1. Введення
З виходом політики «План впровадження плану нейтралізації викидів вуглецю на підтримку піку викидів вуглецю (2022-2030)» полегшена вага автомобіля стала неминучою тенденцією. Корпус із легкого алюмінієвого сплаву та вдосконаленої високоміцної сталі та інших матеріалів завдяки розумному застосуванню та розповсюдженню може досягти безпечнішої конструкції кузова, збалансовуючи вартість виробництва повністю алюмінієвого кузова та майбутні витрати на технічне обслуговування. Це найефективніший транспортний полегшений засіб.
Безцвяхова заклепка і самопроколююча заклепка (Self-Piercing Riveting, SPR) є ефективними способами реалізації з'єднання різнорідних металів зі сталі та алюмінію, особливо безцвяховою заклепкою, не потребує додаткових заклепок, не підвищує якість місця з'єднання і загальна вартість підключення нижче, ніж у SPR. Полегшений процес з’єднання все ще перебуває на стадії експериментальних досліджень у Китаї та не отримав широкого застосування в конструкції кузова. У цьому дослідженні параметри процесу та статичні характеристики технології безцвяхового заклепування порівнювалися шляхом комбінування сталевих та алюмінієвих листів із різною товщиною матеріалу, щоб забезпечити вибір матеріалу та еталонну конструкцію з’єднання для застосування технології безцвяхового заклепування в конструкції кузова.
2 процес
Клепка без цвяхів — це процес механічного з’єднання штампуванням, який використовує локальну пластичну деформацію двох або більше шарів листового металу для завершення процесу глибокої витяжки та екструзійної обробки композиту та утворює взаємопов’язане коло підрізу на екструдованому з’єднанні. Фасонні або прямокутні точки з’єднання, щоб він мав певну міцність на розрив і міцність на зсув. Процес з’єднання показаний на малюнку 1. Процес в основному включає попереднє затягування, оклюзію, штампування, утримання тиску та виштовхування. Клепка без цвяхів може використовуватися для з’єднання однакових або різнорідних листів із вимогами до склеювання, покриття та герметизації.
У процесі формування безцвяхової заклепки відбувається зміцнення, що підвищує межу текучості матеріалу та несучу здатність заклепкового з’єднання. Параметри профілю поперечного перерізу безцвяхового заклепкового з’єднання показані на малюнку 2. Основними параметрами є товщина горловини верхньої пластини S1, верхньої та нижньої пластин, глибина зчеплення матеріалу C1, сума товщини нижньої частини пластини. верхній і нижній листи в місці з'єднання (нижня товщина) ST.
3 Параметри процесу та статичні властивості
Дослідження технологічних параметрів безцвяхового клепаного з’єднання в основному використовує метод Тагучі та ортогональний тест для оцінки параметрів форми, таких як товщина горловини та глибина зчеплення у вигляді з’єднання, визначення напрямку заклепки та оптимальної комбінації параметрів процесу ; дослідження статичної продуктивності в основному використовують різну сталь. Випробування на руйнування статичним навантаженням комбінації алюмінієвих листів, порівнюючи механічні властивості безцвяхового клепаного з’єднання та SPR-з’єднання, а також аналізуючи вплив марки матеріалу, напрямку заклепки та товщини матеріалу на механічні властивості безцвяхового заклепуваного з’єднання. підключення.
3.1
Тестові матеріали та методи
Випробуваним матеріалом є алюмінієвий сплав серії 5000, а товщина матеріалу становить 1,0 мм і 1,4 мм, які зазвичай використовуються в конструкції корпусу; сталевий лист - CR3, CR340, товщина - 0,7 мм, 0,8 мм, 1 мм і 1,3 мм;
Заклепкові з’єднання без цвяхів випробовуються на зсув і міцність на розтяг шляхом випробувань на руйнування під статичним навантаженням. Оскільки одинарне з’єднання внахлест є загальною формою з’єднання в конструкції кузова, специфікації зразка показані на малюнку 3, розмір зразка на зсув становить 85 мм × 35 мм, а з’єднання внахлест — 30 мм; розмір зразка поперечного розтягування становить 120 мм × 35 мм, а діаметр отвору для позиціонування становить 10 мм. Клепаний зразок був підданий випробуванню на руйнування статичним навантаженням на універсальній випробувальній машині CMT4304, і швидкість всього процесу випробування контролювалася на рівні 10 мм/хв.
Вигляд у розрізі заклепкового з’єднання без цвяхів отримують шляхом розрізання дротом зразка з’єднання, його інкрустують, полірують і піддають корозії, а дані про відповідні параметри форми в розрізі отримують шляхом спостереження під оптичним мікроскопом.
3.2
Вибір параметрів процесу
3.2.1 Визначення напрямку клепки для безцвяхового клепання
Щоб визначити напрямок заклепки, було вибрано сталеву пластину CR3 та алюмінієвий сплав серії 5000, а також різні товщини матеріалу та напрямки заклепок, щоб оцінити параметри топографії розрізу заклепкового з’єднання без цвяхів. Значення глибини зчеплення використовувалося як важлива основа для оцінки якості клепки.
З таблиці 2 вище видно, що для безцвяхових заклепкових з’єднань сталь-алюміній однакова товщина матеріалу та різні напрямки заклепок можуть утворювати краще взаємоз’єднання, а стан з’єднання не дуже чутливий до матеріалу; різні товщини матеріалу, напрямок заклепки від тонкого до При більшій товщині глибина зчеплення значно падає. Таким чином, товщина матеріалу є основним фактором, що впливає на блокування безцвяхового заклепкового з’єднання, і напрямок безгвоздового заклепкового з’єднання є переважно від товстої пластини до тонкої пластини.
3.2.2 Визначення параметрів процесу клепки для безцвяхового клепання
Параметри процесу матриці для клепки без цвяхів впливають на глибину заклепування та якість заклепування. Для отримання оптимальних параметрів процесу для вибору матриці використовується метод Тагучі. Алюмінієва пластина серії 5000 мм.
Факторами контролю є відповідно обраний діаметр пуансона, глибина матриці та товщина основи, і кожен фактор контролю має 3 рівні, див. Таблицю 3.
Глибина зчеплення в результаті реакції, шумовий фактор як мастило, симптом як виступ з’єднання або тріщини в аркуші. Використовуйте інструмент ортогонального списку для оптимізації та встановлення ортогонального експерименту L9 характеристики Wangda. Ортогональні випробувальні комбінації та результати випробувань наведені в таблиці 4.
З таблиці 4 видно, що глибина зчеплення випробування 5 є найбільшою, тому визначено, що оптимальні параметри процесу для клепки без цвяхів становлять 5,5 мм діаметр пуансона, 1,2 мм глибина матриці та 0. Товщина дна 8 мм.
3.3
3.3 Порівняння механічних властивостей
Оскільки в промисловості немає відповідного стандарту для оцінки механічних властивостей сталеалюмінієвих з’єднань, і оскільки SPR широко використовується в сталеалюмінієвих гібридних конструкціях кузова, механічні властивості SPR-з’єднань використовуються як еталон для оцінки механічних властивості безцвяхових заклепкових з'єднань. За умов однакової товщини матеріалу та типу матеріалу було розроблено випробування на зсув з’єднання на рівні зразка та статичне навантаження на перехресний розтяг, щоб виміряти навантаження на зсув і розтягування двох методів з’єднання, безцвяхової заклепки та SPR.
Марка випробувального зразка сталевої пластини – CR3, а товщина матеріалу – 0,8 мм; клас алюмінієвого сплаву - серія 5000, а товщина матеріалу - 1,4 мм. Для двох способів з’єднання були обрані оптимальні напрямки заклепки, серед яких безцвяхове – від товстого до тонкого, а SPR – від тонкого до товстого, від жорсткого до м’якого. Є 5 зразків у кожній групі випробувань, і криві навантаження-переміщення та режими руйнування при розтягуванні та зсуві руйнування кожної групи зразків показані на малюнках 5-8.
3.3.1 Аналіз випробування на руйнування при зсуві при статичному навантаженні
З малюнків 5 і 6 видно, що за стану зсувного навантаження режимом руйнування безцвяхового заклепкового з’єднання є злам шийки верхньої пластини, максимальне навантаження на руйнування становить 1620Н, а середнє руйнування зміщення 0,46 мм; вид руйнування з'єднання SPR - це розрив верхньої пластини. Максимальне навантаження на руйнування становить 2364 Н, а середнє зміщення руйнування - 4,95 мм.
Подальший аналіз показує, що в стані навантаження на зсув обидва вони мають певне поглинання енергії пластичного буфера, а міцність на зсув заклепкового з’єднання без цвяхів досягає 68,5 відсотка SPR, але середнє зміщення заклепкового з’єднання без цвяхів значно нижче, коли максимальна відмова З точки зору SPR, це лише 9,3 відсотка SPR.
Подальший аналіз показує, що в стані розтягуючого навантаження руйнування з’єднань двох методів з’єднання є крихким руйнуванням, немає буферної зони пластичної деформації, міцність на розрив клепки без цвяхів становить близько 60,6 відсотка SPR, а середнє зміщення руйнування безцвяхової клепки також нижча, ніж SPR, досягаючи 65 відсотків SPR. Підсумовуючи, у порівнянні зі з’єднанням SPR, незважаючи на те, що механічні властивості безцвяхового заклепкового з’єднання знижуються, його можна застосовувати в неосновній зоні конструкції кузова, що несуть навантаження.
3.4
Аналіз факторів, що впливають на статичні властивості
Для подальшого аналізу статичних характеристик заклепкових з’єднань без цвяхів застосуйте заклепкові з’єднання без цвяхів, щоб сформувати вказівки щодо проектування конструкції кузова, виходячи з трьох аспектів марки матеріалу, напрямку заклепки та товщини матеріалу, у поєднанні з поперечним перерізом з’єднання морфологічні параметри та випробування на руйнування під статичним навантаженням. Дані були використані для аналізу його впливу на статичні характеристики безцвяхового з’єднання сталь-алюміній.
Розмір вибірки та метод тестування такі, як вище. Під час випробування вибирається сорт і товщина звичайних матеріалів у зоні низького навантаження конструкції кузова. мм, 1,3 мм, випробувальні комбінації та результати випробувань наведені в таблиці 5.
3.4.1 Вплив якості матеріалу
Перші чотири комбінації з товщиною матеріалу 1.0 мм було вибрано для аналізу впливу сорту матеріалу на статичні характеристики безцвяхового клепаного з’єднання. Результати випробувань, такі як максимальна сила зсуву, максимальна сила розтягу, значення глибини зчеплення та ступінь руйнування наведені в таблиці 6.
З аналізу на малюнку 9 видно, що режим руйнування при зсуві в основному залежить від міцності верхнього шару. Коли міцність верхнього шару вища, ніж міцність нижнього шару, руйнування на зсув зазвичай є руйнуванням точки з’єднання матеріалу верхнього шару; З підвищенням міцності нижнього шару руйнування на зсув змінюється від відривання точки з’єднання до руйнування точки з’єднання; аналогічно, міцність на зсув в основному залежить від міцності матеріалу верхнього шару і збільшується зі збільшенням міцності матеріалу верхнього шару.
При однаковій товщині матеріалу режимом руйнування поперечного натягу є відрив точки з’єднання, який не має нічого спільного з маркою матеріалу; навантаження на розтягування зменшується зі збільшенням міцності матеріалу.
Глибина блокування зменшується зі збільшенням навантаження на матеріал, оскільки чим міцніший матеріал, тим важче деформувати матеріал під час з’єднання, що ускладнює блокування.
3.4.2 Вплив напрямку клепки
Подібним чином, на основі даних перших чотирьох комбінацій можна проаналізувати вплив напрямку заклепки на статичні характеристики безцвяхового заклепкового з’єднання, як показано на малюнку 10.
Напрямок з'єднання безцвяхової клепки - від високого навантаження до низької міцності. Незважаючи на невелику різницю в глибині зчеплення, навантаження на зсув значно збільшується. Комбінація 1 на 53,4 відсотка вища за комбінацію 2, а комбінація 3 на 45,6 відсотка вища за комбінацію 4; напрямок з'єднання високий Від міцності до низької міцності, хоча різниця в глибині зчеплення невелика, міцність на розрив значно знижується. Комбінація 1 на 33,6 відсотка нижча за комбінацію 2, а комбінація 3 на 29,4 відсотка нижча за комбінацію 4.
3.4.3 Вплив товщини матеріалу
Дані вибраної комбінації та результатів випробувань наведені в таблиці 7, а також порівнюється та аналізується вплив товщини матеріалу на параметри процесу безцвяхового клепання та міцність на руйнування при статичному навантаженні.
З таблиці 7 і рисунка 11 видно, що для міцності на зсув, чим товщі верхній матеріал, тим більша глибина зчеплення, чим більша товщина горловини, тим вище міцність на зсув; чим товщі нижній матеріал, тим важче деформація верхнього матеріалу, хоча Глибина блокування збільшується, але чим тонша товщина шийки, тим нижча міцність на зсув. Що стосується міцності на розрив, то чим товщі верхній і нижній шари, тим більша глибина зчеплення і тим вище міцність на розрив.
картина
Тому для підвищення міцності на зсув необхідний більш товстий верхній шар або більш тонкий нижній шар; збільшення товщини верхнього і нижнього шарів дозволяє збільшити міцність на розрив.
4 Висновок
a. Незважаючи на те, що статичні характеристики безцвяхового клепаного з’єднання нижчі, ніж у SPR, його можна застосувати до неосновної несучої зони конструкції кузова;
b. Міцність на зсув позитивно корелює з міцністю верхнього матеріалу; межа міцності на розрив негативно корелює з міцністю з'єднувального композитного матеріалу;
в. Напрямок клепки - від високоміцної пластини до низькоміцної, а міцність на зсув вище; напрямок клепки - від пластини низької міцності до високоміцної, а міцність на розрив вище;
d. Більша товщина верхнього матеріалу і тонша нижня товщина матеріалу мають вищу міцність на зсув; збільшення верхньої та нижньої товщини матеріалу може збільшити міцність на розрив.
