EKSPERYMENTALNA ANALIZA EFEKTYWNOŚCI ROZWIĄZAŃ WYBRANYCH SYSTEMÓW ŁĄCZENIA PRZEZ PRZETŁACZANIE BLACH

Transkrypt

1 Technologia i Automatyzacja Montażu 3/2013 EKSPERYMENTALNA ANALIZA EFEKTYWNOŚCI ROZWIĄZAŃ WYBRANYCH SYSTEMÓW ŁĄCZENIA PRZEZ PRZETŁACZANIE BLACH Jacek MUCHA, Waldemar WITKOWSKI Streszczenie W pracy przedstawiono analizę wytrzymałości zakładkowych połączeń dla blachy stalowej S350GD o grubości 1 mm. Próby ścinania zrealizowano dla połączeń zakładkowych pojedynczych oraz podwójnych o dwóch sposobach ułożenia względem kierunku siły obciążającej. Przez wykonanie testu ścinania określono maksymalną siłę ścinająca dla połączeń wykonanych różnymi systemami łączenia, w tym technologii przetłaczania. Przedstawiono również przykład aplikacji nowej technologii łączenia ClinchRivet, dla blachy S350GD. Spośród wszystkich badanych połączeń największe wartości obciążenia uzyskano dla próbki wykonanej systemem ClinchRivet. Połączenia te wykazały wysokie obciążenie szczytowe. Zmiana kierunku działania obciążenia o kąt 45 w takim złączu powoduje znaczny wzrost przemieszczeń do uzyskania wartości szczytowej obciążenia. Największe różnice w przenoszeniu maksymalnego obciążenia w połączeniu zakładkowym przy zmianie kierunku obciążenia o 90 występują dla podwójnych połączeń typu ClinchRivet i SPR. Najmniejszą początkową sztywność połączeń blachy S350GD posiadały połączenia z blachowkrętem. Słowa kluczowe mechaniczne łączenie, wytrzymałość na ścinanie, Clinching, Self Piercing Riveting, ClinchRiveting 1. Wprowadzenie Najprostszym i najtańszym sposobem formowania połączenia prasowanego bez użycia dodatkowego łącznika jest przetłaczanie ( clinching CL). Znanych jest wiele odmian, z których najbardziej popularne są o kształcie okrągłym, formowane z udziałem jednolitych narzędzi [1]. Wyniki eksperymentalnej analizy wytrzymałości tego typu połączeń zawarto w szeregu prac [2-9]. Coppieters i pozostali w swojej pracy [10] w pełni i ciekawie przedstawili tworzenie się zamka oraz analizę wytrzymałości połączenia clinching, używanego w strukturach przestrzennych z profili blaszanych. Ciekawe jest również rozwiązanie łączenia przez formowanie połączenia pod naciskiem w postaci rozety. Łączenie w ten sposób blachy stalowej S350GD daje dość wysoką nośność, co wykazali Kaitila [11] oraz Mäkeläinen i Kesti [3]. Dobrze wypada również technologia nitowania bezotworowego ( self piercing riveting SPR). W większości przypadków połączenia wytworzone tą technologią wykazują większą wytrzymałość od połączeń clinching [12]. Nowym, mało znanym rozwiązaniem jest technologia połączeń przetłoczeniowych z nitem pełnym, np. ClinchRivet CR [13]. Ścinanie pasm blach połączonych wybranymi, stosunkowo nowymi systemami scalania elementów stosowanych na konstrukcje stalowe przedstawili w swojej pracy [2] Lorenzo i Landolfo. Zawarli w niej wyniki badań ścinania podwójnych połączeń (e.g. SPR, clinching) z blachy stalowej S235JR o grubości 2 mm. Wybór rodzaju połączenia zależy od szeregu czynników: materiałowych, wytrzymałościowych i technologicznych, a także rodzaju i przeznaczenia montowanej konstrukcji. Zachowanie pewnych odległości w zakładkowym połączeniu blach powinno uwzględniać zalecenia zawarte w EN [14] i EN [15]. Nie zawsze warunki te są możliwe do spełnienia. W przypadku konieczności wzmocnienia połączenia jest mało miejsca do zachowania zalecanych wymiarów. 2. Metodyka badawcza Za pomocą badań eksperymentalnych postanowiono wykazać wpływ zamiany rodzaju połączenia w złączu pojedynczym i podwójnym na efektywność w przenoszeniu obciążenia. Badania eksperymentalne formowania połączeń wykonane zostały w Laboratorium Połączeń Prasowanych Katedry Konstrukcji Maszyn Wydziału Budowy Maszyn i Lotnictwa Politechniki Rzeszowskiej. Do badań wykorzystano blachę szeroko stosowaną na profile zimnogięte, które służą do montażu konstrukcji nośnych (lekkich szkieletów stalowych) obiektów przemysłowych oraz mieszkalnych. Próby łączenia wykonano dla blachy z materiału S350GD+Z275 (wg EN nr mat ) o grubości 1 ± 0,05 mm, ocynkowanej ogniowo powłoką 275 g/m 2 o grubości ~20 µm. Podstawowe własności mechaniczne: E = MPa, υ = 0,3, R p0,2 = 350 MPa, R m = 420 MPa, A 80 = 16%. Na rynku dostępnych jest wiele rozwiązań technologii montażu cienkościennych konstrukcji. Spośród nich wybrano te, które posiadają największy potencjał przemysłowy [16]. Najczęściej do łączenia elementów w systemie SCS stosowane są nity zrywalne bądź bla- 55

2 3/2013 Technologia i Automatyzacja Montażu chowkręty. W związku z tym dla porównania wykonano dodatkowo dwa typy połączeń klasycznych: ze stalowym nitem zrywalnym i wkrętem. Podczas wyboru metod łączenia i łączników kierowano się zasadą zbliżonych cech geometrii gotowego połączenia (tabela 1). Połączenia oznaczone A, B, C, D (tabela 1) należą do grupy wytwarzanych pod dużym naciskiem przez prasowanie, z udziałem dodatkowego łącznika (C, A) lub bez (B, D). Zaś dwa pozostałe (E, F) to konwencjonalne rozwiązania najczęściej stosowane i najstarsze. Do ich wytworzenia wymagany jest łącznik w postaci wkrętu do blach oraz nitu zrywalnego, dla ostatniego wymagany jest otwór. Pasma blach posiadały jednakowe wymiary: 115 x 40 mm. Wielkość zakładki oraz odległości między połączeniami były zbliżone do tych, które występują w konstrukcjach z zimnogiętych profili blaszanych. Dla tak przygotowanych blach wykonano pojedyncze scalenie z zachowaniem określonych wymiarów gotowej próbki (rys. 1). Wykonano również połączenia podwójne. Ich ułożenie względem siły ścinającej było równoległe (II) lub prostopadłe ( ). Oznaczono je dla łatwej identyfikacji odpowiednimi skrótami (rys. 1). Rys. 1. Geometria przygotowanej próbki do testów ścinania oraz przykład oznaczenia próbek Fig. 1. The geometry samples for shear testing and its identification examples Przeznaczone do testów wytrzymałościowych kombinacje złączy zostały odpowiednio oznaczone i ponumerowane. Tak przygotowane próbki zostały poddane testom wytrzymałościowym na ścinanie. Przebadane zostały po 3 serie próbek z każdej kombinacji. W przypadku dużego odchylenia w wartościach przebiegu siły niszczącej wykonywano dodatkowe testy, tak by uzyskać średnie wartości przebiegu krzywej dla trzech prób. Tabela 1. Oznaczenie wykorzystanych systemów łączenia Table 1. Identification of connected systems Wymagany Połączenie łącznik Dodatkowe narzędzia do formowania Wymiar charakterystyczny A tak wymagane średnica nitu ø = 5 mm B nie wymagane średnica stempla ø = 6 mm System łączenia C tak wymagane D nie wymagane E tak brak średnica nitu ø = 5 mm szerokość nacięcia w = 5 mm długość l = 5 mm średnica nitu ø = 5 mm F tak brak średnica wkrętu ø = 6 mm 56

3 Technologia i Automatyzacja Montażu 3/2013 Wszystkie próby wytrzymałościowe wykonano w tych samych warunkach statycznej próby, dla prędkości trawersy maszyny wytrzymałościowej 10 mm/min. Chwyt w szczękach wynosił 30 mm. Testy statycznego ścinania wykonano na maszynie UTS 100, wyposażonej w układ ekstensometryczny do pomiaru przemieszczeń. 3. Wyniki oraz ich analiza Okrągłe przetłoczeniowe połączenia clinching wykazują izotropowe właściwości wytrzymałościowe. Złącze wykonane w technologii ClinchRivet wykazuje różną charakterystykę ścinania w zależności od jego ułożenia względem kierunku obciążenia (rys. 2). a) Rys. 4. Siła oraz energia rozdzielenia połączeń wykonanych w technologii ClinchRivet Fig. 4. Force and energy of the ClinchRivet joints separation b) Rys. 5. Postać zniszczenia połączenia wykonanego w technologii ClinchRivet Fig. 5. The ClinchRivet joints destruction form Rys. 2. Identyfikacja kierunku obciążenia połączenia: a) prostokątnego przetłoczeniowego z nacięciem materiału, b) typu ClinchRivet Fig. 2. Identification of the load connections direction: a) a rectangular Clinching Square slot with incision (cut) of material, b) ClinchRivet Dla połączenia podwójnego o rozstawie 20 mm obserwuje się znaczną różnice w przebiegu siły oraz energii rozdzielenia (rys. 3 oraz rys. 4). Podczas ścinania połączenia następuje podobnie jak w przypadku połączeń clinching zniszczenie przetłoczenia w obszarze przewężenia. Jednak zablokowany nit w blasze nie pozwala na całkowite ścięcie połączenia, ostatecznie rozdzielenie następuje przez wyrwanie połączenia z blachy dolnej (rys. 5). Rys. 6. Przykładowe krzywe przebiegu siły podczas ścinania połączeń Fig. 6. Waveforms of shear forces during the shearing Rys. 3. Przykładowe krzywe ścinania połączenia wykonanego w technologii ClinchRivet Fig. 3. Shear curves of ClinchRivet joints Przebieg siły ścinającej połączenia pojedyncze dla wybranych rozwiązań technologii przetłaczania porównano z uzyskanymi dla klasycznych rozwiązań (rys. 6). 57

4 3/2013 Technologia i Automatyzacja Montażu Spośród wszystkich połączeń dwa przetłoczeniowe z zastosowaniem dodatkowego łącznika uzyskały najwyższą siłę ścinającą (CR oraz SPR). Zmiana kierunku działania siły obciążenia podwójnego połączenia w sposób większy lub mniejszy wpływa na przebieg krzywej ścinania (rys. 7). W przypadku wszystkich systemów montażu złączy, dla połączeń poprzecznie ścinanych początkowa charakterystyka siła przemieszczenie jest bardziej stroma niż dla wzdłużnych. Wiąże się to z wytworzeniem dodatkowego momentu działającego na próbki, zależnym od rozstawu połączeń. Różnice w wysokości maksymalnej siły rozdzielającej blachy w tak ścinanych połączeniach zobrazowano na rys. 8, w zestawieniu z połączeniami pojedynczymi. Rys. 8. Średnia maksymalna siła ścinająca dla połączeń wykonanych różnymi systemami montażu Fig. 8. The mean maximum shear force for joints made in various mounting systems Rys. 7. Krzywe ścinania dla podwójnego połączenia o ułożeniu: a) wzdłużnym, b) poprzecznym Fig. 7. Curves for a double shear connection arrangement of: a) longitudinal, b) cross Odchylenie standardowe oraz współczynnik zmienności dla maksymalnej siły ścinającej tych kombinacji zawarto w tabeli 2. Wzmocnienie pojedynczego złącza drugim w odległości 20 mm powoduje w niektórych przypadkach znaczny wzrost siły niszczącej połączenie. Największy efekt uzyskano dla połączeń wykonanych z nitem zrywalnym, zarówno dla ułożenia poprzecznego, jak i równoległego. Krzywe przemieszczenie obciążenie ukazują różną początkową sztywność połączeń w zależności od systemu montażu dla połączeń pojedynczych (rys. 9). Najmniejszą sztywność dla badanej blachy S350GD posiadały połączenia SPR, zaś największą przetłoczeniowe z nacięciem materiału. Tabela 2. Wartości odchylenia standardowego oraz współczynnika zmienności dla średniej maksymalnej siły ścinającej połączenie Table 2. Standard deviation and coefficient of variation for the mean of the maximum shear force connection Pojedyncze połączenie A B C D E F Odchylenie standardowe ŝ [N] 137,2 205,3 156,7 76,4 35,8 156,7 Współczynnik zmienności C v 0,028 0,05 0,028 0,04 0,027 0,045 Podwójne połączenie ułożenie AA BB CC DD EE FF Odchylenie standardowe ŝ II 114,3 343,1 232,8 234,9 131,2 225,6 [N] 108,8 236,7 207,1 238,1 138,8 133,3 II 0,013 0,04 0,02 0,07 0,018 0,029 Współczynnik zmienności C v 0,016 0,03 0,025 0,08 0,02 0,023 58

5 Technologia i Automatyzacja Montażu 3/2013 Rys. 9. Początkowa charakterystyka siła-przemieszczenie dla pojedynczych połączeń Fig. 9. The initial force-displacement characteristics for a single connections Wnioski Z przeprowadzonych badań wynikają wnioski, z których najważniejsze to: Połączenia wykonane w technologii ClinchRivet wykazują wysokie obciążenie szczytowe. Zmiana kierunku działania obciążenia o kąt 45 w takim złączu powoduje znaczy wzrost przemieszczeń do uzyskania wartości szczytowej obciążenia. Największe różnice w przenoszeniu maksymalnego obciążenia w połączeniu zakładkowym przy zmianie kierunku odkształcania o 90 występują dla podwójnych połączeń ClinchRivet i SPR. Występuje duże zróżnicowanie w krzywych ścinania dla połączeń wykonanych różnymi systemami montażu. W przeważającej większości uzyskano charakterystykę nieliniową. Połączenie nitowane bezotworowo posiada liniową charakterystykę w początkowym zakresie obciążenia. Izotropowość pojedynczych okrągłych połączeń typu clinching powoduje, że przy formowaniu złącza nie musimy ustalać położenia łączonych blach względem kierunku działania siły obciążającej wykonane złącze. Badania realizowane w ramach działalności statutowej jednostki. Praca powstała dzięki współpracy z firmą StalArt Sp. z o.o. LITERATURA 1. Mucha J.: Współczesne techniki łączenia cienkich blach zaciskanie przez wytłaczanie (Clinching). Mechanik, R. 80, 2007, nr 11, Di Lorenzo G., Landolfo R.: Shear experimental response of new connecting systems for cold-formed structures. Journal of Constructional Steel Research 2004;60(3-5): Mäkeläinen P., Kesti J.: Advanced method for lightweight steel joining. Journal of Constructional Steel Research 1999;49(2): Pedreschi R.F., Sinha B.P.: An experimental study of cold formed steel trusses using mechanical clinching. Construction and Building Materials 2008;22(5): Lennon R., Pedreschi R., Sinha B.P.: Comparative study of some mechanical connections in cold formed steel. Construction and Building Materials 1999;13(3): Shiming G., Lothar B.: Mechanism of mechanical press joining. International Journal of Machine Tools and Manufacture 1994;34(5): Varis J.P.: The suitability of round clinching tools for high strength structural steel. Thin-Walled Structures 2002;40(3): LeBacq C., Brechet Y., Shercliff H.R., Jeggy T., Salvo L.: Selection of joining methods in mechanical design. Materials & Design 2002;23(4): Bayan A., Sariffuddin S., Hanim O.: Cold formed steel joints and structures A review. International Journal of Civil and Structural Engineering 2011;2(2): Coppieters S., Lava P., Baes S., Sol H., Van Houtte P., Debruyne D.: Analytical method to predict the pull-out strength of clinched connections. Thin-Walled Structures 2012;52: Kaitila O.: Study on the Behaviour of a New Light- -Weight Steel Roof Truss. Journal of Structural Mechanics 1998;31(3 4): Moss S., Mahendran M.: Structural Behaviour of Self Piercing Riveted Connections in Steel Framed Housing. Sixteenth International Specialty Conference on Cold-Formed Steel Structures Orlando, Florida USA, October 17 18, Mucha J., Spišák E., Kaščák Ľ.: Non-standart car body element joining process with solid self piercing rivet. The Archives of Automotive Engineering 2 (2011) EN , Eurocode 3. Design of steel structures. Part 1 3: General rules Supplementary rules for cold-formed members and sheeting; EN , Eurocode 3. Design of steel structures. Part 1 8: Design of joints; Mucha J., Witkowski W.: Nośność wybranych rozwiązań połączeń nitowych podczas próby ścinania i rozciągania. Zeszyty Naukowe Politechniki Rzeszowskiej. Mechanika 2011, z. 83(279), nr 4, s Dr inż. Jacek Mucha Katedra Konstrukcji Maszyn, Wydział Budowy Maszyn i Lotnictwa, Politechnika Rzeszowska, Rzeszów, Al. Powstańców Warszawy 8, tel.: , j_mucha@prz.edu.pl. Mgr inż. Waldemar Witkowski Katedra Konstrukcji Maszyn, Wydział Budowy Maszyn i Lotnictwa, Politechnika Rzeszowska, Rzeszów, Al. Powstańców Warszawy 8, tel.: , wwitkowski@prz.edu.pl. 59

6 3/2013 Technologia i Automatyzacja Montażu EXPERIMENTAL ANALYSIS OF THE EFFECTIVENESS OF SOLUTIONS FOR JOINING BY REDRAWING SHEET Abstract In this paper an analysis of the strength of connections for lap steel S350GD with a thickness of 1 mm is discussed. There are presented shear tests for single lap joints, and the double arrangement for two direction of the loading force. The shear test specified by maximum shear strength for joints is made in different systems, including redrawing technology. An example of a new connecting technology ClinchRivet for steel S350GD is presented. The highest stress values for all joints are obtained with a ClinchRivet sample. These connections have demonstrated a high load peak. Changing the load direction at an angle of 45 in the joint causes a significant increase of a load peak displacement. The biggest difference in the transmission of the maximum load in combination of the lap load is a change in direction by 90 in double connections of ClinchRivet and SPR. The lowest initial stiffness of the sheet metal S350GD joints have a connection with a self-drilling screw. Keywords mechanical joining, shear strength, clinching, Self Piercing Riveting, ClinchRiveting 60