TechnologiaiAutomatyzacjaMontażu3/2013

55

EKSPERYMENTALNA ANALIZA EFEKTYWNOŚCI ROZWIĄZAŃ WYBRANYCH SYSTEMÓW ŁĄCZENIA PRZEZ PRZETŁACZANIE BLACH

Jacek MUCHA, Waldemar WITKOWSKI

S t r e s z c z e n i eWpracyprzedstawionoanalizęwytrzymałościzakładkowychpołączeńdlablachystalowejS350GDogrubości1mm.Próbyścinaniazrealizowanodlapołączeńzakładkowychpojedynczychorazpodwójnychodwóchsposobachułożeniawzglę-demkierunkusiłyobciążającej.Przezwykonanietestuścinaniaokreślonomaksymalnąsiłęścinającadlapołączeńwykonanychróżnymisystemamiłączenia,wtymtechnologiiprzetłaczania.PrzedstawionorównieżprzykładaplikacjinowejtechnologiiłączeniaClinchRivet,dlablachyS350GD.SpośródwszystkichbadanychpołączeńnajwiększewartościobciążeniauzyskanodlapróbkiwykonanejsystememClinchRi-vet.Połączeniatewykazaływysokieobciążenieszczytowe.Zmianakierunkudziałaniaobciążeniaokąt45°wtakimzłączupowodujeznacznywzrostprzemieszczeńdouzyskaniawartościszczytowejobciążenia.Największeróżnicewprzenoszeniumaksymalnegoobciążeniawpołączeniuzakładkowymprzyzmianiekierunkuobciążenia o90°występujądlapodwójnychpołączeńtypuClinchRivetiSPR.NajmniejsząpoczątkowąsztywnośćpołączeńblachyS350GDposiadałypołączeniazblachowkrętem.

S ł o w a k l u c z o w emechanicznełączenie,wytrzymałośćnaścinanie,Clinching,SelfPiercingRiveting,ClinchRiveting

1. Wprowadzenie

Najprostszyminajtańszymsposobemformowaniapo-łączeniaprasowanegobezużyciadodatkowegołącznikajestprzetłaczanie(„clinching”–CL).

Znanychjestwieleodmian,zktórychnajbardziejpo-pularnesąokształcieokrągłym,formowanezudziałemjednolitychnarzędzi[1].

Wyniki eksperymentalnej analizywytrzymałości tegotypupołączeńzawartowszereguprac[2-9].

Coppieters i pozostali w swojej pracy [10] w pełni iciekawieprzedstawilitworzeniesięzamkaorazanalizęwytrzymałościpołączeniaclinching,używanegowstruk-turachprzestrzennychzprofiliblaszanych.

Ciekawejestrównieżrozwiązaniełączeniaprzezfor-mowaniepołączeniapodnaciskiemwpostacirozety.Łą-czeniewtensposóbblachystalowejS350GDdajedośćwysokąnośność,cowykazaliKaitila [11]orazMäkeläi-neniKesti[3].

Dobrze wypada również technologia nitowania bez-otworowego(„self piercing riveting”–SPR).Wwiększo-ści przypadków połączenia wytworzone tą technologiąwykazują większą wytrzymałość od połączeń clinching[12].

Nowym, mało znanym rozwiązaniem jest technolo-gia połączeń przetłoczeniowych z nitem pełnym, np.ClinchRivet–CR[13].

Ścinaniepasmblachpołączonychwybranymi,stosun-kowo nowymi systemami scalania elementów stosowa-nychnakonstrukcjestaloweprzedstawiliwswojejpracy[2]LorenzoiLandolfo.Zawarliwniejwynikibadańścina-niapodwójnychpołączeń(e.g.SPR,clinching)zblachystalowejS235JRogrubości2mm.

Wybór rodzaju połączenia zależy od szeregu czyn-ników: materiałowych, wytrzymałościowych i technolo-

gicznych, a także rodzaju i przeznaczeniamontowanejkonstrukcji.

Zachowaniepewnychodległościwzakładkowympo-łączeniublachpowinnouwzględniaćzaleceniazawartewEN1993-1-3[14]iEN1993-1-8[15].

Nie zawsze warunki te są możliwe do spełnienia. Wprzypadkukoniecznościwzmocnieniapołączeniajestmałomiejscadozachowaniazalecanychwymiarów.

2. Metodyka badawcza

Zapomocąbadańeksperymentalnychpostanowionowykazaćwpływzamianyrodzajupołączeniawzłączupo-jedynczymipodwójnymnaefektywnośćwprzenoszeniuobciążenia.Badaniaeksperymentalneformowaniapołą-czeńwykonanezostaływLaboratoriumPołączeńPraso-wanych Katedry Konstrukcji MaszynWydziału BudowyMaszyniLotnictwaPolitechnikiRzeszowskiej.

Do badań wykorzystano blachę szeroko stosowanąnaprofilezimnogięte,któresłużądomontażukonstrukcjinośnych (lekkich szkieletów stalowych) obiektów prze-mysłowychorazmieszkalnych.

Próby łączenia wykonano dla blachy z materiałuS350GD+Z275 (wg EN 10326 nr mat. 1.0529) o gru-bości 1 ± 0,05 mm, ocynkowanej ogniowo powłoką 275g/m2ogrubości~20µm.Podstawowewłasnościme-chaniczne: E=209000MPa,υ=0,3,Rp0,2=350MPa, Rm =420MPa,A80=16%.

Na rynku dostępnych jest wiele rozwiązań techno-logii montażu cienkościennych konstrukcji. Spośródnich wybrano te, które posiadają największy potencjałprzemysłowy [16]. Najczęściej do łączenia elementów wsystemie„SCS”stosowanesąnityzrywalnebądźbla-

TiAM_3_2013.indd 55 2013-09-02 13:27:19

3/2013TechnologiaiAutomatyzacjaMontażu

56

chowkręty.Wzwiązkuz tymdlaporównaniawykonanododatkowodwatypypołączeńklasycznych:zestalowymnitemzrywalnymiwkrętem.Podczaswyborumetod łą-czeniaiłącznikówkierowanosięzasadązbliżonychcechgeometriigotowegopołączenia(tabela1).

PołączeniaoznaczoneA,B,C,D(tabela1)należądogrupy wytwarzanych pod dużym naciskiem przez pra-sowanie, z udziałem dodatkowego łącznika (C, A) lubbez (B,D).Zaśdwapozostałe (E,F) tokonwencjonal-ne rozwiązania najczęściej stosowane i najstarsze. Doichwytworzeniawymaganyjestłącznikwpostaciwkrętudoblachoraznituzrywalnego,dlaostatniegowymaganyjest otwór.

Pasma blach posiadały jednakowe wymiary: 115 x 40 mm. Wielkość zakładki oraz odległości mię-dzypołączeniamibyłyzbliżonedotych,którewystępują wkonstrukcjachzzimnogiętychprofiliblaszanych.

Dlatakprzygotowanychblachwykonanopojedynczescaleniezzachowaniemokreślonychwymiarówgotowejpróbki(rys.1).

Wykonanorównieżpołączeniapodwójne.Ichułożeniewzględemsiłyścinającejbyłorównoległe(II)lubprosto-padłe (⊥). Oznaczono je dla łatwej identyfikacji odpo-wiednimiskrótami(rys.1).

Rys.1.GeometriaprzygotowanejpróbkidotestówścinaniaorazprzykładoznaczeniapróbekFig.1.Thegeometrysamplesforsheartestinganditsidentifica-tionexamples

Przeznaczone do testów wytrzymałościowych kom-binacje złączy zostały odpowiednio oznaczone i ponu-merowane. Tak przygotowane próbki zostały poddanetestomwytrzymałościowymnaścinanie.Przebadanezo-stałypo3seriepróbekzkażdejkombinacji.Wprzypadkudużegoodchyleniawwartościachprzebiegusiłyniszczą-cejwykonywanododatkowetesty,takbyuzyskaćśredniewartościprzebiegukrzywejdlatrzechprób.

Tabela1.Oznaczeniewykorzystanychsystemówłączenia

Table1.Identificationofconnectedsystems

Systemłączenia

Połączenie Wymagany łącznik

Dodatkowe narzędzia do formowania Wymiar charakterystyczny

A tak wymaganeśrednicanitu

ø =5mm

B nie wymaganeśrednicastempla

ø = 6 mm

C takwymagane

średnicanituø =5mm

D nie wymaganeszerokośćnacięcia

w=5mmdługośćl =5mm

E tak brakśrednicanitu

ø =5mm

F tak brakśrednicawkrętu

ø = 6 mm

TiAM_3_2013.indd 56 2013-09-02 13:27:20

TechnologiaiAutomatyzacjaMontażu3/2013

57

Wszystkiepróbywytrzymałościowewykonanowtychsamychwarunkach statycznej próby, dla prędkości tra-wersy maszyny wytrzymałościowej 10 mm/min. Chwyt wszczękachwynosił30mm.TestystatycznegościnaniawykonanonamaszynieUTS100,wyposażonejwukładekstensometrycznydopomiaruprzemieszczeń.

3. Wyniki oraz ich analiza

Okrągłe przetłoczeniowe połączenia clinching wyka-zująizotropowewłaściwościwytrzymałościowe.

ZłączewykonanewtechnologiiClinchRivetwykazujeróżnącharakterystykęścinaniawzależnościodjegouło-żeniawzględemkierunkuobciążenia(rys.2).a)

b)

Rys.2.Identyfikacjakierunkuobciążeniapołączenia:a)–pro-stokątnegoprzetłoczeniowegoznacięciemmateriału,b)–typuClinchRivetFig. 2. Identification of the load connections direction: a) – a rectangularClinchingSquare slotwith incision (cut) ofmaterial,b)–ClinchRivet

Rys. 3.Przykładowekrzyweścinaniapołączeniawykonanego wtechnologiiClinchRivetFig.3.ShearcurvesofClinchRivetjoints

Rys. 4. Siła oraz energia rozdzielenia połączeń wykonanych wtechnologiiClinchRivetFig.4.ForceandenergyoftheClinchRivetjointsseparation

Rys.5.Postaćzniszczeniapołączeniawykonanegowtechno-logiiClinchRivetFig.5.TheClinchRivetjointsdestructionform

Dlapołączeniapodwójnegoorozstawie20mmobser-wujesięznaczną różnicewprzebiegusiłyorazenergiirozdzielenia (rys. 3 oraz rys. 4). Podczas ścinania po-łączenianastępujepodobnie jakwprzypadkupołączeńclinchingzniszczenieprzetłoczeniawobszarzeprzewę-żenia.Jednakzablokowanynitwblaszeniepozwalanacałkowite ścięcie połączenia, ostatecznie rozdzielenienastępuje przez wyrwanie połączenia z blachy dolnej(rys.5).

Rys. 6. Przykładowe krzywe przebiegu siły podczas ścinaniapołączeńFig.6.Waveformsofshearforcesduringtheshearing

Przebieg siły ścinającej połączenia pojedyncze dlawybranych rozwiązań technologii przetłaczania porów-nanozuzyskanymidlaklasycznych rozwiązań (rys.6).

TiAM_3_2013.indd 57 2013-09-02 13:27:20

3/2013TechnologiaiAutomatyzacjaMontażu

58

Spośródwszystkichpołączeńdwaprzetłoczeniowezza-stosowaniemdodatkowegołącznikauzyskałynajwyższąsiłęścinającą(CRorazSPR).

Zmianakierunkudziałaniasiłyobciążeniapodwójne-gopołączeniawsposóbwiększylubmniejszywpływanaprzebiegkrzywejścinania(rys.7).

Rys.7.Krzyweścinaniadlapodwójnegopołączeniaoułożeniu:a)–wzdłużnym,b)–poprzecznym

Fig.7.Curves foradoubleshear connectionarrangementof:

a)–longitudinal,b)–cross

W przypadkuwszystkich systemówmontażu złączy,dla połączeń poprzecznie ścinanych początkowa cha-rakterystykasiła–przemieszczeniejestbardziejstromaniżdlawzdłużnych.Wiążesiętozwytworzeniemdodat-kowegomomentudziałającegonapróbki, zależnymodrozstawupołączeń.

Różnicewwysokościmaksymalnejsiłyrozdzielającejblachy w tak ścinanych połączeniach zobrazowano narys.8,wzestawieniuzpołączeniamipojedynczymi.

Rys.8.Średniamaksymalnasiłaścinającadlapołączeńwyko-nanychróżnymisystemamimontażuFig.8.Themeanmaximumshearforceforjointsmadeinvari-ousmountingsystems

Odchyleniestandardoweorazwspółczynnikzmienno-ścidlamaksymalnej siły ścinającej tychkombinacji za-wartowtabeli2.

Wzmocnieniepojedynczegozłączadrugimwodległo-ści20mmpowodujewniektórychprzypadkachznacz-ny wzrost siły niszczącej połączenie. Największy efektuzyskanodlapołączeńwykonanychznitemzrywalnym,zarównodlaułożeniapoprzecznego,jakirównoległego.

Krzywe przemieszczenie – obciążenie ukazują róż-ną początkową sztywność połączeń w zależności odsystemu montażu dla połączeń pojedynczych (rys. 9).NajmniejsząsztywnośćdlabadanejblachyS350GDpo-siadałypołączeniaSPR,zaśnajwiększąprzetłoczeniowe znacięciemmateriału.

Tabela2.WartościodchyleniastandardowegoorazwspółczynnikazmiennościdlaśredniejmaksymalnejsiłyścinającejpołączenieTable2.Standarddeviationandcoefficientofvariationforthemeanofthemaximumshearforceconnection

Pojedyncze połączenieA B C D E F

Odchyleniestandardowe ŝ [N]

137,2 205,3 156,7 76,4 35,8 156,7

Współczynnikzmienności Cv 0,028 0,05 0,028 0,04 0,027 0,045

Podwójne połączenieułożenie AA BB CC DD EE FF

Odchyleniestandardowe ŝ [N]

II 114,3 343,1 232,8 234,9 131,2 225,6⊥ 108,8 236,7 207,1 238,1 138,8 133,3

Współczynnikzmienności CvII 0,013 0,04 0,02 0,07 0,018 0,029⊥ 0,016 0,03 0,025 0,08 0,02 0,023

TiAM_3_2013.indd 58 2013-09-02 13:27:20

TechnologiaiAutomatyzacjaMontażu3/2013

59

Rys. 9. Początkowa charakterystyka siła-przemieszczenie dlapojedynczychpołączeńFig.9.Theinitialforce-displacementcharacteristicsforasingleconnections

Wnioski

Zprzeprowadzonychbadańwynikająwnioski, z któ-rychnajważniejszeto:•• PołączeniawykonanewtechnologiiClinchRivetwy-

kazująwysokie obciążenie szczytowe.Zmiana kie-runkudziałaniaobciążeniaokąt45°wtakimzłączupowodujeznaczywzrostprzemieszczeńdouzyska-niawartościszczytowejobciążenia.

•• Największeróżnicewprzenoszeniumaksymalnegoobciążeniawpołączeniuzakładkowymprzyzmianiekierunkuodkształcaniao90°występujądlapodwój-nychpołączeńClinchRivetiSPR.

•• Występuje duże zróżnicowanie w krzywych ścina-nia dla połączeń wykonanych różnymi systemamimontażu. W przeważającej większości uzyskanocharakterystykę nieliniową. Połączenie nitowanebezotworowoposiadaliniowącharakterystykęwpo-czątkowymzakresieobciążenia.

•• Izotropowośćpojedynczychokrągłychpołączeńtypuclinchingpowoduje, żeprzy formowaniuzłączaniemusimy ustalać położenia łączonych blach wzglę-demkierunkudziałaniasiłyobciążającejwykonanezłącze.

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,nr11,932–939.

2. DiLorenzoG.,LandolfoR.:Shear experimental re-sponse of new connecting systems for cold-formed structures. JournalofConstructionalSteelResearch2004;60(3-5):561–579.

3. MäkeläinenP.,Kesti J.:Advanced method for ligh-tweight steel joining. JournalofConstructionalSteelResearch1999;49(2):107–116.

4. PedreschiR.F.,SinhaB.P.:An experimental study of cold formed steel trusses using mechanical clinching. ConstructionandBuildingMaterials2008;22(5):921–931.

5. Lennon R., Pedreschi R., Sinha B.P.: Comparati-ve study of some mechanical connections in cold formed steel. Construction and Building Materials1999;13(3):109–116.

6. Shiming G., Lothar B.: Mechanism of mechanical press joining. InternationalJournalofMachineToolsandManufacture1994;34(5):641–657.

7. VarisJ.P.:The suitability of round clinching tools for high strength structural steel.Thin-WalledStructures2002;40(3):225–238.

8. LeBacqC.,BrechetY.,ShercliffH.R.,JeggyT.,SalvoL.:Selection of joining methods in mechanical de-sign. Materials&Design2002;23(4):405–416.

9. BayanA.,SariffuddinS.,HanimO.:Cold formed steel joints and structures – A review. InternationalJournalof Civil and Structural Engineering 2011;2(2):621–634.

10. CoppietersS.,LavaP.,BaesS.,SolH.,VanHout-teP.,DebruyneD.:Analytical method to predict the pull-out strength of clinched connections.Thin-Wal-ledStructures2012;52:42–52.

11. Kaitila O.: Study on the Behaviour of a New Light--Weight Steel Roof Truss. JournalofStructuralMe-chanics1998;31(3–4):4–15.

12. MossS.,MahendranM.:Structural Behaviour of Self Piercing Riveted Connections in Steel Framed Ho-using.Sixteenth InternationalSpecialtyConferenceon Cold-Formed Steel Structures Orlando, FloridaUSA,October17–18,2002.

13. Mucha J., Spišák E., Kaščák Ľ.:Non-standart car body element joining process with solid self pier-cing rivet.TheArchives ofAutomotiveEngineering2(2011)57–69.

14. EN1993-1-3,Eurocode3.Designofsteelstructures.Part 1–3:General rules –Supplementary rules forcold-formedmembersandsheeting;2005.

15. EN1993-1-8,Eurocode3.Designofsteelstructures.Part1–8:Designofjoints;2005.

16. MuchaJ.,WitkowskiW.:Nośność wybranych rozwią-zań połączeń nitowych podczas próby ścinania i roz-ciągania. Zeszyty Naukowe Politechniki Rzeszow-skiej.Mechanika2011,z.83(279),nr4,s.33–42.

________________________Drinż.JacekMucha–KatedraKonstrukcjiMaszyn,Wy-działBudowyMaszyniLotnictwa,PolitechnikaRzeszow-ska,35-959Rzeszów,Al.PowstańcówWarszawy8,tel.:178651636,e-mail:j_mucha@prz.edu.pl.Mgrinż.WaldemarWitkowski–KatedraKonstrukcjiMa-szyn,WydziałBudowyMaszyniLotnictwa,PolitechnikaRzeszowska,35-959Rzeszów,Al.PowstańcówWarsza-wy8,tel.:178651643,e-mail:wwitkowski@prz.edu.pl.

TiAM_3_2013.indd 59 2013-09-02 13:27:20

3/2013TechnologiaiAutomatyzacjaMontażu

60

EXPERIMENTAL ANALYSIS OF THE EFFECTIVENESS OF SOLUTIONS FOR JOINING BY REDRAWING SHEET

A b s t r a c tInthispaperananalysisofthestrengthofconnectionsforlapsteelS350GDwithathicknessof1mmisdiscussed.Therearepresentedsheartestsforsinglelapjoints,andthedoublearrangementfortwodirectionoftheloadingforce.Thesheartestspecifiedbymaximumshearstrengthforjointsismadeindifferentsystems,includingredrawingtechnology.AnexampleofanewconnectingtechnologyClinchRivetforsteelS350GDispresented.ThehigheststressvaluesforalljointsareobtainedwithaClinchRivetsample.Theseconnectionshavedemonstratedahighloadpeak.Changingtheloaddirectionatanangleof45°inthejointcausesasignificantincreaseofaloadpeakdisplacement.Thebiggestdifferenceinthetransmissionofthemaximumloadincombinationofthelaploadisachangeindirectionby90°indoubleconnectionsofClinchRivetandSPR.ThelowestinitialstiffnessofthesheetmetalS350GDjointshaveaconnectionwithaself-drillingscrew.

K e y w o r d smechanicaljoining,shearstrength,clinching,SelfPiercingRiveting,ClinchRiveting

TiAM_3_2013.indd 60 2013-09-02 13:27:20