การวิจัยเกี่ยวกับพารามิเตอร์ของกระบวนการและคุณสมบัติทางสถิตของเทคโนโลยีการตอกตะปูเหล็ก-อะลูมิเนียม

1. บทนำ

ด้วยการเปิดตัวนโยบาย "วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีสนับสนุนแผนดำเนินการลดคาร์บอนสูงสุดคาร์บอน (2022-2030)" ทำให้รถยนต์น้ำหนักเบากลายเป็นกระแสที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ อะลูมิเนียมอัลลอยน้ำหนักเบาและเหล็กกล้าความแข็งแรงสูงขั้นสูงและวัสดุอื่นๆ ผ่านการใช้งานและการจัดจำหน่ายที่เหมาะสม สามารถสร้างโครงสร้างตัวถังที่ปลอดภัยยิ่งขึ้น ในขณะเดียวกันก็รักษาสมดุลระหว่างต้นทุนการผลิตของตัวถังอะลูมิเนียมทั้งหมดและค่าบำรุงรักษาในอนาคต เป็นยานพาหนะน้ำหนักเบาที่มีประสิทธิภาพมากที่สุด

การตอกหมุดแบบไม่ใช้ตะปูและการตอกหมุดแบบเจาะเอง (Self-Piercing Riveting, SPR) เป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพในการตระหนักถึงการเชื่อมต่อของเหล็กและอลูมิเนียมโลหะที่แตกต่างกัน โดยเฉพาะอย่างยิ่งการตอกหมุดแบบไม่ใช้ตะปู ไม่ต้องใช้หมุดเพิ่มเติม ไม่เพิ่มคุณภาพของจุดต่อ และ ต้นทุนการเชื่อมต่อโดยรวมต่ำกว่าของ SPR กระบวนการเชื่อมต่อน้ำหนักเบาที่บางลงยังอยู่ในขั้นตอนการวิจัยเชิงทดลองในประเทศจีน และยังไม่มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในโครงสร้างตัวถังรถ ในการศึกษานี้ พารามิเตอร์กระบวนการและประสิทธิภาพคงที่ของเทคโนโลยีการตอกหมุดย้ำแบบไม่ใช้ตะปูถูกเปรียบเทียบโดยการรวมแผ่นเหล็กและอะลูมิเนียมที่มีความหนาของวัสดุต่างกัน เพื่อให้มีการอ้างอิงการเลือกวัสดุและการออกแบบการเชื่อมต่อสำหรับการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีการตอกหมุดแบบไม่ใช้ตะปูในโครงสร้างตัวถัง

2 กระบวนการ

การตอกตะปูแบบไม่ใช้ตะปูเป็นกระบวนการเชื่อมต่อเชิงกลปั๊ม ซึ่งใช้การเปลี่ยนรูปพลาสติกเฉพาะที่ของแผ่นโลหะตั้งแต่ 2 ชั้นขึ้นไปเพื่อให้กระบวนการขึ้นรูปลึกและการประมวลผลคอมโพสิตอัดขึ้นรูป และสร้างวงกลมอันเดอร์คัตที่เชื่อมต่อกันที่รอยต่อที่อัดขึ้นรูป จุดเชื่อมต่อที่มีรูปร่างหรือสี่เหลี่ยมเพื่อให้มีความต้านทานแรงดึงและความต้านทานแรงเฉือน กระบวนการเชื่อมต่อแสดงในรูปที่ 1 กระบวนการส่วนใหญ่ประกอบด้วยการขันล่วงหน้า การบดเคี้ยว การเจาะ การเก็บแรงกด และการดีดออก การตอกตะปูแบบไม่ใช้ตะปูสามารถใช้สำหรับการเชื่อมต่อระหว่างแผ่นเดียวกันหรือต่างกันที่มีข้อกำหนดในการติดกาว การเคลือบ และการปิดผนึกด้วยกาว

มีการชุบแข็งในกระบวนการขึ้นรูปของหมุดย้ำแบบไม่ใช้ตะปู ซึ่งช่วยเพิ่มกำลังรับแรงของวัสดุและความสามารถในการรับน้ำหนักของข้อต่อหมุดย้ำ พารามิเตอร์โปรไฟล์ของมุมมองภาคตัดขวางของข้อต่อตอกหมุดแบบไม่ใช้ตะปูแสดงในรูปที่ 2 พารามิเตอร์หลักคือความหนาของคอแผ่นบน S1 แผ่นบนและล่าง วัสดุประสานความลึก C1 ผลรวมของความหนาด้านล่างของ แผ่นบนและล่างที่จุดเชื่อมต่อ (ความหนาด้านล่าง) ST.

3 พารามิเตอร์กระบวนการและคุณสมบัติคงที่

การวิจัยเกี่ยวกับพารามิเตอร์กระบวนการของการต่อรีเวทแบบไม่ใช้ตะปูส่วนใหญ่ใช้วิธีทากุจิและการทดสอบมุมฉากเพื่อประเมินพารามิเตอร์รูปร่าง เช่น ความหนาของคอและความลึกในการประสานของมุมมองส่วนต่อ กำหนดทิศทางการรีสขอและการผสมผสานที่เหมาะสมที่สุดของพารามิเตอร์กระบวนการ ; การวิจัยประสิทธิภาพแบบคงที่ส่วนใหญ่ใช้เหล็กที่แตกต่างกัน การทดสอบความล้มเหลวของโหลดแบบคงที่ของการรวมกันของแผ่นอลูมิเนียม การเปรียบเทียบคุณสมบัติเชิงกลของการเชื่อมต่อแบบตอกหมุดแบบไม่ใช้ตะปูและการเชื่อมต่อแบบ SPR และวิเคราะห์อิทธิพลของเกรดวัสดุ ทิศทางการตอกหมุด และความหนาของวัสดุต่อคุณสมบัติเชิงกลของหมุดย้ำแบบไม่ใช้ตะปู การเชื่อมต่อ.

3.1

วัสดุและวิธีการทดสอบ

วัสดุที่ใช้ทดสอบคืออะลูมิเนียมอัลลอยซีรีส์ 5000 และความหนาของวัสดุคือ 1.0 มม. และ 1.4 มม. ซึ่งมักใช้ในโครงสร้างตัวถัง แผ่นเหล็กคือ CR3, CR340 และความหนา 0.7 มม. 0.8 มม. 1 มม. และ 1.3 มม.

ข้อต่อตอกหมุดแบบไม่ใช้ตะปูได้รับการทดสอบสำหรับแรงเฉือนและความต้านทานแรงดึงของข้อต่อโดยการทดสอบความล้มเหลวของโหลดแบบคงที่ เนื่องจากข้อต่อรอบเดียวเป็นรูปแบบข้อต่อทั่วไปในโครงสร้างตัวถัง ข้อมูลจำเพาะของตัวอย่างแสดงในรูปที่ 3 ขนาดตัวอย่างเฉือนคือ 85 มม. x 35 มม. และข้อต่อรอบคือ 30 มม. ขนาดตัวอย่างแรงดึงข้ามคือ 120 มม. × 35 มม. และเส้นผ่านศูนย์กลางของรูกำหนดตำแหน่งคือ 10 มม. ตัวอย่างที่ตอกตรึงอยู่ภายใต้การทดสอบความล้มเหลวของโหลดแบบสถิตบนเครื่องทดสอบสากล CMT4304 และความเร็วของกระบวนการทดสอบทั้งหมดถูกควบคุมที่ 10 มม./นาที

ภาพตัดขวางของรอยต่อแบบไม่ใช้ตะปูตอกหมุดได้มาจากการตัดลวดของรอยต่อตัวอย่าง และมีการฝัง ขัดเงา และสึกกร่อน และข้อมูลพารามิเตอร์รูปร่างที่สอดคล้องกันของมุมมองแบบตัดขวางได้จากการสังเกตภายใต้กล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสง

3.2

การเลือกพารามิเตอร์ของกระบวนการ

3.2.1 การกำหนดทิศทางการโลดโผนสำหรับการโลดโผนแบบไม่ใช้ตะปู

เพื่อกำหนดทิศทางการโลดโผน จึงได้เลือกแผ่นเหล็ก CR3 และอะลูมิเนียมอัลลอย 5000 ซีรีส์ และเลือกความหนาของวัสดุและทิศทางโลดโผนที่แตกต่างกันเพื่อประเมินค่าพารามิเตอร์ภูมิประเทศของมุมมองส่วนของข้อต่อรีเวทแบบไม่ใช้ตะปู ค่าความลึกของการประสานถูกใช้เป็นเกณฑ์สำคัญในการตัดสินคุณภาพการตอกหมุด

ดังจะเห็นได้จากตารางที่ 2 ด้านบนว่าสำหรับการเชื่อมต่อแบบตอกหมุดเหล็ก-อะลูมิเนียมแบบไม่ใช้ตะปู ความหนาของวัสดุเดียวกันและทิศทางการตอกหมุดที่แตกต่างกันสามารถสร้างการประสานที่ดีกว่า และสถานะการประสานจะไม่ไวต่อวัสดุมากนัก ความหนาของวัสดุต่างกัน ทิศทางการโลดโผนจากบางเป็น เมื่อหนาขึ้น ความลึกของอินเตอร์ล็อกจะลดลงอย่างมาก ดังนั้น ความหนาของวัสดุจึงเป็นปัจจัยหลักที่มีอิทธิพลต่อการประสานของการเชื่อมต่อแบบตอกหมุดแบบไม่ใช้ตะปู และทิศทางของการเชื่อมต่อแบบตอกหมุดแบบไม่ใช้ตะปูควรเปลี่ยนจากแผ่นหนาไปยังแผ่นบาง

3.2.2 การกำหนดพารามิเตอร์กระบวนการโลดโผนสำหรับการโลดโผนแบบไม่ใช้ตะปู

พารามิเตอร์กระบวนการของดายโลดโผนแบบไม่ใช้ตะปูส่งผลต่อความลึกของอินเตอร์ล็อกโลดโผนและคุณภาพการโลดโผน เพื่อให้ได้พารามิเตอร์กระบวนการที่เหมาะสมที่สุด วิธีการของ Taguchi จะถูกใช้เพื่อเลือกแม่พิมพ์ แผ่นอะลูมิเนียมซีรีส์ 5000 มม.

ปัจจัยควบคุมจะถูกเลือกตามลำดับเส้นผ่านศูนย์กลางของพั้นช์ ความลึกของดาย และความหนาของฐาน และปัจจัยควบคุมแต่ละตัวมี 3 ระดับ ดูตารางที่ 3

ความลึกของอินเทอร์ล็อคอันเป็นผลมาจากการตอบสนอง ปัจจัยด้านเสียงในฐานะสารหล่อลื่น อาการที่เป็นส่วนยื่นออกมาหรือรอยแตกในแผ่น ใช้เครื่องมือรายการมุมฉากเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพ และสร้างการทดลองมุมฉาก L9 ของคุณลักษณะ Wangda ชุดค่าผสมของการทดสอบมุมฉากและผลการทดสอบแสดงในตารางที่ 4

สามารถดูได้จากตารางที่ 4 ว่าความลึกของการประสานของการทดสอบ 5 นั้นใหญ่ที่สุด ดังนั้นจึงมีการพิจารณาว่าพารามิเตอร์กระบวนการที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการตอกหมุดย้ำแบบไม่ใช้ตะปูคือเส้นผ่านศูนย์กลางการเจาะ 5.5 มม. ความลึกของแม่พิมพ์ 1.2 มม. และ 0 ความหนาด้านล่าง 8 มม.

3.3

3.3 การเปรียบเทียบคุณสมบัติทางกล

เนื่องจากไม่มีมาตรฐานที่เหมาะสมในการตัดสินคุณสมบัติเชิงกลของข้อต่อเหล็ก-อะลูมิเนียมในอุตสาหกรรม และเนื่องจาก SPR ถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายในโครงสร้างตัวถังแบบผสมระหว่างเหล็ก-อะลูมิเนียม จึงใช้คุณสมบัติเชิงกลของข้อต่อ SPR เป็นเกณฑ์มาตรฐานในการตัดสินคุณสมบัติทางกล คุณสมบัติของข้อต่อตอกหมุดแบบไม่ใช้ตะปู ภายใต้เงื่อนไขของความหนาของวัสดุและประเภทวัสดุเดียวกัน การทดสอบแรงเฉือนร่วมระดับตัวอย่างและการทดสอบความล้มเหลวของโหลดคงที่แบบแรงดึงข้ามได้รับการออกแบบเพื่อวัดค่าแรงเฉือนและความล้มเหลวของแรงดึงของวิธีการเชื่อมต่อสองวิธี การตอกตะปูแบบไม่ใช้ตะปูและ SPR

เกรดของแผ่นเหล็กตัวอย่างทดสอบคือ CR3 และความหนาของวัสดุคือ 0.8 มม. เกรดอลูมิเนียมอัลลอยด์คือ 5000 ซีรีส์และความหนาของวัสดุคือ 1.4 มม. เลือกทิศทางการตอกหมุดที่เหมาะสมที่สุดสำหรับวิธีการเชื่อมต่อสองวิธี ซึ่งระหว่างนั้นการตอกหมุดแบบไม่ใช้ตะปูคือจากหนาไปบาง และ SPR จากบางไปหนา และจากแข็งไปอ่อน มี 5 ตัวอย่างในแต่ละกลุ่มของการทดสอบ และเส้นโค้งการแทนที่ของโหลดและโหมดความล้มเหลวของความล้มเหลวของแรงดึงและแรงเฉือนของแต่ละกลุ่มตัวอย่างแสดงในรูปที่ 5 ถึง 8

3.3.1 การวิเคราะห์การทดสอบความล้มเหลวของโหลดสถิตเฉือน

จะเห็นได้จากรูปที่ 5 และ 6 ว่าภายใต้สถานะโหลดเฉือน โหมดความล้มเหลวของการเชื่อมต่อแบบตอกหมุดแบบไม่ใช้ตะปูคือการแตกหักที่คอของเพลตด้านบน โหลดความล้มเหลวสูงสุดคือ 1620N และค่าเฉลี่ยความล้มเหลว การกระจัดคือ 0.46 มม. โหมดความล้มเหลวของการเชื่อมต่อ SPR คือการฉีกขาดของแผ่นด้านบน โหลดความล้มเหลวสูงสุดคือ 2364N และการเคลื่อนที่ของความล้มเหลวโดยเฉลี่ยคือ 4.95 มม.

การวิเคราะห์เพิ่มเติมแสดงให้เห็นว่าภายใต้สถานะโหลดแรงเฉือน ทั้งสองมีการดูดซับพลังงานบัฟเฟอร์พลาสติกบางอย่าง และกำลังรับแรงเฉือนของข้อต่อตรึงแบบไม่ใช้ตะปูสูงถึงร้อยละ 68.5 ของ SPR แต่การเคลื่อนตัวโดยเฉลี่ยของข้อต่อแบบตอกหมุดแบบไม่ใช้ตะปูจะต่ำกว่าอย่างมีนัยสำคัญเมื่อ เกิดความล้มเหลวสูงสุด ในแง่ของ SPR มีเพียง 9.3 เปอร์เซ็นต์ของ SPR

การวิเคราะห์เพิ่มเติมแสดงให้เห็นว่าภายใต้สถานะโหลดแรงดึง ความล้มเหลวของข้อต่อของวิธีการเชื่อมต่อทั้งสองคือการแตกหักแบบเปราะ ไม่มีพื้นที่กันชนพลาสติกที่เสียรูป ความต้านทานแรงดึงของการตอกตะปูแบบไม่ใช้ตะปูอยู่ที่ประมาณ 60.6 เปอร์เซ็นต์ของ SPR และการเคลื่อนตัวโดยเฉลี่ยของ ความล้มเหลวในการโลดโผนแบบไม่ใช้ตะปูยังต่ำกว่า SPR ซึ่งสูงถึง 65 เปอร์เซ็นต์ของ SPR โดยสรุป เมื่อเทียบกับการเชื่อมต่อแบบ SPR แม้ว่าคุณสมบัติเชิงกลของข้อต่อแบบตอกหมุดย้ำแบบไม่ใช้ตะปูจะลดลง แต่ก็สามารถนำไปใช้ในพื้นที่โครงสร้างตัวถังรับน้ำหนักที่ไม่ใช่ตัวหลักได้

3.4

การวิเคราะห์ปัจจัยที่มีผลต่อคุณสมบัติทางสถิต

เพื่อวิเคราะห์ประสิทธิภาพคงที่ของข้อต่อแบบตอกหมุดแบบไม่ใช้ตะปูเพิ่มเติม ให้ใช้ข้อต่อแบบตอกหมุดแบบไม่ใช้ตะปูเพื่อสร้างแนวทางการออกแบบสำหรับโครงสร้างตัวถัง จากสามด้านของเกรดวัสดุ ทิศทางการตอกหมุด และความหนาของวัสดุ รวมกับมุมมองภาคตัดขวางของข้อต่อ พารามิเตอร์ทางสัณฐานวิทยาและการทดสอบความล้มเหลวของโหลดแบบคงที่ ข้อมูลนี้ถูกนำมาใช้เพื่อวิเคราะห์อิทธิพลของมันที่มีต่อประสิทธิภาพการทำงานแบบคงที่ของการเชื่อมต่อแบบไม่ใช้ตะปูเหล็ก-อะลูมิเนียม

ขนาดตัวอย่างและวิธีการทดสอบมีดังต่อไปนี้ ในการทดสอบ จะเลือกเกรดและความหนาของวัสดุทั่วไปในพื้นที่โหลดต่ำของโครงสร้างตัวถังรถ มม. 1.3 มม. ชุดทดสอบและผลการทดสอบแสดงในตารางที่ 5

3.4.1 ผลกระทบของเกรดวัสดุ

สี่ชุดแรกที่มีความหนาของวัสดุ 1.{1}}มม. ถูกเลือกเพื่อวิเคราะห์อิทธิพลของเกรดวัสดุที่มีต่อประสิทธิภาพคงที่ของการเชื่อมต่อแบบตอกหมุดแบบไม่ใช้ตะปู ผลการทดสอบ เช่น แรงเฉือนสูงสุด แรงดึงสูงสุด ค่าความลึกของอินเทอร์ล็อก และโหมดความล้มเหลวแสดงในตารางที่ 6

จากการวิเคราะห์ในรูปที่ 9 จะเห็นได้ว่าโหมดความล้มเหลวของแรงเฉือนขึ้นอยู่กับความแข็งแรงของชั้นบนเป็นหลัก เมื่อความแข็งแรงของชั้นบนสูงกว่าของชั้นล่าง โหมดความล้มเหลวของแรงเฉือนโดยทั่วไปคือการแตกหักของจุดเชื่อมต่อของวัสดุชั้นบน ด้วยการเพิ่มความแข็งแรงของชั้นล่าง โหมดความล้มเหลวของแรงเฉือนจะเปลี่ยนจากการดึงออกของจุดต่อเป็นการแตกหักของจุดต่อ ในทำนองเดียวกัน แรงเฉือนส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับความแข็งแรงของวัสดุชั้นบน และเพิ่มขึ้นตามการเพิ่มขึ้นของความแข็งแรงของวัสดุชั้นบน

ภายใต้ความหนาของวัสดุเดียวกัน โหมดความล้มเหลวของแรงดึงข้ามคือการดึงออกของจุดเชื่อมต่อ ซึ่งไม่เกี่ยวข้องกับเกรดวัสดุ แรงดึงจะลดลงตามการเพิ่มความแข็งแรงของวัสดุ

ความลึกของอินเทอร์ล็อคจะลดลงเมื่อโหลดวัสดุเพิ่มขึ้น เนื่องจากยิ่งวัสดุมีความแข็งแรงมากเท่าใด วัสดุก็จะเปลี่ยนรูประหว่างการเชื่อมต่อได้ยากขึ้นเท่านั้น ทำให้อินเทอร์ล็อคทำได้ยากขึ้น

3.4.2 ผลของการโลดโผนทิศทาง

ในทำนองเดียวกัน จากข้อมูลของชุดค่าผสมสี่ชุดแรก สามารถวิเคราะห์อิทธิพลของทิศทางการตอกหมุดต่อประสิทธิภาพคงที่ของการเชื่อมต่อแบบตอกหมุดแบบไม่ใช้ตะปูดังแสดงในรูปที่ 10

ทิศทางการเชื่อมต่อของหมุดย้ำแบบไม่ใช้ตะปูคือจากโหลดสูงไปยังแรงยึดต่ำ แม้ว่าความลึกของการประสานจะมีความแตกต่างกันเพียงเล็กน้อย แต่ภาระเฉือนจะเพิ่มขึ้นอย่างมาก ชุดค่าผสม 1 สูงกว่าชุดค่าผสม 2 ถึง 53.4 เปอร์เซ็นต์ และชุดค่าผสม 3 สูงกว่าชุดค่าผสม 4 ถึง 45.6 เปอร์เซ็นต์; ทิศทางการเชื่อมต่อสูงจากความแข็งแรงถึงความแข็งแรงต่ำ แม้ว่าความแตกต่างของความลึกที่เชื่อมต่อกันจะไม่มากนัก แต่ความต้านทานแรงดึงจะลดลงอย่างมาก ชุดค่าผสม 1 ต่ำกว่าชุดค่าผสม 2 ถึง 33.6 เปอร์เซ็นต์ และชุดค่าผสม 3 ต่ำกว่าชุดค่าผสม 4 ถึง 29.4 เปอร์เซ็นต์

3.4.3 ผลกระทบของความหนาของวัสดุ

ข้อมูลชุดค่าผสมที่เลือกและผลการทดสอบแสดงในตารางที่ 7 และเปรียบเทียบและวิเคราะห์อิทธิพลของความหนาของวัสดุต่อพารามิเตอร์กระบวนการตอกหมุดแบบไม่ใช้ตะปูและความแข็งแรงของโหลดแบบคงที่

ดังจะเห็นได้จากตารางที่ 7 และรูปที่ 11 สำหรับค่ากำลังรับแรงเฉือน วัสดุส่วนบนที่หนาขึ้น ความลึกในการประสานก็จะยิ่งมากขึ้น ความหนาของส่วนคอก็จะยิ่งมากขึ้น กำลังรับแรงเฉือนก็จะยิ่งสูงขึ้น ยิ่งวัสดุด้านล่างหนาขึ้น การเสียรูปของวัสดุด้านบนก็จะยิ่งยากขึ้น แม้ว่าความลึกของอินเทอร์ล็อคจะเพิ่มขึ้น แต่ความหนาของคอที่บางลง ความแข็งแรงเฉือนก็จะยิ่งลดลง ในด้านความต้านทานแรงดึง ยิ่งชั้นบนและชั้นล่างหนามากเท่าใด ความลึกในการประสานก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น และความต้านทานแรงดึงก็จะยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น

รูปภาพ
ดังนั้นเพื่อเพิ่มกำลังรับแรงเฉือน จึงจำเป็นต้องใช้ชั้นบนที่หนาขึ้นหรือชั้นล่างที่บางลง การเพิ่มความหนาของชั้นบนและชั้นล่างสามารถเพิ่มความต้านทานแรงดึงได้

4 บทสรุป

ก. แม้ว่าประสิทธิภาพคงที่ของการเชื่อมต่อแบบตอกหมุดแบบไม่ใช้ตะปูจะต่ำกว่าของ SPR แต่ก็สามารถนำไปใช้กับพื้นที่โครงสร้างตัวถังที่รับน้ำหนักที่ไม่ใช่หลักได้

ข. แรงเฉือนมีความสัมพันธ์ทางบวกกับความแข็งแรงของวัสดุส่วนบน ความต้านทานแรงดึงมีความสัมพันธ์เชิงลบกับความแข็งแรงของวัสดุผสมที่เชื่อมต่อ

ค. ทิศทางการโลดโผนคือจากแผ่นความแข็งแรงสูงไปยังความแข็งแรงต่ำ และกำลังรับแรงเฉือนจะสูงขึ้น ทิศทางการโลดโผนคือจากแผ่นที่มีความแข็งแรงต่ำไปจนถึงความแข็งแรงสูงและความต้านทานแรงดึงจะสูงขึ้น

ง. ความหนาของวัสดุด้านบนที่หนากว่าและความหนาของวัสดุด้านล่างที่บางกว่าจะมีกำลังรับแรงเฉือนสูงกว่า การเพิ่มความหนาของวัสดุด้านบนและด้านล่างสามารถเพิ่มความต้านทานแรงดึงได้