1. Giới thiệu
Với việc ban hành chính sách "Kế hoạch thực hiện trung hòa carbon tối đa của khoa học và công nghệ (2022-2030)", ô tô hạng nhẹ đã trở thành một xu hướng tất yếu. Thân xe hợp kim nhôm nhẹ, thép cường độ cao tiên tiến và các vật liệu khác, thông qua ứng dụng và phân phối hợp lý, có thể đạt được cấu trúc thân xe an toàn hơn trong khi cân bằng giữa chi phí sản xuất thân xe hoàn toàn bằng nhôm và chi phí bảo trì trong tương lai. Đây là phương tiện hạng nhẹ hiệu quả nhất.
Tán đinh không đinh và tán đinh tự đâm (Self-Piercing Riveting, SPR) là những cách hiệu quả để thực hiện kết nối các kim loại khác nhau giữa thép và nhôm, đặc biệt là tán đinh không đinh, không cần thêm đinh tán, không làm tăng chất lượng của điểm kết nối, và tổng chi phí của kết nối thấp hơn so với SPR. Quá trình kết nối nhẹ hơn vẫn đang trong quá trình và giai đoạn nghiên cứu thử nghiệm ở Trung Quốc, và chưa được sử dụng rộng rãi trong cấu trúc cơ thể. Trong nghiên cứu này, các thông số quy trình và hiệu suất tĩnh của công nghệ tán đinh không đinh được so sánh bằng cách kết hợp các tấm thép và nhôm với độ dày vật liệu khác nhau, để cung cấp tài liệu tham khảo thiết kế kết nối và lựa chọn vật liệu cho việc áp dụng công nghệ tán đinh không đinh trong cấu trúc thân xe.
2 quá trình
Tán đinh không đinh là một quy trình kết nối cơ học dập, sử dụng biến dạng dẻo cục bộ của hai hoặc nhiều lớp kim loại tấm để hoàn thành quá trình xử lý hỗn hợp kéo và ép đùn sâu, đồng thời tạo thành một vòng tròn cắt xén lồng vào nhau tại khớp đùn. Các điểm kết nối hình chữ nhật hoặc hình chữ nhật, để nó có độ bền kéo và độ bền cắt nhất định. Quá trình kết nối được thể hiện trong Hình 1. Quá trình này chủ yếu bao gồm thắt chặt trước, khớp cắn, đục lỗ, giữ áp suất và đẩy ra. Tán đinh không đinh có thể được sử dụng để kết nối giữa các tấm giống nhau hoặc không giống nhau với các yêu cầu dán, phủ và dán keo.
Có một công việc làm cứng trong quá trình hình thành đinh tán không đinh, giúp cải thiện cường độ năng suất của vật liệu và khả năng chịu lực của khớp tán đinh. Các thông số cấu hình của mặt cắt ngang của mối nối đinh tán không đinh được thể hiện trong Hình 2. Các thông số chính là độ dày của cổ tấm trên S1, tấm trên và tấm dưới Độ sâu khóa liên kết vật liệu C1, tổng độ dày đáy của tấm trên và tấm dưới tại điểm kết nối (độ dày dưới) ST.
3 Tham số quá trình và thuộc tính tĩnh
Nghiên cứu về các tham số quy trình của kết nối đinh tán không đinh chủ yếu áp dụng phương pháp Taguchi và thử nghiệm trực giao để đánh giá các tham số hình dạng như độ dày cổ và độ sâu lồng vào nhau của chế độ xem mặt cắt khớp, xác định hướng tán đinh và sự kết hợp tối ưu của các tham số quy trình ; nghiên cứu hiệu suất tĩnh chủ yếu sử dụng các loại thép khác nhau. Thử nghiệm thất bại tải trọng tĩnh của tổ hợp tấm nhôm, so sánh các tính chất cơ học của kết nối đinh tán không đinh và kết nối SPR, đồng thời phân tích ảnh hưởng của loại vật liệu, hướng tán đinh và độ dày vật liệu đối với các tính chất cơ học của tán đinh không đinh sự liên quan.
3.1
Vật liệu và phương pháp thử nghiệm
Vật liệu thử nghiệm là hợp kim nhôm sê-ri 5000 và độ dày vật liệu là 1,0mm và 1,4mm, thường được sử dụng trong cấu trúc thân xe; thép tấm là CR3, CR340, độ dày là 0,7mm, 0,8mm, 1mm và 1,3mm;
Các mối nối đinh tán không đinh được kiểm tra độ bền kéo và cắt của mối nối bằng các thử nghiệm phá hủy tải trọng tĩnh. Vì khớp nối đơn là dạng khớp phổ biến trong cấu trúc thân xe, nên các thông số kỹ thuật của mẫu được thể hiện trong Hình 3, kích thước mẫu cắt là 85mm×35mm và khớp nối là 30 mm; kích thước mẫu kéo chéo là 120mm × 35 mm và đường kính của lỗ định vị là 10 mm. Mẫu đinh tán đã được thử nghiệm lỗi tải trọng tĩnh trên máy thử nghiệm vạn năng CMT4304 và tốc độ của toàn bộ quá trình thử nghiệm được kiểm soát ở mức 10mm/phút.
Hình ảnh mặt cắt của khớp nối đinh tán không có đinh thu được bằng cách cắt dây của khớp mẫu, và nó được khảm, đánh bóng và ăn mòn, và dữ liệu tham số hình dạng tương ứng của hình ảnh mặt cắt thu được bằng cách quan sát dưới kính hiển vi quang học.
3.2
Lựa chọn tham số quá trình
3.2.1 Xác định hướng tán đinh đối với tán đinh không đinh
Để xác định hướng tán đinh, tấm thép CR3 và hợp kim nhôm sê-ri 5000 đã được chọn, đồng thời các độ dày vật liệu và hướng tán đinh khác nhau đã được chọn để đánh giá các thông số địa hình của mặt cắt của mối ghép đinh tán không đinh. Giá trị độ sâu lồng vào nhau được sử dụng làm cơ sở quan trọng để đánh giá chất lượng tán đinh.
Từ Bảng 2 ở trên có thể thấy rằng đối với các liên kết đinh tán không đinh bằng thép-nhôm, cùng độ dày vật liệu và các hướng tán đinh khác nhau có thể hình thành liên kết tốt hơn và trạng thái liên kết không nhạy cảm với vật liệu; độ dày vật liệu khác nhau, hướng tán đinh từ mỏng đến Khi dày hơn, độ sâu khóa liên động giảm đáng kể. Do đó, độ dày của vật liệu là yếu tố ảnh hưởng chính đến sự lồng vào nhau của mối nối đinh tán không đinh và hướng của mối nối tán đinh không đinh tốt nhất là từ tấm dày sang tấm mỏng.
3.2.2 Xác định các thông số quy trình tán đinh đối với tán đinh không đinh
Các thông số quy trình của khuôn tán đinh không đinh ảnh hưởng đến độ sâu khóa liên kết tán đinh và chất lượng tán đinh. Để có được các tham số quy trình tối ưu, phương pháp Taguchi được sử dụng để chọn khuôn. tấm nhôm sê-ri mm 5000.
Các hệ số điều khiển tương ứng là đường kính chày, độ sâu khuôn và độ dày đế được chọn tương ứng và mỗi hệ số điều khiển có 3 mức, xem Bảng 3.
Độ sâu của khóa liên động là kết quả của phản ứng, yếu tố tiếng ồn như chất bôi trơn, triệu chứng như phần nhô ra hoặc vết nứt trên tấm. Sử dụng công cụ danh sách trực giao để tối ưu hóa và thiết lập thử nghiệm trực giao L9 của đặc tính Wangda. Kết hợp thử nghiệm trực giao và kết quả thử nghiệm được thể hiện trong Bảng 4.
Có thể thấy từ Bảng 4 rằng độ sâu khóa liên động của Thử nghiệm 5 là lớn nhất, do đó, người ta xác định rằng các tham số quy trình tối ưu cho tán đinh không đinh là đường kính chày 5,5 mm, chiều sâu khuôn 1,2 mm và 0. Độ dày đáy 8 mm.
3.3
3.3 So sánh cơ tính
Do không có tiêu chuẩn phù hợp để đánh giá các tính chất cơ học của khớp nối thép-nhôm trong ngành và do SPR đã được sử dụng rộng rãi trong các kết cấu thân xe lai thép-nhôm, nên các tính chất cơ học của khớp nối SPR được sử dụng làm tiêu chuẩn để đánh giá cơ học. tính chất của mối ghép đinh tán không đinh. Trong các điều kiện có cùng độ dày vật liệu và loại vật liệu, thử nghiệm phá hủy tĩnh do cắt và kéo ngang ở mức độ mẫu được thiết kế để đo tải trọng phá hủy do cắt và kéo của hai phương pháp kết nối, tán đinh không đinh và SPR.
Lớp của tấm thép mẫu thử nghiệm là CR3 và độ dày vật liệu là 0.8mm; loại hợp kim nhôm là dòng 5000 và độ dày vật liệu là 1,4mm. Các hướng tán đinh tối ưu đã được lựa chọn cho hai phương pháp kết nối, trong đó tán đinh không đinh là từ dày đến mỏng, tán đinh SPR là từ mỏng đến dày và từ cứng đến mềm. Có 5 mẫu trong mỗi nhóm thử nghiệm, và các đường cong tải trọng-chuyển vị và các dạng phá hủy của phá hủy tải trọng kéo và cắt của từng nhóm mẫu được thể hiện trong Hình 5 đến Hình 8.
3.3.1 Phân tích thử nghiệm phá hủy tĩnh tải cắt
Có thể thấy từ Hình 5 và Hình 6 rằng dưới trạng thái tải trọng cắt, chế độ phá hủy của kết nối đinh tán không đinh là gãy cổ của tấm trên, tải trọng phá hủy tối đa là 1620N và mức phá vỡ trung bình độ dịch chuyển là 0,46mm; chế độ hỏng hóc của kết nối SPR là xé tấm trên, Tải trọng hỏng hóc tối đa là 2364N và độ dịch chuyển hỏng hóc trung bình là 4,95mm.
Phân tích sâu hơn cho thấy ở trạng thái tải trọng cắt, cả hai đều có khả năng hấp thụ năng lượng đệm nhựa nhất định và độ bền cắt của khớp đinh tán không đinh đạt 68,5% XUÂN, nhưng độ dịch chuyển trung bình của khớp đinh tán không đinh thấp hơn đáng kể khi xảy ra lỗi tối đa Xét về SPR, nó chỉ bằng 9,3 phần trăm của SPR.
Phân tích sâu hơn cho thấy dưới trạng thái tải trọng kéo, sự hỏng hóc của các mối nối của hai phương pháp kết nối là gãy giòn, không có vùng đệm biến dạng dẻo, độ bền kéo của đinh tán không đinh là khoảng 60,6% SPR và độ dịch chuyển trung bình của sự thất bại của tán đinh không đinh cũng thấp hơn SPR , đạt 65% so với SPR. Tóm lại, so với liên kết SPR, mặc dù tính chất cơ học của liên kết đinh tán không đinh giảm nhưng nó có thể được áp dụng trong khu vực kết cấu thân không chịu tải trọng chính.
3.4
Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất tĩnh
Để phân tích sâu hơn hiệu suất tĩnh của các khớp nối đinh tán không đinh, hãy áp dụng các khớp nối tán đinh không đinh để tạo thành các hướng dẫn thiết kế cho cấu trúc cơ thể, từ ba khía cạnh của loại vật liệu, hướng tán đinh và độ dày vật liệu, kết hợp với chế độ xem mặt cắt ngang của khớp thông số hình thái và kiểm tra sự cố tải trọng tĩnh Dữ liệu được sử dụng để phân tích ảnh hưởng của nó đối với hiệu suất tĩnh của liên kết không đinh thép-nhôm.
Cỡ mẫu và phương pháp thử như trên. Trong thử nghiệm, loại và độ dày của vật liệu phổ biến trong khu vực tải trọng thấp của cấu trúc cơ thể được chọn. mm, 1,3mm, tổ hợp thử nghiệm và kết quả thử nghiệm được thể hiện trong Bảng 5.
3.4.1 Ảnh hưởng của cấp vật liệu
Bốn kết hợp đầu tiên có độ dày vật liệu là 1.0mm đã được chọn để phân tích ảnh hưởng của loại vật liệu đến hiệu suất tĩnh của kết nối tán đinh không đinh. Các kết quả thử nghiệm như lực cắt tối đa, lực kéo tối đa, giá trị độ sâu khóa liên động và chế độ hỏng hóc được thể hiện trong Bảng 6.
Từ phân tích trong Hình 9, có thể thấy rằng chế độ phá hoại cắt chủ yếu phụ thuộc vào cường độ của lớp trên. Khi cường độ của lớp trên cao hơn cường độ của lớp dưới, chế độ phá hủy cắt nói chung là điểm kết nối của vật liệu lớp trên bị đứt gãy; Với sự gia tăng cường độ của lớp bên dưới, chế độ phá hủy cắt thay đổi từ điểm kết nối kéo ra thành vết nứt của điểm kết nối; tương tự, cường độ cắt chủ yếu phụ thuộc vào cường độ của vật liệu lớp trên và tăng cùng với sự gia tăng cường độ của vật liệu lớp trên.
Trong cùng một độ dày vật liệu, chế độ thất bại của lực căng ngang là điểm kết nối bị kéo ra, không liên quan gì đến loại vật liệu; tải trọng kéo giảm khi tăng cường độ vật liệu.
Độ sâu của khóa liên động giảm khi tải trọng vật liệu tăng lên, bởi vì vật liệu càng bền thì vật liệu càng khó biến dạng trong quá trình liên kết, khiến việc khóa liên động trở nên khó khăn hơn.
3.4.2 Ảnh hưởng của hướng tán đinh
Tương tự, dựa trên dữ liệu của bốn kết hợp đầu tiên, có thể phân tích ảnh hưởng của hướng tán đinh đến hiệu suất tĩnh của kết nối tán đinh không đinh, như thể hiện trong Hình 10.
Hướng kết nối của tán đinh không đinh là từ tải trọng cao đến cường độ thấp. Mặc dù có ít sự khác biệt về độ sâu khóa liên động nhưng tải trọng cắt tăng lên đáng kể. tổ hợp 1 cao hơn tổ hợp 2 là 53,4% và tổ hợp 3 cao hơn tổ hợp 4 là 45,6%; hướng liên kết cao Từ cường độ đến cường độ thấp, mặc dù chênh lệch độ sâu liên kết không lớn nhưng độ bền kéo giảm đáng kể. Tổ hợp 1 thấp hơn 33,6% so với tổ hợp 2 và tổ hợp 3 thấp hơn 29,4% so với tổ hợp 4.
3.4.3 Ảnh hưởng của Độ dày Vật liệu
Dữ liệu kết quả thử nghiệm và kết hợp đã chọn được trình bày trong Bảng 7, đồng thời so sánh và phân tích ảnh hưởng của độ dày vật liệu đến các thông số quy trình tán đinh không đinh và cường độ hư hỏng do tải trọng tĩnh.
Có thể thấy từ Bảng 7 và Hình 11 rằng, đối với độ bền cắt, vật liệu bên trên càng dày thì độ sâu lồng vào nhau càng lớn, độ dày cổ càng lớn thì độ bền cắt càng cao; vật liệu bên dưới càng dày thì vật liệu bên trên càng khó biến dạng, mặc dù Độ sâu khóa liên động tăng nhưng độ dày cổ càng mỏng thì độ bền cắt càng thấp. Về độ bền kéo, lớp trên và lớp dưới càng dày thì độ sâu lồng vào nhau càng lớn và độ bền kéo càng cao.
hình ảnh
Do đó, để tăng cường độ cắt, cần có lớp trên dày hơn hoặc lớp dưới mỏng hơn; sự gia tăng độ dày của lớp trên và dưới có thể làm tăng độ bền kéo.
4. Kết luận
Một. Mặc dù hiệu suất tĩnh của kết nối đinh tán không đinh thấp hơn so với SPR, nhưng nó có thể được áp dụng cho khu vực kết cấu thân không chịu tải trọng chính;
b. Độ bền cắt có tương quan thuận với độ bền của vật liệu trên; độ bền kéo tương quan nghịch với độ bền của vật liệu composite kết nối;
c. Hướng tán đinh là từ tấm cường độ cao đến cường độ thấp, cường độ cắt cao hơn; hướng tán đinh là từ tấm có độ bền thấp đến cường độ cao, độ bền kéo cao hơn;
d. Độ dày vật liệu trên dày hơn và độ dày vật liệu dưới mỏng hơn có độ bền cắt cao hơn; sự gia tăng độ dày vật liệu trên và dưới có thể làm tăng độ bền kéo.
