Многие отрасли промышленности создают инновационные проекты разработки материалов и технологий производства крепежа. Для этой цели использование деталей, изготовленных из таких материалов, как автомобильные, авиационные, пластиковые, композитные, легкосплавные и стальные, увеличивается день ото дня. В результате возникает проблема соединения этих деталей из разных материалов.
Было проведено исследование способа крепления крепежа из среднеуглеродистой стали к листовому металлу из алюминиевого сплава. Для этой цели были определены определенные критерии проектирования, чтобы получить промышленно инновационное решение, и моделирование было выполнено методом конечных элементов в соответствии с этими критериями. В то же время данные, полученные при моделировании, были подтверждены экспериментальными исследованиями.
Крепеж или техника встречаются почти в каждом продукте, который мы видим в нашей повседневной жизни. Похоже, что функция крепежных элементов или технологий на изделии в основном заключается в постоянном или разрешимом соединении одного или нескольких компонентов изделия. Эта функция разработана разработчиком продукта или разработчиками продукта в соответствии с их предполагаемым использованием, прочностью, стоимостью, методами производства и т. Д. Это определяется с учетом.
Чтобы разрешить вышеупомянутую ситуацию через проблему постоянного соединения стального болта с листовым металлом из алюминиевого сплава, решения, предлагаемые общепринятыми современными технологиями соединения, включают:
Обычные способы плавления, которые широко используются в автомобильной промышленности, широко используются при соединении деталей, изготовленных из одних и тех же материалов. Однако, когда это тот случай, когда болт из стали соединяет его с листовым металлом из алюминия, этот метод не может обеспечить решение. Потому что большая разница между точками плавления стали и алюминиевых материалов препятствует проникновению при сварке [1-2]. Для решения этой проблемы со сваркой болт также должен быть изготовлен из алюминия. Это обеспечивает очень дорогое решение с точки зрения удельной стоимости. Кроме того, учитывая слой оксида алюминия, сформированный на поверхности алюминиевых сплавов, и другие параметры процесса, связанные со сваркой, В условиях управляемого процесса возникает сложная структура [3]. Кроме того, некоторые механические проблемы могут возникать в областях под воздействием тепла (ITAB), которые возникают во время сварки [4].
Для этой проблемы была разработана технология самозажимного соединения, где способы соединения из метода плавления не могут обеспечить решение. В этом методе болт особой геометрии соединяется под определенной нагрузкой в предварительно просверленном или предварительно отформованном листе. Во время соединения либо листовой металл, либо крепеж пластически деформируются. В результате деформации болт крепится к листовому металлу и формируется структура, которая противостоит осевым усилиям извлечения или крутящим моментам [5]. Этот метод обеспечивает более экономичное решение с точки зрения начальных инвестиций и эксплуатационных расходов по сравнению с комбинациями, основанными на методе плавления в целом [6].
Целью данного исследования является внедрение нового метода, основанного на принципе самозажимного соединения. Отличительная особенность этого метода, который планируется разработать из существующих самозажимных крепежных элементов, заключается в том, что он обеспечивает соединение с листовым металлом без сверления каких-либо отверстий и не требует предварительной обработки. Кроме того, планируется разработать структуру, которая устранит необходимость в дополнительных материалах, таких как резиновые или жидкие прокладки, особенно для областей, где требуется герметизация, путем обеспечения определенного поперечного сечения по толщине стенки листового металла после фиксации. В этом смысле процесс разработки этого запатентованного процесса с использованием метода конечных элементов обсуждается в этой статье.
МАТЕРИАЛ И МЕТОД
Основные критерии проектирования метода соединения, который планируется разработать в рамках данного исследования, заключаются в следующем: Разрабатываемая геометрия болта и метод соединения исключают необходимость сверления любых передних отверстий в листовом металле. Кроме того, в результате фиксации на задней поверхности листа останется запечатанный участок. Толщина обнаруживаемого листового металла будет состоять из 2 мм и материала из листового металла AA1050A и H14, подвергнутого термообработке из алюминиевого сплава и болтов типа M6 и среднеуглеродистой холоднотянутой стали AISI1050 в качестве материала.
Визуальные представления о концепции модели самозажимного болта приведены на рисунке 1. В этой конструкции введена базовая геометрия, которая минимизирует поверхность контакта крепежа с листовым металлом. Кроме того, после формования обеспечивается пространство ворса, которое будет противостоять осевым силам удаления, накапливаясь на крепежном элементе из листового металла. Точно так же геометрия головки, показанная на рисунке 1, была определена для того, чтобы противостоять моментам осевого вращения, которым болт будет подвергаться из разъемных точек соединения после фиксации. Другая функция этой геометрии состоит в том, что она соответствует нагрузке, которая должна быть приложена для фиксации, и направляет листовой металл, деформированный этой нагрузкой, в осевой зазор для удаления. В результате этого процесса крепления винтовые части болта будут доступны для разъемной точки подключения. Таким образом, деталь, которая должна быть прикреплена здесь, может быть соединена с помощью стандартной гайки, и, если необходимо, гайка будет удалена, и будет возможна разборка детали.
Компоненты процесса обнаружения, разработанные в рамках исследования, показаны на рисунке 2. Эти; Он состоит из болта, листовой металла, штапеля для направления болта с силой, приложенной в направлении металлического листа и направлении металла деформации листа, и нижней опорной части, которая ссылается на все компоненты процесса, чтобы предотвратить пружинную поддержку листового металла в процессе деформации.
Процесс в основном начинается с приложения силы к пуансону в направлении -Z, показанном на рисунке 2. Прилагаемое усилие передается на головку болта посредством толкателя, который позволяет болту деформировать листовой металл. Деформированный листовой металл укладывают в направлении внутреннего диаметра круга. Листовой металл, деформированный на определенном этапе деформации, направляется в свайное пространство в болте с помощью пуансона. Точно так же он заполняет геометрию, которая открыта, чтобы противостоять вращающему моменту. В результате этой операции выполняется операция фиксации, которая противостоит как осевым силам удаления, так и моментам осевого вращения (рис. 3). Благодаря этой операции фиксации отпадает необходимость в предварительной форме или пробойнике для фиксации болта.
Следуя концепции дизайна процесса и данных его подкомпонентов в 3D, валидация этого процесса проводилась методами конечных элементов. Для этого использовалась пакетная программа MSC Simufact-Forming. В качестве материала болта была выбрана холоднотянутая среднеуглеродистая сталь AISI 1050, и этот материал был подвергнут испытанию на растяжение для создания данных материала при его моделировании с использованием метода конечных элементов. Размеры образца стержня, подвергнутого испытанию на растяжение, приведены на рисунке 4. Этот образец был изготовлен на универсальном станке с ЧПУ, а испытание на растяжение проводилось на электромеханическом устройстве для испытания на растяжение-сжатие при нагрузке 250 кН. Кроме того, образец был испытан при скорости деформации 10-3 л / с. Полученные данные были перенесены в модель SEY.
Данные AA1050A H14 Материал из алюминиевого сплава, выбранный в качестве материала листового металла, были выбраны в программной библиотеке Simufact. Данные материала определяли в соответствии с уравнением GMT, приведенным в таблице-1, при температуре 20 ° C и скорости деформации 10-2 л / с. Концептуально разработанный процесс был смоделирован с помощью SEY с использованием программы MSC Simufact-Forming. Компоненты моделирования методом конечных элементов приведены на рисунке 5. Соответственно, процесс моделируется в 3D и с использованием симметричной геометрии в сечении 90 °. Кроме того, винтовые части болтового компонента не включены в процесс. Детали из листового металла и болта связаны сплошной призматической сетчатой структурой. Утончение сетки проводилось, особенно в деформируемых частях листа (рис. 5.а). Также, алгоритм адаптивной сети. Таким образом, это направлено на предотвращение возможного ухудшения геометрии сети на более поздних этапах процесса. Компоненты скобы, нижней опоры и круга находятся строго. Межкомпонентное трение определяется как постоянное при подходе Билинейера-Кулона и в пределах допуска 0,04. Все моделирование и разрешение SEY выполнялись на компьютере с процессором Intel I7-8750H и оперативной памятью 16 ГБ.
Созданная модель SEY была решена с помощью программы MSC Marc. В процесс был введен линейный пресс, и скорость пресса была выбрана равной 1 мм / с. Эта скорость была аналогичным образом использована в экспериментальных исследованиях. Экспериментальные исследования проводились на электромеханическом двухтактном испытательном устройстве с нагрузкой 250 кН. Графики нагрузки и хода регистрировались в ходе экспериментальных исследований. Эти записи были сопоставлены с результатами, полученными из модели SEY. В то же время были взяты образцы экспериментальных исследований и сравнены с моделью SEY. В результате этих исследований модель SEY была предоставлена для поддержки экспериментальных данных. Кроме того, сталь DIN 1.2379 была выбрана для нижней опоры, пуансона и кольца, которые являются другими компонентами процесса.
ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ
Графики относительного удлинения для стали AISI 1050, используемой при изготовлении болтов, приведены на рисунке 6. Кроме того, механические характеристики материалов приведены в таблице 2. Соответственно, когда рассматриваются механические свойства материала болта, следует понимать, что предел текучести составляет 595 МПа, предел прочности при растяжении составляет 610 МПа, а предел прочности при растяжении составляет 15% (Таблица-2). Эти значения показывают, что рассматриваемая сталь обладает достаточной прочностью, пластичностью и ударной вязкостью. Соответственно, можно сказать, что механические свойства материала AISI 1050 позволяют использовать его как в способах механической обработки, так и в способах формования металлических масс, таких как поковки. Также понятно, что значения механической прочности, обеспечиваемые рассматриваемой сталью, близки к 8,8 в классах прочности болтов, указанных в стандарте ISO 898. Данные из библиотеки материалов программы MSC Simufact-Forming для листового металла AA1050A H14 были выбраны из функции GMT для 20 ° C и перенесены в модель SEY. Этот рисунок приведен на рисунке 7.
Концептуальный дизайн процесса и компоненты этой конструкции, указанные на рисунке 2, изготавливаются методами механической обработки. Были определены отклонения в размерах этих изготовленных компонентов прототипа. Данные 3D были пересмотрены в соответствии с полученными отклонениями. Пересмотренные данные были перенесены в модель SEY, показанную на рисунке 5, и анализ был проведен. Точно так же экспериментальная установка была подготовлена согласно компонентам процесса, показанным на рисунке 2. В этой экспериментальной установке были проведены процессы фиксации. В процессе определения были получены графики хода нагрузки. Имитация модели SEY была достигнута с помощью полученных графиков хода нагрузки. Для этого предусмотрена диверсификация параметров модели SEY, таких как размер сетки, коэффициент трения и сходство с данными экспериментальных данных.
Наиболее подходящий график, полученный из модели SEY с графиками хода нагрузки, полученными из экспериментальных исследований, показан на рисунке 8. Когда исследуется связанный график, наблюдается, что процесс демонстрирует 3 различных кривых графика. Было видно, что экспериментальный график между 0-0,5 мм показал некоторую неравномерность при отклонении от линейности из-за межкомпонентного зазора и упругой деформации. Наблюдается, что увеличение нагрузки уменьшается в пределах 0,5-1,0 мм. Понятно, что после 1,0 мм крутизна наклона увеличилась, а нагрузка увеличилась, а также была разница в наклоне между моделью SEY и экспериментальными графиками.
Срезы были взяты из образцов определенного болта и листового металла, полученных из экспериментальной и SEY моделей. Поверхности этих полученных срезов были изучены, и эти два данных были сопоставлены друг с другом. Это сравнение приведено на рисунке 9. Соответственно, в результате деформации наблюдаются, что профили заполнения листового металла в геометрии болта осевого зачистного зазора в обоих случаях в значительной степени схожи. В обоих случаях можно видеть, что некоторый изгиб болта в зоне передачи нагрузки и этот наклон вызывают деформацию в соответствующей области в конечной точке заполнения листа.
Как в экспериментальных исследованиях, так и в исследованиях SEY подтверждается, что для закрепления рассматриваемого процесса на пластине из листового металла нет необходимости в каких-либо операциях сверления или предварительного бурения. Кроме того, было замечено, что на листе не происходит подпружинения, если его наносили более одного раза на листовую пластину (рис. 10). Другими словами, понятно, что разработанный процесс позволяет повторять процессы обнаружения. Таким образом, видно, что он имеет инфраструктуру, которая обеспечит промышленную возможность быстрого обнаружения.
ОБСУЖДЕНИЯ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ
В рамках исследования была разработана технология самозажимного соединения для создания растворимой точки соединения с листовой металлической пластиной. Самое большое преимущество этой разработанной методики по сравнению с существующими решениями состоит в том, что она позволяет закреплять без какой-либо предварительной обработки (такой как сверление или создание заготовки) на листовой металлической пластине и устраняет необходимость в дополнительных материалах для применений, где требуется герметизация. Этот процесс обнаружения был смоделирован с помощью SEY, и в то же время эта модель была подтверждена экспериментальными исследованиями.
Когда были изучены графики нагрузок и ударов, полученные в ходе исследований, было отмечено, что процесс отображал в основном 3 разных символа (Рисунок-8). Соответственно, наблюдается, что скорость увеличения нагрузки увеличивается с большей скоростью в области, где график показывает окончательную характеристику наклона (ход> 1 мм) по сравнению с другими точками кривой. В результате этой ситуации выясняется, что конечный ход фиксации и нагрузка процесса важны. Поскольку объем, по которому деформированный материал может течь после заполнения в точке заполнения, ограничен. В результате этой ситуации считается, что гидростатическое напряжение увеличивается, а напряжение сдвига уменьшается во время деформации. В результате образование зон мертвого металла можно увидеть на листовом металле.
Наблюдалось, что в последней области графиков ходов нагрузки, полученных из экспериментальной модели и модели SEY, была разница в наклонах кривой. Считается, что увеличение деформации и уплотнение материала может быть вызвано невозможностью точно отразиться на модели SEY. Таким образом, могут быть проведены испытания, касающиеся данных о материале и механических свойств материала, и рассматриваемая ситуация может быть рассмотрена снова.
