超音波振動がリベットの品質に及ぼす影響

Scientific Reports volume 12、記事番号: 12948 (2022) この記事を引用

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超音波振動は、成形力を低減し、金属成形プロセスの摩擦を低減し、ワークピースの表面品質を効果的に改善します。リベットの品質に及ぼす超音波振動の影響を数値シミュレーションと実験的方法によって系統的に研究した。リベッティングプロセスに及ぼす超音波振動の影響を研究するために,異なる振動条件下でのリベッティング力,干渉,リベッティングヘッドおよびリベットの微細構造を分析した。研究結果は、超音波振動がリベット締結力を軽減し、摩擦を減少させることができることを示しています。したがって、リベット材料の流れが促進され、干渉と干渉均一性が拡大しました。リベッティング品質が向上し、振幅が大きくなるにつれて改善効果も大きくなりました。従来のリベッティングと比較して、振幅が 5.77 μm の場合、相対しめしろは 27.32% 増加し、せん断強度は 17.16% 増加しました。

リベット接合はさまざまな業界で広く使用されています。航空機の組み立てなど、場合によっては、部品を接続するための最も重要なアプローチがリベット留めです。他の古い接続形式と比較すると、リベット留めには多くの利点があります。プロセスが簡単です。リベット締め装置は操作が簡単です。それは良い製品品質につながります。また、材料の複雑なネットワークにも使用できます1。

リベット据え込みプロセスの最後に、冷間加工硬化によりリベット材料の降伏強度が大幅に向上しますが、可塑性は低下します。このため、連続的なリベット締めが困難になり、据え込みヘッドで亀裂が発生しやすくなり、取り付け品質が不十分になり、作業条件が悪化します2、3、4。従来の手動の穴開けおよびリベット留めプロセスは、航空機の組み立てにおいて依然として広く使用されており、生産効率と品質を制限しています5。したがって、リベット締めの効率と品質を向上させることが急務となっています。

ここ数十年、超音波振動を利用した金属塑性加工の可能性を研究することに多大な努力が払われ、このアプローチは現在、UV 支援描画、スタンピング、押出成形などを含めて実際に広く使用されています。Marakawa et al.6 はラジアル超音波を応用しました。伸線加工中に金型に伝わる振動。その結果、表面品質が向上し、絞り比も向上できることがわかりました。 Siegert と Mock7 は、超音波振動ダイスを適用することで伸線に伴う力を軽減できることを発見しました。引抜き力の減少は、成形プロセスの潜在的な限界を拡大するのに役立ちます。ここでは、共振効果により、引抜き力が最大 40% 周期的に減少しました。ただし、引抜速度が増加すると、単位長さあたりの振動数が減少するため、引抜力への影響は顕著でなくなりました。 Djavanroodi ら 8 は、等チャネル角プレス (ECAP) に対する超音波振動の影響を調査し、その振幅が大きくなるほど成形荷重が減少することを発見しました。 20 kHz で振幅 2.5 μm の超音波振動を加えた場合、平均力の 13% の減少が達成されました。 Faraji ら 9 は、ECAP プロセスでの超音波振動の使用をテストし、超音波振動を重ね合わせることでひずみの均一性を高めることができることを発見しました。 Rasoli et al.10 は、管の回転プロセスに対する縦方向の超音波振動の影響を研究しました。ここでの実験結果は、低出力の縦方向超音波振動が内面の品質を改善できる一方、高出力の超音波振動が成形力と材料の逃げに影響を与える可能性があることを示しました。彼らは、これらの変化は超音波振動に伴う接触効果の結果であると結論付けました。 Jimma et al.11 は、超音波振動を適用することにより、深絞り加工における限界絞り比を改善しました。 Bunget と Ngaile12 は、超音波振動を利用した微細成形を研究し、表面品質の高い小型部品を得ました。超音波振動により金型とワーク間の摩擦が改善され、押出力が低減されました。

上記のサンプルが示すように、さまざまなプラスチック金属成形プロセスで超音波振動を使用すると、成形力と金型とワークピース間の摩擦が軽減され、材料の流れが促進されることが数多くの研究で示されています。超音波振動により材料の変形がより均一になり、ワークピースの成形品質が向上します。これらを使用すると、エネルギー消費と生産コストも削減されます。これらの利点を考慮して、超音波振動を利用したリベッティングが注目を集め始めています。現在まで、これは主に特許 13、14 の特徴であり、超音波振動技術のこの潜在的な応用を調査する実験研究はほとんどありません。 Wang et al.15 は、チタン合金リベットの可塑性と品質を向上させるために、新しく特別な横方向超音波振動補助リベット締め (TUVR) システムを開発しました。従来のリベッティングと比較して、TUVRによって形成されたドリブンヘッドは、リベッティング力と穴境界の拘束だけでなく、音響軟化と引きずり摩擦力も受けます。

したがって、この論文で報告された研究では、実験と有限要素解析を組み合わせることにより、超音波振動を利用したリベット締結プロセスを体系的に研究することを開始しました。リベッティング力、干渉、据え込みヘッドの微細構造、および材料の流れに対するさまざまな振動条件の影響を調べて、超音波振動とリベッティングプロセスの関係を支配する法則を導き出します。この研究は、プロセスおよび関連する工学応用の開発にとって潜在的に非常に重要です。

本研究で使用した実験システムは図1に示す万能材料試験機と超音波振動装置から構成されています。万能材料試験機の最大試験力は10kNでした。クロスヘッド速度は 0.01 ～ 250 mm/min、最大ストロークは 750 mm でした。超音波振動ユニットには、超音波発生器、トランスデューサー、振幅変換器、およびツールヘッドが組み込まれています。このようなユニットのトランスデューサーは、超音波パワーによって生成された高周波電気振動を機械振動に変換します。ただし、機械振動の出力振幅は非常に小さいため、振幅変換器で増幅する必要があります。次に、超音波振動がツールヘッドを通じてリベット留め試験片に作用します。超音波振動ユニットはフレームを介して実験機に取り付けられました。

超音波支援リベッティング試験システム。

C リベッティングおよび UV リベッティングは、表 1 に示す特定のテストスキームに従って実行されました。表内の振幅は、振幅と出力電力の関係に従って設定された値です。図 2 にリベット止め構造を示します。皿頭リベット (ISO 12281-1999) は 6063 アルミニウム合金製でした。プレート材質は45炭素鋼、上プレートのサイズは50mm×50mm×2mm、下プレートのサイズは50mm×50mm×3mmとした。コアはシートの中心に位置し、直径は４．１ｍｍであった。穴の表面のＲａは１．６μｍ未満であり、下面のＲａは３．２μｍ未満であった。

リベットの構造とリベットのサイズ。

超音波振動を利用したリベッティングプロセスは、図 3 に示すように 3 つの段階で構成されます。

リベット締結工程におけるリベットの変形過程。

負荷の開始時にロッド材料の弾性変形が発生する可能性があります。荷重が一定に達すると塑性変形が現れます。

ネイルロッドが穴壁に接触した後、荷重が増加するにつれてネイルロッド材料は外側に流れ続けます。穴内の釘ロッドの部分は半径方向に拘束され、穴の壁から押し出され、干渉接続を形成します。詳細には、荷重が増加するにつれて、穴へのネイルロッド材料の流れは徐々に飽和点に達し、この時点で干渉接続が形成されます。同時に、穴の外側のピン材料が半径方向の流れを生成し、据え込みヘッドが形成され始めます。これ以降の変形は主に穴の外側に集中します。

穴内の材料はもはや流れなくなり、ツールヘッドの軸方向の圧縮とリベットプレート表面の摩擦の結果、残りの材料が半径方向に変形します。これは、必要な量のリベットに達し、特定のサイズのドラム据え込みヘッドが形成されるまで続けられます。

図 4 は、圧力リベット締結速度が 3 mm/min、周波数が 28 kHz の場合の、さまざまな振幅に対する荷重 - 変位曲線を示しています。超音波振動の効果によりリベット締結荷重が軽減されました。図 5 は、2 つのリベッティング速度条件下で 3.5 mm のリベッティングで振幅が増加するにつれて荷重の変化とその範囲がどのように減少するかを示しています。リベッティング力の範囲の減少率は振幅の増加とともに増加することに注意してください。したがって、試験片が振幅 5.77 μm の超音波振動にさらされると、荷重はそれぞれ 2483.01 N (v = 3 mm・min−1) と 2736.25 N (v = 30 mm・min−1) 減少しました。、35.75％と36.33％。同じ条件であれば、リベット締結速度 30 mm・min−1 の試験片の方が荷重が大きかった。 2 つの速度条件では、振幅の増加とともに負荷が減少し、減少範囲は基本的に同じでした。

周波数 28 kHz でのさまざまな振動条件下での荷重 - 変位曲線。

異なるリベット締め速度での最大リベット締め荷重と振幅による荷重降下の変化。

アルミニウム合金はひずみ速度に敏感であるため16、ひずみ速度が増加すると、運動による転位、滑り面の回転、粒界滑りにより変形体での塑性変形が十分に達成できなくなる。ただし、ひずみ速度が大きい場合、リベットヘッドの材料が蓄積するにはリベットの変形が不十分です。さらに、圧縮速度の増加により超音波作用の時間が短縮されるため、リベッティング力の低下が少なくなります。これにより、全体的なストレスレベルが増加しました。

超音波振動はリベッティング力の低減に効果があり、リベッティングの品質に影響を与えます。せん断強度は、リベット構造の機械的特性を測定するための重要な指標の 1 つです。したがって、さまざまな振動条件下でのリベット構造のせん断強度もテストされました。リベット留め構造の機械的せん断特性を図 6 に示します。これらの構造は万能試験機により 2 mm/min のせん断速度で試験されました。

せん断機械的特性の試験構造。

せん断強度は次の式で求められます。

ここで、τ はせん断強度です。 F は最大せん断応力です。 A はリベットの断面積です。 dは直径です。

図 7 は、リベット締結速度 3 mm・min−1 における、振幅に応じたせん断応力の変化を示しています。振幅が増加するにつれて、せん断強度も徐々に増加し、振幅の増加はそれぞれ 4.45%、4.67%、10.47%、13.04%、および 17.16% でした。リベット留めプロセス中に超音波振動を加えると、リベット留めされた構造のせん断強度が大幅に向上します。

さまざまな振動条件下でのせん断強度。

リベッティング工程で超音波振動を加えた後は硬化が若干残り17,18、材料の硬化がせん断強度の向上に寄与します。超音波振動により材料の流れが促進され、ネイルロッドの直径が大きくなり、せん断強度も向上します。この現象を正しく理解するには、干渉量とリベット締結材料の構造についてさらなる研究を行う必要があります。

図 8 は、さまざまな振動条件におけるリベットシャフトの材料の流れと停滞ゾーンを示しています。停滞ゾーン（図の I で示す）では物質の流れがほとんどありませんでした。よどみゾーンの面積は、超音波振動がない場合の方が大きかった。超音波振動を加えた後、表面効果によりリベットとツールヘッドの間の摩擦が減少しました19。これにより、停滞ゾーンの面積が減少しました。

さまざまな振動条件下でのリベットシャフトの材料の流れと停滞領域: (a) 振動なし、(b) A = 3 μm、(c) A = 5.77 μm。

停滞ゾーンはほぼ弓形で、角度 \(\alpha\) と半径 r は、図 9 に示す方法を使用して解くことができます。式 \(S = {{\alpha \pi r ^{2} } \mathord{\left/ {\vphantom {{\alpha \pi r^{2} } {360}}} \right. \kern-\nulldelimiterspace} {360}} - {{l_{{ {\text{AB}}}} l_{{{\text{OM}}}} } \mathord{\left/ {\vphantom {{l_{{{\text{AB}}}} l_{{\ text{OM}}}} } 2}} \right. \kern-\nulldelimiterspace} 2}\) を使用して面積を計算できます。異なる振幅に対する計算結果を表 2 に示します。ここで、lAB および lOM はそれぞれセグメント AB および OM の長さです。振動を加えると停滞領域の面積が減少し、振幅が増加するにつれてその範囲の減少も増加しました。振幅が 5.77um のとき、停滞ゾーンの面積は 51.08% 減少しました。

停滞ゾーンの面積の計算。

超音波振動を加えた後の停滞ゾーンの減少は、より多くの材料が変形に関与する表面効果によるものです。同時に、超音波振動の軟化効果により、材料の流動応力が軽減され、ネイルロッド材料の流動が促進されます。これにより、ネイルロッドの半径方向のサイズがわずかに増加し、干渉が増加します。

リベット締め代はリベット締めの品質を測定するための主要な技術パラメータであり、リベット締めの品質評価に非常に重要な影響を与えます。干渉は 2 つの方法で表すことができます。1 つは絶対干渉です。そして相対干渉。絶対干渉とは、ネイルロッドの直径と変形後の初期開口部のサイズとの差を指します。相対干渉は、初期開口に対する絶対干渉の比率です。つまり、次のようになります。

ここで、I は相対干渉です。 \(D_{0}\) は初期絞りです。 \(d_{i}\) は、リベット留め変形後のさまざまな位置でのネイルロッドの直径です。

実験では、リベット構造をワイヤ電極切断によりリベットの軸に沿って切断し、長手方向プロファイル法を使用して干渉を測定した。 3 つの異なる断面 I、II、III の寸法を画像測定器で測定しました。 I、II、III の位置を図 10 に示します。表 3 に異なる振動条件での測定結果を示します。

測定位置。

ワイヤ電極切断後、リベット軸の切断面が中心からずれた。したがって、理論上の測定値と実際の結果の間にはわずかな誤差が生じます。このため、計算の偏差を補正する必要がありました。実験で使用されたリベットは皿リベットであり、リベット頭の直径はリベット締結プロセスによって変化しませんでした。これを考慮すると、図 11 に示すように、リベットシャフトの直径を推定できます。実際のサイズは次のとおりです。

ここで、 \(r_{i}\) はさまざまな位置でのリベットシャフトの半径です。 \(l_{i}\) は断面の長さです。 h は断面と中心面の間のギャップです。 \(R\) はリベットの頭の直径です。 \(L\) は、図 11 に示すように、リベット頭の断面の長さです。

干渉補償。

図 12 は、3 つの断面位置 (I、II、III) での振幅に対する相対干渉の変化を示しています。断面 I の相対干渉が最も大きく、次に断面 II が続き、断面 III が最も小さいことがわかります。位置 I では干渉が大きいため、超音波振動の影響はほとんどなく、干渉値は実験誤差により変動します。位置 II と III の干渉に対する超音波振動の影響は明らかです。振幅が 5.77 μm の場合、相対干渉はそれぞれ 27.59% と 38.66% 増加しました。

振幅による相対干渉の変化。

リベット留めプロセス中に形成される干渉の均一性を定量化するには、式 1 を使用します。 (4) は、干渉の標準偏差係数 \(\varsigma\) を計算するために使用されました。

ここで、M は測定された位置の総数です。 \(I_{i}\) は i 番目の位置での相対干渉です。リベットシャフトの変形均一性は \(\varsigma\) で表され、その値が小さいほど締め代の変動性が小さくなります。したがって、\(\varsigma\) の値が 0 の場合、異なる位置での干渉は同じになります。表 4 は、異なる振幅に対する干渉均一性の標準偏差係数を示しています。超音波振動を加えた後、干渉の均一性が大幅に向上しました。振幅が 5.77 μm の場合、干渉の均一性は、振動がない場合と比較して 27.32% 増加しました。締め代の均一性はリベットの疲労寿命に重要な影響を与えます。しめしろの均一性が高いほど、疲労寿命は長くなります20。したがって、リベット締め中に超音波振動を加えるとリベットの疲労寿命が向上し、振幅が増加すると疲労寿命も向上します。

超音波振動を利用したリベッティングは、大きな動的変形と考えることができます。 ABAQUSが提供する陽的動的手法は、強力な非線形解析機能を備えています。適切な荷重増分と収束基準を自動的に選択し、解析プロセス中にこれらのパラメーターを継続的に調整できます。多くの研究者は、有限要素ソフトウェアを使用してリベットの変形プロセスを分析しており、その結果は参照フレームとして機能します 21,22。したがって、ABAQUS は、超音波振動を利用したリベット締めプロセスに関与する材料の変形挙動をさらに研究するために使用されました。

上記の実験条件は、有限要素解析モデルを確立するために使用されました。リベットは軸対称のオブジェクトとして扱われるため、図 13 に示すように、モデルは 2 次元の軸対称問題に単純化できます。有限要素モデルのサイズは、実験で使用したサンプルと同じです。上部圧力ヘッドと下部ルーフプレートは解析剛体として設定され、上部圧力ヘッドと下部圧力ヘッドの基準点が作成されました。リベットおよび接続プレートの材質のパラメータを表 5 に示します。

リベット留めされた有限要素モデル。

分析プロセスは 2 つのステップ (Step-1 と Step-2) に分かれています。ステップ 1 では超音波振動はなく、減少は 1 mm でした。ステップ 2 での超音波振動の変化を表 6 に示します。ここでの減少は 2.5 mm でした。ペナルティ関数接触アルゴリズムを使用して、異なる接触面間の摩擦を定義し、初期摩擦係数を 0.15 に設定しました。有限要素モデルの境界条件は実験条件に従って定義され、下部プレートは完全に固定されていると定義されました。テストと同様に、周期型振幅キーワード 21 を利用して正弦波変位を生成することにより、同じ周波数 28 kHz で数値モデルの上部プラテンに超音波振動を加えました。

図 14 は、リベット締結速度 30 mm・min−1 の場合の荷重−変位曲線を示しています。シミュレーションの結果、超音波振動を与えると変位に応じて荷重が変動することが分かりました。負荷の変動は、図の 1 本の赤い実線に平均されます。図 15 は、平均負荷時間曲線を示しています。図から、振幅の増加に伴って荷重が減少し、減少幅が拡大していることがわかります。実験結果と比較すると、荷重はすぐに減少し、シミュレーションで超音波振動を加えた後も減少値は変化しませんでした。これは、有限要素解析では超音波振動の重ね合わせしか表現できず、実際の変形で見られる音響的な軟化と硬化は表現できないためです。

荷重 - 変位曲線。

さまざまな振幅での荷重 - 変位曲線。

図 16 は、3 つの異なる位置 1、2、および 3 での振幅に応じた相対干渉の変化に対する、x 軸のノード n の変位の有限要素解析を示しています。超音波振動を加えた後に x 方向が増加し、材料の流動抵抗が減少したことを示しています。これは、超音波振動によってツールヘッドとリベットの間の摩擦が減少したことを意味します。さらに、位置 1 での干渉は振幅の増加によってほとんど変化しませんでしたが、位置 2 と 3 での干渉は明らかな増加を示しました。特に振幅が３μｍ未満の場合、干渉の増加が大きかった。

X 軸のノード N の変位とノード 1、2、3 の相対干渉は振幅に応じて変化します。

位置 1 での材料フローは適切であり、6063 アルミニウム合金の強度は 45 鋼よりも低いです。したがって、超音波振動は干渉にほとんど影響を与えません。リベットと連結板の干渉については、両者の摩擦によりリベット軸材の下方への流れが妨げられます。振動がない場合、摩擦レベルが高いため材料の下方への流れが少なくなり、相対しめしろに大きな差が生じます。超音波振動が加えられた後、摩擦が減少し、リベット材料の下方への流れがより促進され、リベットの変形がより均一になり、相対干渉の均一性が向上します。有限要素解析では超音波振動の重ね合わせ効果しか表現できないため、この方法で得られる相対干渉値は実験値よりも小さくなりますが、基本的な傾向は同じです。

図 17 は、リベットのひずみに対する超音波振動の影響に関する有限要素解析の結果を示しています。リベット留め後のリベットテールは、自由据え込み加工に似た太鼓形状になります。図１７において、Ｉは難変形領域、IIは大変形領域、IIIは小変形領域を示す。超音波振動を加えなかった場合、リベットテールの難変形領域と微小変形領域が大きくなり、リベットテールに明らかな膨らみが生じた。振動を与えると、難変形領域と微小変形領域が減少し、大変形領域が増加した。これらの結果は、超音波振動の影響下では有効ひずみの変化が均一になる傾向があることを示しています。振幅が増加するにつれて、改善はより明らかになります。振幅が 5 μm の場合、明らかなドラム形状はなくなり、変形ゾーン間の違いはもはや明らかではないため、変形はより均一になりました。

さまざまな振動条件下でのリベット打後のひずみ (a) 振動なし、(b) A = 1 μm、(c) A = 3 μm、(d) A = 5 μm。

実験および有限要素解析の結果は、超音波振動の影響下でリベット締結力が減少し、この減少の規模が振幅の増加に伴って増加することを示しています。これは、干渉量の増加とリベット留め構造の均一性の結果です。これにより、リベット構造の強度と疲労寿命も向上します。

超音波振動を加えると、そのエネルギーは転位、空隙、粒界などの局所的な欠陥によって優先的に吸収されます。これにより追加の応力が発生し、転位の移動が容易になり、材料の活性化エネルギーが減少します。したがって、材料は軟化し、流動応力が減少します22、23。さらに、高周波超音波振動は材料内の粒子の活性と温度を上昇させ、結晶転位に関連する熱軟化をもたらします24。重なり合った静荷重の複合作用により、リベット締結力は減少します25。

超音波振動を加えると、材料はある程度まで軟化し始め、流動応力が減少します。リベットシャフトの材料は比較的容易に流動し始めます。これにより、リベット締結プロセス中のリベットシャフトの変形がより均一になり、さまざまな位置での相対干渉の差が一般に小さくなり、リベット締結構造のせん断強度が向上します。

超音波振動は、材料を柔らかくするだけでなく、ワークピースとツールヘッドの間の摩擦にも影響を与えます。超音波振動が加えられた後、ワークピースとツールの間に瞬間的な分離が発生し、摩擦力ベクトルの逆転により、振動期間の一部でネイルロッド材料の流れに有益になります26。局所的な熱効果により、溶着が減少し 27、機械加工の潤滑が改善されます 19、28。超音波振動の「表面効果」の結果、リベットヘッドとツールヘッド、リベットシャフトおよびプレートの間の摩擦が減少します。摩擦力の減少により、ネイルロッド材料の流れも促進されます。

この研究では、圧力リベット力、相対干渉、リベット構造のせん断強度、および材料の流れを分析することにより、6063 アルミニウム合金のリベット締結プロセスに対する超音波振動の影響を調査しました。物理実験と有限要素解析の両方が行われました。主な結論は次のとおりです。

超音波振動により軟化効果が生じ、リベッティング速度が異なるとリベッティング力が低下します。リベット締結力の減少の規模は、振動の振幅が増加するにつれて増加します。

超音波振動を加えると接触面間の摩擦が減少します。これにより、リベットシャフトの材料の流れが促進されます。変形しにくいゾーンの面積が減少し、変形が大きいゾーンの面積が増加します。振幅が大きいほど、接触面間の摩擦の減少がより明らかになり、変形が困難なゾーンの面積が小さくなります。

超音波振動には軟化効果と表面効果の両方があります。リベットシャフトの変形をより均一にし、しめしろ量を増やし、リベット構造の均一性を向上させます。これらの特性を組み合わせることで、リベット留め構造のせん断強度と疲労寿命が向上します。

著者は、Scientific Reports での出版に同意し、記載されている研究がこれまでに出版されていないこと (要約の形式、または出版された講義、レビュー、または論文の一部としての場合を除く)、およびその出版がすべてのユーザーによって承認されていることを確認します。共著者。

この記事の結果を裏付けるデータセットは記事内に含まれています。

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この研究活動は、中国国家自然科学財団（承認番号：52105379）、山東省自然科学財団（助成金番号：ZR2020MA061）、山東省高等教育青少年イノベーション科学技術プログラム（2020KJN002）の支援を受けました。

山東交通大学航空学部、済南、250357、中華人民共和国

Zhendong Xie、Feng Chen、Weikai He

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ZX: 主要な原稿テキストと概念化、方法論、検証を書きました。 FC：フンディング取得、審査、編集、監修。 WH: データのキュレーションと視覚化、および形式的な分析。

ウェイカイ・ヘへの対応。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

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転載と許可

Xie, Z.、Chen, F.、He, W. リベットの品質に対する超音波振動の影響。 Sci Rep 12、12948 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-17095-1

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受信日: 2022 年 5 月 12 日

受理日: 2022 年 7 月 20 日

公開日: 2022 年 7 月 28 日

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

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