本發(fā)明涉及碳纖維復(fù)合材料板與鋁合金板的鉚接領(lǐng)域，具體涉及基于熱熔原理的異種材料間無鉚釘鉚接裝置及鉚接方法。

背景技術(shù)：

由于環(huán)境、能源問題的日益嚴(yán)峻，汽車輕量化技術(shù)飛速發(fā)展。碳纖維復(fù)合材料是一種新型復(fù)合材料，有良好的力學(xué)性能，在航空航天已經(jīng)有廣泛的應(yīng)用。近年來，碳纖維復(fù)合材料憑借相對(duì)于傳統(tǒng)金屬材料有更高的比剛度、比強(qiáng)度，同時(shí)抗撞吸能性好、抗疲勞性好、耐電化學(xué)腐蝕等優(yōu)勢(shì)，在汽車行業(yè)中的應(yīng)用也越來越廣泛。

在車身應(yīng)用材料中，非金屬?gòu)?fù)合材料所占比重顯著提高，使得金屬與復(fù)合材料組合件的數(shù)量不斷增加。為實(shí)現(xiàn)汽車輕量化，金屬材料與非金屬材料之間較高質(zhì)量的連接工藝成為實(shí)現(xiàn)在汽車中大量應(yīng)用復(fù)合材料的關(guān)鍵技術(shù)。由于在鉚接過程中不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，抗疲勞性能和抗靜拉力性能良好等優(yōu)點(diǎn)，鉚接工藝成為近年來發(fā)展較快的薄板材料機(jī)械連接技術(shù)。

碳纖維復(fù)合材料的主要破壞形式有基體開裂、纖維斷裂、界面脫膠和分層破壞等，其最終的破壞形式是以上四種破壞形式的共同作用。在現(xiàn)有的碳纖維復(fù)合材料板無鉚釘連接工藝中，碳纖維復(fù)合材料易發(fā)生脆性破壞，影響鉚接接頭的抗疲勞性能和抗靜拉力性能，甚至直接導(dǎo)致接頭失效。

現(xiàn)有的無鉚釘鉚接工藝：一方面，由于碳纖維復(fù)合材料有較高的強(qiáng)度，在鉚接過程中，對(duì)設(shè)備的沖鉚能力有較高的要求，并且鉚接前需對(duì)鋁合金板預(yù)沖孔，加工工序增加，加工工藝復(fù)雜；另一方面，由于碳纖維復(fù)合材料塑性較差，在鉚接過程中，碳纖維復(fù)合材料易發(fā)生脆性破壞，降低鉚接接頭質(zhì)量，甚至無法形成有效的鉚接接頭。

因此，在現(xiàn)有的無鉚釘鉚接工藝中，需要增加新的工藝方法，保證在鋁合金和碳纖維復(fù)合材料鉚接過程中得到質(zhì)量良好的鉚接接頭，同時(shí)通過改進(jìn)原有的工藝方法來提高連接效率，在得到性能良好的鉚接件前提下降低成本。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明設(shè)計(jì)開發(fā)了基于熱熔原理的異種材料間無鉚釘鉚接裝置，本發(fā)明的發(fā)明目的是解決需要對(duì)鋁合金板預(yù)沖孔導(dǎo)致的工序復(fù)雜、鉚接過程中易發(fā)生脆性破壞的鉚接接頭的問題。

本發(fā)明設(shè)計(jì)開發(fā)了基于熱熔原理的異種材料間無鉚釘鉚接方法，本發(fā)明的發(fā)明目的是解決對(duì)鉚接裝置性能參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)后有效控制，使其達(dá)到較好的運(yùn)行狀態(tài)的問題。

本發(fā)明提供的技術(shù)方案為：

基于熱熔原理的異種材料間無鉚釘鉚接裝置，包括：

壓邊圈，其具有通孔，用于將鋁合金板以及碳纖維復(fù)合材料板進(jìn)行固定；

熱熔鉆頭，其能夠在所述壓邊圈的通孔中做上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)；

翻鉚針，其與所述熱熔鉆頭同心設(shè)置；

下模，其具有通孔，用于對(duì)所述翻鉚針進(jìn)行定位，所述翻鉚針在所述下模具的通孔中做上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)；

所述鋁合金板與所述碳纖維復(fù)合材料板同心放置在所述下模上，并且與所述熱熔鉆頭及所述翻鉚針同心設(shè)置，所述熱熔鉆頭及所述翻鉚針在運(yùn)動(dòng)過程中作用于所述鋁合金板及所述碳纖維復(fù)合材料板的通孔處，進(jìn)而形成無鉚釘鉚接件；

其中，所述熱熔鉆頭及所述翻鉚針分別連接有傳感器，通過采集所述碳纖維復(fù)合板的厚度、所述熱熔鉆頭下行速度、所述翻鉚針上行速度、所述熱熔鉆頭溫度以及所述翻鉚針溫度，控制所述熱熔鉆頭主軸轉(zhuǎn)速、軸向進(jìn)給力以及下止點(diǎn)高度，控制所述翻鉚針上止點(diǎn)高度。

優(yōu)選的是，所述碳纖維復(fù)合材料板的制備方法包括如下步驟：

步驟一：對(duì)預(yù)浸布進(jìn)行裝模，將碳纖維預(yù)浸布平鋪至模具中的凹槽中，并且所述凹槽的底面與所述碳纖維預(yù)浸布之間無空隙；

步驟二：對(duì)預(yù)浸布進(jìn)行凝膠處理，向所述模具的凹槽中加入凝膠介質(zhì)后將所述模具合裝，加熱至100℃～110℃；

步驟三：對(duì)預(yù)浸布進(jìn)行升壓固化處理，對(duì)凝膠處理后的模具進(jìn)行加壓，施加5MPa～10MPa的壓力，同時(shí)，升溫至120℃～130℃，并且保持2小時(shí)～6小時(shí)；

步驟四：完成預(yù)浸布的升壓固化處理之后，將模具自然冷卻至室溫，取出所述碳纖維復(fù)合材料板；

其中，所述凹槽中設(shè)置有光柱，所述光柱與所述凹槽底面之間采用圓弧過渡，所述碳纖維預(yù)浸布平鋪至所述凹槽中時(shí)，所述碳纖維預(yù)浸布的編織空隙穿過所述光柱，得到所述碳纖維復(fù)合材料板具有通孔并且在所述通孔底部與所述碳纖維復(fù)合材料板的下表面呈圓角過渡。

優(yōu)選的是，所述模具分為上凸模及下凹模，所述碳纖維預(yù)浸布平鋪至所述下凹模中的凹槽中，所述上凸模設(shè)置有與所述凹槽相匹配的凸臺(tái)，在所述凹槽的中心處設(shè)置光柱，所述上凸模的凸臺(tái)設(shè)置有與所述光柱相匹配的光孔。

優(yōu)選的是，所述光柱為圓柱體光柱與圓錐體光柱的組合光柱，所述圓柱體光柱與圓錐體光柱之間采用圓弧過渡；以及

所述光孔包含圓柱體光孔及圓錐體光孔，所述圓柱體光孔與圓錐體光孔采用圓弧過渡。

優(yōu)選的是，所述熱熔鉆頭包括環(huán)狀凸臺(tái)、中部圓柱以及頂端圓錐體；以及

所述翻鉚針分為針頭與針體，所述針頭頂部采用圓弧面過渡，所述針頭與所述針體采用圓弧面過渡，所述針體包括兩段不同底面直徑的圓柱體，其采用圓弧面過渡。

基于熱熔原理的異種材料間無鉚釘鉚接方法，包括如下步驟：

步驟一：制備出帶有一個(gè)通孔的碳纖維復(fù)合材料板件；

步驟二：將鋁合金板和碳纖維復(fù)合材料板件置于鉚接裝置的下模之上；其中，所述鋁合金板在上，所述碳纖維復(fù)合材料板件在下，并使碳纖維板與下模同心放置，驅(qū)動(dòng)壓邊圈下移至將兩塊板件壓緊；

步驟三：將熱熔鉆頭下移作用于所述鋁合金板，所述熱熔鉆頭鉆削鋁合金板成孔的同時(shí)金屬流動(dòng)形成具有鋁合金襯套，直到熱熔鉆頭到達(dá)下止點(diǎn)，所述熱熔鉆頭泄壓向上運(yùn)動(dòng)回程，準(zhǔn)備進(jìn)行下一次鉚接；

步驟四：將翻鉚針向上移動(dòng)，作用于鉆削鋁合金板后形成的襯套，在所述翻鉚針擠壓作用下，鋁合金襯套端部向周圍外翻形成鉚接接頭，所述翻鉚針到達(dá)上止點(diǎn)后，泄壓向下運(yùn)動(dòng)回程，準(zhǔn)備進(jìn)行下一次鉚接。

優(yōu)選的是，在所述步驟三之前，對(duì)熱熔鉆頭主軸轉(zhuǎn)速、熱熔鉆頭軸向進(jìn)給力、熱熔鉆頭下止點(diǎn)高度和翻鉚針上止點(diǎn)高度進(jìn)行基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的調(diào)控，具體方法如下：

步驟a、按照采樣周期，通過傳感器采集碳纖維復(fù)合板的厚度H、熱熔鉆頭下行速度V_a、翻鉚針鉚接上行速度V_b、熱熔鉆頭溫度T_a以及翻鉚針溫度T_b；

步驟b、依次將碳纖維復(fù)合板的厚度H、熱熔鉆頭下行速度V_a、翻鉚針鉚接上行速度V_b、熱熔鉆頭溫度T_a以及翻鉚針溫度T_b進(jìn)行規(guī)格化，確定三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入層向量x＝{x₁,x₂,x₃,x₄,x₅}；其中，x₁為碳纖維復(fù)合板的厚度系數(shù)，x₂為熱熔鉆頭下行速度系數(shù)，x₃為翻鉚針鉚接上行速度系數(shù)，x₄為熱熔鉆頭溫度系數(shù)，x₅所述翻鉚針溫度系數(shù)；

步驟c、所述輸入層向量映射到中間層，所述中間層向量y＝{y₁,y₂,…,y_m}；m為中間層節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)；

步驟d、得到輸出層向量z＝{z₁,z₂,z₃,z₄,z₅}；其中，z₁熱熔鉆頭主軸轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系數(shù)，z₂熱熔鉆頭軸向進(jìn)給力調(diào)節(jié)系數(shù)，z₃熱熔鉆頭下止點(diǎn)高度調(diào)節(jié)系數(shù)，z₄翻鉚針上止點(diǎn)高度調(diào)節(jié)系數(shù)，z₅為緊急停機(jī)信號(hào)；

步驟e、控制熱熔鉆頭主軸轉(zhuǎn)速、熱熔鉆頭軸向進(jìn)給力、熱熔鉆下止點(diǎn)高度、翻鉚針上止點(diǎn)高度，使

ω_i+1＝z₁ⁱω_max，

F_i+1＝z₂ⁱF_max，

H_a(i+1)＝z₃ⁱH_{a_max}，

H_b(i+1)＝z₄ⁱH_{b_max}，

其中，其中z₁ⁱ、z₂ⁱ、z₃ⁱ、z₄ⁱ分別為第i個(gè)采樣周期輸出層向量參數(shù)，ω_max、F_max、H_amax、H_bmax分別為設(shè)定的熱熔鉆頭最大主軸轉(zhuǎn)速、熱熔鉆頭最大軸向進(jìn)給力，熱熔鉆頭最低下止點(diǎn)高度和翻鉚針最高上止點(diǎn)高度，ω_i+1、F_i+1、H_a(i+1)、H_b(i+1)分別為第i+1個(gè)采樣周期時(shí)的熱熔鉆頭主軸轉(zhuǎn)速、熱熔鉆頭軸向進(jìn)給力、熱熔鉆頭下止點(diǎn)高度、翻鉚針上止點(diǎn)高度。

優(yōu)選的是，所述步驟e之后還包括：根據(jù)第i個(gè)采樣周期中的厚度、速度、溫度采樣信號(hào)，判斷第第i+1個(gè)采樣周期中的鉚接裝置的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)輸出信號(hào)時(shí)，進(jìn)行緊急停止。

優(yōu)選的是，所述步驟b中，碳纖維復(fù)合板的厚度H、熱熔鉆頭下行速度V_a、翻鉚針鉚接上行速度V_b、熱熔鉆頭溫度T_a以及翻鉚針溫度T_b進(jìn)行規(guī)格公式為：

其中，x_j為輸入層向量中的參數(shù)，X_j分別為測(cè)量參數(shù)H、V_a、V_b、T_a、T_b，j＝1,2,3,4,5；X_jmax和X_jmin分別為相應(yīng)測(cè)量參數(shù)中的最大值和最小值。

優(yōu)選的是，在所述步驟c中，所述中間層節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)m滿足：其中n為輸入層節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，p為輸出層節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)；以及

初始運(yùn)行狀態(tài)下，熱熔鉆頭主軸轉(zhuǎn)速、軸向進(jìn)給力、熱熔鉆下止點(diǎn)高度、翻鉚針上止點(diǎn)高度滿足經(jīng)驗(yàn)值：

ω₀＝0.5ω_max，

F₀＝0.65F_max，

H_a0＝0.85H_{a_max}，

H_b0＝0.85H_{b_max}，

其中，ω₀為熱熔鉆初始主軸轉(zhuǎn)速，F(xiàn)₀為熱熔鉆初始軸向進(jìn)給力，H_a0為熱熔鉆初始下止點(diǎn)高度，H_b0為翻鉚針初始上止點(diǎn)高度；ω_max為熱熔鉆設(shè)定的最大主軸轉(zhuǎn)速，F(xiàn)_max為熱熔鉆設(shè)定的最大軸向進(jìn)給力，H_{a_max}為熱熔鉆設(shè)定的最低下止點(diǎn)高度，H_{b_max}為翻鉚針設(shè)定的最高上止點(diǎn)高度。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較所具有的有益效果：

1、本發(fā)明所述的鋁合金板與碳纖維復(fù)合材料板的鉚接方法中采用帶有通孔的碳纖維復(fù)合材料板，在碳纖維復(fù)合材料板制作過程中直接將該板做成帶有通孔的，不需要進(jìn)行沖孔。不但簡(jiǎn)化了工藝步驟，降低了加工成本，同時(shí)在鉚接過程中碳纖維復(fù)合材料板幾乎不發(fā)生變形，避免了碳纖維復(fù)合材料板發(fā)生脆性破壞；

2、本發(fā)明所述的鋁合金板與碳纖維復(fù)合材料板的鉚接方法中采用了翻孔工藝，該工藝使鋁合金板在碳纖維復(fù)合材料板通孔處形成外翻的接頭，提高了鉚接接頭的抗拉、抗剪和抗疲勞性能，并且不需要鉚釘，質(zhì)量減輕，成本降低；

3、本發(fā)明所述的鋁合金板與碳纖維復(fù)合材料板的鉚接方法中應(yīng)用熱熔原理，采用熱熔鉆將鋁合金板一次鉆削加工成孔并形成鋁合金襯套，翻孔后與碳纖維復(fù)合材料板連接，加工工序減少，加工工藝簡(jiǎn)單，連接效率提高；

4、本發(fā)明通過基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制方法，使熱熔鉆頭主軸轉(zhuǎn)速、熱熔鉆頭軸向進(jìn)給力、熱熔鉆頭下止點(diǎn)高度和翻鉚針上止點(diǎn)高度進(jìn)行調(diào)控，使其達(dá)到最佳的運(yùn)行狀態(tài)，從而提高運(yùn)行效率。

附圖說明

圖1為碳纖維復(fù)合材料模壓成型工藝的流程圖。

圖2為本發(fā)明所述的制備帶有通孔的碳纖維復(fù)合板所采用模具的全剖視圖。

圖3為本發(fā)明所述的制備帶有通孔的碳纖維復(fù)合板所采用模具的上凸模結(jié)構(gòu)軸測(cè)投影視圖。

圖4為本發(fā)明所述的制備帶有通孔的碳纖維復(fù)合板所采用模具的下凹模結(jié)構(gòu)軸測(cè)投影視圖。

圖5為本發(fā)明所述的鋁合金板與碳纖維復(fù)合板之間的無鉚釘鉚接方法中采用的無鉚釘鉚接裝置組成示意圖。

圖6為本發(fā)明所述的鋁合金板與碳纖維復(fù)合板之間的無鉚釘鉚接方法中采用的標(biāo)準(zhǔn)熱熔鉆頭結(jié)構(gòu)軸測(cè)投影圖。

圖7為本發(fā)明所述的鋁合金板與碳纖維復(fù)合板之間的無鉚釘鉚接方法中采用的無鉚釘鉚接設(shè)備在鉚接過程中標(biāo)準(zhǔn)熱熔鉆運(yùn)動(dòng)至下止點(diǎn)的工序。

圖8為本發(fā)明所述的鋁合金板與碳纖維復(fù)合板之間的無鉚釘鉚接方法中采用的無鉚釘鉚接設(shè)備在鉚接過程中翻鉚針運(yùn)動(dòng)至上止點(diǎn)的工序。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明，以令本領(lǐng)域技術(shù)人員參照說明書文字能夠據(jù)以實(shí)施。

如圖1～8所示，本發(fā)明提供鋁合金板與碳纖維復(fù)合材料板之間的無鉚釘鉚接方法包括帶有通孔的碳纖維復(fù)合材料板的制備方法和鋁合金與碳纖維復(fù)合材料板之間的一種無鉚釘鉚接方法。

實(shí)施例1

制備帶有通孔的碳纖維復(fù)合材料板所使用的模具

如圖1所示，所述的碳纖維復(fù)合材料模壓工藝流程有預(yù)浸布裝模、預(yù)浸布凝膠、合模加壓、升溫固化、降溫脫模、修剪試件和檢查備用。所述的制備模具由上凸模110和下凹模120共同組成，模具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于制備帶通孔的碳纖維復(fù)合材料板。

如圖2、圖3所示，所述的上凸模110為長(zhǎng)方體式結(jié)構(gòu)件，以長(zhǎng)方體的下表面為基準(zhǔn)面在中心處設(shè)置一個(gè)長(zhǎng)和寬相對(duì)較小的長(zhǎng)方體凸臺(tái)，在凸臺(tái)的正中心設(shè)置有一個(gè)圓柱體與圓錐體組合光孔，以長(zhǎng)方體凸臺(tái)的底面為基準(zhǔn)面，靠近基準(zhǔn)面的光孔為圓柱體光孔，遠(yuǎn)離基準(zhǔn)面的光孔為圓錐體光孔，圓柱體光孔與圓錐體光孔之間采用光滑圓弧過渡，圓錐體光孔錐尖處采用圓弧過渡,，圓柱體光孔與長(zhǎng)方體凸臺(tái)底面之間采用圓弧過渡。

在實(shí)施例中，上凸模110采用鋁合金材料，上凸模110底座長(zhǎng)方體長(zhǎng)為300mm，寬為180mm，高為30mm。長(zhǎng)方體凸臺(tái)的長(zhǎng)為200mm，寬為80mm，高為25mm，長(zhǎng)方體凸臺(tái)側(cè)面分別與底座長(zhǎng)方體各側(cè)面平行，每組平行平面之間距離均為50mm。上凸模110內(nèi)的光孔結(jié)構(gòu)包含一圓柱體光孔和一圓錐體光孔，圓柱體光孔底面圓直徑為8mm，深為10mm，圓錐體光孔底面圓錐面圓直徑為8mm，圓錐體光孔的深為10mm，圓錐體光孔錐尖處為半徑為1mm的球面，圓錐體光孔與圓柱體光孔連接處采用半徑為5mm的圓弧面過渡。

如圖2、圖4所示，所述的下凹模120為長(zhǎng)方體式結(jié)構(gòu)件，以長(zhǎng)方體上表面為基準(zhǔn)面在中心處設(shè)置一個(gè)長(zhǎng)和寬相對(duì)較小的長(zhǎng)方體凹槽，在凹槽的正中心設(shè)置有一個(gè)圓柱體與圓錐體組合光柱，以長(zhǎng)方體凸臺(tái)的底面為基準(zhǔn)面，靠近基準(zhǔn)面的光柱為圓柱體光柱，遠(yuǎn)離基準(zhǔn)面的光柱為圓錐體光柱，圓柱體光柱與圓錐體光柱之間采用光滑圓弧過渡，圓錐體光柱錐尖處采用圓弧過渡。在長(zhǎng)方體凹槽長(zhǎng)和寬方向的中心軸線與凹槽側(cè)壁相交處設(shè)置4個(gè)半圓形通孔。

在本實(shí)施例中，下凹模120采用鋁合金材料，下凹模120底座長(zhǎng)方體長(zhǎng)為300mm，寬為180mm，高為30mm。長(zhǎng)方體凹槽的長(zhǎng)為200mm，寬為80mm，深為15mm，長(zhǎng)方體凹槽側(cè)面分別與底座長(zhǎng)方體各側(cè)面平行，每組平行平面之間距離均為50mm。下凹模120內(nèi)的光柱結(jié)構(gòu)幾何形狀和尺寸與上凸模110中光孔結(jié)構(gòu)一致，圓柱體光柱底面圓直徑為8mm，高為10mm，圓錐體光柱底面圓錐面直徑為8mm，圓錐體光柱的高為10mm，圓錐體光柱錐尖處為半徑為1mm的球面，圓錐體光柱與圓柱體光柱連接處采用半徑為5mm的圓弧面過渡。長(zhǎng)方體凹槽長(zhǎng)和寬方向的中心軸線與凹槽側(cè)壁相交處設(shè)置4個(gè)半徑為5mm，深為15mm的半圓形通孔。

實(shí)施例2

制備帶有通孔的碳纖維復(fù)合材料板所使用的方法

在所設(shè)計(jì)的模具的基礎(chǔ)之上實(shí)現(xiàn)碳纖維復(fù)合板的制備，所設(shè)計(jì)的模具可以制備帶有通孔的碳纖維復(fù)合材料板件。

帶有通孔的碳纖維復(fù)合材料板的制備過程：

1、在完成碳纖維布預(yù)浸工序后將碳纖維復(fù)合材料預(yù)浸布剪裁好，將預(yù)浸布平鋪放入下凹模120內(nèi)的凹槽處，平鋪過程中使編織碳纖維復(fù)合材料預(yù)浸布的編織孔隙穿過下凹模120中的光柱，并且保證碳纖維復(fù)合材料預(yù)浸布在凹槽內(nèi)全部鋪平，凹槽的底面與碳纖維復(fù)合材料預(yù)浸布之間沒有空隙；

2、將上凸模110與下凹模120合裝到一起，使上凸模110和下凸模2組成的合模共同加熱進(jìn)行預(yù)浸布凝膠。以酚醛環(huán)氧乙烯基樹脂為例，將合模的溫度升高到100℃—110℃，完成樹脂的凝膠工序；

3、在上凸模110與下凹模120合裝狀態(tài)下對(duì)上凸模110和下凹模120均施加一定的壓力，以酚醛環(huán)氧乙烯基樹脂為例，在加壓的同時(shí)提高合裝后裝置的溫度到120℃—130℃并保持一段時(shí)間，完成樹脂的固化；

4、降低上凸模110與下凹模120合裝后裝置溫度，分離上凸模110與下凹模120，取出碳纖維復(fù)合材料試件，對(duì)板件進(jìn)行修剪，得到帶有通孔的碳纖維復(fù)合板160備用。

實(shí)施例3

鋁合金板與碳纖維復(fù)合材料板的無鉚釘鉚接方法

如圖5所示，鋁合金板150與碳纖維復(fù)合板160的鉚接方法中的無鉚釘鉚接裝置由熱熔鉆頭130、壓邊圈140、翻鉚針170、下模180組成。

熱熔鉆頭130為標(biāo)準(zhǔn)型熱熔鉆鉆頭，由環(huán)狀凸臺(tái)、中部圓柱體和頂端圓錐體結(jié)構(gòu)組成。壓邊圈140結(jié)構(gòu)中心處設(shè)置一個(gè)用于定位熱熔鉆頭130的通孔，在鉚接過程中，熱熔鉆頭130在壓邊圈140通孔中上下運(yùn)動(dòng)。

翻鉚針170針體部分由兩段不同底面直徑的圓柱體組成，針頭部分頂端采用圓弧面過渡，針頭與針體之間采用圓弧面過渡，針體部分中兩段不同底面半徑的圓柱體之間采用圓弧面過渡。下模180結(jié)構(gòu)中心處設(shè)置一個(gè)用于定位翻鉚針170的通孔，在鉚接過程中，翻鉚針170在下模180通孔中上下運(yùn)動(dòng)。熱熔鉆頭130、壓邊圈140結(jié)構(gòu)中的通孔、翻鉚針170和下模180結(jié)構(gòu)中的通孔均同心放置。

如圖5、圖6所示，鋁合金板150與碳纖維復(fù)合板160的鉚接方法中使用的碳纖維復(fù)合板160在中心處有直徑為8—10mm的通孔。碳纖維復(fù)合板160的通孔與熱熔鉆頭130、壓邊圈140結(jié)構(gòu)中的通孔、翻鉚針170、下模180結(jié)構(gòu)中的通孔均同心放置。

鋁合金板150與碳纖維復(fù)合板160的鉚接方法的步驟如下：

1、如圖5所示，將鋁合金板150與所述制備成帶有通孔的碳纖維復(fù)合板160放置在下模180上，鋁合金板150在上，碳纖維復(fù)合板160在下，熱熔鉆頭130、壓邊圈140、碳纖維復(fù)合板160與下模180同心放置，驅(qū)動(dòng)壓邊圈140壓緊鋁合金板150和碳纖維復(fù)合板160。

2、如圖7所示，鋁合金板150與碳纖維復(fù)合板160的鉚接過程中，首先正確將夾頭裝入刀柄，再將熱熔鉆頭130裝入夾頭并鎖緊，然后將刀柄接入鉆床。加少量潤(rùn)滑油于刀具上，下壓手柄，保持規(guī)則勻速的進(jìn)給速度，不可停頓，將熱熔鉆頭130送入壓邊圈140的中心定位通孔中。熱熔鉆頭130頂端圓錐體最大直徑6—8mm，中部圓柱體直徑6—8mm，環(huán)狀凸臺(tái)外徑12—14mm。壓邊圈140中心定位通孔直徑與熱熔鉆頭130環(huán)狀凸臺(tái)外徑相同，環(huán)狀凸臺(tái)內(nèi)徑與中部圓柱體直徑相同。

熱熔鉆頭130在壓邊圈140中的通孔中向下運(yùn)動(dòng)至下止點(diǎn)，鉆削鋁合金板150成孔的同時(shí)形成鋁合金襯套，襯套厚度約1mm，長(zhǎng)度約為鋁合金板厚的2—3倍。熱熔鉆頭130到達(dá)下止點(diǎn)后泄壓向上運(yùn)動(dòng)回程，準(zhǔn)備進(jìn)行下一次鉚接。

3、如圖8所示，鋁合金板150與碳纖維復(fù)合板160的鉚接過程中，翻鉚針170針體較大圓柱體直徑為18—20mm，較小圓柱體直徑為6—8mm。下模180結(jié)構(gòu)中通孔直徑與翻鉚針170針體較大圓柱體直徑相同。驅(qū)動(dòng)翻鉚針170在下模180的通孔中向上運(yùn)動(dòng)至上止點(diǎn)，在運(yùn)動(dòng)過程中翻鉚針170作用于步驟2中熱熔鉆頭130在鉆削鋁合金板150過程中形成的襯套，使襯套底端沿著翻鉚針170針體兩底面直徑大小不同的圓柱體間的過渡曲面外翻變形，形成包裹住碳纖維復(fù)合板160通孔的鉚接接頭。翻鉚針170到達(dá)上止點(diǎn)后泄壓向下運(yùn)動(dòng)回程，準(zhǔn)備進(jìn)行下一次鉚接。

4、鉚接工藝完成，卸下鋁合金板150和碳纖維復(fù)合板160的鉚接件，進(jìn)行下一次無鉚釘鉚接的準(zhǔn)備工序。

在另一種實(shí)施例中，在完成加將鋁合金板150和碳纖維復(fù)合板160固定在模具上時(shí)，對(duì)熱熔鉆頭130主軸轉(zhuǎn)速、熱熔鉆頭130軸向進(jìn)給力、翻鉚針170鉚接速度、熱熔鉆頭130下止點(diǎn)高度和翻鉚針170上止點(diǎn)高度進(jìn)行基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的調(diào)控，具體方法如下：

步驟一、建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型；

本發(fā)明采用的BP網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)由三層組成，第一層為輸入層，共n個(gè)節(jié)點(diǎn)，對(duì)應(yīng)了表示設(shè)備工作狀態(tài)的n個(gè)檢測(cè)信號(hào)，這些信號(hào)參數(shù)由數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊給出。第二層為隱層，共m個(gè)節(jié)點(diǎn)，由網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練過程以自適應(yīng)的方式確定。第三層為輸出層，共p個(gè)節(jié)點(diǎn)，由系統(tǒng)實(shí)際需要輸出的響應(yīng)確定。

該網(wǎng)絡(luò)的數(shù)學(xué)模型為：

輸入層向量：x＝(x₁,x₂,…,x_n)^T

中間層向量：y＝(y₁,y₂,…,y_m)^T

輸出層向量：z＝(z₁,z₂,…,z_p)^T

本發(fā)明中，輸入層節(jié)點(diǎn)數(shù)為n＝5，輸出層節(jié)點(diǎn)數(shù)為p＝5。隱藏層節(jié)點(diǎn)數(shù)m由下式估算得出：

按照采樣周期，輸入的5個(gè)參數(shù)為，x₁為碳纖維復(fù)合板的厚度系數(shù)，x₂為熱熔鉆頭下行速度系數(shù)，x₃為翻鉚針鉚接上行速度系數(shù)，x₄為熱熔鉆頭溫度系數(shù)，x₅所述翻鉚針溫度系數(shù)；

由于傳感器獲取的數(shù)據(jù)屬于不同的物理量，其量綱各不相同。因此，在數(shù)據(jù)輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)之前，需要將數(shù)據(jù)規(guī)格化為0-1之間的數(shù)。

具體而言，對(duì)于碳纖維復(fù)合板的厚度H，進(jìn)行規(guī)格化后，得到碳纖維復(fù)合板的厚度系數(shù)x₁：

其中，H_min和H_max分別為碳纖維復(fù)合板的最小厚度和最大厚度。

同樣的，對(duì)熱熔鉆頭下行速度V_a，進(jìn)行規(guī)格化后，得到熱熔鉆頭下行速度系數(shù)x₂：

其中，V_{a_min}和V_{a_max}分別為熱熔鉆頭的最小下行速度和最大下行速度。

對(duì)翻鉚針鉚接上行速度V_b，進(jìn)行規(guī)格化后，得到翻鉚針鉚接上行速度系數(shù)x₃：

其中，V_{b_min}和V_{b_max}分別為翻鉚針鉚接的最小上行速度和最大上行速度。

使用溫度傳感器測(cè)量得到熱熔鉆頭溫度T_a，進(jìn)行規(guī)格化后，得到熱熔鉆頭溫度系數(shù)x₄：

其中，T_{a_min}和T_{a_max}分別為熱熔鉆頭的最小溫度和最大溫度。

使用溫度傳感器測(cè)量得到翻鉚針溫度T_b，進(jìn)行規(guī)格化后，得到翻鉚針溫度系數(shù)x₅：

其中，T_{b_min}和T_{b_max}分別為翻鉚針的最小溫度和最大溫度。

輸出信號(hào)的5個(gè)參數(shù)分別表示為：z₁熱熔鉆頭主軸轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系數(shù)，z₂熱熔鉆頭軸向進(jìn)給力調(diào)節(jié)系數(shù)，z₃熱熔鉆頭下止點(diǎn)高度調(diào)節(jié)系數(shù)，z₄翻鉚針上止點(diǎn)高度調(diào)節(jié)系數(shù)，z₅為緊急停機(jī)信號(hào)；

熱熔鉆頭主軸轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系數(shù)z₁表示為下一個(gè)采樣周期中的主軸轉(zhuǎn)速與當(dāng)前采樣周期中設(shè)定的最高轉(zhuǎn)速之比，即在第i個(gè)采樣周期中，采集到的主軸轉(zhuǎn)速為ω_i，通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出第i個(gè)采樣周期的主軸轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系數(shù)z₁ⁱ后，控制第i+1個(gè)采樣周期中翻鉚針鉚接速度為ω_i+1，使其滿足ω_i+1＝z₁ⁱω_max；

熱熔鉆頭軸向進(jìn)給力調(diào)節(jié)系數(shù)z₂表示為下一個(gè)采樣周期中的軸向進(jìn)給力與當(dāng)前采樣周期中設(shè)定的最大軸向進(jìn)給力之比，即在第i個(gè)采樣周期中，采集到的軸向進(jìn)給力為F_i，通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出第i個(gè)采樣周期的軸向進(jìn)給力調(diào)節(jié)系數(shù)z₂ⁱ后，控制第i+1個(gè)采樣周期中熱熔鉆軸向進(jìn)給力為F_i+1，使其滿足F_i+1＝z₂ⁱF_max；

熱熔鉆頭下止點(diǎn)高度調(diào)節(jié)系數(shù)z₃表示為下一個(gè)采樣周期中的熱熔鉆下止點(diǎn)高度與當(dāng)前采樣周期中設(shè)定的最高位置之比，即在第i個(gè)采樣周期中，采集到的熱熔鉆頭下止點(diǎn)高度為H_ai，通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出第i個(gè)采樣周期的熱熔鉆頭下止點(diǎn)高度調(diào)節(jié)系數(shù)z₃ⁱ后，控制第i+1個(gè)采樣周期中熱熔鉆頭下止點(diǎn)高度為H_a(i+1)，使其滿足H_a(i+1)＝z₃ⁱH_{a_max}；

翻鉚針上止點(diǎn)高度調(diào)節(jié)系數(shù)z₄表示為下一個(gè)采樣周期中翻鉚針上止點(diǎn)高度與當(dāng)前采樣周期中設(shè)定的最高位置之比，即在第i個(gè)采樣周期中，采集到的翻鉚針上止點(diǎn)高度為H_bi，通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出第i個(gè)采樣周期的翻鉚針上止點(diǎn)高度調(diào)節(jié)系數(shù)z₄ⁱ后，控制第i+1個(gè)采樣周期中翻鉚針上止點(diǎn)高度為H_b(i+1)，使其滿足H_b(i+1)＝z₄ⁱH_{b_max}；

緊急停機(jī)信號(hào)z₅表示為當(dāng)前設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，其輸出值為0或1，當(dāng)輸出值為0時(shí)，表示當(dāng)前設(shè)備處于非正常狀態(tài)，此時(shí)，需要進(jìn)行緊急停機(jī)；當(dāng)輸出值為1時(shí)，表示當(dāng)前設(shè)備處于正常狀態(tài)，可以繼續(xù)運(yùn)行。

步驟二：進(jìn)行BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練。

建立好BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)模型后，即可進(jìn)行BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練。根據(jù)產(chǎn)品的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取訓(xùn)練的樣本，并給定輸入節(jié)點(diǎn)i和隱含層節(jié)點(diǎn)j之間的連接權(quán)值w_ij，隱層節(jié)點(diǎn)j和輸出層節(jié)點(diǎn)k之間的連接權(quán)值w_jk，隱層節(jié)點(diǎn)j的閾值θ_j，輸出層節(jié)點(diǎn)k的閾值w_ij、w_jk、θ_j、θ_k均為-1到1之間的隨機(jī)數(shù)。

在訓(xùn)練過程中，不斷修正w_ij和w_jk的值，直至系統(tǒng)誤差小于等于期望誤差時(shí)，完成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練過程。

如表1所示，給定了一組訓(xùn)練樣本以及訓(xùn)練過程中各節(jié)點(diǎn)的值。

表1訓(xùn)練過程各節(jié)點(diǎn)值

步驟三、采集數(shù)據(jù)運(yùn)行參數(shù)輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)得到調(diào)控系數(shù)；

訓(xùn)練好的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)固化在芯片之中，使硬件電路具備預(yù)測(cè)和智能決策功能，從而形成智能硬件。智能硬件加電啟動(dòng)后，與熱熔鉆頭相連的電機(jī)及與翻鉚針相連的電機(jī)均開始運(yùn)行，熱熔鉆頭主軸轉(zhuǎn)速、熱熔鉆頭軸向進(jìn)給力均以最大值開始運(yùn)行，熱熔鉆頭下止點(diǎn)高度及翻鉚針下止點(diǎn)高度均為最大位移，即熱熔鉆頭主軸轉(zhuǎn)速為ω₀＝0.5ω_max，熱熔鉆頭軸向進(jìn)給力為F₀＝0.65F_max，熱熔鉆頭下止點(diǎn)初始高度為H_a0＝0.85H_{a_max}，翻鉚針上止點(diǎn)初始高度為H_b0＝0.85H_{b_max}；

同時(shí)，使用溫度傳感器、速度傳感器以及位移傳感器測(cè)量初始碳纖維復(fù)合板的厚度H₀，初始熱熔鉆頭下行速度V_a0，初始翻鉚針鉚接上行速度V_b0，初始熱熔鉆頭溫度T_a0以及初始翻鉚針溫度T_b0，通過將上述參數(shù)規(guī)格化，得到BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的初始輸入向量通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)算得到初始輸出向量

步驟四：控制熱熔鉆頭主軸轉(zhuǎn)速、熱熔鉆頭軸向進(jìn)給力、熱熔鉆頭下止點(diǎn)高度以及翻鉚針上止點(diǎn)高度；得到初始輸出向量后，即可進(jìn)行轉(zhuǎn)速、進(jìn)給力及高度的調(diào)控，調(diào)節(jié)熱熔鉆頭主軸轉(zhuǎn)速、熱熔鉆頭軸向進(jìn)給力、熱熔鉆頭下止點(diǎn)高度以及翻鉚針上止點(diǎn)高度，使下一個(gè)采樣周期熱熔鉆頭主軸轉(zhuǎn)速、熱熔鉆頭軸向進(jìn)給力、熱熔鉆頭下止點(diǎn)高度以及翻鉚針上止點(diǎn)高度分別為：

ω₁＝z₁⁰ω_max

F₁＝z₂⁰F_max

通過傳感器獲取第i個(gè)采樣周期中的碳纖維復(fù)合板的厚度H，熱熔鉆頭下行速度V_a，翻鉚針鉚接上行速度V_b，熱熔鉆頭溫度T_a以及翻鉚針溫度T_b，通過進(jìn)行規(guī)格化得到第i個(gè)采樣周期的輸入向量xⁱ＝(x₁ⁱ,x₂ⁱ,x₃ⁱ,x₄ⁱ,x₅ⁱ)，通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)算得到第i個(gè)采樣周期的輸出向量zⁱ＝(z₁ⁱ,z₂ⁱ,z₃ⁱ,z₄ⁱ,z₅ⁱ)，然后控制調(diào)節(jié)熱熔鉆頭主軸轉(zhuǎn)速、熱熔鉆頭軸向進(jìn)給力、熱熔鉆頭下止點(diǎn)高度及翻鉚針上止點(diǎn)高度，使第i+1個(gè)采樣周期時(shí)熱熔鉆頭主軸轉(zhuǎn)速、熱熔鉆頭軸向進(jìn)給力、熱熔鉆頭下止點(diǎn)高度及翻鉚針上止點(diǎn)高度分別為：

ω_i+1＝z₁ⁱω_max

F_i+1＝z₂ⁱF_max

步驟五、監(jiān)測(cè)鉚接裝置的緊急停機(jī)信號(hào)。

根據(jù)的值判斷設(shè)置的工作狀態(tài)，是否處于非正常工作狀態(tài)，當(dāng)設(shè)備處于正常工作狀態(tài)時(shí)需使設(shè)備立即停機(jī)，以進(jìn)行檢修，避免設(shè)備進(jìn)一步的損壞。

通過上述設(shè)置，通過傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)熱熔鉆頭及翻鉚針的運(yùn)行狀態(tài)，通過采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，對(duì)熔鉆頭主軸轉(zhuǎn)速、熱熔鉆頭軸向進(jìn)給力、熱熔鉆頭下止點(diǎn)高度以及翻鉚針上止點(diǎn)高度進(jìn)行調(diào)控，使其達(dá)到最佳的運(yùn)行狀態(tài)，從而提高運(yùn)行效率。

實(shí)施例4

應(yīng)用本發(fā)明所述的帶有通孔的碳纖維復(fù)合材料板的制備方法制備一塊中心為直徑8mm通孔的碳纖維復(fù)合材料板，碳纖維復(fù)合材料板的整體尺寸為200mm×80mm×2mm。制備的碳纖維復(fù)合材料板基體材料為酚醛環(huán)氧乙烯基樹脂，增強(qiáng)體材料為3k碳纖維絲。

本發(fā)明所述的包含帶有通孔的碳纖維復(fù)合材料板制備工序的鋁合金板與碳纖維復(fù)合材料板之間的無鉚釘鉚接方法的步驟如下：

1、取一塊待進(jìn)行鉚接加工的鋁合金板150；

2、制備一塊中心為直徑8mm通孔的碳纖維復(fù)合板160。將預(yù)浸布剪裁出8塊尺寸為200mm×80mm大小的長(zhǎng)方體，將剪裁好的碳纖維預(yù)浸布一層一層平鋪到所述帶有通孔的碳纖維復(fù)合材料板裝置中的下凹模120結(jié)構(gòu)的凹槽內(nèi)，在平鋪過程中經(jīng)過預(yù)浸的碳纖維編織布通過編織縫隙穿過下凹模120凹槽內(nèi)的光柱。上凸模110與下凹模120相合并施加5MPa的壓力，對(duì)合模升溫4小時(shí)，使合模溫度升高到110℃凝膠15分鐘，完成酚醛環(huán)氧乙烯基樹脂的凝膠。凝膠結(jié)束后對(duì)合模繼續(xù)升溫20分鐘使溫度達(dá)到120℃固化2小時(shí)，完成酚醛環(huán)氧乙烯基樹脂的固化。降低合模溫度，分離上凸模110與下凹模120，取出碳纖維復(fù)合材料試件，對(duì)板件進(jìn)行修剪，得到待進(jìn)行鉚接加工的帶有通孔的碳纖維復(fù)合板160備用；

3、將鋁合金板150與制備成帶有通孔的碳纖維復(fù)合板160放置在下模180上，鋁合金板150在上，碳纖維復(fù)合板160在下，熱熔鉆頭130、壓邊圈140、碳纖維復(fù)合板160和下模180同心放置，驅(qū)動(dòng)壓邊圈140壓緊鋁合金板150和碳纖維復(fù)合板160；

4、首先正確將夾頭裝入刀柄，再將熱熔鉆頭130裝入夾頭并鎖緊，然后將刀柄接入鉆床。加少量潤(rùn)滑油于刀具上，下壓手柄，保持規(guī)則勻速的進(jìn)給速度，不可停頓。將熱熔鉆頭130送入壓邊圈140的中心定位通孔中，驅(qū)動(dòng)熱熔鉆頭130在壓邊圈140的通孔中向下運(yùn)動(dòng)。熱熔鉆頭130頂端圓錐體最大直徑6mm，中部圓柱體直徑6mm，環(huán)狀凸臺(tái)外徑12mm。壓邊圈140中心定位通孔直徑與熱熔鉆頭130環(huán)狀凸臺(tái)外徑相同，環(huán)狀凸臺(tái)內(nèi)徑與中部圓柱體直徑相同；

熱熔鉆頭130在壓邊圈140的通孔中向下運(yùn)動(dòng)至下止點(diǎn)，鉆削鋁合金板150成孔的同時(shí)形成鋁合金襯套，襯套內(nèi)徑為6mm，厚度約為1mm，長(zhǎng)度約為鋁合金板厚的2—3倍。熱熔鉆頭130到達(dá)下止點(diǎn)后泄壓向上運(yùn)動(dòng)回程，準(zhǔn)備進(jìn)行下一次鉚接；

5、翻鉚針170針體較大圓柱體直徑為18mm，較小圓柱體直徑為6mm。下模180結(jié)構(gòu)中通孔直徑與翻鉚針170針體較大圓柱體直徑相同。驅(qū)動(dòng)翻鉚針170在下模180的通孔中向上運(yùn)動(dòng)至上止點(diǎn)，在運(yùn)動(dòng)過程中翻鉚針170作用于步驟2中所述熱熔鉆頭在鉆削鋁合金板過程中形成的襯套，使襯套底端沿著翻鉚針170針體兩底面直徑大小不同的圓柱體間的過渡曲面外翻變形，形成包裹住碳纖維復(fù)合板160通孔的鉚接接頭。翻鉚針170到達(dá)上止點(diǎn)后泄壓向下運(yùn)動(dòng)回程，準(zhǔn)備進(jìn)行下一次鉚接；

6、鉚接工藝完成，卸下鋁合金板150和碳纖維復(fù)合板160的鉚接件，進(jìn)行下一次無鉚釘鉚接的準(zhǔn)備工序。

盡管本發(fā)明的實(shí)施方案已公開如上，但其并不僅僅限于說明書和實(shí)施方式中所列運(yùn)用，它完全可以被適用于各種適合本發(fā)明的領(lǐng)域，對(duì)于熟悉本領(lǐng)域的人員而言，可容易地實(shí)現(xiàn)另外的修改，因此在不背離權(quán)利要求及等同范圍所限定的一般概念下，本發(fā)明并不限于特定的細(xì)節(jié)和這里示出與描述的圖例。