1. Εισαγωγή
Με την κυκλοφορία της πολιτικής "Σχέδιο Εφαρμογής Εξουδετέρωσης Ανθρακούχων Αιχμής Ανθρακούχων Υποστήριξης Επιστήμης και Τεχνολογίας (2022-2030)", το ελαφρύ αυτοκίνητο έχει γίνει αναπόφευκτη τάση. Το ελαφρύ κράμα αλουμινίου σώματος και ο προηγμένος χάλυβας υψηλής αντοχής και άλλα υλικά, μέσω λογικής εφαρμογής και διανομής, μπορούν να επιτύχουν μια ασφαλέστερη δομή αμαξώματος, ενώ εξισορροπούν το κόστος παραγωγής του αμαξώματος εξ ολοκλήρου από αλουμίνιο και το μελλοντικό κόστος συντήρησης. Είναι το πιο αποτελεσματικό μέσο ελαφρού οχήματος.
Τα καρφιά χωρίς καρφιά και τα αυτοδιάτρητα πριτσίνια (Self-Piercing Riveting, SPR) είναι αποτελεσματικοί τρόποι για την πραγματοποίηση της σύνδεσης ανόμοιων μετάλλων από χάλυβα και αλουμίνιο, ειδικά το καρφί χωρίς καρφιά, δεν χρειάζονται πρόσθετα πριτσίνια, δεν αυξάνεται η ποιότητα του σημείου σύνδεσης και το συνολικό κόστος της σύνδεσης είναι χαμηλότερο από αυτό της SPR. Η διαδικασία σύνδεσης πιο αδύνατος και ελαφρού βάρους βρίσκεται ακόμα στο στάδιο της διαδικασίας και της πειραματικής έρευνας στην Κίνα και δεν έχει χρησιμοποιηθεί ευρέως στη δομή του αμαξώματος. Σε αυτή τη μελέτη, οι παράμετροι διαδικασίας και η στατική απόδοση της τεχνολογίας καρφώματος χωρίς καρφιά συγκρίθηκαν με συνδυασμό φύλλων χάλυβα και αλουμινίου με διαφορετικά πάχη υλικού, έτσι ώστε να παρέχεται η επιλογή υλικού και η αναφορά σχεδίασης σύνδεσης για την εφαρμογή της τεχνολογίας καρφώματος χωρίς καρφιά στη δομή του αμαξώματος.
2 διαδικασία
Το κάρφωμα χωρίς καρφιά είναι μια διαδικασία μηχανικής σύνδεσης σφράγισης, η οποία χρησιμοποιεί την τοπική πλαστική παραμόρφωση δύο ή περισσότερων στρωμάτων λαμαρίνας για να ολοκληρώσει τη διαδικασία βαθιάς έλξης και επεξεργασίας σύνθετου υλικού εξώθησης και σχηματίζει έναν συμπλεκόμενο υποκεκομμένο κύκλο στον εξωθημένο σύνδεσμο. Διαμορφωμένα ή ορθογώνια σημεία σύνδεσης, ώστε να έχει συγκεκριμένη αντοχή εφελκυσμού και διατμητική αντοχή. Η διαδικασία σύνδεσης φαίνεται στο Σχήμα 1. Η διαδικασία περιλαμβάνει κυρίως προσύσφιξη, απόφραξη, διάτρηση, συγκράτηση πίεσης και εξώθηση. Το καρφί χωρίς καρφιά μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη σύνδεση μεταξύ ίδιων ή ανόμοιων φύλλων με απαιτήσεις κόλλησης, επίστρωσης και στεγανοποίησης κόλλας.
Υπάρχει σκλήρυνση εργασίας στη διαδικασία διαμόρφωσης του καρφιού χωρίς καρφιά, η οποία βελτιώνει την αντοχή διαρροής του υλικού και τη φέρουσα ικανότητα της άρθρωσης με πριτσίνια. Οι παράμετροι προφίλ της διατομής της άρθρωσης χωρίς καρφιά φαίνονται στο σχήμα 2. Οι κύριες παράμετροι είναι το πάχος του άνω λαιμού της πλάκας S1, οι άνω και κάτω πλάκες Βάθος αλληλοσύνδεσης υλικού C1, το άθροισμα του πάχους του πυθμένα τα άνω και κάτω φύλλα στο σημείο σύνδεσης (πάχος κάτω) ST.
3 Παράμετροι διαδικασίας και στατικές ιδιότητες
Η έρευνα σχετικά με τις παραμέτρους διεργασίας της σύνδεσης χωρίς καρφιά υιοθετεί κυρίως τη μέθοδο Taguchi και την ορθογώνια δοκιμή για να αξιολογήσει τις παραμέτρους σχήματος όπως το πάχος του λαιμού και το βάθος σύμπλεξης της όψης τομής άρθρωσης, να καθορίσει την κατεύθυνση πριτσίνωσης και τον βέλτιστο συνδυασμό παραμέτρων διεργασίας ; η έρευνα στατικής απόδοσης χρησιμοποιεί κυρίως διαφορετική δοκιμή αστοχίας στατικού φορτίου χάλυβα συνδυασμού φύλλων αλουμινίου, συγκρίνοντας τις μηχανικές ιδιότητες της σύνδεσης χωρίς καρφιά και της σύνδεσης SPR και αναλύοντας την επίδραση της ποιότητας υλικού, της κατεύθυνσης πριτσίνωσης και του πάχους υλικού στις μηχανικές ιδιότητες των καρφωμένων καρφιών σύνδεση.
3.1
Υλικά και μέθοδοι δοκιμής
Το υλικό δοκιμής είναι κράμα αλουμινίου σειράς 5000 και το πάχος του υλικού είναι 1,0 mm και 1,4 mm, τα οποία χρησιμοποιούνται συνήθως στη δομή του αμαξώματος. η χαλύβδινη πλάκα είναι CR3, CR340 και το πάχος είναι 0,7 mm, 0,8 mm, 1 mm και 1,3 mm.
Οι αρμοί χωρίς καρφιά ελέγχονται για αντοχή σε διάτμηση και αντοχή σε εφελκυσμό με δοκιμές αστοχίας στατικού φορτίου. Επειδή η άρθρωση μονής αγκαλιάς είναι μια κοινή μορφή άρθρωσης στη δομή του αμαξώματος, οι προδιαγραφές του δείγματος φαίνονται στο Σχήμα 3, το μέγεθος του δείγματος διάτμησης είναι 85 mm×35 mm και η άρθρωση της αγκαλιάς είναι 30 mm. το μέγεθος δείγματος σταυρού εφελκυσμού είναι 120mm×35mm και η διάμετρος της οπής τοποθέτησης είναι 10mm. Το καρφιτσωμένο δείγμα υποβλήθηκε σε δοκιμή αστοχίας στατικού φορτίου σε μια γενική μηχανή δοκιμών CMT4304 και η ταχύτητα ολόκληρης της διαδικασίας δοκιμής ελεγχόταν στα 10 mm/min.
Η όψη τομής της άρθρωσης χωρίς καρφιά λαμβάνεται με σύρμα κοπής του αρμού δείγματος και είναι ένθετο, γυαλισμένο και διαβρωμένο και τα αντίστοιχα δεδομένα παραμέτρων σχήματος της όψης τομής λαμβάνονται με παρατήρηση κάτω από οπτικό μικροσκόπιο.
3.2
Επιλογή παραμέτρων διαδικασίας
3.2.1 Προσδιορισμός της κατεύθυνσης πριτσίνωσης για καρφιά χωρίς καρφιά
Προκειμένου να προσδιοριστεί η κατεύθυνση πριτσίνωσης, επιλέχθηκαν πλάκα χάλυβα CR3 και κράμα αλουμινίου σειράς 5000 και επιλέχθηκαν διαφορετικά πάχη υλικού και κατευθύνσεις πριτσίνωσης για να αξιολογηθούν οι τοπογραφικές παραμέτρους της τομής της άρθρωσης χωρίς καρφιά. Η τιμή του βάθους αλληλασφάλισης χρησιμοποιήθηκε ως σημαντική βάση για την αξιολόγηση της ποιότητας του πριτσίνωσης.
Μπορεί να φανεί από τον Πίνακα 2 παραπάνω ότι για συνδέσεις με καρφιά χωρίς καρφιά χάλυβα-αλουμίνιο, το ίδιο πάχος υλικού και διαφορετικές κατευθύνσεις πριτσίνωσης μπορούν να σχηματίσουν καλύτερη αλληλασφάλιση και η κατάσταση αλληλασφάλισης δεν είναι πολύ ευαίσθητη στο υλικό. διαφορετικά πάχη υλικού, κατεύθυνση πριτσίνωσης από λεπτό έως Όταν είναι πιο παχύ, το βάθος ασφάλισης πέφτει σημαντικά. Επομένως, το πάχος του υλικού είναι ο κύριος παράγοντας επιρροής για τη σύμπλεξη της σύνδεσης χωρίς καρφιά και η κατεύθυνση της σύνδεσης χωρίς καρφιά είναι κατά προτίμηση από παχιά πλάκα σε λεπτή πλάκα.
3.2.2 Προσδιορισμός παραμέτρων διεργασίας πριτσίνωσης για καρφιά χωρίς καρφιά
Οι παράμετροι διεργασίας της μήτρας πριτσίνωσης χωρίς καρφιά επηρεάζουν το βάθος της μανδάλωσης πριτσίνωσης και την ποιότητα του πριτσίνωσης. Προκειμένου να ληφθούν οι βέλτιστες παραμέτρους διεργασίας, χρησιμοποιείται η μέθοδος Taguchi για την επιλογή της μήτρας. Πλάκα αλουμινίου σειράς mm 5000.
Οι συντελεστές ελέγχου επιλέγονται αντίστοιχα η διάμετρος διάτρησης, το βάθος της μήτρας και το πάχος της βάσης και κάθε παράγοντας ελέγχου έχει 3 επίπεδα, βλέπε Πίνακα 3.
Βάθος ασφάλισης ως αποτέλεσμα απόκρισης, παράγοντας θορύβου ως λιπαντικό, σύμπτωμα ως προεξοχή της άρθρωσης ή ρωγμές στο φύλλο. Χρησιμοποιήστε το εργαλείο ορθογώνιας λίστας για βελτιστοποίηση και καθιέρωσε το ορθογώνιο πείραμα L9 του χαρακτηριστικού Wangda. Οι ορθογώνιοι συνδυασμοί δοκιμών και τα αποτελέσματα των δοκιμών φαίνονται στον Πίνακα 4.
Μπορεί να φανεί από τον Πίνακα 4 ότι το βάθος αλληλασφάλισης της δοκιμής 5 είναι το μεγαλύτερο, επομένως προσδιορίζεται ότι οι βέλτιστες παράμετροι διαδικασίας για καρφιά χωρίς καρφιά είναι 5,5 mm σε διάμετρο διάτρησης, 1,2 mm σε βάθος καλουπιού και 0. Πάχος πάτου 8 mm.
3.3
3.3 Σύγκριση μηχανικών ιδιοτήτων
Δεδομένου ότι δεν υπάρχει κατάλληλο πρότυπο για την αξιολόγηση των μηχανικών ιδιοτήτων των αρμών χάλυβα-αλουμινίου στη βιομηχανία, και δεδομένου ότι το SPR έχει χρησιμοποιηθεί ευρέως σε υβριδικές δομές αμαξώματος χάλυβα-αλουμινίου, οι μηχανικές ιδιότητες των αρμών SPR χρησιμοποιούνται ως σημείο αναφοράς για να κριθεί η μηχανική ιδιότητες των αρθρώσεων χωρίς καρφιά. Υπό τις συνθήκες του ίδιου πάχους υλικού και του ίδιου τύπου υλικού, σχεδιάστηκε μια δοκιμή αστοχίας διατμητικής άρθρωσης και στατικού φορτίου εγκάρσιας εφελκυσμού σε επίπεδο δείγματος για τη μέτρηση των φορτίων διατμητικής και εφελκυστικής αστοχίας δύο μεθόδων σύνδεσης, του καρφώματος χωρίς καρφιά και του SPR.
Ο βαθμός της πλάκας χάλυβα δείγματος δοκιμής είναι CR3 και το πάχος του υλικού είναι 0,8 mm. ο βαθμός κράματος αλουμινίου είναι σειρά 5000 και το πάχος του υλικού είναι 1,4 mm. Οι βέλτιστες κατευθύνσεις πριτσίνωσης επιλέχθηκαν για τις δύο μεθόδους σύνδεσης, μεταξύ των οποίων το κάρφωμα χωρίς καρφιά ήταν από χοντρό σε λεπτό και το SPR ήταν από λεπτό σε χοντρό και από σκληρό σε μαλακό. Υπάρχουν 5 δείγματα σε κάθε ομάδα δοκιμών και οι καμπύλες φορτίου-μετατόπισης και οι τρόποι αστοχίας των αστοχιών εφελκυσμού και διατμητικού φορτίου κάθε ομάδας δειγμάτων φαίνονται στα Σχήματα 5 έως 8.
3.3.1 Ανάλυση δοκιμής αστοχίας διατμητικού στατικού φορτίου
Μπορεί να φανεί από τα σχήματα 5 και 6 ότι υπό την κατάσταση διατμητικού φορτίου, ο τρόπος αστοχίας της σύνδεσης χωρίς καρφιά είναι το κάταγμα λαιμού της άνω πλάκας, το μέγιστο φορτίο αστοχίας είναι 1620N και η μέση αστοχία Η μετατόπιση είναι 0,46 mm. ο τρόπος αστοχίας της σύνδεσης SPR είναι το σχίσιμο της άνω πλάκας, Το μέγιστο φορτίο αστοχίας είναι 2364N και η μέση μετατόπιση αστοχίας είναι 4,95 mm.
Περαιτέρω ανάλυση δείχνει ότι υπό την κατάσταση διατμητικού φορτίου, και οι δύο έχουν μια ορισμένη απορρόφηση ενέργειας από πλαστικό ρυθμιστικό και η διατμητική αντοχή της άρθρωσης χωρίς καρφιά φτάνει το 68,5 τοις εκατό του SPR, αλλά η μέση μετατόπιση της άρθρωσης χωρίς καρφιά είναι σημαντικά χαμηλότερη όταν εμφανίζεται η μέγιστη αποτυχία Όσον αφορά το SPR, είναι μόνο 9,3 τοις εκατό του SPR.
Περαιτέρω ανάλυση δείχνει ότι υπό την κατάσταση εφελκυστικού φορτίου, η αστοχία των αρμών των δύο μεθόδων σύνδεσης είναι εύθραυστη θραύση, δεν υπάρχει ζώνη προστασίας από πλαστική παραμόρφωση, η αντοχή εφελκυσμού του καρφώματος χωρίς καρφιά είναι περίπου 60,6 τοις εκατό του SPR και η μέση μετατόπιση του Η αστοχία καρφώματος χωρίς καρφιά είναι επίσης χαμηλότερη από το SPR, φτάνοντας το 65 τοις εκατό του SPR. Συμπερασματικά, σε σύγκριση με τη σύνδεση SPR, αν και οι μηχανικές ιδιότητες της άρθρωσης χωρίς καρφιά είναι μειωμένες, μπορεί να εφαρμοστεί στη μη κύρια φέρουσα περιοχή της δομής του αμαξώματος.
3.4
Ανάλυση παραγόντων που επηρεάζουν τις στατικές ιδιότητες
Για να αναλύσετε περαιτέρω τη στατική απόδοση των αρθρώσεων χωρίς καρφιά, εφαρμόστε τις αρθρώσεις χωρίς καρφιά για να σχηματίσετε κατευθυντήριες γραμμές σχεδίασης για τη δομή του αμαξώματος, από τις τρεις πτυχές της ποιότητας υλικού, της κατεύθυνσης πριτσίνωσης και του πάχους υλικού, σε συνδυασμό με την όψη διατομής της άρθρωσης μορφολογικές παράμετροι και δοκιμές αστοχίας στατικού φορτίου Τα δεδομένα χρησιμοποιήθηκαν για την ανάλυση της επιρροής του στη στατική απόδοση της σύνδεσης χωρίς καρφιά χάλυβα-αλουμινίου.
Το μέγεθος του δείγματος και η μέθοδος δοκιμής είναι όπως παραπάνω. Στη δοκιμή, επιλέγεται η ποιότητα και το πάχος των κοινών υλικών στην περιοχή χαμηλού φορτίου της δομής του αμαξώματος. mm, 1,3 mm, οι συνδυασμοί δοκιμών και τα αποτελέσματα των δοκιμών φαίνονται στον Πίνακα 5.
3.4.1 Επίδραση του βαθμού υλικού
Οι πρώτοι τέσσερις συνδυασμοί με πάχος υλικού 1,0mm επιλέχθηκαν για να αναλυθεί η επίδραση της ποιότητας υλικού στη στατική απόδοση της σύνδεσης χωρίς καρφιά. Τα αποτελέσματα της δοκιμής, όπως η μέγιστη δύναμη διάτμησης, η μέγιστη δύναμη εφελκυσμού, η τιμή του βάθους της ασφάλισης και ο τρόπος αστοχίας φαίνονται στον Πίνακα 6.
Από την ανάλυση στο Σχήμα 9, μπορεί να φανεί ότι ο τρόπος διατμητικής αστοχίας εξαρτάται κυρίως από την αντοχή του ανώτερου στρώματος. Όταν η αντοχή του ανώτερου στρώματος είναι υψηλότερη από εκείνη του κατώτερου στρώματος, ο τρόπος διατμητικής αστοχίας είναι γενικά η θραύση του σημείου σύνδεσης του υλικού του ανώτερου στρώματος. Με την αύξηση της αντοχής του κάτω στρώματος, ο τρόπος διατμητικής αστοχίας αλλάζει από το τράβηγμα του σημείου σύνδεσης στη θραύση του σημείου σύνδεσης. Ομοίως, η αντοχή σε διάτμηση εξαρτάται κυρίως από την αντοχή του υλικού του ανώτερου στρώματος και αυξάνεται με την αύξηση της αντοχής του υλικού του ανώτερου στρώματος.
Κάτω από το ίδιο πάχος υλικού, ο τρόπος αστοχίας της εγκάρσιας τάσης είναι η απομάκρυνση του σημείου σύνδεσης, το οποίο δεν έχει καμία σχέση με την ποιότητα του υλικού. το φορτίο εφελκυσμού μειώνεται με την αύξηση της αντοχής του υλικού.
Το βάθος της ασφάλισης μειώνεται καθώς αυξάνεται το φορτίο υλικού, επειδή όσο πιο ισχυρό είναι το υλικό, τόσο πιο δύσκολο είναι για το υλικό να παραμορφωθεί κατά τη σύνδεση, καθιστώντας την ασφάλιση πιο δύσκολη.
3.4.2 Επίδραση της κατεύθυνσης πριτσίνωσης
Παρομοίως, με βάση τα δεδομένα των τεσσάρων πρώτων συνδυασμών, μπορεί να αναλυθεί η επίδραση της κατεύθυνσης πριτσίνωσης στη στατική απόδοση της σύνδεσης χωρίς καρφιά, όπως φαίνεται στο Σχήμα 10.
Η κατεύθυνση σύνδεσης του καρφώματος χωρίς καρφιά είναι από υψηλό φορτίο έως χαμηλή αντοχή. Αν και υπάρχει μικρή διαφορά στο βάθος σύμπλεξης, το διατμητικό φορτίο αυξάνεται σημαντικά. Ο συνδυασμός 1 είναι 53,4 τοις εκατό υψηλότερος από τον συνδυασμό 2 και ο συνδυασμός 3 είναι 45,6 τοις εκατό υψηλότερος από τον συνδυασμό 4. η κατεύθυνση σύνδεσης είναι υψηλή Από την αντοχή στη χαμηλή αντοχή, αν και η διαφορά στο βάθος σύμπλεξης δεν είναι μεγάλη, η αντοχή εφελκυσμού μειώνεται σημαντικά. Ο συνδυασμός 1 είναι 33,6 τοις εκατό χαμηλότερος από τον συνδυασμό 2 και ο συνδυασμός 3 είναι 29,4 τοις εκατό χαμηλότερος από τον συνδυασμό 4.
3.4.3 Επίδραση του πάχους υλικού
Ο επιλεγμένος συνδυασμός και τα δεδομένα των αποτελεσμάτων δοκιμής φαίνονται στον Πίνακα 7 και συγκρίνεται και αναλύεται η επίδραση του πάχους του υλικού στις παραμέτρους της διαδικασίας καρφώματος χωρίς καρφιά και στην αντοχή αστοχίας στατικού φορτίου.
Μπορεί να φανεί από τον Πίνακα 7 και το Σχήμα 11 ότι, για τη διατμητική αντοχή, όσο πιο παχύ είναι το ανώτερο υλικό, τόσο μεγαλύτερο είναι το βάθος σύμπλεξης, όσο μεγαλύτερο είναι το πάχος του λαιμού, τόσο μεγαλύτερη είναι η αντοχή στη διάτμηση. Όσο πιο παχύ είναι το κατώτερο υλικό, τόσο πιο δύσκολη είναι η παραμόρφωση του άνω υλικού, αν και Το βάθος ασφάλισης αυξάνεται, αλλά όσο πιο λεπτό είναι το πάχος του λαιμού, τόσο μικρότερη είναι η αντοχή στη διάτμηση. Όσον αφορά την αντοχή σε εφελκυσμό, όσο πιο παχύ είναι το πάνω και το κάτω στρώμα, τόσο μεγαλύτερο είναι το βάθος σύμπλεξης και τόσο μεγαλύτερη είναι η αντοχή σε εφελκυσμό.
εικόνα
Επομένως, για να αυξηθεί η αντοχή στη διάτμηση, απαιτείται ένα παχύτερο άνω στρώμα ή ένα λεπτότερο κάτω στρώμα. η αύξηση του πάχους του άνω και του κάτω στρώματος μπορεί να αυξήσει την αντοχή σε εφελκυσμό.
4. Συμπέρασμα
ένα. Αν και η στατική απόδοση της σύνδεσης χωρίς καρφιά είναι χαμηλότερη από αυτή του SPR, μπορεί να εφαρμοστεί στην περιοχή της δομής αμαξώματος που δεν φέρει το κύριο φορτίο.
σι. Η αντοχή στη διάτμηση συσχετίζεται θετικά με την αντοχή του άνω υλικού. η αντοχή σε εφελκυσμό συσχετίζεται αρνητικά με την αντοχή του συνδετικού σύνθετου υλικού.
ντο. Η κατεύθυνση πριτσίνωσης είναι από πλάκα υψηλής αντοχής σε χαμηλή αντοχή και η αντοχή στη διάτμηση είναι υψηλότερη. η κατεύθυνση πριτσίνωσης είναι από πλάκα χαμηλής αντοχής σε υψηλή αντοχή και η αντοχή εφελκυσμού είναι υψηλότερη.
ρε. Το παχύτερο πάχος του άνω υλικού και το λεπτότερο κάτω πάχος υλικού έχουν υψηλότερη αντοχή στη διάτμηση. Η αύξηση του πάχους του άνω και του κάτω υλικού μπορεί να αυξήσει την αντοχή σε εφελκυσμό.
