מחקר על פרמטרי תהליכים ומאפיינים סטטיים של טכנולוגיית מסמרות פלדה-אלומיניום ללא מסמרים

1. הקדמה

עם שחרורו של מדיניות "מדע וטכנולוגיה תומכים בתוכנית הטמעת שיא פחמן לנטרול פחמן (2022-2030)", קל משקל רכב הפך למגמה בלתי נמנעת. סגסוגת אלומיניום קלה לגוף ופלדה מתקדמת בחוזק גבוה וחומרים אחרים, באמצעות יישום והפצה סבירים, יכולים להשיג מבנה גוף בטוח יותר תוך איזון עלות הייצור של גוף האלומיניום כולו ועלויות תחזוקה עתידיות. זהו אמצעי קל משקל הרכב היעיל ביותר.

מסמרות ללא מסמרים ומסמרות חודרות עצמיות (Self-Piercing Riveting, SPR) הן דרכים יעילות למימוש חיבור של מתכות שונות מפלדה ואלומיניום, במיוחד מסמרות ללא מסמרים, ללא צורך במסמרות נוספות, ללא עלייה באיכות נקודת החיבור, וכן העלות הכוללת של החיבור נמוכה מזו של SPR. תהליך חיבור קל משקל רזה יותר נמצא עדיין בתהליך ובשלב המחקר הניסיוני בסין, ולא נעשה בו שימוש נרחב במבנה הגוף. במחקר זה, הושוו פרמטרי התהליך והביצועים הסטטיים של טכנולוגיית הריתוק ללא ציפורניים על ידי שילוב של יריעות פלדה ואלומיניום בעובי חומר שונים, על מנת לספק בחירת חומר והתייחסות לעיצוב חיבור ליישום טכנולוגיית ריתוק ללא ציפורניים במבנה הגוף.

2 תהליך

ריתוק ללא מסמרים הוא תהליך חיבור מכני הטבעה, המשתמש בעיוות הפלסטי המקומי של שתי שכבות או יותר של מתכת מתכת כדי להשלים את התהליך של ציור עמוק ועיבוד מרוכבים שחול, ויוצר עיגול תחתון משתלב במפרק שחולץ. נקודות חיבור מעוצבות או מלבניות, כך שיש לה חוזק מתיחה וחוזק גזירה מסוים. תהליך החיבור מוצג באיור 1. התהליך כולל בעיקר הידוק מקדים, סתימה, חבטות, החזקת לחץ ופליטה. ניתן להשתמש במסמרות ללא מסמרים לחיבור בין יריעות זהות או שונות עם דרישות הדבקה, ציפוי ואיטום דבק.

קיימת התקשות עבודה בתהליך היווצרות של מסמרות ללא ציפורניים, המשפרת את חוזק התפוקה של החומר ואת כושר הנשיאה של המפרק המרותק. פרמטרי הפרופיל של תצוגת החתך של המפרק המסומר ללא מסמרים מוצגים באיור 2. הפרמטרים העיקריים הם עובי צוואר הפלטה העליונה S1, הלוחות העליונים והתחתונים עומק משתלב חומר C1, סכום העובי התחתון של היריעות העליונות והתחתונות בנקודת החיבור (עובי תחתית) ST.

3 פרמטרים של תהליך ומאפיינים סטטיים

המחקר על פרמטרי התהליך של חיבור המסמרות ללא מסמרים מאמצים בעיקר את שיטת הטאגוצ'י ואת המבחן האורתוגונלי כדי להעריך את פרמטרי הצורה כגון עובי הצוואר ועומק ההשתלבות של תצוגת חתך המפרק, קביעת כיוון הריתוק והשילוב האופטימלי של פרמטרי תהליך ; מחקר הביצועים הסטטי משתמש בעיקר בבדיקת פלדה שונה של כשל בעומס סטטי של שילוב יריעות אלומיניום, השוואת התכונות המכניות של חיבור משומר ללא מסמרים וחיבור SPR, וניתוח השפעת דרגת החומר, כיוון הריתוק ועובי החומר על התכונות המכניות של מסמרות ללא מסמרים. חיבור.

3.1

בדיקת חומרים ושיטות

חומר הבדיקה הוא סגסוגת אלומיניום מסדרה 5000, ועובי החומר הוא 1.0 מ"מ ו-1.4 מ"מ, המשמשים בדרך כלל במבנה הגוף; לוח הפלדה הוא CR3, CR340, והעובי הוא 0.7 מ"מ, 0.8 מ"מ, 1 מ"מ ו-1.3 מ"מ;

חיבורים משומרים ללא מסמרים נבדקים לחוזק גזירה וחוזק מפרקים על ידי בדיקות כשל בעומס סטטי. מכיוון שמפרק החיק הבודד הוא צורת מפרק נפוצה במבנה הגוף, מפרטי המדגם מוצגים באיור 3, גודל מדגם הגזירה הוא 85 מ"מ × 35 מ"מ, ומפרק הברכיים הוא 30 מ"מ; גודל דגימת המתיחה הצולבת הוא 120 מ"מ × 35 מ"מ, וקוטר חור המיקום הוא 10 מ"מ. הדגימה המסומרת עברה בדיקת כשל בעומס סטטי במכונת בדיקה אוניברסלית CMT4304, ומהירות כל תהליך הבדיקה נשלטה ב-10 מ"מ/דקה.

תצוגת החתך של המפרק המסומר ללא ציפורניים מתקבלת על ידי חיתוך חוט של מפרק הדגימה, והוא משובץ, מלוטש ומעורב, ונתוני פרמטר הצורה המתאימים של תצוגת החתך מתקבלים על ידי התבוננות תחת מיקרוסקופ אופטי.

3.2

בחירת פרמטרים לתהליך

3.2.1 קביעת כיוון מסמרות למסמרות ללא מסמרים

על מנת לקבוע את כיוון הריתוק, נבחרו לוחית פלדה CR3 וסגסוגת אלומיניום מסדרה 5000, ונבחרו עובי חומר וכיווני ריתוק שונים כדי להעריך את הפרמטרים הטופוגרפיים של תצוגת החתך של מפרק המסמרות ללא מסמרים. ערך העומק המשתלב שימש כבסיס חשוב לשיפוט איכות המרתק.

ניתן לראות מטבלה 2 לעיל כי עבור חיבורי מסמר פלדה-אלומיניום ללא מסמרים, אותו עובי חומר וכיווני ריתוק שונים יכולים ליצור שלובים טובים יותר, ומצב ההשתלבות אינו רגיש במיוחד לחומר; עובי חומר שונה, כיוון מסמרות מדק עד כאשר עבה יותר, עומק ההשתלבות יורד באופן משמעותי. לכן, עובי החומר הוא גורם ההשפעה העיקרי על ההשתלבות של החיבור המסומר ללא מסמרים, וכיוון החיבור המסומר ללא מסמרים הוא רצוי מצלחת עבה לצלחת דקה.

3.2.2 קביעת פרמטרים של תהליך ריתוק לריתוק ללא מסמרים

פרמטרי התהליך של תבנית הריתוק ללא ציפורניים משפיעים על עומק הריתוק ואיכות הריתוק. על מנת לקבל את פרמטרי התהליך האופטימליים, שיטת Taguchi משמשת לבחירת התבנית. לוח אלומיניום מסדרת mm 5000.

גורמי הבקרה נבחרים בהתאמה קוטר האגרוף, עומק התבנית ועובי הבסיס, ולכל גורם בקרה יש 3 רמות, ראה טבלה 3.

עומק השתלבות כתוצאה מתגובה, גורם רעש כחומר סיכה, סימפטום כמו בליטת מפרקים או סדקים ביריעת. השתמש בכלי הרשימה האורתוגונלית כדי לייעל ולבסס את הניסוי האורתוגונלי L9 של מאפיין וואנגדה. שילובי בדיקות אורתוגונליות ותוצאות בדיקה מוצגים בטבלה 4.

ניתן לראות מטבלה 4 שעומק ההשתלבות של מבחן 5 הוא הגדול ביותר, ולכן נקבע שפרמטרי התהליך האופטימליים למסמרות ללא מסמרים הם 5.5 מ"מ בקוטר האגרוף, 1.2 מ"מ בעומק התבנית ו-0. 8 מ"מ בעובי תחתית.

3.3

3.3 השוואה בין תכונות מכניות

מכיוון שאין תקן מתאים לשיפוט המאפיינים המכניים של מפרקי פלדה-אלומיניום בתעשייה, ומכיוון ש-SPR נמצא בשימוש נרחב במבני גוף היברידיים של פלדה-אלומיניום, התכונות המכניות של מפרקי SPR משמשות נקודת אמת לשיפוט המכאני. תכונות של מפרקים מסמרות ללא ציפורניים. בתנאים של אותו עובי חומר וסוג חומר, תוכננה מבחן גזירה של מפרקים וכשל סטטי מתיחה צולבת ברמת מדגם כדי למדוד את עומסי הגזירה וכשל המתיחה של שתי שיטות חיבור, מסמרות ללא מסמרים ו-SPR.

הציון של לוחית הפלדה של מדגם הבדיקה הוא CR3, ועובי החומר הוא 0.8 מ"מ; דרגת סגסוגת האלומיניום היא סדרת 5000, ועובי החומר הוא 1.4 מ"מ. כיווני הריתוק האופטימליים נבחרו לשתי שיטות החיבור, ביניהן הריתוק ללא ציפורניים היה מעבה לדק, וה-SPR מדק לעבה ומקשה לרך. יש 5 דגימות בכל קבוצת בדיקות, ועיקומי תזוזה של עומס ואופני כשל של כשלי עומס מתיחה וגזירה של כל קבוצת דגימות מוצגים באיורים 5 עד 8.

3.3.1 ניתוח בדיקת כשל בעומס סטטי גזירה

ניתן לראות מאיורים 5 ו-6 שתחת מצב עומס הגזירה, מצב הכשל של החיבור המסומר ללא מסמרים הוא שבר הצוואר של הצלחת העליונה, עומס הכשל המרבי הוא 1620N, והכשל הממוצע תזוזה היא 0.46 מ"מ; מצב הכשל של חיבור SPR הוא קריעה של הצלחת העליונה, עומס הכשל המרבי הוא 2364N, ועקירת הכשל הממוצעת היא 4.95 מ"מ.

ניתוח נוסף מראה כי במצב עומס הגזירה, לשניהם יש ספיגת אנרגיית חיץ פלסטית מסוימת, וחוזק הגזירה של המפרק המסומר ללא ציפורניים מגיע ל-68.5 אחוזים מ-SPR, אך התזוזה הממוצעת של המפרק המסומר ללא ציפורניים נמוכה משמעותית כאשר מתרחש כישלון מקסימלי במונחים של SPR, זה רק 9.3 אחוז מה-SPR.

ניתוח נוסף מראה כי במצב עומס מתיחה, הכשל של המפרקים של שתי שיטות החיבור הוא שבר שביר, אין אזור חיץ עיוות פלסטי, חוזק המתיחה של מסמרות ללא מסמרים הוא כ-60.6 אחוז מ-SPR, והעקירה הממוצעת של כישלון מסמרות ללא ציפורניים הוא גם נמוך מ-SPR , ומגיע ל-65 אחוז מ-SPR. לסיכום, בהשוואה לחיבור SPR, למרות שהמאפיינים המכניים של המפרק המשומר ללא ציפורניים מופחתות, ניתן ליישם אותו באזור מבנה הגוף שאינו נושא עומס ראשי.

3.4

ניתוח של גורמים המשפיעים על מאפיינים סטטיים

על מנת לנתח עוד יותר את הביצועים הסטטיים של המפרקים המסומרים ללא ציפורניים, יש ליישם את המפרקים המשומרים ללא ציפורניים כדי ליצור קווים מנחים עיצוביים למבנה הגוף, משלושת ההיבטים של דרגת החומר, כיוון הריתוק ועובי החומר, בשילוב עם ראיית חתך מפרק. פרמטרים מורפולוגיים ובדיקות כשל בעומס סטטי הנתונים שימשו לניתוח השפעתם על הביצועים הסטטיים של חיבור פלדה-אלומיניום ללא מסמרים.

גודל המדגם ושיטת הבדיקה הם כמפורט לעיל. במבחן בוחרים את הדרגה והעובי של החומרים הנפוצים באזור העומס הנמוך של מבנה הגוף. מ"מ, 1.3 מ"מ, שילובי בדיקה ותוצאות בדיקה מוצגים בטבלה 5.

3.4.1 השפעת דרגת החומר

ארבעת השילובים הראשונים עם עובי חומר של 1.0 מ"מ נבחרו כדי לנתח את השפעת דרגת החומר על הביצועים הסטטיים של החיבור המסומר ללא מסמרים. תוצאות הבדיקה כגון כוח גזירה מרבי, כוח מתיחה מרבי, ערך עומק הנעילה ומצב כשל מוצגות בטבלה 6.

מהניתוח באיור 9, ניתן לראות שמצב כשל הגזירה תלוי בעיקר בחוזק השכבה העליונה. כאשר החוזק של השכבה העליונה גבוה יותר מזה של השכבה התחתונה, מצב כשל הגזירה הוא בדרך כלל השבר של נקודת החיבור של חומר השכבה העליונה; עם הגדלת החוזק של השכבה התחתונה, מצב כשל הגזירה משתנה ממשיכה של נקודת החיבור לשבר של נקודת החיבור; באופן דומה, חוזק הגזירה תלוי בעיקר בחוזק חומר השכבה העליונה, ועולה עם עליית החוזק של חומר השכבה העליונה.

תחת אותו עובי חומר, מצב הכשל של מתח הצלב הוא המשיכה של נקודת החיבור, שאין לה שום קשר לדרגת החומר; עומס המתיחה יורד עם עליית חוזק החומר.

עומק המנעול יורד ככל שעומס החומר עולה, מכיוון שככל שהחומר חזק יותר, כך קשה יותר לחומר להתעוות במהלך החיבור, מה שמקשה על השלוב.

3.4.2 השפעת כיוון הריתוק

באופן דומה, בהתבסס על הנתונים של ארבעת השילובים הראשונים, ניתן לנתח את השפעת כיוון הריתוק על הביצועים הסטטיים של החיבור המסומר ללא מסמרים, כפי שמוצג באיור 10.

כיוון החיבור של מסמרות ללא מסמרים הוא מעומס גבוה לחוזק נמוך. למרות שיש הבדל קטן בעומק המשתלבים, עומס הגזירה גדל באופן משמעותי. שילוב 1 גבוה ב-53.4 אחוז משילוב 2, ושילוב 3 גבוה ב-45.6 אחוז משילוב 4; כיוון החיבור גבוה מחוזק לחוזק נמוך, למרות שההבדל בעומק ההשתלבות אינו גדול, חוזק המתיחה מופחת באופן משמעותי. שילוב 1 נמוך ב-33.6 אחוז משילוב 2, ושילוב 3 נמוך ב-29.4 אחוז משילוב 4.

3.4.3 השפעת עובי החומר

נתוני השילוב ותוצאת הבדיקה שנבחרו מוצגים בטבלה 7, וההשפעה של עובי החומר על פרמטרי תהליך הריתוק ללא מסמרים וחוזק כשל בעומס סטטי מושוואת ומנתחת.

ניתן לראות מטבלה 7 ואיור 11 כי עבור חוזק הגזירה, ככל שהחומר העליון עבה יותר, כך עומק ההשתלבות גדול יותר, ככל שעובי הצוואר גדול יותר, חוזק הגזירה גבוה יותר; ככל שהחומר התחתון עבה יותר, כך העיוות של החומר העליון קשה יותר, אם כי עומק ההשתלבות גדל, אך ככל שעובי הצוואר דק יותר, חוזק הגזירה נמוך יותר. לגבי חוזק המתיחה, ככל שהשכבות העליונות והתחתונות עבות יותר, כך עומק ההשתלבות גדול יותר וחוזק המתיחה גבוה יותר.

תְמוּנָה
לכן, כדי להגביר את חוזק הגזירה, נדרשת שכבה עליונה עבה יותר או שכבה תחתונה דקה יותר; העלייה בעובי השכבות העליונות והתחתונות יכולה להגביר את חוזק המתיחה.

4. מסקנה

א. למרות שהביצועים הסטטיים של החיבור המסומר ללא מסמרים נמוכים מאלו של SPR, ניתן ליישם אותו על אזור מבנה הגוף שאינו נושא עומס ראשי;

ב. חוזק הגזירה נמצא בקורלציה חיובית עם חוזק החומר העליון; חוזק המתיחה נמצא בקורלציה שלילית עם חוזק החומר המרוכב המחבר;

ג. כיוון המרתק הוא מלוח בעל חוזק גבוה לחוזק נמוך, וחוזק הגזירה גבוה יותר; כיוון המרתק הוא מלוח בעל חוזק נמוך לחוזק גבוה, וחוזק המתיחה גבוה יותר;

ד. לעובי החומר העליון העבה יותר ולעובי החומר התחתון הדק יותר יש חוזק גזירה גבוה יותר; הגדלת עובי החומר העליון והתחתון יכולה להגביר את חוזק המתיחה.