Los efectos de la vibración ultrasónica en la calidad del remachado

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 12948 (2022) Citar este artículo

757 Accesos

Detalles de métricas

La vibración ultrasónica puede reducir la fuerza de formación, disminuir la fricción en el proceso de formación de metal y mejorar la calidad de la superficie de la pieza de trabajo de manera efectiva. Los efectos de la vibración ultrasónica en la calidad del remachado se estudiaron sistemáticamente mediante simulación numérica y métodos experimentales. Se analizó la fuerza de remachado, la interferencia, la cabeza de remachado y la microestructura del remache bajo diferentes condiciones de vibración, con el fin de estudiar la influencia de la vibración ultrasónica en el proceso de remachado. Los resultados del estudio muestran que la vibración ultrasónica puede reducir la fuerza de remachado y disminuir la fricción. De este modo, se promovió el flujo de material de remache y se ampliaron la interferencia y la uniformidad interferométrica. Se mejoró la calidad del remachado y el efecto de mejora aumentó con el aumento de la amplitud. En comparación con el remachado convencional, la interferencia relativa se incrementó en un 27,32 % y la resistencia al corte se incrementó en un 17,16 %, cuando la amplitud es de 5,77 μm.

Las uniones remachadas son ampliamente utilizadas en una variedad de industrias. En algunos casos, por ejemplo, en el ensamblaje de aeronaves, el remachado es el método más importante para conectar piezas. En comparación con otras formas de conexión más antiguas, el remachado tiene una serie de ventajas: el proceso es sencillo; el equipo de remachado es fácil de operar; da como resultado una buena calidad del producto; y se puede utilizar para redes complejas de materiales1.

Al final del proceso de recalcado del remache, el endurecimiento por trabajo en frío puede aumentar significativamente el límite elástico del material del remache, pero reduce su plasticidad. Esto dificulta la realización de remaches continuos y la cabeza de recalcado puede producir fácilmente grietas, lo que conduce a una calidad de instalación inadecuada y malas condiciones de trabajo2,3,4. Los procesos manuales tradicionales de perforación y remachado todavía se utilizan ampliamente en el ensamblaje de aeronaves, lo que limita la eficiencia y la calidad de la producción5. Por lo tanto, existe una necesidad urgente de mejorar la eficiencia y la calidad del remachado.

Se han dedicado considerables esfuerzos a investigar la posible formación de plástico metálico asistida por vibración ultrasónica en las últimas décadas, y este enfoque ahora se usa ampliamente en la práctica, incluido el estirado asistido por UV, el estampado, la extrusión, etc. Marakawa et al.6 aplicaron ultrasonido radial vibración al troquel durante un proceso de trefilado. Los resultados mostraron que esto mejoró la calidad de la superficie y permitió aumentar la relación de estiramiento. Siegert y Mock7 descubrieron que las fuerzas involucradas en el trefilado se pueden reducir aplicando matrices oscilantes ultrasónicamente. La disminución de las fuerzas de tracción sirve para extender los límites potenciales del proceso de formación. Los efectos de resonancia, aquí, produjeron una reducción periódica en la fuerza de tracción de hasta un 40%. Sin embargo, a medida que aumentaba la velocidad de estirado, el efecto sobre la fuerza de estirado se hacía menos pronunciado, porque disminuía el número de oscilaciones por unidad de longitud. Djavanroodi et al.8 investigaron el impacto de las vibraciones ultrasónicas en el prensado angular de canal igual (ECAP) y encontraron que, cuanto mayor era su amplitud, más se reducía la carga de formación. Se logró una reducción del 13% en la fuerza promedio cuando se aplicaron vibraciones ultrasónicas con una amplitud de 2,5 μm a 20 kHz. Faraji et al.9 probaron el uso de vibraciones ultrasónicas en el proceso ECAP y encontraron que, al superponer vibraciones ultrasónicas, era posible aumentar la uniformidad de la deformación. Rasoli et al.10 estudiaron la influencia de las vibraciones ultrasónicas longitudinales en un proceso de hilado de tubos. Aquí, los resultados experimentales mostraron que las vibraciones ultrasónicas longitudinales de baja potencia pueden mejorar la calidad de la superficie interna, mientras que las vibraciones ultrasónicas de alta potencia pueden afectar las fuerzas de formación y el escape del material. Llegaron a la conclusión de que estos cambios eran el resultado de los efectos de contacto asociados con las vibraciones ultrasónicas. Jimma et al.11 mejoraron la relación límite de estirado en un proceso de estirado profundo mediante la aplicación de vibraciones ultrasónicas. Bunget y Ngaile12 investigaron el microconformado asistido por vibración ultrasónica y obtuvieron piezas pequeñas con una superficie de alta calidad. La fricción entre la matriz y la pieza de trabajo mejoró mediante vibración ultrasónica y se redujo la fuerza de extrusión.

Como muestra la muestra anterior, numerosos estudios han demostrado que el uso de vibraciones ultrasónicas en diferentes procesos de formación de metales plásticos puede ayudar a reducir la fuerza de formación y la fricción entre el troquel y la pieza de trabajo, y promover el flujo de materiales. Las vibraciones ultrasónicas hacen que la deformación del material sea más uniforme y mejoran la calidad formada de las piezas de trabajo. Su uso también reduce el consumo de energía y los costes de producción. En vista de estas ventajas, el remachado asistido por vibración ultrasónica ha comenzado a atraer interés. Hasta la fecha, esto ha sido en gran medida una característica de las patentes13,14 y existen pocos estudios experimentales que exploren esta aplicación potencial de la tecnología de vibración ultrasónica. Wang et al.15 desarrollaron un nuevo y especial sistema de remachado asistido por vibración ultrasónica transversal (TUVR) para mejorar la plasticidad y la calificación de los remaches de aleación de titanio. En comparación con el remachado convencional, las cabezas impulsadas formadas por TUVR no solo sufren la fuerza de remachado y la restricción del límite del orificio, sino también el ablandamiento acústico y la fuerza de fricción de arrastre.

Por lo tanto, el estudio informado en este documento se propuso estudiar sistemáticamente el proceso de remachado asistido por vibración ultrasónica mediante la combinación de experimentos con un análisis de elementos finitos. Se examinan los efectos de diferentes condiciones de vibración sobre la fuerza de remachado, la interferencia, la microestructura de la cabeza de remachado y el flujo de material para derivar las leyes que rigen la relación entre las vibraciones ultrasónicas y el proceso de remachado. Este estudio tiene una gran importancia potencial para el desarrollo del proceso y las aplicaciones de ingeniería asociadas.

El sistema experimental utilizado en este estudio consistió en una máquina de prueba de materiales universal y una unidad de vibración ultrasónica, como se muestra en la Fig. 1. La fuerza de prueba máxima de la máquina de prueba de materiales universal fue de 10 kN. La velocidad de la cruceta era de 0,01 a 250 mm/min y su carrera máxima era de 750 mm. La unidad de vibración ultrasónica incorporó un generador ultrasónico, un transductor, un transformador de amplitud y un cabezal portaherramientas. El transductor en tal unidad convierte la oscilación eléctrica de alta frecuencia generada por la energía ultrasónica en vibración mecánica. Sin embargo, la amplitud de salida de la vibración mecánica es muy pequeña, por lo que debe ser amplificada por el transformador de amplitud. La vibración ultrasónica luego actúa sobre las muestras remachadas a través del cabezal de la herramienta. La unidad de vibración ultrasónica se unió a la máquina experimental por medio de un marco.

Sistema de prueba de remachado asistido por ultrasonidos.

El remachado C y el remachado UV se realizaron de acuerdo con esquemas de prueba específicos, como se muestra en la Tabla 1. Las amplitudes de la tabla se establecieron como valores de acuerdo con la relación entre la amplitud y la potencia de salida. La figura 2 muestra la estructura de remachado. Los remaches de cabeza avellanada (ISO 12281-1999) fueron fabricados en aleación de aluminio 6063. El material de la placa era acero al carbono 45, con un tamaño de la placa superior de 50 mm × 50 mm × 2 mm y un tamaño de la placa inferior de 50 mm × 50 mm × 3 mm. El núcleo se colocó en el centro de la lámina y tenía un diámetro de 4,1 mm. El Ra de la superficie del orificio fue inferior a 1,6 μm y el Ra de la superficie inferior fue inferior a 3,2 μm.

Estructura de remachado y el tamaño del remache.

Un proceso de remachado asistido por vibración ultrasónica consta de tres etapas, como se muestra en la Fig. 3:

Proceso de deformación del remache en proceso de remachado.

La deformación por elasticidad del material de la barra puede ocurrir al comienzo de la carga. Cuando la carga alcanza un cierto punto, aparece la deformación plástica.

Después de que la varilla del clavo entra en contacto con la pared del orificio, el material de la varilla del clavo continúa fluyendo hacia afuera a medida que aumenta la carga. La parte de la barra de clavos en el orificio está restringida radialmente y extruida desde la pared del orificio para formar una conexión de interferencia. En detalle, a medida que aumenta la carga, el flujo del material de la barra de clavos hacia el orificio alcanza gradualmente un punto de saturación y ahí es cuando se forma la conexión de interferencia. Al mismo tiempo, el material del pasador fuera del orificio produce un flujo radial y comienza a formarse la cabeza de recalcado. Cualquier deformación después de esto se concentra principalmente fuera del agujero.

El material dentro del agujero ya no fluye y el resto se deforma en dirección radial como resultado de la compresión axial del cabezal de la herramienta y la fricción de la superficie de la placa remachadora. Esto continúa hasta que se alcanza la cantidad requerida de remaches y se forma una cabeza de recalcado de tambor de un tamaño específico.

La figura 4 muestra las curvas de carga-desplazamiento para diferentes amplitudes cuando la velocidad de remachado a presión era de 3 mm/min y la frecuencia de 28 kHz. La carga de remachado se redujo bajo el efecto de la vibración ultrasónica. La figura 5 muestra la variación de la carga y cómo su rango disminuyó a medida que aumentaba la amplitud para 3,5 mm de remachado en dos condiciones de velocidad de remachado. Tenga en cuenta que la tasa de disminución en el rango de la fuerza de remachado aumentó con el aumento de la amplitud. Entonces, cuando una muestra se sometió a una vibración ultrasónica con una amplitud de 5,77 μm, la carga disminuyó en 2483,01 N (v = 3 mm·min−1) y 2736,25 N (v = 30 mm·min−1), respectivamente, es decir , en un 35,75% y un 36,33%. Dadas las mismas condiciones, la probeta con una velocidad de remachado de 30 mm·min−1 tenía una carga mayor. Para las dos condiciones de velocidad, la carga disminuyó con el aumento de amplitud, siendo el rango de disminución básicamente el mismo.

Curvas de carga-desplazamiento bajo diferentes condiciones de vibración a una frecuencia de 28 kHz.

La variación de la carga máxima de remachado y la caída de carga con amplitud bajo diferentes velocidades de remachado.

Como la aleación de aluminio es sensible a las tasas de deformación16, cuando la tasa de deformación aumenta, la deformación plástica no se puede lograr por completo en el cuerpo de deformación debido a la dislocación causada por el movimiento, la rotación de la superficie de deslizamiento y el deslizamiento intergranular. Sin embargo, cuando la velocidad de deformación era mayor, la deformación del remachado era insuficiente para que se acumulara el material de la cabeza del remache. Además, el aumento de la velocidad de compresión conduce a una disminución del tiempo de acción ultrasónica, por lo que la fuerza de remachado disminuye menos. Esto hizo que los niveles generales de estrés aumentaran.

La vibración ultrasónica es eficaz para reducir la fuerza de remachado y tiene un efecto sobre la calidad del remachado. La resistencia al corte es uno de los índices clave para medir las propiedades mecánicas de las estructuras remachadas. Por lo tanto, también se probó la resistencia al corte de estructuras remachadas bajo diferentes condiciones de vibración. Las propiedades de corte mecánico de las estructuras remachadas se muestran en la Fig. 6. Fueron probadas por la máquina de prueba universal a una velocidad de corte de 2 mm/min.

Ensayo de estructura de propiedades mecánicas a cortante.

La resistencia al corte se puede obtener mediante la siguiente fórmula:

donde, τ es la resistencia al corte; F es el esfuerzo cortante máximo; A es el área de la sección transversal del remache; y d es el diámetro.

La figura 7 muestra la variación del esfuerzo cortante en función de la amplitud, para una velocidad de remachado de 3 mm·min−1. A medida que aumentaba la amplitud, también aumentaba gradualmente la resistencia al corte, siendo los aumentos de amplitud del 4,45 %, 4,67 %, 10,47 %, 13,04 % y 17,16 %, respectivamente. La aplicación de vibraciones ultrasónicas durante el proceso de remachado mejora significativamente la resistencia al corte de una estructura remachada.

La resistencia al corte bajo diferentes condiciones de vibración.

Después de aplicar la vibración ultrasónica en el proceso de remachado, queda algo de endurecimiento residual17,18, y el endurecimiento de los materiales contribuye a mejorar la resistencia al corte. La vibración ultrasónica promueve el flujo de material, aumenta el diámetro de la varilla del clavo y también mejora la resistencia al corte. Para comprender correctamente este fenómeno, es necesario realizar más estudios sobre la cantidad de interferencia y la estructura del material de remache.

La figura 8 muestra el flujo de material y la zona estancada del eje del remache para diferentes condiciones de vibración. Hubo poco flujo de material en la zona estancada (indicada por I en la figura). El área de la zona estancada era mayor cuando no había vibración ultrasónica. Después de aplicar la vibración ultrasónica, la fricción entre el remache y la cabeza de la herramienta disminuyó debido al efecto de superficie19. Esto redujo el área de la zona estancada.

Flujo de material y zona estancada del eje del remache en diferentes condiciones de vibración: (a) sin vibración, (b) A = 3 μm, (c) A = 5,77 μm.

La zona estancada tiene aproximadamente forma de arco y el ángulo, \(\alpha\) , y el radio, r, se pueden resolver usando el método que se muestra en la Fig. 9. La fórmula \(S = {{\alpha \pi r ^{2} } \mathord{\left/ {\vphantom {{\alpha \pi r^{2} } {360}}} \right.\kern-\nulldelimiterspace} {360}} - {{l_{{ {\text{AB}}}} l_{{{\text{OM}}}} } \mathord{\left/ {\vphantom {{l_{{{\text{AB}}}} l_{{{\ text{OM}}}} } 2}} \right.\kern-\nulldelimiterspace} 2}\) se puede usar para calcular el área. Los resultados calculados para diferentes amplitudes se muestran en la Tabla 2, donde lAB y lOM son las longitudes de los segmentos AB y OM, respectivamente. El área de la zona estancada disminuyó cuando se aplicó la vibración, aumentando la disminución en el rango a medida que aumentaba la amplitud. Cuando la amplitud era de 5,77um, el área de la zona estancada había disminuido un 51,08%.

Cálculo del área de zona estancada.

La reducción de la zona estancada tras la aplicación de vibraciones ultrasónicas se debe a su efecto superficial, participando más material en la deformación. Al mismo tiempo, el efecto suavizante de las vibraciones ultrasónicas reduce la tensión de flujo del material y promueve el flujo del material de la barra de clavos. Esto aumenta ligeramente el tamaño radial de la varilla del clavo y aumenta la interferencia.

La interferencia del remachado es el principal parámetro técnico para medir la calidad del remachado y tiene una influencia muy importante en las evaluaciones de la calidad del remachado. La interferencia se puede representar de dos formas: interferencia absoluta; e interferencia relativa. La interferencia absoluta se refiere a la diferencia entre el diámetro de la varilla del clavo y el tamaño de la apertura inicial después de la deformación. La interferencia relativa es la relación entre la interferencia absoluta y la apertura inicial, es decir:

donde, I es la interferencia relativa; \(D_{0}\) es la apertura inicial; y \(d_{i}\) es el diámetro de la varilla del clavo en diferentes posiciones después de la deformación del remache.

En los experimentos, la interferencia se midió usando un método de perfil longitudinal, cortando la estructura remachada a lo largo del eje del remache mediante corte con electrodo de alambre. Las dimensiones de tres secciones transversales diferentes, I, II y III, se midieron mediante un instrumento de medición de imágenes. Las posiciones de I, II y III se muestran en la Fig. 10. La Tabla 3 muestra los resultados de medición para diferentes condiciones de vibración.

Las posiciones de medición.

Después del corte del electrodo de alambre, la superficie cortada del eje del remache se desvió del centro. Por lo tanto, existe un pequeño error entre las mediciones teóricas y los resultados reales. Esto hizo necesario compensar la desviación en los cálculos. Los remaches usados ​​en el experimento eran remaches avellanados, sin cambiar el diámetro de la cabeza del remache por el proceso de remachado. En vista de esto, se puede deducir el diámetro del eje del remache, como se muestra en la Fig. 11, siendo su tamaño real:

donde, \(r_{i}\) es el radio del eje del remache en diferentes posiciones; \(l_{i}\) es la longitud de la sección transversal; h es el espacio entre la sección transversal y la superficie central; \(R\) es el diámetro de la cabeza del remache; y \(L\) es la longitud de la sección transversal de la cabeza del remache, como se muestra en la Fig. 11.

Compensación interferométrica.

La figura 12 muestra la variación de la interferencia relativa en relación con la amplitud en las tres posiciones de la sección transversal (I, II y III). Se puede observar que la interferencia relativa para la sección transversal I fue la mayor, seguida por la sección transversal II, siendo la sección transversal III la más pequeña. Debido a la gran interferencia en la posición I, la vibración ultrasónica tiene poco efecto sobre ella, el valor de interferencia fluctúa debido a errores experimentales. El efecto de la vibración ultrasónica sobre la interferencia de las posiciones II y III es evidente. Cuando la amplitud era de 5,77 μm, la interferencia relativa aumentaba un 27,59 % y un 38,66 %, respectivamente.

Variación de la interferencia relativa con la amplitud.

Para cuantificar la uniformidad de la interferencia formada durante el proceso de remachado, la ecuación. (4) se utilizó para calcular el coeficiente de desviación estándar de interferencia, \(\varsigma\):

donde, M es el número total de posiciones medidas; y \(I_{i}\) es la interferencia relativa en la i-ésima posición. La uniformidad de deformación del eje del remache se denota por \(\varsigma\), y cuanto menor es su valor, menor es la volatilidad de la interferencia. Por lo tanto, la interferencia en diferentes posiciones es la misma cuando el valor de \(\varsigma\) es 0. La Tabla 4 muestra el coeficiente de desviación estándar de uniformidad de interferencia para diferentes amplitudes. La uniformidad de la interferencia mejoró mucho después de aplicar la vibración ultrasónica. Cuando la amplitud fue de 5,77 μm, la uniformidad de la interferencia aumentó en un 27,32%, en comparación con la ausencia de cualquier vibración. La uniformidad de la interferencia tiene un efecto importante en la vida de fatiga de un remache. Cuanto mayor sea la uniformidad de la interferencia, mayor será la vida a la fatiga20. Por lo tanto, la aplicación de vibraciones ultrasónicas durante el remachado mejora la vida de fatiga de un remache, y esto aumenta con un aumento en la amplitud.

El remachado asistido por vibración ultrasónica puede considerarse un gran tipo de deformación dinámica. El método dinámico explícito ofrecido por ABAQUS tiene fuertes funciones de análisis no lineal. Puede seleccionar automáticamente incrementos de carga adecuados y criterios de convergencia y ajustar continuamente estos parámetros durante el proceso de análisis. Muchos investigadores han utilizado software de elementos finitos para analizar el proceso de deformación del remachado, cuyos resultados sirven como marco de referencia21,22. Por lo tanto, ABAQUS se utilizó para estudiar más a fondo el comportamiento de deformación de los materiales involucrados en el proceso de remachado asistido por vibración ultrasónica.

Las condiciones experimentales descritas anteriormente se utilizaron para establecer un modelo de análisis de elementos finitos. El remache se trató como un objeto axisimétrico, por lo que el modelo se podía simplificar a un problema axisimétrico bidimensional, como se muestra en la Fig. 13. El tamaño del modelo de elementos finitos era el mismo que el de las muestras utilizadas en el experimento. El cabezal de presión superior y la placa de techo inferior se establecieron como cuerpos analíticamente rígidos y se crearon puntos de referencia para los cabezales de presión superior e inferior. Los parámetros de los materiales del remache y la placa de conexión se muestran en la Tabla 5.

Modelo de elementos finitos remachados.

El proceso analítico se dividió en dos pasos (Paso-1 y Paso-2). No hubo vibración ultrasónica en el Paso 1 y la reducción fue de 1 mm. Las variaciones en las vibraciones ultrasónicas en el Paso 2 se muestran en la Tabla 6, donde la reducción fue de 2,5 mm. Se utilizó un algoritmo de contacto de función de penalización para definir el rozamiento entre las diferentes superficies de contacto, siendo el coeficiente de rozamiento inicial fijado en 0,15. Las condiciones de contorno del modelo de elementos finitos se definieron de acuerdo con las condiciones experimentales, definiéndose la placa inferior como completamente fija. De manera similar a las pruebas, se aplicó vibración ultrasónica al plato superior en el modelo numérico con la misma frecuencia de 28 kHz, generando un desplazamiento de onda sinusoidal con la ayuda de la palabra clave de amplitud de tipo periódico21.

La figura 14 muestra las curvas de carga-desplazamiento para una velocidad de remachado de 30 mm·min−1. Los resultados de la simulación indican que la carga fluctúa con el desplazamiento cuando se aplica vibración ultrasónica. La fluctuación en las cargas se promedia en una sola línea roja continua en la figura. La figura 15 muestra las curvas promedio de tiempo de carga. Se puede ver en la figura que la carga disminuyó y que el rango de disminución aumentó con un aumento en la amplitud. En comparación con los resultados experimentales, hubo una disminución inmediata en la carga y el valor de la disminución permaneció sin cambios después de aplicar la vibración ultrasónica en la simulación. Esto se debe a que el análisis de elementos finitos solo podría representar la superposición de la vibración ultrasónica, pero no el ablandamiento y endurecimiento acústico que se encuentra en la deformación real.

Las curvas de carga-desplazamiento.

Las curvas de carga-desplazamiento bajo diferentes amplitudes.

La Figura 16 muestra un análisis de elementos finitos del desplazamiento de un nodo, n, en el eje x, frente a variaciones en la interferencia relativa según la amplitud en tres posiciones diferentes, 1, 2 y 3. El desplazamiento del nodo n en el La dirección x aumentó después de que se aplicó la vibración ultrasónica, lo que indica que la resistencia al flujo del material se redujo. Esto implica que la fricción entre la cabeza de la herramienta y el remache fue reducida por la vibración ultrasónica. Además, la interferencia en la posición 1 prácticamente no cambió debido a un aumento en la amplitud, mientras que la interferencia en las posiciones 2 y 3 mostró un aumento evidente. Cuando la amplitud era inferior a 3 μm, el aumento de la interferencia era especialmente grande.

El desplazamiento del nodo N en el eje x y la interferencia relativa de los nodos 1, 2 y 3 varían con la amplitud.

El flujo de material en la posición 1 fue adecuado y la resistencia de la aleación de aluminio 6063 es menor que la del acero 45. Por lo tanto, la vibración ultrasónica tiene poco efecto sobre la interferencia. Con respecto a la interferencia entre los remaches y las placas de conexión, la fricción entre ellos dificulta el flujo hacia abajo de los materiales del eje del remache. Si no hay vibración, el alto nivel de fricción hace que haya menos flujo de material hacia abajo, lo que produce una gran diferencia en la interferencia relativa. Después de aplicar vibraciones ultrasónicas, se reduce la fricción, lo que conduce más al flujo descendente del material del remache, lo que hace que la deformación del remache sea más uniforme y eleva la uniformidad de la interferencia relativa. Como el análisis de elementos finitos solo puede expresar el efecto de superposición de las vibraciones ultrasónicas, el valor de interferencia relativa obtenido de esta manera es menor que el valor experimental, pero muestra las mismas tendencias básicas.

La figura 17 muestra los resultados del análisis de elementos finitos para el efecto de la vibración ultrasónica en la tensión de los remaches. Después del remachado, la cola del remache tiene una forma de tambor, que es similar al trastornado libre. En la Fig. 17, I, II y III indican una zona de difícil deformación, una zona de gran deformación y una zona de pequeña deformación, respectivamente. Cuando no se aplicó vibración ultrasónica, la cola del remache tenía zonas más grandes de deformación difícil y de deformación pequeña y la cola del remache tenía una protuberancia obvia. Después de aplicar la vibración, la zona de deformación difícil y la zona de deformación pequeña disminuyeron, mientras que la región de deformación grande aumentó. Estos resultados muestran que la variación en la deformación efectiva tiende a volverse uniforme bajo el efecto de la vibración ultrasónica. La mejora se hace más evidente a medida que aumenta la amplitud. No había forma de tambor obvia cuando la amplitud era de 5 μm y la diferencia entre las zonas de deformación ya no era obvia, por lo que la deformación era más uniforme.

Deformación después del remachado en diferentes condiciones de vibración (a) sin vibración, (b) A = 1 μm, (c) A = 3 μm, (d) A = 5 μm.

Los resultados del análisis experimental y de elementos finitos muestran que la fuerza de remachado disminuye bajo el efecto de la vibración ultrasónica y la escala de esta disminución aumenta con el aumento de la amplitud. Este es el resultado del aumento en la cantidad de interferencia y uniformidad de la estructura remachada. Esto también mejora la resistencia y la vida de fatiga de la estructura remachada.

Cuando se aplica vibración ultrasónica, su energía es absorbida preferentemente por defectos locales, como dislocaciones, vacíos y límites de grano. Esto crea una tensión adicional y puede provocar que las dislocaciones se muevan más fácilmente, lo que reduce la energía de activación del material. Así, el material se ablanda y la tensión de flujo disminuye22,23. Además, la vibración ultrasónica de alta frecuencia aumenta la actividad y la temperatura de las partículas en el material, lo que da como resultado un ablandamiento térmico relacionado con la dislocación de los cristales24. Bajo la acción combinada de cargas estáticas superpuestas, la fuerza de remachado disminuye25.

Como resultado de la aplicación de vibraciones ultrasónicas, el material comienza a ablandarse hasta cierto punto y su tensión de flujo disminuye. El material del eje del remache comienza a fluir con relativa facilidad. Esto hace que la deformación del eje del remache sea más uniforme durante el proceso de remache, siendo generalmente pequeña la diferencia en la interferencia relativa en diferentes posiciones, mejorando la resistencia al corte de la estructura remachada.

Además de suavizar el material, la vibración ultrasónica también afecta la fricción entre la pieza de trabajo y el cabezal de la herramienta. Hay una separación instantánea entre la pieza de trabajo y la herramienta después de que se aplica la vibración ultrasónica y la inversa en el vector de fuerza de fricción hace que sea beneficioso para el flujo del material de la barra de clavos durante una parte del período de vibración26. El efecto térmico local reduce la soldadura por adhesión27 y mejora la lubricación del mecanizado19,28. Como resultado del "efecto de superficie" de las vibraciones ultrasónicas, se reduce la fricción entre la cabeza del remache y la cabeza de la herramienta, el eje del remache y la placa. La disminución de la fuerza de fricción también puede promover el flujo del material de la barra de clavos.

Este estudio examinó la influencia de la vibración ultrasónica en el proceso de remachado de la aleación de aluminio 6063 mediante el análisis de la fuerza de remachado a presión, la interferencia relativa, la resistencia al corte de la estructura remachada y el flujo de material. Se llevaron a cabo tanto experimentos físicos como un análisis de elementos finitos. Las principales conclusiones son las siguientes:

La vibración ultrasónica provoca un efecto de ablandamiento, que reduce la fuerza de remachado a diferentes velocidades de remachado. La escala de la disminución de la fuerza de remachado aumenta con el aumento de la amplitud de las vibraciones.

La fricción entre las superficies de contacto disminuye cuando se aplica vibración ultrasónica. Esto promueve el flujo de material del eje del remache. El área de las zonas donde la deformación es difícil disminuye, mientras que el área de las zonas de gran deformación aumenta. Cuanto mayor sea la amplitud, más evidente será la reducción de la fricción entre las superficies de contacto y menor será el área de la zona de deformación difícil.

La vibración ultrasónica tiene tanto un efecto suavizante como un efecto superficial. Hace que la deformación del eje del remache sea más uniforme, aumenta la cantidad de interferencias y mejora la uniformidad de la estructura remachada. Juntos, estos atributos ayudan a mejorar la resistencia al corte y la fatiga de la estructura remachada.

El autor acepta la publicación en Scientific Reports y confirma que el trabajo descrito no se ha publicado antes (excepto en forma de resumen o como parte de una conferencia, revisión o tesis publicada), y su publicación ha sido aprobada por todos. coautores.

Los conjuntos de datos que respaldan los resultados de este artículo se incluyen dentro del artículo.

Yoon, TH & Kim, SJ Simulación numérica refinada de remachado tridimensional en compuestos laminados. J. Aircr. 48(4), 1434–1443 (2011).

Artículo Google Académico

Cheraghi, SH Efecto de las variaciones en el proceso de remachado sobre la calidad de las uniones remachadas. En t. j adv. Fabricación Tecnología 39(11), 1144–1155 (2008).

Artículo Google Académico

Szolwinski, MP y Farris, TN Vinculación de los parámetros del proceso de remachado con el rendimiento de fatiga de las estructuras de aeronaves remachadas. J. Aircr. 37(1), 130–137 (2000).

Artículo Google Académico

Choo, VKS, Reinhall, PG y Ghassaei, S. Efecto del endurecimiento por precipitación inducido por deformación de alta velocidad en la falla de los remaches de aluminio. J.Mater. ciencia 24(2), 599–608 (1989).

Artículo ADS CAS Google Académico

Ni, J., Tang, WC & Xing, Y. Optimización del proceso de ensamblaje para reducir el error dimensional del ensamblaje de antenas con abundantes remaches. J. Intel. Fabricación 29(1), 245–258 (2018).

Artículo Google Académico

Murakawa, M. & Jin, M. La utilidad de los troqueles vibrados radial y ultrasónicamente en el proceso de trefilado. J.Mater. Proceso. Tecnología 113(1), 81–86 (2001).

Artículo Google Académico

Siegert, K. & Möck, A. Trefilado con troqueles oscilantes ultrasónicamente. J.Mater. Proceso. Tecnología 60(1), 657–660 (1996).

Artículo Google Académico

Djavanroodi, F. et al. ECAP asistido por ultrasonidos. Ultrasonidos 53(6), 1089–1096 (2013).

Artículo CAS Google Académico

Faraji, G., Ebrahimi, M. & Bushroa, AR Proceso de prensado angular de canal tubular asistido por ultrasonido. Mate. ciencia Ing. A 599, 10–15 (2014).

Artículo CAS Google Académico

Rasoli, MA et al. Influencia de las vibraciones ultrasónicas en el proceso de hilado de tubos. J.Mater. Proceso. Tecnología 212(6), 1443–1452 (2012).

Artículo CAS Google Académico

Jimma, T. et al. Una aplicación de vibración ultrasónica al proceso de embutición profunda. J.Mater. Proceso. Tecnología 80–81, 406–412 (1998).

Artículo Google Académico

Bunget, C. & Ngaile, G. Influencia de la vibración ultrasónica en la microextrusión. Ultrasonidos 51(5), 606–616 (2011).

Artículo CAS Google Académico

Toh, CH Herramienta y método de remachado ultrasónico: Patente de EE. UU. 9321099. (2016).

Götzelmann, J. y Salzmann, H. Método para conectar componentes termoplásticos, revestidos y componentes plásticos: patente de EE. UU. 9821539. (2017).

Wang, X., Qi, Z. y Chen, W. Estudio sobre los efectos de la vibración ultrasónica transversal en el mecanismo de deformación y las propiedades mecánicas de las uniones traslapadas remachadas. Ultrasonidos 116, 106452 (2021).

Artículo CAS Google Académico

Wei, Q., Cheng, S., Ramesh, KT y Ma, E. Efecto de los tamaños de grano nanocristalinos y ultrafinos sobre la sensibilidad a la velocidad de deformación y el volumen de activación: metales fcc versus bcc. Mate. ciencia Ing. A 381, 71–79 (2004).

Artículo Google Académico

Xie, Z., Guan, Y., Yu, X., Zhu, L. y Lin, J. Efectos de la vibración ultrasónica en el rendimiento y la microestructura de la aleación de magnesio AZ31 bajo deformación por tracción. J. Universidad Centro Sur. 25(7), 1545–1559 (2018).

Artículo CAS Google Académico

Yao, Z., Kim, G. & Wang, Z. Ablandamiento acústico y endurecimiento residual en aluminio: modelado y experimentos. En t. J. Plast. 39, 75–87 (2012).

Artículo CAS Google Académico

Xie, Z., Guan, Y., Zhu, L. y Zhai, J. Investigaciones sobre el efecto superficial de la alteración de anillos de aleación de aluminio 6063 asistida por vibración ultrasónica. En t. j adv. Fabricación Tecnología 96(9–12), 4407–4421 (2018).

Artículo Google Académico

Croccolo, D., De Agostinis, M., Ceschini, L., Morri, A. y Marconi, A. Efecto del ajuste de interferencia en la mejora de la vida útil a la fatiga de una placa única perforada. Fractura de fatiga. Ing. Mate. Estructura. 36(7), 689–698 (2013).

Artículo CAS Google Académico

Zhuang, X., Wang, J., Zheng, H. y Zhen, Z. Mecanismo de formación de compresión asistida por vibración ultrasónica. Trans. Met no ferroso. Soc. Porcelana. 25(7), 2352–2360 (2015).

Artículo CAS Google Académico

Siddiq, A. & Sayed, TE Procesos de fabricación asistidos por ultrasonidos: modelo variacional y simulación numérica. Ultrasónico. 52, 521–529 (2012).

Artículo Google Académico

Siddiq, A. & Sayed, TE Ablandamiento acústico en metales durante la deformación asistida por ultrasonido a través de CP-FEM. Mate. Letón. 65, 356–359 (2011).

Artículo CAS Google Académico

Langenecker, B. Efecto de la radiación sónica y ultrasónica en los factores de seguridad de cohetes y misiles. AIAA J. 1(1), 80–83 (1963).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Wang, C., Liu, Y., Guo, B., Shan, D. y Zhang, B. Ablandamiento acústico y superposición de tensión en tensión uniaxial asistida por vibración ultrasónica de lámina de cobre: ​​Experimentos y modelado. Mate. Des. 112, 246–253 (2016).

Artículo CAS Google Académico

Hung, J., Tsai, Y. y Hung, C. Efecto de fricción de la vibración ultrasónica en el trastorno. Ultrasonidos 46(3), 277–284 (2007).

Artículo CAS Google Académico

Daud, Y., Lucas, M. & Huang, Z. Oscilaciones ultrasónicas superpuestas en pruebas de compresión de aluminio. Ultrasonidos 44, e511–e515 (2006).

Artículo Google Académico

Kumar, VC & Hutchings, IM Reducción de la fricción por deslizamiento de metales mediante la aplicación de vibraciones ultrasónicas longitudinales o transversales. Tribol. En t. 37, 833–840 (2004).

Artículo CAS Google Académico

Descargar referencias

El trabajo de investigación fue apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (Aprobación No: 52105379), la Fundación de Ciencias Naturales de la Provincia de Shandong (Subvención No. ZR2020MA061), el Programa de Ciencia y Tecnología de Innovación Educativa Superior para Jóvenes de la Provincia de Shandong (2020KJN002).

Escuela de Aeronáutica, Universidad ShanDong JiaoTong, Jinan, 250357, República Popular China

Zhendong Xie, Feng Chen y Weikai He

También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar

También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar

También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar

ZX: escribió el texto principal del manuscrito y conceptualización, metodología, validación. FC: adquisición de fondos, revisión, edición y supervisión. WH: curación y visualización de datos, y análisis formal.

Correspondencia a Weikai He.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

Springer Nature se mantiene neutral con respecto a los reclamos jurisdiccionales en mapas publicados y afiliaciones institucionales.

Acceso abierto Este artículo tiene una licencia internacional Creative Commons Attribution 4.0, que permite el uso, el intercambio, la adaptación, la distribución y la reproducción en cualquier medio o formato, siempre que se otorgue el crédito correspondiente al autor o autores originales y a la fuente. proporcionar un enlace a la licencia Creative Commons e indicar si se realizaron cambios. Las imágenes u otro material de terceros en este artículo están incluidos en la licencia Creative Commons del artículo, a menos que se indique lo contrario en una línea de crédito al material. Si el material no está incluido en la licencia Creative Commons del artículo y su uso previsto no está permitido por la regulación legal o excede el uso permitido, deberá obtener el permiso directamente del titular de los derechos de autor. Para ver una copia de esta licencia, visite http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Reimpresiones y permisos

Xie, Z., Chen, F. & He, W. Los efectos de la vibración ultrasónica en la calidad del remachado. Informe científico 12, 12948 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-17095-1

Descargar cita

Recibido: 12 mayo 2022

Aceptado: 20 de julio de 2022

Publicado: 28 julio 2022

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

Cualquier persona con la que compartas el siguiente enlace podrá leer este contenido:

Lo sentimos, un enlace para compartir no está disponible actualmente para este artículo.

Proporcionado por la iniciativa de intercambio de contenido Springer Nature SharedIt

Al enviar un comentario, acepta cumplir con nuestros Términos y Pautas de la comunidad. Si encuentra algo abusivo o que no cumple con nuestros términos o pautas, márquelo como inapropiado.