1. Úvod
S vydaním politiky „Veda a technológia podporuje implementačný plán uhlíkovej neutralizácie (2022-2030)“ sa ľahké automobily stali nevyhnutným trendom. Ľahká hliníková zliatina karosérie a pokročilá vysokopevnostná oceľ a iné materiály môžu prostredníctvom rozumnej aplikácie a distribúcie dosiahnuť bezpečnejšiu štruktúru karosérie pri vyvážení výrobných nákladov celohliníkovej karosérie a budúcich nákladov na údržbu. Je to najefektívnejší ľahký prostriedok vozidla.
Bezklincové nitovanie a samorezné nitovanie (Self-Piercing Riveting, SPR) sú efektívne spôsoby, ako realizovať spojenie oceľových a hliníkových odlišných kovov, najmä bezklincové nitovanie, bez potreby ďalších nitov, bez zvýšenia kvality spojovacieho bodu a celkové náklady na pripojenie sú nižšie ako náklady na SPR. Proces spájania štíhlejších ľahkých výrobkov je v Číne stále v štádiu procesu a experimentálneho výskumu a v štruktúre tela nebol široko používaný. V tejto štúdii sa porovnávali procesné parametre a statický výkon technológie bezklincového nitovania kombináciou oceľových a hliníkových plechov s rôznymi hrúbkami materiálu, aby sa zabezpečil výber materiálu a odkaz na dizajn spojenia pre aplikáciu technológie bezklincového nitovania v štruktúre karosérie.
2 proces
Bezklincové nitovanie je proces lisovania mechanického spojenia, ktorý využíva lokálnu plastickú deformáciu dvoch alebo viacerých vrstiev plechu na dokončenie procesu hlbokého ťahania a spracovania extrúzneho kompozitu a vytvára do seba zapadajúci podrezaný kruh na vytlačenom spoji. Tvarované alebo pravouhlé spojovacie body, takže má určitú pevnosť v ťahu a pevnosť v šmyku. Proces pripojenia je znázornený na obrázku 1. Tento proces zahŕňa najmä predbežné utiahnutie, oklúziu, dierovanie, udržiavanie tlaku a vysunutie. Bezklincové nitovanie sa môže použiť na spojenie medzi rovnakými alebo odlišnými plechmi s požiadavkami na lepenie, poťahovanie a lepenie.
V procese tvárnenia bezklincového nitovania dochádza k mechanickému spevneniu, ktoré zlepšuje medzu klzu materiálu a únosnosť nitovaného spoja. Parametre profilu rezu bezklincového nitovaného spoja sú znázornené na obrázku 2. Hlavnými parametrami sú hrúbka hrdla hornej dosky S1, horná a spodná doska Hĺbka spojenia materiálu C1, súčet hrúbky spodnej dosky horný a spodný plech v mieste spojenia (spodná hrúbka) ST.
3 Procesné parametre a statické vlastnosti
Výskum procesných parametrov bezklincového nitovaného spoja využíva hlavne Taguchiho metódu a ortogonálny test na vyhodnotenie tvarových parametrov, ako je hrúbka hrdla a hĺbka zapadnutia rezu spoja, určenie smeru nitovania a optimálna kombinácia procesných parametrov. ; výskum statického výkonu využíva hlavne rozdielne ocele Test statického zaťaženia kombinácie hliníkových plechov, porovnanie mechanických vlastností bezklincového nitovaného spojenia a SPR spojenia a analyzovanie vplyvu triedy materiálu, smeru nitovania a hrúbky materiálu na mechanické vlastnosti bezklincového nitovaného spojenia spojenie.
3.1
Testovacie materiály a metódy
Testovaným materiálom je hliníková zliatina série 5000 a hrúbka materiálu je 1,0 mm a 1,4 mm, ktoré sa bežne používajú v konštrukcii karosérie; oceľový plech je CR3, CR340 a hrúbka je 0,7 mm, 0,8 mm, 1 mm a 1,3 mm;
Bezklincové nitované spoje sa testujú na pevnosť spoja v šmyku a v ťahu skúškami pri porušení statickým zaťažením. Pretože jediný prekrytý spoj je bežnou formou spoja v štruktúre karosérie, špecifikácie vzorky sú znázornené na obrázku 3, veľkosť vzorky v šmyku je 85 mm × 35 mm a prekrytý spoj je 30 mm; veľkosť vzorky s priečnym ťahom je 120 mm × 35 mm a priemer polohovacieho otvoru je 10 mm. Nitovaná vzorka bola podrobená statickému zaťažovaciemu testu zlyhania na univerzálnom testovacom stroji CMT4304 a rýchlosť celého testovacieho procesu bola kontrolovaná na 10 mm/min.
Pohľad v reze na bezklincový nitovaný spoj sa získa rezaním drôtom na vzorovom spoji, ktorý sa vyleští, vyleští a skoroduje a zodpovedajúce údaje o parametroch tvaru rezu sa získajú pozorovaním pod optickým mikroskopom.
3.2
Výber parametrov procesu
3.2.1 Určenie smeru nitovania pre bezklincové nitovanie
Na určenie smeru nitovania sa vybral oceľový plech CR3 a hliníková zliatina série 5000 a vybrali sa rôzne hrúbky materiálu a smery nitovania na vyhodnotenie topografických parametrov rezu bezklincového nitovaného spoja. Hodnota hĺbky spojenia bola použitá ako dôležitý základ pre posúdenie kvality nitovania.
Z vyššie uvedenej tabuľky 2 je zrejmé, že pre oceľovo-hliníkové nitované spoje bez klincov môže rovnaká hrúbka materiálu a rôzne smery nitovania vytvárať lepšie vzájomné spojenie a stav vzájomného spojenia nie je veľmi citlivý na materiál; rôzne hrúbky materiálu, smer nitovania od tenkého po Pri hrubšom hĺbka spoja výrazne klesá. Hrúbka materiálu je teda hlavným ovplyvňujúcim faktorom pre zapadnutie bezklincového nitovaného spoja a smer bezklincového nitovaného spoja je výhodne od hrubej dosky k tenkej doske.
3.2.2 Stanovenie parametrov procesu nitovania pre bezklincové nitovanie
Procesné parametre bezklincového nitovacieho nástroja ovplyvňujú hĺbku nitovania a kvalitu nitovania. Na získanie optimálnych parametrov procesu sa na výber matrice používa metóda Taguchi. mm hliníková doska série 5000.
Riadiacimi faktormi sú jednotlivo zvolený priemer razidla, hĺbka matrice a hrúbka základne a každý riadiaci faktor má 3 úrovne, pozri tabuľku 3.
Hĺbka blokovania ako výsledok odozvy, faktor hluku ako mazivo, príznak ako vyčnievanie spoja alebo praskliny v plechu. Použite nástroj ortogonálneho zoznamu na optimalizáciu a vytvorenie ortogonálneho experimentu L9 Wangdovej charakteristiky. Ortogonálne kombinácie testov a výsledky testov sú uvedené v tabuľke 4.
Z tabuľky 4 je možné vidieť, že hĺbka spojenia pri teste 5 je najväčšia, takže sa zistilo, že optimálne parametre procesu pre bezklincové nitovanie sú 5,5 mm v priemere razníka, 1,2 mm v hĺbke matrice a 0. Hrúbka dna 8 mm.
3.3
3.3 Porovnanie mechanických vlastností
Keďže v priemysle neexistuje vhodný štandard na posudzovanie mechanických vlastností oceľovo-hliníkových spojov a keďže SPR sa široko používa v oceľovo-hliníkových hybridných konštrukciách karosérií, mechanické vlastnosti SPR spojov sa používajú ako meradlo na posúdenie mechanických vlastností. vlastnosti bezklincových nitovaných spojov. Za podmienok rovnakej hrúbky materiálu a typu materiálu bola navrhnutá skúška pri porušení v šmyku a priečnom ťahovom statickom zaťažení na úrovni vzorky na meranie šmykového a ťahového zaťaženia dvoch spôsobov spojenia, bezklincového nitovania a SPR.
Trieda oceľového plechu skúšobnej vzorky je CR3 a hrúbka materiálu je 0,8 mm; trieda hliníkovej zliatiny je séria 5000 a hrúbka materiálu je 1,4 mm. Optimálne smery nitovania boli vybrané pre dva spôsoby spojenia, medzi ktorými bolo nitovanie bez klincov od hrubého po tenké a SPR od tenkého po hrubé a od tvrdého po mäkké. V každej skupine skúšok je 5 vzoriek a krivky zaťaženie-posunutie a spôsoby porušenia pri porušení ťahom a šmykom pre každú skupinu vzoriek sú znázornené na obrázkoch 5 až 8.
3.3.1 Analýza skúšky šmykového statického zaťaženia pri porušení
Z obrázkov 5 a 6 je zrejmé, že pri stave šmykového zaťaženia je režimom porušenia bezklincového nitovaného spoja zlomenina krčka hornej dosky, maximálne zaťaženie pri porušení je 1620N a priemerné porušenie posun je 0,46 mm; režim poruchy spojenia SPR je roztrhnutie hornej dosky, maximálne zaťaženie pri poruche je 2364N a priemerné posunutie pri poruche je 4,95 mm.
Ďalšia analýza ukazuje, že v stave šmykového zaťaženia majú obe istú absorpciu energie plastickej vyrovnávacej pamäte a šmyková pevnosť bezklincového nitovaného spoja dosahuje 68,5 percenta SPR, ale priemerný posun bezklincového nitovaného spoja je výrazne nižší, keď dochádza k maximálnej poruche Z hľadiska SPR je to len 9,3 percenta SPR.
Ďalšia analýza ukazuje, že v stave ťahového zaťaženia je zlyhaním spojov dvoch spôsobov spojenia krehký lom, neexistuje nárazníková zóna plastickej deformácie, pevnosť v ťahu bezklincového nitovania je asi 60,6 percenta SPR a priemerný posun Porucha bezklincového nitovania je tiež nižšia ako SPR a dosahuje 65 percent SPR. Záverom možno konštatovať, že v porovnaní so spojením SPR, aj keď sú mechanické vlastnosti bezklincového nitovaného spoja znížené, je možné ho aplikovať v nehlavnej oblasti nosnej konštrukcie karosérie.
3.4
Analýza faktorov ovplyvňujúcich statické vlastnosti
Aby ste mohli ďalej analyzovať statickú výkonnosť bezklincových nitovaných spojov, aplikujte bezklincové nitované spoje na vytvorenie konštrukčných smerníc pre štruktúru karosérie z troch aspektov triedy materiálu, smeru nitovania a hrúbky materiálu v kombinácii s pohľadom na prierez spoja. morfologické parametre a statické zaťažovacie skúšky pri porušení Údaje boli použité na analýzu ich vplyvu na statické vlastnosti oceľovo-hliníkového bezklincového spojenia.
Veľkosť vzorky a skúšobná metóda sú ako vyššie. V teste sa volí trieda a hrúbka bežných materiálov v oblasti nízkej záťaže konštrukcie karosérie. mm, 1,3 mm, kombinácie testov a výsledky testov sú uvedené v tabuľke 5.
3.4.1 Vplyv kvality materiálu
Prvé štyri kombinácie s hrúbkou materiálu 1.0 mm boli vybrané na analýzu vplyvu triedy materiálu na statický výkon bezklincového nitovaného spoja. Výsledky skúšok, ako je maximálna šmyková sila, maximálna ťahová sila, hodnota hĺbky blokovania a spôsob poruchy, sú uvedené v tabuľke 6.
Z analýzy na obrázku 9 je možné vidieť, že režim šmykového porušenia závisí hlavne od pevnosti hornej vrstvy. Keď je pevnosť hornej vrstvy vyššia ako pevnosť spodnej vrstvy, režimom porušenia v šmyku je vo všeobecnosti prasknutie spojovacieho bodu materiálu hornej vrstvy; S nárastom pevnosti spodnej vrstvy sa mení režim šmykového porušenia od odtrhnutia miesta spojenia po zlom miesta spojenia; podobne pevnosť v šmyku závisí hlavne od pevnosti materiálu hornej vrstvy a zvyšuje sa so zvyšovaním pevnosti materiálu hornej vrstvy.
Pri rovnakej hrúbke materiálu je porušením krížového napätia odtrhnutie spojovacieho bodu, čo nemá nič spoločné s triedou materiálu; ťahové zaťaženie klesá so zvyšujúcou sa pevnosťou materiálu.
Hĺbka blokovania sa zmenšuje so zvyšujúcim sa zaťažením materiálu, pretože čím je materiál pevnejší, tým je pre materiál ťažšie deformovať sa počas spojenia, čím sa blokovanie sťažuje.
3.4.2 Vplyv smeru nitovania
Podobne na základe údajov prvých štyroch kombinácií možno analyzovať vplyv smeru nitovania na statický výkon bezklincového nitovaného spojenia, ako je znázornené na obrázku 10.
Smer spojenia bezklincového nitovania je od vysokého zaťaženia po nízku pevnosť. Aj keď je malý rozdiel v hĺbke spojenia, šmykové zaťaženie sa výrazne zvyšuje. Kombinácia 1 je o 53,4 percent vyššia ako kombinácia 2 a kombinácia 3 je o 45,6 percent vyššia ako kombinácia 4; smer spojenia je vysoký Od pevnosti po nízku pevnosť, aj keď rozdiel v hĺbke spojenia nie je veľký, pevnosť v ťahu je výrazne znížená. Kombinácia 1 je o 33,6 percenta nižšia ako kombinácia 2 a kombinácia 3 je o 29,4 percenta nižšia ako kombinácia 4.
3.4.3 Vplyv hrúbky materiálu
Vybraná kombinácia a výsledky testu sú uvedené v tabuľke 7 a porovnáva sa a analyzuje vplyv hrúbky materiálu na parametre procesu bezklincového nitovania a pevnosť pri porušení pri statickom zaťažení.
Z tabuľky 7 a obr. 11 je možné vidieť, že pre pevnosť v šmyku platí, že čím hrubší je vrchný materiál, tým väčšia je hĺbka spojenia, čím väčšia je hrúbka hrdla, tým vyššia je pevnosť v šmyku; čím je spodný materiál hrubší, tým je deformácia vrchného materiálu ťažšia, hoci Hĺbka spojenia sa zväčšuje, ale čím je hrúbka hrdla tenšia, tým je pevnosť v šmyku nižšia. Čo sa týka pevnosti v ťahu, čím hrubšia je horná a spodná vrstva, tým väčšia je hĺbka spojenia a tým vyššia je pevnosť v ťahu.
obrázok
Preto je na zvýšenie pevnosti v šmyku potrebná hrubšia horná vrstva alebo tenšia spodná vrstva; zväčšenie hrúbky hornej a spodnej vrstvy môže zvýšiť pevnosť v ťahu.
4. Záver
a. Aj keď je statický výkon bezklincového nitovaného spoja nižší ako u SPR, možno ho použiť na nehlavnú oblasť konštrukcie karosérie;
b. Pevnosť v šmyku pozitívne koreluje s pevnosťou vrchného materiálu; pevnosť v ťahu negatívne koreluje s pevnosťou spojovacieho kompozitného materiálu;
c. Smer nitovania je od dosky s vysokou pevnosťou po nízku pevnosť a pevnosť v šmyku je vyššia; smer nitovania je od dosky s nízkou pevnosťou po vysokú pevnosť a pevnosť v ťahu je vyššia;
d. Hrubšia hrúbka horného materiálu a tenšia spodná hrúbka materiálu majú vyššiu pevnosť v šmyku; zväčšenie hornej a dolnej hrúbky materiálu môže zvýšiť pevnosť v ťahu.
