本发明属于复合铆接技术领域，具体涉及一种碳纤维复合材料成型及与金属板件粘铆一体化的装置及方法。
背景技术：
车轻量化技术是汽车发展中的热门研究课题，采用新型复合材料代替传统的金属材料是汽车轻量化的重要途径。碳纤维复合材料具有高强度、高模量、高比强度、高比模量的力学特性，使得碳纤维复合材料可以在不降低汽车整体力学性能的前提下实现汽车轻量化。
车用碳纤维复合材料已经取得了显著进展，而在碳纤维复合材料和金属材料连接问题上，连接关系复杂，目前，碳纤维复合材料与金属材料的连接方法主要有：传统机械连接、胶接连接、缝合连接、冷碾铆接等，其中，胶接连接实用简单，但存在一些明显的缺陷，连接性能易受环境影响，并且无法保证碳纤维复合材料与金属材料密切连接，二者在成型过程会导致表面不完全契合，胶接会产生气泡和局部缺陷，造成应力集中严重影响连接性能。碳纤维复合材料自冲铆接技术较金属材料更为复杂，其较差的延展性决定碳纤维复合材料不易于与金属材料自冲铆接，由于碳纤维复合材料是脆性材料，会造成接头处组织破坏影响性能。胶层固化后再铆接，铆钉穿透胶层，会影响胶层的力学性能。
目前，复合材料与金属粘铆生产线一般需要经过复合材料成型、完全固化后转移装置以及与金属板件粘接，等胶结剂完全固化转至铆接装置进行铆接，需要多道工序和工位的配合；
对于复合材料与金属粘接工艺主要是金属材料和复合材料分别成型后在表面涂胶结剂进行胶接；这对成型表面和模具要求较高，复合材料和金属板件表面不吻合极易造成胶接缺陷；
对复合材料和金属板件粘铆工艺主要的问题是由于复合材料和胶结剂的脆性特点，铆接过程会造成对其的破坏，很大程度上影响铆接接头的力学性能。
技术实现要素：
本发明的一个目的是提供一种碳纤维复合材料与金属材料粘铆的装置，将碳纤维复合材料直接在已成型金属板件上成型，实现成型同时胶铆一体化，有效防止粘接缺陷，使碳纤维复合材料与金属板件紧密连接；
本发明的另一个目的是提供一种碳纤维复合材料成型及与金属板件粘铆一体化的方法，解决现有技术中存在的复合材料与金属材料连接存在间隙、铆接对复合材料和胶层的破坏以及工艺程序较复杂的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：
本发明碳纤维复合材料成型及与金属板件粘铆一体化的装置包括上部机构、下部机构、驱动机构、上温度传感器、下温度传感器、上加热孔道、下加热孔道、上冷却水道、下冷却水道、上压力传感器、下压力传感器和控制箱；
驱动机构、上温度传感器、下温度传感器、上加热孔道、下加热孔道、上冷却水道、下冷却水道、上压力传感器和下压力传感器均由控制箱进行控制；
所述上部机构包括上凸模、冲头、四个结构相同的导套、上加热孔道、上冷却水道、上温度传感器、上压力传感器；上凸模的中心处设有一通孔，冲头沿着通孔上下移动，上凸模分别与四个导套固定连接；上温度传感器和上压力传感器分别胶粘在上凸模下表面，上温度传感器和上压力传感器分别通过导线与控制箱连接；驱动机构用于分别驱动上部机构、上凸模和冲头进行上下移动；
距上凸模下表面60～100mm处设有20～30上加热孔道和上冷却水道，上加热孔道和上冷却水道相互平行，上加热孔道和上冷却水道均为圆形孔道，直径为18～22mm，上加热孔道相邻两个孔道的中心距为60～100mm，上冷却水道相邻两个孔道的中心距为60～100mm，上加热孔道和上冷却水道在垂直方向的中心距为50～100mm；
所述下部机构包括下凹模、铆接凹模型腔、四个结构相同的导柱、下加热孔道、下冷却水道、下温度传感器、下压力传感器；每个导套对应一个导柱，导套沿着对应的导柱上下移动；下凹模为矩形结构件，并在中心处设置有环形腔，环形腔即为凹模型腔，环形腔中心有一个圆锥形凸台，凹模型腔的回转轴线与圆锥形凸台的回转轴线共线；下温度传感器和下压力传感器分别胶粘在下凹模上表面，下温度传感器和下压力传感器分别通过导线与控制箱连接；
上凸模底面与下凹模顶面为可接触式连接，冲头在下止点时，冲头的底面与上凸模底面光滑连接；上凸模和冲头外接驱动机构，驱动机构用于驱动上凸模和冲头移动进行模压成型和铆接操作；
距下凹模上表面60～100mm处设有20～30下加热孔道和下冷却水道，下加热孔道和下冷却水道相互平行，下加热孔道和下冷却水道均为圆形孔道，直径为18～22mm，下加热孔道相邻两个孔道的中心距为60～100mm，下冷却水道相邻两个孔道的中心距为60～100mm，下加热孔道和下冷却水道在垂直方向的中心距为50～100mm。
优选的，上温度传感器与下温度传感器均为jcj100ttp的贴片式温度传感器。
优选的，上压力传感器和下压力传感器均为epl系列贴片式动态压力传感器。
通过上述装置实现碳纤维复合材料与金属材料粘铆的方法，包括以下步骤：
步骤一：将碳纤维预浸料进行装模；
具体为：操作碳纤维复合材料成型及与金属板件粘铆一体化的装置的驱动机构，将上凸模和冲头升起至最高位置，将已成型的金属板件置于下凹模内；在金属板件上涂一层厚度为1mm酚醛环氧改性树脂后铺上多层碳纤维预浸料；
步骤二：将多层碳纤维预浸料进行凝胶处理；
具体为：操作控制箱使上加热孔道、下加热孔道同时加热，加热至酚醛环氧改性树脂的凝胶温度90～100℃，操作驱动机构驱动上凸模进入下凹模，当上凸模进入下凹模中22～26mm时，制动驱动机构，此时模具闭合二分之一，酚醛环氧改性树脂进入凝胶状态；
步骤三，将凝胶后的多层碳纤维预浸料和金属板进行合模加压；
待步骤二中的酚醛环氧改性树脂凝胶结束后，启动驱动机构使上凸模对凝胶后的多层碳纤维预浸料和金属板进行加压，当上压力传感器与下压力传感器都达到40mpa立刻令驱动机构制动；
步骤四：铆接多层碳纤维预浸料与金属板件；
具体为：操作驱动机构升起冲头，在下端吸上开孔半空心铆钉，采用送钉机构将开孔半空心铆钉送入上凸模的通孔中，开孔半空心铆钉头部直径为10mm，腿部外径为8mm，驱动冲头沿着凸模的通孔向下运动，冲头圆柱主体的底面圆直径为10mm与铆钉头部直径相同，随着冲头继续下移，开孔半空心铆钉作用于未固化复合碳纤维预浸料和金属板件，开孔半空心铆钉在凹模、凹模型腔和冲头的共同作用下铆钉的腿部逐渐外翻形成铆扣，同时未完全固化的复合碳纤维预浸料变形进入开孔半空心铆钉，以及金属板件与开孔半空心铆钉之间；
步骤五：对铆接后的多层碳纤维预浸料与金属板件进行升温固化；
具体为：再次操作控制箱使上加热孔道、下加热孔道同时进行加热，并通过冷却水道来减慢升温速率，控制升温速率在30℃/h，直到上温度传感器和下温度传感器显示的读书均为120℃时立即停止加热，同时调节控制箱关闭冷上却水道和下冷却水道；
酚醛环氧改性树脂在120℃发生自由基加成聚合反应，随着反应的进行会放出大量热量使模具的温度升高，上温度传感器和下温度传感器用于监测温度变化，当温度超过130℃立刻打开上冷却水道和下冷却水道的开关，使温度降至120℃，保证复合碳纤维预浸料恒定在120℃两个小时，直至酚醛环氧改性树脂完全固化，多碳纤维预浸料形成碳纤维复合材料板件；
步骤六：降温脱模；
具体为：待酚醛环氧改性树脂完全固化后，操作控制箱进行降温，打开上冷却水道和下冷却水道开关使模具的温度达到60℃以下，然后启动驱动机构，以500mm/min的速度使上凸模与下凹模分离，取出已完成碳纤维复合材料板件与金属板件粘铆试件；
步骤七：除去碳纤维复合材料板件与金属板件粘铆试件成型时在边缘部位留下的毛刺飞边。
本发明的有益技术效果：
1、本发明中的装置能够同时完成碳纤维复合材料模压成型、与金属板件粘接及与金属板件铆接工艺，降低了设备的投资成本，节约生产占地面积，减少了生产工序、节省时间，提高了生产效率；
2、本装置中通过上加热孔道、下加热孔道、上冷却水道，下冷却水道上温度传感器、下温度传感器、上压力传感器，下压力传感器，控制成型压力和合模速度，提高碳纤维复合材料试件的机械性能；控制固化反应温度以及装置的升温速率，消除了固化反应放出的热量致使试件产生热应力，保证了反应保持一定时间的恒温状态，进而提高了试件的力学性能；
3、本方法中将碳纤维预浸布直接铺在成型金属板件上，实现对碳纤维复合材料模压成型同时可以完成粘接；有效改善了粘接性能，提高粘接强度；同时，成型过程树脂固化和粘接过程胶结剂固化的同时进行，极大地节省时间，提高生产效率；
4、本方法中在碳纤维复合材料完全固化前对复合材料与金属板件粘接件进行铆接，直接在同一个装置铆接不用转移；在完全固化前树脂仍处于粘弹态，易于进行铆接，且有效避免对复合材料和胶结剂的脆性破坏，直接提高了连接的稳定性和强度；
5、本方法中在碳纤维复合材料完全固化前对复合材料与金属板件粘接件进行铆接，树脂仍具有一定流动性的状态下铆接，可以排空接头空气，有效避免接头由于存在空气造成的腐蚀问题；同时，随着铆接过程未完全固化的复合材料变形进入铆钉，以及金属板件与开孔半空心铆钉之间，避免异种金属发生腐蚀，提高了接头连接的耐腐蚀性和稳定性，进一步提高了连接强度；
6、本发法中采用开孔半空心铆钉，铆接过程可以排出半空心铆钉空心部分空气，未固化树脂流入铆钉开孔进行封闭，使铆钉与碳纤维复合材料、金属板件完全粘结，提高接头强度，避免发生腐蚀。
附图说明
图1为本发明的碳纤维复合材料与金属材料粘铆的方法的流程框图；
图2为本发明的碳纤维复合材料成型及与金属板件粘铆一体化的装置的金属板的剖视图；
图3为本发明的碳纤维复合材料成型及与金属板件粘铆一体化的装置的机构示意图；
图4为本发明的碳纤维复合材料成型及与金属板件粘铆一体化的装置在上凸模运动到下止点时机构示意图；
图5为本发明的碳纤维复合材料成型及与金属板件粘铆一体化的装置在铆接阶段的结构示意图；
图6为本发明的碳纤维复合材料成型及与金属板件粘铆一体化的装置在铆接阶段冲头运动到下止点时的结构示意图；
图7为本发明的碳纤维复合材料成型及与金属板件粘铆一体化的装置的开孔半空心铆钉的结构示意图；
图8为本发明的碳纤维复合材料成型及与金属板件粘铆一体化的装置的开孔半空心铆钉的另一结构示意图；
图9为本发明的碳纤维复合材料成型及与金属板件粘铆一体化的装置加工成型件的结构示意图；
其中，1、金属板件，2、碳纤维预浸料，3、上凸模，4、冲头，5、导套，6、上加热孔道，7、上冷却水道，8、上温度传感器，9、上压力传感器，10、下凹模，11、铆接凹模型腔，12、导柱，13、下加热孔道，14、下冷却水道，15、下温度传感器，16、下压力传感器，17、开孔半空心铆钉。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步阐述。
实施例一：
参见附图1-8，本发明碳纤维复合材料成型及与金属板件粘铆一体化的装置包括上部机构、下部机构、驱动机构、上温度传感器8、下温度传感器15、上加热孔道6、下加热孔道13、上冷却水道6、下冷却水道7、上压力传感器9、下压力传感器16和控制箱；
驱动机构、上温度传感器8、下温度传感器15、上加热孔道6、下加热孔道13、上冷却水道6、下冷却水道7、上压力传感器9和下压力传感器16均由控制箱进行控制；
所述上部机构包括上凸模3、冲头、4个结构相同的导套5、上加热孔道6、上冷却水道7、上温度传感器8、上压力传感器9；上凸模3的中心处设有一通孔，冲头沿着通孔上下移动，上凸模分别与四个导套固定连接；上温度传感器8和上压力传感器9分别胶粘在上凸模3下表面，上温度传感器8和上压力传感器9分别通过导线与控制箱连接；驱动机构用于分别驱动上部机构、上凸模3和冲头上下进行移动；
距上凸模3下表面60～100mm处设有20～30上加热孔道6和上冷却水道7，上加热孔道6和上冷却水道7相互平行，上加热孔道6和上冷却水道7均为圆形孔道，直径为18～22mm，上加热孔道6相邻两个孔道的中心距为60～100mm，上冷却水道7相邻两个孔道的中心距为60～100mm，上加热孔道6和上冷却水道7在垂直方向的中心距为50～100mm；
所述下部机构包括下凹模10、铆接凹模型腔11、四个结构相同的导柱12、下加热孔道13、下冷却水道14、下温度传感器15、下压力传感器16；每个导套对应一个导柱，导套沿着对应的导柱上下移动；下凹模10为矩形结构件，并在中心处设置有环形腔，环形腔即为凹模型腔11，环形腔中心有一个圆锥形凸台，凹模型腔11的回转轴线与圆锥形凸台的回转轴线共线；下温度传感器15和下压力传感器16分别胶粘在下凹模10上表面，下温度传感器15和下压力传感器16分别通过外接导线与控制箱连接；
上凸模3底面与下凹模10顶面为可接触式连接，冲头4在下止点时，冲头4的底面与上凸模3底面光滑连接；上凸模3和冲头4外接驱动机构，驱动机构用于驱动上凸模3和冲头4移动进行模压成型和铆接操作；
距下凹模10上表面60～100mm处设有20～30下加热孔道13和下冷却水道14，下加热孔道13和下冷却水道14相互平行，下加热孔道13和下冷却水道14均为圆形孔道，直径为18～22mm，下加热孔道13相邻两个孔道的中心距为60～100mm，下冷却水道14相邻两个孔道的中心距为60～100mm，下加热孔道13和下冷却水道14在垂直方向的中心距为50～100mm。
优选的，上温度传感器8与下温度传感器15均为jcj100ttp的贴片式温度传感器。
优选的，上压力传感器9和下压力传感器16均为epl系列贴片式动态压力传感器。
通过上述装置实现碳纤维复合材料与金属材料粘铆的方法，包括以下步骤：
步骤一：将碳纤维预浸料2进行装模；
具体为：操作碳纤维复合材料成型及与金属板件粘铆一体化的装置的驱动机构，将上凸模和冲头升起至最高位置，将已成型的金属板件1置于下凹模10内；在金属板件上涂一层厚度为1mm酚醛环氧改性树脂后铺上多层碳纤维预浸料2；
步骤二：将多层碳纤维预浸料2进行凝胶处理；
具体为：操作控制箱使上加热孔道7、下加热孔道13同时加热，加热至凝胶温度90～100℃，操作驱动机构驱动上凸模3进入下凹模10，当上凸模3进入下凹模10中22～26mm时，制动驱动机构，此时模具闭合二分之一，酚醛环氧改性树脂进入凝胶状态；
步骤三，将凝胶后的多层碳纤维预浸料2和金属板进行合模加压；
待步骤二中的酚醛环氧改性树脂凝胶结束后，启动驱动机构使上凸模3对凝胶后的碳纤维预浸布和金属板进行加压，当上压力传感器9与下压力传感器16都达到40mpa立刻令驱动机构制动；
步骤四：铆接多层碳纤维预浸料2与金属板件1；
具体为：操作驱动机构升起冲头4，在下端吸上开孔半空心铆钉17，采用送钉机构将开孔半空心铆钉17送入上凸模的通孔中，开孔半空心铆钉17头部直径为10mm，腿部外径为8mm，驱动冲头4沿着凸模的通孔向下运动，冲头4圆柱主体的底面圆直径为10mm与铆钉17头部直径相同，随着冲头4继续下移，开孔半空心铆钉17作用于未固化多层碳纤维预浸料2和金属板件1，开孔半空心铆钉17在凹模10、凹模型腔11和冲头4的共同作用下铆钉17的腿部逐渐外翻形成铆扣，同时未完全固化的多层碳纤维预浸料2变形进入开孔半空心铆钉17，以及金属板件1与开孔半空心铆钉17之间；
步骤五：对铆接后的多层碳纤维预浸料2与金属板件进行升温固化；
具体为：再次操作控制箱使上加热孔道7、下加热孔道13同时进行加热，并同时打开冷却水道6和冷却水道14来减慢升温速率，控制升温速率在30℃/h，直到上温度传感器和下温度传感器显示的读数均为120℃时立即停止加热，同时控制箱关闭冷上却水道6和下冷却水道14；
酚醛环氧改性树脂在120℃发生自由基加成聚合反应，随着反应的进行会放出大量热量使模具的温度升高，上温度传感器8和下温度传感器15用于监测温度变化，当温度超过130℃立刻打开上冷却水道6和下冷却水道14的开关，使温度降至120℃，保证复合碳纤维预浸料2恒定在120℃两个小时，直至酚醛环氧改性树脂完全固化，多层碳纤维预浸料2形成碳纤维复合材料板件；
步骤六：降温脱模；
具体为：待酚醛环氧改性树脂完全固化后，操作控制箱进行降温，打开上冷却水道6和下冷却水道14开关使模具的温度达到60℃以下，然后启动驱动机构，以500mm/min的速度使上凸模3与下凹模10分离，取出已完成碳纤维复合材料板件与金属板件粘铆试件；
步骤七：除去碳纤维复合材料板件与金属板件粘铆试件成型时在边缘部位留下的毛刺飞边。
实施例二：
应用本发明的碳纤维复合材料成型及与金属板件粘铆一体化的装置制备400mm×400mm×2mm的碳纤维复合材料板与厚度为2mm铝合金板粘铆件，选用3k碳纤维为碳纤维复合材料主体，树脂基体选择酚醛环氧改性树脂；
具体方法包括以下步骤：
步骤一：将碳纤维预浸料2进行装模；
操作驱动机构将上部机构升起至最高位置，将已成型的铝合金板1置于下凹模10内；在铝合金板上涂一层厚度为1mm树脂胶粘剂后铺上碳纤维预浸料2，碳纤维预浸料2为长400mm，宽400mm，厚度为0.24～0.26mm的碳纤维预浸布，由于试件厚度为2mm所以需要在下凹模中的已成型铝合金板上，一次铺放八层碳纤维预浸料2；
步骤二：将碳纤维预浸料2进行凝胶；
操作控制箱使上加热孔道7、下加热孔道13同时加热，加热至凝胶温度90～100℃，操作驱动机构使上凸模3以1000mm/min向下移动，当上凸模3底面与下凹模10上表面接近时，调整速度为500mm/min，当上凸模3进入下凹模10中22～26mm时，使驱动机构制动，模具闭合二分之一，酚醛环氧改性树脂进入凝胶状态；
步骤三，将凝胶后的碳纤维预浸料2和铝合金板进行合模加压；
待酚醛环氧改性树脂凝胶结束后，启动驱动机构使上凸模3以200mm/min的速度向下移动，当上凸模3的下表面与碳纤维预浸料2上表面接触时即开始加压，当上贴片式压力传感器9与下贴片式压力传感器16都达到40mpa立刻令驱动机构制动；
步骤四：铆接碳纤维预浸料2与铝合金板；
操作驱动机构升起冲头4，在下端吸上开孔半空心铆钉17，采用送钉机构将开孔半空心铆钉17送入上凸模的通孔中，开孔半空心铆钉17头部直径为10mm，腿部外径为8mm，驱动冲头4沿着上部机构中的通孔向下运动，冲头4圆柱主体的底面圆直径为10mm与铆钉17头部直径相同，随着冲头4继续下移开孔半空心铆钉17作用于未固化碳纤维预浸料2和铝合金板，开孔半空心铆钉17在下部机构凹模10、凹模型腔11和冲头4的共同作用下铆钉17腿部逐渐外翻形成铆扣，同时未完全固化的碳纤维预浸料2变形进入开孔半空心铆钉17，以及铝合金板与开孔半空心铆钉17之间；
步骤五：对铆接后的碳纤维预浸布2与铝合金板进行升温固化；
具体为：再次操作控制箱使上加热孔道7、下加热孔道13同时进行加热，并同时打开冷却水道6和冷却水道14来减慢升温速率，控制升温速率在30℃/h，直到上温度传感器8和下温度传感器13显示的读数均为120℃时立即停止加热，同时控制箱关闭冷上却水道6和下冷却水道14；
酚醛环氧改性树脂在120℃发生自由基加成聚合反应，随着反应的进行会放出大量热量使模具的温度升高，控制箱通过温度传感器8和下温度传感器控制温度15，当温度超过130℃立刻打开上冷却水道6和下冷却水道14的开关，使温度降至120℃，保证碳纤维预浸料2恒定在120℃两个小时，直至酚醛环氧改性树脂完全固化，碳纤维预浸料2形成碳纤维复合材料板件；
步骤六：降温脱模；
待酚醛环氧改性树脂完全固化后，操作控制箱进行降温，打开上冷却水道6和下冷却水道14开关使模具的温度达到60℃以下，然后启动驱动机构，以500mm/min的速度使上凸模3与下凹模10分离，取出已完成碳纤维复合材料板件与铝合金板粘铆试件；
步骤七：除去碳纤维复合材料板件与铝合金板粘铆试件成型时在边缘部位留下的毛刺飞边。