Analiza numeryczna procesu bezotworowego nitowania SPR*) ROBERT CACKO PIOTR CZYÚEWSKI W ciÄ…gu ostatnich lat w przemyĘle samochodowym czenia mechanicznego. Powsta"a nowa kategoria daje si´ zaobserwowaç sta"y wzrost zastosowania procesów "Ä…czenia "Ä…czenie mechaniczne pod na- nowych materia"ów, takich jak stopy aluminium, ciskiem stanowiÄ…cych interesujÄ…cÄ… alternatyw´ dla stale wysokostopowe czy kompozyty. Ich wykorzys- dotychczas stosowanych technologii. Metody te tanie daje w efekcie wymierne korzyĘci poprzez oparte na podstawowych operacjach obróbki plas- zmniejszenie masy projektowanych konstrukcji czy tycznej pozwalajÄ… po"Ä…czyç elementy tak, Å»e w ob- wyraÄ™nÄ… popraw´ wytrzyma"oĘci poszczególnych jej szarze ich zachodzenia na siebie utworzy si´ element cz´Ä˜ci. Niestety zastosowanie takich materia"ów "Ä…czÄ…cy. Otrzymane w jednym zabiegu po"Ä…czenie jest wiÄ…Å»e si´ cz´sto z powaÅ»nymi ograniczeniami. Doty- nieroz"Ä…czne i ca"kowicie zamkni´te. Najcz´Ä˜ciej "Ä…- czÄ… one mi´dzy innymi technik "Ä…czenia elementów czone elementy majÄ… t´ samÄ… gruboĘç, ale mogÄ… byç konstrukcyjnych z róŻnorodnych materia"ów: stopów teÅ» róŻnej gruboĘci i mogÄ… byç wykonane z róŻnych aluminium i stali, stopów aluminium mi´dzy sobÄ…, materia"ów. Mi´dzy "Ä…czonymi elementami moÅ»e takÅ»e kompozytów z metalami, nowych materia"ów itd. istnieç warstwa poĘrednia, np. farby malarskiej czy Konwencjonalne techniki "Ä…czenia blach stosowane folii, która nie wp"ywa w znaczÄ…cy sposób na jakoĘç w produkcji masowej w przemyĘle samochodowym po"Ä…czenia. Od pewnego czasu duÅ»e nadzieje wiÄ…Å»e zwykle nie spe"niajÄ… wymagaÅ‚ w odniesieniu do takich si´ mi´dzy innymi z metodÄ… SPR (Self-Piercing wypadków. Riveting). W polskiej literaturze nie wyst´puje jeszcze od- W poszukiwaniu rozwiÄ…zania pojawiajÄ…cych si´ problemów z "Ä…czeniem nowych materia"ów kon- powiednik dla nazwy SPR, lecz zespó" prowadzÄ…cy strukcyjnych si´gni´to do dobrze znanych metod "Ä…- prace badawcze nad metodÄ… SPR proponuje nazw´ nitowanie bezotworowe NB. Ogólnie rzecz ujmujÄ…c, jest to metoda "Ä…czenia cienkich elementów (g"ównie Dr inÅ». Robert Cacko i mgr inÅ». Piotr CzyÅ»ewski sÄ… pra- blach i taĘm) za pomocÄ… specjalnych, rurowych nitów. cownikami Zak"adu Obróbki Plastycznej Instytutu Tech- Na rys. 1 pokazano przyk"ady takich po"Ä…czeÅ‚ dla nologii Materia"owych Politechniki Warszawskiej. dwóch i trzech warstw "Ä…czonych. Zakres zastoso- *) Praca zosta"a wykonana w ramach grantu KBN 0590/T08/ waÅ‚ NB jest szeroki. Najcz´Ä˜ciej t´ metod´ wy- 2002/23. korzystuje przemys" motoryzacyjny. Konstruktorzy ROK WYD. LXII ZESZYT 12/2003 Rys. 1. Przyk"adowe po"Ä…czenia: dwie warstwy 2x1,2 mm aluminium, trzy warstwy 3x1 mm aluminium, nit stalowy [2] pracujÄ… zarówno nad dostosowaniem do szybko arkusza blachy do arkusza dolnego. Przy prawid"owo zmieniajÄ…cych si´ norm ochrony Ęrodowiska, jaki i przeprowadzonej operacji nitowania nie powinno spe"nieniem rosnÄ…cych wymagaÅ‚ klientów odno- nastÄ…piç przebicie dolnej warstwy przez nit. Ca"oĘç szÄ…cych si´ do jakoĘci, luksusu i bezpieczeÅ‚stwa operacji wymaga jednego, nieprzerwanego skoku samochodów. Wynikiem tych dÄ…Å»eÅ‚ jest wzrost uÅ»ycia roboczego stempla. Z"Ä…cze stanowi form´ miseczko- aluminium jako jednego z g"ównych materia"ów sto- watego wg"´bienia po stronie stempla i wypuk"oĘci sowanych do budowy karoserii samochodu. Stanowi ( guzika ) po stronie przeciwnej. Metoda pozwala to powaÅ»ne wyzwanie przy wyborze technologii "Ä…- po"Ä…czyç elementy tak, Å»e w obszarze ich zachodzenia czenia elementów. Nitowanie bezotworowe spe"nia na siebie tworzy si´ strefa "Ä…czÄ…ca o charakterystycz- te wymagania. Do podstawowych korzyĘci wynika- nym polu napr´Å»eÅ‚. jÄ…cych z zastosowania tej technologii naleŻą: Pomimo przeprowadzenia wielu testów i okreĘlenia brak koniecznoĘci wykonywania otworów pod ogólnych wskazaÅ‚ do projektowania tego procesu, nity, jak dotÄ…d nie uda"o si´ opisaç mechaniki tworzenia moÅ»liwoĘç "Ä…czenia róŻnorodnych materia"ów si´ z"Ä…cza. Nie ma podstaw do jednoznacznego wy- i ich kombinacji, t"umaczenia, w jakim stopniu poszczególne czynniki moÅ»liwoĘç "Ä…czenia kilku warstw materia"ów, wp"ywajÄ… na wytrzyma"oĘç konkretnego z"Ä…cza przy brak wytwarzania oparów gazów i ciep"a podczas okreĘlonych parametrach geometrycznych, materia- procesu, "owych i technologicznych. brak operacji przed- i poobróbkowych, Na podstawie wielu eksperymentów opracowano niska emisja ha"asu, podstawowe kryteria projektowania procesu NB. Po krótki czas cyklu, pierwsze, ca"kowita gruboĘç "Ä…czonych elementów niskie zuÅ»ycie energii, nie powinna przekroczyç 7 mm dla stali i 12 mm dla wysoka Å»ywotnoĘç narz´dzi, aluminium. Minimalna gruboĘç materia"u dla stali "atwa automatyzacja i moÅ»liwoĘç monitorowania i aluminium wynosiç powinna 1,6 mm. Po drugie, przebiegu procesu, technologia NB wymaga, aby górna warstwa ma- trwa"y, odporny na korozj´, gazoszczelny i wodo- teria"u by"a cieÅ‚sza lub równa co do gruboĘci odporny charakter z"Ä…cza. warstwie dolnej. JeĘli nie moÅ»na temu sprostaç, zalecane jest, aby gruboĘç dolnej warstwy by"a nie mniejsza niÅ» 1/3 gruboĘci ca"ego stosu "Ä…czonych Opis procesu elementów. Nitowanie bezotworowe jest procesem klasyfiko- Ze wzgl´du na wp"yw duÅ»ych odkszta"ceÅ‚ na wy- wanym do procesów obróbki plastycznej. Z tego teÅ» trzyma"oĘç z"Ä…cza oraz sposób jego kszta"towania, wzgl´du, podczas jego projektowania naleÅ»y braç proces klasyfikowany jest jako proces obróbki plas- pod uwag´ w"asnoĘci plastyczne materia"ów. JeÅ»eli tycznej. Efektem jest powstanie nieroz"Ä…cznego po- "Ä…czone sÄ… elementy z róŻnych materia"ów, przyjmuje "Ä…czenia kilku warstw materia"u. Podczas tego procesu si´, Å»e prawid"owe z"Ä…cze powstanie wtedy, gdy ma- nit przebija tylko górnÄ… warstw´ materia"u, w dolnej teria" w dolnej warstwie (po stronie matrycy) b´dzie zaĘ nast´puje sp´czenie nitu wraz z warstwÄ… materia- charakteryzowaç si´ odkszta"ceniem wi´kszym o 10% "u w matrycy. Schemat procesu prezentuje rys. 2. W w stosunku do materia"u w górnej warstwie. pierwszej fazie procesu nast´puje wciskanie nitu w górnÄ… warstw´ materia"u (A, B). Po zetkni´ciu dolnej warstwy z matrycÄ… nit przebija górnÄ… warstw´, a dolny Elementy kluczowe: nit i matryca arkusz materia"u wraz z nitem odkszta"cajÄ…c si´ przy- RozmaitoĘç potencjalnych zastosowaÅ‚ procesu biera odpowiedni kszta"t (C, D). W fazie ostatniej na- nitowania bezotworowego stwarza koniecznoĘç pro- st´puje wype"nienie wykroju matrycy i pe"ne ufor- jektowania wielu typów nitów (rys. 3). Geometria nitu, mowanie po"Ä…czenia (E, F). Kszta"t matrycy powoduje jego twardoĘç, jakoĘç powierzchni, kszta"t "ba oraz uformowanie nitu tak, aby dociska" on górnÄ… cz´Ä˜ç Rys. 3. Rodzaje nitów SPR: a) nit z "bem stoÅ»kowym p"askim, b) nit z "bem p"askim, c) nit z "bem p"askim zaokrÄ…glonym, d) nit typu T pokrycia galwaniczne mogÄ… byç zmieniane i dosto- sowywane do szczególnych zastosowaÅ‚. Budowa nitu Rys. 2. Schemat procesu "Ä…czenia NB (SPR)[6] NB jest odmienna od nitów tradycyjnych. Kszta"t 16 ROK WYD. LXII ZESZYT 12/2003 Zastosowano nast´pujÄ…ce programy MES: LS_Dyna, Abaqus/Explicit oraz MSC.Marc. Wybrano spr´Å»ysto- -plastyczne modele materia"owe ze wzmocnieniem izotropowym oraz algorytmy, które zapewnia"y uwzgl´dnienie silnych odkszta"ceÅ‚ oraz moÅ»liwoĘç wedle twórców oprogramowania rozdzielenia ma- teria"u. Do analiz wybrano jeden z zestawów wykorzys- tywanych przemys"owo dla nitu 5,5x6 (Ęrednica nitu x wysokoĘç nitu). Nit wykonano ze stali, a "Ä…czone blachy ze stopów aluminium. W tab. I przedstawiono parametry krzywych umocnienia dla poszczególnych materia"ów. Rys. 4. Konstrukcje matryc firmy Böllhoff [6] Parametry krzywych umocnienia dla wybranych materia"ów E, < Õ0pl, n trzonu jest zawsze rurowy. Taka geometria pozwala MPa MPa na odpowiednie odkszta"cenie trzonu w czasie pro- Nit 210 000 0,31 315 0,19 cesu. ¸Ä…czone blachy 70 000 0,33 126 0,30 KonsekwencjÄ… wieloĘci stosowanych typów nitów Matryca/stempel/dociskacz 210 000 0,31 - - jest koniecznoĘç projektowania odpowiednich matryc (tylko w przypadku (rys. 4). Z badaÅ‚ doĘwiadczalnych wynika, Å»e odpo- programów explicit wiednie dopasowanie geometrii nitu i matrycy, za- Dyna i Abaqus) pewniajÄ…ce optymalnÄ… wytrzyma"oĘç z"Ä…cza, jest zadaniem niezwykle trudnym. Z praktyki przemys"o- wej wiadomo, Å»e wprowadzenie nie tylko nowego materia"u, ale nawet niewielka zmiana wymagaÅ‚ dotyczÄ…cych geometrii powoduje duÅ»e komplikacje przy uruchamianiu produkcji [1, 2, 3]. Modelowanie numeryczne Nie ma, jak dotÄ…d, dost´pnych Ä™róde" przedsta- wiajÄ…cych analiz´ mechaniki tworzenia z"Ä…cza i wy- nikajÄ…cych z tego wniosków dotyczÄ…cych optymal- nego doboru zestawu nit materia" "Ä…czony matryca i prze"oÅ»enia tego na trwa"oĘç z"Ä…cza. Analiza po- szczególnych etapów tworzenia z"Ä…cza jest bardzo trudna, g"ównie ze wzgl´du na ograniczone moÅ»- liwoĘci wglÄ…du w z"Ä…cze na kaÅ»dym etapie jego tworzenia. Pozostaje zatem modelowanie fizyczne, a zw"aszcza numeryczne. Obie metody modelowania sÄ… stosowane w Zak"adzie Obróbki Plastycznej In- stytutu Technologii Materia"owych PW od kilku lat do modelowania procesów technologicznych z bar- dzo dobrymi efektami. Modelowanie numeryczne wi´kszoĘci procesów mechanicznego "Ä…czenia blach nie nastr´cza wi´k- szych problemów przy wykorzystaniu algorytmów, w jakie sÄ… wyposaÅ»one programy oparte na MES (np. remeshing czy rezoning ). Z procesem NB sprawa jest bardziej z"oÅ»ona. Procesowi symulacji mogÄ… podlegaç dwa aspekty: proces kszta"towania z"Ä…cza (zakleszczania nitu) oraz analiza wytrzyma"oĘ- ciowa statyczna i dynamiczna otrzymanych po- "Ä…czeÅ‚. Jest oczywiste, Å»e bez uwzgl´dnienia pola napr´Å»eÅ‚ powsta"ego w z"Ä…czu po jego ukszta"towaniu analiza wytrzyma"oĘciowa b´dzie niepe"na. G"ów- ny problem zwiÄ…zany z modelowaniem procesu bez- otworowego nitowania polega na tym, Å»e mamy do czynienia zarówno z wyst´pujÄ…cymi lokalnie bardzo duÅ»ymi odkszta"ceniami, jak i pojawiajÄ…cym si´ w pewnej fazie procesu rozdzieleniem materia"u. Taki mechanizm nie jest trywialny przy modelowaniu za Rys. 5. Wst´pne analizy w programie MSC.Marc (bez uwzgl´d- pomocÄ… komercyjnego oprogramowania. nienia rozdzielenia materia"u) ROK WYD. LXII ZESZYT 12/2003 17 Rys. 6. Przyk"adowe wyniki ob- liczeÅ‚ z programu LS_Dyna Z grupy testowanych programów najmniej ko- Podsumowanie rzystnie wypad" pakiet LS_Dyna. Nie uda"o si´ W artykule zaprezentowano wst´pne analizy do- osiÄ…gnÄ…ç zbliÅ»onego kszta"tu z"Ä…cza do przypadku tyczÄ…ce moÅ»liwoĘci numerycznego modelowania rzeczywistego. Byç moÅ»e wynika"o to z faktu, Å»e by" procesu nitowania bezotworowego. Do obliczeÅ‚ on najs"abiej znanym programem i ograniczono si´ wykorzystano wybrane komercyjne programy oparte jedynie do wykorzystania opcji i algorytmów do- na metodzie elementów skoÅ‚czonych: LS_Dyna, st´pnych bezpoĘrednio, bez korzystania z do- Abaqus/Explicit, MSC.Marc oraz MSC.SuperForm. datkowych, pisanych specjalnie procedur. Przyk"a- Najlepsze wyniki uzyskano za pomocÄ… programów dowe wyniki dla róŻnych modeli rozdzielenia ma- Abaqus i Marc, g"ównie ze wzgl´du na zastosowa- nie w nich dodatkowych procedur. Te programy sÄ… teria"u przedstawia rys. 6. Parametrem rozdzielenia najlepiej znane zespo"owi badawczemu i wprowa- by"a wielkoĘç odkszta"cenia zast´pczego wyznaczo- dzenie dodatkowych algorytmów okaza"o si´ naj- nego z testów dla materia"ów "Ä…czonych. Wydaje prostsze. Porównanie wyników obliczeÅ‚, w których si´, Å»e ta procedura nie jest dobra w tym konkretnym nie uwzgl´dniano rozdzielenia materia"u, wskazuje, przypadku, poniewaÅ» podczas kszta"towania z"Ä…cza w Å»e program MSC.Marc ma najefektywniejszy algorytm obr´bie odkszta"canego nitu wyst´puje z"oÅ»ony stan przesiatkowania, który umoÅ»liwi" prowadzenie obli- napr´Å»eÅ‚, który róŻni si´ zasadniczo od tego, jaki czeÅ‚ w szerszym zakresie. W programach typu explicit analizujemy podczas prób rozciÄ…gania. W pozosta"ych (Abaqus/Explicit, LS_Dyna) doĘwiadczono sporych programach zastosowano inne bardziej intuicyjne trudnoĘci ze skalowaniem masy i doborem pr´dkoĘci, kryteria rozdzielenia górnej cz´Ä˜ci "Ä…czonej blachy. aby czas obliczeÅ‚ by" efektywny. Wyniki sugerujÄ…, Å»e algorytmy przesiatkowania LITERATURA zaaplikowane w programach MSC.Marc oraz Abaqus 1. Hahn O., Schulte A.: Performance and Reliability of Self- okaza"y si´ w tym przypadku nieco lepsze niÅ» do- Piercing Riveted Joints in Steel and Aluminum Alloys. Me- st´pne w LS_Dyna. UmoÅ»liwi"y one uzyskanie wy- chanical Fastening Seminar, Jan. 27th, 1998, Troy, Michigan. ników zbliÅ»onych do rzeczywistoĘci. Przyk"adowe 2. Westgate S. A.: How Do Mechanical Fasteners Measure Up wyniki dla programów Marc i Abaqus przedstawiono To Spot Welding. Mechanical Fastening Seminar, Jan. 27th, odpowiednio na rys. 5 i rys. 7. 1998, Troy, Michigan. Rys. 7. Porównanie rzeczywistego z"Ä…cza i wyników symulacji (program Abaqus/Explicit) JeÅ»eli chodzi o iloĘciowÄ… analiz´ problemu, wszyst- 3. Bokhari N., LaPensee M.: Self-Piercing Riveting in Automo- tive Applications. Mechanical Fastening Seminar, Jan. 27th, kie wspomniane programy odznaczajÄ… si´ powaÅ»- 1998, Troy, Michigan. nym ograniczeniem, a mianowicie ca"kowicie usuwa- 4. Hamela V., Roelandta J. M., Gacelb J. N., Schmith F.: Finite jÄ… z modelu elementy, w których przekroczone zostanÄ… element modeling of clinch forming with automatic okreĘlone parametry, charakteryzujÄ…ce utrat´ spój- Remeshing Computers and Structures 77 (2000) 185Ä…200 noĘci materia"u. 5. www.henrob.co.uk 18 ROK WYD. LXII ZESZYT 12/2003