1. Giriş
"Bilim ve Teknoloji Desteği Karbon Zirvesi Karbon Nötralizasyon Uygulama Planı (2022-2030)" politikasının yayınlanmasıyla birlikte hafif otomobiller kaçınılmaz bir trend haline geldi. Gövde hafif alüminyum alaşımı ve gelişmiş yüksek dayanımlı çelik ve diğer malzemeler, makul uygulama ve dağıtım yoluyla, tamamı alüminyum gövdenin üretim maliyeti ile gelecekteki bakım maliyetlerini dengelerken daha güvenli bir gövde yapısı elde edebilir. En etkili hafif araç aracıdır.
Çivisiz perçinleme ve kendi delen perçinleme (Self-Piercing Perçinleme, SPR), çelik ve alüminyum gibi farklı metallerin bağlantısını gerçekleştirmenin etkili yollarıdır, özellikle çivisiz perçinleme, ilave perçinlemeye gerek yoktur, bağlantı noktasının kalitesinde artış olmaz ve bağlantının toplam maliyeti SPR'den daha düşüktür. Yalın hafif bağlantı süreci, Çin'de hala süreç ve deneysel araştırma aşamasındadır ve gövde yapısında yaygın olarak kullanılmamıştır. Bu çalışmada, çivisiz perçinleme teknolojisinin gövde yapısında uygulanması için malzeme seçimi ve bağlantı tasarımı referansı sağlamak amacıyla farklı malzeme kalınlıklarına sahip çelik ve alüminyum levhalar birleştirilerek çivisiz perçinleme teknolojisinin proses parametreleri ve statik performansı karşılaştırılmıştır.
2 süreç
Çivisiz perçinleme, derin çekme ve ekstrüzyon kompozit işleme sürecini tamamlamak için iki veya daha fazla sac levha tabakasının yerel plastik deformasyonunu kullanan ve ekstrüde edilmiş bağlantıda birbirine kenetlenen bir alttan kesme daire oluşturan bir damgalama mekanik bağlantı işlemidir. Bağlantı noktaları belirli bir çekme ve kesme dayanımına sahip olacak şekilde şekillendirilmiş veya dikdörtgen şeklindedir. Bağlantı işlemi Şekil 1'de gösterilmektedir. İşlem temel olarak ön sıkma, oklüzal, zımbalama, basınç tutma ve çıkartmayı içerir. Çivisiz perçinleme, yapıştırma, kaplama ve yapışkanlı sızdırmazlık gereksinimleri ile aynı veya farklı levhalar arasındaki bağlantı için kullanılabilir.
Çivisiz perçinlemenin biçimlendirme işleminde, malzemenin akma dayanımını ve perçinli bağlantının taşıma kapasitesini artıran iş sertleştirmesi vardır. Çivisiz perçinli bağlantının enine kesit görünümünün profil parametreleri Şekil 2'de gösterilmektedir. Ana parametreler, üst levha boynu S1'in kalınlığı, üst ve alt levhalar Malzeme kenetlenme derinliği C1, alt kalınlıkların toplamıdır. bağlantı noktasında (alt kalınlık) ST üst ve alt levhalar.
3 Proses parametreleri ve statik özellikler
Çivisiz perçinli bağlantının işlem parametreleri üzerine yapılan araştırma, bağlantı kesiti görünümünün boyun kalınlığı ve kenetleme derinliği gibi şekil parametrelerini değerlendirmek, perçinleme yönünü ve işlem parametrelerinin optimum kombinasyonunu belirlemek için temel olarak Taguchi yöntemini ve ortogonal testi benimser. ; statik performans araştırmasında temel olarak farklı çelikler kullanılır Alüminyum levha kombinasyonunun statik yük arızası testi, çivisiz perçinli bağlantı ile SPR bağlantısının mekanik özelliklerini karşılaştırır ve malzeme derecesinin, perçinleme yönünün ve malzeme kalınlığının çivisiz perçinin mekanik özellikleri üzerindeki etkisini analiz eder. bağlantı.
3.1
Test malzemeleri ve yöntemleri
Test malzemesi 5000 serisi alüminyum alaşımdır ve malzeme kalınlığı, gövde yapısında yaygın olarak kullanılan 1,0 mm ve 1,4 mm'dir; çelik levha CR3, CR340'tır ve kalınlık 0,7 mm, 0,8 mm, 1 mm ve 1,3 mm'dir;
Çivisiz perçinli bağlantılar, statik yük başarısızlık testleri ile bağlantı kesme ve çekme mukavemeti açısından test edilir. Tek bindirmeli bağlantı, gövde yapısında yaygın bir bağlantı şekli olduğu için, numune özellikleri Şekil 3'te gösterilmektedir, kesme numunesi boyutu 85mm×35mm ve bindirmeli bağlantı 30mm'dir; çapraz çekme örnek boyutu 120mm×35mm'dir ve konumlandırma deliğinin çapı 10mm'dir. Perçinlenen numune, evrensel bir test makinesi CMT4304'te statik yükte bozulma testine tabi tutuldu ve tüm test sürecinin hızı 10 mm/dak'da kontrol edildi.
Çivisiz perçinli bağlantının kesit görünümü, örnek bağlantının tel kesilmesiyle elde edilir ve kakılır, parlatılır ve aşınır ve kesit görünümün karşılık gelen şekil parametresi verileri optik mikroskop altında gözlemlenerek elde edilir.
3.2
Proses parametresi seçimi
3.2.1 Çivisiz perçinleme için perçinleme yönünün belirlenmesi
Perçinleme yönünü belirlemek için CR3 çelik levha ve 5000 serisi alüminyum alaşımı seçilmiş ve çivisiz perçinli birleştirmenin kesit görünümünün topografya parametrelerini değerlendirmek için farklı malzeme kalınlıkları ve perçinleme yönleri seçilmiştir. Kilitleme derinliği değeri, perçinleme kalitesini değerlendirmek için önemli bir temel olarak kullanılmıştır.
Yukarıdaki Tablo 2'den çelik-alüminyum çivisiz perçinli bağlantılar için aynı malzeme kalınlığının ve farklı perçinleme yönlerinin daha iyi kilitleme oluşturabileceği ve birbirine geçme durumunun malzemeye çok duyarlı olmadığı görülebilir; farklı malzeme kalınlıkları, inceden kalına doğru perçinleme yönü Daha kalın olduğunda, kilitleme derinliği önemli ölçüde düşer. Bu nedenle, çivisiz perçinli bağlantının birbirine kenetlenmesi için ana etki faktörü malzeme kalınlığıdır ve çivisiz perçinli bağlantının yönü tercihen kalın levhadan ince levhaya doğrudur.
3.2.2 Çivisiz perçinleme için perçinleme proses parametrelerinin belirlenmesi
Çivisiz perçinleme kalıbının işlem parametreleri, perçinleme kilitleme derinliğini ve perçinleme kalitesini etkiler. Optimum işlem parametrelerini elde etmek için kalıbı seçmek için Taguchi yöntemi kullanılır. mm 5000 serisi alüminyum levha.
Kontrol faktörleri sırasıyla zımba çapı, kalıp derinliği ve taban kalınlığı olarak seçilir ve her kontrol faktörünün 3 seviyesi vardır, bkz. Tablo 3.
Tepki sonucunda kenetlenme derinliği, yağlayıcı olarak gürültü faktörü, levhadaki derz çıkıntısı veya çatlaklar olarak belirti. Wangda karakteristiğinin L9 ortogonal deneyini optimize etmek ve oluşturmak için ortogonal liste aracını kullanın. Ortogonal test kombinasyonları ve test sonuçları Tablo 4'te gösterilmektedir.
Tablo 4'ten Test 5'in kenetlenme derinliğinin en büyük olduğu görülebilir, bu nedenle çivisiz perçinleme için en uygun işlem parametrelerinin zımba çapı olarak 5,5 mm, kalıp derinliği olarak 1,2 mm ve 0 olduğu belirlenir. Alt kalınlıkta 8 mm.
3.3
3.3 Mekanik özelliklerin karşılaştırılması
Endüstride çelik-alüminyum bağlantılarının mekanik özelliklerini değerlendirmek için uygun bir standart olmadığından ve SPR çelik-alüminyum hibrit gövde yapılarında yaygın olarak kullanıldığından, SPR bağlantılarının mekanik özellikleri, mekanik olarak değerlendirmek için bir ölçüt olarak kullanılır. çivisiz perçinli bağlantıların özellikleri. Aynı malzeme kalınlığı ve malzeme türü koşulları altında, iki bağlantı yönteminin, çivisiz perçinleme ve SPR'nin kesme ve çekme kopma yüklerini ölçmek için numune düzeyinde bir bağlantı kesme ve çapraz çekme statik yük kırılma testi tasarlanmıştır.
Test numunesi çelik levhanın kalitesi CR3'tür ve malzeme kalınlığı 0,8 mm'dir; alüminyum alaşımlı kalite 5000 serisidir ve malzeme kalınlığı 1,4 mm'dir. Çivisiz perçinlemenin kalından inceye, SPR'nin inceden kalına ve sertten yumuşağa doğru olduğu iki bağlantı yöntemi için en uygun perçinleme yönleri seçilmiştir. Her test grubunda 5 numune vardır ve her bir numune grubunun yük-yer değiştirme eğrileri ve çekme ve kesme yükü arızalarının arıza modları Şekil 5 ila 8'de gösterilmektedir.
3.3.1 Kayma statik yük göçme testinin analizi
Şekil 5 ve 6'dan, kesme yükü durumunda, çivisiz perçinli bağlantının arıza modunun üst plakanın boyun kırığı olduğu, maksimum göçme yükünün 1620N olduğu ve ortalama arızanın olduğu görülebilir. yer değiştirme 0,46 mm'dir; SPR bağlantısının arıza modu, üst plakanın yırtılmasıdır, Maksimum arıza yükü 2364N'dir ve ortalama arıza yer değiştirmesi 4,95 mm'dir.
Daha ileri analiz, kesme yükü durumu altında, her ikisinin de belirli bir plastik tampon enerji emilimine sahip olduğunu ve çivisiz perçinli bağlantının kesme mukavemetinin SPR'nin yüzde 68,5'ine ulaştığını, ancak çivisiz perçinli bağlantının ortalama yer değiştirmesinin önemli ölçüde daha düşük olduğunu göstermektedir. maksimum başarısızlık meydana gelir SPR açısından, SPR'nin sadece yüzde 9,3'üdür.
Daha fazla analiz, çekme yükü durumunda, iki bağlantı yönteminin bağlantılarının başarısızlığının kırılgan kırılma olduğunu, plastik deformasyon tampon bölgesi olmadığını, çivisiz perçinlemenin çekme mukavemetinin SPR'nin yaklaşık yüzde 60,6'sı olduğunu ve ortalama yer değiştirmenin olduğunu göstermektedir. çivisiz perçinleme hatası da SPR'den daha düşüktür ve SPR'nin yüzde 65'ine ulaşır. Sonuç olarak, SPR bağlantı ile karşılaştırıldığında, çivisiz perçinli birleştirmenin mekanik özellikleri azaltılsa da, ana yük taşımayan gövde yapısı bölgesinde uygulanabilmektedir.
3.4
Statik Özellikleri Etkileyen Faktörlerin Analizi
Çivisiz perçinli bağlantıların statik performansını daha fazla analiz etmek için, malzeme sınıfı, perçinleme yönü ve malzeme kalınlığı olmak üzere üç açıdan, bağlantı kesiti görünümüyle birlikte gövde yapısı için tasarım yönergeleri oluşturmak üzere çivisiz perçinli bağlantıları uygulayın. morfoloji parametreleri ve statik yük arıza testleri Veriler, bunun çelik-alüminyum çivisiz bağlantısının statik performansı üzerindeki etkisini analiz etmek için kullanıldı.
Numune boyutu ve test yöntemi yukarıdaki gibidir. Testte, gövde yapısının düşük yük alanındaki yaygın malzemelerin kalitesi ve kalınlığı seçilir. mm, 1,3 mm, test kombinasyonları ve test sonuçları Tablo 5'te gösterilmektedir.
3.4.1 Malzeme Kalitesinin Etkisi
1.0mm malzeme kalınlığına sahip ilk dört kombinasyon, malzeme derecesinin çivisiz perçinli bağlantının statik performansı üzerindeki etkisini analiz etmek için seçildi. Maksimum kesme kuvveti, maksimum çekme kuvveti, kilitleme derinliği değeri ve arıza modu gibi test sonuçları Tablo 6'da gösterilmektedir.
Şekil 9'daki analizden, kayma yenilmesi modunun esas olarak üst tabakanın mukavemetine bağlı olduğu görülebilir. Üst tabakanın mukavemeti alt tabakanınkinden daha yüksek olduğunda, kayma kırılması modu genellikle üst tabaka malzemesinin bağlantı noktasının kırılmasıdır; Alt tabakanın mukavemetinin artmasıyla, kesme kırılması modu, bağlantı noktasının çekilmesinden bağlantı noktasının kırılmasına değişir; benzer şekilde, kesme mukavemeti esas olarak üst tabaka malzemesinin mukavemetine bağlıdır ve üst tabaka malzemesinin mukavemetinin artmasıyla artar.
Aynı malzeme kalınlığı altında, çapraz gerilimin arıza modu, malzeme kalitesiyle hiçbir ilgisi olmayan bağlantı noktasının çekilmesidir; çekme yükü malzeme mukavemetinin artmasıyla azalır.
Malzeme yükü arttıkça kilitleme derinliği azalır, çünkü malzeme ne kadar güçlüyse, malzemenin bağlantı sırasında deforme olması o kadar zor olur, bu da kilitlemeyi zorlaştırır.
3.4.2 Perçinleme yönünün etkisi
Benzer şekilde, ilk dört kombinasyonun verilerine dayanarak, Şekil 10'da gösterildiği gibi perçinleme yönünün çivisiz perçinli bağlantının statik performansı üzerindeki etkisi analiz edilebilir.
Çivisiz perçinlemenin bağlantı yönü, yüksek yükten düşük mukavemete doğrudur. Kilitleme derinliğinde çok az fark olmasına rağmen, kesme yükü önemli ölçüde artar. Kombinasyon 1, kombinasyon 2'den yüzde 53,4 daha yüksektir ve kombinasyon 3, kombinasyon 4'ten yüzde 45,6 daha yüksektir; bağlantı yönü yüksek Mukavemetten düşük mukavemete, birbirine kenetlenme derinliğindeki fark büyük olmasa da, çekme mukavemeti önemli ölçüde azalır. Kombinasyon 1, kombinasyon 2'den yüzde 33,6 daha düşük ve kombinasyon 3, kombinasyon 4'ten yüzde 29,4 daha düşük.
3.4.3 Malzeme Kalınlığının Etkisi
Seçilen kombinasyon ve test sonucu verileri Tablo 7'de gösterilmektedir ve malzeme kalınlığının çivisiz perçinleme işlemi parametreleri ve statik yük kırılma mukavemeti üzerindeki etkisi karşılaştırılıp analiz edilmektedir.
Tablo 7 ve Şekil 11'den görülebileceği gibi, kesme mukavemeti için, üst malzeme ne kadar kalınsa, kenetleme derinliği o kadar büyük, boyun kalınlığı o kadar büyük, kesme mukavemeti o kadar yüksek; Alt malzeme ne kadar kalınsa, üst malzemenin deformasyonu o kadar zordur, ancak kilitleme derinliği artar, ancak boyun kalınlığı ne kadar ince olursa, kesme mukavemeti o kadar düşük olur. Çekme mukavemeti ile ilgili olarak, üst ve alt tabakalar ne kadar kalınsa, kenetlenme derinliği o kadar büyük ve gerilme mukavemeti o kadar yüksek olur.
resim
Bu nedenle, kesme dayanımını arttırmak için daha kalın bir üst tabaka veya daha ince bir alt tabaka gereklidir; üst ve alt tabakaların kalınlığındaki artış çekme mukavemetini artırabilir.
4. Sonuç
A. Çivisiz perçinli bağlantının statik performansı SPR'ye göre daha düşük olmasına rağmen, ana yük taşımayan gövde yapısı bölgesine uygulanabilir;
B. Kayma mukavemeti, üst malzemenin mukavemeti ile pozitif olarak ilişkilidir; gerilme mukavemeti, bağlayıcı kompozit malzemenin mukavemeti ile negatif olarak ilişkilidir;
C. Perçinleme yönü, yüksek mukavemetli plakadan düşük mukavemete doğrudur ve kesme mukavemeti daha yüksektir; perçinleme yönü, düşük mukavemetli plakadan yüksek mukavemete doğrudur ve çekme mukavemeti daha yüksektir;
D. Daha kalın üst malzeme kalınlığı ve daha ince alt malzeme kalınlığı daha yüksek kesme mukavemetine sahiptir; üst ve alt malzeme kalınlığının artması çekme dayanımını artırabilir.
