碳纤维复合材料板的制备方法及其与铝合金板的自冲铆接模具及方法
【技术领域】
[0001] 本发明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 板的制备方法及其与铝合金板的自冲铆接模具及方法。
【背景技术】
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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。
[0005] 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。
【发明内容】
[0006] 本发明设计开发了碳纤维复合材料板的制备方法，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。
[0007] 本发明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及方法，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。
[0008] 本发明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。
[0009] 本发明提供的技术方案为：
[0010] 碳纤维复合材料板的制备方法，包括：
[0011] 步骤一:对预浸布进行装模，将碳纤维预浸布平铺至模具中的凹槽中，并且所述凹 槽的底面与所述碳纤维预浸布之间无空隙；
[0012] 步骤二:对预浸布进行凝胶处理，向所述模具的凹槽中加入凝胶介质后将所述模 具合装，加热至I 〇〇°C~11 o°c;
[0013] 步骤三:对预浸布进行升压固化处理，对凝胶处理后的模具进行加压，施加5MPa~ IOMPa的压力，同时，升温至120°C~130°C，并且保持2小时~6小时；
[0014] 步骤四：完成预浸布的升压固化处理之后，将模具自然冷却至室温，取出所述碳纤 维复合材料板；
[0015] 其中，所述凹槽中设置有光柱，所述碳纤维预浸布平铺至所述凹槽中时，所述碳纤 维预浸布的编织空隙穿过所述光柱，得到所述碳纤维复合材料板具有通孔。
[0016] 优选的是，所述模具分为上凸模及下凹模，所述碳纤维预浸布平铺至所述下凹模 中的凹槽中，所述上凸模设置有与所述凹槽相匹配的凸台，在所述凹槽的中心处设置光柱， 所述上凸模的凸台设置有与所述光柱相匹配的光孔。
[0017]优选的是，所述步骤一中，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；
[0018] 所述步骤二中，所述凝胶介质为酚醛环氧乙烯基树脂，在进行所述步骤二之前，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°C~30°C中预热10~15分钟，再升 温4小时至100°C~110°C，并且在110°C条件下，保持15分钟，完成酚醛环氧乙烯基树脂的凝 胶；
[0019] 所述步骤三中，对模具施加5MPa的压力，同时对模具继续升温20分钟至120°C，并 且在120°C条件下保持2小时，完成酚醛环氧乙烯基树脂的固化；
[0020] 所述步骤四中，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~IPa、温度为55°C~75°C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。
[0021 ]碳纤维复合材料板与铝合金板的自冲铆接模具，使用所述的碳纤维复合材料板， 包括：
[0022] 铆钉，其用于将碳纤维复合材料板与铝合金板铆接；
[0023] 冲头，其能够在压边圈通孔中做上下往复运动；
[0024] 凹模主体，其中心位置的凹模型腔与所述冲头同心设置，所述凹模型腔侧壁为光 孔圆柱侧壁，中心处为圆锥体凸台，所述光孔圆柱及所述圆锥体凸台与所述铆钉匹配；
[0025] 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，所述冲头在 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，进而形成自冲铆接 件；
[0026] 其中，所述冲头及所述凹模主体连接有传感器，通过采集所述冲头的高度、速度及 计时，控制所述冲头的高度、运行速度及运行至下止点的停留时间。
[0027] 优选的是，所述传感器包括温度传感器、速度传感器、位置传感器及计时传感器。
[0028] 优选的是，所述冲头为圆柱状结构件;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。
[0029] 碳纤维复合材料板与铝合金板的自冲铆接方法，包括：
[0030] 步骤一：制备出带有一个通孔的碳纤维复合材料板件，将待铆接的铝合金板和碳 纤维复合材料板件置于凹模主体之上，碳纤维复合材料板在上铝合金板在下，驱动压边圈 下移至将两块板件压紧；
[0031] 步骤二:采用送钉机构将铆钉送入压边圈的中心光通孔中，冲头下移与铆钉的顶 端面接触，再推动铆钉下移实施自冲铆接;其中，随着冲头继续下移作用于碳纤维复合材料 板和铝合金板，冲头作用使铝合金板变形流入凹模内的型腔，铆钉在凹模和冲头的共同作 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；
[0032] 步骤三:直到冲头到达下止点，冲头泄压向上运动回程，准备进行下一次铆接；
[0033]其中，在所述步骤二之前，对冲头的冲压速度、下止点高度及在运行至下止点的停 留时间进行基于BP神经网络的控制，其控制方法包括如下步骤：
[0034] 步骤A、按照采样周期，通过传感器测量环境温度To,环境湿度RH，冲头温度T，铆接 件厚度h;
[0035] 步骤B、依次将传感器测量环境温度To，环境湿度RH，冲头温度T，铆接件厚度h进行 规格化，确定三层BP神经网络的输入层向量X= {xi，X2，X3，X4};其中，Xl为环境温度系数，X2 为环境湿度系数，X3为冲头温度系数，X4为铆接件厚度系数；
[0036]步骤C、所述输入层向量映射到中间层，所述中间层向量y= {yi，y2，···，ym} ;m为中 间层节点个数；
[0037]步骤D、得到输出层向量Z= {zi，Z2，Z3，Z4};其中，Zl为冲头冲击速度调节系数，Z2为 冲头下止点高度调节系数，Z3为冲头在运行至下止点的停留时间调节系数，Z4为紧急停机信 号；
[0038]步骤E、控制冲头冲击速度、冲头下止点高度、冲头在运行至下止点的停留时间，使
[0042]其中，2丨，2丨，4分别为第i个采样周期输出层向量参数，Vmax、Hmax、t max分别为冲头 设定的最大冲击速度、冲头设定的最低下止点高度、冲头在运行至下止点设定的最大停留 时间系数，V1+1、H 1+1、t1+1分别为第i + Ι个采样周期时冲头设定冲击速度、冲头设定下止点高 度、冲头在运行至下止点的设定停留时间。
[0043] 优选的是，所述步骤B中，将环境温度To,环境湿度RH，冲头温度T，铆接件厚度h进 行规格化公式为：
[0045] 其中，Xj为输入层向量中的参数，Xj分别为测量参数To、RH、T、h，j = l，2,3,4;Xjmax 和Xjmin分别为相应测量参数中的最大值和最小值。
[0046] 优选的是，所述步骤C中，所述中间层节点个数m满足：
其中η为 输入层节点个数，P为输出层节点个数。
[0047] 优选的是，步骤E之后还包括:根据第i次周期中的温度、湿度、厚度信号，判定第i+ 1次周期时铆接模具的运行状态，当输出信号4=0时，进行紧急停机。
[0048] 本发明与现有技术相比所具有的有益效果：
[0049] 1.本发明所述的铝合金板与碳纤维复合材料的铆接方法中应用带有通孔的碳纤 维复合板件来进行