1. Einleitung
Mit der Veröffentlichung der Richtlinie „Science and Technology Support Carbon Peak Carbon Neutralization Implementation Plan (2022-2030)“ ist der Leichtbau von Automobilen zu einem unvermeidlichen Trend geworden. Eine leichte Aluminiumlegierung der Karosserie sowie fortschrittlicher hochfester Stahl und andere Materialien können durch angemessene Anwendung und Verteilung eine sicherere Karosseriestruktur erreichen und gleichzeitig die Produktionskosten der Vollaluminiumkarosserie und zukünftige Wartungskosten ausgleichen. Es ist das wirksamste Leichtbaumittel für Fahrzeuge.
Nagelloses Nieten und selbststanzendes Nieten (Self-Piercing Riveting, SPR) sind wirksame Methoden zur Herstellung der Verbindung von unterschiedlichen Metallen aus Stahl und Aluminium, insbesondere nagelloses Nieten, keine Notwendigkeit zusätzlicher Nieten, keine Verbesserung der Qualität der Verbindungsstelle usw Die Gesamtkosten der Verbindung sind niedriger als bei SPR. Der schlankere Leichtbau-Verbindungsprozess befindet sich in China noch im Prozess- und experimentellen Forschungsstadium und wurde in der Karosseriestruktur noch nicht weit verbreitet eingesetzt. In dieser Studie wurden die Prozessparameter und die statische Leistung der nagellosen Niettechnologie durch die Kombination von Stahl- und Aluminiumblechen mit unterschiedlichen Materialstärken verglichen, um eine Referenz für die Materialauswahl und das Verbindungsdesign für die Anwendung der nagellosen Niettechnologie in der Karosseriestruktur bereitzustellen.
2 Prozess
Nagelloses Nieten ist ein mechanischer Stanzverbindungsprozess, der die lokale plastische Verformung von zwei oder mehr Blechschichten nutzt, um den Prozess der Tiefzieh- und Extrusionsverbundverarbeitung abzuschließen und an der extrudierten Verbindung einen ineinandergreifenden Hinterschnittkreis zu bilden. Geformte oder rechteckige Verbindungsstellen, damit eine gewisse Zugfestigkeit und Scherfestigkeit gegeben ist. Der Verbindungsprozess ist in Abbildung 1 dargestellt. Der Prozess umfasst hauptsächlich Vorspannen, Okklusion, Stanzen, Druckhalten und Auswerfen. Nagelloses Nieten kann für die Verbindung zwischen gleichen oder unterschiedlichen Blechen mit Klebe-, Beschichtungs- und Klebeabdichtungsanforderungen verwendet werden.
Beim Umformprozess des nagellosen Nietens kommt es zu einer Kaltverfestigung, die die Streckgrenze des Materials und die Tragfähigkeit der Nietverbindung verbessert. Die Profilparameter der Querschnittsansicht der nagellosen Nietverbindung sind in Abbildung 2 dargestellt. Die Hauptparameter sind die Dicke des oberen Plattenhalses S1, die Materialverzahnungstiefe C1 der oberen und unteren Platten, die Summe der unteren Dicke von die oberen und unteren Bleche an der Verbindungsstelle (untere Dicke) ST.
3 Prozessparameter und statische Eigenschaften
Bei der Erforschung der Prozessparameter der nagellosen Nietverbindung werden hauptsächlich die Taguchi-Methode und der Orthogonaltest verwendet, um die Formparameter wie Halsdicke und Eingriffstiefe der Verbindungsabschnittsansicht zu bewerten, die Nietrichtung und die optimale Kombination von Prozessparametern zu bestimmen ; Die statische Leistungsforschung verwendet hauptsächlich verschiedene statische Belastungsversagenstests für Aluminiumblechkombinationen aus Stahl, vergleicht die mechanischen Eigenschaften von nagellos genieteten Verbindungen und SPR-Verbindungen und analysiert den Einfluss von Materialqualität, Nietrichtung und Materialdicke auf die mechanischen Eigenschaften von nagellos genieteten Verbindungen Verbindung.
3.1
Testmaterialien und -methoden
Das Testmaterial ist eine Aluminiumlegierung der Serie 5000, und die Materialstärke beträgt 1,0 mm und 1,4 mm, die üblicherweise in der Karosseriestruktur verwendet werden; die Stahlplatte ist CR3, CR340 und die Dicke beträgt 0,7 mm, 0,8 mm, 1 mm und 1,3 mm;
Nagellose Nietverbindungen werden durch statische Belastungsversagenstests auf Verbindungsscher- und Zugfestigkeit geprüft. Da die Einzelüberlappungsverbindung eine übliche Verbindungsform in der Karosseriestruktur ist, sind die Beispielspezifikationen in Abbildung 3 dargestellt. Die Scherprobengröße beträgt 85 mm × 35 mm und die Überlappungsverbindung beträgt 30 mm. Die Größe der Querzugprobe beträgt 120 mm × 35 mm und der Durchmesser des Positionierungslochs beträgt 10 mm. Die genietete Probe wurde einem statischen Lastversagenstest auf einer Universalprüfmaschine CMT4304 unterzogen und die Geschwindigkeit des gesamten Testprozesses wurde auf 10 mm/min geregelt.
Die Schnittansicht der nagellosen Nietverbindung wird durch Drahtschneiden der Probeverbindung erhalten, diese wird eingelegt, poliert und korrodiert, und die entsprechenden Formparameterdaten der Schnittansicht werden durch Beobachtung unter einem optischen Mikroskop erhalten.
3.2
Auswahl der Prozessparameter
3.2.1 Bestimmung der Nietrichtung beim nagellosen Nieten
Um die Nietrichtung zu bestimmen, wurden CR3-Stahlblech und eine Aluminiumlegierung der Serie 5000 ausgewählt, und es wurden unterschiedliche Materialstärken und Nietrichtungen ausgewählt, um die Topographieparameter der Schnittansicht der nagellosen Nietverbindung zu bewerten. Als wichtige Grundlage zur Beurteilung der Nietqualität diente der Wert der Verzahnungstiefe.
Aus der obigen Tabelle 2 ist ersichtlich, dass bei nagellosen Nietverbindungen aus Stahl und Aluminium die gleiche Materialstärke und unterschiedliche Nietrichtungen eine bessere Verzahnung bewirken können und der Verzahnungszustand nicht sehr empfindlich auf das Material reagiert; unterschiedliche Materialstärken, Nietrichtung von dünn nach dicker, verringert sich die Verzahnungstiefe deutlich. Daher ist die Materialstärke der Haupteinflussfaktor für die Verzahnung der nagellosen Nietverbindung, und die Richtung der nagellosen Nietverbindung verläuft vorzugsweise von dickem Blech zu dünnem Blech.
3.2.2 Ermittlung der Nietprozessparameter für das nagellose Nieten
Die Prozessparameter der nagellosen Nietmatrize beeinflussen die Nietverzahnungstiefe und die Nietqualität. Um die optimalen Prozessparameter zu erhalten, wird die Taguchi-Methode zur Auswahl der Matrize verwendet. Aluminiumplatte der Serie 5000 mm.
Die Steuerfaktoren sind jeweils der ausgewählte Stempeldurchmesser, die Matrizentiefe und die Basisdicke, und jeder Steuerfaktor hat 3 Stufen, siehe Tabelle 3.
Tiefe der Verzahnung durch Ansprechen, Geräuschfaktor als Schmierstoff, Symptom als Gelenküberstand oder Risse im Blech. Verwenden Sie das orthogonale Listenwerkzeug zur Optimierung und erstellen Sie das orthogonale Experiment L9 der Wangda-Charakteristik. Orthogonale Testkombinationen und Testergebnisse sind in Tabelle 4 aufgeführt.
Aus Tabelle 4 ist ersichtlich, dass die Verzahnungstiefe von Test 5 am größten ist. Daher wird festgestellt, dass die optimalen Prozessparameter für nagelloses Nieten 5,5 mm Stempeldurchmesser, 1,2 mm Matrizentiefe und 0 sind. 8 mm Bodenstärke.
3.3
3.3 Vergleich der mechanischen Eigenschaften
Da es in der Industrie keinen geeigneten Standard zur Beurteilung der mechanischen Eigenschaften von Stahl-Aluminium-Verbindungen gibt und SPR in Stahl-Aluminium-Hybrid-Karosseriestrukturen weit verbreitet ist, werden die mechanischen Eigenschaften von SPR-Verbindungen als Maßstab für die Beurteilung der mechanischen Eigenschaften verwendet Eigenschaften nagelloser Nietverbindungen. Unter den Bedingungen der gleichen Materialstärke und des gleichen Materialtyps wurde ein Verbindungsscher- und Querzug-Versagenstest auf Probenebene entwickelt, um die Scher- und Zugversagenslasten zweier Verbindungsmethoden, nagelloses Nieten und SPR, zu messen.
Die Qualität der Testprobenstahlplatte ist CR3 und die Materialdicke beträgt 0,8 mm; Die Aluminiumlegierungssorte ist die Serie 5000 und die Materialstärke beträgt 1,4 mm. Für die beiden Verbindungsmethoden wurden die optimalen Nietrichtungen ausgewählt, wobei die nagellose Nietung von dick nach dünn und die SPR von dünn nach dick und von hart nach weich erfolgte. In jeder Versuchsgruppe gibt es 5 Proben, und die Last-Verschiebungs-Kurven und Versagensarten von Zug- und Scherlastversagen jeder Probengruppe sind in den Abbildungen 5 bis 8 dargestellt.
3.3.1 Analyse des statischen Schublast-Versagenstests
Aus den Abbildungen 5 und 6 ist ersichtlich, dass im Scherlastzustand der Versagensmodus der nagellosen Nietverbindung der Halsbruch der oberen Platte ist, die maximale Versagenslast 162 0 N beträgt und der durchschnittliche Versagen Die Verschiebung beträgt 0,46 mm; Der Versagensmodus der SPR-Verbindung ist das Reißen der oberen Platte. Die maximale Versagenslast beträgt 2364 N und die durchschnittliche Versagensverschiebung beträgt 4,95 mm.
Weitere Analysen zeigen, dass beide im Scherlastzustand eine gewisse Energieabsorption des plastischen Puffers aufweisen und die Scherfestigkeit der nagellosen Nietverbindung 68,5 Prozent des SPR erreicht, die durchschnittliche Verschiebung der nagellosen Nietverbindung jedoch deutlich geringer ist, wenn die Der maximale Ausfall liegt gemessen an der SPR bei nur 9,3 Prozent der SPR.
Eine weitere Analyse zeigt, dass das Versagen der Verbindungen der beiden Verbindungsmethoden unter Zugbelastung ein Sprödbruch ist, keine plastische Verformungspufferzone vorhanden ist, die Zugfestigkeit des nagellosen Nietens etwa 60,6 Prozent des SPR beträgt und die durchschnittliche Verschiebung beträgt Das Versagen beim nagellosen Nieten ist ebenfalls geringer als beim SPR und erreicht 65 Prozent des SPR. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die mechanischen Eigenschaften der nagellosen Nietverbindung im Vergleich zur SPR-Verbindung zwar verringert sind, diese jedoch im nicht hauptlasttragenden Bereich der Karosseriestruktur eingesetzt werden kann.
3.4
Analyse von Faktoren, die statische Eigenschaften beeinflussen
Um die statische Leistung der nagellosen Nietverbindungen weiter zu analysieren, wenden Sie die nagellosen Nietverbindungen an, um Designrichtlinien für die Karosseriestruktur zu erstellen, und zwar anhand der drei Aspekte Materialqualität, Nietrichtung und Materialdicke, kombiniert mit einer Verbindungsquerschnittsansicht Morphologieparameter und statische Belastungsversagenstests Die Daten wurden verwendet, um ihren Einfluss auf die statische Leistung der nagellosen Stahl-Aluminium-Verbindung zu analysieren.
Die Stichprobengröße und die Testmethode sind wie oben. Im Test werden Qualität und Dicke gängiger Materialien im gering belasteten Bereich der Karosseriestruktur ausgewählt. mm, 1,3 mm, Testkombinationen und Testergebnisse sind in Tabelle 5 aufgeführt.
3.4.1 Einfluss der Materialqualität
Die ersten vier Kombinationen mit einer Materialstärke von 1,0mm wurden ausgewählt, um den Einfluss der Materialqualität auf die statische Leistung der nagellosen Nietverbindung zu analysieren. Die Testergebnisse wie maximale Scherkraft, maximale Zugkraft, Verriegelungstiefenwert und Versagensmodus sind in Tabelle 6 aufgeführt.
Aus der Analyse in Abbildung 9 ist ersichtlich, dass der Schubversagensmodus hauptsächlich von der Festigkeit der oberen Schicht abhängt. Wenn die Festigkeit der oberen Schicht höher ist als die der unteren Schicht, ist der Scherversagensmodus im Allgemeinen der Bruch des Verbindungspunkts des Materials der oberen Schicht; Mit zunehmender Festigkeit der unteren Schicht ändert sich der Scherversagensmodus vom Abziehen der Verbindungsstelle zum Bruch der Verbindungsstelle; Ebenso hängt die Scherfestigkeit hauptsächlich von der Festigkeit des Oberschichtmaterials ab und nimmt mit zunehmender Festigkeit des Oberschichtmaterials zu.
Bei gleicher Materialstärke ist die Versagensart der Querspannung das Abziehen der Verbindungsstelle, was nichts mit der Materialqualität zu tun hat; Die Zugbelastung nimmt mit zunehmender Materialfestigkeit ab.
Die Verzahnungstiefe nimmt mit zunehmender Materialbelastung ab, denn je stärker das Material, desto schwieriger ist es für das Material, sich beim Verbinden zu verformen, wodurch die Verzahnung schwieriger wird.
3.4.2 Einfluss der Nietrichtung
Ebenso kann anhand der Daten der ersten vier Kombinationen der Einfluss der Nietrichtung auf die statische Leistung der nagellosen Nietverbindung analysiert werden, wie in Abbildung 10 dargestellt.
Die Verbindungsrichtung beim nagellosen Nieten reicht von hoher Belastung zu geringer Festigkeit. Obwohl es kaum Unterschiede in der Verzahnungstiefe gibt, steigt die Scherbelastung deutlich an. Kombination 1 ist 53,4 Prozent höher als Kombination 2 und Kombination 3 ist 45,6 Prozent höher als Kombination 4; Die Verbindungsrichtung ist hoch. Von der Festigkeit bis zur niedrigen Festigkeit ist der Unterschied in der Verriegelungstiefe zwar nicht groß, die Zugfestigkeit wird jedoch erheblich verringert. Kombination 1 ist 33,6 Prozent niedriger als Kombination 2 und Kombination 3 ist 29,4 Prozent niedriger als Kombination 4.
3.4.3 Einfluss der Materialstärke
Die ausgewählten Kombinations- und Testergebnisdaten sind in Tabelle 7 dargestellt, und der Einfluss der Materialdicke auf die Prozessparameter des nagellosen Nietens und die Bruchfestigkeit bei statischer Last wird verglichen und analysiert.
Aus Tabelle 7 und Abbildung 11 ist ersichtlich, dass für die Scherfestigkeit gilt: Je dicker das Obermaterial, desto größer die Verzahnungstiefe, je größer die Halsdicke, desto höher die Scherfestigkeit. Je dicker das Untermaterial, desto schwieriger ist die Verformung des Obermaterials. Die Eingriffstiefe nimmt zwar zu, aber je dünner die Halsdicke, desto geringer die Scherfestigkeit. Bezüglich der Zugfestigkeit gilt: Je dicker die Ober- und Unterschicht, desto größer die Verzahnungstiefe und desto höher die Zugfestigkeit.
Bild
Um die Scherfestigkeit zu erhöhen, ist daher eine dickere Oberschicht oder eine dünnere Unterschicht erforderlich; Durch die Erhöhung der Dicke der Ober- und Unterschicht kann die Zugfestigkeit erhöht werden.
4. Fazit
A. Obwohl die statische Leistung der nagellosen Nietverbindung geringer ist als die von SPR, kann sie auf den nicht hauptsächlich lasttragenden Bereich der Karosseriestruktur angewendet werden;
B. Die Scherfestigkeit korreliert positiv mit der Festigkeit des Obermaterials; die Zugfestigkeit korreliert negativ mit der Festigkeit des verbindenden Verbundmaterials;
C. Die Nietrichtung verläuft von der hochfesten Platte zur niedrigfesten Platte und die Scherfestigkeit ist höher; Die Nietrichtung verläuft von der Platte mit geringer Festigkeit zur Platte mit hoher Festigkeit, und die Zugfestigkeit ist höher.
D. Die dickere obere Materialstärke und die dünnere untere Materialstärke weisen eine höhere Scherfestigkeit auf; Durch die Erhöhung der oberen und unteren Materialstärke kann die Zugfestigkeit erhöht werden.
