مطالعه اثر هندسه ابزار بر استحكام كششي اتصال سرد و بهينه‌سازي ابزار به روش طراحي آزمايش متعامد

Effect of Tool Geometry on the Tensile Strength of Clinched Joint and Tool Optimization Using Orthogonal Experimental Design Method

اتصال سرد ورق فلزي، روشي مبتني بر شكل‌دهي براي همبندي قطعات ورقي است. براي اطمينان از يك اتصال با استحكام كافي لازم است ابزار شكل‌دهي به صورت بهينه طراحي شود. اين مقاله به مطالعه عددي و تجربي فرآيند اتصال سرد ورق‌هاي فولادي با ضخامت ناهمسان با قالب ثابت به منظور بهينه‌سازي پارامترهاي هندسي ابزار اتصال سرد مي‌پردازد. در اين مطالعه با استفاده از روش طراحي آزمايش متعامد (OED) و تحليل المان محدود در نرم‌افزار آباكوس، شعاع سنبه RP، عمق حفره قالب Pm، عرض شيار كف قالب Lm و زاويه كف سنبه PBA، به عنوان پارامترهاي ورودي مهم طراحي ابزار براي رسيدن به بيشترين استحكام كششي F اتصال سرد، به عنوان متغير هدف، بهينه‌سازي شد. ورق‌هاي بالايي و پاييني به كار رفته در اين تحقيق به ترتيب، به ضخامت 1/5 و mm2 از جنس فولاد گالوانيزه DX51D است كه براساس استاندارد EN10346/00 توسط شركت فولاد مباركه توليد مي‌شود. پس از اجراي رايانه‌اي آزمايش‌هاي طراحي شده با OED، مقادير mm2/6=RP، mm1/4=Pm، mm1/2=Lm، °1=PBA و N2319=F به عنوان مقادير بهينه به دست آمد. پس از بهينه‌سازي هندسهٔ ابزار براساس نتايج آزمايش‌هاي المان‌محدود، طراحي و ساخت ابزار اتصال سرد انجام گرفت. ارزيابي و مقايسه نتايج شبيه‌سازي اتصال سرد براي طراحي ابزار بهينه، با نتايج تجربي به دست آمده براي هندسه اتصال و استحكام كششي آن انطباق بسيار نزديكي را نشان داد

Sheet metal clinching process is a forming-based method for joining sheet metal parts. To ensure sufficient joint strength, it is necessary to design the forming tool optimally. This paper deals with numerical and experimental study of the clinching process of steel sheets of dissimilar thicknesses using a fixed die in order to optimize the geometric parameters of the clinching tool. In this study, using the orthogonal experimental design (OED) method and finite element analysis in Abaqus software, the important input parameters of tool design including punch radius RP, die cavity depth Pm, die groove width Lm and punch face angle PBA were optimized in order to achieve the highest clinch strength F as the target variable. The upper and lower sheets used in this study are 1.5 and 2 mm in thickness, respectively, and made of DX51D galvanized steel, manufactured according to EN10346/00 by Mobarakeh Steel Company. After running the experiments designed based on the OED in the computer, the optimal values of RP= 2.6mm, Pm= 1.4mm, Lm= 1.2mm and PBA= 1° and F= 2319N were obtained. Next, a clinched joint tool was designed and fabricated based on the optimum geometric parameters. The evaluation and comparison of clinch geometry and tensile strength obtained from optimum design simulation and the experimental counterparts demonstrated very close correlations.