wpływ wybranych parametrów obróbki mechanicznej na

wpływ wybranych parametrów obróbki mechanicznej na

Technologia i Automatyzacja Montażu
2/2013
WPŁYW WYBRANYCH PARAMETRÓW OBRÓBKI MECHANICZNEJ
NA WYTRZYMAŁOŚĆ POŁĄCZEŃ KLEJOWYCH
Anna RUDAWSKA, Katarzyna BRONISZ
Streszczenie
W artykule zaprezentowano wybrane zagadnienia wpływu sposobu przygotowania powierzchni za pomocą obróbki mechanicznej na wytrzymałość połączeń klejowych blach stalowych. Przedmiotem badań były połączenia klejowe jednozakładkowe
próbek wykonanych z blachy stalowej C45 o grubości g = 1,5 mm, obciążone na ścinanie. Jako sposób przygotowania powierzchni zastosowano kilka wariantów operacji szlifowania, docierania oraz dogładzania, różniące się wybranymi parametrami
technologicznymi (np. głębokością skrawania, czasem głównym operacji) oraz rodzajem użytych narzędzi. Przyjęto określone
warunki wykonywania połączeń oraz wykorzystano klej epoksydowy dwuskładnikowy Loctite 9466. Przeprowadzono badania
wytrzymałościowe, zgodnie z normą EN DIN 1465, które pozwoliły na określenie wytrzymałości na ścinanie analizowanych
połączeń klejowych. Uzyskane wyniki badań wskazały na różnice w otrzymanych wartościach wytrzymałości na ścinanie po
zastosowaniu różnych wariantów obróbki mechanicznej – obróbki wykańczającej.
Słowa kluczowe
połączenia klejowe, sposób przygotowania powierzchni, wytrzymałość połączeń klejowych
Wprowadzenie
Powierzchnie elementów przeznaczone do łączenia
w wielu przypadkach pokryte są warstewką tlenków,
które nie mogą być usunięte za pomocą odtłuszczania.
Wówczas konieczne jest zastosowanie obróbki mechanicznej, która eliminuje z powierzchni różnego rodzaju
zanieczyszczenia organiczne oraz nieorganiczne, a także konstytuuje określoną strukturę geometryczną powierzchni. W procesie klejenia istotne jest właściwe rozwinięcie powierzchni, które może być realizowane m.in.
przez obróbkę mechaniczną. Ważne jest także uzyskanie
bezkierunkowej struktury powierzchni, która pozytywnie
wpływa na wytrzymałość połączeń klejowych [1÷4].
Obróbka mechaniczna może być realizowana za pomocą m.in. szlifowania, śrutowania, piaskowania, ściernych narzędzi nasypowych [5, 6]. Wiele prac przedstawia analizę wpływu parametrów technologicznych na
wytrzymałość połączeń klejowych. J. Czaplicki i inni [7]
zamieścili wyniki badań wpływu wielkości ziarn elektrokorundu stosowanego do obróbki strumieniowo-ściernej
na wytrzymałość połączeń klejowych. J. Godzimirski
i inni zaprezentowali w pracy [5] wpływ ziarnistości papieru ściernego na wytrzymałość na ścinanie połączeń
klejowych stali. Uzyskano o 20% większą wytrzymałość
połączeń klejowych, których powierzchnia klejonych
elementów została poddana obróbce papierem o większej ziarnistości (240), w porównaniu z wytrzymałością
połączeń klejowych stali po obróbce papierem ściernym
o ziarnistości 600.
Przeprowadzone badania miały na celu analizę wytrzymałości połączeń klejowych blach stalowych, których
powierzchnie zostały przygotowane różnymi sposobami obróbki mechanicznej. Sposób przygotowania powierzchni do operacji klejenia był czynnikiem zmiennym
w przeprowadzonych badaniach, natomiast czynniki,
takie jak: zastosowany klej, wymiary próbek oraz inne
warunki wykonywania połączeń, pozostały niezmienne
podczas wykonywania badań. Wśród sposobów przygotowania powierzchni blach stalowych do klejenia zastosowano: szlifowanie, docieranie i dogładzanie. Do celów
porównawczych wykonano połączenia klejowe analizowanych materiałów, których powierzchnie zostały poddane tylko operacji odtłuszczania.
Metodyka badań
 Charakterystyka połączeń klejowych i łączonego
materiału
Przedmiotem badań są połączenia klejowe jednozakładkowe blachy stalowej C45, o grubości 1,5 mm obciążone na ścinanie, których schemat zaprezentowano
w pracy [2].
Przyjęto długość zakładki lz wynoszącą 20 mm,
szerokość b = 20 ±2 mm, grubość spoiny klejowej
gk = 0,1 mm oraz długość próbki l = 100 ±3. Pole sklejenia
oraz grubość spoiny klejowej zostały zweryfikowane po
wykonaniu połączeń.
 Rodzaj obróbki mechanicznej
Jako sposób przygotowania powierzchni zastosowano trzy rodzaje obróbki mechanicznej: szlifowanie, docieranie, dogładzanie oraz różne warianty tych obróbek,
stosując różne parametry technologiczne. Przyjęte do
badań warianty operacji wykańczających zamieszczono
w tabeli 1.
Pastę polerską Lux 2000 najczęściej stosuje się do
obróbki stali, tombaku, metali kolorowych; pastą Hit 1000
dociera się powierzchnie chromu, niklu, mosiądzu, stali
27
2/2013
Technologia i Automatyzacja Montażu
nierdzewnej, kwasoodpornej, narzędziowej. Natomiast
pasty polerskiej Lux 600, która jest mieszaniną fizyczną
tlenku glinu w lepiszczu tłuszczowym, używa się do docierania m.in.: miedzi, mosiądzu, stali, metali kolorowych,
srebra, chromu [8].
Przed operacją klejenia wszystkie powierzchnie próbek po obróbkach mechanicznych zostały poddane operacji odtłuszczania za pomocą acetonu, którego opis
przedstawiono w tabeli 2.
Tabela 1. Charakterystyka rodzajów obróbki mechanicznej
Table 1. Characteristic of the kind of mechanical treatment
L.p.
Rodzaj obróbki
Wariant obróbki
Szlifowanie I
1
Szlifowanie
Szlifowanie II
Docieranie I
2
Docieranie
Docieranie II
Docieranie III
3
Dogładzanie
Dogładzanie I
Parametry technologiczne
n = 3000 obr/min
Vf = 10 mm/min
fp = 0,2 mm/podw. skok
ap = 0,10 mm
n = 1000 obr/min
V = 1570 m/min
t = 1 min
Lux 2000
ap = 0,05 mm
Hit 1000
Lux 600
Częstotliwość oscylacji: „4”
Dogładzanie II
tg = 0,5 min
tg = 1,0 min
Tabela 2. Proces technologiczny wykonania połączeń klejowych
Table 2. The adhesive joints technological process
Nr operacji
10
Nazwa
operacji
Opis operacji
Parametry technologiczne
Przygotowanie powierzchni – I etap
Próbki zostały poddane różnym wariantom obróbki
mechanicznej, zgodnie z założonymi parametrami
zamieszczonymi w tabeli 1.
Parametry odpowiednie do wariantów
obróbek – tabela 1.
Przygotowanie powierzchni – II etap
Próbki po obróbce mechanicznej poddano operacji odtłuszczania acetonem. Operacja ta polegała
na trzykrotnym nałożeniu acetonu na łączone
powierzchnie, przetarciu, a w końcowym etapie,
po ostatniej aplikacji środka, pozostawieniu do
odparowania.
Trzykrotne odtłuszczanie powierzchni
próbek acetonem.
Czas suszenia:
ts = 2 ±3 min
Przygotowanie kleju
Przygotowanie kleju polegało na wymieszaniu
żywicy epoksydowej i utwardzacza w stosunku
1:1, za pomocą przepływowego mieszadła statycznego.
Czas mieszania składników kleju:
tm = 15 ±2 s
Temperatura:
24 ±2°C
Aplikacja kleju
Ręczna aplikacja kleju na jedną z łączonych powierzchni, za pomocą polimerowych aplikatorów.
Czas aplikacji kleju:
ta = 20 ±2 s
Ustalenie elementów
połączenia oraz wywarcie nacisku
Ustalenie łączonych elementów za pomocą specjalnego przyrządu ustalającego. Ustalenie jednocześnie 6 połączeń klejowych.
Czas ustalenia łączonych elementów
jednego połączenia:
tu = 15 ±2 s
Utwardzanie kleju
Utwardzanie kleju przebiegało jednostopniowo w
temperaturze otoczenia.
Czas utwardzania kleju:
tutw = 72 godziny
Temperatura:
24 ±2°C
Nacisk: 0,02 MPa
Wilgotność: 24 ±2%
Sezonowanie połączeń
Sezonowanie połączeń odbywało się w temperaturze otoczenia
Czas sezonowania połączeń:
ts = 72 godziny
Temperatura:
24 ±2°C
Kontrola połączeń
Kontrola wizualna polegała na pomiarach uzyskanego pola sklejenia (długość zakładki i szerokość
próbki) oraz pomiarach grubości spoiny klejowej.
Czas kontroli jednej partii połączeń:
tk = 10 min
20
30
40
50
60
70
80
28
Technologia i Automatyzacja Montażu
 Warunki wykonywania połączeń
Opis technologii wykonania połączeń klejowych zamieszczono w tabeli 2. Zaprezentowane informacje
dotyczące poszczególnych operacji technologicznych
procesu klejenia wpłynęły na uzyskanie zadowalającej
poprawności wymiarowo-kształtowej wykonywanych połączeń oraz znacznie ułatwiły pracę podczas wykonywania badań w określonych warunkach laboratoryjnych.
Do wykonania połączeń zastosowano klej epoksydowy dwuskładnikowy Loctite 9466, którego właściwości
przedstawiono w pracy [2].
Wyniki badań
Uzyskane wyniki badań wytrzymałościowych połączeń klejowych, po wybranych sposobach przygotowania
powierzchni, zaprezentowano na rys. 1, rys. 2 oraz rys. 3.
Rys. 1. Wytrzymałość połączeń klejowych blach stalowych C45
po zastosowaniu: 1 – szlifowania I, 2 – szlifowania II, 3 – odtłuszczania
Fig. 1. The adhesive joint strength of C45 steel sheets after using: 1 – grinding I, 2 – grinding II, 3 – degreasing
Rys. 2. Wytrzymałość połączeń klejowych blach stalowych C45
po zastosowaniu: 1 – docierania I, 2 – docierania II, 3 – docierania III, 4 – odtłuszczania
Fig. 2. The adhesive joint strength of C45 steel sheets after using: 1 – lapping I, 2 – lapping II, 3 – lapping, 4 – degreasing
2/2013
jednak zwrócić uwagę na znaczne odchylenia standardowe poszczególnych rodzajów operacji przygotowania
powierzchni. Największe rozbieżności wyników badań
występują w przypadku obróbki odtłuszczania.
Analizując wyniki zaprezentowane na rys. 2, można
stwierdzić, że największą wytrzymałość połączeń klejowych otrzymano po docieraniu III oraz docieraniu II. Po
tym sposobie obróbki otrzymano również najlepszą powtarzalność uzyskiwanej wytrzymałości wykonywanych
połączeń. Wytrzymałość próbek, których powierzchnie
zostały przygotowane za pomocą pasty docierającej
Lux 2000 była mniejsza od docierania pastą Lux 600
o około 10%. Połączeniami o najmniejszej wytrzymałości
na ścinanie okazały się ponownie te, których powierzchnie zostały przygotowane do klejenia tylko odtłuszczaniem.
Rys. 3. Wytrzymałość połączeń klejowych blach stalowych C45
po zastosowaniu: 1 – dogładzania I, 2 – dogładzania II, 3 – odtłuszczania
Fig. 3. The adhesive joint strength of C45 steel sheets after using: 1 – superfinish I, 2 – superfinish II, 3 – degreasing
Najlepszą powtarzalność wyników zaobserwowano
w przypadku dogładzania II (rys. 3), które trwało 1 minutę. Jest to również obróbka, po której połączenia klejowe uzyskały największą wytrzymałość. Najmniejszą
wytrzymałość wykazały próbki przygotowane do klejenia
za pomocą odtłuszczania. Dość dużą rozbieżność w uzyskanych wynikach można zauważyć, analizując rezultat
pomiarów wytrzymałościowych próbek przygotowanych
do klejenia za pomocą dogładzania I, które trwało 0,5 minuty. Zaobserwowano, że wydłużenie czasu dogładzania
z 0,5 do 1 minuty może wpłynąć na wzrost wytrzymałości
połączeń klejowych o ponad 16%.
Otrzymane wyniki badań wytrzymałościowych połączeń klejowych zostały poddane analizie statystycznej.
Próby traktowano jako małe i do analizy statystycznej
wykorzystano testy F – Snedecora, T – Studenta, test
Cochrana i Coxa oraz odpowiednie modele statystyczne.
Omówienie wyników badań
W analizowanym przypadku stwierdzono korzystny
wpływ obróbki mechanicznej na wytrzymałość połączeń
klejowych stali C45 w porównaniu z połączeniami, których powierzchnie zostały jedynie odtłuszczone. Należy
Największą wytrzymałość połączeń klejowych blach
ze stali C45 otrzymano po zastosowaniu dwóch rodzajów
past docierających: Hit 1000 oraz Lux 600.
29
2/2013
Technologia i Automatyzacja Montażu
Analizując rezultaty badań przedstawione na rys. 1,
rys. 2 oraz rys. 3, można stwierdzić, że w każdym z badanych rodzajów obróbki mechanicznej uzyskano większą
wytrzymałość w stosunku do wytrzymałości otrzymanej
dla połączeń, w których powierzchnie łączonych materiałów poddano jedynie operacji odtłuszczania.
Na podstawie analizy statystycznej uzyskanych wyników badań można stwierdzić, że w niektórych przypadkach brak jest podstaw do odrzucenia hipotezy
o równościach średnich na przyjętym poziomie ufności
α = 0,05. Dotyczy to przypadków badań wytrzymałościowych połączeń klejowych blach stalowych po przygotowaniu powierzchni szlifowaniem I i II, docieraniem I i III
oraz II i III. W pozostałych przypadkach występują statystycznie istotne różnice na przyjętym poziomie ufności
α = 0,05.
rzalność wyników była największa. Równie wysoką
powtarzalnością charakteryzowały się połączenia,
których powierzchnie łączonych elementów przygotowano za pomocą dogładzania II. Natomiast
najmniejszą powtarzalność wyników otrzymano po
docieraniu I i dogładzaniu I.
Badania były przeprowadzone w możliwych do uzyskania warunkach laboratoryjnych oraz stosując określone parametry technologiczne procesu. Najprawdopodobniej zmiana parametrów pozwoli na uzyskanie różnej
wytrzymałości połączeń klejowych. Na podstawie uzyskanych rezultatów podjęto dalsze badania eksperymentalne w tym zakresie.
LITERATURA
1.
Wnioski
2.
Na podstawie przeprowadzonych badań doświadczalnych można stwierdzić, że:
 największą wytrzymałość na ścinanie uzyskały połączenia klejowe, których powierzchnie poddano
operacji docierania III pastą Lux 600 oraz II pastą
Hit 1000. W przypadku obróbek mechanicznych najmniejszą wytrzymałość uzyskały połączenia po operacji dogładzania I. Natomiast najbardziej niekorzystnym sposobem przygotowania powierzchni próbek
do klejenia, ze względu na wytrzymałość połączeń
klejowych, była operacja odtłuszczania, po której
uzyskano najmniejszą wytrzymałość na ścinanie;
 wraz ze wzrostem granulacji pasty docierającej zaobserwowano spadek wytrzymałości połączeń klejowych,
 wydłużenie czasu operacji dogładzania wpłynęło na
wzrost wytrzymałości połączeń klejowych,
 analizując odchylenie standardowe wszystkich połączeń, można zaobserwować, że w przypadku połączeń, dla których zastosowano operację docierania
II, jako sposób przygotowania powierzchni, powta-
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Godzimirski J.: Wytrzymałość połączeń klejowych.
Wojskowa Akademia Techniczna. Warszawa, 2010.
Rudawska A., Białasz J.: Wpływ czynników technologicznych na wytrzymałość połączeń klejowych blach
aluminiowych 2024. Technologia i Automatyzacja
montażu, nr 1, 2013, 63-67.
Rudawska A., Łukaszewicz M.: Wpływ obróbki mechanicznej na wytrzymałość połączeń klejowych wybranych materiałów konstrukcyjnych. Przegląd Spawalnictwa, nr 8, 2008, 27-30.
Kuczmaszewski J.: Technologia śmigłowców. Teoria
i technika klejenia. Wydawnictwo Uczelnianie, Lublin, 1990.
Godzimirski J., Kozakiewicz J., Łunarski J., Zielecki W.: Konstrukcyjne połączenia klejowe elementów
metalowych w budowie maszyn. Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów, 1997.
Zielecki W.: Wpływ rozwinięcia struktury powierzchni
na wytrzymałość zakładkowych połączeń klejowych.
Technologia i Automatyzacja Montażu, nr 2 i 3, 2007.
Czaplicki J. i in.: Klejenie tworzyw konstrukcyjnych.
WKŁ, Warszawa, 1987.
www.pastypolerskie.com.pl (03.01.2012)
________________
Dr inż. Anna Rudawska jest pracownikiem Katedry Podstaw Inżynierii Produkcji Politechniki Lubelskiej, ul. Nadbystrzycka 36, 20-618 Lublin. Katarzyna Bronisz jest studentką Wydziału Mechanicznego Politechniki Lubelskiej.
THE INFLUENCE OF MECHANICAL TREATMENT PARAMETERS
IN THE ADHESIVE JOINT STRENGTH
Abstract
The article presents selected issues that affect the surface treatment using machining on adhesive joints strength of steel
sheets. Objects of studies were single-lap adhesive joints samples made of C45 steel with a thickness of 1.5 mm with shear
loaded. There were used several variants of surface treatment such as grinding, lapping, and super-finishing. Furthermore, several variants of technological parameters (for example, the depth of cutting, the main operation time) and the type of tools were
used. Certain conditions of making joints and a two-part epoxy adhesive Loctite 9466 were used. Strength tests were carried
out according to EN DIN 1465, which allowed determining the shear strength of adhesive joints. A final test results shown the
difference in values of shear strength obtained after the application of different variants of machining-finishing.
Keywords
adhesive joints, surface treatment, adhesive joints strength
30