1. Introducción
Con el lanzamiento de la política "Science and Technology Support Carbon Peak Carbon Neutralization Plan (2022-2030)", la ligereza de los automóviles se ha convertido en una tendencia inevitable. La aleación ligera de aluminio de la carrocería y el acero avanzado de alta resistencia y otros materiales, a través de una aplicación y distribución razonables, pueden lograr una estructura de la carrocería más segura mientras equilibran el costo de producción de la carrocería de aluminio y los costos de mantenimiento futuros. Es el medio ligero más efectivo para vehículos.
El remachado sin clavos y el remachado autoperforante (Remachado autoperforante, SPR) son formas efectivas de realizar la conexión de acero y aluminio con metales diferentes, especialmente remaches sin clavos, sin necesidad de remaches adicionales, sin aumento en la calidad del punto de conexión y el costo total de la conexión es más bajo que el de SPR. El proceso de conexión más delgado y liviano aún se encuentra en la etapa de proceso e investigación experimental en China, y no se ha utilizado ampliamente en la estructura del cuerpo. En este estudio, los parámetros del proceso y el rendimiento estático de la tecnología de remachado sin clavos se compararon mediante la combinación de láminas de acero y aluminio con diferentes espesores de material, a fin de proporcionar una referencia de diseño de conexión y selección de materiales para la aplicación de la tecnología de remachado sin clavos en la estructura de la carrocería.
2 proceso
El remachado sin clavos es un proceso de conexión mecánica de estampado, que utiliza la deformación plástica local de dos o más capas de láminas de metal para completar el proceso de embutición profunda y el procesamiento de compuestos de extrusión, y forma un círculo de socavado entrelazado en la junta extruida. Puntos de conexión perfilados o rectangulares, para que tenga una cierta resistencia a la tracción y al corte. El proceso de conexión se muestra en la Figura 1. El proceso incluye principalmente pretensado, oclusal, punzonado, mantenimiento de la presión y expulsión. El remachado sin clavos se puede utilizar para la conexión entre hojas iguales o diferentes con requisitos de pegado, recubrimiento y sellado adhesivo.
Hay endurecimiento por trabajo en el proceso de formación de remaches sin clavos, lo que mejora el límite elástico del material y la capacidad de carga de la junta remachada. Los parámetros de perfil de la vista transversal de la junta remachada sin clavos se muestran en la Figura 2. Los parámetros principales son el grosor del cuello de la placa superior S1, las placas superior e inferior Profundidad de enclavamiento del material C1, la suma del grosor inferior de las hojas superior e inferior en el punto de conexión (espesor inferior) ST.
3 Parámetros de proceso y propiedades estáticas
La investigación sobre los parámetros del proceso de la conexión remachada sin clavos adopta principalmente el método Taguchi y la prueba ortogonal para evaluar los parámetros de forma, como el grosor del cuello y la profundidad de enclavamiento de la vista de sección de la unión, determinar la dirección de remachado y la combinación óptima de parámetros del proceso. ; La investigación de rendimiento estático utiliza principalmente diferentes pruebas de falla de carga estática de acero de la combinación de láminas de aluminio, comparando las propiedades mecánicas de la conexión remachada sin clavos y la conexión SPR, y analizando la influencia del grado del material, la dirección del remachado y el grosor del material en las propiedades mecánicas de la conexión remachada sin clavos. conexión.
3.1
Materiales y métodos de prueba
El material de prueba es una aleación de aluminio de la serie 5000, y el grosor del material es de 1,0 mm y 1,4 mm, que se usan comúnmente en la estructura del cuerpo; la placa de acero es CR3, CR340 y el grosor es de 0,7 mm, 0,8 mm, 1 mm y 1,3 mm;
Las uniones remachadas sin clavos se someten a pruebas de resistencia a la tracción y al corte de la unión mediante pruebas de falla por carga estática. Debido a que la junta de solape es una forma de junta común en la estructura de la carrocería, las especificaciones de la muestra se muestran en la Figura 3, el tamaño de la muestra de corte es de 85 mm × 35 mm y la junta de solape es de 30 mm; el tamaño de la muestra de tracción transversal es de 120 mm × 35 mm, y el diámetro del orificio de posicionamiento es de 10 mm. La muestra remachada se sometió a una prueba de falla de carga estática en una máquina de prueba universal CMT4304, y la velocidad de todo el proceso de prueba se controló a 10 mm/min.
La vista en sección de la junta remachada sin clavos se obtiene cortando con alambre la junta de muestra, y se incrusta, pule y corroe, y los datos de parámetros de forma correspondientes de la vista en sección se obtienen al observar con un microscopio óptico.
3.2
Selección de parámetros de proceso
3.2.1 Determinación de la dirección de remachado para remachado sin clavos
Para determinar la dirección de remachado, se seleccionaron una placa de acero CR3 y una aleación de aluminio serie 5000, y se seleccionaron diferentes espesores de material y direcciones de remachado para evaluar los parámetros topográficos de la vista en sección de la junta remachada sin clavos. El valor de la profundidad de enclavamiento se utilizó como base importante para juzgar la calidad del remachado.
Se puede ver en la Tabla 2 anterior que para las conexiones remachadas sin clavos de acero y aluminio, el mismo grosor del material y diferentes direcciones de remachado pueden formar un mejor enclavamiento, y el estado de enclavamiento no es muy sensible al material; diferentes espesores de material, dirección de remachado de delgado a Cuando más grueso, la profundidad de enclavamiento cae significativamente. Por lo tanto, el grosor del material es el principal factor que influye en el enclavamiento de la conexión con remaches sin clavos, y la dirección de la conexión con remaches sin clavos es preferiblemente de placa gruesa a placa delgada.
3.2.2 Determinación de los parámetros del proceso de remachado para el remachado sin clavos
Los parámetros del proceso de la matriz de remachado sin clavos afectan la profundidad de enclavamiento del remachado y la calidad del remachado. Para obtener los parámetros de proceso óptimos, se utiliza el método Taguchi para seleccionar el troquel. Placa de aluminio serie 5000 mm.
Los factores de control son, respectivamente, el diámetro del punzón, la profundidad del troquel y el espesor de la base seleccionados, y cada factor de control tiene 3 niveles, consulte la Tabla 3.
Profundidad de enclavamiento como resultado de la respuesta, factor de ruido como lubricante, síntoma como protrusión de juntas o grietas en la lámina. Utilice la herramienta de lista ortogonal para optimizar y establecer el experimento ortogonal L9 de la característica Wangda. Las combinaciones de pruebas ortogonales y los resultados de las pruebas se muestran en la Tabla 4.
En la Tabla 4 se puede ver que la profundidad de enclavamiento de la Prueba 5 es la mayor, por lo que se determina que los parámetros de proceso óptimos para el remachado sin clavos son 5,5 mm de diámetro del punzón, 1,2 mm de profundidad del troquel y 0. 8 mm de espesor de fondo.
3.3
3.3 Comparación de propiedades mecánicas
Dado que no existe un estándar adecuado para juzgar las propiedades mecánicas de las juntas de acero y aluminio en la industria, y dado que SPR se ha utilizado ampliamente en estructuras de carrocería híbridas de acero y aluminio, las propiedades mecánicas de las juntas SPR se utilizan como punto de referencia para juzgar las propiedades mecánicas. Propiedades de las uniones remachadas sin clavos. Bajo las condiciones del mismo espesor y tipo de material, se diseñó una prueba de falla de carga estática cruzada y cortante de junta a nivel de muestra para medir las cargas de falla cortante y de tensión de dos métodos de conexión, remaches sin clavos y SPR.
El grado de la placa de acero de la muestra de prueba es CR3, y el espesor del material es 0.8mm; el grado de aleación de aluminio es de la serie 5000 y el grosor del material es de 1,4 mm. Se seleccionaron las direcciones de remachado óptimas para los dos métodos de conexión, entre los cuales el remachado sin clavos fue de grueso a delgado, y el SPR fue de delgado a grueso y de duro a blando. Hay 5 muestras en cada grupo de pruebas, y las curvas de carga-desplazamiento y los modos de falla de las fallas por carga de tracción y corte de cada grupo de muestras se muestran en las Figuras 5 a 8.
3.3.1 Análisis del ensayo de rotura por carga estática de cortante
En las Figuras 5 y 6 se puede ver que bajo el estado de carga de corte, el modo de falla de la conexión remachada sin clavos es la fractura del cuello de la placa superior, la carga máxima de falla es 1620N y la falla promedio el desplazamiento es de 0,46 mm; el modo de falla de la conexión SPR es el desgarro de la placa superior, la carga de falla máxima es 2364N y el desplazamiento de falla promedio es de 4,95 mm.
Un análisis más detallado muestra que, bajo el estado de carga de corte, ambos tienen una cierta absorción de energía de amortiguación plástica, y la resistencia al corte de la junta remachada sin clavos alcanza el 68,5 por ciento de SPR, pero el desplazamiento promedio de la junta remachada sin clavos es significativamente menor cuando el se produce la falla máxima En términos de SPR, es solo el 9.3 por ciento de SPR.
Un análisis más detallado muestra que, bajo el estado de carga de tracción, la falla de las uniones de los dos métodos de conexión es una fractura frágil, no hay una zona de amortiguamiento de deformación plástica, la resistencia a la tracción del remachado sin clavos es de aproximadamente el 60,6 por ciento de SPR y el desplazamiento promedio de la falla del remachado sin clavos también es más baja que la SPR, alcanzando el 65 por ciento de la SPR. En conclusión, en comparación con la conexión SPR, aunque las propiedades mecánicas de la unión remachada sin clavos se reducen, se puede aplicar en el área de la estructura del cuerpo que no soporta carga principal.
3.4
Análisis de factores que afectan las propiedades estáticas
Para analizar más a fondo el rendimiento estático de las uniones remachadas sin clavos, aplique las uniones remachadas sin clavos para formar pautas de diseño para la estructura de la carrocería, a partir de los tres aspectos del grado del material, la dirección del remachado y el grosor del material, combinados con la vista transversal de la unión. Parámetros de morfología y pruebas de falla por carga estática Los datos se utilizaron para analizar su influencia en el desempeño estático de la conexión sin clavos de acero y aluminio.
El tamaño de la muestra y el método de prueba son los anteriores. En la prueba, se seleccionan el grado y el grosor de los materiales comunes en el área de carga baja de la estructura de la carrocería. mm, 1,3 mm, las combinaciones de pruebas y los resultados de las pruebas se muestran en la Tabla 5.
3.4.1 Efecto del grado del material
Las primeras cuatro combinaciones con un espesor de material de 1.0mm fueron seleccionadas para analizar la influencia del grado del material en el desempeño estático de la conexión remachada sin clavos. Los resultados de la prueba, como la fuerza de corte máxima, la fuerza de tracción máxima, el valor de profundidad de enclavamiento y el modo de falla se muestran en la Tabla 6.
Del análisis de la Figura 9, se puede ver que el modo de falla por cortante depende principalmente de la resistencia de la capa superior. Cuando la resistencia de la capa superior es mayor que la de la capa inferior, el modo de falla por cortante es generalmente la fractura del punto de conexión del material de la capa superior; Con el aumento de la resistencia de la capa inferior, el modo de falla por cortante cambia desde el arranque del punto de conexión hasta la fractura del punto de conexión; De manera similar, la resistencia al corte depende principalmente de la resistencia del material de la capa superior y aumenta con el aumento de la resistencia del material de la capa superior.
Bajo el mismo grosor del material, el modo de falla de la tensión cruzada es la extracción del punto de conexión, que no tiene nada que ver con el grado del material; la carga de tracción disminuye con el aumento de la resistencia del material.
La profundidad del enclavamiento disminuye a medida que aumenta la carga del material, porque cuanto más resistente es el material, más difícil es que se deforme durante la conexión, lo que dificulta el enclavamiento.
3.4.2 Efecto de la dirección de remachado
De igual manera, a partir de los datos de las primeras cuatro combinaciones, se puede analizar la influencia de la dirección de remachado en el desempeño estático de la conexión remachada sin clavos, como se muestra en la Figura 10.
La dirección de conexión del remachado sin clavos es de alta carga a baja resistencia. Aunque hay poca diferencia en la profundidad de enclavamiento, la carga de corte aumenta significativamente. La combinación 1 es un 53,4 por ciento más alta que la combinación 2 y la combinación 3 es un 45,6 por ciento más alta que la combinación 4; la dirección de conexión es alta De resistencia a baja resistencia, aunque la diferencia en la profundidad de enclavamiento no es grande, la resistencia a la tracción se reduce significativamente. La combinación 1 es un 33,6 % inferior a la combinación 2 y la combinación 3 es un 29,4 % inferior a la combinación 4.
3.4.3 Efecto del espesor del material
La combinación seleccionada y los datos de los resultados de las pruebas se muestran en la Tabla 7, y se compara y analiza la influencia del grosor del material en los parámetros del proceso de remachado sin clavos y la resistencia a la falla por carga estática.
Puede verse en la Tabla 7 y la Figura 11 que, para la resistencia al corte, cuanto más grueso es el material superior, mayor es la profundidad de enclavamiento, cuanto mayor es el espesor del cuello, mayor es la resistencia al corte; cuanto más grueso es el material inferior, más difícil es la deformación del material superior, aunque aumenta la profundidad de enclavamiento, pero cuanto más delgado es el grosor del cuello, menor es la resistencia al corte. En cuanto a la resistencia a la tracción, cuanto más gruesas sean las capas superior e inferior, mayor será la profundidad de enclavamiento y mayor será la resistencia a la tracción.
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Por lo tanto, para aumentar la resistencia al corte, se requiere una capa superior más gruesa o una capa inferior más delgada; el aumento del espesor de las capas superior e inferior puede aumentar la resistencia a la tracción.
4. Conclusión
a. Aunque el rendimiento estático de la conexión remachada sin clavos es menor que el de SPR, se puede aplicar al área de la estructura del cuerpo que no soporta carga principal;
b. La resistencia al corte se correlaciona positivamente con la resistencia del material superior; la resistencia a la tracción se correlaciona negativamente con la resistencia del material compuesto de conexión;
C. La dirección de remachado es de placa de alta resistencia a baja resistencia, y la resistencia al corte es mayor; la dirección de remachado es de placa de baja resistencia a alta resistencia, y la resistencia a la tracción es mayor;
d. El espesor del material superior más grueso y el espesor del material inferior más delgado tienen una mayor resistencia al corte; el aumento del grosor del material superior e inferior puede aumentar la resistencia a la tracción.
