CN214164097U - 一种热塑性碳纤维复合材料与铝合金的摩擦铆接装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种热塑性碳纤维复合材料与铝合金的摩擦铆接装置，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，所述圆形凹槽底面向上凸起呈圆锥状；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同轴设置；驱动杆，其同轴设置在所述中心孔内部，能够沿所述中心孔进行旋转运动和轴向进给运动；铆钉，其包括依次连接的钉帽、钉颈和钉脚，所述钉帽与所述驱动杆相互卡合；连接件，其设置在所述凹模与压边圈之间；真空隔热管，其过盈设置在所述中心孔内部；铆钉套，其套设在所述钉帽、钉颈和驱动杆的外侧，且所述铆钉套与所述真空隔热管间隙配合。本实用新型具有提高接头成形效果的特点。

Description

一种热塑性碳纤维复合材料与铝合金的摩擦铆接装置

技术领域

本实用新型涉及热塑性碳纤维复合材料板与铝合金板的铆接技术领域，更具体的是，本实用新型涉及一种热塑性碳纤维复合材料与铝合金的摩擦铆接装置。

背景技术

在汽车轻量化的要求下，复合材料、轻合金材料作为轻量化的主要材料被应用于轻结构产品中。热塑性碳纤维复合材料具有高韧性、高抗冲击和损伤容限、无限预浸料存储期、成型周期短、可回收利用、易修复等显著特征，具备环保、高效及高性能优势，在车身上的应用越来越广泛。

随着热塑性碳纤维复合材料在车身上的应用越来越广泛，随之而来的难点是，在与传统金属材料连接时，一些常见连接方式如胶接、铆接和焊接，在连接这些轻量化需求材料时会出现各种技术和经济缺陷，导致连接失效或成本极高。碳纤维复合材料作为一种脆性材料在变形过程中塑性变形很小，延展性相比金属材料相差很多，在铆接时严重情况下可能产生裂纹，甚至断裂，影响接头性能。因此，需要使用新技术，来解决接头处的这些问题，并且进一步提高接头的性能。

实用新型内容

本实用新型的目的是设计开发了一种热塑性碳纤维复合材料与铝合金的摩擦铆接装置，利用铆钉的旋转摩擦获得固相焊接效应，同时保留传统铆接的变形自锁特性，根据复合材料特点，确定铆接区域温度，调节驱动杆的旋转速度和轴向进给速度，提高接头的连接强度。

本实用新型提供的技术方案为：

一种热塑性碳纤维复合材料与铝合金的摩擦铆接装置，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，所述圆形凹槽底面向上凸起呈圆锥状；

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同轴设置；

驱动杆，其同轴设置在所述中心孔内部，能够沿所述中心孔进行旋转运动和轴向进给运动；

铆钉，其包括依次连接的钉帽、钉颈和钉脚，所述钉帽与所述驱动杆相互卡合；

连接件，其设置在所述凹模与压边圈之间；

真空隔热管，其过盈设置在所述中心孔内部；

铆钉套，其套设在所述钉帽、钉颈和驱动杆的外侧，且所述铆钉套与所述真空隔热管间隙配合。

优选的是，还包括：

过孔，其设置在所述压边圈下部并与所述中心孔连接。

优选的是，所述圆形凹槽的顶面直径为20mm，所述圆形凹槽的深度为0-10mm。

优选的是，所述驱动杆的底部设置有顶尖，所述顶尖的形状为多棱柱形、多棱台形或十字形，并且所述顶尖与所述钉帽相互卡合。

优选的是，所述钉脚设置有开叉口，所述开叉口边缘处为圆弧状。

优选的是，所述压边圈的高度为20mm，所述中心孔的直径为20mm，所述驱动杆的直径为12mm，所述铆钉的直径与所述驱动杆的直径相同，所述铆钉的高度为0-40mm。

优选的是，所述钉脚的高度为0-20mm，所述铆钉套的高度为40mm，所述过孔的孔径为1mm。

优选的是，所述铆钉的材质为碳钢、钛合金、镍基高温合金或硬质合金材料。

优选的是，还包括：

温度传感器，其设置在所述过孔与所述中心孔的连接处；

速度传感器，其设置在所述驱动杆上，用于检测转动速度和下降速度。

本实用新型所述的有益效果：

1.本实用新型提供的热塑性碳纤维复合材料与铝合金的摩擦铆接装置，克服了碳纤维复合材料因为室温时的脆性性能而导致的接头破坏，通过铆钉相对热塑性碳纤维复合材料板旋转摩擦，使热塑性碳纤维复合材料板连接区域产生一定的温度分布，提高热塑性碳纤维板材的塑性流动效果，提高接头成形效果。

2.本实用新型提供的热塑性碳纤维复合材料与铝合金的摩擦铆接装置制备的接头兼顾铆接以及焊接方式的优点，并且克服了相应的一些缺陷；与传统铆接技术相比，摩擦铆接不破坏热塑性碳纤维复合材料板的整体性，无打孔所致的多余物，噪声小，绿色环保；与胶接技术相比，摩擦铆接不需胶粘剂，克服了涂胶粘合工艺在抗高温、耐冲击、抗老化性能方面存在的安全隐患，接头成形后，铆钉固定在了接头上，保证了接头的承载能力；与特殊焊接相比，成本相对较低，工序简单，生产效率高，可实现流程化，便于生产线集成。

3.本实用新型提供的热塑性碳纤维复合材料与铝合金的摩擦铆接装置根据复合材料特点，确定铆接区域温度，通过调节驱动杆的旋转速度和轴向进给速度，进而调节温度，提高铆接效果，避免因为温度不适产生的板材裂纹及断裂现象。

附图说明

图1是本实用新型所述热塑性碳纤维复合材料与铝合金的摩擦铆接装置的剖视结构示意图。

图2为本实用新型所述铆钉驱动系统的结构示意图。

图3为本实用新型所述压边圈的结构示意图。

图4为本实用新型所述摩擦铆接的第一步工艺流程图。

图5为本实用新型所述摩擦铆接的第二步工艺流程图。

图6为本实用新型所述摩擦铆接的第三步工艺流程图。

图7为本实用新型所述摩擦铆接的第四步工艺流程图。

图8为本实用新型所述摩擦铆接接头的成形效果图。

图9为本实用新型所述“速度-温度”监控系统的构成图。

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。

热塑性复合材料在加热到一定温度后可以产生塑性流动效果，并在冷却后恢复其初始性能，故可利用热塑性复合材料在高温下产生的软化流动性能进行异种材料的连接。

如图1所示，本实用新型所述的热塑性碳纤维复合材料与铝合金的摩擦铆接装置，具体包括：凹模111、压边圈121、真空隔热管122、过孔123、驱动杆131、铆钉140、铆钉套150和连接件，其中，所述凹模111的下部为实心圆柱形结构，上部中心设置有圆形凹槽112，所述圆形凹槽112底面向上凸起呈圆锥状；如图3所示，所述压边圈121为圆柱形结构且中心设置有圆柱形中心孔124，所述压边圈121设置在所述凹模111上方并与其同轴设置；连接件包括热塑性碳纤维复合材料板161和铝合金板162，所述热塑性碳纤维复合材料板161和铝合金板162设置在所述凹模111与压边圈121之间，且所述热塑性碳纤维复合材料板161在上；真空隔热管122过盈设置在所述中心孔124的内部；过孔123设置在所述压边圈121下部并与所述中心孔124连接；驱动杆131为圆柱形结构，同轴设置在所述中心孔124内部，能够沿所述中心孔124进行旋转运动和轴向进给运动。

如图2所示，所述驱动杆131的底部设置有顶尖132，顶尖132是与铆钉140配合工作的关键部位，所述顶尖132的形状为多棱柱形、多棱台形或十字形；铆钉140包括依次连接的钉帽141、钉颈142和钉脚143，钉帽141、钉颈142和钉脚143为一体结构，所述钉帽141与所述顶尖132相互卡合，通过顶尖132与钉帽141的配合带动铆钉运动；并且铆钉140为实心铆钉，铆钉140的整体直径与驱动杆131一致为12mm，钉帽141上方设有凹槽，凹槽形状与顶尖132一致可与驱动杆131相配合；钉脚143设置有开叉口，开叉口边缘处用圆弧段过度，开叉口设计可以提高铆钉140旋转摩擦时产生的热量，同时可以减轻铆钉140的质量，钉脚143开叉口厚度为2mm、高度可设置为0-20mm(具体高度应以略小于板材总体厚度为宜，如两块板材各自厚度为10mm，那么钉脚143开叉口高度可设置为16mm，)、钉脚143的高度与板材总厚度一致、钉帽141和钉颈142的高度可设置为20mm，铆钉143的整体高度可设置为0-40mm(具体高度以钉脚143高度为准，钉脚143的高度加上钉帽141和钉颈142的高度为铆钉140的整体高度)。

由于铆钉140的旋转进给运动，所以对铆钉140的材质有一定的要求，作为优选的，铆钉140的材质可以选用碳钢、钛合金、镍基高温合金、硬质合金等材料。

铆钉140的外侧设置有铆钉套150，铆钉套150为空心圆柱形结构，铆钉套150的内径为12mm，与铆钉140和驱动杆131大小一致，外径为20mm。铆钉套150的高度为40mm，铆钉套150下部包裹钉帽141和钉颈142部位，上部可包裹驱动杆131。铆钉套150内部设置有螺纹，便于紧固铆钉140与驱动杆131，防止摩擦铆接过程中，驱动杆131与铆钉140脱落。

所述圆形凹槽112的顶面直径为20mm，所述圆形凹槽112的深度为0-10mm(圆形凹槽112的深度112以板材厚度为准，若板材厚度为10mm，则圆形凹槽112的深度以4mm为宜)，圆形凹槽112的容积与钉脚143体积大致相当，所述压边圈121的高度为20mm，所述中心孔124的直径为20mm，所述驱动杆131的直径为12mm，所述铆钉140的直径与所述驱动杆131的直径相同，所述铆钉140的高度为0-40mm，所述钉脚143的高度为0-20mm，所述铆钉套150的高度为40mm，所述过孔123的孔径为1mm。

如图9所示，本实用新型所述的热塑性碳纤维复合材料与铝合金的摩擦铆接装置还包括：温度传感器171、速度传感器172和管理器173，温度传感器171设置在所述过孔123与所述中心孔124的连接处；速度传感器172设置在所述驱动杆131上，用于检测转动速度和下降速度；管理器173与所述温度传感器171和速度传感器172相连接，用于保持铆接温度。

本实用新型提供的热塑性碳纤维复合材料与铝合金的摩擦铆接装置，通过铆钉140相对热塑性碳纤维复合材料板161旋转摩擦，使热塑性碳纤维复合材料板161连接区域产生一定的温度分布，通过铆钉140轴向进给和相对旋转产生热塑性碳纤维复合材料板161塑化流动，从而产生一种动态铆焊状态，可产生固相焊接效应，显著改善连接接头的连接强度，且不破坏热塑性碳纤维复合材料板161的整体性，保证了结构的承载能力。

本实用新型提供的热塑性碳纤维复合材料与铝合金的摩擦铆接装置的工作过程具体包括如下步骤：

步骤一、将待铆接的热塑性碳纤维复合材料板与铝合金板放置于凹模和压边圈之间并压紧，其中所述热塑性碳纤维复合材料板在上；

步骤二、将铆钉套、铆钉和驱动杆装配并对中找正，由所述驱动杆带动铆钉转动，同时轴向伺服给进；

步骤三、当所述铆钉与热塑性碳纤维复合材料板接触并产生摩擦后，进入所述热塑性碳纤维复合材料板时，此时铆钉转速相比初始速度减小，轴向力也在不断减小，在压力和摩擦热的作用下，所述热塑性碳纤维复合材料板局部升温软化，热塑性碳纤维复合材料板在高温作用下产生塑性软化流动现象，提高了板材的延展性，铆钉同时也被软化，如图9所示，同时“速度-温度”监控系统在检测铆接区域温度，判定温度是否合适，实时调控驱动杆的速度，使得铆接温度可以保持在合适的范围内，保证板材的性能，提高接头强度；随着铆钉旋转与轴向进给的不断进行，铆钉变形产生自锁，在连接区域形成了铆焊状态，根据铆接温度调节驱动杆的旋转速度和轴向进给速度，直至所述热塑性碳纤维复合材料板与铝合金板之间的连接区域达到最佳铆焊状态值时，让驱动杆停止运动，铆钉相对母材急停，冷却观察一段时间，待接头状态稳定后，再缓慢取出接头，铆接接头完成。

其中，所述步骤三中的旋转速度满足：

式中，V_f为旋转速度，ξ为旋转因子，T为铆接温度，F_V为初始施加压力，m为铆钉质量，V_b为驱动杆的初始旋转速度，D_V为热塑性碳纤维复合材料板的厚度，D_b为铝合金板的厚度；

所述轴向进给速度满足：

式中，V_h为轴向进给速度，ψ为轴向进给因子，V_k为初始进给速度。

作为优选的是，所述铆钉的初始旋转速度为300-10000r/min，初始施加压力为0-5000N，根据碳纤维种类不同取不同的温度区间，所述铆接温度的参考温度区间可设为100℃～120℃，铆钉轴向进给速度的范围为：500mm/s～800mm/s，铆钉的旋转速度范围为：300r/min～10000r/min。

所述最佳铆焊状态为：所述热塑性碳纤维复合材料板与铝合金板之间相互结合，所述铆钉与板材之间出现环状锚钩形态并且形成机械自锁效应。

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)

1.一种热塑性碳纤维复合材料与铝合金的摩擦铆接装置，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，所述圆形凹槽底面向上凸起呈圆锥状；

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同轴设置；

驱动杆，其同轴设置在所述中心孔内部，能够沿所述中心孔进行旋转运动和轴向进给运动；

铆钉，其包括依次连接的钉帽、钉颈和钉脚，所述钉帽与所述驱动杆相互卡合；

连接件，其设置在所述凹模与压边圈之间；

真空隔热管，其过盈设置在所述中心孔内部；

铆钉套，其套设在所述钉帽、钉颈和驱动杆的外侧，且所述铆钉套与所述真空隔热管间隙配合。

2.如权利要求1所述的热塑性碳纤维复合材料与铝合金的摩擦铆接装置，其特征在于，还包括：

过孔，其设置在所述压边圈下部并与所述中心孔连接。

3.如权利要求2所述的热塑性碳纤维复合材料与铝合金的摩擦铆接装置，其特征在于，所述圆形凹槽的顶面直径为20mm，所述圆形凹槽的深度为0-10mm。

4.如权利要求3所述的热塑性碳纤维复合材料与铝合金的摩擦铆接装置，其特征在于，所述驱动杆的底部设置有顶尖，所述顶尖的形状为多棱柱形、多棱台形或十字形，并且所述顶尖与所述钉帽相互卡合。

5.如权利要求4所述的热塑性碳纤维复合材料与铝合金的摩擦铆接装置，其特征在于，所述钉脚设置有开叉口，所述开叉口边缘处为圆弧状。

6.如权利要求5所述的热塑性碳纤维复合材料与铝合金的摩擦铆接装置，其特征在于，所述压边圈的高度为20mm，所述中心孔的直径为20mm，所述驱动杆的直径为12mm，所述铆钉的直径与所述驱动杆的直径相同，所述铆钉的高度为0-40mm。

7.如权利要求6所述的热塑性碳纤维复合材料与铝合金的摩擦铆接装置，其特征在于，所述钉脚的高度为0-20mm，所述铆钉套的高度为40mm，所述过孔的孔径为1mm。

8.如权利要求7所述的热塑性碳纤维复合材料与铝合金的摩擦铆接装置，其特征在于，所述铆钉的材质为碳钢、钛合金、镍基高温合金或硬质合金材料。

9.如权利要求8所述的热塑性碳纤维复合材料与铝合金的摩擦铆接装置，其特征在于，还包括：

温度传感器，其设置在所述过孔与所述中心孔的连接处；

速度传感器，其设置在所述驱动杆上，用于检测转动速度和下降速度。

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