Die Auswirkungen von Ultraschallvibrationen auf die Nietqualität

Scientific Reports Band 12, Artikelnummer: 12948 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Ultraschallvibrationen können die Umformkraft reduzieren, die Reibung im Metallumformprozess verringern und die Oberflächenqualität des Werkstücks effektiv verbessern. Die Auswirkungen von Ultraschallschwingungen auf die Nietqualität wurden systematisch durch numerische Simulation und experimentelle Methoden untersucht. Die Nietkraft, die Interferenz, der Nietkopf und die Mikrostruktur des Niets unter verschiedenen Vibrationsbedingungen wurden analysiert, um den Einfluss der Ultraschallvibration auf den Nietprozess zu untersuchen. Die Studienergebnisse zeigen, dass die Ultraschallvibration die Nietkraft reduzieren und die Reibung verringern kann. Dadurch wurde der Fluss des Nietmaterials gefördert und die Interferenz und interferometrische Gleichmäßigkeit vergrößert. Die Nietqualität wurde verbessert und der Verbesserungseffekt nahm mit zunehmender Amplitude zu. Im Vergleich zum herkömmlichen Nieten wurde die relative Interferenz um 27,32 % und die Scherfestigkeit um 17,16 % erhöht, wenn die Amplitude 5,77 μm beträgt.

Nietverbindungen werden in einer Vielzahl von Branchen häufig eingesetzt. In manchen Fällen, beispielsweise bei der Flugzeugmontage, ist das Nieten die wichtigste Methode zum Verbinden von Teilen. Im Vergleich zu anderen, älteren Verbindungsarten hat das Nieten eine Reihe von Vorteilen: Der Prozess ist unkompliziert; Die Nietausrüstung ist einfach zu bedienen. es führt zu einer guten Produktqualität; und es kann für komplexe Materialnetzwerke verwendet werden1.

Am Ende des Nietstauchprozesses kann durch Kaltverfestigung die Streckgrenze des Nietmaterials deutlich erhöht, jedoch dessen Plastizität verringert werden. Dies erschwert eine kontinuierliche Nietung und der Stauchkopf kann leicht Risse erzeugen, was zu einer unzureichenden Installationsqualität und schlechten Arbeitsbedingungen führt2,3,4. Herkömmliche manuelle Loch- und Nietverfahren werden in der Flugzeugmontage immer noch häufig eingesetzt, was die Produktionseffizienz und -qualität einschränkt5. Es besteht daher ein dringender Bedarf, die Effizienz und Qualität des Nietens zu verbessern.

In den letzten Jahrzehnten wurden erhebliche Anstrengungen unternommen, um die mögliche Ultraschallvibrations-unterstützte Metallplastikumformung zu untersuchen, und dieser Ansatz wird heute in der Praxis häufig verwendet, einschließlich UV-unterstütztem Ziehen, Stanzen, Extrudieren usw. Marakawa et al.6 verwendeten radialen Ultraschall Vibrationen auf die Matrize während eines Drahtziehvorgangs. Die Ergebnisse zeigten, dass dadurch die Oberflächenqualität verbessert und das Ziehverhältnis erhöht werden konnte. Siegert und Mock7 fanden heraus, dass die beim Drahtziehen auftretenden Kräfte durch den Einsatz von Ultraschall-oszillierenden Stempeln reduziert werden können. Durch die Verringerung der Ziehkräfte werden die möglichen Grenzen des Umformprozesses erweitert. Die Resonanzeffekte führten hier zu einer periodischen Reduzierung der Ziehkraft um bis zu 40 %. Mit zunehmender Ziehgeschwindigkeit wurde der Einfluss auf die Ziehkraft jedoch schwächer, da die Anzahl der Schwingungen pro Längeneinheit abnahm. Djavanroodi et al.8 untersuchten den Einfluss von Ultraschallschwingungen auf das Equal-Channel-Angle-Pressing (ECAP) und stellten fest, dass sich die Umformlast umso stärker verringerte, je größer ihre Amplitude war. Eine Reduzierung der durchschnittlichen Kraft um 13 % wurde erreicht, wenn Ultraschallschwingungen mit einer Amplitude von 2,5 μm bei 20 kHz angewendet wurden. Faraji et al.9 testeten den Einsatz von Ultraschallschwingungen im ECAP-Prozess und stellten fest, dass durch Überlagerung von Ultraschallschwingungen die Gleichmäßigkeit der Dehnung erhöht werden konnte. Rasoli et al.10 untersuchten den Einfluss von longitudinalen Ultraschallschwingungen auf einen Rohrspinnprozess. Hier zeigten experimentelle Ergebnisse, dass longitudinale Ultraschallschwingungen geringer Leistung die Qualität der inneren Oberfläche verbessern können, während Ultraschallschwingungen hoher Leistung die Umformkräfte und den Materialaustritt beeinflussen können. Sie kamen zu dem Schluss, dass diese Veränderungen auf Kontakteffekte zurückzuführen sind, die mit den Ultraschallschwingungen verbunden sind. Jimma et al.11 verbesserten das Grenzziehverhältnis in einem Tiefziehprozess durch Anwendung von Ultraschallschwingungen. Bunget und Ngaile12 untersuchten die durch Ultraschallvibrationen unterstützte Mikroumformung und erzielten kleine Teile mit hoher Oberflächenqualität. Die Reibung zwischen Matrize und Werkstück wurde durch Ultraschallvibration verbessert und die Extrusionskraft reduziert.

Wie das obige Beispiel zeigt, haben zahlreiche Studien gezeigt, dass der Einsatz von Ultraschallschwingungen in verschiedenen Prozessen der Kunststoffumformung dazu beitragen kann, die Umformkraft und die Reibung zwischen Matrize und Werkstück zu reduzieren und den Materialfluss zu fördern. Ultraschallschwingungen sorgen für eine gleichmäßigere Materialverformung und verbessern die Umformqualität der Werkstücke. Ihr Einsatz reduziert zudem den Energieverbrauch und die Produktionskosten. Angesichts dieser Vorteile stößt das Ultraschall-Vibrations-unterstützte Nieten zunehmend auf Interesse. Bisher war dies weitgehend ein Merkmal von Patenten13,14 und es gibt nur wenige experimentelle Studien, die diese potenzielle Anwendung der Ultraschallvibrationstechnologie untersuchen. Wang et al.15 entwickelten ein neues und spezielles transversal-ultraschallvibrationsunterstütztes Nietsystem (TUVR), um die Plastizität und Eignung von Nieten aus Titanlegierungen zu verbessern. Im Vergleich zum herkömmlichen Nieten leiden die von TUVR geformten angetriebenen Köpfe nicht nur unter der Nietkraft und der Beschränkung der Lochgrenzen, sondern auch unter der akustischen Erweichung und der ziehenden Reibungskraft.

Ziel der in dieser Arbeit vorgestellten Studie war es daher, den Ultraschall-Vibrations-unterstützten Nietprozess systematisch zu untersuchen, indem Experimente mit einer Finite-Elemente-Analyse kombiniert wurden. Die Auswirkungen unterschiedlicher Vibrationsbedingungen auf Nietkraft, Interferenz, Mikrostruktur des Stauchkopfes und Materialfluss werden untersucht, um Gesetzmäßigkeiten abzuleiten, die den Zusammenhang zwischen Ultraschallschwingungen und dem Nietprozess regeln. Diese Studie ist von großer potenzieller Bedeutung für die Entwicklung des Verfahrens und der damit verbundenen technischen Anwendungen.

Das in dieser Studie verwendete Versuchssystem bestand aus einer universellen Materialprüfmaschine und einer Ultraschall-Vibrationseinheit, wie in Abb. 1 dargestellt. Die maximale Prüfkraft der universellen Materialprüfmaschine betrug 10 kN. Die Traversengeschwindigkeit betrug 0,01–250 mm/min und der maximale Hub betrug 750 mm. Die Ultraschallvibrationseinheit umfasste einen Ultraschallgenerator, einen Wandler, einen Amplitudentransformator und einen Werkzeugkopf. Der Wandler in einer solchen Einheit wandelt die durch die Ultraschallleistung erzeugte hochfrequente elektrische Schwingung in mechanische Schwingung um. Allerdings ist die Ausgangsamplitude der mechanischen Schwingung sehr klein und muss daher durch den Amplitudentransformator verstärkt werden. Die Ultraschallvibration wirkt dann durch den Werkzeugkopf auf Nietproben ein. Die Ultraschallvibrationseinheit wurde mittels eines Rahmens an der Versuchsmaschine befestigt.

Ultraschallunterstütztes Nietprüfsystem.

C-Nieten und UV-Nieten wurden nach spezifischen Testschemata durchgeführt, wie in Tabelle 1 gezeigt. Die Amplituden in der Tabelle wurden entsprechend der Beziehung zwischen der Amplitude und der Ausgangsleistung eingestellt. Abbildung 2 zeigt die Nietstruktur. Die Senkkopfnieten (ISO 12281-1999) wurden aus der Aluminiumlegierung 6063 hergestellt. Das Plattenmaterial war Kohlenstoffstahl 45, wobei die Größe der oberen Platte 50 mm × 50 mm × 2 mm und die Größe der unteren Platte 50 mm × 50 mm × 3 mm betrug. Der Kern befand sich in der Mitte des Blechs und hatte einen Durchmesser von 4,1 mm. Der Ra der Lochoberfläche betrug weniger als 1,6 μm und der Ra der unteren Oberfläche betrug weniger als 3,2 μm.

Nietstruktur und Nietgröße.

Ein Ultraschall-Vibrations-unterstützter Nietprozess besteht aus drei Schritten, wie in Abb. 3 dargestellt:

Verformungsprozess des Niets beim Nietvorgang.

Zu Beginn der Belastung kann es zu einer elastischen Verformung des Stabmaterials kommen. Wenn die Belastung einen bestimmten Punkt erreicht, kommt es zu einer plastischen Verformung.

Nachdem der Nagelstab die Lochwand berührt, fließt das Nagelstabmaterial mit zunehmender Belastung weiter nach außen. Der Teil des Nagelstabs im Loch wird radial eingeschränkt und aus der Lochwand extrudiert, um eine Pressverbindung zu bilden. Im Detail erreicht der Fluss des Nagelstangenmaterials in das Loch mit zunehmender Belastung allmählich einen Sättigungspunkt, an dem die Pressverbindung entsteht. Gleichzeitig erzeugt das Stiftmaterial außerhalb der Bohrung eine radiale Strömung und es beginnt sich der Stauchkopf auszubilden. Die anschließende Verformung konzentriert sich hauptsächlich außerhalb des Lochs.

Das Material im Inneren des Lochs fließt nicht mehr und der Rest wird durch die axiale Kompression des Werkzeugkopfes und die Reibung der Nietplattenoberfläche in radialer Richtung verformt. Dies wird so lange fortgesetzt, bis die erforderliche Nietstärke erreicht ist und ein Trommelstauchkopf einer bestimmten Größe entsteht.

Abbildung 4 zeigt die Last-Weg-Kurven für verschiedene Amplituden bei einer Drucknietgeschwindigkeit von 3 mm/min und einer Frequenz von 28 kHz. Durch die Einwirkung der Ultraschallvibration wurde die Nietlast reduziert. Abbildung 5 zeigt die Variation der Last und wie ihre Reichweite mit zunehmender Amplitude für 3,5 mm Nietung unter zwei Nietgeschwindigkeitsbedingungen abnahm. Beachten Sie, dass die Abnahmerate im Bereich der Nietkraft mit zunehmender Amplitude zunahm. Wenn also eine Probe einer Ultraschallvibration mit einer Amplitude von 5,77 μm ausgesetzt wurde, verringerte sich die Belastung um 2483,01 N (v = 3 mm·min−1) bzw. 2736,25 N (v = 30 mm·min−1), d. h , um 35,75 % und 36,33 %. Unter den gleichen Bedingungen hatte die Probe mit einer Nietgeschwindigkeit von 30 mm·min−1 eine größere Belastung. Bei beiden Geschwindigkeitsbedingungen verringerte sich die Last mit zunehmender Amplitude, wobei der Bereich der Abnahme im Wesentlichen derselbe war.

Last-Weg-Kurven unter verschiedenen Vibrationsbedingungen bei einer Frequenz von 28 kHz.

Die Variation der maximalen Nietlast und des Lastabfalls mit der Amplitude bei unterschiedlichen Nietgeschwindigkeiten.

Da Aluminiumlegierungen empfindlich auf Dehnungsraten reagieren16, konnte bei steigender Dehnungsrate die plastische Verformung im Verformungskörper aufgrund der durch die Bewegung, die Rotation der Gleitoberfläche und den intergranularen Schlupf verursachten Versetzung nicht vollständig erreicht werden. Wenn jedoch die Dehnungsrate höher war, reichte die Nietverformung nicht aus, damit sich das Nietkopfmaterial ansammeln konnte. Darüber hinaus führt die Erhöhung der Kompressionsgeschwindigkeit zu einer Verkürzung der Einwirkungszeit des Ultraschalls, sodass die Nietkraft weniger abnimmt. Dies führte dazu, dass der allgemeine Stresspegel zunahm.

Ultraschallvibrationen reduzieren wirksam die Nietkraft und wirken sich auf die Nietqualität aus. Die Scherfestigkeit ist einer der Schlüsselindikatoren zur Messung der mechanischen Eigenschaften von Nietstrukturen. Daher wurde auch die Scherfestigkeit von Nietkonstruktionen unter verschiedenen Vibrationsbedingungen getestet. Die mechanischen Schereigenschaften der Nietstrukturen sind in Abb. 6 dargestellt. Sie wurden mit der Universalprüfmaschine bei einer Schergeschwindigkeit von 2 mm/min geprüft.

Teststruktur der schermechanischen Eigenschaften.

Die Scherfestigkeit kann nach folgender Formel ermittelt werden:

wobei τ die Scherfestigkeit ist; F ist die maximale Scherspannung; A ist die Querschnittsfläche des Niets; und d ist der Durchmesser.

Abbildung 7 zeigt den Verlauf der Schubspannung in Abhängigkeit von der Amplitude für eine Nietgeschwindigkeit von 3 mm·min−1. Mit zunehmender Amplitude nahm auch die Scherfestigkeit allmählich zu, wobei die Amplitudenzunahmen 4,45 %, 4,67 %, 10,47 %, 13,04 % bzw. 17,16 % betrugen. Durch die Anwendung von Ultraschallschwingungen während des Nietvorgangs wird die Scherfestigkeit einer Nietstruktur deutlich verbessert.

Die Scherfestigkeit unter verschiedenen Vibrationsbedingungen.

Nach der Anwendung von Ultraschallvibrationen im Nietprozess bleibt eine gewisse Resthärtung17,18 bestehen, und die Härtung der Materialien trägt zur Verbesserung der Scherfestigkeit bei. Ultraschallvibrationen fördern den Materialfluss, vergrößern den Durchmesser des Nagelstabs und verbessern zudem die Scherfestigkeit. Um dieses Phänomen richtig zu verstehen, müssen weitere Untersuchungen zum Ausmaß der Interferenz und zur Struktur des Nietmaterials durchgeführt werden.

Abbildung 8 zeigt den Materialfluss und die Stagnationszone des Nietschafts für verschiedene Vibrationsbedingungen. In der Stagnationszone (in der Abbildung durch I gekennzeichnet) gab es nur einen geringen Materialfluss. Der Bereich der stagnierenden Zone war größer, wenn keine Ultraschallvibration vorhanden war. Nachdem die Ultraschallvibration angewendet wurde, verringerte sich die Reibung zwischen Niet und Werkzeugkopf aufgrund des Oberflächeneffekts19. Dadurch verringerte sich die Fläche der Stagnationszone.

Materialfluss und stagnierende Zone des Nietschafts unter verschiedenen Vibrationsbedingungen: (a) ohne Vibration, (b) A = 3 μm, (c) A = 5,77 μm.

Die stagnierende Zone ist ungefähr bogenförmig und der Winkel \(\alpha\) und der Radius r können mit der in Abb. 9 gezeigten Methode gelöst werden. Die Formel \(S = {{\alpha \pi r ^{2} } \mathord{\left/ {\vphantom {{\alpha \pi r^{2} } {360}}} \right. \kern-\nulldelimiterspace} {360}} - {{l_{{ {\text{AB}}}} l_{{{\text{OM}}}} } \mathord{\left/ {\vphantom {{l_{{{\text{AB}}}} l_{{{\ text{OM}}}} } 2}} \right. \kern-\nulldelimiterspace} 2}\) kann dann zur Berechnung der Fläche verwendet werden. Die berechneten Ergebnisse für verschiedene Amplituden sind in Tabelle 2 dargestellt, wobei lAB und lOM die Längen der Segmente AB bzw. OM sind. Die Fläche der stagnierenden Zone verringerte sich bei Anwendung der Vibration, wobei die Verringerung der Reichweite mit zunehmender Amplitude zunahm. Bei einer Amplitude von 5,77 µm hatte die Fläche der stagnierenden Zone um 51,08 % abgenommen.

Berechnung der Fläche der Stagnationszone.

Die Verringerung der Stagnationszone nach der Anwendung von Ultraschallschwingungen ist auf deren Oberflächeneffekt zurückzuführen, da mehr Material an der Verformung beteiligt ist. Gleichzeitig wird durch die erweichende Wirkung der Ultraschallschwingungen die Fließspannung des Materials reduziert und das Fließen des Nagelstabmaterials gefördert. Dadurch wird die radiale Größe des Nagelstabs geringfügig vergrößert und das Übermaß erhöht.

Die Nietstörung ist der wichtigste technische Parameter zur Messung der Nietqualität und hat einen sehr wichtigen Einfluss auf die Bewertung der Nietqualität. Interferenz kann auf zwei Arten dargestellt werden: absolute Interferenz; und relative Interferenz. Die absolute Interferenz bezieht sich auf den Unterschied zwischen dem Durchmesser des Nagelstabs und der Größe der anfänglichen Öffnung nach der Verformung. Die relative Interferenz ist das Verhältnis der absoluten Interferenz zur anfänglichen Apertur, d. h.:

wobei I die relative Interferenz ist; \(D_{0}\) ist die anfängliche Apertur; und \(d_{i}\) ist der Durchmesser des Nagelstabs an verschiedenen Positionen nach der Nietverformung.

In den Experimenten wurde die Interferenz mithilfe einer Längsprofilmethode gemessen, wobei die Nietstruktur durch Draht-Elektroden-Schneiden entlang der Nietachse geschnitten wurde. Die Abmessungen von drei verschiedenen Querschnitten, I, II und III, wurden mit einem Bildmessgerät gemessen. Die Positionen von I, II und III sind in Abb. 10 dargestellt. Tabelle 3 zeigt die Messergebnisse für verschiedene Vibrationsbedingungen.

Die Messpositionen.

Nach dem Draht-Elektroden-Schneiden weicht die Schnittfläche des Nietschafts von der Mitte ab. Es besteht daher ein kleiner Fehler zwischen den theoretischen Messungen und den tatsächlichen Ergebnissen. Dies machte es erforderlich, die Abweichung in den Berechnungen auszugleichen. Bei den im Versuch verwendeten Nieten handelte es sich um Senknieten, wobei der Durchmesser des Nietkopfes durch den Nietvorgang unverändert blieb. Daraus lässt sich der Durchmesser des Nietschafts ableiten, wie in Abb. 11 dargestellt, wobei seine tatsächliche Größe beträgt:

wobei \(r_{i}\) der Radius des Nietschafts an verschiedenen Positionen ist; \(l_{i}\) ist die Länge des Querschnitts; h ist der Spalt zwischen dem Querschnitt und der Mittelfläche; \(R\) ist der Durchmesser des Nietkopfes; und \(L\) ist die Länge des Querschnitts des Nietkopfes, wie in Abb. 11 dargestellt.

Interferometrische Kompensation.

Abbildung 12 zeigt die Variation der relativen Interferenz in Abhängigkeit von der Amplitude an den drei Querschnittspositionen (I, II und III). Es ist ersichtlich, dass die relative Interferenz für Querschnitt I am größten war, gefolgt von Querschnitt II, wobei der Querschnitt III am kleinsten war. Aufgrund der großen Interferenz an Position I hat die Ultraschallschwingung kaum Einfluss darauf, der Interferenzwert schwankt aufgrund experimenteller Fehler. Der Einfluss von Ultraschallschwingungen auf die Interferenz der Positionen II und III ist offensichtlich. Bei einer Amplitude von 5,77 μm erhöhte sich die relative Interferenz um 27,59 % bzw. 38,66 %.

Variation der relativen Interferenz mit der Amplitude.

Um die Gleichmäßigkeit der während des Nietvorgangs gebildeten Interferenzen zu quantifizieren, wird Gl. (4) wurde zur Berechnung des Standardabweichungs-Interferenzkoeffizienten \(\varsigma\) verwendet:

wobei M die Gesamtzahl der gemessenen Positionen ist; und \(I_{i}\) ist die relative Interferenz an der i-ten Position. Die Verformungsgleichmäßigkeit des Nietschafts wird mit \(\varsigma\) bezeichnet, und je kleiner ihr Wert, desto geringer ist die Flüchtigkeit der Interferenz. Somit ist die Interferenz an verschiedenen Positionen gleich, wenn der Wert von \(\varsigma\) 0 ist. Tabelle 4 zeigt den Standardabweichungskoeffizienten der Interferenzgleichmäßigkeit für verschiedene Amplituden. Die Interferenzgleichmäßigkeit verbesserte sich nach der Anwendung von Ultraschallvibrationen erheblich. Bei einer Amplitude von 5,77 μm erhöhte sich die Gleichmäßigkeit der Interferenz im Vergleich zum Fehlen jeglicher Vibration um 27,32 %. Die Gleichmäßigkeit der Interferenzen hat einen wichtigen Einfluss auf die Ermüdungslebensdauer einer Niete. Je größer die Interferenzgleichmäßigkeit, desto länger ist die Ermüdungslebensdauer20. Somit verbessert die Anwendung von Ultraschallschwingungen während des Nietens die Ermüdungslebensdauer eines Niets, und diese erhöht sich mit zunehmender Amplitude.

Das Ultraschall-Vibrationsunterstützte Nieten kann als große dynamische Form der Verformung angesehen werden. Die von ABAQUS angebotene explizite dynamische Methode verfügt über starke nichtlineare Analysefunktionen. Es kann automatisch geeignete Lastinkremente und Konvergenzkriterien auswählen und diese Parameter während des Analyseprozesses kontinuierlich anpassen. Viele Forscher haben Finite-Elemente-Software zur Analyse des Nietverformungsprozesses verwendet, deren Ergebnisse als Referenzrahmen dienen21,22. Daher wurde ABAQUS genutzt, um das Verformungsverhalten der am Ultraschall-Vibrations-unterstützten Nietprozess beteiligten Materialien weiter zu untersuchen.

Die oben beschriebenen experimentellen Bedingungen wurden verwendet, um ein Finite-Elemente-Analysemodell zu erstellen. Der Niet wurde als achsensymmetrisches Objekt behandelt, sodass das Modell zu einem zweidimensionalen achsensymmetrischen Problem vereinfacht werden konnte, wie in Abb. 13 dargestellt. Die Größe des Finite-Elemente-Modells entsprach der Größe der im Experiment verwendeten Proben. Die obere Druckhöhe und die untere Dachplatte wurden als analytisch starre Körper festgelegt und Referenzpunkte für die obere und untere Druckhöhe erstellt. Die Parameter der Niet- und Verbindungsplattenmaterialien sind in Tabelle 5 aufgeführt.

Genietetes Finite-Elemente-Modell.

Der Analyseprozess war in zwei Schritte unterteilt (Schritt 1 und Schritt 2). In Schritt 1 gab es keine Ultraschallvibration und die Reduzierung betrug 1 mm. Die Variationen der Ultraschallschwingungen in Schritt 2 sind in Tabelle 6 dargestellt, wobei die Reduzierung 2,5 mm betrug. Zur Definition der Reibung zwischen den verschiedenen Kontaktflächen wurde ein Straffunktions-Kontaktalgorithmus verwendet, wobei der anfängliche Reibungskoeffizient auf 0,15 eingestellt wurde. Die Randbedingungen des Finite-Elemente-Modells wurden entsprechend den Versuchsbedingungen definiert, wobei die untere Platte als vollständig fest definiert wurde. Ähnlich wie bei den Tests wurden im numerischen Modell Ultraschallschwingungen mit der gleichen Frequenz von 28 kHz auf die obere Platte ausgeübt, indem mit Hilfe des periodischen Amplitudenschlüsselworts21 eine Sinuswellenverschiebung erzeugt wurde.

Abbildung 14 zeigt die Last-Weg-Kurven für eine Nietgeschwindigkeit von 30 mm·min−1. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass die Last mit der Verschiebung schwankt, wenn Ultraschallschwingungen angewendet werden. Die Schwankungen der Lasten werden in der Abbildung zu einer einzigen durchgezogenen roten Linie gemittelt. Abbildung 15 zeigt die durchschnittlichen Last-Zeit-Kurven. Aus der Abbildung ist ersichtlich, dass die Last abnahm und dass der Bereich der Abnahme mit zunehmender Amplitude zunahm. Im Vergleich zu den experimentellen Ergebnissen kam es zu einer sofortigen Abnahme der Last, und der Wert der Abnahme blieb unverändert, nachdem in der Simulation die Ultraschallschwingung angewendet wurde. Dies liegt daran, dass die Finite-Elemente-Analyse nur die Überlagerung der Ultraschallschwingung darstellen konnte, nicht jedoch die akustische Erweichung und Verhärtung in der tatsächlichen Verformung.

Die Last-Weg-Kurven.

Die Last-Verschiebungs-Kurven bei unterschiedlichen Amplituden.

Abbildung 16 zeigt eine Finite-Elemente-Analyse der Verschiebung eines Knotens n auf der x-Achse gegenüber Variationen der relativen Interferenz entsprechend der Amplitude an drei verschiedenen Positionen, 1, 2 und 3. Die Verschiebung des Knotens n in der Die x-Richtung nahm zu, nachdem die Ultraschallvibration angewendet wurde, was darauf hindeutet, dass der Strömungswiderstand des Materials abnahm. Dies bedeutet, dass die Reibung zwischen dem Werkzeugkopf und dem Niet durch die Ultraschallvibration verringert wurde. Darüber hinaus blieb die Interferenz an Position 1 durch einen Anstieg der Amplitude weitgehend unverändert, während die Interferenz an Position 2 und 3 einen deutlichen Anstieg aufwies. Wenn die Amplitude weniger als 3 μm betrug, war die Zunahme der Interferenz besonders groß.

Die Verschiebung des Knotens N auf der x-Achse und die relative Interferenz der Knoten 1, 2 und 3 variieren mit der Amplitude.

Der Materialfluss an Position 1 war ausreichend und die Festigkeit der 6063-Aluminiumlegierung beträgt weniger als 45 Stahl. Ultraschallschwingungen haben daher kaum Einfluss auf die Interferenz. Was die Interferenz zwischen den Nieten und den Verbindungsplatten betrifft, so behindert die Reibung zwischen ihnen den Abwärtsfluss der Nietschaftmaterialien. Wenn keine Vibration auftritt, führt die hohe Reibung dazu, dass das Material weniger nach unten fließt, was zu einem großen Unterschied in der relativen Interferenz führt. Nach der Anwendung von Ultraschallschwingungen wird die Reibung verringert, was den Abwärtsfluss des Nietmaterials begünstigt, wodurch die Verformung des Niets gleichmäßiger wird und die Gleichmäßigkeit der relativen Interferenz erhöht wird. Da die Finite-Elemente-Analyse nur den Überlagerungseffekt von Ultraschallschwingungen ausdrücken kann, ist der auf diese Weise erhaltene relative Interferenzwert kleiner als der experimentelle Wert, weist jedoch die gleichen Grundtendenzen auf.

Abbildung 17 zeigt die Ergebnisse der Finite-Elemente-Analyse für die Auswirkung von Ultraschallschwingungen auf die Dehnung der Nieten. Nach dem Nieten weist das Nietende eine Trommelform auf, die dem freien Stauchen ähnelt. In Abb. 17 bezeichnen I, II und III eine Zone mit schwieriger Verformung, eine Zone mit großer Verformung bzw. eine Zone mit geringer Verformung. Wenn keine Ultraschallvibration angewendet wurde, wies das Nietende größere Zonen mit schwieriger und geringer Verformung auf und das Nietende wies eine deutliche Ausbuchtung auf. Nachdem die Vibration angewendet wurde, verringerten sich die Zonen mit schwierigen Verformungen und die Zonen mit kleinen Verformungen, während die Bereiche mit großen Verformungen zunahmen. Diese Ergebnisse zeigen, dass die Variation der effektiven Dehnung unter der Wirkung von Ultraschallvibrationen tendenziell gleichmäßiger wird. Die Verbesserung wird mit zunehmender Amplitude deutlicher. Bei einer Amplitude von 5 μm war keine Trommelform erkennbar und der Unterschied zwischen den Verformungszonen war nicht mehr erkennbar, so dass die Verformung gleichmäßiger war.

Dehnung nach dem Nieten unter verschiedenen Vibrationsbedingungen (a) keine Vibration, (b) A = 1 μm, (c) A = 3 μm, (d) A = 5 μm.

Die Ergebnisse der Experimente und der Finite-Elemente-Analyse zeigen, dass die Nietkraft unter der Wirkung der Ultraschallschwingung abnimmt und das Ausmaß dieser Abnahme mit zunehmender Amplitude zunimmt. Dies ist auf die zunehmende Interferenz und Ebenheit der Nietstruktur zurückzuführen. Auch die Festigkeit und Lebensdauer der Nietstruktur werden dadurch verbessert.

Bei der Anwendung von Ultraschallschwingungen wird deren Energie bevorzugt von lokalen Defekten wie Versetzungen, Hohlräumen und Korngrenzen absorbiert. Dies erzeugt zusätzliche Spannungen und kann dazu führen, dass sich Versetzungen leichter bewegen, was die Aktivierungsenergie des Materials verringert. Dadurch wird das Material weicher und die Fließspannung nimmt ab22,23. Darüber hinaus erhöhen hochfrequente Ultraschallvibrationen die Aktivität und Temperatur der Partikel im Material, was zu einer thermischen Erweichung im Zusammenhang mit der Kristallversetzung führt24. Unter der kombinierten Wirkung überlagerter statischer Lasten nimmt die Nietkraft ab25.

Durch die Einwirkung von Ultraschallschwingungen beginnt das Material gewissermaßen zu erweichen und seine Fließspannung nimmt ab. Das Material des Nietschaftes beginnt relativ leicht zu fließen. Dadurch wird die Verformung des Nietschafts während des Nietvorgangs gleichmäßiger, wobei der Unterschied im relativen Übermaß an verschiedenen Positionen im Allgemeinen gering ist, was die Scherfestigkeit der Nietstruktur verbessert.

Neben der Erweichung des Materials wirken sich Ultraschallschwingungen auch auf die Reibung zwischen Werkstück und Werkzeugkopf aus. Nach der Anwendung von Ultraschallvibrationen kommt es zu einer sofortigen Trennung zwischen Werkstück und Werkzeug, und die Umkehrung des Reibungskraftvektors begünstigt den Fluss des Nagelstangenmaterials für einen Teil der Vibrationsperiode26. Der lokale thermische Effekt reduziert Adhäsionsschweißungen27 und verbessert die Bearbeitungsschmierung19,28. Durch die „Oberflächenwirkung“ der Ultraschallschwingungen wird die Reibung zwischen Nietkopf und Werkzeugkopf, Nietschaft und Platte verringert. Durch die Verringerung der Reibungskraft kann auch das Fließen des Nagelstangenmaterials gefördert werden.

Diese Studie untersuchte den Einfluss von Ultraschallschwingungen auf den Nietprozess der Aluminiumlegierung 6063 durch Analyse der Drucknietkraft, der relativen Interferenz, der Scherfestigkeit der Nietstruktur und des Materialflusses. Es wurden sowohl physikalische Experimente als auch eine Finite-Elemente-Analyse durchgeführt. Die wichtigsten Schlussfolgerungen lauten wie folgt:

Durch die Ultraschallvibration entsteht ein Erweichungseffekt, der die Nietkraft bei unterschiedlichen Nietgeschwindigkeiten reduziert. Das Ausmaß der Abnahme der Nietkraft nimmt mit zunehmender Amplitude der Vibrationen zu.

Die Reibung zwischen den Kontaktflächen verringert sich, wenn Ultraschallschwingungen angewendet werden. Dadurch wird der Materialfluss des Nietschaftes gefördert. Die Fläche der schwer verformbaren Zonen nimmt ab, während die Fläche der großen Verformungszonen zunimmt. Je größer die Amplitude, desto deutlicher ist die Verringerung der Reibung zwischen den Kontaktflächen und desto kleiner ist die Fläche der schwierigen Verformungszone.

Ultraschallvibrationen haben sowohl eine weichmachende als auch eine oberflächliche Wirkung. Dadurch wird die Verformung des Nietschafts gleichmäßiger, die Störgröße erhöht und die Gleichmäßigkeit der Nietstruktur verbessert. Zusammen tragen diese Eigenschaften dazu bei, die Scherfestigkeit und Ermüdungslebensdauer der Nietstruktur zu verbessern.

Der Autor stimmt der Veröffentlichung in den Wissenschaftlichen Berichten zu und bestätigt, dass die beschriebene Arbeit noch nicht veröffentlicht wurde (außer in Form eines Abstracts oder als Teil einer veröffentlichten Vorlesung, Rezension oder Abschlussarbeit) und dass ihre Veröffentlichung von allen genehmigt wurde Co-Autoren.

Die Datensätze, die die Ergebnisse dieses Artikels unterstützen, sind im Artikel enthalten.

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Die Forschungsarbeit wurde von der National Natural Science Foundation of China (Genehmigungsnummer: 52105379), der Natural Science Foundation of Shandong Province (Grant No. ZR2020MA061) und dem Shandong Province Higher Educational Youth Innovation Science and Technology Program (2020KJN002) unterstützt.

School of Aeronautics, ShanDong JiaoTong University, Jinan, 250357, Volksrepublik China

Zhendong Xie, Feng Chen & Weikai He

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ZX: schrieb den Haupttext des Manuskripts sowie Konzeptualisierung, Methodik und Validierung. FC: Hunding-Erwerb, Überprüfung, Bearbeitung und Überwachung. WH: Datenkuration und -visualisierung sowie formale Analyse.

Korrespondenz mit Weikai He.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Xie, Z., Chen, F. & He, W. Die Auswirkungen von Ultraschallvibrationen auf die Nietqualität. Sci Rep 12, 12948 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-17095-1

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Eingegangen: 12. Mai 2022

Angenommen: 20. Juli 2022

Veröffentlicht: 28. Juli 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-17095-1

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