在通孔处形成穿过碳纤维复合材料板160通孔并包裹上冲针130针体的薄壁圆筒结构，薄壁圆筒的圆环内径为6mm厚度为1mm。达到下止点后上冲针130泄压向上运动回程，准备进行下一次铆接。

5.驱动翻铆针170沿着下模180中的通孔向上运动，在运动过程中翻铆针170作用于步骤140中所述变形后的铝合金板150的薄壁圆筒结构，使薄壁圆筒结构底端部沿着翻铆针170针体部两底面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材料板160通孔的铆接接头，翻铆针170达到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和碳纤维复合材料板160的铆接件，进行下一次无铆钉铆接的准备工序。

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；

其中，所述光孔与所述凸台底面之间采用圆弧过渡，所述光柱与所述凹槽底面之间采用圆弧过渡。

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无铆钉铆接模具，其特征在于，包括：

上冲针，其针体处为圆柱状，针头处为圆锥体；

下模具，其中心通孔处设置翻铆针，其针体由两段底面半径不同的圆柱体共同组成，所述翻铆针的针头为圆锥体；

其中，所述上冲针及所述翻铆针同心设置，所述铝合金板与所述碳纤维复合材料板同心放置在所述下模具上，并且与所述上冲针及所述翻铆针同心设置，所述上冲针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。

7.如权利要求6所述的碳纤维复合材料板与铝合金板的无铆钉铆接模具，其特征在于，所述圆锥体顶部为圆球体，所述针头与所述针体采用圆弧曲面过渡，所述针体的圆柱体之间采用圆弧曲面过渡。

8.如权利要求6所述的碳纤维复合材料板与铝合金板的无铆钉铆接模具，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上冲针的通孔。

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无铆钉铆接模具，其特征在于，所述上冲针及所述翻铆针为Cr12MoV钢。