[发明专利]一种热塑性碳纤维复合材料板与合金板自冲铆接装置及铆接方法

摘要

本发明公开了一种热塑性碳纤维复合材料板与合金板自冲铆接装置，包括：凹模，其下部为实心圆柱形结构，上部中心设置有圆形凹槽，所述凹槽底面向上凸起呈圆锥形；压边圈，其为圆柱形结构且中心设置有圆柱形中心孔，所述压边圈设置在所述凹模上方并与其相对设置；冲头，其为空心圆柱形结构且内部设置有电磁加热器，所述冲头能够在所述中心孔内沿中心孔轴向运动，能够在适宜温度下进行铆接，铆接效果好且结构简单，操作方便。本发明还提供一种热塑性碳纤维复合材料板与合金板自冲铆接方法，能够根据复合材料和铆钉的结构特点确定铆钉铆接温度，提高铆接接头的质量，还能够根据冲头的冲击高度和铆接件厚度，主动调节冲头的冲击速度，提高铆接效果。

主权项

1.一种热塑性碳纤维复合材料板与合金板自冲铆接装置，其特征在于，包括：

凹模，其下部为实心圆柱形结构，上部中心设置有圆形凹槽，所述凹槽底面向上凸起呈圆锥形；

压边圈，其为圆柱形结构且中心设置有圆柱形中心孔，所述压边圈设置在所述凹模上方并与其相对设置；

冲头，其为空心圆柱形结构且内部设置有电磁加热器，所述冲头能够在所述中心孔内沿中心孔轴向运动。

2.如权利要求1所述的热塑性碳纤维复合材料板与合金板自冲铆接装置，其特征在于，所述圆锥形凸起上表面与凹模上表面共面；所述圆锥形凸起的回转轴线与圆形凹槽的回转轴线共线。

3.如权利要求1所述的热塑性碳纤维复合材料板与合金板自冲铆接装置，其特征在于，还包括：

真空隔热管，其与所述中心孔过盈配合；

过孔，其呈圆周式设置在所述压边圈下部并与所述中心孔连通；

柳接件，其设置在所述凹模和压边圈之间；

柳钉，其为半空心沉头铆钉，钉帽中心开孔，其设置在所述中心孔内并与所述柳接件上表面接触。

4.如权利要求3所述的热塑性碳纤维复合材料板与合金板自冲铆接装置，其特征在于，还包括：

多个热敏电阻传感器，其设置所述过孔内并与中心孔连通，用于检测柳钉的温度；

高度传感器，其设置在所述冲头底面，用于检测冲头距离柳钉的高度；

速度传感器，其设置在所述冲头上，用于检测冲头的冲击速度；

厚度传感器，其分别设置在所述压边圈的下表面和凹模的上表面，用于测量柳接件的厚度；

驱动机构，其与所述冲头连接，用于控制所述冲头距离柳钉的高度和冲击速度；

控制器，其与所述热敏电阻传感器、高度传感器、速度传感器、厚度传感器和驱动机构连接，用于接收所述热敏电阻传感器、高度传感器、速度传感器和厚度传感器的检测数据并控制所述驱动机构工作。

5.一种热塑性碳纤维复合材料板与合金板自冲铆接方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：将待铆接的热塑性碳纤维复合材料板与合金板放置于凹模和压边圈之间并压紧，合金板在下，冲头推送铆钉接触热塑性碳纤维复合材料板上表面；

步骤2：启动电磁加热器对柳钉进行加热，直至柳钉的温度满足：

其中，T为柳钉的温度，t_m为热塑性碳纤维复合材料的熔点；c_f为热塑性碳纤维复合材料的比热容；c_g为铆钉的比热容；m_g为铆钉质量；r₁为铆钉腿部外圈半径；r₂为铆钉腿部内圈半径；δ为热塑性碳纤维复合材料板与合金板的厚度；t₀为环境温度；ρ_f为热塑性碳纤维复合材料的密度；

步骤3：驱动冲头上行到一定高度后下行，将柳钉推动刺入热塑性碳纤维复合材料板与合金板，完成柳接。

6.如权利要求5所述的热塑性碳纤维复合材料板与合金板自冲铆接方法，其特征在于，所述步骤3中还包括模糊控制器；

将热塑性碳纤维复合材料板与合金板的厚度δ和冲头距离柳钉的高度H输入模糊控制器，所述热塑性碳纤维复合材料板与合金板的厚度δ和冲头距离柳钉的高度H分为7个等级；

模糊控制器输出冲头的冲击速度V，输出分为7个等级；

所述热塑性碳纤维复合材料板与合金板的厚度δ的模糊论域为[0,1]，其量化因子为10；所述冲头距离柳钉的高度H的模糊论域为[0,1]，量化因子为40；输出冲头的冲击速度V的模糊论域为[0,1]，量化因子为5；

输入和输出的模糊集为{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}。

7.如权利要求6所述的热塑性碳纤维复合材料板与合金板自冲铆接方法，其特征在于，还包括模糊PID控制器：

输入第i个冲击过程的柳钉温度T和柳钉最佳温度T₀的偏差、偏差变化率，输出PID的比例系数、比例积分系数和微分系数，比例系数、比例积分系数和微分系数输入PID控制器进行冲头冲击速度V的误差补偿控制。

8.如权利要求7所述的热塑性碳纤维复合材料板与合金板自冲铆接方法，其特征在于，

所述柳钉温度T和柳钉最佳温度T₀的偏差e的模糊论域为[‑1,1]，量化因子为5；所述偏差变化率ec的模糊论域为[‑2,2]，量化因子为1；

所述输出PID的比例系数的模糊论域为[‑1,1]，其量化因子为0.1；比例积分系数的模糊论域为[‑1,1]，其量化因子为0.1；微分系数的模糊论域为[‑1,1]，其量化因子为0.0001；

所述偏差e和偏差变化率ec分为7个等级；所述输出PID的比例系数、比例积分系数和微分系数分为7个等级；

所述模糊PID控制器的输入和输出的模糊集为{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}。

9.如权利要求5所述的热塑性碳纤维复合材料板与合金板自冲铆接方法，其特征在于，所述冲头冲击柳钉的时间为2～2.5s。

10.如权利要求5所述的热塑性碳纤维复合材料板与合金板自冲铆接方法，其特征在于，所述电磁加热器的参数为：

电流大小：I＝8A～10A；

电流频率：f＝20kHz～40kHz；

线圈匝数；N＝20～40。