Gli effetti delle vibrazioni ultrasoniche sulla qualità della rivettatura

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 12948 (2022) Citare questo articolo

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Le vibrazioni ultrasoniche possono ridurre la forza di formatura, diminuire l'attrito nel processo di formatura del metallo e migliorare efficacemente la qualità della superficie del pezzo. Gli effetti delle vibrazioni ultrasoniche sulla qualità della rivettatura sono stati studiati sistematicamente mediante simulazione numerica e metodi sperimentali. Sono stati analizzati la forza di rivettatura, l'interferenza, la testa di rivettatura e la microstruttura del rivetto in diverse condizioni di vibrazione, al fine di studiare l'influenza della vibrazione ultrasonica sul processo di rivettatura. I risultati dello studio mostrano che la vibrazione ultrasonica può ridurre la forza di rivettatura e diminuire l'attrito. Pertanto, è stato favorito il flusso del materiale del rivetto e sono state ampliate l'interferenza e l'uniformità interferometrica. La qualità della rivettatura è stata migliorata e l'effetto di miglioramento è aumentato con l'aumento dell'ampiezza. Rispetto alla rivettatura convenzionale, l'interferenza relativa è aumentata del 27,32% e la resistenza al taglio è aumentata del 17,16%, quando l'ampiezza è di 5,77 μm.

I giunti rivettati sono ampiamente utilizzati in una varietà di settori. In alcuni casi, ad esempio nell'assemblaggio di aeromobili, la rivettatura è l'approccio più significativo per collegare le parti. Rispetto ad altre forme di connessione più vecchie, la rivettatura presenta numerosi vantaggi: il processo è semplice; l'attrezzatura per rivettare è facile da usare; il risultato è una buona qualità del prodotto; e può essere utilizzato per reti complesse di materiali1.

Al termine del processo di ricalcatura del rivetto, l'incrudimento a freddo può aumentare significativamente la resistenza allo snervamento del materiale del rivetto, ma ridurne la plasticità. Ciò rende difficile l'esecuzione della rivettatura continua e la testa di ribaltamento può facilmente produrre crepe, portando ad una qualità di installazione inadeguata e a cattive condizioni di lavoro2,3,4. I tradizionali processi manuali di foratura e rivettatura sono ancora ampiamente utilizzati nell’assemblaggio degli aeromobili, limitando l’efficienza e la qualità della produzione5. Esiste quindi l’urgente necessità di migliorare l’efficienza e la qualità della rivettatura.

Negli ultimi decenni sono stati dedicati notevoli sforzi allo studio della possibile formatura di plastica metallica assistita da vibrazioni ultrasoniche, e questo approccio è ora ampiamente utilizzato nella pratica, tra cui la trafilatura assistita da UV, lo stampaggio, l'estrusione, ecc. Marakawa et al.6 hanno applicato gli ultrasuoni radiali vibrazioni alla filiera durante il processo di trafilatura. I risultati hanno mostrato che ciò ha migliorato la qualità della superficie e ha consentito di aumentare il rapporto di imbutitura. Siegert e Mock7 hanno scoperto che le forze coinvolte nella trafilatura possono essere ridotte applicando matrici oscillanti ad ultrasuoni. La diminuzione delle forze di trafilatura serve ad estendere i limiti potenziali del processo di formatura. Gli effetti di risonanza hanno prodotto in questo caso una riduzione periodica della forza di trazione fino al 40%. Tuttavia, all’aumentare della velocità di trafilatura, l’effetto sulla forza di trafilatura è diventato meno pronunciato, poiché il numero di oscillazioni per unità di lunghezza è diminuito. Djavanroodi et al.8 hanno studiato l'impatto delle vibrazioni ultrasoniche sulla pressatura angolare a canale uguale (ECAP) e hanno scoperto che, maggiore è la loro ampiezza, più ridotto è il carico di formatura. Una riduzione del 13% della forza media è stata ottenuta applicando vibrazioni ultrasoniche con un'ampiezza di 2,5 μm a 20 kHz. Faraji et al.9 hanno testato l'uso delle vibrazioni ultrasoniche nel processo ECAP e hanno scoperto che, sovrapponendo le vibrazioni ultrasoniche, era possibile aumentare l'uniformità della deformazione. Rasoli et al.10 hanno studiato l'influenza delle vibrazioni ultrasoniche longitudinali su un processo di filatura di tubi. Qui, i risultati sperimentali hanno mostrato che le vibrazioni ultrasoniche longitudinali a bassa potenza possono migliorare la qualità della superficie interna, mentre le vibrazioni ultrasoniche ad alta potenza possono influenzare le forze di formatura e la fuoriuscita del materiale. Hanno concluso che questi cambiamenti erano il risultato di effetti di contatto associati alle vibrazioni ultrasoniche. Jimma et al.11 hanno migliorato il rapporto di imbutitura limite in un processo di imbutitura profonda applicando vibrazioni ultrasoniche. Bunget e Ngaile12 hanno studiato la microformatura assistita da vibrazioni ultrasoniche e hanno ottenuto piccole parti con un'elevata qualità superficiale. L'attrito tra la matrice e il pezzo è stato migliorato mediante vibrazioni ultrasoniche e la forza di estrusione è stata ridotta.