1. Introduktion
Med lanseringen av policyn "Science and Technology Support Carbon Peak Carbon Neutralization Implementation Plan (2022-2030)" har lättviktsbilar blivit en oundviklig trend. Kroppslätt aluminiumlegering och avancerade höghållfasta stål och andra material, genom rimlig tillämpning och distribution, kan uppnå en säkrare karossstruktur samtidigt som man balanserar produktionskostnaden för helaluminiumkroppen och framtida underhållskostnader. Det är det mest effektiva lättviktsmedlet för fordon.
Spikfri nitning och självgenomträngande nitning (Self-Piercing Riveting, SPR) är effektiva sätt att förverkliga anslutningen av olika metaller i stål och aluminium, speciellt spikfri nitning, inget behov av ytterligare nitar, ingen ökning av kvaliteten på anslutningspunkten, och den totala kostnaden för anslutningen är lägre än för SPR. Den smalare lätta anslutningsprocessen är fortfarande i process- och experimentell forskningsstadium i Kina och har inte använts i stor utsträckning i kroppsstrukturen. I denna studie jämfördes processparametrarna och den statiska prestandan för den spikfria nittekniken genom att kombinera stål- och aluminiumplåtar med olika materialtjocklekar, för att ge materialval och anslutningsdesignreferens för tillämpningen av spikfri nitteknik i karosskonstruktionen.
2 process
Spikfri nitning är en stansningsmekanisk anslutningsprocess, som använder den lokala plastiska deformationen av två eller flera skikt av plåt för att slutföra processen med djupdragning och extruderingskompositbearbetning, och bildar en sammankopplande underskuren cirkel vid den extruderade fogen. Formade eller rektangulära anslutningspunkter, så att den har en viss draghållfasthet och skjuvhållfasthet. Anslutningsprocessen visas i figur 1. Processen innefattar huvudsakligen föråtdragning, ocklusal, stansning, tryckhållning och utkastning. Spikfri nitning kan användas för anslutning mellan samma eller olika plåtar med krav på limning, beläggning och limtätning.
Det förekommer arbetshärdning i formningsprocessen av spikfri nitning, vilket förbättrar materialets sträckgräns och bärförmågan hos den nitade fogen. Profilparametrarna för tvärsnittsvyn av den spikfria nitförbandet visas i figur 2. Huvudparametrarna är tjockleken på den övre plåthalsen S1, de övre och nedre plåtarna Materialsammankopplingsdjup C1, summan av bottentjockleken på de övre och nedre plåtarna vid anslutningspunkten (bottentjocklek) ST.
3 Processparametrar och statiska egenskaper
Forskningen om processparametrarna för den spikfria nitade anslutningen antar huvudsakligen Taguchi-metoden och det ortogonala testet för att utvärdera formparametrarna såsom halstjockleken och sammanlåsningsdjupet för fogsektionsvyn, bestämma nitriktningen och den optimala kombinationen av processparametrar ; den statiska prestandaforskningen använder huvudsakligen olika stål. Statisk belastningsbrottstest av aluminiumplåtkombination, jämför de mekaniska egenskaperna hos spikfria nitade anslutningar och SPR-anslutningar, och analyserar inverkan av materialkvalitet, nitriktning och materialtjocklek på de mekaniska egenskaperna hos spikfria nitade förbindelse.
3.1
Testa material och metoder
Testmaterialet är 5000-serien av aluminiumlegering, och materialtjockleken är 1,0 mm och 1,4 mm, som vanligtvis används i karosskonstruktioner; stålplåten är CR3, CR340 och tjockleken är 0,7 mm, 0,8 mm, 1 mm och 1,3 mm;
Spikfria nitförband testas för fogskjuvning och draghållfasthet genom tester av statiska belastningsbrott. Eftersom den enkla överlappsleden är en vanlig ledform i kroppsstrukturen, visas provspecifikationerna i figur 3, skjuvprovets storlek är 85 mm×35 mm och överlappsleden är 30 mm; tvärdragprovets storlek är 120 mm × 35 mm, och diametern på positioneringshålet är 10 mm. Det nitade provet utsattes för ett statiskt belastningsbrottstest på en universell testmaskin CMT4304, och hastigheten på hela testprocessen kontrollerades till 10 mm/min.
Sektionsvyn av den spikfria nitfogen erhålls genom trådskärning av provfogen, och den är inlagd, polerad och korroderad, och motsvarande formparameterdata för snittvyn erhålls genom att observera under ett optiskt mikroskop.
3.2
Val av processparameter
3.2.1 Bestämning av nitriktning för spikfri nitning
För att bestämma nitriktningen valdes CR3-stålplåt och 5000-seriens aluminiumlegering, och olika materialtjocklekar och nitriktningar valdes för att utvärdera topografiparametrarna för snittvyn av den spikfria nitfogen. Värdet för sammanlåsningsdjupet användes som en viktig grund för att bedöma nitkvaliteten.
Det framgår av tabell 2 ovan att för stål-aluminium spikfria nitade anslutningar kan samma materialtjocklek och olika nitriktningar bilda bättre sammanlåsning, och sammanlåsningstillståndet är inte särskilt känsligt för materialet; olika materialtjocklekar, nitriktning från tunn till När den är tjockare sjunker förreglingsdjupet avsevärt. Därför är materialtjockleken den huvudsakliga påverkande faktorn för sammanlåsningen av den spikfria nitade anslutningen, och riktningen för den spikfria nitade anslutningen är företrädesvis från tjock platta till tunn platta.
3.2.2 Bestämning av nitprocessparametrar för spikfri nitning
Processparametrarna för den spikfria nitdynan påverkar nitningslåsningsdjupet och nitkvaliteten. För att erhålla de optimala processparametrarna används Taguchi-metoden för att välja formen. mm 5000-serien aluminiumplåt.
Kontrollfaktorerna är respektive vald stansdiameter, formdjup och bastjocklek, och varje kontrollfaktor har 3 nivåer, se tabell 3.
Förreglingsdjup som ett resultat av respons, brusfaktor som smörjmedel, symptom som fogutsprång eller sprickor i plåten. Använd det ortogonala listverktyget för att optimera och etablera det ortogonala experimentet L9 för Wangda-karaktäristiken. Ortogonala testkombinationer och testresultat visas i tabell 4.
Det kan ses från tabell 4 att förreglingsdjupet i test 5 är det största, så det bestäms att de optimala processparametrarna för spikfri nitning är 5,5 mm i stansdiameter, 1,2 mm i stansdjup och 0. 8 mm i bottentjocklek.
3.3
3.3 Jämförelse av mekaniska egenskaper
Eftersom det inte finns någon lämplig standard för att bedöma de mekaniska egenskaperna hos stål-aluminium-förband i industrin, och eftersom SPR har använts i stor utsträckning i stål-aluminium-hybridkroppskonstruktioner, används de mekaniska egenskaperna hos SPR-förband som ett riktmärke för att bedöma de mekaniska egenskaper hos spikfria nitade fogar. Under förhållanden med samma materialtjocklek och materialtyp utformades ett prov på skarv- och tvärdragbrottstest för att mäta skjuvnings- och dragbrottsbelastningarna för två anslutningsmetoder, spikfri nitning och SPR.
Kvaliteten på provstålplåten är CR3 och materialtjockleken är 0,8 mm; aluminiumlegeringskvaliteten är 5000-serien och materialtjockleken är 1,4 mm. De optimala nitriktningarna valdes för de två anslutningsmetoderna, bland vilka den spikfria nitningen var från tjock till tunn, och SPR var från tunn till tjock och från hård till mjuk. Det finns 5 prover i varje grupp av tester, och belastningsförskjutningskurvorna och brottlägena för drag- och skjuvbelastningsbrott för varje grupp av prover visas i figurerna 5 till 8.
3.3.1 Analys av skjuvningstest för statisk belastningsbrott
Det kan ses från figurerna 5 och 6 att under skjuvbelastningstillståndet är brottläget för den spikfria nitade anslutningen halsbrottet på den övre plattan, den maximala brottbelastningen är 1620N och det genomsnittliga brottet förskjutningen är 0,46 mm; felläget för SPR-anslutningen är rivningen av den övre plattan. Den maximala felbelastningen är 2364N och den genomsnittliga felförskjutningen är 4,95 mm.
Ytterligare analys visar att under skjuvbelastningstillståndet har båda en viss plastisk buffertenergiabsorption, och skjuvhållfastheten hos den spikfria nitförbandet når 68,5 procent av SPR, men den genomsnittliga förskjutningen av den spikfria nitfogen är betydligt lägre när maximalt fel inträffar Sett till SPR är det bara 9,3 procent av SPR.
Ytterligare analys visar att under dragbelastningstillståndet är felet i lederna i de två anslutningsmetoderna spröd brott, det finns ingen plastisk deformationsbuffertzon, draghållfastheten för spikfri nitning är cirka 60,6 procent av SPR, och den genomsnittliga förskjutningen av spikfri nitningsfel är också lägre än SPR och når 65 procent av SPR. Sammanfattningsvis, jämfört med SPR-anslutningen, även om de mekaniska egenskaperna hos den spikfria nitförbandet är reducerade, kan den appliceras i det icke-huvudlastbärande kroppsstrukturområdet.
3.4
Analys av faktorer som påverkar statiska egenskaper
För att ytterligare analysera de spikfria nitfogarnas statiska prestanda, applicera de spikfria nitfogarna för att bilda designriktlinjer för kroppsstrukturen, från de tre aspekterna materialkvalitet, nitriktning och materialtjocklek, kombinerat med fogtvärsnittsvy morfologiparametrar och tester av statiska belastningsbrott. Data användes för att analysera dess inverkan på den statiska prestandan hos den spikfria stål-aluminiumkopplingen.
Provstorleken och testmetoden är enligt ovan. I testet väljs kvalitet och tjocklek på vanliga material i karosskonstruktionens lågbelastningsområde. mm, 1,3 mm, testkombinationer och testresultat visas i Tabell 5.
3.4.1 Effekt av materialkvalitet
De första fyra kombinationerna med en materialtjocklek på 1,0mm valdes ut för att analysera inverkan av materialkvalitet på den spikfria nitade anslutningens statiska prestanda. Testresultaten som maximal skjuvkraft, maximal dragkraft, värde för låsningsdjup och felläge visas i Tabell 6.
Av analysen i figur 9 kan man se att skjuvbrottsläget huvudsakligen beror på styrkan hos det övre lagret. När hållfastheten hos det övre skiktet är högre än det nedre skiktets, är skjuvbrottssättet i allmänhet brottet i anslutningspunkten för det övre skiktmaterialet; Med ökningen av styrkan hos det undre skiktet ändras skjuvbrottsläget från kopplingspunktens avdrag till kopplingspunktens brott; på liknande sätt beror skjuvhållfastheten huvudsakligen på hållfastheten hos det övre skiktmaterialet och ökar med ökningen av hållfastheten hos materialet i det övre skiktet.
Under samma materialtjocklek är tvärspänningens brottläge avdragningen av anslutningspunkten, vilket inte har något att göra med materialkvaliteten; dragbelastningen minskar med ökningen av materialhållfastheten.
Förreglingsdjupet minskar när materialbelastningen ökar, eftersom ju starkare materialet är, desto svårare är det för materialet att deformeras under anslutningen, vilket gör låsningen svårare.
3.4.2 Effekt av nitriktning
På liknande sätt, baserat på data från de första fyra kombinationerna, kan påverkan av nitriktningen på den statiska prestandan hos den spikfria nitade anslutningen analyseras, som visas i figur 10.
Anslutningsriktningen för spikfri nitning är från hög belastning till låg hållfasthet. Även om det är liten skillnad i förreglingsdjup, ökar skjuvbelastningen avsevärt. Kombination 1 är 53,4 procent högre än kombination 2, och kombination 3 är 45,6 procent högre än kombination 4; anslutningsriktningen är hög Från hållfasthet till låg hållfasthet, även om skillnaden i förreglingsdjup inte är stor, minskar draghållfastheten avsevärt. Kombination 1 är 33,6 procent lägre än kombination 2 och kombination 3 är 29,4 procent lägre än kombination 4.
3.4.3 Effekt av materialtjocklek
Den valda kombinationen och testresultatdata visas i tabell 7, och inverkan av materialtjocklek på parametrarna för spikfria nitprocesser och statisk belastningsbrottstyrka jämförs och analyseras.
Det kan ses från tabell 7 och figur 11 att, för skjuvhållfastheten, ju tjockare det övre materialet är, desto större sammanlåsningsdjup, desto större halstjocklek, desto högre skjuvhållfasthet; ju tjockare det undre materialet är, desto svårare är deformationen av det övre materialet, även om låsningsdjupet ökar, men ju tunnare halstjockleken är, desto lägre skjuvhållfasthet. När det gäller draghållfastheten gäller att ju tjockare övre och undre skikt är, desto större låsningsdjup och desto högre draghållfasthet.
bild
För att öka skjuvhållfastheten krävs därför ett tjockare övre skikt eller ett tunnare undre skikt; ökningen av tjockleken på de övre och undre skikten kan öka draghållfastheten.
4. Slutsats
a. Även om den statiska prestandan för den spikfria nitade anslutningen är lägre än den för SPR, kan den appliceras på det icke-huvudlastbärande karosseriområdet;
b. Skjuvhållfastheten är positivt korrelerad med styrkan hos det övre materialet; draghållfastheten är negativt korrelerad med styrkan hos det anslutande kompositmaterialet;
c. Nitriktningen är från höghållfast platta till låghållfast, och skjuvhållfastheten är högre; nitriktningen är från låghållfast platta till höghållfast, och draghållfastheten är högre;
d. Den tjockare övre materialtjockleken och den tunnare undre materialtjockleken har högre skjuvhållfasthet; ökningen av den övre och undre materialtjockleken kan öka draghållfastheten.
