1. Introduzione
Con il rilascio della politica "Science and Technology Support Carbon Peak Carbon Neutralization Implementation Plan (2022-2030)", la leggerezza delle automobili è diventata una tendenza inevitabile. La lega leggera di alluminio del corpo e l'acciaio ad alta resistenza avanzato e altri materiali, attraverso un'applicazione e una distribuzione ragionevoli, possono ottenere una struttura del corpo più sicura bilanciando al contempo il costo di produzione del corpo interamente in alluminio e i futuri costi di manutenzione. È il mezzo leggero per veicoli più efficace.
La rivettatura senza chiodi e la rivettatura autoperforante (Self-Piercing Riveting, SPR) sono modi efficaci per realizzare la connessione di metalli dissimili in acciaio e alluminio, in particolare la rivettatura senza chiodi, nessuna necessità di rivetti aggiuntivi, nessun aumento della qualità del punto di connessione e il costo complessivo della connessione è inferiore a quello di SPR. Il processo di connessione leggero più snello è ancora in fase di processo e ricerca sperimentale in Cina e non è stato ampiamente utilizzato nella struttura del corpo. In questo studio, i parametri di processo e le prestazioni statiche della tecnologia di rivettatura senza chiodi sono stati confrontati combinando lamiere di acciaio e alluminio con diversi spessori di materiale, in modo da fornire la selezione del materiale e un riferimento per la progettazione della connessione per l'applicazione della tecnologia di rivettatura senza chiodi nella struttura della carrozzeria.
2 processo
La rivettatura senza chiodi è un processo di connessione meccanica di stampaggio, che utilizza la deformazione plastica locale di due o più strati di lamiera per completare il processo di imbutitura profonda e lavorazione composita per estrusione e forma un cerchio di sottosquadro ad incastro sul giunto estruso. Punti di connessione sagomati o rettangolari, in modo che abbia una certa resistenza alla trazione e resistenza al taglio. Il processo di connessione è mostrato nella Figura 1. Il processo include principalmente il pre-serraggio, l'occlusione, la punzonatura, il mantenimento della pressione e l'espulsione. La rivettatura senza chiodi può essere utilizzata per il collegamento tra fogli uguali o diversi con requisiti di incollaggio, rivestimento e sigillatura adesiva.
C'è un incrudimento nel processo di formatura della rivettatura senza chiodi, che migliora la resistenza allo snervamento del materiale e la capacità portante del giunto rivettato. I parametri del profilo della vista in sezione trasversale del giunto rivettato senza chiodi sono mostrati nella Figura 2. I parametri principali sono lo spessore del collo della piastra superiore S1, le piastre superiore e inferiore Profondità di incastro del materiale C1, la somma dello spessore inferiore di le lamiere superiore e inferiore nel punto di giunzione (spessore inferiore) ST.
3 Parametri di processo e proprietà statiche
La ricerca sui parametri di processo della connessione rivettata senza chiodi adotta principalmente il metodo Taguchi e il test ortogonale per valutare i parametri di forma come lo spessore del collo e la profondità di incastro della vista della sezione del giunto, determinare la direzione di rivettatura e la combinazione ottimale dei parametri di processo ; la ricerca sulle prestazioni statiche utilizza principalmente diversi test di rottura del carico statico in acciaio della combinazione di fogli di alluminio, confrontando le proprietà meccaniche della connessione rivettata senza chiodi e della connessione SPR e analizzando l'influenza del grado del materiale, della direzione di rivettatura e dello spessore del materiale sulle proprietà meccaniche del rivetto senza chiodi connessione.
3.1
Materiali e metodi di prova
Il materiale di prova è una lega di alluminio serie 5000 e lo spessore del materiale è 1,0 mm e 1,4 mm, che sono comunemente usati nella struttura del corpo; la piastra in acciaio è CR3, CR340 e lo spessore è 0,7 mm, 0,8 mm, 1 mm e 1,3 mm;
I giunti rivettati senza chiodi sono testati per la resistenza al taglio e alla trazione del giunto mediante test di rottura del carico statico. Poiché il giunto a sovrapposizione singola è una forma di giunzione comune nella struttura del corpo, le specifiche del campione sono mostrate nella Figura 3, la dimensione del campione di taglio è 85 mm × 35 mm e il giunto a sovrapposizione è di 30 mm; la dimensione del campione di trazione trasversale è 120 mm × 35 mm e il diametro del foro di posizionamento è 10 mm. Il campione rivettato è stato sottoposto a un test di rottura del carico statico su una macchina di prova universale CMT4304 e la velocità dell'intero processo di test è stata controllata a 10 mm/min.
La vista in sezione del giunto rivettato senza chiodi è ottenuta mediante taglio a filo del giunto campione, ed è intarsiata, lucidata e corrosa, e i corrispondenti dati dei parametri di forma della vista in sezione sono ottenuti osservando al microscopio ottico.
3.2
Selezione dei parametri di processo
3.2.1 Determinazione della direzione di rivettatura per rivettatura senza chiodi
Per determinare la direzione di rivettatura, sono state selezionate la piastra in acciaio CR3 e la lega di alluminio serie 5000 e sono stati selezionati diversi spessori del materiale e direzioni di rivettatura per valutare i parametri topografici della vista in sezione del giunto rivettato senza chiodi. Il valore della profondità di incastro è stato utilizzato come base importante per giudicare la qualità della rivettatura.
Si può vedere dalla tabella 2 sopra che per le connessioni rivettate senza chiodi acciaio-alluminio, lo stesso spessore del materiale e diverse direzioni di rivettatura possono formare un migliore incastro e lo stato di incastro non è molto sensibile al materiale; diversi spessori di materiale, direzione di rivettatura da sottile a Quando più spesso, la profondità di interblocco diminuisce in modo significativo. Pertanto, lo spessore del materiale è il principale fattore di influenza per l'incastro della connessione rivettata senza chiodi, e la direzione della connessione rivettata senza chiodi è preferibilmente da lamiera spessa a lamiera sottile.
3.2.2 Determinazione dei parametri del processo di rivettatura per rivettatura senza chiodi
I parametri di processo dello stampo di rivettatura senza chiodi influiscono sulla profondità di interblocco di rivettatura e sulla qualità di rivettatura. Per ottenere i parametri di processo ottimali, viene utilizzato il metodo Taguchi per selezionare la matrice. piastra in alluminio serie mm 5000.
I fattori di controllo sono rispettivamente il diametro del punzone selezionato, la profondità dello stampo e lo spessore della base e ciascun fattore di controllo ha 3 livelli, vedere la Tabella 3.
Profondità dell'incastro come risultato della risposta, fattore di rumore come lubrificante, sintomo come sporgenza del giunto o crepe nella lamiera. Utilizzare lo strumento elenco ortogonale per ottimizzare e stabilire l'esperimento ortogonale L9 della caratteristica Wangda. Le combinazioni di test ortogonali e i risultati dei test sono mostrati nella Tabella 4.
Si può vedere dalla Tabella 4 che la profondità di incastro del Test 5 è la più grande, quindi è determinato che i parametri di processo ottimali per la rivettatura senza chiodi sono 5,5 mm di diametro del punzone, 1,2 mm di profondità dello stampo e 0. 8 mm di spessore inferiore.
3.3
3.3 Confronto delle proprietà meccaniche
Poiché non esiste uno standard adeguato per giudicare le proprietà meccaniche dei giunti acciaio-alluminio nell'industria e poiché SPR è stato ampiamente utilizzato nelle strutture di carrozzeria ibride acciaio-alluminio, le proprietà meccaniche dei giunti SPR sono utilizzate come punto di riferimento per giudicare la meccanica proprietà dei giunti rivettati senza chiodi. Nelle condizioni dello stesso spessore del materiale e del tipo di materiale, è stato progettato un test di rottura del carico statico a taglio e trazione trasversale a livello di campione per misurare i carichi di rottura a taglio e trazione di due metodi di connessione, rivettatura senza chiodi e SPR.
Il grado della piastra in acciaio del campione di prova è CR3 e lo spessore del materiale è 0,8 mm; il grado della lega di alluminio è della serie 5000 e lo spessore del materiale è di 1,4 mm. Le direzioni di rivettatura ottimali sono state selezionate per i due metodi di connessione, tra cui la rivettatura senza chiodi da spessa a sottile e l'SPR da sottile a spessa e da dura a morbida. Ci sono 5 campioni in ogni gruppo di prove, e le curve carico-spostamento e le modalità di cedimento delle rotture da carico di trazione e taglio di ogni gruppo di campioni sono mostrate nelle Figure da 5 a 8.
3.3.1 Analisi della prova di rottura del carico statico di taglio
Si può vedere dalle figure 5 e 6 che sotto lo stato di carico di taglio, la modalità di cedimento della connessione rivettata senza chiodi è la frattura del collo della piastra superiore, il carico di cedimento massimo è 1620N e il cedimento medio lo spostamento è di 0,46 mm; la modalità di guasto della connessione SPR è la lacerazione della piastra superiore, il carico massimo di guasto è 2364 N e lo spostamento medio di guasto è 4,95 mm.
Ulteriori analisi mostrano che sotto lo stato di carico di taglio, entrambi hanno un certo assorbimento di energia del tampone plastico e la resistenza al taglio del giunto rivettato senza chiodi raggiunge il 68,5% dell'SPR, ma lo spostamento medio del giunto rivettato senza chiodi è significativamente inferiore quando il si verifica il massimo errore In termini di SPR, è solo il 9,3% di SPR.
Ulteriori analisi mostrano che sotto lo stato di carico di trazione, il cedimento dei giunti dei due metodi di connessione è una frattura fragile, non esiste una zona cuscinetto di deformazione plastica, la resistenza alla trazione della rivettatura senza chiodi è di circa il 60,6 percento dell'SPR e lo spostamento medio di anche il fallimento della rivettatura senza chiodi è inferiore a SPR, raggiungendo il 65 percento di SPR. In conclusione, rispetto al collegamento SPR, sebbene le proprietà meccaniche del giunto rivettato senza chiodi siano ridotte, esso può essere applicato nella zona della struttura della scocca non portante.
3.4
Analisi dei fattori che influenzano le proprietà statiche
Per analizzare ulteriormente le prestazioni statiche dei giunti rivettati senza chiodi, applicare i giunti rivettati senza chiodi per formare linee guida di progettazione per la struttura del corpo, dai tre aspetti del grado del materiale, della direzione di rivettatura e dello spessore del materiale, combinati con la vista in sezione trasversale del giunto parametri morfologici e prove di rottura a carico statico I dati sono stati utilizzati per analizzarne l'influenza sulle prestazioni statiche della connessione senza chiodi acciaio-alluminio.
La dimensione del campione e il metodo di prova sono come sopra. Nel test vengono selezionati il grado e lo spessore dei materiali comuni nell'area a basso carico della struttura della carrozzeria. mm, 1,3 mm, le combinazioni di test e i risultati dei test sono mostrati nella Tabella 5.
3.4.1 Effetto della qualità del materiale
Le prime quattro combinazioni con uno spessore del materiale di 1.0mm sono state selezionate per analizzare l'influenza della qualità del materiale sulle prestazioni statiche della connessione rivettata senza chiodi. I risultati del test come la massima forza di taglio, la massima forza di trazione, il valore della profondità di interblocco e la modalità di rottura sono mostrati nella Tabella 6.
Dall'analisi in Figura 9, si può vedere che la modalità di rottura per taglio dipende principalmente dalla resistenza dello strato superiore. Quando la resistenza dello strato superiore è superiore a quella dello strato inferiore, la modalità di rottura per taglio è generalmente la frattura del punto di connessione del materiale dello strato superiore; Con l'aumentare della resistenza dello strato inferiore, la modalità di rottura a taglio cambia dallo strappo del punto di connessione alla frattura del punto di connessione; analogamente, la resistenza al taglio dipende principalmente dalla resistenza del materiale dello strato superiore e aumenta con l'aumento della resistenza del materiale dello strato superiore.
A parità di spessore del materiale, la modalità di rottura della tensione trasversale è il pull-off del punto di connessione, che non ha nulla a che fare con la qualità del materiale; il carico di trazione diminuisce con l'aumentare della resistenza del materiale.
La profondità dell'incastro diminuisce all'aumentare del carico del materiale, poiché più il materiale è resistente, più difficile è che il materiale si deformi durante la connessione, rendendo più difficile l'incastro.
3.4.2 Effetto della direzione di rivettatura
Analogamente, sulla base dei dati delle prime quattro combinazioni, è possibile analizzare l'influenza della direzione di rivettatura sulle prestazioni statiche della connessione rivettata senza chiodi, come mostrato in Figura 10.
La direzione di connessione della rivettatura senza chiodi va da carico elevato a bassa resistenza. Sebbene ci sia poca differenza nella profondità di incastro, il carico di taglio aumenta in modo significativo. La combinazione 1 è superiore del 53,4% rispetto alla combinazione 2 e la combinazione 3 è superiore del 45,6% rispetto alla combinazione 4; la direzione della connessione è alta Da resistenza a bassa resistenza, sebbene la differenza nella profondità di incastro non sia grande, la resistenza alla trazione è significativamente ridotta. La combinazione 1 è inferiore del 33,6% rispetto alla combinazione 2 e la combinazione 3 è inferiore del 29,4% rispetto alla combinazione 4.
3.4.3 Effetto dello spessore del materiale
La combinazione selezionata e i dati dei risultati del test sono mostrati nella Tabella 7 e l'influenza dello spessore del materiale sui parametri del processo di rivettatura senza chiodi e sulla resistenza alla rottura del carico statico viene confrontata e analizzata.
Si può vedere dalla Tabella 7 e dalla Figura 11 che, per la resistenza al taglio, più spesso è il materiale superiore, maggiore è la profondità di incastro, maggiore è lo spessore del collo, maggiore è la resistenza al taglio; più spesso è il materiale inferiore, più difficile è la deformazione del materiale superiore, sebbene la profondità di interblocco aumenti, ma più sottile è lo spessore del collo, minore è la resistenza al taglio. Per quanto riguarda la resistenza alla trazione, più spessi sono gli strati superiore e inferiore, maggiore è la profondità di incastro e maggiore è la resistenza alla trazione.
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Pertanto, per aumentare la resistenza al taglio, è necessario uno strato superiore più spesso o uno strato inferiore più sottile; l'aumento dello spessore degli strati superiore e inferiore può aumentare la resistenza alla trazione.
4. Conclusione
UN. Sebbene le prestazioni statiche della connessione rivettata senza chiodi siano inferiori a quelle dell'SPR, possono essere applicate all'area della struttura del corpo non portante principale;
B. La resistenza al taglio è positivamente correlata con la resistenza del materiale superiore; la resistenza alla trazione è correlata negativamente con la resistenza del materiale composito di collegamento;
C. La direzione della rivettatura va dalla piastra ad alta resistenza alla bassa resistenza e la resistenza al taglio è maggiore; la direzione della rivettatura va dalla piastra a bassa resistenza a quella ad alta resistenza e la resistenza alla trazione è maggiore;
D. Lo spessore del materiale superiore più spesso e lo spessore del materiale inferiore più sottile hanno una maggiore resistenza al taglio; l'aumento dello spessore del materiale superiore e inferiore può aumentare la resistenza alla trazione.
