Les effets des vibrations ultrasonores sur la qualité du rivetage

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 12948 (2022) Citer cet article

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Les vibrations ultrasoniques peuvent réduire la force de formage, diminuer le frottement dans le processus de formage du métal et améliorer efficacement la qualité de surface de la pièce. Les effets des vibrations ultrasonores sur la qualité du rivetage ont été systématiquement étudiés par des simulations numériques et des méthodes expérimentales. La force de rivetage, l'interférence, la tête de rivetage et la microstructure du rivet dans différentes conditions de vibration ont été analysées, afin d'étudier l'influence de la vibration ultrasonore sur le processus de rivetage. Les résultats de l'étude montrent que la vibration ultrasonore peut réduire la force de rivetage et diminuer le frottement. Ainsi, le flux de matériau de rivet a été favorisé et l'interférence et l'uniformité interférométrique ont été agrandies. La qualité du rivetage a été améliorée et l'effet d'amélioration a augmenté avec l'augmentation de l'amplitude. Par rapport au rivetage conventionnel, l'interférence relative a été augmentée de 27,32% et la résistance au cisaillement a été augmentée de 17,16%, lorsque l'amplitude est de 5,77 μm.

Les joints rivetés sont largement utilisés dans une variété d'industries. Dans certains cas, par exemple l'assemblage d'avions, le rivetage est l'approche la plus importante pour connecter des pièces. Par rapport à d'autres formes de connexion plus anciennes, le rivetage présente un certain nombre d'avantages : le processus est simple ; l'équipement de rivetage est facile à utiliser ; il en résulte une bonne qualité du produit ; et il peut être utilisé pour des réseaux complexes de matériaux1.

À la fin du processus de refoulement du rivet, l'écrouissage à froid peut augmenter considérablement la limite d'élasticité du matériau du rivet, mais réduire sa plasticité. Cela rend difficile la réalisation d'un rivetage continu et la tête de refoulement peut facilement produire des fissures, entraînant une qualité d'installation inadéquate et de mauvaises conditions de travail2,3,4. Les procédés manuels traditionnels de perçage et de rivetage sont encore largement utilisés dans l'assemblage des aéronefs, ce qui limite l'efficacité et la qualité de la production5. Il est donc urgent d'améliorer l'efficacité et la qualité du rivetage.

Au cours des dernières décennies, des efforts considérables ont été consacrés à l'étude du possible formage de plastique métallique assisté par vibration ultrasonique, et cette approche est maintenant largement utilisée dans la pratique, y compris l'étirage, l'estampage, l'extrusion assistés par UV, etc. Marakawa et al. Les résultats ont montré que cela améliorait la qualité de surface et permettait d'augmenter le taux d'étirage. Siegert et Mock7 ont découvert que les forces impliquées dans le tréfilage peuvent être réduites en appliquant des matrices oscillantes à ultrasons. La diminution des forces d'étirage sert à repousser les limites potentielles du processus de formage. Les effets de résonance, ici, ont produit une réduction périodique de la force d'étirage jusqu'à 40 %. Cependant, à mesure que la vitesse d'étirage augmentait, l'effet sur la force d'étirage devenait moins prononcé, car le nombre d'oscillations par unité de longueur diminuait. Djavanroodi et al.8 ont étudié l'impact des vibrations ultrasonores sur le pressage angulaire à canaux égaux (ECAP) et ont constaté que, plus leur amplitude était grande, plus la charge de formage était réduite. Une réduction de 13% de la force moyenne a été obtenue lorsque des vibrations ultrasonores d'une amplitude de 2,5 μm à 20 kHz ont été appliquées. Faraji et al.9 ont testé l'utilisation de vibrations ultrasonores dans le processus ECAP et ont constaté qu'en superposant des vibrations ultrasonores, il était possible d'augmenter l'uniformité de la déformation. Rasoli et al.10 ont étudié l'influence des vibrations ultrasonores longitudinales sur un processus de filage de tubes. Ici, les résultats expérimentaux ont montré que les vibrations ultrasonores longitudinales de faible puissance peuvent améliorer la qualité de la surface intérieure, tandis que les vibrations ultrasonores de forte puissance peuvent affecter les forces de formage et l'échappement du matériau. Ils ont conclu que ces changements étaient le résultat d'effets de contact associés aux vibrations ultrasonores. Jimma et al.11 ont amélioré le rapport d'étirage limite dans un processus d'emboutissage profond en appliquant des vibrations ultrasonores. Bunget et Ngaile12 ont étudié le microformage assisté par vibration ultrasonique et ont obtenu de petites pièces avec une qualité de surface élevée. Le frottement entre la matrice et la pièce a été amélioré par les vibrations ultrasonores et la force d'extrusion a été réduite.

Comme le montre l'exemple ci-dessus, de nombreuses études ont montré que l'utilisation de vibrations ultrasonores dans différents processus de formage de métal plastique peut aider à réduire la force de formage et le frottement entre la matrice et la pièce, et favoriser le flux de matériaux. Les vibrations ultrasonores rendent la déformation du matériau plus uniforme et améliorent la qualité formée des pièces. Leur utilisation réduit également la consommation d'énergie et les coûts de production. Au vu de ces avantages, le rivetage assisté par vibration ultrasonique a commencé à susciter l'intérêt. À ce jour, cela a largement été une caractéristique des brevets13,14 et il existe peu d'études expérimentales qui explorent cette application potentielle de la technologie de vibration ultrasonique. Wang et al.15 ont développé un nouveau système spécial de rivetage assisté par vibration ultrasonore transversale (TUVR) pour améliorer la plasticité et la qualification des rivets en alliage de titane. Par rapport au rivetage conventionnel, les têtes entraînées formées par TUVR ne souffrent pas seulement de la force de rivetage et de la contrainte de limite de trou, mais aussi de la force de frottement de ramollissement acoustique et de traînée.

L'étude rapportée dans cet article s'est donc attachée à étudier systématiquement le procédé de rivetage assisté par vibration ultrasonique en combinant des expériences avec une analyse par éléments finis. Les effets de différentes conditions de vibration sur la force de rivetage, les interférences, la microstructure de la tête de refoulement et le flux de matière sont examinés pour dériver des lois régissant la relation entre les vibrations ultrasonores et le processus de rivetage. Cette étude est d'une grande importance potentielle pour le développement du procédé et des applications d'ingénierie associées.

Le système expérimental utilisé dans cette étude consistait en une machine d'essai de matériaux universelle et une unité de vibration à ultrasons, comme illustré à la Fig. 1. La force d'essai maximale de la machine d'essai de matériaux universelle était de 10 kN. La vitesse de la traverse était de 0,01 à 250 mm/min et sa course maximale était de 750 mm. L'unité de vibration ultrasonique incorporait un générateur d'ultrasons, un transducteur, un transformateur d'amplitude et une tête d'outil. Le transducteur d'une telle unité convertit l'oscillation électrique à haute fréquence générée par la puissance ultrasonore en vibration mécanique. Cependant, l'amplitude de sortie de la vibration mécanique est très faible, elle doit donc être amplifiée par le transformateur d'amplitude. La vibration ultrasonore agit alors sur les éprouvettes de rivetage à travers la tête de l'outil. L'unité de vibration ultrasonique a été fixée à la machine expérimentale au moyen d'un cadre.

Système de test de rivetage assisté par ultrasons.

Le rivetage C et le rivetage UV ont été effectués selon des schémas de test spécifiques, comme indiqué dans le tableau 1. Les amplitudes dans le tableau ont été définies en fonction de la relation entre l'amplitude et la puissance de sortie. La figure 2 montre la structure de rivetage. Les rivets à tête fraisée (ISO 12281-1999) étaient en alliage d'aluminium 6063. Le matériau de la plaque était de l'acier au carbone 45, la taille de la plaque supérieure étant de 50 mm × 50 mm × 2 mm et la taille de la plaque inférieure étant de 50 mm × 50 mm × 3 mm. Le noyau était positionné au centre de la feuille et avait un diamètre de 4,1 mm. Le Ra de la surface du trou était inférieur à 1,6 μm et le Ra de la surface inférieure était inférieur à 3,2 μm.

Structure de rivetage et taille du rivet.

Un processus de rivetage assisté par vibration ultrasonique se compose de trois étapes, comme illustré à la Fig. 3 :

Processus de déformation du rivet dans le processus de rivetage.

Une déformation élastique du matériau de la tige peut se produire au début du chargement. Lorsque la charge atteint un certain point, une déformation plastique apparaît.

Une fois que la tige de clou est en contact avec la paroi du trou, le matériau de la tige de clou continue de s'écouler vers l'extérieur à mesure que la charge augmente. La partie de la tige de clou dans le trou est contrainte radialement et extrudée à partir de la paroi du trou pour former une connexion d'interférence. En détail, à mesure que la charge augmente, l'écoulement du matériau de la tige de clou dans le trou atteint progressivement un point de saturation et c'est à ce moment que la connexion d'interférence est formée. En même temps, le matériau de la broche à l'extérieur du trou produit un écoulement radial et la tête de refoulement commence à se former. Toute déformation après cela est principalement concentrée à l'extérieur du trou.

La matière à l'intérieur du trou ne s'écoule plus et le reste se déforme dans une direction radiale du fait de la compression axiale de la tête d'outil et du frottement de la surface de la plaque de rivetage. Cela continue jusqu'à ce que la quantité requise de rivetage soit atteinte et qu'une tête de refoulement de tambour d'une taille spécifique soit formée.

La figure 4 montre les courbes charge-déplacement pour différentes amplitudes lorsque la vitesse de rivetage sous pression était de 3 mm/min et la fréquence était de 28 kHz. La charge de rivetage a été réduite sous l'effet de la vibration ultrasonique. La figure 5 montre la variation de la charge et la diminution de sa plage à mesure que l'amplitude augmentait pour 3,5 mm de rivetage dans deux conditions de vitesse de rivetage. Notez que le taux de diminution de la plage de la force de rivetage a augmenté avec l'augmentation de l'amplitude. Ainsi, lorsqu'un échantillon a été soumis à des vibrations ultrasonores d'une amplitude de 5,77 μm, la charge a diminué de 2483,01 N (v = 3 mm·min−1) et 2736,25 N (v = 30 mm·min−1), respectivement, soit de 35,75 % et 36,33 %. Dans les mêmes conditions, l'éprouvette avec une vitesse de rivetage de 30 mm.min-1 avait une charge plus importante. Pour les deux conditions de vitesse, la charge a diminué avec l'augmentation de l'amplitude, la plage de diminution étant fondamentalement la même.

Courbes charge-déplacement dans différentes conditions de vibration à une fréquence de 28 kHz.

La variation de la charge de rivetage maximale et de la chute de charge avec amplitude sous différentes vitesses de rivetage.

Comme l'alliage d'aluminium est sensible aux taux de déformation16, lorsque le taux de déformation augmentait, la déformation plastique ne pouvait pas être entièrement réalisée dans le corps de déformation en raison de la dislocation causée par le mouvement, la rotation de la surface de glissement et le glissement intergranulaire. Cependant, lorsque le taux de déformation était plus élevé, la déformation de rivetage était insuffisante pour que le matériau de la tête de rivet s'accumule. De plus, l'augmentation de la vitesse de compression entraîne une diminution du temps d'action des ultrasons, donc la force de rivetage diminue moins. Cela a entraîné une augmentation du niveau de stress global.

Les vibrations ultrasoniques sont efficaces pour réduire la force de rivetage et ont un effet sur la qualité du rivetage. La résistance au cisaillement est l'un des indices clés pour mesurer les propriétés mécaniques des structures rivetées. La résistance au cisaillement des structures rivetées sous différentes conditions de vibration a donc également été testée. Les propriétés mécaniques de cisaillement des structures rivetées sont illustrées à la Fig. 6. Elles ont été testées par la machine d'essai universelle à un taux de cisaillement de 2 mm/min.

Structure de test des propriétés mécaniques de cisaillement.

La résistance au cisaillement peut être obtenue en utilisant la formule suivante :

où, τ est la résistance au cisaillement ; F est la contrainte de cisaillement maximale ; A est la section transversale du rivet ; et d est le diamètre.

La figure 7 montre la variation de la contrainte de cisaillement en fonction de l'amplitude, pour une vitesse de rivetage de 3 mm.min-1. Au fur et à mesure que l'amplitude augmentait, la résistance au cisaillement augmentait également progressivement, les augmentations d'amplitude étant respectivement de 4,45 %, 4,67 %, 10,47 %, 13,04 % et 17,16 %. L'application de vibrations ultrasonores pendant le processus de rivetage améliore considérablement la résistance au cisaillement d'une structure rivetée.

La résistance au cisaillement dans différentes conditions de vibration.

Après l'application de vibrations ultrasonores dans le processus de rivetage, il y a un certain durcissement résiduel17,18, et le durcissement des matériaux contribue à l'amélioration de la résistance au cisaillement. Les vibrations ultrasoniques favorisent l'écoulement du matériau, augmentent le diamètre de la tige du clou et améliorent également la résistance au cisaillement. Pour bien comprendre ce phénomène, d'autres études doivent être entreprises concernant la quantité d'interférences et la structure du matériau de rivetage.

La figure 8 montre le flux de matière et la zone stagnante de la tige du rivet pour différentes conditions de vibration. Il y avait peu de flux de matière dans la zone stagnante (indiquée par I sur la figure). La surface de la zone stagnante était plus grande lorsqu'il n'y avait pas de vibration ultrasonique. Après l'application de la vibration ultrasonique, le frottement entre le rivet et la tête de l'outil a diminué en raison de l'effet de surface19. Cela a réduit la superficie de la zone stagnante.

Flux de matière et zone stagnante de la tige du rivet dans différentes conditions de vibration : (a) sans vibration, (b) A = 3 μm, (c) A = 5,77 μm.

La zone stagnante est approximativement en forme d'arc et l'angle, \(\alpha\) , et le rayon, r, peuvent être résolus en utilisant la méthode illustrée à la Fig. {{\text{AB}}}} l_{{{\text{OM}}}} } \mathord{\left/ {\vphantom {{l_{{{\text{AB}}}} l_{{{\text{OM}}}} } 2}} \right.\kern-\nulldelimiterspace} 2}\) peut ensuite être utilisé pour calculer l'aire. Les résultats calculés pour différentes amplitudes sont présentés dans le tableau 2, où, lAB et lOM sont les longueurs des segments AB et OM, respectivement. La surface de la zone stagnante a diminué lorsque la vibration a été appliquée, la diminution de la plage augmentant à mesure que l'amplitude augmentait. Lorsque l'amplitude était de 5,77 µm, la surface de la zone stagnante avait diminué de 51,08 %.

Calcul de l'aire de la zone stagnante.

La réduction de la zone stagnante après application des vibrations ultrasonores est due à leur effet de surface, avec plus de matière participant à la déformation. Dans le même temps, l'effet adoucissant des vibrations ultrasonores réduit la contrainte d'écoulement du matériau et favorise l'écoulement du matériau de la tige du clou. Cela augmente légèrement la taille radiale de la tige du clou et augmente l'interférence.

L'interférence de rivetage est le principal paramètre technique pour mesurer la qualité du rivetage et a une influence très importante sur les évaluations de la qualité du rivetage. L'interférence peut être représentée de deux manières : interférence absolue ; et interférence relative. L'interférence absolue fait référence à la différence entre le diamètre de la tige du clou et la taille de l'ouverture initiale après déformation. L'interférence relative est le rapport de l'interférence absolue à l'ouverture initiale, c'est-à-dire :

où I est l'interférence relative ; \(D_{0}\) est l'ouverture initiale ; et \(d_{i}\) est le diamètre de la tige du clou à différentes positions après déformation par rivetage.

Dans les expériences, l'interférence a été mesurée en utilisant une méthode de profil longitudinal, la structure rivetée étant coupée le long de l'axe du rivet par coupe à fil-électrode. Les dimensions de trois sections différentes, I, II et III, ont été mesurées par un instrument de mesure d'image. Les positions de I, II et III sont indiquées sur la figure 10. Le tableau 3 montre les résultats de mesure pour différentes conditions de vibration.

Les positions de mesure.

Après la coupe au fil-électrode, la surface coupée de la tige du rivet s'est écartée du centre. Il y a donc une petite erreur entre les mesures théoriques et les résultats réels. Cela a rendu nécessaire de compenser l'écart dans les calculs. Les rivets utilisés dans l'expérience étaient des rivets à tête fraisée, le diamètre de la tête de rivet étant inchangé par le processus de rivetage. Compte tenu de cela, le diamètre de l'arbre du rivet peut être déduit, comme indiqué sur la figure 11, sa taille réelle étant :

où, \(r_{i}\) est le rayon de la tige du rivet à différentes positions ; \(l_{i}\) est la longueur de la section ; h est l'écart entre la section transversale et la surface centrale ; \(R\) est le diamètre de la tête du rivet ; et \(L\) est la longueur de la section transversale de la tête du rivet, comme illustré à la Fig. 11.

Compensation interférométrique.

La figure 12 montre la variation de l'interférence relative en fonction de l'amplitude aux trois positions de section (I, II et III). On peut voir que l'interférence relative pour la section transversale I était la plus grande, suivie de la section transversale II, la plus petite étant la section transversale III. En raison de la grande interférence à la position I, la vibration ultrasonore a peu d'effet sur elle, la valeur d'interférence fluctue en raison d'erreurs expérimentales. L'effet des vibrations ultrasonores sur l'interférence des positions II et III est évident. Lorsque l'amplitude était de 5,77 μm, l'interférence relative augmentait de 27,59 % et 38,66 %, respectivement.

Variation de l'interférence relative avec l'amplitude.

Pour quantifier l'uniformité de l'interférence formée pendant le processus de rivetage, Eq. (4) a été utilisé pour calculer le coefficient d'écart type d'interférence, \(\varsigma\) :

où, M est le nombre total de positions mesurées ; et \(I_{i}\) est l'interférence relative à la ième position. L'uniformité de déformation de l'arbre du rivet est notée \(\varsigma\), et plus sa valeur est petite, moins la volatilité de l'interférence est importante. Ainsi, l'interférence à différentes positions est la même lorsque la valeur de \(\varsigma\) est 0. Le tableau 4 montre le coefficient d'écart type d'uniformité d'interférence pour différentes amplitudes. L'uniformité des interférences s'est grandement améliorée après l'application de vibrations ultrasonores. Lorsque l'amplitude était de 5,77 μm, l'uniformité des interférences augmentait de 27,32 %, par rapport à l'absence de toute vibration. L'uniformité des interférences a un effet important sur la durée de vie en fatigue d'un rivet. Plus l'uniformité des interférences est grande, plus la durée de vie en fatigue est longue20. Ainsi, l'application de vibrations ultrasonores lors du rivetage améliore la tenue en fatigue d'un rivet, et celle-ci augmente avec l'augmentation de l'amplitude.

Le rivetage assisté par vibration ultrasonique peut être considéré comme un grand type de déformation dynamique. La méthode dynamique explicite offerte par ABAQUS a de fortes fonctions d'analyse non linéaire. Il peut sélectionner automatiquement les incréments de charge et les critères de convergence appropriés et ajuster en continu ces paramètres pendant le processus d'analyse. De nombreux chercheurs ont utilisé des logiciels d'éléments finis pour analyser le processus de déformation par rivetage, dont les résultats servent de cadre de référence21,22. ABAQUS a donc été utilisé pour étudier plus avant le comportement à la déformation des matériaux impliqués dans le processus de rivetage assisté par vibration ultrasonique.

Les conditions expérimentales décrites ci-dessus ont été utilisées pour établir un modèle d'analyse par éléments finis. Le rivet a été traité comme un objet axisymétrique, de sorte que le modèle a pu être simplifié en un problème axisymétrique bidimensionnel, comme le montre la figure 13. La taille du modèle d'éléments finis était la même que celle des échantillons utilisés dans l'expérience. La tête de pression supérieure et la plaque de toit inférieure ont été définies comme des corps analytiquement rigides et des points de référence ont été créés pour les têtes de pression supérieure et inférieure. Les paramètres des matériaux des rivets et des plaques de connexion sont indiqués dans le tableau 5.

Modèle d'éléments finis riveté.

Le processus analytique a été divisé en deux étapes (Étape-1 et Étape-2). Il n'y avait pas de vibration ultrasonique à l'étape 1 et la réduction était de 1 mm. Les variations des vibrations ultrasonores à l'étape 2 sont présentées dans le tableau 6, où la réduction était de 2,5 mm. Un algorithme de contact à fonction de pénalité a été utilisé pour définir le frottement entre les différentes surfaces de contact, le coefficient de frottement initial étant fixé à 0,15. Les conditions aux limites du modèle éléments finis ont été définies en fonction des conditions expérimentales, la plaque inférieure étant définie comme complètement fixe. Semblable aux essais, une vibration ultrasonique a été appliquée au plateau supérieur dans le modèle numérique avec la même fréquence de 28 kHz, en générant un déplacement d'onde sinusoïdale à l'aide d'un mot-clé d'amplitude de type périodique21.

La figure 14 montre les courbes charge-déplacement pour une vitesse de rivetage de 30 mm·min−1. Les résultats de la simulation indiquent que la charge fluctue avec le déplacement lorsque des vibrations ultrasonores sont appliquées. La fluctuation des charges est ramenée à une seule ligne rouge continue sur la figure. La figure 15 montre les courbes moyennes charge-temps. On peut voir sur la figure que la charge a diminué et que la plage de diminution a augmenté avec une augmentation de l'amplitude. Par rapport aux résultats expérimentaux, il y a eu une diminution immédiate de la charge et la valeur de la diminution est restée inchangée après l'application de la vibration ultrasonique dans la simulation. En effet, l'analyse par éléments finis ne pouvait représenter que la superposition de la vibration ultrasonore, mais pas l'adoucissement et le durcissement acoustiques que l'on trouve dans la déformation réelle.

Les courbes charge-déplacement.

Les courbes charge-déplacement sous différentes amplitudes.

La figure 16 montre une analyse par éléments finis du déplacement d'un nœud, n, sur l'axe des x, par rapport aux variations de l'interférence relative en fonction de l'amplitude à trois positions différentes, 1, 2 et 3. Le déplacement du nœud n dans la direction x a augmenté après l'application de la vibration ultrasonique, indiquant que la résistance à l'écoulement du matériau a diminué. Cela implique que le frottement entre la tête de l'outil et le rivet a été réduit par la vibration ultrasonique. De plus, l'interférence à la position 1 était en grande partie inchangée par une augmentation de l'amplitude, tandis que l'interférence aux positions 2 et 3 a montré une augmentation évidente. Lorsque l'amplitude était inférieure à 3 μm, l'augmentation de l'interférence était particulièrement importante.

Le déplacement du nœud N en abscisse et l'interférence relative des nœuds 1, 2 et 3 varient avec l'amplitude.

Le flux de matière à la position 1 était adéquat et la résistance de l'alliage d'aluminium 6063 est inférieure à celle de l'acier 45. Les vibrations ultrasonores ont donc peu d'effet sur les interférences. En ce qui concerne l'interférence entre les rivets et les plaques de liaison, le frottement entre eux gêne l'écoulement vers le bas des matériaux de l'arbre du rivet. S'il n'y a pas de vibration, le niveau élevé de frottement conduit à un moindre flux de matière vers le bas, produisant une grande différence dans l'interférence relative. Une fois les vibrations ultrasonores appliquées, le frottement est réduit, ce qui est plus propice à l'écoulement vers le bas du matériau du rivet, rendant la déformation du rivet plus uniforme et augmentant l'uniformité de l'interférence relative. Comme l'analyse par éléments finis ne peut exprimer que l'effet de superposition des vibrations ultrasonores, la valeur d'interférence relative ainsi obtenue est inférieure à la valeur expérimentale, mais elle présente les mêmes tendances fondamentales.

La figure 17 montre les résultats de l'analyse par éléments finis pour l'effet des vibrations ultrasonores sur la déformation des rivets. Après le rivetage, la queue du rivet a une forme de tambour, qui est similaire au refoulement libre. Sur la figure 17, I, II et III désignent une zone de déformation difficile, une zone de grande déformation et une zone de petite déformation, respectivement. Lorsque la vibration ultrasonique n'était pas appliquée, la queue du rivet avait des zones de déformation difficile et de petite déformation plus grandes et la queue du rivet avait un renflement évident. Après l'application de la vibration, la zone de déformation difficile et la zone de petite déformation ont diminué, tandis que la région de grande déformation a augmenté. Ces résultats montrent que la variation de la déformation effective tend à s'uniformiser sous l'effet des vibrations ultrasonores. L'amélioration devient plus évidente à mesure que l'amplitude augmente. Il n'y avait pas de forme de tambour évidente lorsque l'amplitude était de 5 μm et la différence entre les zones de déformation n'était plus évidente, donc la déformation était plus uniforme.

Déformation après rivetage dans différentes conditions de vibration (a) aucune vibration, (b) A = 1 μm, (c) A = 3 μm, (d) A = 5 μm.

Les résultats expérimentaux et d'analyse par éléments finis montrent que la force de rivetage diminue sous l'effet des vibrations ultrasonores et l'ampleur de cette diminution augmente avec une augmentation de l'amplitude. Ceci est le résultat de l'augmentation de la quantité d'interférences et de la régularité de la structure rivetée. La résistance et la durée de vie à la fatigue de la structure rivetée en sont également améliorées.

Lors de l'application de vibrations ultrasonores, son énergie est préférentiellement absorbée par des défauts locaux, tels que des dislocations, des vides et des joints de grains. Cela crée une contrainte supplémentaire et peut entraîner des dislocations se déplaçant plus facilement, ce qui réduit l'énergie d'activation du matériau. Ainsi, le matériau se ramollit et la contrainte d'écoulement diminue22,23. De plus, les vibrations ultrasonores à haute fréquence augmentent l'activité et la température des particules dans le matériau, entraînant un ramollissement thermique lié à la dislocation des cristaux24. Sous l'action combinée de charges statiques superposées, la force de rivetage diminue25.

À la suite de l'application de vibrations ultrasonores, le matériau commence à se ramollir dans une certaine mesure et sa contrainte d'écoulement diminue. Le matériau de la tige du rivet commence à couler relativement facilement. Cela rend la déformation de la tige de rivet plus uniforme pendant le processus de rivetage, la différence d'interférence relative à différentes positions étant généralement faible, améliorant la résistance au cisaillement de la structure rivetée.

En plus d'adoucir le matériau, les vibrations ultrasonores ont également un effet sur le frottement entre la pièce et la tête de l'outil. Il y a une séparation instantanée entre la pièce à usiner et l'outil après l'application des vibrations ultrasonores et l'inverse du vecteur de force de frottement le rend bénéfique pour l'écoulement du matériau de la tige du clou pendant une partie de la période de vibration26. L'effet thermique local réduit le soudage par adhérence27 et améliore la lubrification de l'usinage19,28. Grâce à "l'effet de surface" des vibrations ultrasonores, les frottements entre la tête du rivet et la tête de l'outil, la tige du rivet et la plaque sont réduits. La diminution de la force de frottement peut également favoriser l'écoulement du matériau de la tige du clou.

Cette étude a examiné l'influence des vibrations ultrasonores sur le processus de rivetage de l'alliage d'aluminium 6063 en analysant la force de rivetage sous pression, l'interférence relative, la résistance au cisaillement de la structure rivetée et le flux de matière. Des expériences physiques et une analyse par éléments finis ont été entreprises. Les principales conclusions sont les suivantes :

Les vibrations ultrasoniques provoquent un effet adoucissant, ce qui réduit la force de rivetage à différentes vitesses de rivetage. L'ampleur de la diminution de la force de rivetage augmente avec l'augmentation de l'amplitude des vibrations.

Le frottement entre les surfaces de contact diminue lorsque des vibrations ultrasonores sont appliquées. Cela favorise le flux de matière de la tige du rivet. La surface des zones où la déformation est difficile diminue, tandis que la surface des zones de grande déformation augmente. Plus l'amplitude est grande, plus la réduction du frottement entre les surfaces de contact est évidente et plus la surface de la zone de déformation difficile est petite.

La vibration ultrasonique a à la fois un effet adoucissant et un effet de surface. Il rend la déformation de l'arbre du rivet plus uniforme, augmente la quantité d'interférences et améliore la régularité de la structure rivetée. Ensemble, ces attributs contribuent à améliorer la résistance au cisaillement et la résistance à la fatigue de la structure rivetée.

L'auteur accepte la publication dans les rapports scientifiques et confirme que le travail décrit n'a pas été publié auparavant (sauf sous la forme d'un résumé ou dans le cadre d'une conférence, d'une revue ou d'une thèse publiée) et que sa publication a été approuvée par tous les co-auteurs.

Les ensembles de données soutenant les résultats de cet article sont inclus dans l'article.

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Les travaux de recherche ont été soutenus par la National Natural Science Foundation of China (Approval No: 52105379), Natural Science Foundation of Shandong Province (Grant No. ZR2020MA061), Shandong Province Higher Educational Youth Innovation Science and Technology Program (2020KJN002).

École d'aéronautique, Université ShanDong JiaoTong, Jinan, 250357, République populaire de Chine

Zhendong Xie, Feng Chen et Weikai He

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ZX : a écrit le texte principal du manuscrit et la conceptualisation, la méthodologie, la validation. FC : recherche d'acquisition, révision, édition et supervision. WH : curation et visualisation des données, et analyse formelle.

Correspondance avec Weikai He.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Xie, Z., Chen, F. & He, W. Les effets des vibrations ultrasonores sur la qualité du rivetage. Sci Rep 12, 12948 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-17095-1

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Reçu : 12 mai 2022

Accepté : 20 juillet 2022

Publié: 28 juillet 2022

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

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