1. Úvod
S vydáním zásady „Science and Technology Support Carbon Peak Carbon Neutralization Implementation Plan (2022-2030)“ se lehké automobily staly nevyhnutelným trendem. Lehká hliníková slitina karoserie a pokročilá vysokopevnostní ocel a další materiály mohou prostřednictvím rozumné aplikace a distribuce dosáhnout bezpečnější konstrukce karoserie při vyvážení výrobních nákladů celohliníkové karoserie a budoucích nákladů na údržbu. Je to nejúčinnější lehký prostředek vozidla.
Bezhřebové nýtování a samoděrovací nýtování (Self-Piercing Riveting, SPR) jsou efektivní způsoby, jak realizovat spojení ocelových a hliníkových odlišných kovů, zejména nýtování bez hřebíků, není potřeba dalších nýtů, nezvýší se kvalita spojovacího bodu a celkové náklady na připojení jsou nižší než u SPR. Proces štíhlejšího lehkého připojení je v Číně stále ve fázi procesu a experimentálního výzkumu a nebyl široce používán ve struktuře těla. V této studii byly porovnány procesní parametry a statická výkonnost technologie bezhřebového nýtování kombinací ocelových a hliníkových plechů s různou tloušťkou materiálu, aby byl poskytnut výběr materiálu a odkaz na návrh spoje pro aplikaci technologie bezhřebového nýtování ve struktuře karoserie.
2 proces
Bezhřebkové nýtování je lisovací mechanický spojovací proces, který využívá místní plastickou deformaci dvou nebo více vrstev plechu k dokončení procesu hlubokého tažení a zpracování kompozitního materiálu protlačováním a tvoří vzájemně propojený podříznutý kruh na vytlačeném spoji. Tvarované nebo pravoúhlé spojovací body, takže má určitou pevnost v tahu a pevnost ve smyku. Proces připojení je znázorněn na obrázku 1. Proces zahrnuje především předběžné utažení, okluzi, děrování, udržení tlaku a vysunutí. Bezhřebkové nýtování lze použít pro spojení mezi stejnými nebo odlišnými plechy s požadavky na lepení, potahování a lepení.
V procesu tváření bezhřebového nýtování dochází k mechanickému zpevnění, které zlepšuje mez kluzu materiálu a únosnost nýtovaného spoje. Profilové parametry příčného řezu bezhřebového nýtovaného spoje jsou uvedeny na obrázku 2. Hlavními parametry jsou tloušťka hrdla horní desky S1, horní a spodní desky Hloubka vzájemného spojení materiálu C1, součet spodní tloušťky horní a spodní plech v místě napojení (spodní tloušťka) ST.
3 Procesní parametry a statické vlastnosti
Výzkum procesních parametrů bezhřebového nýtovaného spoje využívá především Taguchiho metodu a ortogonální test pro vyhodnocení tvarových parametrů, jako je tloušťka hrdla a hloubka spojení pohledu řezu spoje, určení směru nýtování a optimální kombinace procesních parametrů. ; výzkum statického výkonu používá hlavně různé oceli Test statického zatížení kombinace hliníkových plechů, porovnávání mechanických vlastností bezhřebového nýtovaného spojení a SPR spojení a analyzování vlivu jakosti materiálu, směru nýtování a tloušťky materiálu na mechanické vlastnosti bezhřebového nýtovaného spojení spojení.
3.1
Testovací materiály a metody
Testovaným materiálem je hliníková slitina řady 5000 a tloušťka materiálu je 1,0 mm a 1,4 mm, které se běžně používají v konstrukci karoserie; ocelový plech je CR3, CR340 a tloušťka je 0,7 mm, 0,8 mm, 1 mm a 1,3 mm;
Bezhřebové nýtované spoje jsou testovány na pevnost spoje ve smyku a v tahu zkouškami statického zatížení. Protože jediný přeplátovaný spoj je běžnou formou spoje ve struktuře karoserie, specifikace vzorku jsou uvedeny na obrázku 3, velikost smykového vzorku je 85 mm × 35 mm a přeplátovaný spoj je 30 mm; velikost vzorku v příčném tahu je 120 mm × 35 mm a průměr polohovacího otvoru je 10 mm. Nýtovaný vzorek byl podroben statické zkoušce porušení zatížením na univerzálním zkušebním stroji CMT4304 a rychlost celého zkušebního procesu byla řízena na 10 mm/min.
Pohled v řezu na bezhřebový nýtovaný spoj se získá drátovým řezáním vzorku spoje a ten se vyloží, vyleští a zkoroduje a odpovídající data tvarových parametrů řezu se získají pozorováním pod optickým mikroskopem.
3.2
Výběr procesních parametrů
3.2.1 Určení směru nýtování pro bezhřebíkové nýtování
Pro určení směru nýtování byl vybrán ocelový plech CR3 a hliníková slitina řady 5000 a byly vybrány různé tloušťky materiálu a směry nýtování pro vyhodnocení topografických parametrů řezu bezhřebového nýtovaného spoje. Hodnota hloubky spojení byla použita jako důležitý základ pro posouzení kvality nýtování.
Z výše uvedené tabulky 2 je vidět, že u ocelovo-hliníkových bezhřebkových nýtovaných spojů může stejná tloušťka materiálu a různé směry nýtování tvořit lepší vzájemné spojení a stav vzájemného spojení není příliš citlivý na materiál; různé tloušťky materiálu, směr nýtování od tenkého po Při silnější hloubce spojení výrazně klesá. Proto je tloušťka materiálu hlavním ovlivňujícím faktorem pro vzájemné spojení bezhřebového nýtovaného spoje a směr bezhřebového nýtovaného spoje je přednostně od tlusté desky k tenké desce.
3.2.2 Stanovení parametrů nýtovacího procesu pro bezhřebkové nýtování
Procesní parametry bezhřebového nýtovacího nástroje ovlivňují hloubku spojení nýtování a kvalitu nýtování. Pro získání optimálních parametrů procesu se pro výběr matrice používá metoda Taguchi. mm hliníková deska řady 5000.
Řídicí faktory jsou zvoleny průměr razníku, hloubka matrice a tloušťka základny a každý řídicí faktor má 3 úrovně, viz tabulka 3.
Hloubka blokování jako výsledek odezvy, faktor hluku jako mazivo, příznak jako vyčnívání spoje nebo praskliny v plechu. Použijte nástroj ortogonální seznam k optimalizaci a vytvoření ortogonálního experimentu L9 Wangdovy charakteristiky. Ortogonální kombinace testů a výsledky testů jsou uvedeny v tabulce 4.
Z tabulky 4 je patrné, že hloubka vzájemného spojení testu 5 je největší, takže bylo stanoveno, že optimální parametry procesu pro bezhřebové nýtování jsou 5,5 mm v průměru razníku, 1,2 mm v hloubce matrice a 0. Tloušťka dna 8 mm.
3.3
3.3 Porovnání mechanických vlastností
Protože v průmyslu neexistuje žádná vhodná norma pro posuzování mechanických vlastností ocelo-hliníkových spojů, a protože SPR se široce používá v ocelových a hliníkových hybridních konstrukcích karoserie, mechanické vlastnosti SPR spojů se používají jako měřítko pro posuzování mechanických vlastností. vlastnosti bezhřebových nýtovaných spojů. Za podmínek stejné tloušťky materiálu a typu materiálu byla navržena zkouška porušení smykem a křížovým statickým zatížením při statickém zatížení na úrovni vzorku k měření zatížení při porušení smykem a tahem dvou způsobů spojení, bezhřebového nýtování a SPR.
Třída ocelového plechu zkušebního vzorku je CR3 a tloušťka materiálu je 0,8 mm; třída hliníkové slitiny je série 5000 a tloušťka materiálu je 1,4 mm. Optimální směry nýtování byly vybrány pro dva způsoby spojení, mezi nimiž bylo nýtování bez hřebíků od tlustého k tenkému a SPR od tenkého k tlustému a od tvrdého k měkkému. V každé skupině zkoušek je 5 vzorků a křivky zatížení-posunutí a způsoby porušení porušení tahovým a smykovým zatížením každé skupiny vzorků jsou znázorněny na obrázcích 5 až 8.
3.3.1 Analýza zkoušky porušení smykovým statickým zatížením
Z obrázků 5 a 6 je vidět, že za stavu smykového zatížení je způsob porušení bezhřebového nýtovaného spoje zlomenina krčku horní desky, maximální zatížení při porušení je 1620N a průměrné porušení posun je 0,46 mm; režim poruchy spoje SPR je roztržení horní desky, maximální zatížení při porušení je 2364N a průměrný posuv při porušení je 4,95 mm.
Další analýza ukazuje, že ve stavu smykového zatížení mají oba určitou absorpci energie plastového nárazníku a pevnost ve smyku bezhřebového nýtovaného spoje dosahuje 68,5 procenta SPR, ale průměrný posun bezhřebového nýtovaného spoje je výrazně nižší, když dojde k maximálnímu selhání Z hlediska SPR je to pouze 9,3 procenta SPR.
Další analýza ukazuje, že za stavu tahového zatížení je porušením spojů dvou způsobů spojení křehký lom, neexistuje žádná nárazníková zóna plastické deformace, pevnost v tahu bezhřebového nýtování je asi 60,6 procenta SPR a průměrný posun selhání nýtování bez hřebíků je také nižší než SPR a dosahuje 65 procent SPR. Závěrem lze konstatovat, že ve srovnání se spojením SPR, přestože jsou mechanické vlastnosti bezhřebového nýtovaného spoje sníženy, lze jej uplatnit v oblasti nehlavní nosné konstrukce karoserie.
3.4
Analýza faktorů ovlivňujících statické vlastnosti
Aby bylo možné dále analyzovat statickou výkonnost bezhřebových nýtovaných spojů, aplikujte bezhřebové nýtované spoje pro vytvoření konstrukčních pokynů pro konstrukci karoserie, ze tří aspektů jakosti materiálu, směru nýtování a tloušťky materiálu v kombinaci s pohledem na průřez spoje. morfologické parametry a statické zatěžovací zkoušky porušení Data byla použita k analýze jejich vlivu na statické vlastnosti ocelovo-hliníkového bezhřebíkového spoje.
Velikost vzorku a zkušební metoda jsou stejné jako výše. V testu se volí třída a tloušťka běžných materiálů v oblasti nízké zátěže konstrukce karoserie. mm, 1,3 mm, kombinace testů a výsledky testů jsou uvedeny v tabulce 5.
3.4.1 Vliv jakosti materiálu
První čtyři kombinace s tloušťkou materiálu 1.0 mm byly vybrány pro analýzu vlivu jakosti materiálu na statický výkon bezhřebkového nýtovaného spoje. Výsledky zkoušek, jako je maximální smyková síla, maximální tažná síla, hodnota hloubky blokování a způsob porušení, jsou uvedeny v tabulce 6.
Z analýzy na obrázku 9 je vidět, že způsob porušení smykem závisí především na pevnosti horní vrstvy. Když je pevnost horní vrstvy vyšší než pevnost spodní vrstvy, je smykovým porušením obecně prasknutí spojovacího bodu materiálu horní vrstvy; S nárůstem pevnosti spodní vrstvy se režim smykového porušení mění z odtržení místa napojení na prasknutí místa napojení; podobně pevnost ve smyku závisí hlavně na pevnosti materiálu horní vrstvy a zvyšuje se se zvyšováním pevnosti materiálu horní vrstvy.
Při stejné tloušťce materiálu je porušením příčného tahu odtržení místa připojení, které nemá nic společného s jakostí materiálu; tahové zatížení klesá s rostoucí pevností materiálu.
Hloubka blokování se zmenšuje se zvyšujícím se zatížením materiálu, protože čím je materiál pevnější, tím obtížnější je deformace materiálu během spojování, což ztěžuje blokování.
3.4.2 Vliv směru nýtování
Podobně lze na základě dat prvních čtyř kombinací analyzovat vliv směru nýtování na statický výkon bezhřebového nýtovaného spoje, jak je znázorněno na obrázku 10.
Směr připojení bezhřebového nýtování je od vysokého zatížení po nízkou pevnost. Přestože existuje malý rozdíl v hloubce vzájemného spojení, smykové zatížení se výrazně zvyšuje. Kombinace 1 je o 53,4 procenta vyšší než kombinace 2 a kombinace 3 je o 45,6 procenta vyšší než kombinace 4; směr spojení je vysoký Od pevnosti k nízké pevnosti, i když rozdíl v hloubce spojení není velký, pevnost v tahu je výrazně snížena. Kombinace 1 je o 33,6 procenta nižší než kombinace 2 a kombinace 3 je o 29,4 procenta nižší než kombinace 4.
3.4.3 Vliv tloušťky materiálu
Vybraná kombinace a výsledky zkoušek jsou uvedeny v tabulce 7 a je porovnáván a analyzován vliv tloušťky materiálu na parametry procesu bezhřebového nýtování a pevnost při porušení statického zatížení.
Z tabulky 7 a obrázku 11 je patrné, že pro pevnost ve smyku platí, že čím silnější je vrchní materiál, tím větší je hloubka spojení, čím větší je tloušťka hrdla, tím vyšší je pevnost ve smyku; čím tlustší je spodní materiál, tím obtížnější je deformace horního materiálu, i když Hloubka spojení se zvětšuje, ale čím je tloušťka hrdla tenčí, tím nižší je pevnost ve smyku. Co se týče pevnosti v tahu, čím silnější je horní a spodní vrstva, tím větší je hloubka spojení a tím vyšší je pevnost v tahu.
obrázek
Proto je pro zvýšení pevnosti ve smyku zapotřebí silnější horní vrstva nebo tenčí spodní vrstva; zvýšení tloušťky horní a spodní vrstvy může zvýšit pevnost v tahu.
4 Závěr
A. Přestože je statický výkon bezhřebového nýtovaného spoje nižší než u SPR, lze jej aplikovat na nehlavní nosnou oblast konstrukce karoserie;
b. Pevnost ve smyku pozitivně koreluje s pevností svrchního materiálu; pevnost v tahu negativně koreluje s pevností spojovacího kompozitního materiálu;
C. Směr nýtování je od desky s vysokou pevností k desce s nízkou pevností a pevnost ve smyku je vyšší; směr nýtování je od desky s nízkou pevností k desce s vysokou pevností a pevnost v tahu je vyšší;
d. Silnější horní tloušťka materiálu a tenčí spodní tloušťka materiálu mají vyšší pevnost ve smyku; zvětšení horní a spodní tloušťky materiálu může zvýšit pevnost v tahu.
