Technologia i Automatyzacja Montażu / ANALIZA WPŁYWU STRUKTURY GEOMETRYCZNEJ POWIERZCHNI W UKŁADZIE 3D NA WYTRZYMAŁOŚĆ POŁĄCZEŃ KLEJOWYCH Władysław ZIELECKI, Paweł PAWLUS, Ryszard PERŁOWSKI, Andrzej DZIERWA Proces technologiczny klejenia rozpoczyna ciąg operacji, których celem jest właściwe przygotowanie powierzchni łączonych elementów. Przygotowanie powierzchni do klejenia powinno zapewnić zadziałanie wszystkich mechanizmów wiążących (natury fizycznej, chemicznej i mechanicznej). Uzyskanie mocnych wiązań adhezyjnych w połączeniu klejowym jest możliwe wówczas, gdy proces przygotowania powierzchni spowoduje: usunięcie z łączonych elementów wszystkich zanieczyszczeń powierzchniowych, uzyskanie największego rozwinięcia powierzchni, uzyskanie dobrego uaktywnienia powierzchni. W warunkach produkcyjnych uzyskanie wymienionych efektów realizowane jest różnymi metodami obróbki chemicznej lub mechanicznej. Obróbka mechaniczna umożliwia ukonstytuowanie struktury geometrycznej powierzchni zapewniającej maksymalne jej rozwinięcie, lecz nie gwarantuje ona dobrego uaktywnienia powierzchni. Realizowana jest ona różnymi metodami obróbki mechanicznej (piaskowanie, obróbka strumieniowo-ścierna, śrutowanie, kulkowanie, szlifowanie, szczotkowanie, skrobanie), których opis, warunki realizacji oraz ich wpływ na wytrzymałość połączeń klejowych przedstawiono w licznych pracach [,, 3, 4]. Zawierają one najczęściej analizę wpływu parametrów technologicznych (np. wielkości ziaren elektrokorundu stosowanego do obróbki strumieniowo-ściernej, ziarnistości papieru ściernego) na wytrzymałość połączeń klejowych, rzadziej natomiast właściwości wytrzymałościowe wiązano z parametrami chropowatości powierzchni. W nielicznych pracach [, 6, 7] podjęto próbę powiązania wytrzymałości połączeń klejowych z parametrami wysokościowymi chropowatości powierzchni. Stwierdzono w nich, że najlepsze właściwości wytrzymałościowe uzyskują złącza, w których powierzchnia łączonych elementów posiada chropowatość R m = 7 μm. W pracach [9, ] przeprowadzono kompleksową analizę wpływu struktury geometrycznej w układzie D opisanej za pomocą parametrów chropowatości opisujących cechy wysokościowe i horyzontalne (wzdłużne) profilu chropowatości oraz kształt nierówności. W badaniach oceniono więzi korelacyjne występujące między wytrzymałością na ścinanie zakładkowych połączeń klejowych a najczęściej stosowanymi parametrami chropowatości powierzchni w układzie D: średnim arytmetycznym odchyleniem profilu Ra, średnim kwadratowym odchyleniem profilu Rq, maksymalną wysokością profilu chropowatości Rm, wysokością wzniesień profilu Rp, głębokością wgłębień profilu Rv, wysokością profilu chropowatości wg punktów Rz, średnim odstępem chropowatości RSm, średnim odstępem miejscowych wzniesień profilu RS, średnim arytmetycznym pochyleniem profilu Rda, średnim kwadratowym pochyleniem profilu Rdz, promieniem krzywizn wierzchołków r wz i wgłębień r wg, oraz współczynnikiem długości profilu Rlr równym stosunkowi rzeczywistej (rozwiniętej) długości profilu do długości odcinka elementarnego lub pomiarowego, na którym została ona wyznaczona. Przeprowadzona analiza więzi korelacyjnych wykazała, że wytrzymałość na ścinanie Rt zakładkowych połączeń klejowych sklejonych kompozycją klejową ulegającą destrukcji w następstwie zerwania więzi adhezyjnych pomiędzy spoiną klejową a powierzchnią łączonych części (spoina Epidian + PAC, spoina elastyczna) wykazuje znaczne uzależnienie od rozwinięcia powierzchni, charakteryzowanego parametrami chropowatości Rlr, Rda, Rdq. Współczynniki korelacji liniowej R l wynosiły odpowiednio,8,,78,,73 [9, ]. Uznano, że można je wykorzystać do kontroli poprawności przygotowania powierzchni oraz prognozowania wytrzymałości na ścinanie zakładkowych połączeń klejowych sklejonych elastycznymi kompozycjami klejowymi, ulegającymi zniszczeniu adhezyjnemu lub adhezyjno-kohezyjnemu. Postęp w badaniach struktury geometrycznej doprowadził do powstania urządzeń pomiarowych, umożliwiających badanie i rejestrację powierzchni w układzie przestrzennym. Opracowano również duży zbiór parametrów struktury geometrycznej powierzchni w układzie 3D dokładnie opisujących stan powierzchni. Celowym działaniem będzie więc ustalenie, które z parametrów chropowatości w układzie 3D najlepiej opisują sposób przygotowania powierzchni do klejenia. 33
/ Technologia i Automatyzacja Montażu Analiza związków pomiędzy parametrami chropowatości powierzchni w układzie 3D a wytrzymałością na ścinanie połączeń klejowych Zmierzając do dokładniejszego określenia wpływu struktury geometrycznej powierzchni w układzie 3D na wytrzymałość zakładkowych złączy klejowych, przeprowadzono badania, których celem było określenie parametrów chropowatości powierzchni najmocniej skorelowanych z właściwościami wytrzymałościowymi połączeń adhezyjnych. Próbki do badań wykonano ze stali 3JR, które połączono kompozycją klejową Epidian z utwardzaczem PAC (w proporcji 8 części wagowych utwardzacza PAC na części wagowych żywicy epoksydowej). Proces sieciowania przebiegał w temperaturze otoczenia (93 ± 3 K) w ciągu 48 godzin, z zachowaniem przez cały okres utwardzania nacisku, MPa (w przyrządzie mechanicznym). Powierzchnie klejonych próbek poddano wstępnej obróbce mechanicznej następującymi metodami: polerowanie (wariant POL) tarczą polerską z proszkiem diamentowym, parametry: prędkość v =,7 m/s, posuw i docisk ręczny; szlifowanie wzdłużne (wariant SZLIFW) tarczą TAxx/99A-6-K-6-V, parametry: prędkość v = 8 m/s, posuw wzdłużny p w = m/min, posuw poprzeczny p p = mm/skok, głębokość h =, mm; obróbka ścierna wzdłużna (wariant TDIAMW) i poprzeczna (wariant TDIAMP) tarczą z nasypem diamentowym φ (producent: Instytut Technologii Lotniczej UkrNIIAT w Kijowie), parametry: prędkość v = 8,4 m/s, posuw i docisk ręczny; szczotkowanie wzdłużne (wariant SZCZW) i poprzeczne (wariant SZCZP) tarczą drucianą φ x3, parametry: średnica drutu d d =,4 mm, prędkość v = m/s, posuw wzdłużny p w = mm/min, wcisk w = mm; obróbka strumieniowo-ścierna pneumatyczna (wariant KORP) elektrokorundem 9A o ziarnistości 6 realizowana na zmodernizowanym urządzeniu SDU-4Z, parametry: wielkość ziarna w z =,7 mm, ciśnienie powietrza p s =,7 MPa, czas t = 6 s; obróbka strumieniowo-ścierna mechaniczna odśrodkowa elektrokorundem realizowana w 4 wariantach różniących się parametrami: - wariant KORM parametry: wielkość ziarna w z =,7 mm, prędkość v = 78 m/s, - wariant KORM parametry: wielkość ziarna w z =,7 mm, prędkość v = 64 m/s, - wariant KORM3 parametry: wielkość ziarna w z =,36 mm, prędkość v = 78 m/s, - wariant KORM4 parametry: wielkość ziarna w z =,36 mm, prędkość v = 64 m/s; obróbka strumieniowo-ścierna odśrodkowa (wariant CEVA) materiałem ceramicznym CEVA, parametry: wielkość ziarna w z =,7 mm, prędkość v = 78 m/s; śrutowanie strumieniowe mechaniczne odśrodkowe (wariant ŚRUT) śrutem stalowym, parametry: wielkość ziarna w z =,36 mm, prędkość v = 78 m/s; kulowanie strumieniowe mechaniczne odśrodkowe kulkami stalowymi realizowane w 4 wariantach: - wariant KUL parametry: średnica kulek d k =,7 mm, prędkość v = 78 m/s, - wariant KUL parametry: średnica kulek d k =,7 mm, prędkość v = 64 m/s, - wariant KUL3 parametry: średnica kulek d k =,36 mm, prędkość v = 78 m/s, - wariant KUL4 parametry: średnica kulek d k =,36 mm, prędkość v = 64 m/s. Jako wariant wyjściowy W (odniesienia) przyjęto próbki z powierzchnią nieobrabianą mechanicznie, posiadającą strukturę ukonstytuowaną w procesie walcowania blachy. Dokonano pomiarów następujących parametrów charakteryzujących strukturę geometryczną powierzchni w układzie 3D (zgodnych z wymaganiami normy EUR 78N): parametrów amplitudy: Sa - średniego odchylenia arytmetycznego, Sq - średniego odchylenia średniokwadratowego, Sz - wysokości dziesięciu punktów powierzchni, Ssk - asymetrii powierzchni, Sku - kurtozy powierzchni, Sp - maksymalnej wysokości szczytu, Sv - maksymalnej głębokości doliny, St - całkowitej wysokości, parametrów przestrzennych: Str - wydłużenia struktury powierzchni, Std - kierunku struktury powierzchni, Sal - długości autokorelacji najszybszego rozpadu, parametrów hybrydowych: Sdq - nachylenia średniokwadratowego, Sds - gęstości wierzchołków, Ssc - średniej arytmetycznej krzywizny wierzchołka, Sdr - rozwiniętego pola międzyfazowego, Sfd - wymiaru fraktalnego powierzchni, parametrów pola i objętości: Smr - polowego stosunku materiałowego powierzchni, Sdc - różnicy wysokości obszaru, parametrów funkcyjnych: Sk - głębokości chropowatości rdzenia, Spk - zredukowanej wysokości wierzchołka, Svk - zredukowanej głębokości doliny, Sr - górnej powierzchni nośnej, Sr - dolnej powierzchni nośnej, indeksów funkcyjnych: Sbi wskaźnika nośności powierzchni, Sci wskaźnika retencji płynu rdzenia, Svi wskaźnika retencji płynu doliny. Pomiar struktury geometrycznej powierzchni (SGP) wykonano za pomocą urządzenia pomiarowego TalyScan z oprogramowaniem do analizy powierzchni 34
Technologia i Automatyzacja Montażu TalyMap 3D. Pomiar wykonano metodą stykową przy użyciu czujnika stykowego w temperaturze oc. Przykłady fotografii powierzchni i map warstwicowych pokazano na rys. 4. Próbki do badań wytrzymałości na ścinanie były wykonane zgodnie z PN-EN 46:3 [], zaś próbę rozciągania realizowano na maszynie FP- firmy Heckert z szybkością obciążania 4 mm/min. Wyniki badań wytrzymałości na ścinanie Rt wskazują, że sposób przygotowania powierzchni w istotny sposób wpływa na właściwości wytrzymałościowe zakładkowych połączeń klejowych. Najmniejszą wytrzymałość na ścinanie posiadały próbki, których powierzchnie przed klejeniem polerowano i szczotkowano Rt = 9,3 9,8 MPa, natomiast największą wytrzymałość miały próbki, których powierzchnię przed klejeniem obrobiono strumieniowo-ściernie elektrokorundem mechanicznie oraz pneumatycznie (warianty KORP i KORM) Rt = 9,96,46 MPa. / 3 mm.. 7.... 7. 3 3.. mm. 7.. 7.. Rys.. Mapa warstwicowa i widok izometryczny powierzchni szlifowanej wzdłużnie tarczą TAxx/99A-6-K-6-V (wariant SZLIFW) 3 mm 9. 7. 6. 4 3 3. Rys.. Fotografie powierzchni stali S3JR konstytuowanych metodami obróbki ściernej: a) szlifowanie wzdłużne tarczą TAxx/99A-6-K-6-V (wariant SZLIFW), b) obróbka ścierna poprzeczna tarczą z nasypem diamentowym (wariant TDIAMP), c) szczotkowanie poprzeczne tarczą drucianą (wariant SZCZP), d) polerowanie (wariant POL) 8 mm 3 9 8 7 6 4 3 Rys. 4. Mapa warstwicowa i widok izometryczny powierzchni obrobionej strumieniowo-ściernie mechanicznie odśrodkowo elektrokorundem (wariant KORM) Rys. 3. Fotografie powierzchni stali S3JR konstytuowanych metodami obróbki strumieniowej: a) obróbka strumieniowościerna mechaniczna odśrodkowa elektrokorundem (wariant KORM), b) obróbka strumieniowo-ścierna odśrodkowa materiałem ceramicznym CEVA (wariant CEVA), c) śrutowanie strumieniowe mechaniczne odśrodkowe śrutem stalowym (wariant ŚRUT), d) kulowanie strumieniowe mechaniczne odśrodkowe kulkami stalowymi (wariant KUL) Wyniki regresji i korelacji liniowej pomiędzy wytrzymałością na ścinanie zakładkowych połączeń ze stali 3JR sklejonych kompozycją Epidian + PAC przedstawiono w tabeli oraz na rys. 7. Przeprowadzona analiza wykazała, że wytrzymałość na ścinanie najmocniej skorelowana jest ze średnią arytmetyczną krzywizną wierzchołków Ssc (R =,7894), rozwiniętym polem międzyfazowym Sdr (R =,7498) oraz nachyleniem średniokwadratowym Sdq (R =,7363). 3
/ Technologia i Automatyzacja Montażu Tabela. Wyniki analizy regresji i korelacji liniowej pomiędzy wytrzymałością na ścinanie Rt połączeń klejowych ze stali S3JR a parametrami chropowatości Pch w układzie 3D powierzchni przygotowanych do klejenia różnymi metodami Parametry chropowatości Pch Wytrzymałość na ścinanie Rt = a Pch + b a B R D = R Parametry amplitudy Sa,7.833,397,87 Sq,476,7,3473,6 Sz,89,488,488,38 Ssk 4,736 3,6,368,38 Sku 3,3,86,4,6 Sp,8,6,44,96 Sv,6,84,4799,33 St.77,384,48,936 Parametry przestrzenne Str 6,96,97,466,988 Std -, 4,67 -,37,997 Sal -4,684 7,7 -,3,3 Parametry hybrydowe Sdq 8,33 6,9,7363,4 Sds, 3,976,4, Ssc 3,3,7,7894,63 Sdr, 9,6,7498,6 Sfd 7,63-6,43,49,6 Parametry pola i objętości Smr -379,63,9 -,6,68 Sdc,7,88,33,96 Parametry funkcyjne Sk,8,69,33,44 Spk,68,744,98,99 Svk,69,43,3899, Sr,9,96,49,4 Sr,4-3,9,8,34 Indeksy funkcyjne Sbi -4,68 8,6 -,399,8 Sci 6,473 3,7,49,9 Svi -4,3 6,674 -,,6 y = 3,3x +,748 R =,63 y =,498x + 9,67 R =,6,,,,,,3,3,4 Ssc mm 4 6 8 Sdr mm Rys.. Zależność wytrzymałości na ścinanie Rt zakładkowych połączeń klejowych ze stali S3JR od średniej arytmetycznej krzywizny wierzchołka Ssc Rys. 6. Zależność wytrzymałości na ścinanie Rt zakładkowych połączeń klejowych ze stali S3JR od rozwiniętego pola międzyfazowego Sdr 36
Technologia i Automatyzacja Montażu / y = 8,33x + 6,997 R =,4 Badania realizowane w ramach Projektu Nowoczesne technologie materiałowe stosowane w przemyśle lotniczym", Nr POIG...--/8- w Programie Operacyjnym Innowacyjna Gospodarka (PO IG). Projekt współfinansowany przez Unię Europejską ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego.,,,3,4, Sdq mm Rys. 7. Zależność wytrzymałości na ścinanie Rt zakładkowych połączeń klejowych ze stali S3JR od nachylenia średniokwadratowego Sdq Podsumowanie Wykonana w pracy kompleksowa ocena wpływu struktury stereometrycznej w układzie 3D powierzchni łączonych elementów na wytrzymałość zakładkowych połączeń klejowych pozwoliła zweryfikować i uzupełnić wiedzę na temat adhezji mechanicznej pomiędzy spoiną klejową a łączonymi częściami. Przeprowadzone badania eksperymentalne wykazały, że wytrzymałość na ścinanie R t zakładkowych połączeń klejowych sklejonych kompozycją klejową ulegającą destrukcji w następstwie zerwania więzi adhezyjnych pomiędzy spoiną klejową a powierzchnią łączonych części (spoina Epidian + PAC, spoina elastyczna) wykazuje znaczne uzależnienie od rozwinięcia powierzchni, charakteryzowanego parametrami hybrydowymi: średnią arytmetyczną krzywizną wierzchołków Ssc (R =,7894), rozwiniętym polem międzyfazowym Sdr (R =,7498) oraz nachyleniem średniokwadratowym Sdq (R =,7363). Współczynnik korelacji liniowej pomiędzy wytrzymałością na ścinanie badanych połączeń klejowych a parametrami amplitudy oraz przestrzennymi wynosił R =,3,4, natomiast z parametrami pola i objętości, funkcyjnymi oraz indeksami funkcyjnymi uzyskiwał wartość R =,,39. Parametry hybrydowe Ssc, Sdr, Sdq można zatem wykorzystać do kontroli poprawności przygotowania powierzchni oraz prognozowania wytrzymałości na ścinanie zakładkowych połączeń klejowych sklejonych elastycznymi kompozycjami klejowymi, ulegającymi zniszczeniu adhezyjnemu lub adhezyjno-kohezyjnemu. LITERATURA. Cagle Ch.V.: Handbook of Adhesive Bonding. Mc- Graw-Hill, New York 973.. Petrie E.M.: Handbook of Adhesives and Sealants. McGraw-Hill Professional, New York 6. 3. Habenicht G.: Kleben. Grundlagen, Technologien, Anwendungen. Springer, Berlin Heidelberg 6. 4. Żenkiewicz M.: Adhezja i modyfikowanie warstwy wierzchniej tworzyw wielkocząsteczkowych. WNT, Warszawa.. Dutkiewicz E. T.: Fizykochemia powierzchni. WNT, Warszawa 998. 6. Вакула В.Л., Притикин Л.М.: Физическая химия адгезии полимеров. Издателство Химмия, Москва 984. 7. Pizzi A., Mittal K.L.: Handbook of Adhesive Technology. Marcel Dekker Inc. 3. 8. Masters T.: Sieci neuronowe w praktyce. WNT, Warszawa 996. 9. Łunarski J., Zielecki W.: Wpływ struktury geometrycznej powierzchni na wytrzymałość na ścinanie połączeń klejonych. Technologia i Automatyzacja Montażu nr /994, s. 3-6.. Zielecki W.: Determinanty určujúce pevnostné vlastnosti lepených spojov. Vedecké Spisy Strojníckej Fakulty, Zväzok, Edíca: Habilitačné a inauguračné spisy. Košice 9.. PN-EN 46:3. Kleje Oznaczanie wytrzymałości na ścinanie przy rozciąganiu połączeń na zakładkę materiału sztywnego ze sztywnym. Prof. Władysław Zielecki prof. Paweł Pawlus, dr Ryszard Perłowski i dr Andrzej Dzierwa są pracownikami Wydziału Budowy Maszyn i Lotnictwa Politechniki Rzeszowskiej. ciąg dalszy ze str. 6. Zmiany wprowadzone w konstrukcji automatu zapewniły znaczną poprawę jakościową uzyskiwanych połączeń, przy zachowaniu dotychczasowej wydajności. 3. Opracowane i zastosowane specjalne rozwiązania głowic wkręcających charakteryzują się zwartą budową, niezawodną pracą oraz stabilnością momentu dokręcającego. LITERATURA. Lenczewski J., Łunarski J., Urbaś Z.: Automatyzacja montażu aplikatorów z nasadką. Technologia i Automatyzacja Montażu nr 3/ 3.. Zgłoszenie wzoru użytkowego Wp. 78 Automat do montażu aplikatorów. Mgr inż. Jerzy Lenczewski i prof. Jerzy Łunarski są pracownikami Instytutu Mechanizacji Budownictwa i Górnictwa Skalnego w Warszawie. Prof. Jerzy Łunarski jest również pracownikiem Politechniki Rzeszowskiej. 37