1. معرفی
با انتشار خطمشی «طرح اجرای طرح خنثیسازی کربن اوج کربن حمایت از علم و فناوری (2022-2030)»، سبکوزن خودرو به یک روند اجتنابناپذیر تبدیل شده است. آلیاژ آلومینیوم سبک بدنه و فولاد پیشرفته با استحکام بالا و مواد دیگر، از طریق کاربرد و توزیع معقول، میتواند به ساختار بدنه ایمنتری دست یابد و در عین حال هزینه تولید بدنه تمام آلومینیومی و هزینههای نگهداری آتی را متعادل کند. این موثرترین وسیله نقلیه سبک وزن است.
پرچ بدون میخ و پرچ خود سوراخ (Self-Percing Riveting, SPR) راه های موثری برای تحقق اتصال فلزات غیر مشابه فولاد و آلومینیوم به خصوص پرچ بدون میخ، عدم نیاز به پرچ اضافی، عدم افزایش کیفیت نقطه اتصال و هزینه کلی اتصال کمتر از SPR است. فرآیند اتصال سبک وزن کمتر هنوز در مرحله تحقیقاتی و آزمایشی در چین است و به طور گسترده در ساختار بدنه استفاده نشده است. در این مطالعه، پارامترهای فرآیند و عملکرد استاتیکی فناوری پرچ بدون میخ با ترکیب ورقهای فولادی و آلومینیومی با ضخامتهای مواد مختلف مقایسه شد تا مرجع انتخاب مواد و طراحی اتصال برای استفاده از فناوری پرچ بدون میخ در ساختار بدنه ارائه شود.
2 فرآیند
پرچ کردن بدون میخ یک فرآیند اتصال مکانیکی مهر زنی است که از تغییر شکل پلاستیک موضعی دو یا چند لایه ورق فلزی برای تکمیل فرآیند کشش عمیق و پردازش کامپوزیت اکستروژن استفاده میکند و یک دایره زیر برش به هم پیوسته را در محل اتصال اکسترود شده تشکیل میدهد. نقاط اتصال به شکل یا مستطیل، به طوری که دارای استحکام کششی و مقاومت برشی مشخصی باشد. فرآیند اتصال در شکل 1 نشان داده شده است. این فرآیند عمدتاً شامل پیش سفت کردن، اکلوزال، پانچ، نگه داشتن فشار و بیرون راندن است. میخ پرچ را می توان برای اتصال بین ورق های مشابه یا غیر مشابه با چسب، پوشش و آب بندی چسب استفاده کرد.
در فرآیند شکل دهی پرچ بدون میخ، سخت شدن کار وجود دارد که استحکام تسلیم مواد و ظرفیت باربری اتصال پرچ شده را بهبود می بخشد. پارامترهای پروفیل نمای مقطع اتصال پرچ شده بدون میخ در شکل 2 نشان داده شده است. پارامترهای اصلی عبارتند از ضخامت گردن صفحه فوقانی S1، صفحات بالا و پایین مواد عمق در هم قفل شدن C1، مجموع ضخامت پایین ورق های بالایی و پایینی در نقطه اتصال (ضخامت پایین) ST.
3 پارامترهای فرآیند و خصوصیات استاتیک
تحقیق در مورد پارامترهای فرآیند اتصال پرچ شده بدون میخ عمدتاً از روش تاگوچی و آزمایش متعامد برای ارزیابی پارامترهای شکل مانند ضخامت گردن و عمق در هم قفل شدن نمای مقطع اتصال، تعیین جهت پرچ و ترکیب بهینه پارامترهای فرآیند استفاده میکند. ; تحقیقات عملکرد استاتیکی عمدتاً از تست شکست بار استاتیکی فولاد ترکیبی ورق آلومینیومی استفاده میکند، خواص مکانیکی اتصال پرچ شده بدون میخ و اتصال SPR را با هم مقایسه میکند و تأثیر درجه مواد، جهت پرچ و ضخامت مواد را بر خواص مکانیکی پرچهای بدون میخ تجزیه و تحلیل میکند. ارتباط.
3.1
مواد و روش های تست
مواد آزمایشی از آلیاژ آلومینیوم سری 5000 و ضخامت مواد 1.0 میلی متر و 1.4 میلی متر است که معمولاً در ساختار بدنه استفاده می شود. صفحه فولادی CR3، CR340 و ضخامت آن 0.7 میلی متر، 0.8 میلی متر، 1 میلی متر و 1.3 میلی متر است.
اتصالات پرچ شده بدون میخ از نظر استحکام برشی و کششی اتصال توسط آزمایش های شکست بار استاتیکی آزمایش می شوند. از آنجایی که اتصال تک لبه یک فرم مشترک مشترک در ساختار بدنه است، مشخصات نمونه در شکل 3 نشان داده شده است، اندازه نمونه برشی 85mm×35mm، و اتصال لبه 30mm است. اندازه نمونه کششی متقاطع 120 میلی متر × 35 میلی متر است و قطر سوراخ موقعیت یابی 10 میلی متر است. نمونه پرچ شده تحت آزمایش شکست بار استاتیکی بر روی یک دستگاه تست جهانی CMT4304 قرار گرفت و سرعت کل فرآیند آزمایش در 10 میلی متر در دقیقه کنترل شد.
نمای مقطعی اتصال پرچ شده بدون میخ با سیم برش اتصال نمونه به دست می آید و منبت کاری شده، صیقل داده شده و خورده می شود و داده های پارامتر شکل مربوط به نمای مقطعی با مشاهده زیر میکروسکوپ نوری به دست می آید.
3.2
انتخاب پارامتر فرآیند
3.2.1 تعیین جهت پرچ برای پرچ بدون میخ
به منظور تعیین جهت پرچ، صفحه فولادی CR3 و آلیاژ آلومینیوم سری 5000 انتخاب شدند و ضخامت های مواد مختلف و جهت پرچ برای ارزیابی پارامترهای توپوگرافی نمای مقطعی اتصال پرچ شده بدون میخ انتخاب شدند. مقدار عمق در هم قفل شدن به عنوان مبنای مهمی برای قضاوت در مورد کیفیت پرچ استفاده شد.
از جدول 2 در بالا مشاهده می شود که برای اتصالات پرچ شده بدون میخ فولاد-آلومینیوم، ضخامت مواد یکسان و جهت پرچ های مختلف می تواند در هم قفل شدن بهتری ایجاد کند، و حالت در هم قفل شدن به مواد خیلی حساس نیست. ضخامت مواد مختلف، جهت پرچ از نازک تا زمانی که ضخیم تر باشد، عمق قفل به طور قابل توجهی کاهش می یابد. بنابراین، ضخامت مواد عامل اصلی تأثیرگذار برای بهم پیوستن اتصال پرچ بدون میخ است و جهت اتصال پرچ بدون میخ ترجیحاً از صفحه ضخیم به صفحه نازک است.
3.2.2 تعیین پارامترهای فرآیند پرچ برای پرچ بدون میخ
پارامترهای فرآیند قالب پرچ بدون میخ بر عمق قفل پرچ و کیفیت پرچ تاثیر می گذارد. برای به دست آوردن پارامترهای فرآیند بهینه، از روش تاگوچی برای انتخاب قالب استفاده می شود. صفحه آلومینیومی سری 5000 میلی متر.
فاکتورهای کنترل به ترتیب قطر پانچ، عمق قالب و ضخامت پایه انتخاب شده اند و هر فاکتور کنترل دارای 3 سطح است، جدول 3 را ببینید.
عمق اینترلاک در نتیجه پاسخ، فاکتور نویز به عنوان روان کننده، علامت به عنوان بیرون زدگی مفصل یا ترک در ورق. از ابزار لیست متعامد برای بهینه سازی و ایجاد آزمایش متعامد L9 مشخصه وانگدا استفاده کنید. ترکیبات آزمون متعامد و نتایج آزمون در جدول 4 نشان داده شده است.
از جدول 4 می توان دریافت که عمق در هم قفل شدن آزمون 5 بزرگترین است، بنابراین مشخص می شود که پارامترهای فرآیند بهینه برای پرچ بدون میخ 5.5 میلی متر در قطر پانچ، 1.2 میلی متر در عمق قالب و 0 است. ضخامت زیر 8 میلی متر
3.3
3.3 مقایسه خواص مکانیکی
از آنجایی که استاندارد مناسبی برای قضاوت در مورد خواص مکانیکی اتصالات فولادی آلومینیومی در صنعت وجود ندارد و از آنجایی که SPR به طور گسترده در ساختارهای بدنه هیبریدی فولاد و آلومینیوم استفاده می شود، از خواص مکانیکی اتصالات SPR به عنوان معیاری برای قضاوت مکانیکی استفاده می شود. خواص مفاصل پرچ شده بدون میخ تحت شرایط ضخامت ماده و نوع ماده یکسان، یک آزمون شکست بار استاتیکی برشی در سطح نمونه و بار استاتیکی کششی متقاطع برای اندازهگیری بارهای شکست برشی و کششی دو روش اتصال، پرچ بدون میخ و SPR طراحی شد.
درجه ورق فولادی نمونه آزمایشی CR3 و ضخامت ماده 0.8 میلی متر است. درجه آلیاژ آلومینیوم سری 5000 است و ضخامت مواد 1.4 میلی متر است. جهت پرچ بهینه برای دو روش اتصال انتخاب شد که در میان آنها پرچ بدون میخ از ضخیم به نازک و SPR از نازک به ضخیم و از سخت به نرم بود. در هر گروه آزمایش 5 نمونه وجود دارد و منحنی های بار-تغییر مکان و حالت های شکست شکست های بار کششی و برشی هر گروه از نمونه ها در شکل های 5 تا 8 نشان داده شده است.
3.3.1 تجزیه و تحلیل آزمون شکست بار استاتیکی برشی
از شکل 5 و 6 مشاهده می شود که در حالت بار برشی، حالت شکست اتصال پرچ شده بدون میخ، شکستگی گردن صفحه بالایی، حداکثر بار شکست 1620N و شکست متوسط است. جابجایی 0.46 میلی متر است. حالت شکست اتصال SPR پاره شدن صفحه بالایی است، حداکثر بار شکست 2364N و میانگین جابجایی شکست 4.95 میلی متر است.
تجزیه و تحلیل بیشتر نشان می دهد که تحت حالت بار برشی، هر دوی آنها دارای جذب انرژی بافر پلاستیکی خاصی هستند و مقاومت برشی اتصال پرچ شده بدون میخ به 68.5 درصد SPR می رسد، اما میانگین جابجایی اتصال پرچ شده بدون میخ به طور قابل توجهی کمتر است. حداکثر شکست رخ می دهد از نظر SPR، تنها 9.3 درصد SPR است.
تجزیه و تحلیل بیشتر نشان می دهد که در حالت بار کششی، شکست اتصالات دو روش اتصال شکست شکننده است، منطقه حائل تغییر شکل پلاستیکی وجود ندارد، استحکام کششی پرچ بدون میخ حدود 60.6 درصد SPR است و میانگین جابجایی شکست پرچ بدون میخ نیز کمتر از SPR است و به 65 درصد SPR می رسد. در نتیجه، در مقایسه با اتصال SPR، اگرچه خواص مکانیکی اتصال پرچ شده بدون میخ کاهش مییابد، میتوان آن را در ناحیه ساختار بدنه غیر باربر اصلی اعمال کرد.
3.4
تجزیه و تحلیل عوامل موثر بر خواص استاتیک
به منظور تجزیه و تحلیل بیشتر عملکرد استاتیک اتصالات پرچ شده بدون میخ، اتصالات پرچ شده بدون میخ را برای ایجاد دستورالعمل های طراحی برای ساختار بدنه، از سه جنبه درجه مواد، جهت پرچ و ضخامت مواد، همراه با نمای مقطع اتصال اعمال کنید. پارامترهای مورفولوژی و آزمونهای شکست بار استاتیکی دادهها برای تجزیه و تحلیل تأثیر آن بر عملکرد استاتیک اتصال بدون میخ فولاد-آلومینیوم استفاده شد.
حجم نمونه و روش آزمون به شرح فوق می باشد. در آزمایش، عیار و ضخامت مواد رایج در ناحیه کم بار سازه بدنه انتخاب می شود. میلی متر، 1.3 میلی متر، ترکیبات آزمایش و نتایج آزمایش در جدول 5 نشان داده شده است.
3.4.1 اثر درجه مواد
چهار ترکیب اول با ضخامت ماده 1.{1}} میلی متر برای تجزیه و تحلیل تأثیر درجه مواد بر عملکرد ثابت اتصال پرچ شده بدون میخ انتخاب شدند. نتایج آزمون مانند حداکثر نیروی برشی، حداکثر نیروی کششی، مقدار عمق اینترلاک و حالت شکست در جدول 6 نشان داده شده است.
از تحلیل شکل 9 می توان دریافت که حالت شکست برشی عمدتاً به مقاومت لایه بالایی بستگی دارد. هنگامی که استحکام لایه بالایی بالاتر از لایه پایینی است، حالت شکست برشی به طور کلی شکستگی نقطه اتصال مواد لایه بالایی است. با افزایش استحکام لایه زیرین، حالت شکست برشی از نقطه کشش نقطه اتصال به شکستگی نقطه اتصال تغییر می کند. به طور مشابه، مقاومت برشی عمدتاً به استحکام مواد لایه بالایی بستگی دارد و با افزایش استحکام مواد لایه بالایی افزایش مییابد.
تحت همان ضخامت مواد، حالت شکست کشش متقاطع، کشش نقطه اتصال است که هیچ ارتباطی با درجه مواد ندارد. بار کششی با افزایش استحکام مواد کاهش می یابد.
با افزایش بار مواد، عمق اینترلاک کاهش مییابد، زیرا هر چه ماده قویتر باشد، تغییر شکل ماده در طول اتصال دشوارتر است و اینترلاک را دشوارتر میکند.
3.4.2 اثر جهت پرچ
به طور مشابه، بر اساس داده های چهار ترکیب اول، تأثیر جهت پرچ بر روی عملکرد ثابت اتصال پرچ شده بدون میخ، همانطور که در شکل 10 نشان داده شده است، قابل تجزیه و تحلیل است.
جهت اتصال پرچ بدون میخ از بار زیاد تا مقاومت کم است. اگرچه تفاوت کمی در عمق در هم قفل وجود دارد، اما بار برشی به طور قابل توجهی افزایش می یابد. ترکیب 1 53.4 درصد بیشتر از ترکیب 2 و ترکیب 3 45.6 درصد بیشتر از ترکیب 4 است. جهت اتصال بالا است از استحکام به استحکام کم، اگرچه تفاوت در عمق در هم قفل شدن زیاد نیست، استحکام کششی به طور قابل توجهی کاهش می یابد. ترکیب 1 33.6 درصد کمتر از ترکیب 2 و ترکیب 3 29.4 درصد کمتر از ترکیب 4 است.
3.4.3 اثر ضخامت مواد
ترکیب انتخابی و دادههای نتیجه آزمایش در جدول 7 نشان داده شده است، و تأثیر ضخامت مواد بر پارامترهای فرآیند پرچ بدون میخ و قدرت شکست بار استاتیکی مقایسه و تحلیل شده است.
از جدول 7 و شکل 11 می توان مشاهده کرد که برای مقاومت برشی، هرچه ماده فوقانی ضخیم تر باشد، عمق در هم قفل شدن بیشتر باشد، ضخامت گردن بیشتر باشد، استحکام برشی بیشتر است. هرچه ماده پایین تر ضخیم تر باشد، تغییر شکل ماده بالایی دشوارتر است، اگرچه عمق اینترلاک افزایش می یابد، اما هر چه ضخامت گردن نازک تر باشد، استحکام برشی کمتر است. با توجه به استحکام کششی، هرچه لایه های بالایی و پایینی ضخیم تر باشند، عمق در هم قفل شدن بیشتر و استحکام کششی بالاتر می رود.
تصویر
بنابراین، برای افزایش مقاومت برشی، یک لایه فوقانی ضخیم تر یا یک لایه پایین نازکتر مورد نیاز است. افزایش ضخامت لایه های بالایی و پایینی می تواند استحکام کششی را افزایش دهد.
4. نتیجه گیری
آ. اگرچه عملکرد ثابت اتصال پرچ شده بدون میخ کمتر از SPR است، اما می توان آن را در ناحیه ساختار بدنه غیر باربر اصلی اعمال کرد.
ب استحکام برشی با استحکام مواد فوقانی همبستگی مثبت دارد. استحکام کششی با استحکام مواد کامپوزیت اتصال همبستگی منفی دارد.
ج جهت پرچ از صفحه با مقاومت بالا به مقاومت کم است و مقاومت برشی بالاتر است. جهت پرچ از صفحه با مقاومت کم به مقاومت بالا است و استحکام کششی بالاتر است.
د ضخامت مواد فوقانی ضخیم تر و ضخامت مواد نازک تر، استحکام برشی بالاتری دارند. افزایش ضخامت مواد بالا و پایین می تواند استحکام کششی را افزایش دهد.
