MASZYNOZNAWSTWO OGÓLNE I MASZYNY TECHNOLOGICZNE

Transkrypt

1 Katedra Budowy Maszyn, Politechnika Śląska w Gliwicach MASZYNOZNAWSTWO OGÓLNE I MASZYNY TECHNOLOGICZNE Katedra Budowy Maszyn Dr hab. inż. Janusz ŚLIWKA p.492 1

2 Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne wykład 1 Warunki zaliczenia: ½ wykładu (3 wykłady po 1,5 h) Katedra Budowy Maszyn ½ wykładu Instytut Materiałów Inżynierskich i Biomedycznych Kolokwium zaliczeniowe na ostatnim wykładzie Kolokwium zaliczeniowe z laboratoriów Obecności na laboratoriach 2

3 Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne wykład 1 Literatura do wykładu [1] Cressy E.: A Hundred Years of Mechanical Ingineering. London, [2] Encyclopedia Universalis - Świat nauki współczesnej. PWN, Warszawa, [3] Encyklopedia Techniki Tom Budowa Maszyn WNT Warszawa, [4] Internetowe materiały reklamowe firmy Viessmann [5] Paderewski K.: Vadenecum obrabiarek skrawających. WNT, Warszawa, [6] Orlik Z.: Maszynoznawstwo. WSiP, [7] Lilley S.: Ludzie, maszyny i historia. PWN, Warszawa, [8] Stryczek S.: Napęd hydrostatyczny. Tom 1, WNT, Warszawa, [9] Wielka Encyklopedia Internetowa [10] Wrotny L.T.: Podstawy budowy obrabiarek. WNT, Warszawa, [11] Historia nauki i techniki. Encyklopedia edukacyjna. Bellona Warszawa, [12] Encyklopedia PWN, Warszawa,

4 Zwykłe rzeczy - niezwykłe wynalazki Prawda czy fałsz - pogromcy mitów Jak to jest zrobione? 4

5 Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne wykład 1 Plan wykładu: Wstęp 1. Definicje, podział i podstawowe parametry maszyn 2. Rys historii rozwoju maszyn 3. Jak powstaje maszyna? 3.1. Projektowanie i konstruowanie 3.2. Zasady konstrukcji 3.3. Optymalizacja konstrukcji 3.4. Zapis konstrukcji 3.5. Typowy podział procesu procesu projektowo-konstrukcyjnego 3.6. Technologiczność 3.7. Typizacja, unifikacja, normalizacja 5

6 Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne wykład 1 4. Eksploatacja 4.1. Obciążenia 4.2. Rodzaje zużycia 4.3. Smarowanie 4.4. Rodzaje uszkodzeń elementów maszyn 5. Diagnostyka 5.1. Metody diagnostyki 5.2. Teoria trwałości 6. Automatyzacja maszyn technologicznych 6.1. Definicje podstawowe 6.2. Automatyzacja produkcji wielkoseryjnej i masowej 6.3. Automatyzacja produkcji średnioseryjnej 6.4. Sterowane numeryczne 6.5. Automatyczny nadzór 6.6. Sterowanie adaptacyjne 8. Omówienie wybranych maszyn technologicznych 8.1. Obrabiarki do obróbki skrawaniem 8.2. Maszyny do obróbki plastycznej metali 8.3. Maszyny do przetwórstwa tworzyw sztucznych 9. Wybrane maszyny energetyczne 9.1. Turbiny wodne 9.2. Pompy 9.3. Silniki spalinowe 9.4. Siłownie 10. Omówienie wybranych maszyn transportowych Dźwignice Przenośniki Pojazdy samochodowe 11. Tendencje rozwojowe w budowie i eksploatacji maszyn 6

7 7

8 Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne wykład 1 1. PODSTAWOWE DEFINICJE I PARAMETRY 1.1. Definicje i podział maszyn Maszyna urządzenie techniczne zawierające mechanizm [1] lub zespół mechanizmów we wspólnym kadłubie, służące do przetwarzania energii lub wykonywania określonej pracy. Maszyną nazywamy urządzenie (zbudowane przez człowieka) do wykorzystywania zjawisk przyrodniczych w celu wykonywania pracy użytecznej oraz zwiększania jej wydajności przez zastąpienie pracy fizycznej, wysiłku umysłowego i funkcji fizjologicznych człowieka [1] Mechanizm układ powiązanych ze sobą części maszynowych mogących wykonywać określone ruchy w wyniku pobrania energii mechanicznej. Każdy mechanizm składa się z członu nieruchomego tzw. ostoi, członu napędzającego, któremu nadawany jest określony ruch z zewnątrz, członu napędzanego, który przekazuje ruch na zewnątrz i ewentualnie z łącznika (łączników) przenoszącego ruch z członu napędzającego na napędzany. Przykładami mechanizmów mogą być: mechanizm korbowy, mechanizm jarzmowy czy przekładnia zębata. 8

9 Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne wykład 1 Tradycyjny model maszyny Współczesny model maszyny Maszyny możemy podzielić na: maszyny energetyczne, służące do przetwarzania jednego rodzaju energii w inny (np. silniki, turbiny, prądnice), 9

10 Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne wykład 1 10

11 Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne wykład 1 Maszyny możemy podzielić na: maszyny energetyczne, służące do przetwarzania jednego rodzaju energii w inny (np. silniki, turbiny, prądnice), maszyny technologiczne, służące do wykonywania operacji związanych z zmianą kształtu, własności fizyko-chemicznych lub stanów obrabianych materiałów lub przedmiotów (np. obrabiarki, maszyny hutnicze, maszyny rolnicze), 11

12 Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne wykład 1 12

13 Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne wykład 1 Maszyny możemy podzielić na: maszyny energetyczne, służące do przetwarzania jednego rodzaju energii w inny (np. silniki, turbiny, prądnice), maszyny technologiczne, służące do wykonywania operacji związanych z zmianą kształtu, własności fizyko-chemicznych lub stanów obrabianych materiałów lub przedmiotów (np. obrabiarki, maszyny hutnicze, maszyny rolnicze), maszyny transportowe, służące do przenoszenia różnego rodzaju przedmiotów i ludzi (np. dźwignice, samochody, lokomotywy). 13

14 Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne wykład 1 14

15 Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne wykład 1 Silniki, które to pobierają energię z zewnętrznego źródła (np. energię chemiczną paliw, energię mechaniczną wiatru itp.) i przetwarzają ją w energię mechaniczną potrzebną do napędu innych maszyn. W zależności od tego czy silnik wykorzystuje bezpośrednio jedną z postaci energii przyrody, czy też za pośrednictwem jakiejś przetwornicy energii, rozróżniamy silniki pierwotne (np. silniki wiatrowe, wodne) i silniki wtórne (np. silnik elektryczny), Maszyny robocze, które pobierają energię mechaniczna od silników w celu przetworzenia jej w pracę użyteczną lub inną postać energii. W zależności od celu wykonywanych czynności maszyny robocze dzielimy na maszyny wytwórcze, stosowane w różnych gałęziach przemysłu (obrabiarki, maszyny tkackie) oraz maszyny elektryczne, służące przetwarzaniu jednej postaci energii w inną (sprężarki, prądnice elektryczne). 15

16 Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne wykład 1 W związku z tendencją do rozszerzania pojęcia maszyny o urządzenia elektroniczne niektórzy autorzy proponują nowy rozszerzony podział maszyn na: 1) energetyczne, 2) technologiczne, 3) transportowe, 4) kontrolne i sterujące, 5) logiczne, 6) cybernetyczne. Odrębną grupę nie zaliczaną do maszyn, choć pod wieloma względami zbliżoną do nich stanowią aparaty. Są to urządzenia spełniające określone zadania w wyniku przebiegających w nich procesów fizycznych lub chemicznych (np. aparat telefoniczny). Od maszyn różnią się tym, iż nie przekształcają energii mechanicznej i co za tym idzie nie stawia się im żadnych wymogów co do sprawności energetycznej. Zazwyczaj dominującym kryterium działania aparatów jest dokładność działania. 16

17 Na zakończenie tego podrozdziału, korzystając z informacji podanych wcześniej, rozważmy pewien przykład. Zastanówmy się nad pytaniem: Czy wiertarka ręczna z napędem elektrycznym jest maszyną, czy też nie?? 17

18 Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne wykład 1 Obrabiarką skrawającą do metali nazywamy maszynę technologiczną przeznaczoną do zmiany kształtów, wymiarów i chropowatości powierzchni przedmiotów metalowych (lub innych) poprzez zdjęcie naddatku materiału w postaci wióra. powinna posiadać silnikowy napęd ruchu głównego, powinna posiadać przymusowe prowadzenie ruchów posuwowych za pomocą prowadnic. 18

19 19

20 Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne wykład Podstawowe parametry techniczne maszyn Moc Praca W wykonana w jednostce czasu t jest miarą mocy maszyny. P dw dt Jednostką mocy w układzie SI jest wat. Moc jest równa watowi, gdy praca wykonana w czasie jednej sekundy równa jest jednemu dżulowi. W praktyce posługujemy się jednostkami większymi (10 wata kilowat, lub 10 megawat). Moc jest jednym z najistotniejszych parametrów maszyn świadczącym o możliwościach eksploatacyjnych. Moce miniaturowych maszyn nie przekraczają jednego wata, moce dużych turbin gazowych mogą osiągać wartości tysiąca megawatów. 20

21 Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne wykład 1 Sprawność Przeznaczeniem maszyny jest wykonywanie pracy użytecznej, jednakże w czasie ruchu maszyny powstają straty związane z pokonywaniem oporów np. sił tarcia. Straty te nazywamy pracą traconą. Stosunek pracy użytecznej do pracy włożonej nazywamy współczynnikiem sprawności (sprawnością) maszyny i oznaczamy literą η. W W U W 100% Oczywiście sprawność możemy definiować nie tylko poprzez pracę, ale również przez moc włożoną i moc użyteczną. 21

22 Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne wykład 1 PERPETUUM MOBILE [łac.], fiz. hipotetyczna maszyna, której działanie byłoby sprzeczne z podstawowymi prawami fizyki; perpetuum mobile I rodzaju maszyna, która wykonywałaby pracę bez pobierania energii z zewnątrz, a więc działanie jej byłoby sprzeczne z zasadą zachowania energii; perpetuum mobile II rodzaju maszyna, która wykonywałaby pracę pobierając ciepło z otoczenia i w całości zamieniając je na pracę; działanie jej przeczyłoby II zasadzie termodynamiki; pierwsze próby budowy perpetuum mobile podejmowano w XIII w.; szczególnie wiele prac nad skonstruowaniem perpetuum mobile prowadzono w XVI i XVII w. Projekty Perpetuum Mobile [12] 22

23 Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne wykład 1 Zasada działania pompy ciepła Pompy ciepła działają tak jak lodówki, lecz w przeciwieństwie do nich wykorzystuje się tu nie zimną, lecz gorącą stronę obiegu termodynamicznego. Odpowiedni czynnik roboczy jest sprężany i rozprężany, przez co uzyskuje się pożądany efekt nagrzewania lub chłodzenia. Przykładowo, dla wytworzenia ciepła użytecznego odbiera się na niskim poziomie temperaturowym ciepło z powietrza, wody gruntowej lub gruntu, poprzez odparowanie czynnika roboczego (gazów nieszkodliwych takich jak R 407 C) wrzącego w niskiej temperaturze. Tak więc pierwotnie ciekły czynnik roboczy opuszcza parownik (wymiennik ciepła ) w postaci gazu. Gaz ten zostaje sprężony przez sprężarkę i pod ciśnieniem ulega skropleniu w kondensatorze na wysokim poziomie temperatury, oddając ciepło skraplania i ciepło sprężania wodzie z instalacji grzewczej. Następnie pozostający nadal pod ciśnieniem czynnik roboczy ulega rozprężeniu w zaworze rozprężającym, przechodząc do części niskociśnieniowej cały obieg rozpoczyna się od początku. Efekt finalny: 3/4 energii cieplnej z otoczenia + 1/4 energii elektrycznej = 4/4 ciepła użytecznego. 23

24 Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne wykład 1 Charakterystyka maszyny Charakterystyką maszyny nazywamy potocznie wykres przedstawiający zależność pomiędzy wielkościami charakteryzującymi prace maszyny lub urządzenia w różnych warunkach pracy. Szczegółowa nazwa charakterystyki związana jest zazwyczaj z nazwą maszyny np. charakterystyka pompy, charakterystyka turbiny itp. Poniżej pokazano przykładową charakterystykę sprawnościową (zależność sprawności ogólnej, mechanicznej i objętościowej od wzrostu ciśnienia) pompy hydraulicznej. Przykładowa charakterystyka pompy hydraulicznej [8] 24

25 Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne wykład Cechy użytkowe maszyn Przydatność technologiczna (przeznaczenie) Na przydatność obrabiarki do określonych zadań technologicznych wpływ ma szereg czynników, z których najważniejszymi są: ogólny układ konstrukcyjny, główne wymiary geometryczne, moc napędowa, oprzyrządowanie, wydajność i dokładność obróbki oraz stopień automatyzacji. Ogólne przeznaczenie obrabiarki określa jej nazwa, np. tokarka do obróbki toczeniem, frezarka do frezowania. Pod względem przeznaczenia produkcyjnego określającego zakres zastosowania obrabiarki w przemyśle wyróżniamy [10]: obrabiarki ogólnego przeznaczenia (do szerokiego zastosowania w różnych gałęziach przemysłu), obrabiarki specjalizowane (przeznaczone do obróbki przedmiotów o identycznych lub podobnych zabiegach obróbkowych), obrabiarki specjalne (przeznaczone do obróbki jednego rodzaju przedmiotów). 25

26 Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne wykład 1 Układ konstrukcyjny Czynnikami decydującymi o układzie konstrukcyjnym obrabiarki są liczba i rodzaj ruchów podstawowych oraz kierunki i drogi przemieszczania zespołów roboczych. W zależności od przeznaczenia produkcyjnego obrabiarka może być wyposażona w zespoły robocze jednowspółrzędnościowe, dwuwspółrzędnościowe (płaskie) i trójwspółrzędnościowe (przestrzenne). Kierunki ruchów prostoliniowych oraz osie obrotu zespołów roboczych ustala się na etapie projektowania obrabiarki, przyjmując najbardziej racjonalny technologicznie wariant konstrukcyjny. Układy konstrukcyjne z zaznaczonymi kierunkami przemieszczeń liniowych i kątowych: a) tokarki kłowej, b) frezarki wspornikowej pionowej, c) wytaczarko-frezarki z łożem poprzecznym [5] 26

27 Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne wykład 1 Wymiary znamionowe Wymiary geometryczne obrabiarki wiążą się z wielkościami przedmiotów obrabianych. Każda tego typu maszyna produkowana jest dla określonego i ograniczonego zakresu wymiarów przedmiotów. Wymiary te podawane są w danych technicznych obrabiarki jako wielkości znamionowe. Wielkości te są na tyle istotne, iż znajdują swoje odzwierciedlenie w oznaczeniu obrabiarki. Przykładowo liczba 32 w oznaczeniu tokarki TUB-32 oznacza, iż maksymalna średnica toczenia przedmiotu nad łożem wynosi 320 mm. Innymi wymiarami znamionowymi mogą być np. rozstaw kłów tokarki czy maksymalna średnica wiercenia dla wiertarki. 27

28 Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne wykład 1 Oprzyrządowanie W skład oprzyrządowania obrabiarki wchodzą uchwyty i przyrządy umożliwiające wykonanie typowych operacji obróbkowych (np. uchwyt tokarski trójszczękowy) stanowiące wyposażenie normalne oraz dodatkowe urządzenia służące rozszerzeniu możliwości technologicznych nazywane wyposażeniem dodatkowym. Wydajność Ze względu na różnorodne wymagania technologiczne oraz efekt obróbki wydajności obrabiarki nie da się określić w sposób bezwzględny. Do oceny wydajności obrabiarki stosuje się jeden z trzech wskaźników: wskaźnik wydajności objętościowej (objętość wiórów zeskrawanych w jednostce czasu), wskaźnik wydajności powierzchniowej (pole powierzchni obrobionej w jednostce czasu), wskaźnik wydajności jednostkowej (ilość sztuk wykonanych w jednostce czasu). 28

29 Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne wykład 1 Dokładność Wynikową dokładność pracy obrabiarki określa się na podstawie dokładności wymiarowo-kształtowej obrobionych przedmiotów (dokładność obróbki). Na wynikową dokładność obróbki (ze strony obrabiarki) wpływ mają następujące dokładności: dokładność geometryczna (określa błędy wymiarowo-kształtowe i błędy wzajemnego położenia elementów i zespołów obrabiarki), dokładność kinematyczna (określa dokładność sprzężeń kinematycznych występujących w przypadku zastosowania złożonych ruchów kształtowania), dokładność nastawcza (określa dokładność mechanizmów służących do wykonywania ruchów pozycjonowania). 29

30 Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne wykład 1 Stopień automatyzacji Stopień automatyzacji cyklu roboczego przy obróbce określonego przedmiotu określa się jako iloraz czasu czynności wykonywanych automatycznie do łącznego czasu obróbki. Zakres automatyzacji Charakteryzuje stopień zbliżenia do automatyzacji pełnej. Określa się go jako iloraz liczby czynności zautomatyzowanych do całkowitej liczby czynności wykonywanych w danej operacji technologicznej. 30

31 Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne wykład 2 2. RYS HISTORII ROZWOJU MASZYN 2.1. Wynalazczość na przestrzeni wieków Wyraz maszyna pochodzi z narzecza doryckiego 1 ( mechene ), gdzie oznaczał środek pomocniczy, narzędzie. Narzędzia proste, nagromadzenie narzędzi, narzędzia złożone, wprawianie w ruch narzędzi złożonych przez jeden motor ręczny, przez człowieka, wprawianie tych narzędzi w ruch przez siły przyrody, maszyna, system maszyn posiadających jeden motor, układ maszyn mających jeden motor automatyczny oto dzieje rozwoju maszyny Karol Marks Nędza filozofii 1949 r. [1] Dorowie (gr. Dorieís) starożytne plemiona greckie, które ok r. p.n.e. przywędrowały na Peloponez, osiedliły się tu, niszcząc kulturę mykeńską, tworząc państwa-miasta (np. Spartę, Megarę, Argos, Korynt). 31

32 Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne wykład 2 Względny wzrost wynalazczości [7] 32

33 Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne wykład 2 Wytapianie miedzi z rud (ok r.p.n.e) Odlewnictwo (ok r.p.n.e) Wóz kołowy (ok r.p.n.e) Krążek liniowy (ok. 700 r.p.n.e) Młyn wodny (ok. 80 r.p.n.e) Młyn wiatrakowy (1105 r.n.e) Ster okrętowy (1250 r.n.e) Tokarka (1350 r.n.e) Surówka żelazna (1400 r.n.e) Wytapianie żelaza na koksie (1717 r.n.e) Maszyna parowa Watta (1781 r.n.e) Udoskonalona tokarka Maudslaya (1794 r.n.e) Strugarka (1820 r.n.e) Turbina wodna (1827 r.n.e) Tokarka rewolwerowa (1845 r.n.e) Stal besemerowska (1856 r.n.e) Tokarka automatyczna (1870 r.n.e) Silnik gazowy Otto a (1876 r.n.e) Turbina parowa (1884 r.n.e) Stale narzędziowe szybkotnące (1898 r.n.e) Samolot (1903 r.n.e) Taśmowa produkcja masowa (1913 r.n.e) 33

34 Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne wykład 2 Około roku 3000 p.n.e. (punkt A ) zaczęły pojawiać się pierwsze cywilizacje. Najbardziej doniosłym odkryciem tego okresu w dziedzinie technik wytwarzania było wprowadzenie brązu stopu miedzi z cyną. Po roku 3000 p.n.e. (punkt B) następuje gwałtowny spadek wynalazczości spowodowany najprawdopodobniej utrwaleniem się kastowego charakteru społeczeństw. Kasty rządzące mając do dyspozycji tanią siłę roboczą nie były zainteresowane usprawnieniami, kasty niższe nie były zainteresowane ulepszeniem metod produkcji, gdyż i tak nadwyżka produkcji byłaby im odebrana. Taki zastój przerywany tylko nielicznymi odkryciami jak wynalezienie około roku 1800 p.n.e. koła ze szprychami, trwał aż do lat 1000 p.n.e. (punkt C) i został przerwany przez odkrycie metod wytwarzania żelaza (stali). Dostępność żelaza jako materiału konstrukcyjnego pozwoliła na wytwarzanie części różnych mechanizmów i maszyn oraz użycie lepszych narzędzi do obróbki drewna i kamieni. Żelazo zostało nazwane metalem demokratycznym, gdyż oprócz niepodważalnych zalet w porównaniu z brązem, żelazo było dużo bardziej rozpowszechnione w przyrodzie, a przez to bardziej dostępne. Tańsze żelazo pozwoliło większej liczbie ludzi otrzymywać bardzo dobre narzędzia bez konieczności kłopotliwego transportu oraz bez wymiany handlowej. Nowe tworzywo i jego dostępność gwałtownie pobudziło różnego rodzaju wynalazczość. Z tych czasów pochodzą pierwsze wyczerpujące dokumenty opisujące zagadnienia z zakresu mechaniki i techniki. 34

35 Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne wykład 2 Transport w epoce brązu [7] 35

36 Witruwiusz w swoim dziele De Architectura podaje opis młyna wodnego, w którym ruch z koła wodnego na koło młyńskie przenoszony jest za pomocą przekładni zębatej [1]. W starożytnej Grecji powstało wiele różnych mechanizmów m.in. dźwigniowe, krzyżakowe, zapadkowe hydrauliczne i pneumatyczne, których twórcami byli Archimedes, Ktesibios, Filon z Bizancjum i Heron z Aleksandrii. Filon opisał w 230 r. p.n.e. przegub krzyżowy, uchodzący powszechnie za wynalazek Geronima Cardana (powstały w 1550 r.n.e.). [1] Powszechnie przekładnie zębatą zaczęto stosować w budowie zegarów w XIV wieku w Mediolanie. Prace nad modyfikacją zazębień zegarowych doprowadziły do odkrycia zarysu ewolwentowego i cykloidalnego zębów. 36

37 Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne wykład 2 Pierwsze zegary mechaniczne [11] 37

38 Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne wykład 2 Rozwój postępu trwał aż do szczytowego okresu kultury ateńskiej (punkt D). Zaburzenia gospodarcze i wojny spowodowane podziałem świata greckiego na państwa-miasta spowodowało zahamowanie postępu technicznego (punkt E). Największy od trzech tysięcy lat wzrost aktywności społeczeństw (punkt F) spowodowany był podbojami Aleksandra Wielkiego. Mechanika Aleksandryska [11] 38

39 Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne wykład 2 Aleksander Wielki rozdzielił władzę cywilną i wojskową w okręgach administracyjnych (satrapiach), natomiast administracja podatkowa pozostała jedna dla całego państwa. Na podbitych przez siebie obszarach wprowadził on jednolity system monetarny (stopa ateńska). Miejsce orientalnej gospodarki królewskiej opartej na tezauryzacji złota zajął system otwarty na świat. Podstawą wszelkich operacji finansowych stała się moneta srebrna. Sprzyjało to powstaniu ogromnej strefy gospodarczej. Greka stała się językiem międzynarodowym (koiné). Podejmowane były ekspedycje w celu ekspansji gospodarczej jak np. poszukiwania przyczyn wylewów Nilu, czy wyprawa z delty Indusu do ujścia Tygrysu i Eufratu. Powstało wtedy około 70 miast, z których promieniowała później kultura grecka [9]. Stan ten trwał do upadku Imperium Rzymskiego. Od początków naszej ery do końca pierwszego millenium nastąpił okres powszechnego stosowania maszyn w całej Europie. Trend ten nie znalazł odbicia we wzroście krzywej na wykresie (punkty od G do H), gdyż mieliśmy tu do czynienia bardziej ze stosowaniem dawniej odkrytych praw i zjawisk (koło wodne) niż z powstawaniem nowych maszyn i metod produkcji. 39

40 Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne wykład 2 Po roku 1000 naszej ery następuje stały duży wzrost wynalazczości trwający do dnia dzisiejszego. Na komentarz zasługuje spadek aktywności wynalazczej w latach 1300 do 1700 (punkt J). Lilley tłumaczy ten spadek tym, iż nowe maszyny i urządzenia powstałe w wiekach średnich, mogły być w pełni zastosowane w przemyśle o nowej strukturze a więc w przemyśle kapitalistycznym. Ustrój feudalny uniemożliwiał rozwój kapitalizmu i tym samym hamował wprowadzanie nowych maszyn i urządzeń. Brak możliwości pełnego stosowania nowych istniejących metod technicznych powstrzymywał powstawanie nowych wynalazków. 40

41 Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne wykład 2 Największym geniuszem technicznym owych czasów był z pewnością Leonardo da Vinci [1]. Pozostawił on po sobie około 5000 stron notatek poświeconych różnorodnym zagadnieniom z dziedziny nauki i techniki. Trudno wymienić wszystkie wynalazki włoskiego geniusza, do najistotniejszych z pewnością należą maszyny włókiennicze, wiatrak wieżyczkowy, łożyska kulkowe. Leonardo da Vinci opierał swe konstrukcje na obliczeniach, do których dane czerpał z licznych doświadczeń. Pisał w ten sposób: Zanim zrobisz z danego wypadku regułę, wypróbuj ją przez doświadczenie dwa lub po trzy razy i przekonaj się, czy doświadczenie daje zawsze ten sam wynik. Mając dar genialnej intuicji Leonardo równocześnie dążył do zwiększenia zasobu uogólnionych wiadomości zmniejszających niepewność osiągnięcia pożądanego skutku. On to był pierwszym, który badał wpływ poszczególnych zespołów cech maszyn na całość. Badał różne zjawiska, na przykład zjawisko tarcia, czy wytrzymałość materiałów konstrukcyjnych. [1] Leonardo da Vinci ( ), włoski malarz, rzeźbiarz, architekt, konstruktor, teoretyk sztuki, filozof, wszechstronny i najdoskonalszy przedstawiciel renesansu. Uważany za jednego z największych geniuszy w historii cywilizacji, który w sposób harmonijny łączył indywidualność wielkiego artysty z olbrzymią wiedzą uczonego. 41 Wpłynął na całe pokolenia twórców w różnych dziedzinach sztuki i techniki.

42 Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne wykład Rozwój maszyn technologicznych Pierwszą historycznie udokumentowaną obrabiarką była tokarka, która była prawdopodobnie używana w Mykenach 1200 lat p.n.e. Tokarek z pewnością używali około 700 roku p.n.e. Etruskowie, a do Egiptu dotarły one około 200 roku p.n.e. W średniowieczu wprowadzono obrabiarki napędzane siłą wody: tokarki, piły, wiertarki, młoty i inne. Dzięki zaprzęgnięciu koła wodnego do napędzania maszyny, obrabiarki mogły być używane do coraz poważniejszych zadań, a obsługujący je rzemieślnik nie był rozpraszany podczas pracy koniecznością wprawiania urządzenia w ruch. 42

43 Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne wykład 2 Leonardo da Vinci pozostawił po sobie między innymi szkice drewnianej tokarki z napędem ręcznym pochodzącej z około 1485 roku pokazanej na rysunku lewym, oraz pierwszej tokarki do gwintów napędzanej pedałem nożnym, w której gwint uzyskiwany był od wzornika (szablonu) widocznego z prawej strony na rysunku. Tokarka Leonarda da Vinci (1485 r.) [5] Pierwsza tokarka do gwintów 43

44 Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne wykład 2 Obrabiarki nie uległy poważniejszym przemianom aż do początków rewolucji przemysłowej końca 18 wieku. Tokarka do nacinania gwintów Bessona (1568) [7] 44

45 Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne wykład 2 Pierwsza prymitywna maszyna parowa została opatentowana w roku 1698 przez Savery ego. W 1690 roku Papin buduje pierwszą maszynę parową zaopatrzona w tłok i cylinder. Kolejna konstrukcja Newcomena (1712) łączyła w sobie pomysły Savery ego i Papina. W roku 1769 w północnej Anglii pracowało już około sto maszyn Newcomena. W tym samym czasie Smeaton podjął udaną próbę modernizacji maszyny parowej. W wyniku badań określił Smeaton najbardziej odpowiednie wymiary cylindra, wielkości skoku, prędkości przesuwu tłoka itp. 45

46 Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne wykład 2 Zasada pracy oraz maszyna parowa Newcomena [11] 46

47 Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne wykład 2 W 1763 roku w jednej z kopalń powierzono naprawę uszkodzonej maszyny parowej Newcomena młodemu mechanikowi o nazwisku Watt. Przeanalizował on dokładnie konstrukcję maszyny zauważając wszystkie jej braki. Pierwszy model maszyny parowej swojego pomysłu James Watt zbudował w roku 1765, lecz maszynę nadającą się do użytku opatentował dopiero w roku Pierwsza maszyna Watta zainstalowana została w roku 1776 w hucie żelaza Johna Wilkinsona służąc do poruszania miechów tłoczących powietrze do wielkich pieców. Sam John Wilkinson opracował specjalną wiertarkę (wg innych źródeł wytaczarkę) do wykonywania cylindrów w maszynie Watta. 47

48 Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne wykład 2 48

49 Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne wykład 2 Najistotniejszym problemem inżynierów budujących maszyny w początkach wieku 18. było uzyskanie odpowiedniej dokładności. Przykładowo w maszynach parowych Newcomena wymiar 28 (711,2 mm) był wykonywany z błędem ½ (12,7 mm). Dokładność taka była niewystarczająca dla budowy maszyny parowej projektu Watta. Smeaton, inżynier odpowiedzialny za wykonanie maszyny Watta miał powiedzieć tak: nie istnieją ani takie narzędzia, ani taki rzemieślnik, który mógłby wykonać tak skomplikowana maszynę z wystarczającą dokładnością. Maszyna parowa wymusiła rozwój obrabiarek tak gwałtownie, że już w roku 1830 dokładność wymiarów uzyskiwanych w warsztatach wzrosła do 1/16 (około1,6 mm). 49

50 Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne wykład 2 Rakieta Stephenson a [11] 50

51 Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne wykład 2 Znacząco rolę w przekształceniu prymitywnych obrabiarek (szczególnie tokarek) w precyzyjne maszyny odegrał Henry Maudslaya. Tokarka wg konstrukcji Maudslaya była pierwszą całkowicie metalową obrabiarką z nowoczesnym suportem krzyżowym i precyzyjną śrubą pociągową [1]. Zastosowanie metalowej konstrukcji poprzez polepszenie sztywności spowodowało znaczący wzrost dokładności pracy takiej obrabiarki. Jednym z pracowników Maudslaya był Joseph Whitworth. Od 1833 roku Whitworth na własna rękę podjął prace nad udoskonaleniem gwintów. Efektem tych prac było między innymi powstanie w 1841 roku typoszeregu normalnych gwintów calowych (do dziś zwanych czasami gwintami Whitworth a), który uznano za pierwszy przejaw normalizacji w dziedzinie budowy maszyn. [1] Dotychczas tokarki zaopatrzone były w wałek pociągowy konstrukcji Fox a (1810 r.) a toczenie gwintów odbywało się od wzornika. 51

52 Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne wykład 2 Masowa produkcja muszkietów wymusiła powstanie nowego typu szybkobieżnej, precyzyjnej obrabiarki frezarki. Pierwszą frezarkę skonstruował w roku 1818 Whitney. Podczas produkcji muszkietów wykonywała ona elementy dotychczas obrabiane ręcznie przez wysoko wykwalifikowanych robotników. Pomiędzy rokiem 1835 a rokiem 1875 powstawały kolejno tokarka rewolwerowa, frezarka uniwersalna (rys.), szlifierka do wałków zbudowana przez Nortona, wielowrzecionowy automat tokarski. Pierwsza frezarka uniwersalna [7] 52

53 Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne wykład 2 53

54 Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne wykład 2 Kolejnymi milowymi krokami na drodze rozwoju obrabiarek było wynalezienie w roku 1898 przez Taylora i White a stali narzędziowej szybkotnącej umożliwiającej skrawanie z szybkościami cztery do pięć razy większymi niż dotychczas, w roku 1893 rozpoczęcie produkcji pierwszego syntetycznego materiału ściernego syntetycznego karborundu (sztucznego węglika krzemu SiC) oraz w roku 1900 otrzymanie kolejnego syntetycznego materiału ściernego elektrokorundu (trójtlenku aluminium Al2O3). Na przełomie wieków 19 i 20 powstają pierwsze obrabiarki do kół zębatych walcowych (1896 Fellows i 1897 Pfauter) i stożkowych (1905 Bilgram i Gleason). 54

55 Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne wykład 2 Zasadniczy wpływ na rozwój przemysłu przed pierwszą wojną światową wywarł Taylor, który wraz z Hilberrtem, Barthem, Canttem w latach od 1880 do 1911 opracował zasady naukowego kierowania pracą, norm technicznych, metod obliczeń w planowaniu i normalizowaniu, sposobu kontroli. Następcy i realizatorzy zasad Taylora doszli do nowoczesnej organizacji produkcji przemysłowej. Odpowiednie zasady Taylora można wyrazić w następujących punktach: 1. Zastąpienie opartych na tradycji i rutynie sposobów pracy przez nowe sposoby opracowane na podstawie doświadczeń i specjalnych studiów ruchów potrzebnych dla wykonania określonej pracy. 2. Doboru robotników najlepiej przystosowanych do danej pracy i tematyczne nauczanie ich nowych zasad pracy. 3. Oddzielenie przygotowania pracy do jej wykonania, w celu zwolnienia robotników od wykazania jakiejkolwiek inicjatywy, przerzucając tę czynność wyłącznie na kierownictwo. Wprowadzanie podziału pracy zarówno wśród wykonawców, jaki i kierownictwo, a w organizacji samego procesu produkcji daleko idącego podziału na operacje, zabiegi, chwyty itp. 4. Wprowadzenie systemu płacy opartego na podziale zysków otrzymanych z nadwyżek produkcji. 55

56 Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne wykład 2 Pierwsza wojna światowa ( ) spowodowała, poprzez olbrzymie zapotrzebowanie na precyzyjne elementy broni, gwałtowny i nie mających w dotychczasowej historii precedensu rozwój obrabiarek. Angielski historyk Cressy tak opisuje to zjawisko: Setki zakładów przemysłowych, w których stal szybkotnąca znana była tylko z nazwy zaczęło stosować ją regularnie. Wiele obrabiarek automatycznych, szczególnie frezarek i szlifierek, zostało wprowadzonych do produkcji w małych zacofanych warsztatach mechanicznych, w których zaczęto je wkrótce uważać za niezbędne i istotne wyposażenie parku narzędziowego. Stosowanie specjalnych uchwytów do przedmiotów o nieregularnych kształtach oraz precyzyjnych sprawdzianów przy produkcji części wymiennych rozpowszechniło się w niebywałym zakresie pod naciskiem potrzeb wojennych [ 1]. 56

57 Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne wykład 2 Okres po pierwszej wojnie światowej należał do gwałtownie rozwijającej się automatyzacji produkcji masowej. Pierwsze próby z masową produkcją broni miały miejsce we Francji już w latach od 1717 do 1785, następnie w USA w roku W 1809 roku Eli Terry rozpoczął masową produkcję drewnianych zegarków. Zastosowanie metod produkcji masowej spowodowało, że cena zegarka spadła z 25 do 5 dolarów. Około roku 1902 rozpoczęto masową produkcję samochodów (firmy Olds i Ford) z wykorzystaniem taśmowego [1] (potokowego) systemu produkcji. W roku 1934 firma Greenlee wykonała pierwszą linię złożoną z obrabiarek zespołowych wyposażonych w przenośnik ręczny, a w 1935 pierwszą automatyczną linię obrabiarkową o trzech stanowiskach roboczych. Do 1939 roku zbudowano (głównie w USA) liczne automatyczne linie obrabiarek zespołowych, głównie dla przemysłu samochodowego. [1] Produkcja taśmowa (potokowa, przepływowa, ciągła); jedna z form techniczno-organizacyjnych procesu produkcyjnego, oparta na zasadzie ciągłego przepływu części składowych wyrobu gotowego między stanowiskami roboczymi, ustawionymi w linie produkcyjną. 57

58 Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne wykład 2 58

59 Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne wykład 2 O dynamice rozwoju automatyzacji świadczyć może to, iż wyposażenie do automatycznej kontroli maszyn i procesów technologicznych w roku 1923 w USA stanowiło 8 % ogólnej sprzedaży maszyn, a w roku 1939 już 35 %. Sztandarowym przykładem automatyzacji w owych czasach była wytwórnia ram samochodowych firmy A.O. Smith & Co (Milwaukee, USA), w której co osiem sekund z taśmy zjeżdżała gotowa rama ( ram dziennie) powstała bez bezpośredniego udziału człowieka. Załoga tego zakładu składała się ze 120 ludzi, w większości kontrolerów i obsługi technicznej. Wytwórnia ta produkowała ramy do nadwozi samochodowych dla całego przemysłu motoryzacyjnego USA (75 % produkcji) z wyjątkiem samochodów Forda, który posiadał własną wytwórnie. 59

60 Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne wykład 2 Okres powojenny w dziedzinie maszyn technologicznych to dalszy rozwój automatyzacji. Za [10] możemy wymienić najważniejsze osiągnięcia i udoskonalenia w dziedzinie budowy obrabiarek z tego okresu: uproszczenie obsługi i automatyzacja, rozwój obrabiarek kopiowych, wprowadzenie automatycznej wymiany narzędzia i przedmiotu obrabianego, automatyzacja pomiarów połączona z kompensacją zużycia narzędzia, udoskonalenie metod obróbki wykańczającej (tzw. superfinish), wprowadzenie sterowań programowych. 60

61 Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne wykład 2 W drugiej połowie 20 wieku pojawiła się idea systemów produkcyjnych zintegrowanych [1]. W początkach lat 80. badania w zakresie takich systemów zakładały całościowe przetwarzania danych i zarządzanie nimi z jednego komputera o bardzo dużej mocy obliczeniowej [2]. Starania naukowców i inżynierów poszły w kierunku wyeliminowania człowieka jako elementu zakłócającego proces produkcyjny. Począwszy od lat 90. rozwój SPI przejawia się bardziej w doskonaleniu organizacji niż ulepszaniu technologii. [1] System produkcyjny zintegrowany (SPI) = produkcja komputerowo zintegrowana (ang. computer integrated manufacturing (CIM). 61

62 Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne wykład 3 3. JAK POWSTAJE MASZYNA? 1. rozpoznanie uzasadnionej potrzeby, 2. projektowanie, 3. konstruowanie, 4. wykonanie, 5. eksploatacja, 6. utylizacja. 62

63 Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne wykład Projektowanie W powszechnym tego słowa znaczeniu poprzez projektowanie rozumiemy wyznaczanie zakresu i sposobów działania nowego środka technicznego (tworzenie nowego rozwiązania technicznego) [10]. Jednakże w zależności od sformułowania potrzeby projektowania możemy mówić o dwóch innych jego znaczeniach: - poprzez projektowanie rozumiemy wybieranie, wśród wielu możliwych rozwiązań, sposobu celowego zastosowania już istniejącego środka technicznego, lub - wyznaczanie zmienionego sposobu działania istniejącego środka technicznego nazywane potocznie modernizacją. 63

64 Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne wykład Konstruowanie Konstrukcja- budowa (struktura) urządzenia technicznego, określona przez zespół cech odpowiadających przeznaczeniu urządzenia. Konstrukcja jest to układ struktur i stanów sztucznego układu materialnego, tj. konkretu uzyskanego dzięki celowym przekształceniom materii. Konstrukcja jest to zespół cech (własności) wytworu wyznaczonych przez konstruktora. 64

65 Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne wykład Podstawowe zasady zapisu konstrukcji Aby zapis był skuteczny ze względu na cel, jakim jest przekazywanie informacji, musi odpowiadać pewnym warunkom, które można ująć w postaci podstawowych zasad sporządzenia zapisu konstrukcji; są to: zasad jednoznaczności, zasada nie sprzeczności, zasada zupełności. Rodzaje zapisu konstrukcji: graficzny, czyli rysunkowy, słowny, fotograficzno rysunkowy, alfanumeryczny (komputerowy). 65

66 Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne wykład 3 66

67 Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne wykład Kryteria w procesie projektowo-konstrukcyjnym Racja celowości technicznej (po co?) Racja ekonomiczna (za co?) Racja możliwości wytwórczych (jak?) 67

68 Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne wykład 3 68

69 Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne wykład 3 69

70 Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne wykład 3 70

71 Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne wykład 3 71

72 Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne wykład 3 72

73 73

74 Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne wykład Zasady konstrukcji optymalnego stanu obciążenia, optymalnego tworzywa, optymalnej stateczności (sztywności), optymalnej sprawności, optymalnych stosunków wielkości związanych 74

75 Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne wykład 3 Zasady szczegółowe: polepszenie równomierności rozkładu obciążeń i naprężeń, zwiększenie liczby dróg przenoszenia obciążeń; zapewnienie korzystnego (ze względu na minimalizację odkształceń i naprężeń) przebiegu tzw. obwodu sił w układzie nośnym i poszczególnych zespołach obrabiarki; zapewnienie samoczynnego reagowania mechanizmów i elementów konstrukcji na zmieniające się warunki obciążenia (zasada samoadaptacji); wyrównoważenie sił statycznych i dynamicznych w elementach i zespołach napędowych; zmniejszanie lub łagodzenie obciążeń uderzeniowych 75

76 Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne wykład 3 76

77 Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne wykład 3 77

78 Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne wykład 3 78

79 Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne wykład 3 Zasada optymalnego tworzywa 79

80 Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne wykład 3 Zasada optymalnej stateczności Układ materialny jest stateczny, jeżeli pod działaniem obciążeń odkształcenia jego elementów nie przekraczają wartości dopuszczalnych, a po ustąpieniu obciążeń wszystkie elementy przyjmują z powrotem pierwotną postać i położenie. Miarą stateczności mogą być dopuszczalne naprężenia (warunek wytrzymałości) lub odkształcenia (warunek sztywności). Wymienione dwa warunki na ogół nie są jednoznaczne. W każdym jednak przypadku projektowania odpowiedzialnych elementów konstrukcji powinno się dążyć do tego, żeby przy wystąpieniu dopuszczalnych naprężeń odkształcenia nie przekraczały wartości warunkujących prawidłowe działanie maszyny. W konstrukcji obrabiarek decydujące znaczenie ma kryterium sztywności, ponieważ dostatecznie duża sztywność jest podstawowym warunkiem zapewnienia wymaganej dokładności obróbki. Istotą, zasady optymalnej stateczności jest dobór przez konstruktora takich postaci i wymiarów elementów oraz takich układów tych elementów, aby jak najlepiej wykorzystać, własności tworzywa (wytrzymałościowe, sprężyste, tłumiące) w celu zapewnienia skutecznego działania maszyny. 80

81 Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne wykład 3 Zasada optymalnej sprawności Ze względu na racje ekonomiczne należy zawsze dążyć do minimalizacji energii zużywanej przez maszynę do wykonywania pracy użytecznej. Dążenie do uzyskania możliwie największej sprawności uzasadniają również względy techniczne. Bezpośrednim skutkiem strat energii mechanicznej jest wydzielanie ciepła, które przenika do elementów obrabiarki i powoduje odkształcenia w układzie N-PO, co w konsekwencji prowadzi do pogorszenia dokładności obróbki. Należy również podkreślić ujemny wpływ małej sprawności na właściwości dynamiczne obrabiarki (drgania samowzbudne) i na zużywanie się elementów trących. Zmniejszenie strat energetycznych zależy nie tylko od rozwiązań konstrukcyjnych, ale również a nawet bardziej od jakości wykonania i montażu. Jeśli konstruktor decyduje się na zastosowanie mechanizmów o małej sprawności (np. przekładni ślimakowej, śrubowej samohamownej, dławików w układzie hydraulicznym), to przeważnie w przypadkach uzasadnionych racjami technicznymi. Stosowanie mechanizmów o małej sprawności daje się uzasadnić, gdy doprowadzana moc jest niewielka (np. w napędach posuwów), lub gdy między okresami zapotrzebowania mocy występują znaczne przerwy (np. w mechanizmach ruchów przestawczych). 81

82 Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne wykład 3 Zasada optymalnych stosunków wielkości związanych Związanymi nazywamy takie wielkości określające cechy konstrukcji, których dobór nie może być dokonany niezależnie od siebie. Wielkościami związanymi mogą być: wymiary geometryczne (np. stosunek d/l średnicy do długości czopa w łożysku ślizgowym), własności stereomechaniczne tworzywa (wytrzymałość i sprężystość), dynamiczne parametry konstrukcji (rozkład mas, stosunki sztywności elementów tworzących układ), parametry kinematyczne (np. stosunki przełożeń elementarnych w przekładniach wielostopniowych, wskaźniki techniczno-ekonomiczne i in.). Ponieważ jest mało prawdopodobne, żeby dowolnie dobrane stosunki były najodpowiedniejsze, poszukiwanie takich najodpowiedniejszych ze względu na obrane kryteria, czyli optymalnych stosunków, jest nieodzownym warunkiem poprawnego konstruowania. Podczas ustalania optymalnych stosunków wielkości związanych konstruktor wykorzystuje własne i cudze doświadczenia, analizuje konstrukcje podobne sprawdzone w eksploatacji, korzysta ze wskazówek podawanych w podręcznikach i poradnikach albo poszukuje optymalnych wartości metodami teoretycznymi. Optymalna pod względem stosunków wymiarowych konstrukcja sprawia ogólne wrażenie uporządkowania, rytmu elementów powtarzalnych, harmonii, proporcji i swoistego piękna. Nie widać w niej przypadkowości, ale wnikliwe przemyślenie najdrobniejszych szczegółów. 82

83 Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne wykład Optymalizacja konstrukcji Metody optymalizacji: -Heurystyczne -Analityczne 83

84 Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne wykład 3 Etapy analitycznej optymalizacji konstrukcji Zdefiniowanie problemu Model fizyczny Model matematyczny Warunki ograniczające Funkcja kryterialna (funkcja celu) Rozwiązanie optymalne 84

85 Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne wykład 3 85

86 Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne wykład 3 86

87 Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne wykład 3 87

88 Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne wykład 3 0,5 < i <2 (2,5) 88

89 Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne wykład Etapowy podział procesu projektowo-konstrukcyjnego 89

90 Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne wykład 3 90

91 Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne wykład Założenia konstrukcyjne Zgodnie z praktyką stosowaną w polskim przemyśle założenia konstrukcyjne powinny obejmować: analizę zapotrzebowania przez przemysł krajowy oraz ocenę możliwości eksportowych; uzasadnienie założonych parametrów technicznych oraz porównanie ich z parametrami podobnych wyrobów przodujących firm zagranicznych, z uwzględnieniem tendencji rozwojowych; ustalenie typoszeregu oraz odmian technologicznych i kolejności ich realizacji w produkcji; analizę możliwości produkcyjnych, uzgodnioną z wytwórcą, uwzględniającą również ewentualne jego potrzeby inwestycyjne; przewidywane badania modelowe konieczne do sprawdzenia koncepcji ważniejszych nowych zespołów i węzłów konstrukcyjnych, przy czym jako zasadę: należy przyjąć, że proces roboczy obrabiarki jest dobrze znany lub został zbadany przed 91 przystąpieniem do opracowania założeń przynajmniej w skali laboratoryjnej;

92 Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne wykład 3 wstępne rozeznanie patentowe w zakresie rozwiązań układu roboczego obrabiarki i głównych zespołów, zwłaszcza w porównaniu z patentami zagranicznymi; opis koncepcji rozwiązania konstrukcji, uzupełniony niezbędnymi schematami (schemat kinematyczny, hydrauliczny, ideowy elektryczny i blokowy układu sterowania), uproszczonymi rysunkami ważniejszych węzłów konstrukcyjnych i rysunkiem widoku obrabiarki (lub kolorowym rysunkiem z uwidocznieniem elementów obsługi i sterowania); analizę ekonomicznej efektywności uruchomienia produkcji nowego wyrobu, obejmującą również wstępną kalkulację kosztu własnego produkcji w skali przemysłowej i przewidywaną cenę zbytu; harmonogram realizacji etapów prac konstrukcyjnych i przygotowawczych, zmierzających do uruchomienia produkcji. 92

93 Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne wykład Projekt wstępny Według przyjętych obecnie zwyczajów projekt wstępny ma postać rysunków zestawieniowych, wykonanych najczęściej ołówkiem na kalce technicznej. Na rysunkach tych, które mają być podstawą do sporządzenia rysunków wykonawczych części, konstruktor podaje niezbędne wymiary elementów, wymiary montażowe, pasowania, nominalne wymiary części znormalizowanych oraz sporządza wstępny wykaz części (najczęściej w rozbiciu na części konstruowane i znormalizowane). Projekt wstępny obejmuje również uściśloną analizę ekonomiczną wyrobu oraz wykonany w skali l: l albo l: 10 model lub makietę obrabiarki, sprawdzone pod względem ergonomicznym. 93

94 Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne wykład 3 Rysunek złożeniowy podzespołu wałka napędowego pompy smarowej stanowiący podstawę do sporządzenia rysunków wykonawczych części; rysunek obejmuje dwa zunifikowane rozwiązania różniące się szerokością L korpusu skrzynki przekładniowej 94

95 Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne wykład Projekt wykonawczy Projekt wykonawczy obejmuje całą dokumentację konstrukcyjną wyrobu, w skład której wchodzą: rysunki wykonawcze konstruowanych części, rysunki zestawieniowe poszczególnych zespołów, rysunek ogólny maszyny (widoki zewnętrzne), rysunki zestawieniowe uzupełniające (układu smarowania, chłodzenia, połączeń zespołów hydraulicznych i in.), schematy funkcjonalne (kinematyczny, hydrauliczny, pneumatyczny, elektryczny, układu sterowania) i montażowe (elektryczny i ewentualnie hydrauliczny), wykazy zespołów i części konstruowanych, znormalizowanych 95

96 Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne wykład Wykonanie prototypu Prototypem nazywamy pierwszy egzemplarz nowego zaprojektowanego wyrobu lub egzemplarz kontrolny wyrobu wykonany do oceny wprowadzonych zmian konstrukcyjnych. Prototyp wykonuje się na podstawie dokumentacji konstrukcyjnej zawartej w projekcie wykonawczym. W zależności od zakresu przewidywanych prób i badań oraz czasu ich trwania prototyp może być: wykonany w jednym egzemplarzu lub w kilku egzemplarzach (seria prototypowa). Przed przekazaniem do prób i badań prototyp powinien być odebrany zgodnie z WOT" przez kontrolę techniczną producenta w obecności odpowiedzialnego konstruktora wiodącego. 96

97 Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne wykład Badania prototypu Próby i badania prototypu mają na celu przede wszystkim doświadczalne sprawdzenie poprawności konstrukcji, wykonania i działania wyrobu. Próby i badania prototypu pozwalają na wykrycie popełnionych błędów konstrukcyjnych, które mogą być poprawione przed przekazaniem dokumentacji do wykonania seryjnego wyrobu. Dlatego badania prototypu można traktować jako przedłużenie procesu konstruowania. W trakcie badania prototypu ustala się charakterystyki techniczne i eksploatacyjne wyrobu, a także porównuje badany wyrób z podobnymi wyrobami wdrarzanymi w kraju i zagranicą. W przypadku serii prototypowej część wykonanych egzemplarzy poddaje się próbom eksploatacji w zakładach produkcyjnych. 97

98 Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne wykład Dokumentacja techniczna dla serii próbnej Dokumentacja techniczna dla serii próbnej (informacyjnej) stanowi pierwszy etap prac zmierzających do uruchomienia seryjnej produkcji wyrobu. Dokumentacja techniczna dla serii próbnej obejmuje: zweryfikowaną dokumentację konstrukcyjną, uwzględniającą wszystkie zmiany, poprawki i uzupełnienia wynikające z prób i badań prototypu; dokumentację technologiczną, stanowiącą zbiór dokumentów określa jących sposób wykonania wyrobu i potrzebne do tego celu środki (maszyny, urządze nia, oprzyrządowanie); 98

99 Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne wykład Dokumentacja techniczna dla serii próbnej Dokumentacja techniczna dla serii próbnej (informacyjnej) stanowi pierwszy etap prac zmierzających do uruchomienia seryjnej produkcji wyrobu. Dokumentacja techniczna dla serii próbnej obejmuje: zweryfikowaną dokumentację konstrukcyjną, uwzględniającą wszystkie zmiany, poprawki i uzupełnienia wynikające z prób i badań prototypu; dokumentację technologiczną, stanowiącą zbiór dokumentów określa jących sposób wykonania wyrobu i potrzebne do tego celu środki (maszyny, urządze nia, oprzyrządowanie); 99

100 Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne wykład Ocena konstrukcji 100

101 Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne wykład 3 101

102 Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne wykład 3 102

103 Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne wykład 3 103

104 Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne wykład Konstruowanie metodyczne sporządzanie rysunków 37,0% konstruowanie koncepcyjne 17,5% zbieranie informacji i studia 14,5% wprowadzanie zmian 11% kontrola i weryfikacja 7,5% sporządzanie wykazów części 4,7% obliczenia 5,2% dobór części katalogowych i normalnych 2,6% 104

105 Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne wykład 3 105

106 Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne wykład Technologiczność konstrukcji Technologiczność, inaczej technologiczna poprawność, oznacza cechy konstrukcji sprzyjające jej zrealizowaniu w postaci wytworu w konkretnych warunkach produkcji, przy jak najmniejszej pracochłonności i kosztach własnych. Ogólne zasady technologiczności konstrukcji są podane w podręcznikach technologii budowy maszyn [47]. Generalną zasadą poprawnego technologicznie konstruowania jest udzielenie odpowiedzi na pytania, które konstruktor stawia sam sobie, zanim podejmie decyzję o ostatecznym kształcie konstruowanej części: jak to zrobić za pomocą dysponowanych środków produkcji, jak zrobić w najkrótszym czasie i najtaniej? Opracowanie konstrukcji technologicznie poprawnej wymaga od konstruktora odpowiedniego zasobu wiedzy teoretycznej i praktycznej w zakresie procesów wytwarzania (obróbka mechaniczna, montaż, eksploatacja maszyn). Konstruktor powinien ustawicznie śledzić postęp w dziedzinie technologii. Może on i powinien żądać od producenta wprowadzenia nowych metod wytwarzania, jeżeli w wyniku zastosowania tych metod uzyskuje się polepszenie cech techniczno-użytkowych obrabiarki. 106