Technologia i materiały stosowane w wytwarzaniu konstrukcji lekkich KLINCZOWANIE. Instrukcja do zajęć laboratoryjnych. Mgr inż.

Transkrypt

1 Technologia i materiały stosowane w wytwarzaniu konstrukcji lekkich KLINCZOWANIE Instrukcja do zajęć laboratoryjnych Mgr inż. Mateusz Skwarski

2 1. Wprowadzenie Bardzo ważnym aspektem w procesach wytwarzania wyrobów, w szczególności wyrobów z blach jest sposób ich łączenia. Wyróżnia się wiele metod łączenia, między innymi nitowanie, skręcanie, lutowanie i klejenie, ale najpopularniejszą metodą stosowaną obecnie szeroko w przemyśle jest zgrzewanie i spawanie. Głównym ograniczeniem tych technologii jest konieczność spełnienia warunku podatności materiału na zgrzewanie lub spawanie. Niemożliwe lub bardzo utrudnione staje się łączenie materiałów różnoimiennych, lub bardzo cienkich. Sposobem na sytuacje, w których nie znajdą zastosowania zgrzewanie i spawanie, jest zastosowanie klinczowania. Klinczowanie jest to sposób łączenia dwóch materiałów w postaci blach poprzez lokalne przetłoczenie obu materiałów, najczęściej bez użycia łączników (lub rzadziej z użyciem łącznika). Połączenie przetłoczone powstaje poprzez złożenie dwóch elementów i ułożenie ich na matrycy (rys. 1a). Stempel naciskając na oba materiały powoduje lokalne przetłoczenie, a proces przetłaczania trwa do momentu zetknięcia się dna przetłoczki z dnem matrycy (rys. 1b). Od tego momentu rozpoczyna się wypełnianie bocznej przestrzeni między narzędziami oraz proces prasowania, podczas którego następuje promieniowe płynięcie materiału (rys. 1c). W efekcie powstaje zafałdowanie łączonych blach powodując ich trwałe złączenie (rys. 1d). Animację przedstawiającą w sposób płynny proces klinczowania można zobaczyć na stronie internetowej W pierwszej fazie procesu stosuje się docisk w celu zapewnienia właściwego płynięcia materiału. Siła docisku może być regulowana poprzez dobór charakterystyki pierścienia z elastomeru lub sprężyny. Rys. 1 Schemat procesu klinczowania

3 Trwałość złącza klinczowego zależy ściśle od geometrii powstałego przetłoczenia (rys. 2) i od umocnienia materiału wywołanego odkształceniem plastycznym (odkształcenia plastyczne na zimno, tj. poniżej temperatury rekrystalizacji materiału zawsze powodują umocnienie materiału). W skład parametrów geometrii wpływających bezpośrednio na wytrzymałość złącza wchodzą: g - grubość dna przetłoczenia, s - grubość blachy od strony stempla na ściance bocznej przetłoczenia, inaczej grubość szyjki (zbyt cienka szyjka s może powodować pękanie blachy) p - podcięcie, inaczej zamknięcie połączenia lub zamek połączenia (mała wartość p może doprowadzić do rozdzielenia blach ze względu na ich słabe zamknięcie). Wytrzymałość złącza jest tym większa, im wartości s i p są większe. Grubość szyjki i wielkość podcięcia zależą od podatności materiału na płynięcie/odkształcenie i od siły nacisku stempla. Im mniejsze g, tym materiał doznał większych odkształceń, nastąpiło większe umocnienie odkształceniowe materiału oraz powstanie lepszy kształt zamka. Jednak przy zbyt małej wartości g istnieje ryzyko zerwania walcowej części klincza, a zbyt duża może sprawić że zamek w ogóle nie powstanie. p s g Rys. 2 Przekrój złącza klinczowego Złącze przetłaczane jest połączeniem nierozłącznym, tzn. że po rozłączeniu materiałów np. poprzez wywiercenie otworu w miejscu połączenia, nie ma możliwości ponownego ich połączenia w tym samym miejscu, tą samą metodą i z zachowaniem właściwości danego połączenia.

4 Podatność na klinczowanie mierzona jest poprzez tłoczność materiałów łączonych, a jedynym ograniczeniem stosowania tej formy łączenia jest odkształcenie pękania jeżeli wynosi poniżej 10% to od strony matrycy może wystąpić pękniecie materiału ze względu na duże naprężenie rozciągające (widoczne na rys. 3). Dlatego materiały o większej grubości i twardości należy umieszczać po stronie stempla. Rys. 3 Pęknięcie materiału przetłoczonego od strony matrycy Zwiększając siłę prasowania podczas formowania złączy można uzyskać większą wytrzymałość scalenia. Zbyt duża siła prowadzi jednak do nadmiernych naprężeń, które cyklicznie obciążają materiał narzędzi, dlatego z czasem może dojść do ich uszkodzenia. Dodatkowo wraz ze wzrostem grubości odkształcanych materiałów, siła potrzebna do przetłoczenia rośnie. Wśród zalet tej metody łączenia należy wymienić przede wszystkim możliwość łączenia różnych metali (np. stali z aluminium) i metali o wysokiej wytrzymałości na rozciąganie (do 1000 MPa). Proces ze względu na proste narzędzia (stempel i matryca) oraz fakt że odbywa się na zimno, generuje bardzo niskie koszty realizacji połączenia. Ale wymagana jest duża dokładność wymiarowa i współosiowość stempla i matrycy, gdyż ma to bezpośredni wpływ na jakość przetłoczenia. Niezachowanie współosiowości narzędzi może doprowadzić do powstania niesymetrycznego połączenia oraz do szybszego zużywania się narzędzi. Połączenie jest estetyczne, bez zadziorów, zagnieceń i naderwań. Przetłoczenie jest osiowo-symetryczne. Prostota wykonania, niskie koszty, duża trwałość narzędzi przyczyniają się do popularyzacji tejże technologii. Niewątpliwe zalety klinczowania sprawiły, że metoda połączeń przetłaczanych blach znalazła swe zastosowanie w produkcji seryjnej nadwozi samochodowych (rys. 4). Skrócenie czasu montażu i wyeliminowanie dodatkowych zabiegów obróbczych związanych z przygotowaniem materiału to tylko niektóre z uzyskanych korzyści. Coraz szersze zastosowanie połączeń klinczowych zauważa się w konstrukcjach cienkościennych. Metoda umożliwia scalanie dwóch, trzech i więcej warstw materiału.

5 Rys. 4 Karoseria samochodowa z komponentami połączonymi metodą klinczowania Ogólnie proces klinczowania blach przeprowadza się w temperaturze pokojowej, dzięki czemu materiały łączone nie tracą swoich pierwotnych własności wytrzymałościowych w wyniku zjawisk termicznych. W przeciwieństwie do połączeń zgrzewanych i spawanych, dzięki braku oddziaływania cieplnego, nie powstają potencjalne punkty korozyjne. Obecnie trwają szerokie badania nad zwiększeniem wytrzymałości połączeń poprzez modyfikację technologii ich wytwarzania, np. poprzez połączenie procesu klinczowania (odkształcania) z obróbką cieplną jaką jest hartowanie stali w procesach hot formingu, czyli hartowanie w zimnych narzędziach. Połączenie zjawiska odkształcania (silnie umacniającego) z procesem i zjawiskami termicznymi daje rezultaty w postaci wysokich własności wytrzymałościowych złącz klinczowych. W celu uformowania złącza klinczowego w materiałach trudno odkształcalnych, które charakteryzują się podwyższoną granicą plastyczności (jak stale wysokowytrzymałe, stopy magnezu) materiał przed kształtowaniem podgrzewa się za pomocą grzałek elektrycznych, wiązki światła laserowego lub poprzez przepływ prądu o wysokim natężeniu. Ma to na celu zwiększenie plastyczności i podatności na obróbkę materiału. Producenci nadwozi samochodowych próbują maksymalnie skrócić czas montażu. Jednym ze sposobów jest zwiększenie prędkości formowania, jednak wiąże się to ze znacznie szybszym zużywaniem się narzędzi. Sposobem na to mogą być powłoki ochronne nanoszone metodą PVD na bazie TiN. Wiele wiodących firm ma w swojej ofercie własne opatentowane rozwiązania związane z technologią przetłaczania. Są to między innymi: TOX PRESSOTECHNIK GmbH & Co., firma która opracowała patent na współosiowość stempla i matrycy przy nieruchomej matrycy, ECKOLD GmbH & Co. KG z patentem z ruchomą matrycą, Wilhelm Böllhoff GmbH & Co. KG, BTM Corporation, Norlok Technology Inc., Attexor Clincj Systems SA, Emhart Technologies, Stanley Blach & Decker Inc. Company, Clinchtech LTD i wiele innych.

6 2. Narzędzia i parametry procesu klinczowania a. Narzędzia stempel i matryca O doborze odpowiedniego stempla i matrycy (ich geometrii) decyduje grubość łączonych blach i rodzaj materiału. Średnica, promień zaokrąglenia stempla i matrycy, głębokość wykroju matrycy oraz kąt pochylenia powierzchni stempla mają istotny wpływ na uformowanie, a więc i wytrzymałość złącza. Producenci maszyn i narzędzi do przetłaczania wraz z zakupionym oprzyrządowaniem dołączają katalog z którego można odczytać parametry procesu formowania i geometrię stempla i matrycy użytych do przetłaczania materiału o zadanej grubości blachy. Dobór parametrów procesu klinczowania przeprowadzono dla blachy o grubości 1,0 mm ze stali DC03. Przykładową kartę parametrów przedstawiono na rys. 5.

7 Rys. 5 Przykładowa karta parametrów procesu przetłaczania blach na urządzeniu DFG 500/150

8 Dla materiału blach o grubości 1,0 mm ustalono następujące parametry: Tabela 1 Parametry procesu przetłaczania Grubość blachy od strony stempla dla stali a0ss 1 mm Grubość blachy od strony matrycy a0ms 1 mm Oznaczenie stempla ZZZ.50 UV 27 Oznaczenie matrycy SSS.10 Grubość dna przetłoczenia g dająca a1 0,55 mm maksymalną wytrzymałość złącza Ustawienie prasy zagłębienie stempla 0,4 Prędkość stempla 0,03 m/s ,55 Zmiana prędkości zagłębiania się stempla w połączeniu nie ma większego wpływu na późniejsze własności wytrzymałościowe złącza. Widok zamocowanych narzędzi kształtujących na urządzeniu do klinczowania pokazano na rys. 6. Rys. 6 Stempel i matryca zamocowane na urządzeniu do klinczowania

9 b. Urządzenia klinczarka Zdjęcie urządzenia DFG 500/150 DW Eckold, na którym zamocowano narzędzia kształtujące (stempel i matrycę) przedstawiono na rys. 7. Rys. 7 Urządzenie DFG 500/150 DW Eckold i narzędzia do klinczowania blach c. Własności materiału przetłaczanego Badania należy przeprowadzić nad dwoma arkuszami blachy. Pierwszy arkusz stanowi blacha głębokotłoczna DC03 o grubości 1,1 mm. Jest to stal niskowęglowa walcowana na zimno przeznaczona do obróbki plastycznej na zimno. Drugi arkusz blachy stanowi stal DP600 o grubości 1,5 mm. Jest to stal o strukturze ferrytyczno-martenzytycznej. Składa się z miękkiej osnowy w postaci ziaren ferrytu, która korzystnie wpływa na plastyczność oraz twardych wtrąceń drugiej fazy - martenzytu, który zwiększa wytrzymałość materiału oraz powoduje jego umacnianie podczas kształtowania wyrobów na zimno. Tabela 2 Skład chemiczny badanych zamieszczony w normie Skład chemiczny C Si Mn P S Al. Nb Stal DC03 0,08 0,04 0,4 0,03 0,03 0,015 0,04 Stal DP600 0,1 0,2 0,8 0,01 0,002 0,04 0,015

10 Tabela 3 Własności wytrzymałościowe stali użytych do badań R e MPa Rm MPa A min % Stal DC Stal DP Przebieg badań eksperymentalnych a. Badania wytrzymałościowe materiału wejściowego Pierwszy etap badań ma na celu określenie wpływu materiału wsadowego na jego własności wytrzymałościowe po schłodzeniu. Przygotowano próbki wiosełkowe o bazie pomiarowej równej 75 mm wycięte z blachy stalowej DC03 i DP600. Dwie próbki należy umieścić we wcześniej nagrzanym piecu (do temperatury 600 C) i wygrzewać je przez 20 minut. Po tym czasie próbki należy wyjąć z pieca i niezwłocznie ochłodzić w wodzie. Następnie próbki te wraz z dwiema próbkami nieobrobionymi cieplnie należy rozciągnąć na dwukolumnowej maszynie wytrzymałościowej Instron 3369 (pokazanej na rys. 8) o zakresie pomiarowym od 0 do 50kN. Uzyskane wyniki należy wprowadzić do tabela 4. Rys. 8 Maszyna wytrzymałościowa Instron 3369

11 b. Badania własności wytrzymałościowych złącz klinczowych Połączenie klinczowe powinno być umieszczone w projekcie konstrukcji blaszanej w taki sposób, aby pracowało na ścinanie podczas przenoszenia obciążenia. Wytrzymałość na ścinanie można badać na blachach sklinczowanych na zakładkę (rys. 9). Pierwsze połączenie przetłaczane należy wykonać dla blach (górnej i dolnej) o temperaturze otoczenia. Drugie połączenie należy wykonać dla górnej blachy o temperaturze pokojowej i dolnej blachy nagrzanej wcześniej do temperatury 600 C przez czas 20 minut. Celem badania jest określenie wpływu temperatury dolnej blachy podczas przetłaczania na wytrzymałość całego złącza. Wyniki uzyskane z próby zrywania należy wprowadzić do tabela 4. Tabela 4 Własności wytrzymałościowe materiału wejściowego Materiał wejściowy Wytrzymałość na rozciąganie [MPa] Grubość dna przetłoczenia 21 C 600 C (+ woda) Stal DC03 (1,1 mm) - Stal DP600 (1,5 mm) - Stal DC03 (1,1 mm) Klincz dwa klincze Stal DP600 (1,5 mm) dwa klincze Rys. 9 Wytrzymałość na ścinanie blach połączonych na zakładkę

12 Ponieważ złącze rzadko kiedy uda się zaprojektować tak aby przenosiło tylko naprężenia ścinające (zrywanie pod kątem 90 ), po wykonaniu połączenia przetłoczonego, należy przebadać je również w złożonym stanie obciążenia (rozciąganie i ścinanie jednocześnie 45ºC). W tym celu, złącza wykonuje się na wygiętym kształcie blachy (litera C jak na rys. 10), tak aby można je było zamocować na przyrządzie Arcana (zmodyfikowanym później przez Yen a) pokazanym na rys. 11. Pozwoliło to na rezygnację z użycia klejów jednocześnie upraszczając i skracając czas badań. Przyrząd umożliwia badanie wytrzymałości złącza na rozciąganie (0ºC), ścinanie (90ºC) i w złożonym stanie obciążenia (45ºC). Urządzenie składa się z 2 kompletów nakładek do mocowania próbek za pomocą śrub oraz 2 uchwytów wyposażonych w obwodowo rozmieszczone otwory. Podczas badania rejestrowana jest siła oraz przemieszczenie trawersy. Jeżeli materiał został poddany obróbce cieplnej przed, w trakcie lub po procesie przetłaczania, to złącze należy zbadać pod kątem mikrostruktury wykonując zgład metalograficzny. Rys. 10 Kształt blachy łączonej

13 Rys. 11 Przyrząd do badań połączeń przetłaczanych 4. Literatura : [1] Mucha J.: Badania i kierunki rozwoju technologii połączeń przetłaczanych na zimno, OWPR, Rzeszów [2] Balawender T.: Klinczowanie jako sposób łączenia cienkościennych blach, Technologia i Automatyzacja Montażu, Instytut Mechanizacji Budownictwa i Górnictwa Skalnego 2010 [3] Kaczyński P., Bartczak B.: The influence of segmented die clinch joints orientation on their mechanical properties, Journal of Machine Engineering 2014