1. Introduksjon
Med utgivelsen av retningslinjene for «Science and Technology Support Carbon Peak Carbon Neutralization Implementation Plan (2022-2030)», har lettvekter for biler blitt en uunngåelig trend. Karosseri lett aluminiumslegering og avansert høyfast stål og andre materialer, gjennom rimelig påføring og distribusjon, kan oppnå en sikrere kroppsstruktur samtidig som produksjonskostnadene for helaluminiumskroppen og fremtidige vedlikeholdskostnader balanseres. Det er det mest effektive lette kjøretøyet.
Spikerfri nagling og selvgjennomtrengende nagler (Self-Piercing Riveting, SPR) er effektive måter å realisere tilkoblingen av stål og aluminium ulik metall på, spesielt spikerfri nagler, ingen behov for ekstra nagler, ingen økning i kvaliteten på koblingspunktet, og den totale kostnaden for forbindelsen er lavere enn for SPR. Den slankere lettvektsforbindelsesprosessen er fortsatt i prosess- og eksperimentell forskningsstadium i Kina, og har ikke vært mye brukt i kroppsstrukturen. I denne studien ble prosessparametrene og den statiske ytelsen til den spikerløse nagleteknologien sammenlignet ved å kombinere stål- og aluminiumsplater med forskjellige materialtykkelser, for å gi materialvalg og koblingsdesignreferanse for bruk av spikerfri nagleteknologi i kroppsstrukturen.
2 prosess
Spikerfri nagling er en stemplingsmekanisk koblingsprosess, som bruker den lokale plastiske deformasjonen av to eller flere lag av metallplater for å fullføre prosessen med dyptrekking og ekstruderingskomposittbehandling, og danner en sammenlåsende underskjæringssirkel ved den ekstruderte skjøten. Formede eller rektangulære koblingspunkter, slik at den har en viss strekkfasthet og skjærstyrke. Koblingsprosessen er vist i figur 1. Prosessen omfatter i hovedsak forhåndsstramming, okklusal, stansing, trykkholding og utstøting. Spikerfri nagling kan brukes for kobling mellom samme eller ulikt ark med krav til liming, belegg og limforsegling.
Det er arbeidsherding i formingsprosessen av spikerløs nagling, noe som forbedrer materialets flytegrense og bæreevnen til nagleskjøten. Profilparametrene til tverrsnittet av den spikerløse nagleskjøten er vist i figur 2. Hovedparametrene er tykkelsen på øvre platehals S1, øvre og nedre plate Materiale sammenlåsende dybde C1, summen av bunntykkelsen på de øvre og nedre arkene ved koblingspunktet (bunntykkelse) ST.
3 Prosessparametere og statiske egenskaper
Forskningen på prosessparametrene til den spikerløse nagleforbindelsen bruker hovedsakelig Taguchi-metoden og den ortogonale testen for å evaluere formparametrene som nakketykkelsen og sammenlåsende dybde av skjøtesnittet, bestemme naglingsretningen og den optimale kombinasjonen av prosessparametere ; den statiske ytelsesforskningen bruker hovedsakelig forskjellig stål Statisk belastningssvikttest av aluminiumsplatekombinasjon, sammenligner de mekaniske egenskapene til spikerfri nagleforbindelse og SPR-forbindelse, og analyserer påvirkningen av materialkvalitet, nagleretning og materialtykkelse på de mekaniske egenskapene til spikerfri nagler. forbindelse.
3.1
Test materialer og metoder
Testmaterialet er 5000-serier av aluminiumslegering, og materialtykkelsen er 1,0 mm og 1,4 mm, som vanligvis brukes i karosserikonstruksjon; stålplaten er CR3, CR340, og tykkelsen er 0,7 mm, 0,8 mm, 1 mm og 1,3 mm;
Nagleløse skjøter uten spiker er testet for skjøtskjær- og strekkstyrke ved statiske belastningstester. Fordi det enkle overlappingsleddet er en vanlig leddform i kroppsstrukturen, er prøvespesifikasjonene vist i figur 3, skjærprøvestørrelsen er 85 mm×35 mm, og overlappingsleddet er 30 mm; kryssstrekkprøvestørrelsen er 120 mm × 35 mm, og diameteren på posisjoneringshullet er 10 mm. Den naglede prøven ble utsatt for en statisk belastningsfeiltest på en universell testmaskin CMT4304, og hastigheten på hele testprosessen ble kontrollert til 10 mm/min.
Tverrsnittet av den spikerløse nagleskjøten oppnås ved trådskjæring av prøveskjøten, og den legges inn, poleres og korroderes, og de tilsvarende formparameterdataene til snittbildet oppnås ved å observere under et optisk mikroskop.
3.2
Valg av prosessparameter
3.2.1 Fastsettelse av nagleretning for spikerfri nagling
For å bestemme naglingsretningen ble CR3 stålplate og 5000-seriens aluminiumslegering valgt, og forskjellige materialtykkelser og nagleretninger ble valgt for å evaluere topografiparametrene til snittbildet av den spikerløse nagleskjøten. Forriglingsdybdeverdien ble brukt som et viktig grunnlag for å bedømme naglekvaliteten.
Det kan ses av tabell 2 ovenfor at for stål-aluminium spikerfrie nagleforbindelser, kan samme materialtykkelse og forskjellige nagleretninger danne bedre sammenlåsing, og sammenlåsingstilstanden er lite følsom for materialet; forskjellige materialtykkelser, klinkeretning fra tynn til Når den er tykkere, synker låsedybden betydelig. Derfor er materialtykkelsen den viktigste påvirkningsfaktoren for sammenlåsingen av den spikerløse nagleforbindelsen, og retningen til den spikerfrie nagleforbindelsen er fortrinnsvis fra tykk plate til tynn plate.
3.2.2 Bestemmelse av nagleprosessparametere for spikerfri nagling
Prosessparametrene til den spikerløse nagledysen påvirker nittelåsdybden og naglekvaliteten. For å oppnå de optimale prosessparametrene, brukes Taguchi-metoden for å velge formen. mm 5000-serien aluminiumsplate.
Kontrollfaktorene er henholdsvis valgt stansediameter, dysedybde og bunntykkelse, og hver kontrollfaktor har 3 nivåer, se tabell 3.
Dybde av forrigling som følge av respons, støyfaktor som smøremiddel, symptom som leddfremspring eller sprekker i duken. Bruk det ortogonale listeverktøyet for å optimalisere, og etablere det ortogonale eksperimentet L9 av Wangda-karakteristikk. Ortogonale testkombinasjoner og testresultater er vist i tabell 4.
Det kan sees fra tabell 4 at sammenlåsingsdybden i test 5 er størst, så det er bestemt at de optimale prosessparametrene for spikerfri nagling er 5,5 mm i stansediameter, 1,2 mm i dysedybde og 0. 8 mm i bunntykkelse.
3.3
3.3 Sammenligning av mekaniske egenskaper
Siden det ikke finnes noen egnet standard for å bedømme de mekaniske egenskapene til stål-aluminium-skjøter i industrien, og siden SPR har vært mye brukt i stål-aluminium-hybridkroppskonstruksjoner, brukes de mekaniske egenskapene til SPR-skjøter som en målestokk for å bedømme de mekaniske egenskapene til spikerløse nagleskjøter. Under forholdene med samme materialtykkelse og materialtype, ble en prøve-nivå skjøtskjær- og tverrstrekkbelastningsbruddstest designet for å måle skjær- og strekkbruddbelastningene til to tilkoblingsmetoder, spikerfri nagling og SPR.
Karakteren til prøvestålplaten er CR3, og materialtykkelsen er 0,8 mm; aluminiumslegeringskvaliteten er 5000-serien, og materialtykkelsen er 1,4 mm. De optimale nagleretningene ble valgt for de to koblingsmetodene, blant annet var den spikerløse naglingen fra tykk til tynn, og SPR var fra tynn til tykk, og fra hard til myk. Det er 5 prøver i hver gruppe av tester, og last-forskyvningskurvene og bruddmodusene for strekk- og skjærbelastningssvikt for hver gruppe av prøver er vist i figurene 5 til 8.
3.3.1 Analyse av test for skjærstatisk lastbrudd
Det kan sees fra figur 5 og 6 at under skjærbelastningstilstanden er bruddmodusen til den spikerløse nagleforbindelsen halsbruddet på den øvre platen, maksimal bruddlast er 1620N, og gjennomsnittlig brudd forskyvning er 0,46 mm; feilmodusen til SPR-forbindelsen er riving av den øvre platen. Den maksimale feilbelastningen er 2364N, og gjennomsnittlig feilforskyvning er 4,95 mm.
Ytterligere analyse viser at under skjærbelastningstilstanden har begge en viss plastisk bufferenergiabsorpsjon, og skjærstyrken til det spikerløse nagleskjøtet når 68,5 prosent av SPR, men den gjennomsnittlige forskyvningen av den spikerløse nagleskjøten er betydelig lavere når maksimal feil oppstår Når det gjelder SPR, er det bare 9,3 prosent av SPR.
Ytterligere analyse viser at under strekkbelastningstilstanden er svikten i skjøtene til de to tilkoblingsmetodene sprø brudd, det er ingen plastisk deformasjonsbuffersone, strekkstyrken til spikerløs nagling er omtrent 60,6 prosent av SPR, og den gjennomsnittlige forskyvningen på spikerfri naglefeil er også lavere enn SPR , og når 65 prosent av SPR. Som konklusjon, sammenlignet med SPR-forbindelsen, selv om de mekaniske egenskapene til det spikerløse nagleleddet er redusert, kan det påføres i det ikke-hovedlastbærende kroppsstrukturområdet.
3.4
Analyse av faktorer som påvirker statiske egenskaper
For ytterligere å analysere den statiske ytelsen til de spikerløse nagleleddene, påfør de spikerløse nagleleddene for å danne designretningslinjer for kroppsstrukturen, fra de tre aspektene av materialkvalitet, nagleretning og materialtykkelse, kombinert med tverrsnittsvisning morfologiparametere og tester for statisk belastningssvikt. Dataene ble brukt til å analysere dens innflytelse på den statiske ytelsen til den spikerløse stål-aluminiumforbindelsen.
Prøvestørrelsen og testmetoden er som ovenfor. I testen velges karakteren og tykkelsen på vanlige materialer i lavlastområdet til karosseristrukturen. mm, 1,3 mm, testkombinasjoner og testresultater er vist i tabell 5.
3.4.1 Effekt av materialkvalitet
De fire første kombinasjonene med en materialtykkelse på 1,0mm ble valgt for å analysere påvirkningen av materialkvalitet på den statiske ytelsen til den spikerløse naglede forbindelsen. Testresultatene som maksimal skjærkraft, maksimal strekkkraft, verdi for låsedybde og feilmodus er vist i tabell 6.
Fra analysen i figur 9 kan man se at skjærbruddsmodus i hovedsak avhenger av styrken til det øvre laget. Når styrken til det øvre laget er høyere enn det nedre laget, er skjærbruddsmodusen generelt bruddet på koblingspunktet til det øvre lagmaterialet; Med økningen av styrken til det nedre laget endres skjærfeilmodusen fra avtrekket av koblingspunktet til bruddet på koblingspunktet; tilsvarende avhenger skjærstyrken hovedsakelig av styrken til det øvre lagmaterialet, og øker med økningen av styrken til det øvre lagmaterialet.
Under samme materialtykkelse er sviktmodusen til tverrspenningen avtrekkingen av koblingspunktet, som ikke har noe å gjøre med materialkvaliteten; strekkbelastningen avtar med økningen av materialstyrken.
Forriglingsdybden avtar etter hvert som materialbelastningen øker, fordi jo sterkere materialet er, desto vanskeligere er det for materialet å deformeres under sammenkoblingen, noe som gjør forriglingen vanskeligere.
3.4.2 Virkning av klinkeretning
På samme måte, basert på dataene fra de fire første kombinasjonene, kan påvirkningen av nagletretningen på den statiske ytelsen til den spikerløse nagleforbindelsen analyseres, som vist i figur 10.
Tilkoblingsretningen for nagler uten nagler er fra høy belastning til lav styrke. Selv om det er liten forskjell i låsedybden, øker skjærbelastningen betydelig. Kombinasjon 1 er 53,4 prosent høyere enn kombinasjon 2, og kombinasjon 3 er 45,6 prosent høyere enn kombinasjon 4; koblingsretningen er høy Fra styrke til lav styrke, selv om forskjellen i låsedybde ikke er stor, reduseres strekkfastheten betydelig. Kombinasjon 1 er 33,6 prosent lavere enn kombinasjon 2, og kombinasjon 3 er 29,4 prosent lavere enn kombinasjon 4.
3.4.3 Effekt av materialtykkelse
Den valgte kombinasjonen og testresultatdata er vist i tabell 7, og påvirkningen av materialtykkelse på parametrene for spikerfri nagleprosess og statisk lastbruddstyrke sammenlignes og analyseres.
Det kan sees fra tabell 7 og figur 11 at for skjærstyrken, jo tykkere det øvre materialet er, jo større er sammenlåsingsdybden, jo større halstykkelsen er, desto høyere er skjærstyrken; jo tykkere det nedre materialet er, desto vanskeligere er deformasjonen av det øvre materialet, selv om låsedybden øker, men jo tynnere halstykkelsen er, jo lavere er skjærstyrken. Når det gjelder strekkfastheten, jo tykkere øvre og nedre lag, jo større er sammenlåsingsdybden og jo høyere strekkfasthet.
bilde
Derfor, for å øke skjærstyrken, kreves det et tykkere øvre lag eller et tynnere nedre lag; økningen i tykkelsen på øvre og nedre lag kan øke strekkfastheten.
4. Konklusjon
en. Selv om den statiske ytelsen til den spikerløse nagleforbindelsen er lavere enn for SPR, kan den brukes på det ikke-hovedlastbærende kroppsstrukturområdet;
b. Skjærstyrken er positivt korrelert med styrken til det øvre materialet; strekkstyrken er negativt korrelert med styrken til det forbindende komposittmaterialet;
c. Nagleretningen er fra høystyrkeplate til lavstyrke, og skjærstyrken er høyere; naglingsretningen er fra lavstyrkeplate til høystyrke, og strekkstyrken er høyere;
d. Den tykkere øvre materialtykkelsen og den tynnere nedre materialtykkelsen har høyere skjærstyrke; økningen av øvre og nedre materialtykkelse kan øke strekkfastheten.
