一种合金板与碳纤维复合材料板之间的拉铆装置及拉铆方法与流程

本发明涉及一种铝合金板与碳纤维复合材料板的拉铆铆接连接方法，更具体地说，本发明涉及开孔碳纤维复合材料板的制备方法以及开孔碳纤维复合材料板与铝合金板之间的拉铆铆接方法。

背景技术：

汽车工业的发展与世界能源、环境问题日益激烈的矛盾促进了汽车轻量化理念的发展。高强钢、碳纤维复合材料具有较高的比强度使其在汽车车身上的应用比重逐年上升，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为其在汽车行业的发展提供了更广阔的空间。

碳纤维复合材料在汽车上和其它板件的连接通常使用胶接和机械连接。机械连接适用于承受高载荷和复杂载荷的接头部位,并且具有易检查、可靠性高、可重复装配和对环境疲劳影响不敏感等特点，因此目前机械连接在复合材料的连接中占主要地位,对于大型复杂结构件尤是如此。机械连接中铆接是一种新型的轻量化连接技术，通常应用于同种金属或者异种金属的连接。碳纤维复合材料在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。

在复合材料的铆接中,一般禁止用冲击型铆枪锤击铆接,以防止复合材料受冲击损伤；而压铆对于大型复杂部件又受到尺寸的限制,只能在端框等个别部位使用；因此对于大型复合材料结构件是用环槽铆钉进行拉铆。

现有的拉铆工艺是建立在预钻孔的基础上的，由于碳纤维复合材料在钻孔过程中破坏形式过于复杂，如树脂基质破坏、纤维断裂等，严重降低了接头处材料的力学性能。另一方面，由于是在预钻孔后再进行拉铆操作，增加了加工工序，降低了连接效率，提高了生产成本。

因此，在现有的拉铆工艺中，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，同时通过改进原有的工艺方法来提高连接效率，在得到性能良好的铆接件的前提下降低成本。

技术实现要素：

本发明所要解决的问题是采用特制抽芯铆钉，结合热熔钻原理和拉铆工艺，可实现单面铆接，提高了连接效率。

本发明还有一个目的是提供了一种铝合金板与碳纤维复合材料板之间的拉铆铆接方法，在拉铆过程中碳纤维复合材料板几乎不发生变形，提高现有拉铆铆接工艺中铝合金板与碳纤维复合材料板铆接接头的力学性能。

本发明提供的技术方案为：

一种铝合金板与碳纤维复合材料板之间的拉铆装置，包括：

凹模主体，其为圆柱体，并在中心处设置第一通孔；

压边圈，其为圆柱体，所述压边圈中心具有第二通孔；

抽芯铆钉芯棒，其为柱体；

抽芯铆钉钻头，其为圆锥体，所述圆锥体底面一体连接所述抽芯铆钉芯棒，且所述圆锥体的底面直径大于所述抽芯铆钉芯棒直径；

铆体，其中心具有钉孔，所述钉孔内径与所述抽芯铆钉芯棒直径相同。

优选的是，所述第一通孔的直径大于所述第二通孔的直径。

优选的是，所述铆体包括：

钉体，其为柱形；

钉帽，其与所述钉体一体成型，且外径大于所述钉体；

其中，所述铆体中心具有贯穿的通孔。

优选的是，还包括：小钻头，其为锥形钻头，设置在所述抽芯铆钉钻头顶部。

优选的是，所述凹模主体、所述压边圈、所述抽芯铆钉芯棒、所述抽芯铆钉钻头和所述铆体均同轴设置。

一种铝合金板与碳纤维复合材料板之间的拉铆铆接方法，包括以下步骤：

步骤一：首先制备出一块带有通孔的碳纤维复合材料板；

步骤二：将待铆接的铝合金板和带有通孔的碳纤维复合材料板置于凹模之上，所述铝合金板在上，所述碳纤维复合材料板在下，驱动压边圈下移至将两块板件压紧；

步骤三：将夹头装入刀柄，再将抽芯铆钉芯棒装入夹头并锁紧，然后将刀柄接入钻床，以速度v下压手柄；

步骤四：特制抽芯铆钉钻头下移与铝合金板上端面接触，钻削铝合金板的同时金属流动形成铝合金衬套，直至特制抽芯铆钉钻头到达下止点，完全钻透铝合金板的同时形成具有一定厚度的衬套；

步骤五：夹头夹紧芯棒向上运动，产生向上拉力，对特制抽芯铆钉铆体产生压力，铆体压缩变形形成铆钉头，同时芯棒由于缩颈处断裂被拉出，铆接完成，进行下一次铆接。

优选的是，带有通孔的碳纤维复合材料板采用如下装置制备，包括：

上凸模，其为长方体，所述上凸模下表面中心设置有长方体凸台，所述凸台中心设置有组合孔；

下凸模，其为长方体，所述下凸模上表面中心设置有长方体凹槽，所述凹槽中心具有组合柱，所述组合柱能够深入所述组合孔。

优选的是，所述组合孔，包括：

锥形部，其为圆锥形孔，所述圆锥孔顶部靠近所述上凸模上表面；

圆柱部，其为柱形孔靠近所述上凸模下表面，所述锥形部与所述圆柱部采用圆弧过渡；

所述组合柱，包括：

锥形柱，其为圆锥形柱，所述圆锥孔顶部靠近所述下凸模上表面；

圆柱，其为圆柱形，靠近所述下凸模下表面，所述锥形柱与所述圆柱采用圆弧过渡。

优选的是，所述带有通孔的碳纤维复合材料板制备方法，包括：

首先，完成碳纤维布预浸工序，并将碳纤维复合材料预浸布剪裁好，平铺放入下凹模内的凹槽处，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中的组合柱，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；

然后，将上凸模与下凹模合装到一起，使上凸模和下凸模成的合模共同加热进行预浸布凝胶；

接着，在上凸模与下凹模合装状态下对上凸模和下凹模均施加一定的压力，在加压的同时提高合装后装置的温度并保持一段时间，完成树脂的固化；

最后，降低上凸模与下凹模合装后装置温度，分离上凸模与下凹模，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。

优选的是，所述手柄下压速度v的计算公式为：

其中，k为系数，等于0.67；l为铆体直径；d1为碳纤维复合材料板厚度；d2为铝合金板厚度，γ1为碳纤维复合材料板抗剪强度；γ2为铝合金板抗剪强度；a为碳纤维复合材料板通孔截面积；σbs为碳纤维复合材料板的许用挤压应力；σas为铝合金板的许用挤压应力；d为衬套厚度，约为2—3倍铝合金板厚；t为2—2.5s

本发明的有益效果

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，在碳纤维复合材料板制作过程中直接将该板件做成带有通孔的，不需要进行预钻孔加工工序，简化工艺步骤，缩短加工周期，降低生产成本。

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带有通孔的碳纤维复合材料板，在拉铆过程中碳纤维复合材料板几乎不发生变形，避免了碳纤维复合材料板预钻孔加工工序使板件发生基体开裂和纤维断裂等破坏，保证了铆接接头处材料的力学性能。

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采用特制抽芯铆钉，结合热熔钻原理和拉铆工艺，可实现单面铆接，不受部件尺寸的限制，且一次加工成形，减少了传统拉铆工艺中对金属板预钻孔加工工序，提高了连接效率。

4.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热熔钻原理，热熔钻是在金属薄板上一次加工出孔和衬套的无屑加工技术，无须专用设备，普通的钻床、铣床或数控加工中心cnc均可使用。钻孔精准，使用寿命长，易于实现工业自动化生产。

附图说明

图1为本发明所述的碳纤维复合材料模压成型工艺的流程图；

图2为本发明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为本发明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为本发明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为本发明所述的铝合金板与碳纤维复合材料板之间的拉铆装置结构示意图。

图6为本发明所述的抽芯铆钉芯棒的结构示意图。

图7为本发明所述的铝合金板与碳纤维复合材料板之间的拉铆装置铆接行进过程中结构示意图。

图8为本发明所述的铝合金板与碳纤维复合材料板之间的拉铆装置铆接完成结构示意图。

图9为发明所述的铝合金板与碳纤维复合材料板铆接完成结构示意图。

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，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、修剪试件和检查备用。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、3所示，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111，在凸台的正中心设置有一个圆柱体与圆锥体组合光孔112，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圆锥体光孔，圆柱体光孔与圆锥体光孔之间采用光滑圆弧过渡，圆锥体光孔锥尖处采用圆弧过渡。

在另一实施例中，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111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内的组合光孔结构112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、4所示，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121，在凹槽的正中心设置有一个圆柱体与圆锥体组合光柱122，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，圆锥体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。

在另一实施例中，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121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2内的光柱122的结构几何形状和尺寸与上凸模1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。

制备带有通孔的碳纤维复合材料板所使用的方法：

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：

首先，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；

然后，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；

接着，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。

最后，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备用。

如图5所示，铝合金板与碳纤维复合材料板的铆接方法中的拉铆铆接装置由抽芯铆钉钻头130、抽芯铆钉芯棒140、抽芯铆钉铆体150、凹模主体180、压边圈190组成。

抽芯铆钉钻头130与抽芯铆钉芯棒140制为一体，抽芯铆钉铆体150由钉帽和钉体组成，抽芯铆钉钻头130、抽芯铆钉芯棒140、抽芯铆钉铆体150组成特制抽芯铆钉。芯棒140为圆柱体结构，其直径与铆体150内径相同。钻头130为圆锥体结构，与芯棒140圆柱侧面圆弧过渡，圆锥体顶端另有一圆锥体，以易于钻削铝合金板。所述压边圈190为圆柱体结构，其中心处设置一个用于定位钻头3的通孔，其直径和钉帽直径相同，在铆接过程中抽芯铆钉钻头130、抽芯铆钉芯棒140、抽芯铆钉铆体150组成的特制抽芯铆钉在压边圈9通孔中上下运动。

凹模主体180为圆柱体结构，其中心处设置有一个通孔，直径应大于压边圈190的通孔直径。在拉铆铆接过程中，凹模主体180的通孔为特制抽芯铆钉钻透铝合金板160形成长度大于两倍板厚的衬套提供足够的空间。芯棒140向上运动至拉断，衬套向外张开，与碳纤维复合材料板170通孔形成机械互锁，并且铆体150能提高铆接接头的性能，提高结构件使用寿命。

如图5-6所示，所述的铝合金板与碳纤维复合材料板的铆接方法中应用的碳纤维复合材料板170在中心部有直径为6—8mm的通孔。抽芯铆钉钻头130、抽芯铆钉芯棒140、抽芯铆钉铆体150组成的特制抽芯铆钉、碳纤维复合材料板170、压边圈190和凹模主体180均同心放置。

铝合金板与碳纤维复合材料板的铆接方法的步骤如下：

步骤一：如图5所示，将所述制备成带有通孔的碳纤维复合材料板170与铝合金板160放置在凹模主体180上，铝合金板160在上，碳纤维复合材料板170在下，驱动压边圈190压紧碳纤维复合材料板170和铝合金板160，并保证抽芯铆钉钻头130、抽芯铆钉芯棒140、抽芯铆钉铆体150组成的特制抽芯铆钉、碳纤维复合材料板170和凹模主体180的同轴度。

步骤二.首先正确将夹头装入刀柄，再将特制抽芯铆钉芯棒140装入夹头并锁紧，然后将刀柄接入钻床。加少量润滑油于刀具上，下压手柄，保持规则匀速的进给速度，不可停顿。将特制抽芯铆钉送入压边圈190的中心定位通孔中，钉帽直径范围为10—12mm，钉体外径范围为4—6mm，钉体内径范围为2—4mm。压边圈中心通孔直径和钉帽直径相同，芯棒140直径与钉体内径相同，钻头130圆锥体底部直径与钉体外径相同，而略小于碳纤维复合材料板170通孔直径，以保证形成衬套的厚度和连接的精度。

如图7所示，步骤三：所述的铝合金板160与碳纤维复合材料板170的拉铆铆接过程中特制抽芯铆钉钻头130下移与铝合金板160顶端面接触，钻削铝合金板160的同时金属流动形成衬套，直至特制抽芯铆钉钻头130到达下止点，完全钻透铝合金板160的同时形成具有一定厚度的衬套，衬套长度约为2—3倍铝合金板厚。

如图8-9所示，步骤四：刀柄带动夹头，夹头夹紧芯棒140向上运动，产生向上拉力，使钻头130对铆体5产生压力，钉体压缩变形形成铆钉头，同时芯棒140由于缩颈处断裂被拉出，铆接完成，形成铆接接头结构参阅图9，进行下一次铆接的准备工序。

实施例：应用本发明所述的带有通孔的碳纤维复合材料板的制备方法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，增强体材料为3k碳纤维丝。

本发明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拉铆铆接方法的步骤如下：

步骤一.取一块待进行铆接加工的铝合金板160；

步骤二.制备一块带直径为8mm通孔的碳纤维复合材料板170。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170备用。

步骤三.将所述制备成带有通孔的碳纤维复合材料板170与铝合金板160放置在凹模主体180上，铝合金板160在上，碳纤维复合材料板170在上。驱动压边圈190压紧碳纤维复合材料板170和铝合金板160，并保证抽芯铆钉钻头130、抽芯铆钉芯棒140、抽芯铆钉铆体150组成的特制抽芯铆钉、碳纤维复合材料板170和凹模主体180的同轴度。

步骤四.首先正确将夹头装入刀柄，再将特制抽芯铆钉芯棒装入夹头并锁紧，然后将刀柄接入钻床。加少量润滑油于刀具上，下压手柄，保持规则匀速的进给速度，不可停顿。将特制抽芯铆钉送入压边圈190的中心定位通孔中，钉帽直径为12mm，钉体外径为6mm，钉体内径为4mm。压边圈中心通孔直径和钉帽直径相同，芯棒140直径与钉体内径相同，钻头130圆锥体底部直径与钉体外径相同，而略小于碳纤维复合材料板170通孔直径，以保证形成衬套的厚度和连接的精度。

步骤五.特制抽芯铆钉钻头130下移与铝合金板160上端面接触，钻削铝合金板160的同时金属流动形成衬套，直至特制抽芯铆钉钻头130到达下止点，完全钻透铝合金板160的同时形成具有一定厚度的衬套，衬套长度约为2—3倍铝合金板厚；

步骤六.刀柄带动夹头，夹头夹紧芯棒140向上运动，产生向上拉力，使钻头130对铆体150产生压力，钉体压缩变形形成铆钉头，同时芯棒4由于缩颈处断裂被拉出，铆接完成，进行下一次铆接的准备工序。

在另一实施例中，包括：

1.铆接之前制备出一块带有一个直径为6—8mm通孔的碳纤维复合材料板；

2.将待铆接的铝合金板和碳纤维复合材料板置于凹模之上，铝合金板在上，碳纤维复合材料板在下，驱动压边圈下移至将两块板件压紧；

3.首先正确将夹头装入刀柄，再将特制抽芯铆钉芯棒装入夹头并锁紧，然后将刀柄接入钻床。加少量润滑油于刀具上，下压手柄，保持规则均匀的进给速度，不可停顿；所述手柄下压速度v的计算公式为：

其中，k为系数，等于0.67；l为铆体直径；d1为碳纤维复合材料板厚度；d2为铝合金板厚度，γ1为碳纤维复合材料板抗剪强度；γ2为铝合金板抗剪强度；a为碳纤维复合材料板通孔截面积；σbs为碳纤维复合材料板的许用挤压应力；σas为铝合金板的许用挤压应力；d为衬套厚度，约为2—3倍铝合金板厚；t为2～2.5s。

4.特制抽芯铆钉钻头下移与铝合金板上端面接触，钻削铝合金板的同时金属流动形成铝合金衬套。直至特制抽芯铆钉钻头到达下止点，完全钻透铝合金板的同时形成具有一定厚度的衬套，衬套长度约为2—3倍铝合金板厚；

5.刀柄带动夹头，夹头夹紧芯棒向上运动，产生向上拉力，使特制抽芯铆钉的凸肩部分，即特制抽芯铆钉钻头对特制抽芯铆钉铆体产生压力，铆体压缩变形形成铆钉头，同时芯棒由于缩颈处断裂被拉出，铆接完成，进行下一次铆接。

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。