1. Introduction
Avec la publication de la politique "Science and Technology Support Carbon Peak Carbon Neutralization Implementation Plan (2022-2030)", l'allégement des automobiles est devenu une tendance incontournable. L'alliage d'aluminium léger de la carrosserie et l'acier à haute résistance avancé et d'autres matériaux, grâce à une application et une distribution raisonnables, peuvent obtenir une structure de carrosserie plus sûre tout en équilibrant le coût de production de la carrosserie entièrement en aluminium et les coûts de maintenance futurs. C'est le moyen léger le plus efficace pour les véhicules.
Le rivetage sans clou et le rivetage auto-perçant (rivetage auto-perforant, SPR) sont des moyens efficaces pour réaliser la connexion de métaux dissemblables en acier et en aluminium, en particulier le rivetage sans clou, pas besoin de rivets supplémentaires, pas d'augmentation de la qualité du point de connexion, et le coût global de la connexion est inférieur à celui de SPR. Le processus de connexion plus léger est encore au stade du processus et de la recherche expérimentale en Chine et n'a pas été largement utilisé dans la structure du corps. Dans cette étude, les paramètres de processus et les performances statiques de la technologie de rivetage sans clou ont été comparés en combinant des tôles d'acier et d'aluminium avec différentes épaisseurs de matériau, afin de fournir une sélection de matériaux et une référence de conception de connexion pour l'application de la technologie de rivetage sans clou dans la structure de la carrosserie.
2 processus
Le rivetage sans clou est un processus de connexion mécanique par emboutissage, qui utilise la déformation plastique locale de deux ou plusieurs couches de tôle pour compléter le processus d'emboutissage profond et de traitement composite par extrusion, et forme un cercle de contre-dépouille imbriqué au niveau du joint extrudé. Points de connexion en forme ou rectangulaires, de sorte qu'il ait une certaine résistance à la traction et au cisaillement. Le processus de connexion est illustré à la figure 1. Le processus comprend principalement le pré-serrage, l'occlusion, le poinçonnage, le maintien de la pression et l'éjection. Le rivetage sans clou peut être utilisé pour la connexion entre des feuilles identiques ou différentes avec des exigences de collage, de revêtement et d'étanchéité adhésive.
Il y a écrouissage dans le processus de formage du rivetage sans clou, ce qui améliore la limite d'élasticité du matériau et la capacité portante du joint riveté. Les paramètres de profil de la vue en coupe transversale du joint riveté sans clou sont illustrés à la figure 2. Les principaux paramètres sont l'épaisseur du col de la plaque supérieure S1, les plaques supérieure et inférieure Profondeur d'emboîtement du matériau C1, la somme de l'épaisseur inférieure de les tôles supérieure et inférieure au point de raccordement (épaisseur inférieure) ST.
3 Paramètres de processus et propriétés statiques
La recherche sur les paramètres de processus de la connexion rivetée sans clou adopte principalement la méthode Taguchi et le test orthogonal pour évaluer les paramètres de forme tels que l'épaisseur du col et la profondeur d'emboîtement de la vue en coupe du joint, déterminer la direction de rivetage et la combinaison optimale des paramètres de processus ; la recherche sur les performances statiques utilise principalement différents tests de rupture de charge statique en acier de la combinaison de tôles d'aluminium, comparant les propriétés mécaniques de la connexion rivetée sans clou et de la connexion SPR, et analysant l'influence de la qualité du matériau, de la direction de rivetage et de l'épaisseur du matériau sur les propriétés mécaniques du riveté sans clou connexion.
3.1
Matériel et méthodes d'essai
Le matériau d'essai est un alliage d'aluminium de la série 5000, et l'épaisseur du matériau est de 1,0 mm et 1,4 mm, qui sont couramment utilisés dans la structure du corps ; la plaque d'acier est CR3, CR340 et l'épaisseur est de 0,7 mm, 0,8 mm, 1 mm et 1,3 mm;
Les joints rivetés sans clous sont testés pour la résistance au cisaillement et à la traction des joints par des tests de rupture de charge statique. Étant donné que le joint à recouvrement unique est une forme de joint courante dans la structure de la carrosserie, les spécifications de l'échantillon sont illustrées à la figure 3, la taille de l'échantillon de cisaillement est de 85 mm × 35 mm et le joint à recouvrement est de 30 mm ; la taille de l'échantillon de traction transversale est de 120 mm × 35 mm et le diamètre du trou de positionnement est de 10 mm. L'échantillon riveté a été soumis à un test de rupture de charge statique sur une machine de test universelle CMT4304, et la vitesse de l'ensemble du processus de test a été contrôlée à 10 mm/min.
La vue en coupe du joint riveté sans clou est obtenue par coupe au fil du joint d'échantillon, et il est incrusté, poli et corrodé, et les données de paramètre de forme correspondantes de la vue en coupe sont obtenues en observant au microscope optique.
3.2
Sélection des paramètres de processus
3.2.1 Détermination du sens de rivetage pour le rivetage sans clou
Afin de déterminer la direction de rivetage, une plaque d'acier CR3 et un alliage d'aluminium de la série 5000 ont été sélectionnés, et différentes épaisseurs de matériau et directions de rivetage ont été sélectionnées pour évaluer les paramètres de topographie de la vue en coupe du joint riveté sans clou. La valeur de la profondeur d'emboîtement a été utilisée comme base importante pour juger de la qualité du rivetage.
On peut voir dans le tableau 2 ci-dessus que pour les connexions rivetées sans clous acier-aluminium, la même épaisseur de matériau et différentes directions de rivetage peuvent former un meilleur verrouillage, et l'état de verrouillage n'est pas très sensible au matériau ; différentes épaisseurs de matériau, sens de rivetage de mince à Lorsqu'il est plus épais, la profondeur de verrouillage diminue considérablement. Par conséquent, l'épaisseur du matériau est le principal facteur d'influence pour l'emboîtement de la connexion rivetée sans clou, et la direction de la connexion rivetée sans clou va de préférence d'une plaque épaisse à une plaque mince.
3.2.2 Détermination des paramètres du processus de rivetage pour le rivetage sans clou
Les paramètres de processus de la matrice de rivetage sans clou affectent la profondeur de verrouillage du rivetage et la qualité du rivetage. Afin d'obtenir les paramètres de processus optimaux, la méthode de Taguchi est utilisée pour sélectionner la matrice. Plaque en aluminium série 5000 mm.
Les facteurs de contrôle sont respectivement le diamètre du poinçon sélectionné, la profondeur de la matrice et l'épaisseur de la base, et chaque facteur de contrôle a 3 niveaux, voir le tableau 3.
Profondeur du verrouillage en raison de la réponse, facteur de bruit en tant que lubrifiant, symptôme en tant que saillie du joint ou fissures dans la tôle. Utilisez l'outil de liste orthogonale pour optimiser et établir l'expérience orthogonale L9 de la caractéristique de Wangda. Les combinaisons de tests orthogonaux et les résultats des tests sont présentés dans le tableau 4.
On peut voir dans le tableau 4 que la profondeur d'emboîtement du test 5 est la plus grande, il est donc déterminé que les paramètres de processus optimaux pour le rivetage sans clou sont de 5,5 mm de diamètre de poinçon, 1,2 mm de profondeur de matrice et 0. 8 mm d'épaisseur de fond.
3.3
3.3 Comparaison des propriétés mécaniques
Puisqu'il n'y a pas de norme appropriée pour juger des propriétés mécaniques des joints acier-aluminium dans l'industrie, et puisque le SPR a été largement utilisé dans les structures de carrosserie hybrides acier-aluminium, les propriétés mécaniques des joints SPR sont utilisées comme référence pour juger de la mécanique. propriétés des assemblages rivetés sans clous. Dans les conditions de la même épaisseur de matériau et du même type de matériau, un test de rupture de charge statique de cisaillement et de traction transversale au niveau de l'échantillon a été conçu pour mesurer les charges de rupture de cisaillement et de traction de deux méthodes de connexion, le rivetage sans clou et le SPR.
La qualité de la plaque d'acier de l'échantillon d'essai est CR3 et l'épaisseur du matériau est de 0 0,8 mm ; la qualité de l'alliage d'aluminium est de la série 5000 et l'épaisseur du matériau est de 1,4 mm. Les directions de rivetage optimales ont été sélectionnées pour les deux méthodes de connexion, parmi lesquelles le rivetage sans clou était d'épais à fin, et le SPR était de fin à épais et de dur à mou. Il y a 5 échantillons dans chaque groupe d'essais, et les courbes charge-déplacement et les modes de rupture des ruptures de charge de traction et de cisaillement de chaque groupe d'échantillons sont illustrés aux figures 5 à 8.
3.3.1 Analyse de l'essai de rupture sous charge statique de cisaillement
On peut voir sur les figures 5 et 6 que sous l'état de charge de cisaillement, le mode de rupture de la connexion rivetée sans clou est la rupture du col de la plaque supérieure, la charge de rupture maximale est de 1620N, et la rupture moyenne le déplacement est de 0,46 mm ; le mode de défaillance de la connexion SPR est le déchirement de la plaque supérieure, la charge de défaillance maximale est de 2364N et le déplacement de défaillance moyen est de 4,95 mm.
Une analyse plus approfondie montre que sous l'état de charge de cisaillement, les deux ont une certaine absorption d'énergie tampon plastique, et la résistance au cisaillement du joint riveté sans clou atteint 68,5% de SPR, mais le déplacement moyen du joint riveté sans clou est nettement inférieur lorsque le l'échec maximal se produit En termes de SPR, il ne représente que 9,3 % du SPR.
Une analyse plus approfondie montre que sous l'état de charge de traction, la défaillance des joints des deux méthodes de connexion est une rupture fragile, il n'y a pas de zone tampon de déformation plastique, la résistance à la traction du rivetage sans clou est d'environ 60,6% de SPR et le déplacement moyen de l'échec du rivetage sans clou est également inférieur au SPR , atteignant 65% du SPR. En conclusion, par rapport à la connexion SPR, bien que les propriétés mécaniques du joint riveté sans clou soient réduites, il peut être appliqué dans la zone de structure de caisse non porteuse principale.
3.4
Analyse des facteurs affectant les propriétés statiques
Afin d'analyser plus en détail les performances statiques des joints rivetés sans clous, appliquez les joints rivetés sans clous pour former des directives de conception pour la structure de la carrosserie, à partir des trois aspects de la qualité du matériau, de la direction de rivetage et de l'épaisseur du matériau, combinés à une vue en coupe transversale du joint paramètres morphologiques et essais de rupture sous charge statique Les données ont été utilisées pour analyser son influence sur les performances statiques de l'assemblage sans clou acier-aluminium.
La taille de l'échantillon et la méthode de test sont comme ci-dessus. Lors du test, la qualité et l'épaisseur des matériaux courants dans la zone de faible charge de la structure de la carrosserie sont sélectionnées. mm, 1,3 mm, les combinaisons de tests et les résultats des tests sont présentés dans le tableau 5.
3.4.1 Effet de la qualité du matériau
Les quatre premières combinaisons avec une épaisseur de matériau de 1,0mm ont été sélectionnées pour analyser l'influence de la qualité du matériau sur les performances statiques de la connexion rivetée sans clou. Les résultats des tests tels que la force de cisaillement maximale, la force de traction maximale, la valeur de profondeur de verrouillage et le mode de défaillance sont présentés dans le tableau 6.
À partir de l'analyse de la figure 9, on peut voir que le mode de rupture par cisaillement dépend principalement de la résistance de la couche supérieure. Lorsque la résistance de la couche supérieure est supérieure à celle de la couche inférieure, le mode de rupture par cisaillement est généralement la rupture du point de connexion du matériau de la couche supérieure ; Avec l'augmentation de la résistance de la couche inférieure, le mode de rupture par cisaillement passe de l'arrachement du point de connexion à la rupture du point de connexion ; de même, la résistance au cisaillement dépend principalement de la résistance du matériau de la couche supérieure et augmente avec l'augmentation de la résistance du matériau de la couche supérieure.
Sous la même épaisseur de matériau, le mode de rupture de la tension transversale est l'arrachement du point de connexion, qui n'a rien à voir avec la qualité du matériau ; la charge de traction diminue avec l'augmentation de la résistance du matériau.
La profondeur de verrouillage diminue à mesure que la charge du matériau augmente, car plus le matériau est résistant, plus il est difficile pour le matériau de se déformer lors de la connexion, ce qui rend le verrouillage plus difficile.
3.4.2 Effet du sens de rivetage
De même, sur la base des données des quatre premières combinaisons, l'influence de la direction de rivetage sur les performances statiques de la connexion rivetée sans clou peut être analysée, comme le montre la figure 10.
La direction de connexion du rivetage sans clous va de la charge élevée à la faible résistance. Bien qu'il y ait peu de différence dans la profondeur d'emboîtement, la charge de cisaillement augmente considérablement. La combinaison 1 est supérieure de 53,4 % à la combinaison 2 et la combinaison 3 est supérieure de 45,6 % à la combinaison 4 ; la direction de connexion est élevée De la résistance à la faible résistance, bien que la différence de profondeur d'emboîtement ne soit pas grande, la résistance à la traction est considérablement réduite. La combinaison 1 est inférieure de 33,6 % à la combinaison 2 et la combinaison 3 est inférieure de 29,4 % à la combinaison 4.
3.4.3 Effet de l'épaisseur du matériau
La combinaison sélectionnée et les résultats des tests sont présentés dans le tableau 7, et l'influence de l'épaisseur du matériau sur les paramètres du processus de rivetage sans clou et la résistance à la rupture de charge statique est comparée et analysée.
On peut voir d'après le tableau 7 et la figure 11 que, pour la résistance au cisaillement, plus le matériau supérieur est épais, plus la profondeur d'emboîtement est grande, plus l'épaisseur du col est grande, plus la résistance au cisaillement est élevée ; plus le matériau inférieur est épais, plus la déformation du matériau supérieur est difficile, bien que la profondeur de verrouillage augmente, mais plus l'épaisseur du col est faible, plus la résistance au cisaillement est faible. En ce qui concerne la résistance à la traction, plus les couches supérieure et inférieure sont épaisses, plus la profondeur d'emboîtement est grande et plus la résistance à la traction est élevée.
image
Par conséquent, pour augmenter la résistance au cisaillement, une couche supérieure plus épaisse ou une couche inférieure plus fine est nécessaire ; l'augmentation de l'épaisseur des couches supérieure et inférieure peut augmenter la résistance à la traction.
4. Conclusion
un. Bien que les performances statiques de la connexion rivetée sans clou soient inférieures à celles du SPR, elles peuvent être appliquées à la zone de structure de carrosserie non porteuse principale ;
b. La résistance au cisaillement est positivement corrélée à la résistance du matériau supérieur ; la résistance à la traction est négativement corrélée à la résistance du matériau composite de liaison ;
c. La direction de rivetage va de la plaque à haute résistance à la faible résistance, et la résistance au cisaillement est plus élevée; la direction de rivetage va de la plaque à faible résistance à la résistance élevée et la résistance à la traction est plus élevée;
d. L'épaisseur de matériau supérieur plus épaisse et l'épaisseur de matériau inférieur plus mince ont une résistance au cisaillement plus élevée; l'augmentation de l'épaisseur supérieure et inférieure du matériau peut augmenter la résistance à la traction.
