1. Introdução
Com o lançamento da política "Plano de Implementação de Neutralização de Carbono de Apoio à Ciência e Tecnologia (2022-2030)", o peso leve do automóvel tornou-se uma tendência inevitável. A liga de alumínio leve da carroceria e o aço avançado de alta resistência e outros materiais, por meio de aplicação e distribuição razoáveis, podem alcançar uma estrutura de carroceria mais segura, equilibrando o custo de produção da carroceria totalmente em alumínio e os custos de manutenção futuros. É o veículo leve mais eficaz.
Rebitagem sem pregos e rebitagem autoperfurante (Self-Piercing Riveting, SPR) são formas eficazes de realizar a conexão de metais dissimilares de aço e alumínio, especialmente rebites sem pregos, sem necessidade de rebites adicionais, sem aumento na qualidade do ponto de conexão e o custo total da conexão é menor que o da SPR. O processo de conexão leve mais enxuta ainda está em fase de processo e pesquisa experimental na China e não tem sido amplamente utilizado na estrutura da carroceria. Neste estudo, os parâmetros de processo e desempenho estático da tecnologia de rebitagem sem pregos foram comparados combinando chapas de aço e alumínio com diferentes espessuras de material, de modo a fornecer referência de seleção de material e design de conexão para aplicação da tecnologia de rebitagem sem pregos na estrutura do corpo.
2 processo
A rebitagem sem pregos é um processo de conexão mecânica de estampagem, que usa a deformação plástica local de duas ou mais camadas de chapa metálica para concluir o processo de estampagem profunda e processamento de compósito de extrusão e forma um círculo rebaixado interligado na junta extrudada. Pontos de conexão em forma ou retangular, de modo que tenha uma certa resistência à tração e resistência ao cisalhamento. O processo de conexão é mostrado na Figura 1. O processo inclui principalmente pré-aperto, oclusal, puncionamento, retenção de pressão e ejeção. A rebitagem sem pregos pode ser usada para a conexão entre folhas iguais ou diferentes com requisitos de colagem, revestimento e vedação adesiva.
Há encruamento no processo de conformação da rebitagem sem pregos, o que melhora o limite de escoamento do material e a capacidade de carga da junta rebitada. Os parâmetros de perfil da vista em corte transversal da junta rebitada sem pregos são mostrados na Figura 2. Os principais parâmetros são a espessura do pescoço da placa superior S1, as placas superior e inferior Profundidade de intertravamento do material C1, a soma da espessura inferior de as chapas superior e inferior no ponto de ligação (espessura inferior) ST.
3 Parâmetros do processo e propriedades estáticas
A pesquisa sobre os parâmetros do processo da conexão rebitada sem pregos adota principalmente o método Taguchi e o teste ortogonal para avaliar os parâmetros de forma, como a espessura do pescoço e a profundidade de intertravamento da vista da seção da junta, determinar a direção da rebitagem e a combinação ideal dos parâmetros do processo ; a pesquisa de desempenho estático usa principalmente teste de falha de carga estática de aço diferente da combinação de chapa de alumínio, comparando as propriedades mecânicas da conexão rebitada sem pregos e da conexão SPR e analisando a influência do grau do material, direção da rebitagem e espessura do material nas propriedades mecânicas dos rebitados sem pregos conexão.
3.1
Materiais e métodos de teste
O material de teste é liga de alumínio da série 5000, e a espessura do material é de 1,0 mm e 1,4 mm, que são comumente usados na estrutura do corpo; a placa de aço é CR3, CR340 e a espessura é de 0,7 mm, 0,8 mm, 1 mm e 1,3 mm;
Juntas rebitadas sem pregos são testadas quanto ao cisalhamento e resistência à tração por testes de falha de carga estática. Como a junta sobreposta simples é uma forma de junta comum na estrutura da carroceria, as especificações da amostra são mostradas na Figura 3, o tamanho da amostra de cisalhamento é 85 mm × 35 mm e a junta sobreposta é 30 mm; o tamanho da amostra de tração cruzada é de 120 mm × 35 mm e o diâmetro do orifício de posicionamento é de 10 mm. A amostra rebitada foi submetida a um teste de falha de carga estática em uma máquina de teste universal CMT4304, e a velocidade de todo o processo de teste foi controlada em 10mm/min.
A vista em corte da junta rebitada sem pregos é obtida por corte de fio da junta de amostra, e é incrustada, polida e corroída, e os dados do parâmetro de forma correspondente da vista em corte são obtidos observando-se sob um microscópio óptico.
3.2
Seleção de parâmetro de processo
3.2.1 Determinação da direção de rebitagem para rebitagem sem pregos
Para determinar a direção da rebitagem, foram selecionadas chapas de aço CR3 e liga de alumínio série 5000, e diferentes espessuras de material e direções de rebitagem foram selecionadas para avaliar os parâmetros topográficos da vista seccional da junta rebitada sem pregos. O valor da profundidade de intertravamento foi usado como uma base importante para julgar a qualidade da rebitagem.
Pode ser visto na Tabela 2 acima que para conexões rebitadas sem pregos de aço-alumínio, a mesma espessura de material e diferentes direções de rebitagem podem formar um melhor intertravamento, e o estado de intertravamento não é muito sensível ao material; diferentes espessuras de material, direção de rebitagem de fino para Quando mais grosso, a profundidade de bloqueio cai significativamente. Portanto, a espessura do material é o principal fator de influência para o travamento da conexão rebitada sem pregos, e a direção da conexão rebitada sem pregos é preferencialmente de chapa grossa para chapa fina.
3.2.2 Determinação dos parâmetros do processo de rebitagem para rebitagem sem pregos
Os parâmetros do processo da matriz de rebitagem sem pregos afetam a profundidade de intertravamento da rebitagem e a qualidade da rebitagem. Para obter os parâmetros de processo ótimos, o método de Taguchi é usado para selecionar a matriz. placa de alumínio série 5000 mm.
Os fatores de controle são, respectivamente, diâmetro do punção selecionado, profundidade da matriz e espessura da base, e cada fator de controle tem 3 níveis, consulte a Tabela 3.
Profundidade do bloqueio como resultado da resposta, fator de ruído como lubrificante, sintoma como saliência da junta ou rachaduras na chapa. Use a ferramenta de lista ortogonal para otimizar e estabelecer o experimento ortogonal L9 da característica Wangda. As combinações de teste ortogonais e os resultados do teste são mostrados na Tabela 4.
Pode ser visto na Tabela 4 que a profundidade de intertravamento do Teste 5 é a maior, então é determinado que os parâmetros de processo ideais para rebitagem sem pregos são 5,5 mm de diâmetro do punção, 1,2 mm de profundidade da matriz e 0. 8 mm de espessura inferior.
3.3
3.3 Comparação de propriedades mecânicas
Como não existe um padrão adequado para avaliar as propriedades mecânicas das juntas de aço-alumínio na indústria e como o SPR tem sido amplamente utilizado em estruturas de carrocerias híbridas de aço-alumínio, as propriedades mecânicas das juntas SPR são usadas como referência para julgar as propriedades mecânicas propriedades de juntas rebitadas sem pregos. Sob as condições da mesma espessura e tipo de material, um teste de falha de carga estática de tração e cisalhamento em nível de amostra foi projetado para medir as cargas de falha de cisalhamento e tração de dois métodos de conexão, rebitagem sem pregos e SPR.
O grau da placa de aço da amostra de teste é CR3 e a espessura do material é 0,8 mm; o grau da liga de alumínio é da série 5000 e a espessura do material é de 1,4 mm. As direções ótimas de rebitagem foram selecionadas para os dois métodos de conexão, entre as quais a rebitagem sem pregos foi de grossa para fina, e a SPR foi de fina para grossa e de dura para macia. Existem 5 amostras em cada grupo de testes, e as curvas de deslocamento de carga e modos de falha de tração e ruptura de carga de cada grupo de amostras são mostrados nas Figuras 5 a 8.
3.3.1 Análise do teste de falha de carga estática de cisalhamento
Pode ser visto nas Figuras 5 e 6 que sob o estado de carga de cisalhamento, o modo de falha da conexão rebitada sem pregos é a fratura do colo da placa superior, a carga máxima de falha é 1620N, e a falha média o deslocamento é de 0,46 mm; o modo de falha da conexão SPR é o rasgo da placa superior. A carga máxima de falha é 2364N e o deslocamento médio de falha é de 4,95 mm.
Uma análise mais aprofundada mostra que sob o estado de carga de cisalhamento, ambos têm uma certa absorção de energia tampão plástica, e a resistência ao cisalhamento da junta rebitada sem pregos atinge 68,5 por cento do SPR, mas o deslocamento médio da junta rebitada sem pregos é significativamente menor quando o falha máxima ocorre Em termos de SPR, é apenas 9,3 por cento do SPR.
Uma análise mais aprofundada mostra que, sob o estado de carga de tração, a falha das juntas dos dois métodos de conexão é fratura frágil, não há zona tampão de deformação plástica, a resistência à tração da rebitagem sem pregos é de cerca de 60,6 por cento do SPR e o deslocamento médio de falha de rebitagem sem pregos também é menor do que SPR, chegando a 65 por cento do SPR. Em conclusão, em comparação com a conexão SPR, embora as propriedades mecânicas da junta rebitada sem pregos sejam reduzidas, ela pode ser aplicada na área da estrutura do corpo de suporte de carga não principal.
3.4
Análise de fatores que afetam as propriedades estáticas
A fim de analisar melhor o desempenho estático das juntas rebitadas sem pregos, aplique as juntas rebitadas sem pregos para formar diretrizes de projeto para a estrutura do corpo, a partir dos três aspectos de classe do material, direção da rebitagem e espessura do material, combinados com a vista da seção transversal da junta parâmetros morfológicos e ensaios de falha por carga estática Os dados foram utilizados para analisar sua influência no desempenho estático da ligação aço-alumínio sem pregos.
O tamanho da amostra e método de teste são como acima. No teste, são selecionados o grau e a espessura de materiais comuns na área de baixa carga da estrutura da carroceria. mm, 1,3 mm, combinações de teste e resultados de teste são mostrados na Tabela 5.
3.4.1 Efeito do Grau do Material
As quatro primeiras combinações com espessura de material de 1,0mm foram selecionadas para analisar a influência do grau do material no desempenho estático da conexão rebitada sem pregos. Os resultados do teste, como força de cisalhamento máxima, força de tração máxima, valor de profundidade de intertravamento e modo de falha são mostrados na Tabela 6.
Pela análise da Figura 9, pode-se observar que o modo de ruptura por cisalhamento depende principalmente da resistência da camada superior. Quando a resistência da camada superior é maior que a da camada inferior, o modo de falha por cisalhamento é geralmente a fratura do ponto de conexão do material da camada superior; Com o aumento da resistência da camada inferior, o modo de ruptura por cisalhamento muda do arrancamento do ponto de ligação para a fratura do ponto de ligação; da mesma forma, a resistência ao cisalhamento depende principalmente da resistência do material da camada superior e aumenta com o aumento da resistência do material da camada superior.
Sob a mesma espessura do material, o modo de falha da tensão cruzada é o pull-off do ponto de conexão, que não tem nada a ver com o grau do material; a carga de tração diminui com o aumento da resistência do material.
A profundidade do intertravamento diminui conforme a carga do material aumenta, pois quanto mais resistente o material, mais difícil é o material deformar durante a ligação, dificultando o intertravamento.
3.4.2 Efeito da direção da rebitagem
Da mesma forma, com base nos dados das quatro primeiras combinações, pode-se analisar a influência da direção de rebitagem no desempenho estático da conexão rebitada sem pregos, conforme mostra a Figura 10.
A direção da conexão da rebitagem sem pregos é de alta carga para baixa resistência. Embora haja pouca diferença na profundidade de intertravamento, a carga de cisalhamento aumenta significativamente. A combinação 1 é 53,4% maior que a combinação 2 e a combinação 3 é 45,6% maior que a combinação 4; a direção da conexão é alta De resistência para baixa resistência, embora a diferença na profundidade de intertravamento não seja grande, a resistência à tração é significativamente reduzida. A combinação 1 é 33,6% menor que a combinação 2 e a combinação 3 é 29,4% menor que a combinação 4.
3.4.3 Efeito da Espessura do Material
A combinação selecionada e os dados do resultado do teste são mostrados na Tabela 7, e a influência da espessura do material nos parâmetros do processo de rebitagem sem pregos e na resistência à falha por carga estática é comparada e analisada.
Pode-se observar na Tabela 7 e na Figura 11 que, para a resistência ao cisalhamento, quanto mais espesso o material superior, maior a profundidade de intertravamento, maior a espessura do colo, maior a resistência ao cisalhamento; quanto mais espesso for o material inferior, mais difícil será a deformação do material superior, embora a profundidade de intertravamento aumente, mas quanto mais fina a espessura do pescoço, menor a resistência ao cisalhamento. Em relação à resistência à tração, quanto mais espessas as camadas superior e inferior, maior a profundidade de intertravamento e maior a resistência à tração.
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Portanto, para aumentar a resistência ao cisalhamento, é necessária uma camada superior mais espessa ou uma camada inferior mais fina; o aumento da espessura das camadas superior e inferior pode aumentar a resistência à tração.
4. Conclusão
a. Embora o desempenho estático da conexão rebitada sem pregos seja inferior ao do SPR, ele pode ser aplicado à área da estrutura do corpo de transporte de carga não principal;
b. A resistência ao cisalhamento está positivamente correlacionada com a resistência do material superior; a resistência à tração está negativamente correlacionada com a resistência do material compósito de conexão;
c. A direção de rebitagem é da placa de alta resistência para a de baixa resistência, e a resistência ao cisalhamento é maior; a direção de rebitagem é de placa de baixa resistência para alta resistência, e a resistência à tração é maior;
d. A espessura de material superior mais espessa e a espessura de material inferior mais fina têm maior resistência ao cisalhamento; o aumento da espessura superior e inferior do material pode aumentar a resistência à tração.
