Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A (대한기계학회논문집A)

The Korean Society of Mechanical Engineers (대한기계학회)
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Design of Helical Self-Piercing Rivet for Joining Aluminum Alloy and High-Strength Steel Sheets

알루미늄 합금과 고장력 강판 접합을 위한 헬리컬 SPR의 설계

  • Kim, W.Y. (Dept. of Precision Mechanical Engineering, Chungbuk Nat'l Univ.) ;
  • Kim, D.B. (Dept. of Precision Mechanical Engineering, Chungbuk Nat'l Univ.) ;
  • Park, J.G. (Dept. of Precision Mechanical Engineering, Chungbuk Nat'l Univ.) ;
  • Kim, D.H. (Dept. of Precision Mechanical Engineering, Chungbuk Nat'l Univ.) ;
  • Kim, K.H. (Dept. of Precision Mechanical Engineering, Chungbuk Nat'l Univ.) ;
  • Lee, I.H. (Dept. of Mechanical Engineering, Chungbuk Nat'l Univ.) ;
  • Cho, H.Y. (Dept. of Mechanical Engineering, Chungbuk Nat'l Univ.)
  • 김원영 (충북대학교 정밀기계공학과) ;
  • 김동범 (충북대학교 정밀기계공학과) ;
  • 박진근 (충북대학교 정밀기계공학과) ;
  • 김도훈 (충북대학교 정밀기계공학과) ;
  • 김기호 (충북대학교 정밀기계공학과) ;
  • 이인환 (충북대학교 기계공학부) ;
  • 조해용 (충북대학교 기계공학부)
  • Received : 2014.02.26
  • Accepted : 2014.05.23
  • Published : 2014.07.01
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Abstract

A self-piercing rivet (SPR) is a mechanical component for joining dissimilar material sheets such as those of aluminum alloy and steel. Unlike conventional rivets, the SPR directly pierces sheets without the need for drilling them beforehand. However, the regular SPR can undergo buckling when it pierces a high-strength steel sheet, warranting the design of a helical SPR. In this study, the joining and forging processes using the helical SPR were simulated using the commercial FEM code, DEFORM-3D. High-tensile-strength steel sheets of different strengths were joined with aluminum alloy sheets using the designed helical SPR. The simulation results were found to agree with the experimental results, validating the optimal design of a helical SPR that can pierce high-strength steel sheets.

Self-piercing rivet(SPR)은 이종재료 접합을 위해 사용되는 결합용 기계요소로써, 대표적으로는 알루미늄 합금과 강판 등 용융점이 서로 다른 재료의 접합에 사용된다. SPR 접합은 일반 리벳접합과 달리 스스로 홀을 가공하며 삽입되기 때문에 사전의 홀 가공이 필요 없다.(1) 상부판재를 천공하고 하부판재와 함께 소성 변형되어 결합된다. 자동차의 차체 경량화를 위해서는 알루미늄 합금과 같은 경량소재가 사용되며, 부분적으로 스틸과 알루미늄 합금의 이종재료 접합이 요구된다. 그러나 알루미늄 합금과 강판은 용융점이 다르므로 기존의 차체 결합방법으로 이용되고 있는 저항 용접이 불가능하다. 이에 따라, 기계적 결합방법의 하나인 SPR 접합이 요구된다.(2) 따라서 본 연구에서는 강소성 유한요소해석 프로그램을 이용하여 리벳과 판재의 접합 성형성을 검토하고, 고장력 강판을 접합할 수 있는 새로운 형상의 SPR을 설계하였다. 또한 해석결과와 실험의 비교를 통하여 해석의 신뢰성을 검증하였다.

Keywords

References

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  2. Cho, H. Y., Kim, D. B. and Kim, K. W., 2012, "Shape Design of Self-Piercing Rivet for Joining Dissimilar Sheet Metals," Journal of Korean Society of Mechanical Technology, Vol. 14, No. 3, pp. 93-99.
  3. Kim, D. B., Cho, H. Y., Lee, M. Y., Park, B. J. and Park, J. K., 2012, "Forging Process Design of Self-Piercing Rivet for Joining dissimilar Sheet Metals," Journal of the Korean Society of Marine Engineering, Vol. 36, No. 6, pp. 802-807. https://doi.org/10.5916/jkosme.2012.36.6.802
  4. Hoang, N. H., Porcaro, R., Langesth, M. and Hanssen, A.-G., 2010, "Self-Piercing Riveting Connections Using Aluminium Rivets," International Journal of Solids and Structures, Vol. 47, pp. 427-439. https://doi.org/10.1016/j.ijsolstr.2009.10.009
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  6. Byun, H. S., 2009, "Finite Element Analysis for the Forging Process Design of a Blind Rivet," Journal of the Korea Academia-Industrial Cooperation Society, Vol. 10, No. 10, pp. 2577-2582. https://doi.org/10.5762/KAIS.2009.10.10.2577