1. Inleiding
Met de release van het beleid "Science and Technology Support Carbon Peak Carbon Neutralization Implementation Plan (2022-2030)" is lichtgewicht auto's een onvermijdelijke trend geworden. Lichte aluminiumlegering van de carrosserie en geavanceerd hoogwaardig staal en andere materialen kunnen door redelijke toepassing en distributie een veiligere carrosseriestructuur bereiken terwijl de productiekosten van de volledig aluminium carrosserie en toekomstige onderhoudskosten in evenwicht worden gehouden. Het is de meest effectieve manier om voertuigen lichtgewicht te maken.
Spijkerloze klinknagels en zelfborende klinknagels (Self-Piercing Riveting, SPR) zijn effectieve manieren om de verbinding van staal en aluminium ongelijksoortige metalen te realiseren, met name spijkerloze klinknagels, geen behoefte aan extra klinknagels, geen verhoging van de kwaliteit van het verbindingspunt, en de totale kosten van de verbinding zijn lager dan die van SPR. Het slankere, lichtgewicht verbindingsproces bevindt zich nog in de proces- en experimentele onderzoeksfase in China en wordt nog niet veel gebruikt in de carrosseriestructuur. In deze studie werden de procesparameters en statische prestaties van de nagelloze klinktechnologie vergeleken door stalen en aluminiumplaten met verschillende materiaaldikten te combineren, om materiaalkeuze en verbindingsontwerpreferentie te bieden voor de toepassing van nagelloze klinktechnologie in de carrosseriestructuur.
2 proces
Spijkerloos klinken is een mechanisch stempelverbindingsproces, waarbij de lokale plastische vervorming van twee of meer lagen plaatmetaal wordt gebruikt om het proces van dieptrekken en extrusiecomposietverwerking te voltooien, en vormt een in elkaar grijpende ondersnijdingscirkel bij de geëxtrudeerde verbinding. Gevormde of rechthoekige verbindingspunten, zodat het een bepaalde treksterkte en schuifsterkte heeft. Het verbindingsproces wordt getoond in figuur 1. Het proces omvat voornamelijk voorspannen, occlusaal, ponsen, druk vasthouden en uitwerpen. Spijkerloos klinken kan worden gebruikt voor de verbinding tussen dezelfde of ongelijksoortige platen met lijm-, coating- en lijmafdichtingsvereisten.
Er is werkverharding in het vormproces van nagelloos klinken, wat de vloeigrens van het materiaal en het draagvermogen van de geklonken verbinding verbetert. De profielparameters van de dwarsdoorsnede van de nagelloze geklonken verbinding worden getoond in figuur 2. De belangrijkste parameters zijn de dikte van de bovenste plaathals S1, de bovenste en onderste platen Materiaal in elkaar grijpende diepte C1, de som van de bodemdikte van de bovenste en onderste platen op het verbindingspunt (bodemdikte) ST.
3 Procesparameters en statische eigenschappen
Het onderzoek naar de procesparameters van de nagelloze geklonken verbinding maakt voornamelijk gebruik van de Taguchi-methode en de orthogonale test om de vormparameters zoals de nekdikte en in elkaar grijpende diepte van het gewrichtsdoorsnedeaanzicht te evalueren, de klinkrichting en de optimale combinatie van procesparameters te bepalen ; het onderzoek naar statische prestaties maakt voornamelijk gebruik van ander staal Statische belastingstest van aluminiumplaatcombinatie, waarbij de mechanische eigenschappen van een nagelloze geklonken verbinding en SPR-verbinding worden vergeleken en de invloed van materiaalkwaliteit, klinkrichting en materiaaldikte op de mechanische eigenschappen van nagelloos geklonken wordt geanalyseerd verbinding.
3.1
Test materialen en methoden
Het testmateriaal is een aluminiumlegering uit de 5000-serie en de materiaaldikte is 1,0 mm en 1,4 mm, die vaak worden gebruikt in de carrosseriestructuur; de stalen plaat is CR3, CR340 en de dikte is 0,7 mm, 0,8 mm, 1 mm en 1,3 mm;
Nagelloze geklonken verbindingen worden getest op afschuif- en treksterkte van verbindingen door middel van statische belastingstests. Omdat de enkele overlappingsverbinding een veel voorkomende verbindingsvorm is in de carrosseriestructuur, worden de voorbeeldspecificaties weergegeven in figuur 3, de afschuivingsmonstergrootte is 85 mm × 35 mm en de overlappingsverbinding is 30 mm; de dwarstreksteekproefgrootte is 120 mm × 35 mm en de diameter van het positioneringsgat is 10 mm. Het geklonken monster werd onderworpen aan een statische belastingsfouttest op een universele testmachine CMT4304, en de snelheid van het gehele testproces werd gecontroleerd op 10 mm/min.
De dwarsdoorsnede van de nagelloze geklonken verbinding wordt verkregen door draadsnijden van de monsterverbinding, en deze wordt ingelegd, gepolijst en gecorrodeerd, en de overeenkomstige vormparametergegevens van de doorsnede worden verkregen door waarneming onder een optische microscoop.
3.2
Selectie van procesparameters
3.2.1 Bepaling van de klinkrichting voor nagelloos klinken
Om de klinkrichting te bepalen, werden CR3-staalplaat en 5000-serie aluminiumlegering geselecteerd, en verschillende materiaaldiktes en klinkrichtingen werden geselecteerd om de topografische parameters van de doorsnede van de nagelloze geklonken verbinding te evalueren. De in elkaar grijpende dieptewaarde werd gebruikt als een belangrijke basis voor het beoordelen van de klinkkwaliteit.
Uit tabel 2 hierboven blijkt dat voor staal-aluminium spijkerloze geklonken verbindingen dezelfde materiaaldikte en verschillende klinkrichtingen een betere vergrendeling kunnen vormen, en de vergrendelingstoestand is niet erg gevoelig voor het materiaal; verschillende materiaaldiktes, klinkrichting van dun naar Bij dikker neemt de vergrendelingsdiepte aanzienlijk af. Daarom is de materiaaldikte de belangrijkste beïnvloedende factor voor het in elkaar grijpen van de nagelloze klinknagelverbinding en is de richting van de nagelloze klinknagelverbinding bij voorkeur van dikke plaat naar dunne plaat.
3.2.2 Bepaling van de parameters van het klinkproces voor nagelloos klinken
De procesparameters van de nagelloze klinkmatrijs zijn van invloed op de diepte van de klinkvergrendeling en de klinkkwaliteit. Om de optimale procesparameters te verkrijgen, wordt de Taguchi-methode gebruikt om de matrijs te selecteren. mm 5000 serie aluminium plaat.
De controlefactoren zijn respectievelijk geselecteerde ponsdiameter, matrijsdiepte en basisdikte, en elke controlefactor heeft 3 niveaus, zie Tabel 3.
Diepte van de vergrendeling als gevolg van reactie, geluidsfactor als smeermiddel, symptoom als uitsteeksel van gewrichten of scheuren in de plaat. Gebruik de orthogonale lijsttool om het orthogonale experiment L9 van Wangda-kenmerk te optimaliseren en vast te stellen. Orthogonale testcombinaties en testresultaten worden weergegeven in tabel 4.
Uit tabel 4 blijkt dat de in elkaar grijpende diepte van test 5 de grootste is, dus wordt bepaald dat de optimale procesparameters voor nagelloos klinken 5,5 mm in ponsdiameter, 1,2 mm in matrijsdiepte en 0 zijn. 8 mm bodemdikte.
3.3
3.3 Vergelijking van mechanische eigenschappen
Aangezien er geen geschikte norm bestaat om de mechanische eigenschappen van staal-aluminium verbindingen in de industrie te beoordelen, en aangezien SPR op grote schaal wordt gebruikt in staal-aluminium hybride carrosserieconstructies, worden de mechanische eigenschappen van SPR-verbindingen gebruikt als maatstaf om de mechanische eigenschappen te beoordelen. eigenschappen van nagelloze geklonken verbindingen. Onder de omstandigheden van dezelfde materiaaldikte en hetzelfde materiaaltype, werd een test op monsterniveau voor het bezwijken van verbindingen en kruistrekkrachten ontworpen om de afschuif- en trekbezwijkbelastingen te meten van twee verbindingsmethoden, nagelloos klinken en SPR.
De kwaliteit van de staalplaat van het testmonster is CR3 en de materiaaldikte is 0.8 mm; de kwaliteit van de aluminiumlegering is de 5000-serie en de materiaaldikte is 1,4 mm. De optimale klinkrichtingen werden gekozen voor de twee verbindingsmethoden, waaronder het nagelloos klinken van dik naar dun, en de SPR van dun naar dik en van hard naar zacht. Er zijn 5 monsters in elke groep tests en de belasting-verplaatsingscurven en faalwijzen van trek- en afschuifbelastingsfouten van elke groep monsters worden weergegeven in de figuren 5 tot 8.
3.3.1 Analyse van de faaltest bij statische belasting door afschuiving
Uit de figuren 5 en 6 blijkt dat onder de afschuifbelastingstoestand de faalwijze van de nagelloze geklonken verbinding de nekbreuk van de bovenplaat is, de maximale faalbelasting 1620N is en de gemiddelde verplaatsing is 0,46 mm; de faalmodus van de SPR-verbinding is het scheuren van de bovenplaat. De maximale faalbelasting is 2364N en de gemiddelde faalverplaatsing is 4,95 mm.
Verdere analyse toont aan dat beide onder de afschuifbelastingstoestand een bepaalde energieabsorptie van de plastic buffer hebben en dat de afschuifsterkte van de nagelloze geklonken verbinding 68,5 procent van de SPR bereikt, maar de gemiddelde verplaatsing van de nagelloze geklonken verbinding is aanzienlijk lager wanneer de maximale storing treedt op In termen van SPR is het slechts 9,3 procent van SPR.
Verdere analyse toont aan dat onder de trekbelastingstoestand het falen van de verbindingen van de twee verbindingsmethoden een brosse breuk is, er geen bufferzone voor plastische vervorming is, de treksterkte van nagelloos klinken ongeveer 60,6 procent van SPR is en de gemiddelde verplaatsing van nagelloos klinkende mislukking is ook lager dan SPR en bereikt 65 procent van SPR. Concluderend, vergeleken met de SPR-verbinding, hoewel de mechanische eigenschappen van de nagelloze geklonken verbinding zijn verminderd, kan deze worden toegepast in het niet-hoofddragende carrosseriestructuurgebied.
3.4
Analyse van factoren die statische eigenschappen beïnvloeden
Om de statische prestaties van de nagelloze geklonken verbindingen verder te analyseren, past u de nagelloze geklonken verbindingen toe om ontwerprichtlijnen voor de carrosseriestructuur te vormen, van de drie aspecten materiaalkwaliteit, klinkrichting en materiaaldikte, gecombineerd met een dwarsdoorsnede van de verbinding morfologische parameters en statische belastingsbezwijktesten De gegevens werden gebruikt om de invloed ervan op de statische prestatie van de staal-aluminium nagelloze verbinding te analyseren.
De steekproefomvang en testmethode zijn zoals hierboven. In de test worden de kwaliteit en dikte van gangbare materialen in het gebied met lage belasting van de carrosseriestructuur geselecteerd. mm, 1,3 mm, testcombinaties en testresultaten worden weergegeven in tabel 5.
3.4.1 Effect van materiaalkwaliteit
De eerste vier combinaties met een materiaaldikte van 1,{1}}mm werden geselecteerd om de invloed van de materiaalkwaliteit op de statische prestaties van de nagelloze geklonken verbinding te analyseren. De testresultaten zoals maximale afschuifkracht, maximale trekkracht, vergrendelingsdieptewaarde en faalmodus worden weergegeven in tabel 6.
Uit de analyse in figuur 9 blijkt dat de afschuiffoutmodus voornamelijk afhangt van de sterkte van de bovenlaag. Wanneer de sterkte van de bovenste laag hoger is dan die van de onderste laag, is de afschuiffoutmodus over het algemeen de breuk van het verbindingspunt van het materiaal van de bovenste laag; Met de toename van de sterkte van de onderste laag verandert de afschuiffoutmodus van de pull-off van het verbindingspunt naar de breuk van het verbindingspunt; evenzo hangt de afschuifsterkte voornamelijk af van de sterkte van het materiaal van de bovenste laag en neemt toe met de toename van de sterkte van het materiaal van de bovenste laag.
Onder dezelfde materiaaldikte is de faalwijze van de dwarsspanning het lostrekken van het verbindingspunt, wat niets te maken heeft met de materiaalkwaliteit; de trekbelasting neemt af met de toename van de materiaalsterkte.
De vergrendelingsdiepte neemt af naarmate de materiaalbelasting toeneemt, want hoe sterker het materiaal, hoe moeilijker het is voor het materiaal om te vervormen tijdens de verbinding, waardoor de vergrendeling moeilijker wordt.
3.4.2 Effect van klinkrichting
Evenzo kan op basis van de gegevens van de eerste vier combinaties de invloed van de klinkrichting op de statische prestatie van de nagelloze klinknagelverbinding worden geanalyseerd, zoals weergegeven in afbeelding 10.
De verbindingsrichting van nagelloos klinken is van hoge belasting naar lage sterkte. Hoewel er weinig verschil is in de in elkaar grijpende diepte, neemt de afschuifbelasting aanzienlijk toe. Combinatie 1 is 53,4 procent hoger dan combinatie 2 en combinatie 3 is 45,6 procent hoger dan combinatie 4; de verbindingsrichting is hoog Van sterkte naar lage sterkte, hoewel het verschil in in elkaar grijpende diepte niet groot is, wordt de treksterkte aanzienlijk verminderd. Combinatie 1 is 33,6 procent lager dan combinatie 2 en combinatie 3 is 29,4 procent lager dan combinatie 4.
3.4.3 Effect van materiaaldikte
De geselecteerde combinatie- en testresultaatgegevens worden weergegeven in Tabel 7, en de invloed van de materiaaldikte op de parameters van het nagelloze klinkproces en de statische belasting bij bezwijken wordt vergeleken en geanalyseerd.
Uit tabel 7 en figuur 11 blijkt dat, voor de afschuifsterkte, hoe dikker het bovenmateriaal, hoe groter de in elkaar grijpende diepte, hoe groter de halsdikte, hoe hoger de afschuifsterkte; hoe dikker het onderste materiaal, hoe moeilijker de vervorming van het bovenste materiaal, hoewel de vergrendelingsdiepte toeneemt, maar hoe dunner de nekdikte, hoe lager de afschuifsterkte. Wat betreft de treksterkte, hoe dikker de bovenste en onderste lagen, hoe groter de in elkaar grijpende diepte en hoe hoger de treksterkte.
afbeelding
Om de schuifsterkte te vergroten is daarom een dikkere bovenlaag of een dunnere onderlaag nodig; de toename van de dikte van de bovenste en onderste lagen kan de treksterkte vergroten.
4. Conclusie
A. Hoewel de statische prestaties van de nagelloze geklonken verbinding lager zijn dan die van SPR, kan deze worden toegepast op het niet-hoofddragende carrosseriestructuurgebied;
B. De schuifsterkte is positief gecorreleerd met de sterkte van het bovenmateriaal; de treksterkte is negatief gecorreleerd met de sterkte van het verbindende composietmateriaal;
C. De klinkrichting is van plaat met hoge sterkte tot lage sterkte en de afschuifsterkte is hoger; de klinkrichting is van plaat met lage sterkte tot hoge sterkte, en de treksterkte is hoger;
D. De dikkere bovenmateriaaldikte en de dunnere ondermateriaaldikte hebben een hogere afschuifsterkte; de toename van de bovenste en onderste materiaaldikte kan de treksterkte vergroten.
