szybkie łączenie za pomocą wstrzeliwania wysokowytrzymałych

szybkie łączenie za pomocą wstrzeliwania wysokowytrzymałych

Technologia i Automatyzacja Montażu
1/2011
SZYBKIE ŁĄCZENIE ZA POMOCĄ WSTRZELIWANIA
WYSOKOWYTRZYMAŁYCH GWOŹDZI
Jacek MUCHA
Do mechanicznych sposobów łączenia ze sobą różnych gatunków materiałów można zaliczyć te, które
wymagają dodatkowego łącznika, oraz te, w których taki
wymóg nie występuje [1]. Zazwyczaj łączenie z dodatkowym łącznikiem wymaga wykonania uprzednio
otworu. Obecnie łączenie mechaniczne z udziałem dodatkowego elementu łączącego możliwe jest bez jego
wykonania [2, 3, 4, 5]. Jedną z nowych i ciekawych jest
technologia „przetłaczania” (wstrzeliwanie z wysokimi
prędkościami) wysokowytrzymałym gwoździem.
Na międzynarodowym rynku od kilku lat, a w Polsce
od 2009 roku, została wprowadzona technologia łączenia za pomocą wstrzeliwania z wysokimi prędkościami
specjalnie do tego celu zaprojektowanymi gwoździami
pod nazwą handlową RIVTAC® (RIVTAC® jest to nazwa
handlowa opracowanej technologii firmy Böllhoff Verbindungstechnik GmbH) [6]. Stanowi ciekawą alternatywę np. do zgrzewania czy nitowania konwencjonalnego. Podczas montażu elementów niekiedy niemożliwy
jest dwustronny dostęp do miejsca scalenia materiałów.
Stąd pojawiła się technologia łączenia przetłaczania za
pomocą gwoździa. Prekursorem tej technologii jest firma
Böllhoff.
W opracowanym systemie montażowym wykorzystywany jest łącznik o kształcie i geometrii (rys. 1) pozwalających na łączenie elementów niezależnie od rodzaju
i grubości. Dostępne są rozwiązania od ręcznych narzędzi po zautomatyzowane systemy montażowe.
Technologia RIVTAC® jest odpowiednia do łączenia
ze sobą przeważnie dwóch warstw różnych materiałów,
począwszy od stali, metali nieżelaznych, tworzyw
sztucznych, a skończywszy na połączeniach kompozytowych i mieszanych. Może być zatem stosowana do
połączeń dwuwarstwowych, sprawdza się doskonale
w wielowarstwowych i jest równie skuteczna w przypadku tworzenia połączeń hybrydowych. Dobrze wpisuje się w obecną tendencję zastępowania tradycyjnych
a)
b)
metod łączenia, np. zgrzewania, skręcania, innymi alternatywnymi [7, 8].
a)
b)
Rys. 1. Kształt i geometria łącznika: a) główne wymiary, b) widok karbów na powierzchni walcowej
Główne zalety omawianej technologii to:
łączenie bez konieczności wykonywania wcześniej
otworów,
• konieczność zachowania tylko jednostronnego dostępu przy dużej sztywności łączonych materiałów,
• możliwość łączenia wysokowytrzymałych materiałów o stosunkowo dużej grubości,
• możliwość elastycznego stosowania do połączeń
mieszanych, wielowarstwowych oraz hybrydowych,
• minimalny czas łączenia oraz cyklu roboczego,
• możliwość stosowania wraz z techniką klejenia.
Ma ona jednak jedną z podstawowych wad – konieczność zachowania dużej sztywności elementów
w miejscu ich połączenia. Uciążliwy może być także wysoki poziom hałasu – sięgający 100 ÷ 107 decybeli podczas tworzenia złącza. W czasie łączenia cienkościennych elementów w postaci blach konieczne jest zapewnienie podparcia materiału w obrębie połączenia. Najlepsze efekty uzyskuje się podczas łączenia cienkich
elementów do litego materiału.
Poniżej, na rys. 2 i 3, przedstawiono kilka rozwiązań
złączy wytworzonych omawianą technologią.
•
c)
Rys. 2. Przykłady połączeń materiału blach: a) stali ze stalą z warstwą kleju, b) stali ze stalą, c) aluminium z aluminium
17
1/2011
a)
Technologia i Automatyzacja Montażu
b)
Łączna grubość przebijanego materiału (tc) może
wynosić od 3 mm do 6 mm, przy czym minimalna grubość dolnej warstwy materiału wynosić powinna 1,5 mm
w wypadku stali oraz 2 mm przy aluminium. Obowiązuje
tu zasada, że przetłacza się materiał o mniejszej grubości w grubszy oraz bardziej miękki w twardszy.
Łączenie blach aluminiowych
Rys. 3. Połączenie aluminiowych elementów, blachy z zamkniętym kształtownikiem. Widok przekroju: a) od strony blachy, b) od wewnętrznej strony kształtownika
Proces łączenia
Łączenie odbywa się za pomocą specjalnie zaprojektowanego stalowego łącznika. Wysokowytrzymały
gwóźdź wykonany jest ze stali o twardości końcowej
52 HRC. Do łączenia różnych materiałów przeznaczony
jest gwóźdź z powłoką cynkową. Do nadania wysokiej
energii kinetycznej łącznikowi służy sprężone powietrze
w zakresie ciśnienia p = 0,45 ÷ 0,8 MPa. Oferowane na
rynku systemy firmy Böllhoff pozwalają na nadanie wysokiej energii kinetycznej łącznika, tak że czas cyklu
wynosi poniżej 1 sekundy.
Przekazanie dużej energii (nadanie prędkości) gwoździowi o wadze ~1,1 g pozwala na jego wbicie się w łączony materiał (rys. 4). Wówczas następuje stopniowa
penetracja łączonego materiału warstwy górnej z jednoczesnym rozpychaniem promieniowym materiału (faza I).
Część materiału wypływa ku górze na obwodzie styku
z gwoździem. Po przebiciu pierwszej warstwy przenika
w kolejną (faza II) aż do całkowitego przebicia (faza III)
i ostatecznie zakotwiczenia (faza IV). Prędkość gwoździa uzależniona od materiału oraz grubości łączonych
elementów regulowana jest poprzez ustawienie odpowiedniego ciśnienia (p). Przy tak szybkim ruchu penetracji występuje krótki wzrost temperatury w strefie łączenia, dzięki temu następuje nieznaczna poprawa plastyczności materiału, co pozwala na lepsze wypełnienie
rowków na powierzchni trzonka gwoździa, bez konieczności stosowania dodatkowego docisku. Dzięki temu
możliwe jest osiągnięcie stosunkowo wysokiej szczelności połączenia.
Rys. 4. Przebieg procesu łączenia
18
Do eksperymentalnego łączenia wykorzystano blachę aluminiową gatunku EN AW-1050A, posiadającą
domieszki takich pierwiastków, jak Fe, Si, Zn, Ti, Mg,
Mn, Cu. Grubość pojedynczej blachy wynosiła 2 mm.
Aluminium niestopowe A1 jest plastyczne, o dobrej podatności na gięcie także na zimno, cechuje się niskimi
własnościami mechanicznymi, wysoką przewodnością
elektryczną oraz cieplną. Jest wysoce odporne na korozję atmosferyczną i dobrze spawalne, nadaje się do
anodowania dekoracyjnego.
a)
b)
Rys. 5. Przenośny system RIVTAC® zasilany sprężonym powietrzem: a) pistolet do wstrzeliwania gwoździ (1 – prowadnica
magazynku, 2 – głowica, 3 – rękojeść, 4 – układ napędowy),
b) taśmowy magazyn gwoździ
Próbę mechanicznego łączenia za pomocą wysokowytrzymałych gwoździ zrealizowano, stosując przenośne urządzenie do technologii RIVTAC® firmy
Böllhoff w wersji „Small Touch” (rys. 5a).
Łącznik do wytwarzania złączy w postaci specjalnego gwoździa pobierany był z taśmowego
magazynku (rys. 5b), umieszczonego w prowadnicy (1).
Dla złączy pojedynczych (rys. 6a) i podwójnych (rys. 6b) wykonano po trzy próbki połączeń blach. Eksperyment miał na celu poznanie
możliwości łączenia materiału blach z aluminium EN AW-1050A.
Uzyskane złącza charakteryzowały stosunkowo duże wywinięcia materiału blachy po
stronie wyjścia łącznika (rys. 7). Zbyt mała
sztywność oraz właściwości mechaniczne łą-
Technologia i Automatyzacja Montażu
1/2011
czonych materiałów sprzyjają powstawaniu dużych deformacji kształtu blach.
a)
czyzny blach od kierunku przemieszczenia wymuszającego (rys. 8b). Stąd takie deformacje kształtu blach pozostały po testach na rozłączonych odcinkach blach –
rys. 9. Podczas rozrywania złącza wykonanego technologią wstrzeliwania wysokowytrzymałych gwoździ zaobserwowano pękanie dolnej blachy (rys. 9b). W taki sam
sposób i w takich samych warunkach przebadane zostały po 3 serie próbek dla pojedynczych i podwójnych
złączy.
a)
b)
b)
Rys. 6. Próbka połączenia wykonanego technologią RIVTAC®:
a) pojedynczego, b) podwójnego
Rys. 8. Połączenie w technologii RIVTAC® podczas próby:
a) rozrywania, b) ścinania
a)
b)
Rys. 9. Deformacja połączonych blach po określonych testach:
a) ścinania, b) rozrywania
Rys. 7. Przekrój połączenia blach o układzie grubości 2 + 2 mm
Siła obciążenia Fr; Ft, [kN]
Odpowiedzi złączy na przemieszczenie wymuszające
Odpowiednio przygotowane próbki złączy zostały
deformację i rozdzielenie złączy przedstawiono w popoddane testom wytrzymałościowym, aż do ich całkostaci charakterystyk siłowych na wykresie – rys. 10.
witego rozdzielenia (rys. 8). Testy wytrzymałości połączeń na ścinanie i roz3
rywanie zrealizowano na uniwersalnej
blacha
dolna
maszynie wytrzymałościowej. Pomiary
2,5
siły odkształcenia złączy wykonano
przy prędkości trawersy maszyny
2
8 mm/min. Próbki do badań zostały
blacha
oznaczone, dla każdej próby wykonano
górna
1,5
na maszynie wytrzymałościowej rejestrację parametrów siły i przemieszcze1
nia. Podczas próby rozrywania złączy
początkowo następowało nieznaczne
0,5
zginanie próbek względem punktu
scalenia (rys. 8a). Następnie powolne
ich rozdzielenie. Spowodowane jest to
0
przesunięciem punktu złącza od płasz0
10
20
30
40
50
60
czyzny chwytu o wielkość zapewniającą
Przemieszczenie s, [mm]
wykonanie
połączenia.
Natomiast
w przypadku prób ścinania, w początkowej fazie odkształcania, występowało
Rys. 10. Przebieg siły wymuszającej przemieszczenie podczas próby
nieznaczne odchylenie wspólnej płaszścinania i rozrywania połączenia
19
1/2011
Technologia i Automatyzacja Montażu
Dla próbki L-kształtnej widoczny jest na charakterystyce siłowej moment (dla przemieszczenia 8 mm),
w którym zgięta próbka uzyskała na tyle dużą sztywność, by możliwy był proces powolnej separacji gwoździa z blachy dolnej.
W przypadku ścinania złącza odchylenie blachy wystąpiło po stronie wbicia łącznika. Wynika to z działania
momentu zginającego na krawędzi łba, stąd też na charakterystyce siłowej można zauważyć fazę wstępnego
wyginania blachy (rys. 10). Po odchyleniu blachy górnej
o kąt, dla którego wystąpiła składowa siła działająca
w osi łącznika, następowało stopniowe wysuwanie się
gwoździa z blachy dolnej.
Wyniki uzyskane ze wszystkich prób dla złączy pojedynczych i podwójnych przedstawiono w postaci maksymalnych wartości sił przeniesionych przez połączenia
za pomocą wykresu słupkowego (rys. 11).
•
Zarówno dla złączy pojedynczych, jak i podwójnych,
uzyskano dużą powtarzalność maksymalnej siły obciążenia, co można uznać za zaletę.
Technologia wstrzeliwania łącznika może stanowić
alternatywne rozwiązanie w przypadku montażu z jednostronnym dostępem, przy zapewnieniu dużej sztywności łączonych elementów. Może być stosowana do
mniej odpowiedzialnych konstrukcji.
Uzyskanie informacji na temat łączenia materiałów
twardych i wytrzymałości zmęczeniowej w dalszych badaniach pozwoli na pełny opis możliwości ich wykorzystania w procesach montażowych. Wdrożenie tej technologii łączenia może dać wymierne korzyści w postaci
uproszczenia technologii montażu, obniżenia kosztów
oraz czasochłonności wykonania, przy jednoczesnym
zachowaniu jakości połączenia.
LITERATURA
Maksymalna siła rozdzielenia złącza Fz,[kN]
ścinanie
rozrywanie
6
1.
5
4
2.
3
2
1
3.
0
1
podwójne
pojedyncze
Rys. 11. Zestawienie maksymalnych wartości siły przeniesionych przez złącza
Podsumowanie
W pracy zaprezentowano przykład praktycznej aplikacji technologii wytwarzania połączeń wykonanych
w technologii wstrzeliwania łącznika. Określono
możliwości przenoszenia sił przez złącze pojedyncze
i podwójne dla miękkiego materiału blach ze stopu A1.
• Niesymetryczne deformacje kształtu blach próbek
złączy wynikają z formy geometrycznej łącznika
(niesymetryczność deformacji blach nie występuje
w przypadku np. połączeń zgrzewanych). Łącznik
posiadający z jednej strony ostre zakończenie,
a z drugiej łeb, determinuje odkształcanie się łączonych elementów do takiej postaci, dla której możliwe jest powolne wysuwanie się gwoździa.
• W przypadku złączy podwójnych uzyskano większą
maksymalną siłę obciążenia od dwukrotnej wartości
uzyskanej dla złącza pojedynczego. Jest to naturalnym efektem bliskości obszarów oddziaływania
punktów scalenia.
20
4.
5.
6.
7.
8.
Mucha J.: Modern mechanical on press joinability
techniques for sheet metal elements. PRO-TECHMA 07, Rzeszów-Bezmiechowa, 28 – 30 czerwiec
2007. Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów 2007.
Barnes T.A., Pashby I.R.: Joining techniques for
aluminium spaceframes used in automobiles. Part II
– adhesive bonding and mechanical fasteners.
Journal of Materials Processing Technology,
99/2000, 72 – 79.
Mucha J.: Rozwój technik wytwarzania złączy nitowych – nitowanie bezotworowe, Mechanik nr 5,
6/2007, 454 – 460.
Mucha J., Bartczak B.: Rozważania nad efektywnym modelowaniem procesu łączenia cienkich
blach metodą przetłaczania. Obróbka Plastyczna
Metali nr 2/2010, 105 – 117.
Kaščák L’., Spišák E.: Evaluations of properties of
clinching and resistance spot welding, w: Mechanics
2008, Zeszyty Naukowe Politechniki Rzeszowskiej,
Seria: Mechanika, Mat. Konf. z. 73/2008, 161 – 166.
www.boellhoff.com.
Tubielewicz K., Turczyński K.: Zastosowanie połączeń blach prasowanych na zimno w konstrukcji
podestów budowlanych. Przegląd Mechaniczny nr
12/2008, 19 – 24.
Berliński A.: Stanowisko do montażu detali przewodów klimatyzacyjnych metodą „Clinchingu”. Technologia i Automatyzacja Montażu nr 1/2008, 13 – 16.
____________________
Dr inż. Jacek Mucha jest pracownikiem Katedry Konstrukcji Maszyn, Wydziału Budowy Maszyn i Lotnictwa,
Politechniki Rzeszowskiej.