Ugrás a tartalomhoz

A polimertechnika alapjai

Czvikovszky Tibor, Nagy Péter, Gaál János (2007)

Kempelen Farkas Hallgatói Információs Központ

12. fejezet - POLIMER ILLESZTÉS-, HEGESZTÉS- ÉS RAGASZTÁSTECHNIKÁK

12. fejezet - POLIMER ILLESZTÉS-, HEGESZTÉS- ÉS RAGASZTÁSTECHNIKÁK

Hasonlóan a fémalkatrészek szerelési technológiájának szerepéhez, a műanyag alkatrészek illesztésének, kötésének szilárdsága megbízhatósága, a szerelés technológiája és gazdaságossága nagymértékben meghatározza az adott termék funkcionális és piaci értékét. A polimerből készült alkatrészek vitathatatlan előnyét sokszor éppen a termelékeny és mégis kifogástalan szereléstechnika biztosítja.

Napjainkban nagyszámú polimer típus áll a gyártók rendelkezésére, így könnyen belátható, hogy a termékekben gyakran kell összeilleszteni azonos, vagy különböző anyagú polimer alkatrészeket. Egy sor termékben a hőre lágyuló polimer részeken kívül még fémeket, fát, hőre nem lágyuló polimerből készített részeket és egyéb anyagokat is találunk. Bizonyos területeken a kötéseknek igen szigorú minőségi követelményeket kell kielégíteniük – gondoljunk csak a gépkocsik fékbetétjére, ahol a betét és a fém alkatrész közötti kötés jóságán emberek élete múlhat.

A kötéseket funkciójuk alapján a polimerek esetén is két nagy csoportba sorolhatjuk: az oldható és a nem oldható kötésekre. Az első csoportba tartoznak a különböző csavarkötések, és a polimereknél egyre gyakrabban alkalmazott bepattanó kötések (ezeket mechanikai kötőelemeknek is nevezhetjük), míg a nem oldható kötések csoportjába a hegesztés és a ragasztás tartozik. (Természetesen mechanikai kötőelemekkel nem oldható kötés is készíthető – pl. szegecselés.)

12.1 Polimerkötések mechanikai kötőelemekkel

12.1.1 Menetmetsző csavaros kötések

A hagyományos átmenő csavarkötéseknek (fém csavar és fémből készült csavaranya) a polimerek esetében csekély jelentőségük van. Az ilyen hagyományos kötések fő előnyét, a nagy és egyenletes feszültséget a polimerek kúszási és relaxációs tulajdonságai miatt nem lehetne kihasználni, ugyanakkor a kötés kialakítása meglehetősen munkaigényes.

Kis terhelésnek kitett polimer alkatrészeket gyakran erősítenek össze menetmetsző (fém) csavarokkal, és ez az eljárás napjainkban egyre jobban terjed a nagyobb terhelésnek kitett alkatrészek esetén is. A kötés szilárdságának biztosításában nagy szerepe van a csavar geometriáján és a polimer anyag mechanikai tulajdonságain túlmenően a csavart befogadó „szem”, vagy tubus kialakításának is. Néhány hőre lágyuló polimereknél (ABS, kPVC, POM...) használatos tubus-formát láthatunk a 12.1 ábrán.

A 12.1. ábrán bemutatott tubusok feszültségeloszlását feszültségoptikai módszerrel vizsgálták, 12.2. ábra. A feszültségoptikai felvételeken az egyenletesen váltakozó sötét/világos sávok egyenletes deformációt, illetve igénybevételt jelentenek, míg egy erősebb deformáció a sávok szabálytalan lefutását eredményezi. Az egyes tubus-formák feszültségeloszlása a 12.2. ábra alapján a következő:

Tubus-formák hőre lágyuló polimerekhez

12.1 ábra:Tubus-formák hőre lágyuló polimerekhez [12.3] Balról jobbra: hengeres (enyhén kúpos), hosszú, bordázott, hengeres/kúpos és parabola-alakú

Az 12.1. ábrán látható tubus-formák feszültségeloszlása feszültségoptikai módszerrel mérve

12.2 ábra:Az 12.1. ábrán látható tubus-formák feszültségeloszlása feszültségoptikai módszerrel mérve [12.3] Balról jobbra: hengeres (enyhén kúpos), hosszú, bordázott, hengeres/kúpos és parabola-alakú

Tubus méreteinek jelölése

12.3 ábra:Tubus méreteinek jelölése [12.1]

  • Hengeres forma: A felső részén feszültségmentesítő furattal (12.3. ábra, ds) ellátott tubusnak csak a felső harmadában található kifejezett kihasasodásra utaló interferencia jel. A kismértékben torzult sávok kis igénybevételre utalnak.

  • Hosszú tubus: Feszültségmentesítő furat nélküli tubusnál a kihasasodás a tubus felső részén figyelhető meg. A tubus alsó része torzióra van igénybevéve. A tubus felső részének igénybevétele feszültségmentesítő furattal, a torziós igénybevétel bordák kialakításával csökkenthető.

  • Bordázott kialakítás: Feszültségmentesítő furat nélküli tubusnál a kihasasodás a tubus felső részén figyelhető meg. A tubus alsó része torzióra van igénybevéve. A tubus felső részének igénybevétele feszültségmentesítő furattal, a torziós igénybevétel bordák kialakításával csökkenthető.

  • Hengeres/kúpos forma: Jól láthatóan két jelentős igénybevételi zóna alakul ki. A felső, vékonyabb hengeres tubusrészben erőteljesebb az igénybevétel és a kihasasodás, mint a nagyobb falvastagságú alsó behúzó részben.

  • Parabola alak: A parabola alakú kialakítás jelentősen csökkenti az alsó behúzó zóna terhelését, ugyanakkor a kis falvastagságú felső zóna túlterheltté válik. A felső részben az interferenciavonalak sűrű lefutásából arra lehet következtetni, hogy a tehermentesítő furat ellenére a csavarfej alatt jelentős deformációnak van kitéve a tubus.

A következő három ábrán (12.4, 12.5 és 12.6 ábrák) néhány, hőre lágyuló polimerekhez, illetve duromerekhez kifejlesztett csavarkialakítást mutatunk be. Az optimális csavarkialakításnak a következő feltételeket kell teljesítenie:

  • a tubus kismértékű radiális deformációja,

  • kis behajtási nyomaték, nagy túlhúzási nyomaték,

  • nagy menetszárnyfedés,

  • kis toleranciatartomány.

A polimer alkatrészek összeerősítésére gyakran használt lemezcsavarok (12.4 ábra) nem elégítik ki maradéktalanul ezeket a feltételeket. A fához, illetve polimerhez kifejlesztett csavar-típusok (12.5 ábra) használata kedvezőbb. A vágóéllel ellátott lemezcsavar (12.4 ábra, középen) megkönnyíti a csavar behajtását, de nem biztosítja a szabványok által előírt legalább 10-szeri újra-behajtás követelményét, ezért inkább a repedésérzékeny termoplasztokhoz, vagy duromerekhez ajánlott.

Kis csavarszárny-szögek csökkentik a szükséges becsavarási nyomatékot és a radiális terhelést is, így a tubus átmérője és falvastagsága alacsony értéken tartható.

A csavar kenése csökkenti a becsavaráshoz szükséges nyomatékot, ugyanakkor csökkenti az önzárási képességet is. (Önzárásról beszélünk, amikor a csavarra ható tengelyirányú erő nem hoz létre forgatónyomatékot. Ez az eset áll fenn, ha a csavarszárny menetemelkedési szöge kisebb a súrlódási szögnél.) A 12.4 ábra jobb szélén látható, nem kör keresztmetszetű csavargeometria alkalmazásával az önzáró¬képesség javítható.

Lemezcsavarok

12.4 ábra:Lemezcsavarok [12.1] Balról jobbra: egyszerű lemezcsavar, vágóéllel ellátott lemezcsavar, nem kör keresztmetszetű lemezcsavar

Lemezcsavarok

12.5 ábra:Hőre lágyuló polimereknél használatos menetkialakítások [12.1] a) 30 °-os menetszárnyú csavar, b) kétbekezdésű csavar, c) feszítőlemez csavar, d) csavar polimerekhez

A tubus és a polimer alkatrész találkozásánál szükségszerűen megnő a falvastagság, amely a fröccsöntés során vetemedéshez, beszívódásokhoz, üregek (lunkerek) kialakulásához vezethet. Ezért a tubus üregét úgy alakítják ki, hogy az az alkatrész falvastagságának kb. 1/3-áig behatoljon az alapba (l–le a 12.3 ábrán). Másik megoldás szerint a tubus talpánál alakítanak ki gyűrű-szerű kikönnyítést, 12.7 ábra. Ez utóbbi megoldás jelentősen növelheti a szerszámköltséget.

Duromereknél használatos aszimmetrikus menetprofilú csavar

12.6 ábra:Duromereknél használatos aszimmetrikus menetprofilú csavar [12.1]

Tubus megnövelt üreg-hosszúsággal, és a tubus talpa körüli gyűrű-szerű kikönnyítéssel

12.7 ábra:Tubus megnövelt üreg-hosszúsággal, és a tubus talpa körüli gyűrű-szerű kikönnyítéssel [12.1]

A menetmetsző csavaros kötések méretezésének megkönnyítésére egyes polimergyártók PC-n futtatható programokat bocsátanak a felhasználók rendelkezésére (ilyen pl. a BASF gyár SCREWS programja). Ezek a programok a számítási képleteken túl a gyár polimer alapanyagainak a tervezéshez szükséges adatait is tartalmazzák. A csavar geometriai adatai és az alkalmazási hőmérséklet ismeretében a program meghatározza az optimális tubus-paramétereket (belső átmérő, falvastagság, stb.)

12.1.2 Bepattanó kötések

A bepattanó kötéseket olcsóságuk miatt szívesen alkalmazzák a hőre lágyuló polimerekből készült alkatrészek összeerősítésére. Néhány tipikus bepattanó kötést a 12.8. ábrán mutatunk be.

A fröccsszerszám előállítási ideje és költségei szempontjából előnyösebbek a kör keresztmetszetű elemek, amelyeket fúrással és köszörüléssel lehet megmunkálni. A négyszög keresztmetszetű horgokat csak a lényegesen lassabb szikraforgácsolással, illetve marással lehet előállítani. A kör és a négyszög keresztmetszet előállításának időaránya kb. 1:4.

A bepattanó kötések méretezésénél nagy gondot kell fordítani a feszültséggyűjtő helyek elkerülésére. A legnagyobb igénybevétel általában a bepattanó kötés horga, illetve egyéb formájú eleme, és az alkatrész találkozásánál lép fel. Itt a nagyobb szerszámköltségek ellenére is mindig megfelelő lekerekítési sugarat kell alkalmazni.

Bepattanó kötések alaptípusai

12.8 ábra:Bepattanó kötések alaptípusai [12.3] a) bepattanó horog (hajlításra igénybevett tartó), b) torziós bepattanó kötés, c) hengeres bepattanó kötés, d) gömb-kialakítású bepattanó kötés

A bepattanó kötések méretezésének megkönnyítésére egyes polimergyártók PC-n futtatható programokat bocsátanak a felhasználók rendelkezésére (ilyen pl. a BASF gyár SNAPS programja). Ezek a programok a számítási képleteteken túl a gyár polimer alapanyagainak a tervezéshez szükséges adatait is tartalmazzák.