1. Uvod
Objavljivanjem politike "Znanost i tehnološka potpora Plana provedbe neutralizacije ugljika (2022-2030)", lagani automobili postali su neizbježan trend. Lagana aluminijska legura karoserije i napredni čelik visoke čvrstoće i drugi materijali, razumnom primjenom i distribucijom, mogu postići sigurniju strukturu karoserije uz uravnoteženje proizvodnih troškova karoserije od potpunog aluminija i budućih troškova održavanja. To je najučinkovitije sredstvo za lakše vozilo.
Zakivanje bez čavla i samoprobijajuće zakivanje (Self-Piercing Riveting, SPR) učinkoviti su načini ostvarivanja spoja čelika i aluminija različitih metala, posebno zakivanje bez čavla, nema potrebe za dodatnim zakovicama, nema povećanja kvalitete spojne točke i ukupni trošak veze niži je od SPR-a. Laganiji postupak povezivanja je još uvijek u fazi procesa i eksperimentalnog istraživanja u Kini i nije naširoko korišten u strukturi karoserije. U ovoj studiji, procesni parametri i statička izvedba tehnologije zakivanja bez čavala uspoređeni su kombiniranjem čeličnih i aluminijskih limova s različitim debljinama materijala, kako bi se osigurao izbor materijala i referenca dizajna spoja za primjenu tehnologije zakivanja bez čavla u strukturi karoserije.
2 proces
Zakivanje bez čavala mehanički je postupak spajanja utiskivanjem, koji koristi lokalnu plastičnu deformaciju dvaju ili više slojeva metalnog lima za dovršetak procesa dubokog izvlačenja i obrade kompozita ekstruzijom, te oblikuje isprepleteni krug udubljenja na ekstrudiranom spoju. Oblikovane ili pravokutne spojne točke, tako da ima određenu vlačnu čvrstoću i čvrstoću na smicanje. Postupak spajanja prikazan je na slici 1. Proces uglavnom uključuje prethodno zatezanje, okluziju, probijanje, držanje pritiska i izbacivanje. Zakivanje bez čavala može se koristiti za spajanje između istih ili različitih ploča sa zahtjevima lijepljenja, premazivanja i brtvljenja ljepilom.
U procesu oblikovanja zakivanja bez čavala dolazi do otvrdnjavanja, čime se poboljšava granica razvlačenja materijala i nosivost zakovnog spoja. Parametri profila poprečnog presjeka zakovnog spoja bez čavala prikazani su na slici 2. Glavni parametri su debljina grla gornje ploče S1, gornje i donje ploče, dubina međusobnog spajanja materijala C1, zbroj donje debljine gornji i donji lim na mjestu spajanja (donja debljina) ST.
3 Procesni parametri i statička svojstva
Istraživanje parametara procesa spoja zakovicama bez čavala uglavnom usvaja Taguchijevu metodu i ortogonalni test za procjenu parametara oblika kao što su debljina vrata i dubina međusobnog spajanja presjeka spoja, određivanje smjera zakivanja i optimalnu kombinaciju parametara procesa ; istraživanje statičkih performansi uglavnom koristi različiti čelik Ispitivanje loma statičkim opterećenjem kombinacije aluminijskih limova, uspoređujući mehanička svojstva spoja bez čavala zakovicama i SPR spoja i analizirajući utjecaj vrste materijala, smjera zakivanja i debljine materijala na mehanička svojstva spoja bez čavala zakovicama veza.
3.1
Ispitni materijali i metode
Ispitni materijal je aluminijska legura serije 5000, a debljina materijala je 1,0 mm i 1,4 mm, koji se obično koriste u strukturi karoserije; čelična ploča je CR3, CR340, a debljina je 0,7 mm, 0,8 mm, 1 mm i 1,3 mm;
Zakovnički spojevi bez čavala ispituju se na posmično spajanje i vlačnu čvrstoću pomoću ispitivanja loma statičkim opterećenjem. Budući da je jednostruki preklopni spoj uobičajeni oblik spoja u strukturi tijela, specifikacije uzorka prikazane su na slici 3, veličina uzorka na smicanje je 85 mm × 35 mm, a preklopni spoj je 30 mm; veličina uzorka za poprečno zatezanje je 120 mm × 35 mm, a promjer rupe za pozicioniranje je 10 mm. Zakovani uzorak podvrgnut je ispitivanju loma statičkim opterećenjem na univerzalnom ispitnom stroju CMT4304, a brzina cijelog procesa ispitivanja kontrolirana je na 10 mm/min.
Prikaz presjeka zakovnog spoja bez čavala dobiva se rezanjem žice uzorka spoja, koji se umeće, polira i korodira, a odgovarajući podaci o parametrima oblika presjeka dobivaju se promatranjem pod optičkim mikroskopom.
3.2
Odabir parametara procesa
3.2.1 Određivanje smjera zakivanja za zakivanje bez čavala
Kako bi se odredio smjer zakivanja, odabrani su čelična ploča CR3 i aluminijska legura serije 5000, a različite debljine materijala i smjerovi zakivanja odabrani su za procjenu topografskih parametara presjeka zakovnog spoja bez čavala. Vrijednost dubine međusobnog spajanja korištena je kao važna osnova za procjenu kvalitete zakivanja.
Iz gornje tablice 2 može se vidjeti da za čelično-aluminijske spojeve bez čavla zakovicama, ista debljina materijala i različiti smjerovi zakivanja mogu stvoriti bolje međusobno spajanje, a stanje međusobnog blokiranja nije jako osjetljivo na materijal; različite debljine materijala, smjer zakivanja od tankog do Kada je deblji, dubina spoja značajno opada. Prema tome, debljina materijala je glavni utjecajni čimbenik za međusobno spajanje spoja zakovicama bez čavala, a smjer spoja zakovicama bez čavla je poželjno od debele ploče do tanke ploče.
3.2.2 Određivanje parametara procesa zakivanja za zakivanje bez čavala
Parametri procesa matrice za zakivanje bez čavla utječu na dubinu zakivanja i kvalitetu zakivanja. Kako bi se dobili optimalni procesni parametri, Taguchi metoda se koristi za odabir matrice. mm aluminijska ploča serije 5000.
Kontrolni faktori su pojedinačno odabrani promjer bušilice, dubina matrice i debljina baze, a svaki kontrolni faktor ima 3 razine, vidi tablicu 3.
Dubina isprepletenosti kao rezultat reakcije, faktor buke kao mazivo, simptom kao izbočenje spoja ili pukotine u limu. Upotrijebite alat za ortogonalni popis za optimizaciju i uspostavljanje ortogonalnog eksperimenta L9 karakteristike Wangda. Ortogonalne kombinacije ispitivanja i rezultati ispitivanja prikazani su u tablici 4.
Iz tablice 4. može se vidjeti da je dubina zahvata testa 5 najveća, pa je utvrđeno da su optimalni procesni parametri za zakivanje bez čavala 5,5 mm u promjeru proboja, 1,2 mm u dubini matrice i 0. 8 mm debljine dna.
3.3
3.3 Usporedba mehaničkih svojstava
Budući da ne postoji odgovarajući standard za procjenu mehaničkih svojstava čelično-aluminijskih spojeva u industriji i budući da se SPR naširoko koristi u čelično-aluminij hibridnim karoserijskim strukturama, mehanička svojstva SPR spojeva koriste se kao referentna vrijednost za procjenu mehaničkih svojstva zakivnih spojeva bez čavala. Pod uvjetima iste debljine materijala i vrste materijala, osmišljeno je ispitivanje loma na posmičnim spojevima na razini uzorka i poprečnom vlačnom statičkom opterećenju za mjerenje posmičnih i vlačnih opterećenja loma dviju metoda spajanja, zakivanja bez čavala i SPR.
Kvaliteta ispitnog uzorka čelične ploče je CR3, a debljina materijala je 0.8 mm; klasa aluminijske legure je serija 5000, a debljina materijala je 1,4 mm. Odabrani su optimalni smjerovi zakivanja za dva načina spajanja, među kojima je zakivanje bez čavala bilo od debelog prema tankom, a SPR od tankog prema debelom i od tvrdog prema mekom. U svakoj skupini ispitivanja nalazi se 5 uzoraka, a krivulje opterećenje-pomak i načini sloma pri vlačnom i posmičnom opterećenju svake skupine uzoraka prikazani su na slikama 5 do 8.
3.3.1 Analiza testa sloma posmičnim statičkim opterećenjem
Na slikama 5 i 6 može se vidjeti da je pod stanjem posmičnog opterećenja način sloma spoja bez zakovica s čavlima lom vrata gornje ploče, maksimalno opterećenje na slom je 1620N, a prosječno slom pomak je 0,46 mm; način kvara SPR veze je kidanje gornje ploče. Maksimalno opterećenje kod kvara je 2364N, a prosječni pomak kod kvara je 4,95 mm.
Daljnja analiza pokazuje da pod stanjem posmičnih opterećenja oba imaju određenu apsorpciju energije plastičnog međuspremnika, a čvrstoća na smicanje zakovnog spoja bez čavala doseže 68,5 posto SPR-a, ali je prosječni pomak zakovnog spoja bez čavla znatno niži kada U smislu SPR-a, to je samo 9,3 posto SPR-a.
Daljnja analiza pokazuje da je pod stanjem vlačnog opterećenja neuspjeh spojeva dviju metoda spajanja krti lom, nema tampon zone plastične deformacije, vlačna čvrstoća zakivanja bez čavala je oko 60,6 posto SPR-a, a prosječni pomak kvar zakivanja bez čavala također je niži od SPR-a, dosežući 65 posto SPR-a. Zaključno, u usporedbi sa SPR spojem, iako su mehanička svojstva zakovnog spoja bez čavala smanjena, on se može primijeniti u području neglavne nosive konstrukcije karoserije.
3.4
Analiza čimbenika koji utječu na statička svojstva
Kako bi se dodatno analizirala statička izvedba zakivnih spojeva bez čavlića, primijenite zakivne spojeve bez čavlića kako biste oblikovali smjernice za dizajn karoserije, s tri aspekta vrste materijala, smjera zakivanja i debljine materijala, u kombinaciji s prikazom poprečnog presjeka spoja morfološki parametri i ispitivanja loma statičkim opterećenjem Podaci su korišteni za analizu utjecaja na statičku izvedbu spoja čelik-aluminij bez čavala.
Veličina uzorka i metoda ispitivanja su kao gore. U testu se odabiru stupanj i debljina uobičajenih materijala u području niskog opterećenja strukture karoserije. mm, 1,3 mm, kombinacije ispitivanja i rezultati ispitivanja prikazani su u tablici 5.
3.4.1 Učinak stupnja materijala
Prve četiri kombinacije s debljinom materijala od 10mm odabrane su za analizu utjecaja kvalitete materijala na statičku izvedbu spoja zakovicama bez čavala. Rezultati ispitivanja kao što su maksimalna posmična sila, maksimalna vlačna sila, vrijednost dubine zahvata i način kvara prikazani su u tablici 6.
Iz analize na slici 9. može se vidjeti da način sloma posmikom uglavnom ovisi o čvrstoći gornjeg sloja. Kada je čvrstoća gornjeg sloja veća od čvrstoće donjeg sloja, način loma na smicanje općenito je lom spojne točke materijala gornjeg sloja; S porastom čvrstoće donjeg sloja dolazi do promjene načina sloma posmičnom od povlačenja spojne točke do loma spojne točke; slično, čvrstoća na smicanje uglavnom ovisi o čvrstoći materijala gornjeg sloja i raste s povećanjem čvrstoće materijala gornjeg sloja.
Pod istom debljinom materijala, način kvara poprečne napetosti je povlačenje spojne točke, što nema nikakve veze s ocjenom materijala; vlačno opterećenje opada s porastom čvrstoće materijala.
Dubina spoja se smanjuje s povećanjem opterećenja materijala, jer što je materijal jači, to se teže deformira tijekom spajanja, što otežava spajanje.
3.4.2 Učinak smjera zakivanja
Slično tome, na temelju podataka prve četiri kombinacije, može se analizirati utjecaj smjera zakivanja na statičku izvedbu spoja zakovicama bez čavla, kao što je prikazano na slici 10.
Smjer spajanja zakivanja bez čavala je od velikog opterećenja do niske čvrstoće. Iako postoji mala razlika u dubini međusobnog spajanja, posmično opterećenje se značajno povećava. Kombinacija 1 veća je za 53,4 posto od kombinacije 2, a kombinacija 3 za 45,6 posto od kombinacije 4; smjer spoja je visok Od čvrstoće do niske čvrstoće, iako razlika u dubini spajanja nije velika, vlačna čvrstoća je značajno smanjena. Kombinacija 1 je 33,6 posto niža od kombinacije 2, a kombinacija 3 29,4 posto niža od kombinacije 4.
3.4.3 Učinak debljine materijala
Podaci o odabranoj kombinaciji i rezultatima ispitivanja prikazani su u tablici 7, a uspoređen je i analiziran utjecaj debljine materijala na parametre procesa zakivanja bez čavala i čvrstoću loma statičkim opterećenjem.
Iz tablice 7 i slike 11 može se vidjeti da, za čvrstoću na smicanje, što je deblji gornji materijal, to je veća dubina međusobnog spajanja, što je veća debljina vrata, to je veća čvrstoća na smicanje; što je donji materijal deblji, to je teža deformacija gornjeg materijala, iako se dubina spoja povećava, ali što je debljina vrata tanja, to je niža čvrstoća na smicanje. Što se tiče vlačne čvrstoće, što su gornji i donji sloj deblji, to je veća dubina međusobnog spajanja i veća je vlačna čvrstoća.
slika
Stoga je za povećanje smične čvrstoće potreban deblji gornji sloj ili tanji donji sloj; povećanje debljine gornjeg i donjeg sloja može povećati vlačnu čvrstoću.
4. Zaključak
a. Iako je statička izvedba spoja zakovicama bez čavala niža od SPR-a, može se primijeniti na neglavno područje konstrukcije karoserije za nošenje tereta;
b. Smična čvrstoća je u pozitivnoj korelaciji sa čvrstoćom gornjeg materijala; vlačna čvrstoća je u negativnoj korelaciji s čvrstoćom spojnog kompozitnog materijala;
c. Smjer zakivanja je od ploče visoke čvrstoće prema niskoj čvrstoći, a smična čvrstoća je veća; smjer zakivanja je od ploče niske čvrstoće prema visokoj čvrstoći, a vlačna čvrstoća je veća;
d. Deblja gornja debljina materijala i tanja donja debljina materijala imaju veću čvrstoću na smicanje; povećanje debljine gornjeg i donjeg materijala može povećati vlačnu čvrstoću.
