Nitowanie bezotworowe (self-piercing riveting – SPR) jest to mechaniczna technika łączenia blach, w której skumulowane lokalnie odkształcenie plastyczne materiałów łączonych arkuszy wywołane poprzez wbijanie elementu łączącego w postaci specjalnego nitu, odpowiada za utworzenie bardzo trwałego, nierozłącznego połączenia. Stało się ono atrakcyjną alternatywą w montażu różnych elementów metalowych, zwłaszcza metali lekkich w przemyśle samochodowym, których łączenie metodami spawalniczymi jest trudne.
Artykuł jest podsumowaniem wstępnych prób wykorzystania różnych kodów opartych na MES do modelowania łączenia stosu zawierającego warstwę tworzywa polimerowego oraz metalu i wynikających z tego problemów.
Robert Cacko, Piotr Czyżewski, Przemysław Narowski, Zbigniew Szymaniak
Nitowanie bezotworowe odbywa się tak, że specjalny, rurowy nit z charakterystycznym łbem jest wciskany w dwie lub więcej warstw blachy za pomocą jednokrotnego skoku stempla, zwykle na specjalnej prasie. Schemat procesu przedstawia rysunek 1. W początkowej fazie nit penetruje a następnie przebija górną warstwę/warstwy (Rys. 1b,c), by w końcowej fazie materiał blach wypełnił wnękę matrycy powodując również charakterystyczne wygięcie nitu (Rys. 1d). Całość tworzy w ten sposób mechaniczne, nierozłączne połączenie. Proces nie należy do szybkobieżnych, ponieważ operacja posadowienia nitu trwa ok. 2-3 sek., ale nie wymaga żadnego specjalnego przygotowania powierzchni czy innych operacji przygotowawczych, np. dodatkowych otworów. Technologię opatentowano pod koniec lat 70. XX wieku z myślą o łączeniu blach metalowych, ale badania wykazały możliwość wykorzystania również innych materiałów do łączenia. Interesujący wydaje się zwłaszcza kierunek wdrażania tej technologii do łączenia arkuszy metali z elementami wykonanymi z materiałów polimerowych. Pierwsze próby wykonywania tego rodzaju połączeń miały miejsce ponad dwadzieścia lat temu, wskazując na możliwości i ograniczenia takiej wersji łączenia. Temat stał się interesujący, o czym świadczą publikacje w tej dziedzinie [1-5]. Najbardziej rozwojowe są dwa obszary zastosowań: przemysł samochodowy i branża budowlana.
Rys. 1 Schemat procesu nitowania bezotworowego: C,D – przebijanie górnej warstwy; E – pękanie górnej warstwy; F – pozycjonowanie nitu – przyjmowanie ostatecznego kształtu połączenia
Proces nitowania bezotworowego zależy nie tylko od geometrii układu nit-blachy-matryca, ale również od właściwości materiałów łączonych i nitu. Ma tu znaczenie również relacja pomiędzy właściwościami materiału nitu i blach, która została scharakteryzowana m.in. w pracach [6-9]. Metodologia modelowania procesu nitowania bezotworowego z wykorzystaniem oprogramowania opartego na metodzie elementów skończonych (MES) rozwijała się intensywnie na przestrzeni ostatnich dwudziestu kilku lat. Dotyczyło to zarówno odpowiedniego sposobu rozdzielenia siatki elementów skończonych w celu uwzględnienia pękania materiału górnej (górnych) warstwy łączonych blach, jak i kryteriów pękania [10-11], koncepcji modelowania, zarówno procesu łączenia, jak i późniejszego obciążania połączenia, a także weryfikacji specyficznych kryteriów projektowych, np. wskaźnika granicy plastyczności materiałów nitu i blach [9], czy optymalizacji procedury automatycznej regeneracji siatki elementów skończonych [12]. Zdecydowania większość opublikowanych artykułów dotyczyła łączenia elementów ze stali lub aluminium w różnych konfiguracjach.
Cały artykuł dostępny jest w wydaniu płatnym 5/6 (200/201) maj/czerwiec 2024
