ANALIZA NUMERYCZNA TŁOKA SILNIKA WANKLA

Transkrypt

1 POSTÊPY NAUKI I TECHNIKI NR 9, 0 Advaces i Sciece ad Techology 9/0

2 POSTÊPY NAUKI I TECHNIKI NR 9, 0 Zespó³ Redakcyjy / Editorial Committee: Gabriel Borowski redaktor aczely / Editor-i-Chief Moika Wroa sekretarz redakcji / Secretary Reata Lis redaktor / Editor Sylwester Korga redaktor / Editor Czasopismo recezowae / Reviewed Joural Rada Programowa / Programig Board: l l l l l l l l l l l Prof. dr hab. i. Klaudiusz Leik przewodicz¹cy / Chairma Politechika Lubelska Prof. dr hab. i. Fraciszek Kluza Uiwersytet Przyrodiczy w Lubliie Prof. dr hab. i. Miros³aw W. Kidraczuk Natioal Aviatio Uiversity, Kiev Prof. dr hab. i. Mykhaylo Pashechko Politechika Lubelska Prof. dr hab. i. Tadeusz Pe³czyñski Politechika Lubelska Prof. dr hab. i. Ja Seatorski Istytut Mechaiki Precyzyjej w Warszawie Dr hab. i. Marek Jakubowski, prof. PL Politechika Lubelska Dr hab. i. Fraciszek Lis, prof. PL Politechika Lubelska Dr hab. i. Wojciech Ozgowicz, prof. PŒl Politechika Œl¹ska w Gliwicach Dr hab. i. Dorota Wójcicka-Migasiuk, prof. PL Politechika Lubelska Dr i. Pawe³ Chojacki Prezes Zarz¹du Oddzia³u SIMP w Lubliie Adres Redakcji / Editorial Office: Politechika Lubelska Katedra Podstaw Techiki 0-68 Lubli, ul. Nadbystrzycka 38 tel. (8) , fax (8) pt@pollub.pl, Copyright by Katedra Podstaw Techiki Politechiki Lubelskiej. ISSN Wydawca / Publisher: Oddzia³ SIMP w Lubliie ul. Chmiela a Lubli Politechika Lubelska Katedra Podstaw Techiki 0-68 Lubli, ul. Nadbystrzycka 38

3 POSTÊPY NAUKI I TECHNIKI NR 9, 0 SPIS TREŒCI Piotr Peka³a ANALIZA NUMERYCZNA T OKA SILNIKA WANKLA... 5 Atoi Œwiæ KWALIKACJA CZÊŒCI DO OBRÓBKI W OPARCIU O ICH Z O ONOŒÆ TECHNOLOGICZN... 3 Jacek Domiñczuk W AŒCIWOŒCI ADHEZYJNE WARSTWY WIERZCHNIEJ MATERIA ÓW KONSTRUKCYJNYCH... 8 Jerzy Stamirowski ELASTYCZNOŒÆ SYSTEMÓW PRODUKCYJNYCH W KONTEKŒCIE DYNAMIKI PRODUKCJI Grzegorz Bocewicz, Krzysztof Bzdyra, Zbigiew Baaszak INTEGRACJA PROBLEMÓW DOBORU, ALOKACJI I PLANOWANIA DZIA AÑ ZESPO U MOBILNYCH ROBOTÓW INSPEKCYJNYCH: MODEL DEKLARATYWNY... 5 Miro Czeriec, Viktor Bereza, Jurij Czeriec OSZACOWANIE WP YWU MODU U NA TRWA OŒÆ STO KOWEJ PRZEK ADNI EWOLWENTOWEJ O ZÊBACH SKOŒNYCH Aleksadr Draczew, Atoi Œwiæ, Wiktor Taraeko STEROWANIE DOK ADNOŒCI OBRÓBKI ELEKTROCHEMICZNEJ WA ÓW D UGOWYMIAROWYCH Mariusz Walczak CHARAKTERYSTYKA POW OK CERAMICZNYCH SIO I SIO -TIO OTRZYMYWANYCH METOD ZOL- EL ukasz Wojciechowski, Tadeusz Cisowski SYNTEZA MODELI I ALGORYTMÓW IDENTYFIKACJI SYTUACJI W ZARZ DZANIU POTOKAMI TRANSPORTOWYMI... 9 Piotr Jaremek ANALIZA WP YWU PARAMETRÓW WIERCENIA NA EFEKTYWNOŒÆ PRACY ŒWIDRA GRYZOWEGO Z UWZGLÊDNIENIEM ZU YCIA JEGO UZBROJENIA Maria Marek Jaczarek EKSPLOATACJA TECHNICZNYCH OBIEKTÓW BUDOWLANYCH W ASPEKCIE PRZEJŒCIA CIEP A PRZEZ PRZEGRODY... Waldemar Samociuk, Dariusz Wo³os DOBÓR CZASU PRÓBKOWANIA DLA SZEREGU CZASOWEGO TEMPERATURY REJESTROWANEJ PODCZAS MAGAZYNOWANIA ZIARNA YTA

4 POSTÊPY NAUKI I TECHNIKI NR 9, 0 Rados³aw Rutkowski BAZY POMIAROWE W PROCESIE KONTROLI JAKOŒCI WYMIAROWEJ WIELKOGABARYTOWYCH KONSTRUKCJI STALOWYCH Korad Gauda WP YW ODDZIA YWAÑ SMARU MASZYNOWEGO NA W AŒCIWOŒCI MECHANICZNE POW OK AKRYLOWYCH O ZRÓ NICOWANEJ ZAWARTOŒCI LOTNYCH ZWI ZKÓW ORGANICZNYCH Daiel Pieiak, Pawe³ Ogrodik, Pawe³ Kordos DEGRADACJA KOMPOZYTU KONSTRUKCYJNEGO LVL W WARUNKACH JEDNOCZESNEGO ODDZIA YWANIA OBCI EÑ STATYCZNYCH I WYSOKICH TEMPERATUR Remigiusz Iwañkowicz OPTYMALIZACJA FLOTY ZBIORNIKOWCÓW DO PRZEWOZU GAZU SKROPLONEGO ORAZ HARMONOGRAMU JEJ KURSOWANIA

5 POSTĘPY NAUKI I TECHNIKI NR 9, 0 Piotr Pekała ANALIZA NUMERYCZNA TŁOKA SILNIKA WANKLA Streszczeie. Wdrożeie systemów komputerowych w zakresie kostruowaia maszy pozwala a przyspieszeie prac związaych z przygotowaiem produkcji owego wyrobu. Nowoczese systemy CAD pozwalają ie tylko a przygotowaie dokumetacji kostrukcyjej w tradycyjej formie, ale także a aalizę wytrzymałościową. Aalizy takiej dokouje się a podstawie komputerowego modelu przestrzeego określoej części, wprowadzeie odpowiedich waruków brzegowych i zadaie obciążeń. Wyiki otrzymywae są w postaci barwych map rozkładów istotych parametrów wytrzymałościowych, w tym aprężeń i odkształceń. Na podstawie otrzymaych wyików moża bezpośredio uzyskać iformacje a temat zachowaia części w rzeczywistych warukach eksploatacyjych. Słowa kluczowe: model umeryczy, silik Wakla, aprężeia, odkształceia. WSTĘP W celu zwiększeia efektywości silika podejmowao wiele prób ograiczeia liczby elemetów poruszających się ruchem posuwisto-zwrotym. Najszerzej zaym efektem tych prac jest silik Wakla. Zasada jego pracy jest podoba do silika czterosuwowego, jedak zamiast tłoka rozprężające się gazy obracają trójściey wirik, poruszający się wciąż w tym samym kieruku. [4] Felix Wakel opatetował swój wyalazek w 960 roku. Pierwszym samochodem, w którym seryjie stosowao silik Wakla był NSU Wakelspider - a drogi wyjechał w 964 roku, po trzech latach zakończoo jego produkcję ze względu a pękięcia w obudowie i kłopoty ze świecami. W 967 roku do sprzedaży wprowadzoo futurystycze NSU Ro 80, które uzyskało tytuł auta roku. Właśie te samochód spopularyzował silik Felixa Wakla. Wakel sprzedał swoje licecje 7 firmom, między iymi Mercedesowi, Rolls- Royce'owi i Maździe. Prawie wszyscy z iego zrezygowali, jedak do dziś Mazda stosuje tę kostrukcję dobrze, bezusterkowo i ekologiczie. Po raz pierwszy japońska firma zastosowała ją w modelu Cosmo Sport, w roku 967. Do dziś silik Wakla jest stosoway seryjie w topowych sportowych modelach Mazdy - w latach 80. i 90. R - 7, a od iedawa R-8. [4, ] Istytut Techologiczych Systemów Iformacyjych, Wydział Mechaiczy, Politechika Lubelska. 5

6 POSTĘPY NAUKI I TECHNIKI NR 9, 0 BUDOWA SILNIKA Z WIRUJĄCYM TŁOKIEM Główymi elemetami silika Wakla są: tłok w kształcie zbliżoym do trójkąta, eliptyczy cylider. Tłok oraz cylider tworzą mimośrodową przekładię zębatą o zazębieiu wewętrzym, dzięki której ruch tłoka zostaje przeiesioy a wał apędowy. W tłoku zajduje się większe koło zębate, atomiast a wale apędowym miejsze koło zębate. Wirujący elemet silika Wakla ma kształt trójkąta o krzywoliiowych bokach. Przejmuje o acisk gazów i dlatego, przez aalogię z siliami suwowymi, azyway jest tłokiem. Tłok tego silika porusza się w zamkiętej obudowie staowiącej kadłub silika azywaej (rówież przez aalogię) cylidrem. Cylider ma kształt iskiego walca o podstawie iekołowej prostopadłej do osi. Zarys podstawy cylidra staowi krzywa zwaa epitrochoidą. Rys.. Silik Wakla [5] Tłok jest osadzoy a mimośrodzie wału silika. Dzięki temu podczas pracy silika środek tłoka porusza się po kole o promieiu rówym promieiowi mimośrodu. Jedocześie tłok silika obraca się dookoła swej osi w tym samym kieruku, co wał, lecz z prędkością kątową trzykrotie miejszą. Przełożeie takie zapewia przekładia zębata, której jede elemet staowi wewętrzy wieiec zębaty tłoka, a drugi zewętrzy wieiec zębaty mimośrodowego wału silika. Za pomocą tej przekładi tłok apędza wał silika. Mimośrodowy ruch tłoka oraz odpowiedi kształt powierzchi boczej cylidra silika sprawiają, że krawędzie tłoka dzielą przestrzeń między tłokiem a ściakami cylidra a trzy części (komory robocze), których położeie, kształt i objętość są zmiee w czasie pracy silika. Podczas jedego pełego obrotu 6

7 POSTĘPY NAUKI I TECHNIKI NR 9, 0 tłoka objętość każdej komory roboczej osiąga dwa razy wartość ajwiększą i dwa razy ajmiejszą. Podobym zmiaom w tradycyjym siliku tłokowym ulega objętość przestrzei roboczej cylidra. Dzięki temu w każdej komorze roboczej podczas jedego obrotu tłoka jest realizoway peły czterotaktowy cykl pracy []. ANALIZA NAPRĘŻEŃ I ODKSZTAŁCEŃ TŁOKA Obliczeia wytrzymałościowe mają a celu zapewieie bezpieczej i iezawodej pracy projektowaych urządzeń techiczych, zwiększeie ich osiągów oraz zmiejszeie zużycia materiałów stosowaych do kostruowaia. Idetyfikacja staów krytyczych jest ajbardziej odpowiedzialym zadaiem iżyierskim. Może się odbywać a podstawie daych uzyskaych z eksploatacji, a staowisku badawczym prototypu lub a podstawie aalizy podobych kostrukcji. Jedą z ajczęściej stosowaych metod obliczeń wytrzymałościowych jest metoda elemetów skończoych MES (ag. FEM Fiite Elemet Method). W jej wyiku po przeprowadzeiu obliczeń a modelu otrzymuje się mapę rozkładu poszukiwaej wartości p. aprężeń czy przemieszczeń. Istotę MES staowi dyskretyzacja obiektu ciągłego. Polega oa a podziale rozważaego obszaru a podobszary, czyli elemety skończoe. Efektem dyskretyzacji jest trasformacja cotiuum o ieskończoej liczbie stopi swobody do postaci układu o skończoej liczbie stopi swobody. Każdy elemet skończoy ma wstępie ustaloe dopuszczale odstępstwa od prawidłowego kształtu. Po utworzeiu siatki elemety są zazwyczaj iezaczie odkształcoe wyciągięte lub skręcoe o pewie kąt. Wyiki obliczeń są zależe od kształtu jak i liczby elemetów w modelu. Najważiejszą cechą MES jest możliwość zastąpieia zapisywaego za pomocą rówań różiczkowych problemu aalityczego, problemem algebraiczym. [3] Podstawową zaletą MES jest możliwość uzyskaia wyików dla obiektów o skomplikowaych kształtach, dla których iemożliwe jest przeprowadzeie obliczeń aalityczych. Zagadieie może być symulowae w pamięci komputera bez koieczości budowy prototypu, co skraca, zmiejsza koszty i ułatwia proces projektowaia. MES umożliwia osiągięcie dość dokładych wyików, których uzyskaie w sposób aalityczy byłoby bardzo trude bądź iemożliwe. Przeprowadzeie aalizy umożliwia zweryfikowaie poprawości fukcjoalej wyrobu jeszcze a etapie projektu. [3] 7

8 POSTĘPY NAUKI I TECHNIKI NR 9, 0 Procedura przeprowadzaia obliczeń przebiega zazwyczaj w podoby sposób:. Utworzeie modelu geometryczego i usuięcie z iego elemetów ieistotych (promiei, faz).. Dyskretyzacja modelu przez podział a elemety realizowaa przez program automatyczie. 3. Przyjęcie wartości właściwości materiałowych p. moduł Youga, wytrzymałość a ściskaie (w programach posiadających biblioteki materiałów dae te są podawae przez program po wyborze materiału z biblioteki i ie ma koieczości ich wprowadzaia). 4. Przyłożeie obciążeń (w postaci sił skupioych, mometów skręcających, obciążeń ciągłych, oraz określeie waruków brzegowych poprzez odebraie stopi swobody puktom, krawędziom lub powierzchiom). 5. Wybraie rodzaju aalizy. 6. Rozwiązaie modelu. 7. Opracowaie uzyskaych map aprężeń, przemieszczeń itp.[3] Program Solid Edge ST posiada wbudowae arzędzia umożliwiające przeprowadzaie aaliz iżyierskich metodą elemetów skończoych (MES) we wczesym etapie procesu kostrukcyjego. Możliwość przeprowadzeia szybkiej i dokładej aalizy wytrzymałościowej i modalej metodą elemetów skończoych daje moduł Femap Express. [6] Aplikacja pozwala a utworzeie waruków określających realistycze środowisko. Umożliwia tworzeie oraz edytowaie siatek elemetów skończoych. Wyiki przedstawioe są graficzie, co umożliwia wikliwą iterpretację i zrozumieie zachowaia się modelu. Wyiki aalizy mogą być prezetowae w kilku formach, uwzględiających wyświetlaie kolorów i koturów. Przemieszczeia i kształt postaci dla aalizy modalej może być aimoway. Dzięki dostępym arzędziom programu projektat może szybko idetyfikować problematycze obszary, wyświetlać miimale i maksymale aprężeia i geerować raport końcowych wyików. Aalizę tłoka rozpoczęto od wyboru modułu Femap Express, który umożliwia wykoaie aalizy pojedyczych części. Koleje kroki w procesie przygotowywaia aalizy to: wskazaie aalizowaego obiektu, wybór materiału spośród dostępych w bibliotece materiałów, zdefiiowaie obciążeń (wybór siły bądź ciśieia i określeie ich wartości) oraz określeie utwierdzeń. Waruki aalizy kieruki acisków określoe będą tak, jak przedstawiają się w fazie zapłou mieszaki paliwowo - powietrzej. Jako obiekt do aalizy aprężeń wskazao tłok, astępie określoo materiał części stal (rys. ). 8

9 POSTĘPY NAUKI I TECHNIKI NR 9, 0 Rys.. Wybór materiału Program posiada bibliotekę materiałów, w której zawarte są dae o ich właściwościach, rówież wytrzymałościowych, a podstawie tych daych program oblicza wielkość aprężeń i odkształceń w wykoaym z wybraego materiału modelu. W kolejym kroku określoo obciążeia i utwierdzeie, co przedstawioe jest a rys. 3 i rys. 4. Rys. 3. Defiiowaie pierwszego obciążeia 9

10 POSTĘPY NAUKI I TECHNIKI NR 9, 0 Rys. 4. Określeie utwierdzeia Na podstawie wprowadzoych obciążeń program aalizuje obiekt tworzy siatkę, rozwiązuje model, przetwarza wyiki i przesyła je do programu. Wykorzystaie MES do wyjaśieia mechaizmu zużywaia w badaym elemecie pozwala a określeie wartości i rozkładów aprężeń oraz odkształceń. Wyzaczeie tych wartości jest ważym etapem projektowaia, gdyż ich maksymale wielkości często decydują o bezpieczeństwie lub dalszej użyteczości badaego obiektu. Tłoki pracują pod obciążeiem pochodzącym od ciśieia. Wzrost ciśieia podczas sprężaia mieszaki oraz wzrost temperatury będący skutkiem spalaia powodują odkształceia tłoka. Zastosowaie Metody Elemetów Skończoych pozwoliło a wyzaczeie rozkładu aprężeń i odkształceń występujących w badaym modelu a etapie spalaia mieszaki paliwowo-powietrzej. Wyiki obliczeń przedstawioe są a rysukach (rys. 5 i rys. 6). W graficzej ilustracji aalizy ajmiejsze aprężeia i odkształceia zazaczoe są kolorem fioletowym, ajwiększe zaś czerwoym. 0

11 POSTĘPY NAUKI I TECHNIKI NR 9, 0 Rys. 5. Aaliza aprężeń Z przeprowadzoej aalizy wyika, iż ajbardziej obciążoe i tym samym arażoe a zużycie są aroża tłoka. Ich wytrzymałość zwiększa się poprzez stosowaie w arożach uszczelień, wykoywaych z twardych, trudościeralych materiałów, które zapewić mają dłuższą i bezawaryją eksploatację tłoka. Rys. 6. Aaliza odkształceń

12 POSTĘPY NAUKI I TECHNIKI NR 9, 0 PODSUMOWANIE Zastosowaie aalizy MES pozwoliło a wyjaśieie mechaizmu zużywaia, prowadzącego do pojawieia się a powierzchi tłoka uszkodzeń. Otrzymae wyiki są zgode z doświadczalie uzyskaymi i opisaymi w literaturze wyikami. Na ajbardziej obciążoych, według wykoaej aalizy, elemetach tłoka pojawiały się w badaiach empiryczych ajwiększe ozaki zużycia. Zgodość wyików jest dowodem a użyteczość aaliz przeprowadzaych w programach komputerowych i potwierdza, iż ich stosowaie pozwala a miimalizację kosztów badań i skróceie czasu ich trwaia. BIBLIOGRAFIA. Kijewski J., Miller A., Pawlicki K., Szolc T.: Maszyozawstwo, WSiP, Warszawa Podbielski Z.: Pojazdy japońskie, Wydawictwa Komuikacji i Łączości, Warszawa Sydor M.: Wprowadzeie do CAD. Podstawy komputerowo wspomagaego projektowaia, Wydawictwo Naukowe PWN, Warszawa maj maj maj 00. NUMERICAL ANALYSIS OF WANKEL ENGINE PISTON Abstract Implemetatio of computer systems i the field of machie desig allows you to speed up work i preparatio for the productio of a ew product. Moder CAD systems allow ot oly the preparatio of costructio documets i traditioal form, but also the stregth aalysis. This aalysis is made o the basis of computer models spatial specific part, the itroductio of appropriate boudary coditios ad the task load. The results obtaied are i the form of colorful maps of distributios of the relevat stregth parameters, icludig the stresses ad strais. O the basis of the results ca directly obtai iformatio about the behavior of the actual operatig coditios. Keywords: umerical model, Wakel egie, stress, strai.

13 POSTĘPY NAUKI I TECHNIKI NR 9, 0 Atoi Świć KWALIKACJA CZĘŚCI DO OBRÓBKI W OPARCIU O ICH ZŁOŻONOŚĆ TECHNOLOGICZNĄ Streszczeie. Opracowao ową metodę określaia złożoości części stosowaą do ich kwalifikacji do obróbki w elastyczym systemie obróbkowych (ESP) bez koieczości opracowywaia procesów techologiczych. Na podstawie złożoości części i złożoości graiczej systemu moża określić w jakim systemie elastyczym czy kowecjoalym części powiy być wytwarzae. Opracowaą metodę zweryfikowao a przykładzie kół zębatych wytwarzaych w Kombiacie Przmysłowym Huta Stalowa Wola. Słowa kluczowe: złożoość części, złożoość graicza systemu produkcyjego, kwalifikacja części, opłacalość wytwarzaia WSTĘP Opracowao ową metodę określaia złożoości części stosowaą do ich kwalifikacji do obróbki w elastyczym systemie obróbkowym (ESP) bez koieczości opracowywaia procesów techologiczych. Zae są metody określaia złożoości części, stosowae przy określaiu opłacalości ich obróbki a obrabiarkach sterowaych umeryczie, atomiast brak takich opracowań w odiesieiu do ESP. Przeprowadzoa aaliza wykazała, że metody te ie są w pełi miarodaje i mogą prowadzić do podejmowaia błędych decyzji, poieważ każda z metod uwzględia tylko określoe cechy części obrabiaej - brak jest metody kompleksowej; atomiast w przypadku metod uwzględiających ilość przejść arzędzia skrawającego wymagaa jest zajomość techologii obróbki części. Opracowaa metoda określaia techologiczej złożoości części, w celu ich kwalifikacji do obróbki w ESP, ie posiada wad metod dotychczas stosowaych w odiesieiu do obrabiarek NC. OKREŚLENIE ZŁOŻONOŚCI TECHNOLOGICZNEJ CZĘŚCI Złożoość techologicza części to stopień skomplikowaia przy uzyskaiu wymagaego kształtu, wymiarów, chropowatości oraz wzajemego położeiu powierzchi części zgodie z przyjętymi warukami techiczymi jej obróbki a posiadaych (bazowych) urządzeiach techologiczych. Istytut Techologiczych Systemów Iformacyjych, Politechika Lubelska. 3

14 POSTĘPY NAUKI I TECHNIKI NR 9, 0 Jako parametr określający złożoość techologiczą części przyjęto jedostkowy czas ich wykoaia. Uwzględioo w te sposób: kształt powierzchi obrabiaych, wymiary, ilość, chropowatość i dokładość ich wzajemego położeia oraz rodzaj materiału obrabiaego. Kształt części jest określoy przez odpowiedio ukształtowae i usytuowae względem siebie powierzche. Wytwarzaie części poprzez skrawaie to obróbka jej poszczególych powierzchi, w celu adaia im odpowiedich kształtów, wymiarów i wymagaej chropowatości [, 6, 7]. Czas wykoaia części jest sumą czasów wykoaia powierzchi składowych. Każda część, iezależie od klasy, do której ależy, wymiarów oraz kształtów składa się z powierzchi elemetarych. Powierzchie te mogą być idetycze u różych części ależących do iych klas. Mogą być oe jedak uzyskiwae za pomocą iej techologii. W takim przypadku, pomimo że ich kształty, wymiary oraz dokładość są idetycze, to czas wykoaia, będący miarą ich złożoości techologiczej, będzie róży. Opracowaa metoda określaia złożoości techologiczej części obrabiaych jest metodą uiwersalą. Tok postępowaia jest idetyczy iezależie od rodzaju części. Różorodość części wymaga jedak opracowaia baz daych z techologiczą złożoością elemetarych powierzchi części różych klas. Przeprowadzoo aalizę określaia złożoości techologiczej w przypadku 0 kół zębatych walcowych wytwarzaych w przedsiębiorstwie przemysłowym (Kombiat Przemysłowy Huta Stalowa Wola) [3, 4]. Z typowymi powierzchiami obróbkowymi ściśle są związae zestawy typowych zabiegów techologiczych, iezbędych do obróbki powierzchi o daym kształcie i wymagaej chropowatości. Obliczoy czas wykoaia powierzchi jest sumą czasów główych i pomociczych wszystkich operacji i zabiegów techologiczych koieczych do uzyskaia powierzchi z półfabrykatu (obróbka zgruba, kształtująca, wykańczająca). Obliczeia przeprowadzoo w przypadku różych wartości chropowatości powierzchi obrobioej (R a = 0 0,63 µm). Jako półfabrykat przyjęto odkuwkę matrycową []. Czas wykoaia elemetarych powierzchi części jest miarą ich złożoości techologiczej: Z i = t wi, () gdzie: Z i złożoość techologicza i-tej elemetarej powierzchi części, t wi czas wykoaia i-tej powierzchi części. Złożoość techologicza całej części jest sumą złożoości techologiczych elemetarych powierzchi: Z i i= Z =, () 4

15 POSTĘPY NAUKI I TECHNIKI NR 9, 0 gdzie: Z złożoość techologicza części, Z i złożoość techologicza i-tej elemetarej powierzchi części, i umer powierzchi, ilość powierzchi. Przy zastosowaiu programu, opracowaego w oparciu o algorytm przedstawioy a rys., i o dae o czasach wykoaia powierzchi elemetarych z bazy daych o czasach wykoaia powierzchi elemetarych, określao złożoość techologiczą elemetarych powierzchi części. START = Z = 0 = + Rodzaj powierzchi i dae ją charakteryzujące (tab. 3.) określeie t wi Baza daych o elemetarych powierzchiach części Z i = t wi Z = Z + Z i tak < N ie Z STOP Rys.. Schemat blokowy algorytmu określaia złożoości techologiczej części: - umer aalizowaej elemetarej powierzchie części, N - ilość elemetarych powierzchi części Fig.. The block patter of the algorithm of defiig the techological complexity of machie piece: - umber of aalysed elemetary surface of machie part, N - quatity of elemetary surfaces of part 5

16 POSTĘPY NAUKI I TECHNIKI NR 9, 0 Do programu wprowadzae są dae o rodzaju powierzchi, jej wymiarach oraz chropowatości. Na podstawie tych daych program, korzystając z bazy daych, określa złożoość techologiczą elemetarej powierzchi części oraz sumuje złożoości techologicze elemetarych powierzchi, określając w te sposób złożoość techologiczą całej części. OKREŚLENIE RACJONALNEGO ZAKRESU ZASTOSOWANIA SYSTEMU PRODUKCYJNEGO Decyzja o kwalifikacji części do obróbki w systemie produkcyjym ajczęściej jest podejmowaa w oparciu o czas wykoaia i koszt wykoaia. Czas wykoaia liczoy jest od rozpoczęcia prac ad techologiczym przygotowaiem produkcji aż do dostarczeia ostatiej części do motażu (zbytu), a koszt wykoaia jest sumą kosztów powstałych podczas przygotowaia produkcji oraz kosztów realizacji procesu obróbki części. Najczęściej stosowaym kryterium wyboru wariatu wykoaia części jest koszt jej obróbki, zwłaszcza w odiesieiu do jedej części (jedostkowy koszt wykoaia części) [, 3, 8]. Ograiczeie do jedego kryterium (kryterium kosztu) związae jest z tym, że w praktyce w większości zakładów przemysłowych wszystkie koszty określae są w fukcji czasu wykoaia części. W związku z tym, jako kryterium kwalifikacji części do obróbki w ESP przyjęto jedostkowy koszt wykoaia części (K). Proces obróbki powiie być realizoway systemie, w którym jedostkowy koszt wykoaia części będzie miejszy. Koszt wykoaia części jest fukcją zmieych wejściowych: K = K(S, Z, P, L, 0) (3) gdzie: K koszt wykoaia części, S system produkcyjy, Z złożoość techologicza obrabiaych części, P program produkcyjy, L liczebość partii produkcyjej, O waruki orgaizacyje, ekoomicze i techicze. W przypadku kokretego przedsiębiorstwa o zaych warukach orgaizacyjych (O) i rozpatrywaia wytwarzaia części w kokretym systemie (S) koszt wykoaia części (K) zależy od jej techologiczej złożoości (Z) oraz od wielkości programu produkcyjego (P) i liczebości partii produkcyjej (L), a więc zależość (3) sprowadza się do: K = K(Z, P, L) (4) Parametry (Z, P, L) (spełiające ww. zależość) określają zakres racjoalego wytwarzaia części w systemie produkcyjym (S), w warukach orgaizacyjych, ekoomiczych i techiczych (O) rozpatrywaego przedsiębiorstwa. 6

17 POSTĘPY NAUKI I TECHNIKI NR 9, 0 Celowość obróbki części w daym systemie może być określoa a podstawie złożoości techologiczej części obrabiaych (Z), przy uwzględieiu zależości pomiędzy kosztem wykoaia części, a ich złożoością techologiczą, programem produkcyjym i wielkością serii produkcyjej. Części, których złożoość techologicza jest większa od złożoości techologiczej graiczej określoej w przypadku aalizowaego elastyczego systemu produkcyjego kwalifikują się, ze względów ekoomiczych, do obróbki w ESP (rys. ). W przeciwym razie ależy je obrabiać w systemie opartym a obrabiarkach kowecjoalych. Techologicza złożoość graicza elastyczego systemu produkcyjego określaa jest techologiczą złożoością części obrabiaych, w przypadku których przy daej wielkości programu produkcyjego i wielkości partii produkcyjy koszt wykoaia części w ESP jest rówy kosztowi ich wykoaia w systemie bazowym. Aby określić techologiczą złożoość graiczą systemu produkcyjego ależy: wybrać kilka reprezetatywych rodzajów części spośród przewidywaych do obróbki w systemie (wyboru dokouje techolog - ekspert zakładowy), określić koszty jedostkowe w przypadku rozpatrywaych rodzajów złożoości techologiczej części przy rożych wielkościach program produkcyjego i wielkości partii dla przezbrajaego systemu obróbkowego oraz systemu bazowego, a podstawie uzyskaych daych określić zależość fukcjoalą opisującą techologiczą złożoość graiczą systemu. W oparciu o algorytm kwalifikacji części do obróbki w ESP (rys. ) opracowao program komputerowy do określaia techologiczej złożoości obrabiaych części; po jej porówaiu z techologiczą złożoością graiczą systemu produkcyjego podejmowaa jest decyzja o zakwalifikowaiu przedmiotu do obróbki w ESP. Określeie racjoalego zakresu zastosowaia ESP zacze ułatwia procesy decyzyje, związae z kwalifikacją części do wytwarzaia w ESP. Zajomość tego zakresu w przypadku kokretego systemu produkcyjego umożliwia podjęcie szybkiej, a przede wszystkim właściwej decyzji o kwalifikacji części do obróbki w ESP. 7

18 POSTĘPY NAUKI I TECHNIKI NR 9, 0 START Baza daych o częściach obrabiaych i ich elemetach Dae o systemach obróbkowych Określeie techologiczej złożoości graiczej dla systemów obróbkowych (Z gr ): a) wybór reprezetatywej grupy części, b) określeie kosztu jedostkowego przy różych wielkościach programu produkcyjego i wielkości partii dla przezbrajaego systemu obróbkowego i systemu bazowego Dae o czasach pomociczych przy wykoywaiu poszczególych elemetów części i = Określeie parametrów obróbki i czasu obróbki części (t g ) Określeie sumaryczego czasu pomociczego dla obrabiaych części (t p ) i = i + Określeie czasu wykoaia części t w = t g + t p Określeie złożoości techologiczej części Z = t w Z > Z gr TAK Części zakwalifikowae do obróbki w przezbrajalym systemie obróbkowym NIE Części zakwalifikowae do obróbki w przezbrajalym systemie bazowym i = i NIE TAK STOP i umer rodzaju części j ilość rodzajów części Rys.. Algorytm kwalifikacji części do obróbki w ESP Fig.. Algorithm of qualificatio the piece for machiig i RMS 8

19 POSTĘPY NAUKI I TECHNIKI NR 9, 0 KWALIFIKACJI CZĘŚCI DO OBRÓBKI W ELASTYCZNYM SYSTEMIE PRODUKCYJNYM Kwalifikacja części do obróbki w istiejącym systemie W przypadku, gdy przedsiębiorstwo dyspouje zarówo systemem (obrabiarkami) kowecjoalym, jak i elastyczym systemem produkcyjym, wybór systemu, w którym będą obrabiae części owo wdrażae do produkcji lub przeoszoe z jedego systemu do drugiego opiera się a aalizie trzech kryteriów: techologiczego, ekoomiczego i orgaizacyjego. Kryterium ekoomicze zastąpioo aalizą złożoości techologiczej klasyfikowaych części oraz jej umiejscowieiem w stosuku do techologiczej złożoości graiczej systemów produkcyjych. Metodykę określaia opłacalości obróbki części w istiejącym ESP przedstawia rys. 3. W pierwszej kolejości astępuje sprawdzeie kryterium techologiczego, mające a celu określeie możliwości techologiczych maszy i urządzeń wchodzących w skład systemu produkcyjego. Aalizując kryterium techologicze ależy sprawdzić, czy w ESP możliwe jest wykoaie części o określoej ilości powierzchi obrabiaych, o określoych kształtach i położeiu, wymiarach, żądaej dokładości i chropowatościach powierzchi obrobioych oraz ustaleie i pewe zamocowaie części. Jeżeli a obrabiarkach wchodzących w skład ESP moża obrobić daą część, to astępuje określeie jej techologiczej złożoości i porówaie jej z techologiczą złożoością graiczą systemu produkcyjego. W przypadku, gdy złożoość techologicza część ie jest miejsza od techologiczej złożoości graiczej astępuje sprawdzeie kryterium orgaizacyjego. Określa oo reale możliwości produkcyje systemu z uwzględieiem priorytetów obrabiaych części. Następuje tutaj podział części obrabiaych a grupy i wyodrębieie tych, które będą obrabiae w pierwszej kolejości (p. ze względu a termiy realizacji zamówień) oraz tych, które mogą być obrabiae późiej lub w ogóle ie mogą być obrabiae w systemie ze względu a zbyt małe możliwości produkcyje systemu. Część spełiająca wszystkie ww. kryteria kierowaa jest do obróbki w ESP. Jeżeli część ie spełia któregokolwiek kryterium, to powia być obrabiaa w systemie kowecjoalym. 9

20 POSTĘPY NAUKI I TECHNIKI NR 9, 0 START Dae o możliwościach obróbkowych ESP Dae o przedmiocie obrabiaym : rodzaje powierzchi, wymiary, chropowatości Dae o złożoościach techologiczych elemetarych powierzchi obrabiaych Sprawdzeie kryterium techologiczego Kryterium techologicze spełioe TAK Obliczeie złożoości techologiczej części Z NIE Dae o techologiczej złożoości graiczej ESP Porówaie techologiczej złożoości części Z z techologiczą złożoością graiczą Z gr NIE Z Z gr TAK Dae o możliwościach produkcyjych ESP Sprawdzeie kryterium orgaizacyjego Kryterium orgaizacyje spełioe NIE TAK Obróbka części w ESP Obróbka części w systemie kowecjoalym Rys. 3. Metodyka określaia opłacalości obróbki części w ESP Fig. 3. Methodology of defiig cost-effectiveess of machiig the part i RMS W pierwszej kolejości astępuje sprawdzeie kryterium techologiczego, mające a celu określeie możliwości techologiczych maszy i urządzeń wchodzących w skład systemu produkcyjego. Aalizując kryterium techologicze ależy sprawdzić, czy w ESP możliwe jest wykoaie części o określoej ilości powierzchi obrabiaych, o określoych kształtach i położeiu, wymiarach, żądaej dokładości i chropowatościach powierzchi obrobioych oraz ustaleie i pewe zamocowaie części. Jeżeli a obrabiarkach STOP 0

21 POSTĘPY NAUKI I TECHNIKI NR 9, 0 wchodzących w skład ESP moża obrobić daą część, to astępuje określeie jej techologiczej złożoości i porówaie jej z techologiczą złożoością graiczą systemu produkcyjego. W przypadku, gdy złożoość techologicza część ie jest miejsza od techologiczej złożoości graiczej astępuje sprawdzeie kryterium orgaizacyjego. Określa oo reale możliwości produkcyje systemu z uwzględieiem priorytetów obrabiaych części. Następuje tutaj podział części obrabiaych a grupy i wyodrębieie tych, które będą obrabiae w pierwszej kolejości (p. ze względu a termiy realizacji zamówień) oraz tych, które mogą być obrabiae późiej lub w ogóle ie mogą być obrabiae w systemie ze względu a zbyt małe możliwości produkcyje systemu. Część spełiająca wszystkie ww. kryteria kierowaa jest do obróbki w ESP. Jeżeli część ie spełia któregokolwiek kryterium, to powia być obrabiaa w systemie kowecjoalym. Kwalifikacja części do projektowaego systemu Klasyfikacja części do projektowaego ESP jest czyością zaczie bardziej odpowiedzialą, iż klasyfikacja do obróbki w systemie już istiejącym. Wiąże się oa z ogromymi kosztami i kosekwecjami. Wymaga, bowiem wykoaia całego szeregu prac związaych z projektowaiem systemu, jego zakupem i uruchomieiem. Podjęcie decyzji o budowie owego ESP musi być poprzedzoe bardzo staraą aalizą plaów rozwoju przedsiębiorstwa oraz aalizą ryku zbytu a produkowae wyroby (rys. 4). Następie ależy określić zbiór części plaowaych do obróbki i ich złożoość techologiczą. Na podstawie techologiczej złożoości części ależy dokoać wyboru reprezetatywej grupy części plaowaych do obróbki. Dla tej grupy części ależy możliwie jak ajdokładiej oszacować koszty ich wytworzeia w obu rozpatrywaych systemach produkcyjych. Umożliwia to określeie techologiczej złożoości graiczej rozpatrywaych systemów produkcyjych. Z kolei ależy określić położeie części (o określoej wcześiej techologiczej złożoości) a wykresie techologiczej złożoości graiczej oraz określić efekty wyikające z zastosowaia obróbki określoego zbioru części w ESP.

22 POSTĘPY NAUKI I TECHNIKI NR 9, 0 START Aaliza plaów dotyczących rozwoju przedsiębiorstwa Aaliza chłoości ryku a wyroby daej klasy Dae o częściach plaowaych do obróbki Określeie zbioru części plaowaych do obróbki Określeie złożoości techologiczej części Wygeerowaie waruków techologiczych, jakim powiie odpowiadać projektoway ESP Dae o techologiczych złożoościach elemetarych powierzchi obrabiaych Wybór reprezetatywej grupy części plaowaych do obróbki Oszacowaie kosztów wytwarzaia części w obu rozpatrywaych systemach Wygeerowaie typów urządzeń techologiczych ESP Baza daych o obrabiarkach i urządzeiach techologiczych Określeie złożoości techologiczej graiczej Aaliza położeia części plaowaych do obróbki w stosuku do techologiczej złożoości graiczej Określeie efektów wyikających z zastosowaia obróbki części w ESP STOP Rys. 4. Metodyka doboru części do projektowaego ESP Fig. 4. Methodology of selectig of the piece to desiged RMS Określeie techologiczej złożoości graiczej systemu produkcyjego Techologicza złożoość graicza systemu produkcyjego jest rówa złożoości techologiczej części obrabiaych w systemie, w przypadku których przy daej wielkości programu produkcyjego i wielkości partii produkcyjej ich wytwarzaie w systemie staje się opłacale. Ozacza to, że przy złożoości techologiczej części rówych techologiczej złożoości graiczej koszt wykoaia części w ESP (K ESP ) jest rówy kosztowi jego wykoaia a obrabiarkach kowecjoalych (K OK ) [3, 8]:

23 POSTĘPY NAUKI I TECHNIKI NR 9, 0 K ESP = K OK, (5) Wielkości partii produkcyjych określających techologiczą złożoość graiczą systemu określoo w wyiku rozwiązaia układu rówań (6): ESP ESP ESP ESP t pz K j = khw tw + L OK OK OK OK t pz K = j khw tw +, (6) L ESP OK K j = K j gdzie: K j jedostkowy koszt wykoaia części, k hw koszt l godziy techologiczej, t w czas wykoaia jedej części, t pz czas przygotowawczo zakończeiowy, L liczebość partii produkcyjej. Wielkości z ideksem ESP odoszą się do systemu elastyczego, a z ideksem OK do obrabiarek kowecjoalych. W wyiku rozwiązaia powyższego układu rówań otrzymao dla poszczególych części (o różych złożoościach techologiczych) wielkość partii produkcyjej, przy której koszty wykoaia części a obrabiarkach kowecjoalych są rówe kosztom ich wykoaia w systemie. Układ rówań umożliwia także określeie wielkości tych kosztów. Techologicza złożoość graicza określoa w przypadku systemu elastyczego jest fukcją liczebości partii produkcyjej. Ze wzrostem liczebości partii produkcyjej wartość techologiczej złożoości graiczej dla systemu maleje rys. 5. Aproksymacja wyików badań doświadczalych umożliwiła otrzymaie rówaia fukcji opisującej krzywą techologiczej złożoości graiczej dla każdego z rozpatrywaych rodzajów kół zębatych: Z -0,038 L gr =,935 e, (7) gdzie: L liczebość partii produkcyjej. Potwierdza to, że istieje zależość pomiędzy efektywością obróbki części w daym systemie produkcyjym, a techologiczą złożoością obrabiaych części oraz liczebością partii produkcyjych. 3

24 POSTĘPY NAUKI I TECHNIKI NR 9, 0 3 Złożoość techologicza Z [h] Elastyczy System Produkcyjy System kowecjoaly Liczebość partii produkcyjej L [szt.] Rys. 5. Graficza iterpretacja złożoości graiczej systemu Fig. 5. Graphic iterpretatio of boudary complexity of the maufacturig system Jak wyika z rys. 5 obróbka części w aalizowaym systemie elastyczym staje się opłacala już przy produkcji rzędu kilkuastu - kilkudziesięciu sztuk. Określeie techologiczej złożoości graiczej projektowaego systemu produkcyjego Techologicza złożoość graiczą projektowaego systemu produkcyjego określoo w wyiku rozwiązaia układu rówań: ESP ESP ESP ESP ESP ESP ESP ESP khpz t pz kht tt i K j = khw tw + + L P NC NC NC NC NC NC NC NC khpz t pz kht tt i K j = khw tw + + L P ESP NC K j = K j P = L A gdzie: K j jedostkowy koszt wykoaia części, k hw koszt l godziy obróbki części, t w czas wykoaia jedego części, k hpz godziowy koszt przezbrajaia, t pz czas przygotowawczo zakończeiowy, L liczebość partii produkcyjej, k ht godziowy koszt opracowaia techologii, t t czas opracowywaia techologii dla jedej operacji, i ilość operacji, P wielkość programu produkcyjego, A ilość partii produkcyjych. 4

25 POSTĘPY NAUKI I TECHNIKI NR 9, 0 Wielkości ze wskaźikiem ESP odoszą się do projektowaego ESP, a ze wskaźikiem NC do obrabiarek z obsługą operatorską. Rozwiązaie powyższego układu rówań umożliwia określeie wielkości programu produkcyjego i liczebości partii produkcyjych, przy których koszty obróbki części w obu aalizowaych systemach produkcyjych będą sobie rówe oraz wielkość tych kosztów. W przypadku obróbki części w systemie obrabiarek z obsługą operatorską, pracujących a jedą lub dwie zmiay, koszt obróbki części w tym systemie jest zaczie wyższy iż w systemie elastyczym. Wariat obróbki w systemie elastyczym jest wariatem tańszym iezależie od wielkości programu produkcyjego, liczebości partii produkcyjej ai też od techologiczej złożoości obrabiaych w systemie części. Związae jest to ze zaczie wyższymi kosztami budowy systemów produkcyjych opartych a obrabiarkach z obsługą operatorską iż ESP. Koszty odpisów amortyzacyjych systemów produkcyjych decydują w tym przypadku o opłacalości obróbki. System produkcyjy zbudoway jako elastyczy charakteryzuje się zaczie lepiej wykorzystaym fuduszem czasu pracy, a więc trzeba miejszej ilości obrabiarek potrzebych do realizacji programu produkcyjego, a w związku z tym są miejsze koszty odpisu amortyzacyjego oraz miejsze koszty godziowe obróbki w systemie. 3 Złożoość techologicza Z [h] Elastyczy System Produkcyjy Obrabiarki sterowae umeryczie z obsługą operatorską Program produkcyjy P [szt.] Rys. 6. Krzywa złożoości graiczej obróbki części w ESP i w systemie obrabiarek sterowaych umeryczie z obsługą operatorską pracujących a trzy zmiay Fig. 6. The curve of boudary complexity of the maufacturig machie part i RMS ad i the system of umerically cotrolled machies with servicig staff workig i threeshift system 5

26 POSTĘPY NAUKI I TECHNIKI NR 9, 0 W przypadku obróbki części w systemie obrabiarek sterowaych umeryczie z obsługą operatorską pracującym a trzy zmiay, rozwiązaie układu rówań (8) pozwala a określeie złożoości graiczej. Krzywą złożoości graiczej określającą graicę pomiędzy opłacalością obróbki części w ESP, a opłacalością ich obróbki w systemie obrabiarek z obsługą operatorską pracującym a trzy zmiay przedstawia rys. 6. Techologicza złożoość graicza określoa dla projektowaych systemów produkcyjych zbudowaych z obrabiarek sterowaych umeryczie i pracujących z obsługą operatorską (a trzy zmiay) lub jako system elastyczy jest fukcją wielkości programu produkcyjego. Ze wzrostem wielkości programu produkcyjego wzrasta wartość techologiczej złożoości graiczej. Aproksymacja wyików badań pozwoliła a otrzymaie fukcji opisującej krzywą techologiczej złożoości graiczej: Z gr = 0,68 e -0,08 P (9) gdzie: P wielkość programu produkcyjego. W przypadku obróbki części w systemie z obsługą operatorską pracującym a trzy zmiay w pewych warukach staje się o bardziej opłacaly iż ESP. Ma to miejsce przy produkcji jedostkowej, przy programie produkcyjym rzędu 5-3 sztuk, realizowaym w partiach produkcyjych wyoszących jedą sztukę. O opłacalości obróbki w systemie z obsługą operatorską decydują koszty związae z przezbrojeiem systemu. Wyoszą oe przy produkcji pojedyczych sztuk poad 90% kosztu wykoaia części. Czas przezbrojeia ESP jest o około 50% dłuższy od czasu przezbrajaia systemu obrabiarek pracujących iezależie. Przy produkcji jedostkowej system obrabiarek pracujących z obsługą operatorską dzięki iższym kosztom jego przezbrojeia, pomimo wysokich kosztów obróbki staje się systemem ekoomiczie bardziej opłacalym. PODSUMOWANIE W związku z wymagaiami ryku przejawiającymi się w tedecji do zmiejszaia się serii prodyukcyjych oraz skracaia cykli produkcyjych wyrobów w produkcji coraz szerzej będą stosowae elastycze systemy produkcyue i systemy rekofiugurowale. Zastosowaie ich powio być uzasadioe ekoomiczie. Powiy byuc oe stosowae w zasadzie do ekoomiczego wytwarzaia elemetów maszy. Opracoway sposób okreslaia opłacalosci ekoomiczej ich wytwarzaia w takich systemach bez koieczości projektowaia procesu techologiczego umożliwi bardziej racjoale, efektywie ekoomiczie ich zastosowaie. Opracowaą metodykę sprawdzoo a przykładzie kół zębatych wytwarzaych w Kombiacie Przmysłowym Huta 6

27 POSTĘPY NAUKI I TECHNIKI NR 9, 0 Stalowa Wola, określając kiedy obróbka tych części jest opłacala w elastyczym systemie produkcyuym a kiedy a w systemie (obrabiarkach kowecjoalym. BIBLIOGRAFIA. Brzeziński M.: Orgaizacja i sterowaie produkcją. Projektowaie systemów produkcyjych i procesów sterowaia produkcją. Agecja Wydawicza Placet, Warszawa 00.. Feld M.: Podstawy projektowaia procesów techologiczych typowych części maszy. WNT, Warszawa Świć A.: Elastycze systemy produkcyje. Techologiczo orgaizacyje aspekty projektowaia i eksploatacji. Wydawictwo Politechiki Lubelskiej, Lubli Świć A, Majdalawi S. Dobór przedmiotów do wytwarzaia w ESP. W moografii Iformacyje aspekty zarządzaia i sterowaia produkcją. Wydawictwo Uczeliae Politechiki Lubelskiej, Lubli 005, Świć A., Majdalawi S.:Aaliz ekoomiczieskoj cielesoobrazostti obrabotki die taliej w gibkom awtomatiozirowaom proizwodstwie(gap) Problemy Nauki i Techiki. Nauczo-wiroboczyj żural. Nr, 004, Świć A., Taraeko W.: Projektowaie techologicze elastyczych systemów produkcyjych. Wydawictwo Politechiki Lubelskiej, Lubli Wąs A., Izdebski R., Kopczyński L.: Automatyzacja projektowaia procesów techologiczych w przemyśle maszyowym. WNT, Warszawa Więckowski J.: Metody aalizy ekoomiczej w przemyśle. PWE, Warszawa 970. QUALIFICATION OF PARTS FOR MACHINING BASING ON THEIR TECHNOLOGICAL COMPLEITY Summary The ew method for defiig the complexity of machie parts which ca be applied for their qualificatio for machiig i Recofigurable Maufacturig System (RMS) without ecessity of desigig the techological processes. Basig o the complexity of part ad boudary complexity of the maufacturig system it ca help defiig which system (recofigurable or covetioal) should be used for maufacturig. The developed method was verified usig toothed wheels maufacturig i Huta Stalowa Wola Steel Mill. Keywords: machie part complexity, the boudary complexity of maufacturig system, the qualificatio of machie part, productio cost-effectiveess. 7

28 POSTĘPY NAUKI I TECHNIKI NR 9, 0 Jacek Domińczuk WŁAŚCIWOŚCI ADHEZYJNE WARSTWY WIERZCHNIEJ MATERIAŁÓW KONSTRUKCYJNYCH Streszczeie. W artykule przedstawioo iformacje związae z właściwościami adhezyjymi warstwy wierzchiej materiałów kostrukcyjych. Przedstawioo rodzaje adhezji. Szczególą uwagę poświęcoo wyjaśieiu zjawisk fizyczych i chemiczych od których zależy wytrzymałość połączeń klejowych. Słowa kluczowe: adhezja, wytrzymałość, eergia powierzchiowa. WPROWADZENIE Wytrzymałość połączeń klejowych jest związaa ze zjawiskami adhezyjymi występującymi w procesie klejeia. Potwierdzają to prowadzoe prace włase [4, 5] jak i iformacje literaturowe [3, 7, 8, 9, 0, 3]. Celem właściwego zrozumieia problemu iezbęde jest pozaie zjawisk opisujących proces sczepiaia, czyli zjawisk powierzchiowych prowadzących do powstaia owego układu. Dla połączeń klejowych owy układ cechuje zbiór szczególych charakterystyk związaych z właściwościami kleju i materiałów łączoych oraz występowaia graicy rozdziału między imi [6, ]. Autor pracy [4] propouje sklasyfikować teorie adhezji, które powstawały i rozwijały się od lat dwudziestych ubiegłego stulecia, według schematu przedstawioego a rys.. Rys.. Klasyfikacja teorii adhezji i sił wiązań adhezyjych [4] Istytut Techologiczych Systemów Iformacyjych, Wydział Mechaiczy, Politechika Lubelska. 8

29 POSTĘPY NAUKI I TECHNIKI NR 9, 0 Najogóliej rozróżia się adhezję mechaiczą i specyficzą (właściwą), przy czym w warukach rzeczywistych ie występują oe w czystych postaciach. Najczęściej domiuje adhezja właściwa przy rówoczesym udziale adhezji mechaiczej. ADHEZJA MECHANICZNA Twórcą tej teorii jest Mc Bai. Teoria ta opiera się a spostrzeżeiu, że wytrzymałość złącz klejowych zwiększa się wraz ze wzrostem chropowatości powierzchi łączoych materiałów. Polega oa a przeikaiu kleju do porów i ierówości klejoych powierzchi i wytwarzaiu po utwardzeiu w kapilarach podłoża wiążących mostków. Jest więc oa wyikiem oporu jaki stawia sile zewętrzej masa klejowa będąca w postaci stałej w wyiku mechaiczego zakotwiczeia (rys..). Rys.. Schemat złącza adhezyjego o rozwiiętej powierzchi dwóch, łączoych za pomocą kleju ciał stałych, ilustrujący mechaiczą teorię adhezji,, 3-ciała łączoe, -warstwa kleju [9] 9

30 POSTĘPY NAUKI I TECHNIKI NR 9, 0 Rys. 3. Schematycze przedstawieie istoty adhezji mechaiczej, materiał klejoy; klej; 3 iewypełioe przez klej da wgłębień i porów Wraz ze zwiększeiem chropowatości powierzchi daego materiału astępuje zwiększeie ilości wgłębień i rys a tym samym zwiększeie powierzchi geometryczej klejeia. Do powstałych wgłębień o ieregularym kształcie może wikać klej wypełiając pory (rys. 3.). Stopień peetracji kleju zależy główie od jego lepkości, temperatury, ciśieia, czasu wikaia, a także od wymiarów geometryczych wgłębień. Mechaicza teoria adhezji zakłada, że złącza utworzoe przez klej z materiałem ie ulegają dekohezji a graicy faz pod wpływem obciążeń zewętrzych. Dekohezja może wystąpić wyłączie wewątrz ajsłabszego materiału złącza. A zatem o wytrzymałości złącza decyduje wytrzymałość kleju lub łączoych materiałów, a ie zjawiska zachodzące a graicy obu faz. Rozwiięcie w sposób mechaiczy powierzchi klejeia ie zwiększa adhezji tylko w wyiku zakotwiczeń utwardzoego kleju w ierówościach powierzchi. Wpływa także między iymi a stopień wysyceia sił międzycząsteczkowych, a więc także a adhezję właściwą. Adhezja mechaicza w sposób istoty decyduje o efektach klejeia materiałów porowatych ze względu a zaczie większą powierzchię kotaktu z klejem iż w przypadku materiału, który ma powierzchię gładką. 30

31 POSTĘPY NAUKI I TECHNIKI NR 9, 0 ADHEZJA SPECYFICZNA Twórcami tej teorii są N.A. de Bruye (944 r.) oraz A.D. McLare (949 r.). Obejmuje oa teorie: adsorpcyją, elektryczą oraz dyfuzyją. Adhezja specyficza jest wyikiem oddziaływaia sił przyciągaia pomiędzy powierzchią łączoą a spoiwem. Są to siły międzycząsteczkowe i atomowe. Międzycząsteczkowe przyciągaie a graicy styku różorodych materiałów to wyik kompleksowych oddziaływań a graicy faz. Według tej teorii utworzeie trwałego połączeia jest możliwe dzięki oddziaływaiu walecyjych sił międzycząsteczkowych występujących między stykającymi się powierzchiami. Adhezja adsorpcyja Po raz pierwszy adhezja adsorpcyja została przedstawioa w 963 roku przez L. H. Sharpe a i H. Schorhora [4], opiera się oa a założeiu, że podstawę adsorpcji i adhezji staowi różica między staem eergetyczym cząsteczek a powierzchi cieczy lub ciał stałych i cząsteczek zajdujących się w głębi tych faz. Według tej teorii a graicy faz cząsteczki zarówo kleju, jak i materiału klejoego oddziałują bezpośredio a siebie. W przypadku istieia oddziaływań polarych astępuje poadto orietacja cząsteczek a graicy faz. Wówczas zachodzi adsorpcja fizycza kleju a powierzchi klejoego materiału. Może zaistieć także chemisorpcja cząsteczek kleju a powierzchi materiału, co powoduje zwiększeie wytrzymałości połączeia. Zwykle w teorii adsorpcyjej adhezji ajwiększe zaczeie przypisuje się siłom Va der Waalsa, które ajsiliej działają w kryształach i cieczach, a ajsłabiej w gazach. Siły te są tym większe, im bliżej siebie zajdują się cząstki. Wśród sił międzycząsteczkowych moża wyróżić cztery główe grupy: siły dipolowe, idukcyje, dyspersyje oraz koformacyje. Siły wiązań chemiczych kowalecyje Efekt oddziaływaia sił kowalecyjych zależy od aktywości chemiczej cząstek zaadsorbowaych i stau eergetyczego powierzchi. Wiązaie kowalecyje polega a uwspólieiu elektroów pochodzących (po jedym) z obu łączoych atomów i utworzeiu pomiędzy atomami jedej, dwóch lub trzech par elektroów wiążących, czyli par elektroów o wspólym dla obu atomów orbitalu. Orbital te azyway jest orbitalem cząstkowym. Do jego utworzeia dochodzi w te sposób, że przy zbliżaiu do siebie dwóch atomów, elektro ależący do jedego z atomów, dostaje się w zasięg działaia pola elektryczego jądra drugiego atomu. Obydwa jądra atomowe zostają jakby zaurzoe w jedej wspólej chmurze elektroowej obu atomów. Powstający w te sposób wiążący orbital cząsteczkowy jest zajęty przez dwa elektroy o przeciwym spiie. W tworzeiu orbitali cząsteczkowych mogą brać udział orbitale powłok 3

32 POSTĘPY NAUKI I TECHNIKI NR 9, 0 zewętrzych, gdyż wikaiu do głębszych powłok przy zbliżaiu się atomów do siebie przeciwdziałają siły odpychaia. Wiązaie kowalecyje może powstać wtedy, gdy tworzące go orbitrale atomowe ie różią się od siebie zaczie eergią, tak więc przy tworzeiu takiego wiązaia zazwyczaj uczesticzą orbitale ależące do tej samej powłoki. Przy tworzeiu orbitalu cząsteczkowego wydziela się eergia. Utworzoe wiązaie kowalecyje jest tym trwalsze, im więcej eergii wydzieli się, a więc im iższy będzie sta eergetyczy owego układu []. Wiązaie wodorowe Wiązaie wodorowe jest specyficzym rodzajem wiązaia, które może być zarówo wewątrzcząsteczkowe jak i międzycząsteczkowe. Czyikiem powodującym występowaie tego rodzaju wiązaia jest jądro wodoru, czyli proto, który ze względu a swe małe wymiary może przeikać w obszar powłoki elektroowej silie elektroujemego atomu tworząc z otaczającymi elektroami sile oddziaływaie elektrostatycze. Wiązaia wodorowe występują szczególie w cząsteczkach zawierających grupy hydroksylowe. Oe to między iymi decydują o szczególej wytrzymałości polimerów. Wiązaie wodorowe staowi czyik spójości między poszczególymi cząsteczkami wody, w wyiku czego obserwuje się stosukowo wysoką eergię parowaia wody. Siły Va der Waalsa Siły Va der Waalsa działają między cząsteczkami substacji gazowych i ciekłych, jak rówież między cząsteczkami w sieciach kryształów cząsteczkowych. Siły Va der Waalsa ajmociej działają w kryształach i cieczach, a ajsłabiej w gazach, gdyż są tym większe im bliżej siebie zajdują się cząsteczki [9]. Siły Va der Waalsa moża podzielić a cztery zasadicze grupy: siły dyspersyje, siły koformacyje, siły dipolowe oraz siły idukcyje. Według autora publikacji [] ajwiększy wpływ a wartość pracy adhezji mają siły dyspersyje [Lodoa] są oe wyikiem tworzeia dipoli elemetarych wskutek ruchu elektroów wokół jądra. Występują oe awet wówczas, gdy cząsteczka ie zawiera grup polarych. ' 3 e = h V () F dysp 4 gdzie: 6 r F siła przyciągaia; h stała Placka; V częstość drgań; e polaryzowalość; r odległość między cząstkami. Siły dyspersyje są addytywe i ie zależą od temperatury, wielkość ich rośie ze wzrostem liczby elektroów zewętrzych, liczby atomowej, długości łańcuchów cząsteczkowych i liczby grup fukcyjych. Zależą oe rówież w sposób bardzo sily od zbliżeia powierzchi ciał [5]. 3

33 POSTĘPY NAUKI I TECHNIKI NR 9, 0 Siły oddziaływaia cząstek o dipolach idukcyjych przez trwałe dipole cząsteczek sąsiedich (Debyea ). Najłatwiej polaryzują się cząsteczki o wiązaiach ieasycoych. Siłę oddziaływaia określa się zależością (). e U Fdipi = () 6 r gdzie: U momet dipolowy; e polaryzowalość. Zasięg ich oddziaływaia wyosi 3,5 4,5 0-0 [m] odgrywają oe zaczą rolę przy klejeiu metali, ieco miejszą atomiast w adhezji tworzyw wielkocząsteczkowych [5, 9]. Siły koformacyje są wyikiem zmia w położeiu atomów lub ich grup. Rotacja wokół wiązaia, oraz zmiaa usytuowaia przestrzeego atomów lub ich grup powodują różice w staie eergetyczym cząsteczek. Siły te są addytywe z siłami dyspersyjymi. W sposób poglądowy przedstawioo koformację a przykładzie rotacji łańcucha węglowodorowego a rys. 4.. Rys. 4. Poglądowe przedstawieie koformacji a przykładzie rotacji łańcucha węglowodorowego [5] Siły oddziaływaia cząstek o dipolach trwałych są to siły typu elektrostatyczego występujące między cząsteczkami, które są trwałymi dipolami (cząsteczkami w których łańcuchy elektrycze dodatie i ujeme są rozmieszczoe iesymetryczie). Siły oddziaływań cząsteczek o dipolach są określoe zależością (3). 33