1. Wstęp
Wraz z opublikowaniem polityki „Plan wdrażania neutralizacji emisji dwutlenku węgla w celu wsparcia nauki i technologii (2022-2030)” lekki samochód stał się nieuniknionym trendem. Lekki stop aluminium nadwozia i zaawansowana stal o wysokiej wytrzymałości oraz inne materiały, dzięki rozsądnemu zastosowaniu i dystrybucji, mogą zapewnić bezpieczniejszą konstrukcję nadwozia, jednocześnie równoważąc koszty produkcji całkowicie aluminiowego nadwozia i przyszłe koszty konserwacji. Jest to najskuteczniejszy lekki pojazd.
Nitowanie bez gwoździ i nitowanie samowbijające (Self-Piercing Riveting, SPR) to skuteczne sposoby realizacji połączeń stali i aluminium różnych metali, zwłaszcza nitowanie bez gwoździ, bez konieczności stosowania dodatkowych nitów, bez poprawy jakości miejsca łączenia oraz całkowity koszt połączenia jest niższy niż SPR. Odchudzony, lekki proces łączenia jest nadal w fazie procesu i badań eksperymentalnych w Chinach i nie był szeroko stosowany w konstrukcji nadwozia. W tym badaniu porównano parametry procesu i wydajność statyczną technologii nitowania bezgwoździowego poprzez połączenie blach stalowych i aluminiowych o różnej grubości materiału, aby zapewnić dobór materiału i odniesienie do projektu połączenia do zastosowania technologii nitowania bezgwoździowego w konstrukcji nadwozia.
2 proces
Nitowanie bez gwoździ to proces mechanicznego łączenia przez tłoczenie, który wykorzystuje miejscowe odkształcenie plastyczne dwóch lub więcej warstw blachy w celu zakończenia procesu głębokiego tłoczenia i wytłaczania kompozytu oraz tworzy zazębiające się podcięte koło na wytłaczanym złączu. Ukształtowane lub prostokątne punkty połączenia, dzięki czemu mają określoną wytrzymałość na rozciąganie i ścinanie. Proces łączenia pokazano na rysunku 1. Proces ten obejmuje głównie wstępne dokręcenie, okluzję, dziurkowanie, utrzymywanie ciśnienia i wyrzucanie. Nitowanie bez gwoździ może być stosowane do łączenia tych samych lub różnych arkuszy z wymaganiami dotyczącymi klejenia, powlekania i uszczelniania klejem.
W procesie formowania nitowania bezgwoździowego następuje utwardzanie przez zgniot, co poprawia granicę plastyczności materiału i nośność nitowanego połączenia. Parametry profilu przekroju poprzecznego bezgwoździowego połączenia nitowego pokazano na rysunku 2. Główne parametry to grubość szyjki płytki górnej S1, płyty górnej i dolnej Głębokość zazębienia materiału C1, suma grubości dna blachę górną i dolną w miejscu łączenia (grubość dna) ST.
3 Parametry procesu i właściwości statyczne
Badania parametrów procesu bezgwoździowego połączenia nitowego opierają się głównie na metodzie Taguchiego i teście ortogonalnym w celu oceny parametrów kształtu, takich jak grubość szyjki i głębokość zazębienia przekroju złącza, określenia kierunku nitowania i optymalnej kombinacji parametrów procesu ; badania wydajności statycznej wykorzystują głównie różne rodzaje stali Statyczny test niszczenia obciążenia połączenia blachy aluminiowej, porównujący właściwości mechaniczne bezgwoździowego połączenia nitowego i połączenia SPR oraz analizujący wpływ gatunku materiału, kierunku nitowania i grubości materiału na właściwości mechaniczne bezgwoździowego nitowanego połączenia połączenie.
3.1
Materiały i metody badań
Materiałem testowym jest stop aluminium serii 5000, a grubość materiału wynosi 1,0 mm i 1,4 mm, które są powszechnie stosowane w konstrukcji nadwozia; blacha stalowa to CR3, CR340, a grubość to 0,7 mm, 0,8 mm, 1 mm i 1,3 mm;
Bezgwoździowe połączenia nitowe są testowane pod kątem wytrzymałości na ścinanie i rozciąganie za pomocą statycznych testów niszczących. Ponieważ pojedyncze połączenie zakładkowe jest powszechną formą połączenia w strukturze nadwozia, specyfikacje próbek przedstawiono na rysunku 3, rozmiar próbki ścinania wynosi 85 mm × 35 mm, a połączenie zakładkowe wynosi 30 mm; rozmiar próbki do rozciągania poprzecznego wynosi 120 mm × 35 mm, a średnica otworu pozycjonującego wynosi 10 mm. Nitowana próbka została poddana próbie zniszczenia pod obciążeniem statycznym na uniwersalnej maszynie wytrzymałościowej CMT4304, a prędkość całego procesu badawczego kontrolowano na poziomie 10mm/min.
Przekrój bezgwoździowego nitowanego złącza uzyskuje się przez cięcie drutu próbnego złącza, które jest inkrustowane, polerowane i skorodowane, a odpowiednie dane parametrów kształtu przekroju uzyskuje się przez obserwację pod mikroskopem optycznym.
3.2
Wybór parametrów procesu
3.2.1 Określenie kierunku nitowania dla nitowania bez gwoździ
W celu określenia kierunku nitowania wybrano blachę stalową CR3 i stop aluminium serii 5000 oraz wybrano różne grubości materiału i kierunki nitowania w celu oceny parametrów topograficznych przekroju poprzecznego bezgwoździowego połączenia nitowego. Wartość głębokości zazębienia została wykorzystana jako ważna podstawa do oceny jakości nitowania.
Z Tabeli 2 powyżej widać, że w przypadku bezgwoździowych połączeń nitowanych stal-aluminium ta sama grubość materiału i różne kierunki nitowania mogą tworzyć lepsze zazębienie, a stan zazębienia nie jest bardzo wrażliwy na materiał; różne grubości materiału, kierunek nitowania od cienkiego do grubszego głębokość zamka znacznie spada. Dlatego grubość materiału jest głównym czynnikiem wpływającym na zazębianie się bezgwoździowego połączenia nitowego, a kierunek bezgwoździowego połączenia nitowego jest korzystnie od grubej blachy do cienkiej blachy.
3.2.2 Wyznaczanie parametrów procesu nitowania dla nitowania bezgwoździowego
Parametry procesu matrycy do nitowania bezgwoździowego wpływają na głębokość blokady nitowania i jakość nitowania. W celu uzyskania optymalnych parametrów procesu do doboru matrycy wykorzystywana jest metoda Taguchiego. mm płyta aluminiowa serii 5000.
Czynniki kontrolne to odpowiednio wybrana średnica stempla, głębokość matrycy i grubość podstawy, a każdy czynnik kontrolny ma 3 poziomy, patrz Tabela 3.
Głębokość zamka w wyniku reakcji, czynnik hałasu jako środek poślizgowy, objaw w postaci wystawania spoiny lub pęknięć w blasze. Użyj narzędzia listy ortogonalnej, aby zoptymalizować i ustalić eksperyment ortogonalny L9 charakterystyki Wangda. Ortogonalne kombinacje testów i wyniki testów przedstawiono w tabeli 4.
Z Tabeli 4 widać, że głębokość zazębienia w Teście 5 jest największa, więc ustalono, że optymalne parametry procesu dla nitowania bezgwoździowego wynoszą 5,5 mm średnicy stempla, 1,2 mm głębokości matrycy i 0. Grubość dna 8 mm.
3.3
3.3 Porównanie właściwości mechanicznych
Ponieważ w przemyśle nie ma odpowiedniej normy do oceny właściwości mechanicznych połączeń stalowo-aluminiowych, a SPR jest szeroko stosowany w hybrydowych konstrukcjach karoserii stalowo-aluminiowych, właściwości mechaniczne połączeń SPR są wykorzystywane jako punkt odniesienia do oceny mechanicznej właściwości bezgwoździowych połączeń nitowych. W warunkach tej samej grubości materiału i rodzaju materiału zaprojektowano statyczne badanie zniszczenia złącza na ścinanie i rozciąganie poprzeczne w celu zmierzenia obciążeń niszczących na ścinanie i rozciąganie dwóch metod łączenia, nitowania bez gwoździ i SPR.
Gatunek blachy stalowej próbki testowej to CR3, a grubość materiału to 0,8 mm; gatunek stopu aluminium to seria 5000, a grubość materiału to 1,4 mm. Optymalne kierunki nitowania wybrano dla dwóch metod łączenia, wśród których nitowanie bez gwoździ było od grubego do cienkiego, a SPR od cienkiego do grubego i od twardego do miękkiego. W każdej grupie testów znajduje się 5 próbek, a krzywe obciążenia i przemieszczenia oraz tryby uszkodzeń uszkodzeń rozciągających i ścinających dla każdej grupy próbek pokazano na rysunkach od 5 do 8.
3.3.1 Analiza próby zniszczenia przy obciążeniu statycznym ścinaniem
Na rysunkach 5 i 6 widać, że w stanie obciążenia ścinającego trybem zniszczenia bezgwoździowego połączenia nitowego jest pęknięcie szyjki górnej płyty, maksymalne obciążenie niszczące wynosi 1620N, a średnie zniszczenie przemieszczenie wynosi 0,46 mm; tryb awarii połączenia SPR to rozdarcie górnej płyty, maksymalne obciążenie niszczące wynosi 2364 N, a średnie przemieszczenie awaryjne wynosi 4,95 mm.
Dalsza analiza pokazuje, że w stanie obciążenia ścinającego oba mają pewną absorpcję energii bufora plastycznego, a wytrzymałość na ścinanie bezgwoździowego połączenia nitowego osiąga 68,5 procent SPR, ale średnie przemieszczenie bezgwoździowego połączenia nitowego jest znacznie mniejsze, gdy występuje maksymalna awaria Pod względem SPR jest to tylko 9,3 procent SPR.
Dalsza analiza pokazuje, że w stanie obciążenia rozciągającego uszkodzenie połączeń dwóch metod łączenia jest kruchym pęknięciem, nie ma strefy buforowej odkształcenia plastycznego, wytrzymałość na rozciąganie nitowania bez gwoździ wynosi około 60,6 procent SPR, a średnie przemieszczenie awaria nitowania bez gwoździ jest również niższa niż SPR, osiągając 65 procent SPR. Podsumowując, w porównaniu z połączeniem SPR, mimo że właściwości mechaniczne bezgwoździowego połączenia nitowego są zmniejszone, może ono być stosowane w pozagłównym obszarze nośnym nadwozia.
3.4
Analiza czynników wpływających na właściwości statyczne
W celu dalszej analizy statycznej wydajności połączeń nitowanych bez gwoździ, należy zastosować połączenia nitowane bez gwoździ, aby stworzyć wytyczne projektowe dla struktury nadwozia, uwzględniając trzy aspekty gatunku materiału, kierunku nitowania i grubości materiału, w połączeniu z widokiem przekroju złącza parametry morfologiczne i testy niszczenia pod obciążeniem statycznym Dane posłużyły do analizy jego wpływu na parametry statyczne bezgwoździowego połączenia stal-aluminium.
Wielkość próbki i metoda badania są takie jak powyżej. W teście wybiera się gatunek i grubość powszechnie stosowanych materiałów w obszarze konstrukcji nadwozia o niskim obciążeniu. mm, 1,3 mm, kombinacje testów i wyniki testów przedstawiono w tabeli 5.
3.4.1 Wpływ klasy materiału
Wybrano pierwsze cztery kombinacje materiału o grubości 1,0 mm, aby przeanalizować wpływ gatunku materiału na właściwości statyczne bezgwoździowego połączenia nitowego. Wyniki badań, takie jak maksymalna siła ścinająca, maksymalna siła rozciągająca, głębokość zamka i tryb zniszczenia przedstawiono w tabeli 6.
Z analizy na rysunku 9 widać, że tryb zniszczenia przy ścinaniu zależy głównie od wytrzymałości górnej warstwy. Gdy wytrzymałość górnej warstwy jest wyższa niż dolnej warstwy, trybem zniszczenia przy ścinaniu jest na ogół pęknięcie punktu połączenia materiału górnej warstwy; Wraz ze wzrostem wytrzymałości warstwy dolnej tryb zniszczenia przy ścinaniu zmienia się z oderwania punktu połączenia na pęknięcie punktu połączenia; podobnie wytrzymałość na ścinanie zależy głównie od wytrzymałości materiału górnej warstwy i wzrasta wraz ze wzrostem wytrzymałości materiału górnej warstwy.
Przy tej samej grubości materiału trybem zniszczenia naprężenia krzyżowego jest oderwanie punktu połączenia, co nie ma nic wspólnego z gatunkiem materiału; obciążenie rozciągające maleje wraz ze wzrostem wytrzymałości materiału.
Głębokość zamka zmniejsza się wraz ze wzrostem obciążenia materiału, ponieważ im materiał jest mocniejszy, tym trudniej materiał odkształca się podczas łączenia, utrudniając zazębienie.
3.4.2 Wpływ kierunku nitowania
Podobnie, na podstawie danych z pierwszych czterech kombinacji, można przeanalizować wpływ kierunku nitowania na parametry statyczne bezgwoździowego połączenia nitowego, jak pokazano na rysunku 10.
Kierunek połączenia nitowania bez gwoździ jest od dużego obciążenia do niskiej wytrzymałości. Chociaż istnieje niewielka różnica w głębokości zazębienia, obciążenie ścinające znacznie wzrasta. Kombinacja 1 jest o 53,4 procent wyższa niż kombinacja 2, a kombinacja 3 jest o 45,6 procent wyższa niż kombinacja 4; kierunek połączenia jest wysoki Od wytrzymałości do niskiej wytrzymałości, chociaż różnica w głębokości zazębienia nie jest duża, wytrzymałość na rozciąganie jest znacznie zmniejszona. Kombinacja 1 jest o 33,6 procent niższa niż kombinacja 2, a kombinacja 3 jest o 29,4 procent niższa niż kombinacja 4.
3.4.3 Wpływ grubości materiału
Wybrane kombinacje i wyniki badań przedstawiono w tabeli 7, a także porównano i przeanalizowano wpływ grubości materiału na parametry procesu nitowania bezgwoździowego oraz wytrzymałość na zniszczenie pod obciążeniem statycznym.
Z Tabeli 7 i Figury 11 widać, że dla wytrzymałości na ścinanie, im grubszy materiał wierzchni, tym większa głębokość zazębienia, im większa grubość szyjki, tym wyższa wytrzymałość na ścinanie; im grubszy materiał dolny, tym trudniejsze odkształcenie materiału wierzchniego, chociaż głębokość zamka wzrasta, ale im cieńsza szyjka, tym mniejsza wytrzymałość na ścinanie. Jeśli chodzi o wytrzymałość na rozciąganie, im grubsze są warstwy górna i dolna, tym większa głębokość zazębienia i wyższa wytrzymałość na rozciąganie.
zdjęcie
Dlatego, aby zwiększyć wytrzymałość na ścinanie, wymagana jest grubsza górna warstwa lub cieńsza dolna warstwa; zwiększenie grubości górnej i dolnej warstwy może zwiększyć wytrzymałość na rozciąganie.
4. Wniosek
A. Chociaż parametry statyczne bezgwoździowego połączenia nitowego są niższe niż w przypadku SPR, można je zastosować w innych niż główny obszar konstrukcji nadwozia nośnych;
B. Wytrzymałość na ścinanie jest dodatnio skorelowana z wytrzymałością materiału wierzchniego; wytrzymałość na rozciąganie jest ujemnie skorelowana z wytrzymałością łączącego materiału kompozytowego;
C. Kierunek nitowania jest od płyty o wysokiej wytrzymałości do niskiej wytrzymałości, a wytrzymałość na ścinanie jest wyższa; kierunek nitowania jest od płyty o niskiej wytrzymałości do wysokiej wytrzymałości, a wytrzymałość na rozciąganie jest wyższa;
D. Grubsza górna grubość materiału i cieńsza dolna grubość materiału mają wyższą wytrzymałość na ścinanie; zwiększenie grubości materiału górnego i dolnego może zwiększyć wytrzymałość na rozciąganie.
