Embed Size (px)
Citation preview
4-2010 PROBLEMY EKSPLOATACJI – MAINTENANCE PROBLEMS
29
Jacek MUCHA Politechnika Rzeszowska, Rzeszów, Poland Ľuboš KAŠČÁK Technical University in Košice, Košice, Slovakia
WYBRANE ASPEKTY KSZTAŁTOWANIA OKRĄGŁYCH POŁĄCZEŃ PRZETŁOCZENIOWYCH
Słowa kluczowe
Połączenia przetłoczeniowe, narzędzia, projektowanie, wytrzymałość.
Streszczenie
Podczas kształtowania złączy przetłoczeniowych można uzyskać wyższą ich wytrzymałość zwiększając siłę prasowania. Istnieje ścisła korelacja po-między parametrami procesu łączenia a uzyskanymi parametrami wytrzyma-łościowymi złącza. Proces montażowy powinien być zaprojektowany z uwzględnieniem niskiej jego energochłonności przy zachowaniu możliwie du-żej wytrzymałości powstałego połączenia. Z punktu widzenia wprowadzania no-wych materiałów istnieje konieczność indywidualnego podejścia do zagadnienia projektowania połączeń przetłoczeniowych. Istotnym parametrem jest już sam układ grubości blach w stosunku do matrycy. Ma to bezpośrednie przełożenie na tworzenie się zamka i późniejszą nośność złącza.
W pracy przedstawiono ogólnie technologię łączenia za pomocą przetka-czania, zaprezentowano kilka możliwych rodzajów połączeń przetłoczeniowych. Opisano możliwości wspomagania projektowania procesu montażu za pomocą obliczeń metodą elementów skończonych.
PROBLEMY EKSPLOATACJI – MAINTENANCE PROBLEMS 4-2010
30
Wprowadzenie
Połączenia przetłoczeniowe stanowią grupę złączy wytwarzanych pod naciskiem, które mogą być wytwarzane z łącznikiem lub bez (rys. 1) [1, 2]. Cechą wspólną wymienionych połączeń jest brak otworu przed przystąpieniem do łączenia [3, 4]. Złącza przetłoczeniowe mogą być stosowane do łączenia dwóch (rys. 2a) lub nawet trzech warstw materiału (rys. 2b) [5]. Do najbardziej rozwiniętych sposobów łączenia przez miejscowe prasowanie na zimno (Clinching) można zaliczyć: – łączenie blach przez miejscowe przetłaczanie materiału najczęściej
okrągłymi narzędziami (rys. 3a), – łączenie warstw blach oparte na przetłaczaniu z miejscowym nacięciem
(rys. 3b) [6].
Połączenia kształtowe -wytwarzane pod naciskiem
Z elementem łączącym Bez elementu łączącego
Oparte na nitowaniu bezotworowym z przebiciem blachy i bez
Oparte na przetłaczaniu z naruszeniem lub bez spójności
materiału
ClinchRivet (CR)
Self-Piercing Rivet (SPR)
Solid Self-Piercing Rivet (Solid SPR)
Clinching (okrągły punkt)
Clinching (owalny punkt)
Clinching (prostokątny punkt)
Rys. 1. Podstawowe, stosowane złącza kształtowe, wytwarzane przez miejscowe prasowanie na
zimno łączonych warstw blach
a) b)
a) b) c) d)
Rys. 2. Przekrój poprzeczny złącza prze-tłoczeniowego: a) dwóch, b) trzech scalanych blach
Rys. 3. Widok połączenia dwóch blach dla złącza okrągłego i prostokątnego: a, c) przetło-czenie od strony matrycy, b, d) otwór przetłoczenia od strony stempla
Montaż elementów cienkościennych za pośrednictwem miejscowego praso-
wania można przeprowadzać stosunkowo prostymi narzędziami (rys. 4a). Narzę-dzia do wykonywania złączy prostokątnych, w tym matryca (rys. 4d), posiadają nieco bardziej skomplikowaną budowę od jednolitych narzędzi do okrągłych złączy. Spotykane są rozwiązania matryc z segmentami dociskanymi sprężyną, dwu- lub trzysegmentowe (rys. 4b, c). Przy ich zastosowaniu można otrzymać większe wymiary zamka (głębszą penetrację blach).
4-2010 PROBLEMY EKSPLOATACJI – MAINTENANCE PROBLEMS
31
a) b) c) d)
Rys. 4. Rozwiązania konstrukcyjne narzędzi: a) sztywna matryca oraz stempel do wykonywania połączenia okrągłego, b) okrągła podatna matryca z trzema segmentami ściskanymi sprężyną, c) okrągła podatna matryca z dwoma segmentami, c) prostokątna podatna matryca z dwoma segmentami
Wybór określonego rodzaju połączenia powinien uwzględniać prostotę
technologii jego wykonania z zastosowaniem mało skomplikowanych i sto-sunkowo trwałych narzędzi.
1. Kształtowanie połączeń przetłoczeniowych za pomocą okrągłych
narzędzi
Wykonywanie połączenia przetłoczeniowego realizowane jest przez proces wytłaczania miejscowego łączonych blach. Matryca może posiadać wykrój z dnem płaskim lub z dodatkowym rowkiem. Jego obecność ułatwia proces płynięcia materiału podczas tworzenia się zamka w złączu. Dobór geometrii uzależniony jest od grubości łączonych warstw oraz ich materiału [7, 8, 9].
Przy prawidłowo dobranej geometrii narzędzi, tj. średnicy stempla, głębokości i średnicy wykroju matrycy można uzyskać połączenie o dostatecznej wytrzymałości.
Metodą tą mogą być łączone elementy bez uszkodzenia warstwy ochronnej czy dekoracyjnej. Podczas operacji łączenia w miejscu powstawania złącza następuje wciskanie stempla w łączone elementy (faza II i III – rys. 5) – materiał zostaje wytłaczany.
stempel tuleja dociskowa
matryca
Faza I Faza II Faza III Faza IV
blachy
wypychacz
Rys. 5. Poszczególne fazy wykonywania złącza przetłoczeniowego
W tym czasie w dolnej matrycy przebiega stopniowe zaciskanie się warstw
materiału bez utraty ich spójności. Poprzez wypełnienie wolnej przestrzeni matrycy (wykroju) powstaje ostateczny kształt połączenia.
PROBLEMY EKSPLOATACJI – MAINTENANCE PROBLEMS 4-2010
32
Odpowiednio dobrana geometria narzędzi powoduje uformowanie złącza tak, by wystąpił żądany docisk łączonych arkuszy blach. Przy tego typu sposobie łączenia występują dość duże odkształcenia plastyczne [10, 11, 12].
2. Dobór siły prasowania w procesie łączenia
Poprawnie wykonane złącze można otrzymać w wyniku większego lub mniej-
szego nacisku stempla. Przy określonej geometrii narzędzi można obniżyć energochłonność procesu bez znacznego obniżenia wytrzymałości poprzez efektywny dobór siły łączenia [13].
Podczas wykonywania połączenia przetłoczeniowego istotny jest ostatni etap formowania złącza – końcowe dotłaczanie. Ważne jest uzyskanie zamka (zaciśnięcie się materiału blach), tak by wartość ts była duża, przy możliwie dużej grubości szyjki przewężenia (tn) – rys. 6. Im wyższa siła nacisku, tym mniejszą uzyskuje się grubość X i zwiększa wytrzymałość złącza na działanie siły ścinającej – rys. 7a, b. Zbyt mały docisk może spowodować, że materiał blach nie popłynie w kierunku promieniowym, wówczas połączenie będzie wykazywać mniejszą wytrzymałość.
a) b)
X
“a„
φd
tstn
“a„
Rys. 6. Przekrój złącza przetłoczeniowego w miejscu połączenia blach (a) oraz parametry
utworzonego zamka (b)
a) b)
1,85
1,95
2,05
2,15
2,25
2,35
2,45
2,55
0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 0,65
Wymiar kontrolny X, [mm]
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45Ftmax
Pmax
Ft max.
F max.
Mak
sym
. sił
a śc
inając
a F
t max
, [kN
]
Mak
sym
. siła
nac
isku
F m
ax, [
kN]
2,95
3,05
3,15
3,25
3,35
3,45
3,55
3,65
0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 0,65 0,7Wymiar kontrolny X, [mm]
45
50
55
60
65
70
75
80
85
90Ftmax
Pmax
Mak
sym
. si
ła ś
cina
jąca
Ft m
ax, [
kN]
Ft max.
F max.
Mak
sym
. si
ła n
acis
ku
F m
ax, [
kN]
Rys. 7. Zależność wytrzymałości złącza w próbie ścinania od siły nacisku dla średnicy połączenia
(materiał blach H320LA, grubość warstw 1+1 mm): a) 6 mm, b) 8 mm
4-2010 PROBLEMY EKSPLOATACJI – MAINTENANCE PROBLEMS
33
W przypadku mniejszej średnicy złącza (6 mm) wpływ zwiększania siły na wzrost maksymalnej siły jest znaczny – rys. 7a. Nieco mniejszy wpływ siły kształtowania zaobserwowano dla złącza o średnicy 8 mm – rys. 7b. Wytłumaczyć to można tym, że dla określonej grubości łączonych blachy istnieje średnica złącza, przy której uzyskuje się dobre warunki kształtowania połączenia. Oczywistym jest, że wraz ze zwiększaniem średnicy złącza wzrasta jego wytrzymałość. Jest to związane z tym, że im większa średnica złącza, tym większe powierzchnie blach biorą udział w tworzeniu połączenia, a im większe powierzchnie, tym większe siły są potrzebne do rozerwania łączonych elementów.
Skutkiem zwiększenia maksymalnej siły nacisku podczas łączenia blach jest również zróżnicowanie nieco przebiegu krzywej wytrzymałości złącza podczas jego ścinania (rys. 8).
00,250,5
0,751
1,251,5
1,752
2,25
0 0,5 1 1,5 2 2,5
Przemieszczenie s, [mm]
Siła
ścin
ając
a F
t, [k
N] n
0.35
0.55
0.65
X=0.35
X=0.55
X=0.65
Rys. 8. Wpływ wartości X na przebieg krzywej ścinania na przykładzie złącza o średnicy 6 mm,
dla blach z H320LA o grubości 1+1 mm
Im większa wartość nacisku, tym mniejsze uzyskuje się wartości grubości
dna połączenia a większe zaciśnięcie się materiału przez przetłoczenie łączo-nych blach. Daje ono efekt w postaci wyższej wartości wytrzymałości złącza na działanie siły ścinającej. Po przekroczeniu doraźnej wytrzymałości krzywa przybiera coraz bardziej stromy przebieg.
Dla grubości dna X = 0,35 mm, przy przemieszczeniu s = 0,5 mm można zaobserwować lokalny spadek siły ścinającej (rys. 8). Jest to związane z silnym przeciskaniem się zamka przetłoczonej blachy górnej z dolnej. Następuje stosunkowo silne zgniatanie materiału blach na powierzchni walcowej kontaktu blach w złączu. Po osiągnięciu siły maksymalnej następuje stopniowe wysu-wanie się materiału blachy górnej z dolnej aż do całkowitego rozdzielenia blach.
PROBLEMY EKSPLOATACJI – MAINTENANCE PROBLEMS 4-2010
34
3. Układ grubości blach podczas łączenia
W przypadku połączeń clinching istotne znaczenie na przebieg formowania się złącza i ostateczną jego wytrzymałość ma aranżacja grubości blach [14, 15]. Rozdzielenie może nastąpić przez „zerwanie utworzonej szyjki przewężenia” materiału blachy górnej (rys. 9a); częściowe pęknięciem materiału w miejscu przewężenia z „rozkleszczeniem” (rys. 9b) lub też przez całkowite „rozkleszczenie” bez utraty spójności materiału złącza (rys. 9c).
W wyniku formowania się złącza podczas tworzenia „zamka” (patrz obszar „2” na rys. 6) część materiału zostaje wtłoczona w rowek matrycy. Jego odpowiednia wielkość pozwala na przemieszczenie się materiału i utworzenie pożądanego zamka (rys. 10).
a) b) c)
tt = 0.8 mm tb = 0.8 mm tt = 0.62 mm tb = 0.9 mm tt = 0.9 mm tb = 0.62 mm
Rys. 9. Przykład postaci rozdzielenia blach połączenia przetłoczeniowego (materiał blach DD14): a) tt + tb = 1,6, b) tt + tb = 1,52, c) tt + tb = 1,52
a)
ts1
b)
ts2
600
700
800
900
1000
1100
1200
1300
1400
1,4 1,42 1,44 1,46 1,48 1,5 1,52 1,54 1,56 1,58 1,6
Całkowita grubość warstw, tt + tb [mm]
Mak
sym
alna
sił
a śc
inając
a, b
F
t m
ax [
N] tt= 0.62/tb=0.8
tt= 0.62/tb=0.9
tt= 0.8/tb=0.62tt= 0.9/tb=0.62
Rys. 10. Utworzenie zamka w zależności od
układu blach (materiał łączonych blach DD14) – ts1 > ts2. Blacha od stro-ny matrycy: a) 0,9 mm, b) 0,62 mm
Rys. 11. Wpływ zmiany grubości blach na maksymalną siłę ścinającą połączenie (materiał blach: DD14)
Zamiana układu aranżacji blach w stosunku do matrycy powoduje istotną
zmianę wartości maksymalnej siły ścinającej, powodującej zniszczenie złącza (dla jednakowych grubości dna X). Przykładowo (rys. 11) dla układu blach tt = 0,62 mm/tb = 0,9 mm siła Ft max = 780 N, natomiast dla tt = 0,9 mm/tb = 0,62 mm Ft max = 1272 N – wzrost o 63% w stosunku do poprzedniego wariantu grubości blach.
4-2010 PROBLEMY EKSPLOATACJI – MAINTENANCE PROBLEMS
35
4. Metoda elementów skończonych w analizie przebiegu formowania złącza przetłoczeniowego
Wykorzystanie nowoczesnych narzędzi badawczych, w postaci profesjo-
nalnych programów obliczeniowych opartych o metodę elementów skończonych (np. Abaqus, MSC. SuperForm, MSC. Marc) pozwala dokonać analizy wir-tualnego formowania oraz przeprowadzenia testów wytrzymałościowych złączy. Za ich pomocą można wykonać badania modelowe uwzględniające rozkład intensywności odkształcenia i naprężeń średnich z uwzględnieniem parametrów jakościowych. Za pomocą takich narzędzi można dokonać weryfikacji poprawności poczynionych założeń podczas projektowania takiego połączenia [16]. Ostatecznie zaprojektowane i fizycznie wykonane złącze należy poddać testom z zachowaniem określonych standardów.
Podczas formowania złącza należy zwrócić uwagę na intensywność odkształcenia materiału oraz wartość naprężeń średnich w obszarze lokalizacji szyjki (rys. 12, 13). W wyniku obliczeń numerycznych uzyskać można rozkład intensywności odkształcenia materiału blach w miejscu ich połączenia (rys. 13). Największe wartości obserwuje się na ściance powierzchni wewnętrznej przet-łoczenia (szczegół „1” na rys. 13), w pobliżu lokalizacji przewężenia (szyjki) oraz w osi złącza przy wewnętrznej linii blach – szczegół „2” na rys. 13. Wynika to z dużego tarcia między powierzchnią przyłożenia stempla a materiałem. Nacisk na wewnętrznej linii złącza od strony blachy dolnej (szczegół „3” na rys. 13) utrudnia przemieszczanie się wciąganego materiału w kierunku ruchu stempla. W obszarze „2” odkształcenia oraz naciski są największe, tam materiał poddany jest stanowi zbliżonemu do hydrostatycznego ściskania.
743
265
-172
-629
-1069
-1544
-2002
-2459
-2916
1
2 3
2.300
2.070
1.840
1.610
1.380
1.150
0.920
0.690
0.460
0.230
0.000
Rys. 12. Rozkład naprężeń średnich (MPa)
w złączu przed wycofaniem narzędzi, dla grubości dna X = 0,55 mm i materiału łączonych blach H320LA (1+1mm) – MSC. Marc
Rys. 13. Rozkład intensywności odkształcenia w gotowym złączu dla grubości dna X = 0,55 mm i materiału blach H320LA (1+1mm) – MSC. Marc
Zwiększenie siły nacisku podczas formowania złącza daje efekt w postaci
zmiany kształtu linii wewnętrznej połączenia (rys. 14). W pobliżu przewężenia
PROBLEMY EKSPLOATACJI – MAINTENANCE PROBLEMS 4-2010
36
linia z kształtu „S” przechodzi w bardziej płaską krzywą, ale i z większą penetracją materiału blachy górnej w dolną.
W wyniku wirtualnego eksperymentu możliwe jest prześledzenie wpływu zaokrąglenia stempla na utworzony zamek (rys. 15). Jego wielkość ma bezpośrednie przełożenie na jego wytrzymałość.
X=0.35
X=0.65
Rp/t = 20% - - - Rp/t = 40%
Rys. 14. Wpływ wartości grubości dna na
kształt złącza dla X = 0,35 oraz 0,65 dla materiału łączonych blach H320LA (1+1mm) – MSC. Marc
Rys. 15. Wpływ wartości względnego pro-mienia stempla na kształt zamka w złączu dla materiału łączonych blach H320LA (1+1mm) – MSC. Marc
Istotne znaczenie w tego typu operacjach obróbki plastycznej mają wystę-
pujące naciski. Mają one bezpośredni wpływ na trwałość narzędzi. W wyniku przeprowadzenia modelowania komputerowego możliwe jest otrzymanie informacji dla narzędzi o rozkładach naprężeń zastępczych, nacisków po-wierzchniowych czy odkształceń sprężystych, co jest pomocne w ustaleniu kry-teriów doboru materiału na narzędzia.
Podsumowanie
Uzyskane w procesie łączenia okrągłe przetłoczenie blach może tworzyć węzeł konstrukcyjny o znacznej sztywności w wyniku umocnienia materiału pod wpływem plastycznego płynięcia. Otrzymane w krótkim czasie połączenie jest trwałe i zamknięte, bez naruszenia powłoki galwanicznej zabezpieczającej przed korozją. Prostota połączenia przetłoczeniowego pozwala na jego zastosowanie zarówno w produkcji seryjnej, jak też jednostkowej. • Wybór mniejszej wartości siły nacisku powoduje mniejsze zaciśnięcie
materiału blach. Prowadzi to generalnie do obniżenia wytrzymałości złącza, a zwiększa się w ten sposób trwałość narzędzi.
• Wzrost wytrzymałości złączy przetłoczeniowych można uzyskać przez zwiększenie ich średnicy połączenia. Wybór takiego rozwiązania wymaga jednak do uformowania złącza większej siły prasowania.
• Istotnym parametrem przy tworzeniu się zamka jest układ grubości blach w stosunku do matrycy. Zastosowanie mniejszej grubości blachy górnej
4-2010 PROBLEMY EKSPLOATACJI – MAINTENANCE PROBLEMS
37
pozwala na uzyskanie większej wartości zamka (ts), jednakże powoduje to wytworzenie mniejszej grubości przewężenia (tn). Ma to bezpośrednie przełożenie na późniejszą nośność złącza i charakter jego zniszczenia.
Bibliografia
1. Mucha J.: Modern mechanical on press joinability techniques for sheet metal elements, w Międzynarodowa Konferencja Naukowa: PRO-TECH-MA ’07. Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów, 2007.
2. Mucha J.: Some aspects of designing process self piercing riveting. Archives of Mechanical Technology and Automation, 29, 2009, 4, 91–101.
3. Nong N., Keju O., Yu Z., Zhiyuan Q., Changcheng T. and Feipeng L.: Research on press joining technology for automotive metallic sheets. Journal of Materials Processing Technology, 137, 2003, 1–3, 159–163.
4. Mucha J., Współczesne techniki łączenia cienkich blach – zaciskanie przez wytłaczanie (Clinching), Mechanik, 80, 2007, 11, 932–939.
5. Kaščák L., Spišák E.: Analysis of properties of press joints through three sheets, Acta Mechanica Slovaca, 14, 2008, 2-B, 1–6.
6. Di Lorenzo G., Landolfo R.: Shear experimental response of new connecting systems for cold-formed structures. Journal of Constructional Steel Research, 60, 2004, 3–5, 561–579.
7. Tubielewicz K., Turczyński K., Chmielik P.: Kształtowanie połączeń plastycznych w pracach montażowych. Technologia i Automatyzacja Montażu, 61, 2010, 2, 35–37.
8. Lee Ch.-J., Kim J.-Y., Lee S.-K., Ko D.-Ch., Kim B.-M.: Design of mechanical clinching tools for joining of aluminium alloy sheets, Materials&Design, Vol. 31, No. 4, 2010, 1854–1861.
9. Lee Ch.-J., Kim J.-Y., Lee S.-K., Ko D.-Ch., Kim B.-M.: Parametric study on mechanical clinching process for joining aluminum alloy and high-strength steel sheets, Journal of Me-chanical Science and Technology, Vol. 24, No. 1, 2010, 123–126.
10. Varis J. P.: Ensuring the integrity in clinching process, Journal of Materials Processing Technology, 174, 2006, 1–3, 277–285.
11. Tubielewicz K., Turczyński K.: Zastosowanie połączeń blach prasowanych na zimno w konstrukcji podestów budowlanych. Przegląd Mechaniczny, 67, 2008, 12, 19–24.
12. Berliński A.: Stanowisko do montażu detali przewodów klimatyzacyjnych metodą „Clinchingu”. Technologia i Automatyzacja Montażu, 59, 2008, 1, 13–16.
13. Mucha J., Bartczak B.: Rozważania nad efektywnym modelowaniem procesu łączenia cienkich blach metodą przetłaczania, Obróbka Plastyczna Metali, 21, 2010, 2, 11–15.
PROBLEMY EKSPLOATACJI – MAINTENANCE PROBLEMS 4-2010
38
14. Kaščák Ľ., Spišák E.: Joints of thin sheets made by forming and resistance spot welding: evaluations of properties. In: IDDRG 2007 – Forming the future, Györ, Maďarsko, 2007, 545–550.
15. Mucha J., Kaščák Ľ., Spišák E.: Analiza wytrzymałości złączy przetłoczeniowych blach stalowych, stosowanych na elementy nadwozi pojazdów samochodowych, ARCHIWUM MOTORYZACJI, 3, 2010, 185–194.
16. De Paula A.A., Aguilar M.T.P., Pertence A.E.M., Cetlin P.R.: Finite element simulations of the clinch joining of metallic sheets. Journal of Materials Processing Technology, 182, 2007, 1–3, 352–357.
Recenzent: Jacek CHAŁUPCZAK
Some aspects of the forming of round clinching joints
Key words
Clinching joints, tools, design, strength.
Summary
Clinching joints can be strengthened during the forming process by increasing the pressing force. There is a direct correlation between joining process parameters and the resulting joint strength parameters. The assembly process design should feature low energy consumption and a possibly high joint strength. From the point of view of new material introduction, it is necessary to treat the clinching joint design process individually. The sheet thickness arrangement in relation to the die is a very important parameter. This directly influences the lock creation process and the final joint load-carrying ability.
This paper presents the restamping process in general and also some possible clinching joint types. The supporting assembly design process possibilities have been presented using the finite element method.
