碳纤维复合材料与铝合金无铆钉铆接装置的制作方法

本实用新型属于复合材料铆接技术领域，具体涉及一种碳纤维复合材料与铝合金无铆钉铆接装置。

背景技术：

安全、节能、环保的汽车成为21世纪汽车发展的主流，汽车轻量化无疑是其最佳途径，而汽车轻量化的主流材质之一就是车用材料铝合金、复合材料等轻量化材料，尤其是复合材料更是新能源汽车的首选材料，因其材料密度低、比强度高、比刚度高等优点，非常适合新能源汽车的研发需求。

与此同时，复合材料与金属材料无损连接是影响车身结构服役性能的重要装配问题。现行通用的复合材料和金属材料的连接方式主要有3种：胶接、螺接和铆接。胶接和螺接在汽车中应用存在一些无法克服的弊端：胶接性能受环境(湿、热、腐蚀介质)影响较大，在传统汽车上，发动机和废气的高温，汽油、机油和防冻液等的腐蚀性以及环境中的腐蚀介质对胶接性能有很大影响；而螺栓连接易松动，可靠性较差，因此限制了其在汽车工业上的应用。相对而言，铆接工艺可有效解决以上问题，并具有抗疲劳性能和抗静拉力性能良好等优点，已成为近年来发展较快的薄板材料机械连接技术。

然而，在现有的碳纤维复合材料板无铆钉铆接工艺中，由于碳纤维复合材料塑性较差，易发生纤维断裂、基体开裂、界面脱胶和分层等破坏，降低接头性能，甚至直接导致接头失效。另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。

因此，在现有的无铆钉铆接工艺中，需要新的铆接装置，保证在铝合金和碳纤维复合材料无铆钉铆接过程中得到成形效果良好的铆接接头，提高接头的力学性能。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供碳纤维复合材料与铝合金无铆钉铆接装置，解决现有技术中存在的易发生纤维断裂、基体开裂、界面脱胶和分层、接头性能低的技术问题。

为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：

本实用新型碳纤维复合材料与铝合金无铆钉铆接装置包括压边圈、冲头和凹模；所述凹模包括弹簧垫块Ⅰ、弹簧垫块Ⅱ，弹簧Ⅰ、弹簧Ⅱ和下模；

所述的压边圈结构中心处设置一个用于定位冲头的通孔，在铆接过程中，冲头在压边圈通孔中上下运动；

所述的冲头为一体式结构，包括针体和针头；所述针体为圆柱状，所述针头为圆台状，针头圆台侧面有一个小的倾角，均向靠近针体中心线倾斜；针体与针头之间采用圆弧面过渡，针头圆台顶面与侧面也采用圆弧面过渡；

所述的弹簧垫块Ⅰ为圆柱体式结构件，所述的弹簧垫块Ⅱ为带有凹槽的圆柱体式结构件；

弹簧垫块Ⅱ的凹槽位于弹簧垫块Ⅱ顶面中心处，为圆柱体式凹槽，弹簧垫块Ⅱ的凹槽底面尺寸与弹簧垫块Ⅰ底面尺寸相同，弹簧垫块Ⅱ的凹槽表面与弹簧垫块Ⅰ侧面接触且可自由滑动；

弹簧Ⅰ为螺旋压缩弹簧，弹簧Ⅰ放置在弹簧垫块Ⅱ凹槽内，弹簧Ⅰ的外径与弹簧垫块Ⅰ底面直径相同；

弹簧Ⅱ为螺旋压缩弹簧，弹簧Ⅱ的外径与弹簧垫块Ⅱ底面直径相同；

下模为带有凹槽的圆柱体式结构件；下模的凹槽位于下模中心处，为圆柱体式凹槽，下模的凹槽底面尺寸与弹簧垫块Ⅱ底面尺寸相同，下模的凹槽深度与弹簧垫块Ⅱ高度和弹簧Ⅱ长度之和相同，下模的凹槽表面与弹簧垫块Ⅱ侧面接触且可自由滑动；弹簧Ⅱ放置在下模凹槽内。

所述的弹簧垫块Ⅰ的底面直径尺寸与碳纤维复合材料板小孔孔径相同，弹簧垫块Ⅰ的高与碳纤维复合材料板的厚度相同，弹簧Ⅰ为螺旋压缩弹簧，放置在弹簧垫块Ⅱ凹槽内，弹簧Ⅰ外径与弹簧垫块Ⅰ底面直径相同，弹簧Ⅰ长度达到使弹簧垫块Ⅰ在未冲压状态下完全抵住铝合金板。

弹簧垫块Ⅰ的底面直径为8mm，高为2mm。

弹簧Ⅰ由弹簧钢制成，刚度系数为K1＝580N/mm，弹簧Ⅰ外径为 8mm，在弹簧垫块Ⅰ重力作用下的弹簧长度为2.5mm。

弹簧垫块Ⅱ的底面尺寸与弹簧垫块Ⅰ底面尺寸相同，弹簧垫块Ⅱ的凹槽深度与弹簧Ⅰ1′在未冲压状态下的长度相同，弹簧垫块Ⅱ的凹槽表面与弹簧垫块Ⅰ侧面接触且可自由滑动；对弹簧垫块Ⅱ的底面直径为碳纤维复合材料板小孔直径的3倍，保证弹簧垫块Ⅱ顶部与下板充分接触，以达到支撑下板的目的。

弹簧垫块Ⅱ采用铝合金材料，弹簧垫块Ⅱ的凹槽的底面直径为 8mm，深度为2.5mm；弹簧垫块Ⅱ的底面直径为24mm，高度为12mm。

弹簧Ⅱ由弹簧钢制成，刚度系数为K2＝2180N/mm，弹簧外径为 24mm，在弹簧垫块Ⅱ重力作用下的弹簧长度为4mm。

弹簧Ⅱ为螺旋压缩弹簧，放置在下模凹槽内，弹簧Ⅱ的弹簧外径与弹簧垫块Ⅱ底面直径相同，弹簧Ⅱ的弹簧长度达到使弹簧垫块Ⅱ在未冲压状态下完全抵住碳纤维复合材料板。

下模的凹槽的底面尺寸与弹簧垫块Ⅱ底面尺寸相同，下模的凹槽的深度与弹簧垫块Ⅱ高度和弹簧Ⅱ长度之和相同，下模的凹槽的表面与弹簧垫块Ⅱ侧面接触且可自由滑动；对下模的底面直径为碳纤维复合材料板小孔直径的倍，保证下模顶部与下板充分接触，以达到支撑下板的目的。

下模采用铝合金材料，下模的凹槽的底面直径为24mm，深度为 16mm；下模的底面直径为40mm，高度为20mm。

冲头针体直径13-15mm，针头顶部直径6-8mm，底部直径8-10mm，针头高5-7mm，压边圈中心定位通孔直径与冲头针体直径相同，压边圈外径与下模外径相同。

本实用新型的有益技术效果：本实用新型中的弹簧垫块可辅助板件、下模、冲头同心定位，保证接头颈厚尺寸分布均匀；弹簧垫块能够引导冲头冲压铝合金板，形成较大的流体静压力，使铝合金材料均匀流动变形，避免了颈部开裂；弹簧垫块在冲压过程中支撑CFRP下板，减少了碳纤维复合材料板件由于冲压力而发生损伤，保证铝合金材料均匀流动变形形成底切，实现有效自锁；铆接冲压过程中，弹簧垫块抵住铝合金板，引导金属均匀流动变形，产生流动压应力，直至弹簧垫块完全嵌入弹簧垫块凹槽中，两个垫块成为一体；在卸载过程中，弹簧回弹使接头二次成形，增大底切，有效提高了接头强度；本实用新型实现了无铆钉铆接工艺，该工艺使铝合金板在碳纤维复合材料板通孔处形成自锁结构，提高了接头的抗拉、抗剪和抗疲劳性能，并且不需要铆钉等铆接元件，质量减轻。

附图说明

图1为本实用新型碳纤维复合材料与铝合金无铆钉铆接装置凹模爆炸视图；

图2为本实用新型碳纤维复合材料与铝合金无铆钉铆接装置凹模全剖视图；

图3为本实用新型碳纤维复合材料与铝合金无铆钉铆接装置的弹簧垫块1与弹簧1′结构轴测投影视图；

图4为本实用新型碳纤维复合材料与铝合金无铆钉铆接装置的弹簧垫块2与弹簧2′结构轴测投影视图；

图5为本实用新型碳纤维复合材料与铝合金无铆钉铆接装置的凹模结构轴测投影视图；

图6为本实用新型碳纤维复合材料与铝合金无铆钉铆接装置全剖视图；

其中，1、弹簧垫块Ⅰ，1′、弹簧Ⅰ，2、弹簧垫块Ⅱ，2′、弹簧Ⅱ，3、下模，4、碳纤维复合材料板，5、铝合金板，6、压边圈，7、冲头。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步阐述。

实施例一：

参见附图1-6，本实用新型碳纤维复合材料与铝合金无铆钉铆接装置包括压边圈6、冲头7和凹模；所述凹模包括弹簧垫块Ⅰ1、弹簧垫块Ⅱ2，弹簧Ⅰ1′、弹簧Ⅱ2′和下模3；

所述的压边圈6结构中心处设置一个用于定位冲头7的通孔，在铆接过程中，冲头7在压边圈6通孔中上下运动；

所述的冲头7为一体式结构，包括针体和针头；所述针体为圆柱状，所述针头为圆台状，针头圆台侧面有一个小的倾角，均向靠近针体中心线倾斜；针体与针头之间采用圆弧面过渡，针头圆台顶面与侧面也采用圆弧面过渡；

所述的弹簧垫块Ⅰ1为圆柱体式结构件，所述的弹簧垫块Ⅱ2为带有凹槽的圆柱体式结构件；

弹簧垫块Ⅱ2的凹槽位于弹簧垫块Ⅱ2顶面中心处，为圆柱体式凹槽，弹簧垫块Ⅱ2的底面尺寸与弹簧垫块Ⅰ1底面尺寸相同，弹簧垫块Ⅱ2的凹槽表面与弹簧垫块Ⅰ1侧面接触且可自由滑动；

弹簧Ⅰ1′为螺旋压缩弹簧，弹簧Ⅰ1′放置在弹簧垫块Ⅱ2凹槽内，弹簧Ⅰ1′的外径与弹簧垫块Ⅰ1底面直径相同；

弹簧Ⅱ2′为螺旋压缩弹簧，弹簧Ⅱ2′的外径与弹簧垫块Ⅱ2底面直径相同；

下模3为带有凹槽的圆柱体式结构件；下模3的凹槽位于下模3 中心处，为圆柱体式凹槽，下模3的凹槽底面尺寸与弹簧垫块Ⅱ2底面尺寸相同，下模3的凹槽深度与弹簧垫块Ⅱ2高度和弹簧Ⅱ2′长度之和相同，下模3的凹槽表面与弹簧垫块Ⅱ2侧面接触且可自由滑动；弹簧Ⅱ2′放置在下模3凹槽内。

所述的弹簧垫块Ⅰ1的底面直径尺寸与碳纤维复合材料板4小孔孔径相同，弹簧垫块Ⅰ1的高与碳纤维复合材料板4的厚度相同，弹簧Ⅰ1′为螺旋压缩弹簧，放置在弹簧垫块Ⅱ2凹槽内，弹簧Ⅰ1′外径与弹簧垫块Ⅰ1底面直径相同，弹簧Ⅰ1长度达到使弹簧垫块Ⅰ1在未冲压状态下完全抵住铝合金板5。

弹簧垫块Ⅰ1的底面直径为8mm，高为2mm。

弹簧Ⅰ1′由弹簧钢制成，刚度系数为K1＝580N/mm，弹簧Ⅰ1′外径为8mm，在弹簧垫块Ⅰ1重力作用下的弹簧长度为2.5mm。

弹簧垫块Ⅱ2的底面尺寸与弹簧垫块Ⅰ1底面尺寸相同，弹簧垫块Ⅱ2的凹槽深度与弹簧Ⅰ1′在未冲压状态下的长度相同，弹簧垫块Ⅱ2的凹槽表面与弹簧垫块Ⅰ1侧面接触且可自由滑动；对弹簧垫块Ⅱ2的底面直径为碳纤维复合材料板4小孔直径的3倍，保证弹簧垫块Ⅱ2顶部与下板充分接触，以达到支撑下板的目的。

弹簧垫块Ⅱ2采用铝合金材料，弹簧垫块Ⅱ2的凹槽的底面直径为8mm，深度为2.5mm；弹簧垫块Ⅱ2的底面直径为24mm，高度为 12mm。

弹簧Ⅱ2′由弹簧钢制成，刚度系数为K2＝2180N/mm，弹簧外径为24mm，在弹簧垫块Ⅱ2重力作用下的弹簧长度为4mm。

弹簧Ⅱ2′为螺旋压缩弹簧，放置在下模3凹槽内，弹簧Ⅱ2′的弹簧外径与弹簧垫块Ⅱ2底面直径相同，弹簧Ⅱ2′的弹簧长度达到使弹簧垫块Ⅱ2在未冲压状态下完全抵住碳纤维复合材料板4。

下模3的凹槽的底面尺寸与弹簧垫块Ⅱ2底面尺寸相同，下模3 的凹槽的深度与弹簧垫块Ⅱ2高度和弹簧Ⅱ2′长度之和相同，下模3 的凹槽的表面与弹簧垫块Ⅱ2侧面接触且可自由滑动；对下模3的底面直径为碳纤维复合材料板4小孔直径的5倍，保证下模3顶部与下板充分接触，以达到支撑下板的目的。

下模3采用铝合金材料，下模3的凹槽的底面直径为24mm，深度为16mm；下模3的底面直径为40mm，高度为20mm。

冲头7针体直径13-15mm，针头顶部直径6-8mm，底部直径 8-10mm，针头高5-7mm，压边圈6中心定位通孔直径与冲头7针体直径相同，压边圈外径与下模3外径相同。