预开孔泡沫铝夹层板的制备方法及其与金属板的自冲铆接装置及铆接方法与流程
本发明属于泡沫铝夹层板与金属板铆接技术领域，特别涉及预开孔泡沫铝夹层板的制备方法及其与金属板的自冲铆接装置及铆接方法。
背景技术：
泡沫金属是一种新型的低密度材料，具有比强度高、良好的吸能特征、能隔音降噪及耐热特性等优势，主要用作建筑板材、吸能材料、防火材料及吸声材料等，在航空、航天、汽车制造及建筑等领域中的应用不断扩大。泡沫铝作为一种应用最广泛的泡沫金属，受到汽车行业和其它交通运输制造业的青睐。
在实际工程应用中，泡沫铝在制造业中的应用多为三明治夹层板结构，即两层薄的铝金属板和泡沫铝夹芯结构组成。使用泡沫铝夹层结构制造的某些汽车零件，其质量为原来钢结构的1/2，且刚度提高了10倍，具有良好的保温绝热性能。连接技术是材料在实际工程中得到推广和应用的关键，不具备成熟可靠的连接技术会使泡沫铝夹层板构件难以实现大批量生产和应用。目前泡沫铝夹层结构与金属板的连接通常使用焊接、粘接及传统的铆接等连接技术，在实际工程应用中泡沫铝夹层板通常会与不同材质的金属板进行连接，由于异种板材的熔点与热膨胀系数差异较大，使用焊接技术获得的接头性能较差甚至无法实现其有效连接；传统的机械连接通过机械外锁方式实现板材连接，其造成接头不美观及密封性差；粘接接头容易发生脆性断裂失效，同时受环境影响较大，对于极端环境工况下接头易发生失效。自冲铆接作为一种新型板材连接技术，其通过所连接板材及铆钉的塑性变形形成机械内锁，在进行异种金属、非金属等难焊接金属连接方面具有优势，接头具有较好的密封性及力学性能。
但由于泡沫铝厚度较厚且柔韧性差，用传统的自冲铆接技术直接对泡沫铝夹层板进行连接会造成孔状结构局部塌陷导致周围铝板发生翘曲变形，甚至不能完成铆接过程；泡沫铝夹层板的自冲铆接一直是亟待解决的难题。
技术实现要素：
本发明提供了预开孔泡沫铝夹层板的制备方法，目的是解决泡沫铝板在铆接过程中发生局部压缩变形导致周围材料发生翘曲损伤的问题。
本发明还提供了预开孔泡沫铝夹层板与金属板的自冲铆接装置及铆接方法，通过制作预开孔的泡沫铝夹层板，采用半空心自冲铆钉，在泡沫铝夹层板孔中放置辅助成形的圆柱形金属板，把铆接过程转化为薄板材料间的连接，可用于不同厚度的泡沫铝夹层板的连接；使接头具有良好的密封性及力学性能。
本发明提供的预开孔泡沫铝夹层板与金属板的自冲铆接方法，通过控制对压边圈的压力，控制铆接过程中泡沫铝夹层板所受的压强，以保持适当的压紧压力，避免压紧力过大导致泡沫铝孔状结构塌陷，使泡沫铝性能受损。
本发明提供的技术方案为：
预开孔泡沫铝夹层板的制备方法，包括如下步骤：
步骤一、在第一致密铝板上开设第一圆形通孔；
步骤二、在泡沫铝板上开设第二圆形通孔；
步骤三、制作圆柱形金属片；
其中，所述第一圆形通孔的直径、所述第二圆形通孔的直径及所述圆柱形金属片的直径均相同；
步骤四、将所述圆柱形金属片放置所述第二圆形通孔内，其下表面与所述泡沫铝板的下表面共面，将所述圆柱形金属片与所述泡沫铝板接触的区域固定粘接；
步骤五、将所述第一致密铝板放置在所述泡沫铝板的一侧，使所述第一圆形通孔与所述第二圆形通孔同轴，将所述第一致密铝板的表面与所述泡沫铝板的表面固定粘接；将第二致密铝板放置在所述泡沫铝板的另一侧，将所述第二致密铝板的表面与所述泡沫铝板的表面固定粘接；固化后，得到预开孔泡沫铝夹层板。
优选的是，所述圆柱形金属片的厚度小于泡沫铝板的厚度。
预开孔泡沫铝夹层板与金属板的自冲铆接装置，使用所述的预开孔泡沫铝夹层板，包括：
铆钉；
凹模主体，其中心位置开设有凹模型腔，所述凹模型腔的的侧壁为圆柱形，中心处为圆锥形凸台；所述凹模型腔的尺寸与所述铆钉相匹配；
压边圈，其开设有圆柱形的中心通孔；
冲头，其能够在所述中心通孔内沿所述中心通孔的轴向往复运动；
其中，所述预开孔泡沫铝夹层板与金属板贴紧放置在所述凹模主体与所述压边圈之间，使所述中心通孔、所述第一通孔及所述凹模型腔同轴；所述铆钉能够在所述冲头的运动作用下在所述第一通孔处将所述预开孔泡沫铝夹层板和所述金属板铆接；
多个压力传感器，其分布在所述压边圈靠近所述预开孔泡沫铝夹层板的端面上。
优选的是，所述凹模型腔的回转轴线与所述圆锥形凸台的回转轴线共线。
优选的是，所述铆钉包括依次同轴连接的第一部分、第二部分及第三部分；
其中，所述第一部分和所述第二部分均为实心圆柱体，所述第三部分为一端具有开口的空心圆柱体；并且从所述第一部分、第二部分到所述第三部分的外径依次减小。
优选的是，所述第二部分的直径与所述第一通孔的直径相等。
优选的是，所述第三部分开口侧的端面与内侧面之间采用圆弧过渡。
预开孔泡沫铝夹层板与金属板的自冲铆接方法，使用所述的预开孔泡沫铝夹层板与金属板的自冲铆接装置，包括如下步骤：
步骤1、将金属板和预开孔泡沫铝夹层板依次放置于凹模主体上；其中，第二致密铝板与所述金属板表面贴紧；
步骤2、启动压力传感器，驱动压边圈向下运动，将所述金属板和所述预开孔泡沫铝夹层板压紧；
步骤3、将铆钉放入压边圈的中心通孔中，驱动冲头下移，推动铆钉刺穿泡沫铝夹层板孔内的圆柱形金属片及第二致密铝板；在冲头和凹模主体的作用下铆钉的第三部分在所述金属板内张开形成机械内锁结构；
步骤4、待冲头下移至下止点，铆接完成，冲头及压边圈返回至初始位置。
优选的是，在铆接过程中，通过压力传感器实时检测预开孔铝合金夹层板表面受到的压强，控制施加给压边圈的驱动力，以保证铝合金夹层板受到的压强不超过设定的最大压强。
优选的是，所述最大压强为：
其中，p0为泡沫铝板的抗压缩强度，t为第一致密铝板表面的温度，th为环境温度；v为冲头的移动速度，vmin为设定的冲头最小移动速度，vmax为设定的冲头最大移动速度；d为第一圆形通孔的孔径；h为泡沫铝板的厚度。
本发明的有益效果是：
(1)本发明采用预开孔的泡沫铝夹层板，铆接过程中不涉及泡沫铝孔状结构的大变形，解决了泡沫铝局部发生压缩变形导致周围材料发生翘曲损伤，同时解决了厚度较厚的泡沫铝板无法进行自冲铆接的问题。
(2)本发明采用半空心自冲铆钉，其包括实心腿部和空心腿部，通过调节实心腿部和空心腿部的长度可满足不同厚度的泡沫铝夹层板的自冲铆接。
(3)本发明设置了压力传感器，在铆接过程中实时监测铝板受到的压力，控制铆接过程中泡沫铝夹层板所受压力值，保持适当的压紧压力，避免压紧力过大导致泡沫铝孔状结构塌陷，使泡沫铝性能受损。
(4)本发明具有普适性强、成本低、力学性能优越等优势，同时接头具有较好的密封性和防腐蚀性。
附图说明
图1为本发明所述的预开孔泡沫铝夹层板与金属板的自冲铆接装置剖视图。
图2为本发明所述的泡沫铝夹层板与金属板的自冲铆接过程中冲头运动到下止点的示意图。
图3为本发明所述的压边圈上粘贴压力传感器的剖视图。
图4为本发明所述的铆钉的剖视图。
图5为本发明所述的开孔后的致密铝板的剖视图。
图6为本发明所述的开孔后的泡沫铝板的剖视图。
图7为本发明所述的未开孔的致密铝板的剖视图。
图8为本发明所述的圆柱形金属片的剖视图。
图9为本发明所述的预开孔泡沫铝夹层板的剖视图。
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1-4所示，本发明提供了预开孔泡沫铝夹层板与金属板的自冲铆接装置，主要包括：凹模主体110，凹模型腔120，压边圈130，贴片式压力传感器140，冲头150及铆钉160。
凹模主体110为圆盘形结构，在凹模主体110的顶部中心处开设凹模型腔120，凹模型腔120的侧壁为圆柱形，中心有一个圆锥形凸台121，凹模型腔120的回转轴线与圆锥形凸台121的回转轴线共线。
压边圈130，其开设有圆柱形中心通孔131，压边圈130设置在凹模主体110上方。冲头150，其为实心圆柱形结构件，冲头150的一端设置在压边圈130的中心通孔131内，另一端与驱动装置(图中未示出)连接，冲头150能够在中心通孔131中上下滑动。
如图3所示，压边圈130的下表面均匀布设了6～8个压力传感器140。压力传感器140采用贴片式压力传感器，其占用空间小，适合测定金属表面压力。压力传感器140使用胶粘固定在压边圈130上，胶粘操作简单并且可以重复使用。
铆钉160，其采用半空心铆钉，铆钉包括依次同轴连接的头部161、实心腿部162及空心腿部163；其中，所述头部161和实心腿部162均为实心圆柱体，空心腿部163为一端具有开口的空心圆柱体；并且从头部161、实心腿部162到空心腿部163的外径依次减小。所述空心腿部163开口侧的端面与内侧面之间采用圆弧过渡。其中，铆钉160的头部161直径范围为11～13mm，实心腿部162直径范围为8～10mm，空心腿部163外径范围为5～7mm。
其中，根据经验设定实心腿部162的长度为：
式中，h为泡沫铝板的厚度，h1为开孔的致密铝板的厚度，h3为圆柱形金属片的厚度，h4为未开孔的致密铝板的厚度，h5为金属板的厚度，θ为设定值，取20～30度。
如图5-9所示，本发明提供了预开孔泡沫铝夹层板的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、取平面尺寸相同的两块致密铝板210、240和一块泡沫铝板220；并选取合适的铆钉160；
步骤二、在泡沫铝板220的铆接部位进行打孔，孔221的直径与铆钉160实心腿部162的直径相同；使铆钉160的腿部下侧能够恰好穿过泡沫铝板220的孔221；对其中一块致密铝板210进行预打孔，孔211位置与直径与上述泡沫铝板220上的孔221位置与直径相同；
步骤三、制作圆柱形金属片230，圆柱形金属片230的直径与泡沫铝板220上的孔221的直径相同，圆柱形金属片230的厚度小于泡沫铝板220的厚度。作为进一步的优选，圆柱形金属片230的厚度设置为为泡沫铝板220厚度的1/4～1/3。
步骤四、将圆柱形金属片230放置在泡沫铝板220的孔内，圆柱形金属片230的下表面与泡沫铝板220的下表面共面，圆柱形金属片230与泡沫铝板220接触区域用环氧树脂粘接剂进行固定连接；
步骤五、用环氧树脂粘接剂将预打孔的致密铝板210的下表面与泡沫铝板220的上表面进行粘接，粘接时保证致密铝板210上孔211的轴线与泡沫铝板220上的孔221的轴线共线；将未打孔的致密铝板240的上表面与泡沫铝板220的下表面进行粘接；
步骤六、将粘接后的预开孔泡沫铝夹层板200放置在常温下进行预固化。
本发明还提供了预开孔泡沫铝夹层板与金属板的自冲铆接方法，使用本发明提供的预开孔泡沫铝夹层板与金属板的自冲铆接装置进行铆接，如图1-2所示，包括如下步骤：
步骤1、将制备完成的预开孔泡沫铝夹层板200和金属板300放置于凹模主体110上表面，泡沫铝夹层板200作为上板，金属板300作为下板，其中，泡沫铝夹层板200中开孔的致密铝板210的一侧朝上放置，未开孔的致密铝板240的一侧放置在下与金属板300接触；泡沫铝夹层板200中的预开孔、凹模型腔120的同轴放置。
步骤2、将铆钉160通过送钉机构(图中未示出)送入压边圈130的中心通孔131中，冲头150一端放置在中心通孔131中，并位于铆钉160的上方；并且保证泡沫铝夹层板200中的预开孔、冲头150与凹模型腔120的同轴度。
步骤3、启动压力传感器140，根据泡沫铝板的抗压缩强度设置最大压强值，开启驱动装置促使压边圈130向下运动，压紧预开孔泡沫铝夹层板200和金属板300。
步骤4、驱动装置驱动冲头150沿着压边圈130的中心通孔131下移，促使铆钉160刺穿泡沫铝夹层板300孔内的圆柱形金属片230及下侧致密铝板240，促使圆柱形金属片230和下侧致密铝板240的金属流入凹模主体110内的凹模型腔120内，在凹模作用下铆钉160的空心腿部163在金属板300内张开形成机械内锁结构。
由于铆接过程中会促使压边力增大，根据压力传感器140的反馈，压边圈130的作用力通过动态调节保持，使泡沫铝夹层板受到的压强(压力传感器检测到的压强)处于设定的最大压强值范围内，避免压紧力过大导致泡沫铝孔状结构塌陷，使泡沫铝性能受损。
步骤5、待冲头150下移至所设定的距离，铆接完成，冲头150及压边圈130上升返回至初始位置。
在另一实施例中，通过传感器分别采集开孔的致密铝板210的表面温度t，环境温度th及冲头的移动速度v，在铆接过程中，根据温度、冲头的速度及泡沫铝板的厚度等因素确定的泡沫铝夹层板能承受的最大压强，并设定最大压强之为：
其中，p0为泡沫铝板的抗压缩强度，mpa，t为第一致密铝板表面的温度，℃；th为环境温度，℃；v为冲头的移动速度，mm/s；vmin为设定的冲头最小移动速度，mm/s；vmax为设定的冲头最大移动速度，mm/s；d为第一圆形通孔的孔径，mm；h为泡沫铝板的厚度，mm。其中，冲头移动速度的初始值设定为vmin和vmax的中间值。
实施例1
实施以泡沫铝夹层板与钢板的自冲铆接过程为例，做进一步的说明：
(1)分别取一块闭孔泡沫铝板及两块铝合金板，泡沫铝板尺寸为200mm×80mm×10mm，其孔隙度为0.5，孔径为1.5mm；两块铝合金板的尺寸均为200mm×80mm×0.5mm；在泡沫铝板及其中一块铝合金板上分别开设直径为7.7mm通孔；取直径为7.7mm、高度为3mm的圆柱形铝合金片；将开孔的铝合金板与泡沫铝板使用环氧树脂粘接剂进行粘接，开孔铝合金板及泡沫铝板上孔的相对位置及中轴线相同；将圆柱形铝合金片放置在泡沫铝板的孔中，圆柱形铝合金片的下表面与泡沫铝板的下表面共面，圆柱形铝合金片环向表面与泡沫铝板的开孔的表面接触区域采用环氧树脂粘接剂进行粘接；将未开孔的铝合金板与泡沫铝板的下表面通过环氧树脂粘接剂粘接；将未固化的泡沫铝夹层板放置在室温下固化24小时。
(2)选取一块尺寸为200mm×80mm×2mm的钢板，将所述制备完成带孔的泡沫铝夹层板和钢板放置于凹模主体的上表面，泡沫铝夹层板作为上板，钢板作为下板，其中泡沫铝夹层板中开孔铝板的一侧放置在上，未开孔铝板的一侧放置在下与钢板接触；并保证泡沫铝夹层板中的孔、冲头和凹模主体的同轴度。
(3)将铆钉通过送钉机构送入压边圈的通孔中，铆钉头部直径为11mm，铆钉实心腿部直径为7.7mm，空心腿部外径为5.7mm。铆钉实心腿部的直径与所述泡沫铝夹层板开孔直径相同，使铆钉下侧能够恰好穿过泡沫铝夹层板的孔内。
其中，根据经验设定实心腿部162的长度为：
式中，h为泡沫铝板的厚度，h1为开孔的致密铝板的厚度，h3为圆柱形金属片的厚度，h4为未开孔的致密铝板的厚度，h5为金属板的厚度。
(4)启动压力传感器，泡沫铝板的抗压缩强度为20mpa；驱动装置促使压边圈向下运动，压紧泡沫铝夹层板。初始情况下，t＝th，设置冲头的移动速度为200mm/s，其中，vmax＝250mm/s，vmin＝150mm/s；根据公式：
计算得到初始状态下设定的最大压强为19.4mpa，在铆接过程中，设置采样周期，并按照采样周期根据上述公式计算对最大压强值进行调整。
(5)驱动装置驱动冲头沿着压边圈的通孔下移，促使铆钉刺穿泡沫铝夹层板孔内的圆柱形金属片及泡沫铝夹层板的下侧铝合金板，促使圆柱形金属片和下侧铝合金板的金属流入凹模主体内的凹模型腔，在凹模作用下铆钉的空心腿部在钢板内张开形成机械内锁结构。由于铆接过程中会促使压边力增大，通过压力传感器的反馈，压边圈的作用力通过动态调节保持在所设置的最大压强值范围内。在保证压紧力的同时避免压紧力过大导致泡沫铝孔状结构塌陷，使泡沫铝性能受损。
(6)待冲头下移至所设定的距离，铆接完成，冲头及压边圈返回至初始位置。
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。
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