View
238
Download
3
Category
Preview:
Citation preview
1
MASZYNOZNAWSTWO OGÓLNE
I MASZYNY TECHNOLOGICZNE
Katedra Budowy Maszyn
Dr hab. inż. Janusz ŚLIWKA
p.492
Katedra Budowy Maszyn, Politechnika Śląska w Gliwicach
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
3
Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne –wykład 1
Literatura do wykładu
[1] Cressy E.: A Hundred Years of Mechanical Ingineering. London, 1937.
[2] Encyclopedia Universalis - Świat nauki współczesnej. PWN, Warszawa, 1996.
[3] Encyklopedia Techniki Tom Budowa Maszyn WNT Warszawa, 1968.
[4] Internetowe materiały reklamowe firmy Viessmann
[5] Paderewski K.: Vadenecum obrabiarek skrawających. WNT, Warszawa, 1979.
[6] Orlik Z.: Maszynoznawstwo. WSiP, 1989.
[7] Lilley S.: Ludzie, maszyny i historia. PWN, Warszawa, 1958.
[8] Stryczek S.: Napęd hydrostatyczny. Tom 1, WNT, Warszawa, 1990.
[9] Wielka Encyklopedia Internetowa
[10] Wrotny L.T.: Podstawy budowy obrabiarek. WNT, Warszawa, 1973.
[11] Historia nauki i techniki. Encyklopedia edukacyjna. Bellona Warszawa, 2002.
[12] Encyklopedia PWN, Warszawa, 2004.
4
Zwykłe rzeczy - niezwykłe wynalazki
Prawda czy fałsz - pogromcy mitów
Jak to jest zrobione?
5
Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne –wykład 1
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
Plan wykładu:
6
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
10.1. Dźwignice
10.2. Przenośniki
10.3. Pojazdy samochodowe
11. Tendencje rozwojowe w budowie i eksploatacji
maszyn
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
7
8
Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne –wykład 1
„Maszyna – urządzenie techniczne zawierające mechanizm[1] lub zespół
mechanizmów we wspólnym kadłubie, służące do przetwarzania energii lub
wykonywania określonej pracy.”
[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.
„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”
1.1. Definicje i podział maszyn
1. PODSTAWOWE DEFINICJE I PARAMETRY
9
Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne –wykład 1
Współczesny model maszyny
Maszyny możemy podzielić na:
maszyny energetyczne, służące do przetwarzania jednego rodzaju energii w
inny (np. silniki, turbiny, prądnice),
Tradycyjny model maszyny
10
Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne –wykład 1
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),
12
Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne –wykład 1
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).
14
Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne –wykład 1
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).
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.
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 ?”
?
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.
19
20
Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne –wykład 1
1.2. Podstawowe parametry techniczne maszyn
Moc
Praca W wykonana w jednostce czasu t jest miarą mocy maszyny.
dt
dWP
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.
21
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.
%100W
U
W
W
Oczywiście sprawność możemy definiować nie tylko poprzez pracę, ale również przez
moc włożoną i moc użyteczną.
Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne –wykład 1
22
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]
Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne –wykład 1
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.
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]
25
1.3. Cechy użytkowe maszyn
Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne –wykład 1
• 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).
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]
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.
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).
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).
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.
31
Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne –wykład 2
2. RYS HISTORII ROZWOJU MASZYN
„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.
Wyraz „maszyna” pochodzi z narzecza doryckiego1 („mechene”), gdzie
oznaczał środek pomocniczy, narzędzie.
[1]Dorowie (gr. Dorieís) starożytne plemiona greckie, które ok. 1200 r. p.n.e. przywędrowały na Peloponez,
osiedliły się tu, niszcząc kulturę mykeńską, tworząc państwa-miasta (np. Spartę, Megarę, Argos, Korynt).
2.1. Wynalazczość na przestrzeni wieków
32
Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne –wykład 2
Względny wzrost wynalazczości [7]
33
Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne –wykład 2
Wytapianie miedzi z rud (ok. 4000 r.p.n.e)
Odlewnictwo (ok. 3700 r.p.n.e)
Wóz kołowy (ok. 3700 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)
34
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.
Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne –wykład 2
35
Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne –wykład 2
Transport w epoce brązu [7]
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.
37
Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne –wykład 2
Pierwsze zegary mechaniczne [11]
38
Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne –wykład 2
Mechanika Aleksandryska [11]
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.
39
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.
Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne –wykład 2
40
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.
Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne –wykład 2
41
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 (1452-1519), 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.
Wpłynął na całe pokolenia twórców w różnych dziedzinach sztuki i techniki.
Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne –wykład 2
42
Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne –wykład 2
2.2. 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.
43
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
Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne –wykład 2
44
Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne –wykład 2
Tokarka do nacinania gwintów Bessona (1568) [7]
Obrabiarki nie uległy poważniejszym
przemianom aż do początków rewolucji
przemysłowej końca 18 wieku.
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.
46
Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne –wykład 2
Zasada pracy oraz maszyna
parowa Newcomena [11]
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 1769. 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.
48
Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne –wykład 2
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).
50
Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne –wykład 2
„Rakieta” Stephenson’a [11]
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.
52
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]
Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne –wykład 2
53
Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne –wykład 2
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).
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.
56
Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne –wykład 2
Pierwsza wojna światowa (1914-1918) 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].
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 1800.
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.
58
Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne –wykład 2
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 (10 000 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.
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.
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).
62
Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne –wykład 3
3. JAK POWSTAJE MASZYNA ?
6. utylizacja.
1. rozpoznanie uzasadnionej potrzeby,
2. projektowanie,
3. konstruowanie,
4. wykonanie,
5. eksploatacja,
63
Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne –wykład 3
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.
3.1. Projektowanie
64
3.2. Konstruowanie
Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne –wykład 3
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.
65
Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne –wykład 3
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.
3.3. Podstawowe zasady zapisu konstrukcji
Rodzaje zapisu konstrukcji:
• graficzny, czyli rysunkowy,
• słowny,
• fotograficzno – rysunkowy,
• alfanumeryczny (komputerowy).
66
Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne –wykład 3
67
Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne –wykład 3
3.4. Kryteria w procesie projektowo-konstrukcyjnym
Racja celowości technicznej (po co ?)
Racja ekonomiczna (za co ?)
Racja możliwości wytwórczych (jak ?)
68
Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne –wykład 3
69
Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne –wykład 3
70
Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne –wykład 3
71
Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne –wykład 3
72
Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne –wykład 3
73
74
Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne –wykład 3
3.5. Zasady konstrukcji
— optymalnego stanu obciążenia,
— optymalnego tworzywa,
— optymalnej stateczności (sztywności),
— optymalnej sprawności,
— optymalnych stosunków wielkości związanych
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
76
Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne –wykład 3
77
Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne –wykład 3
78
Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne –wykład 3
79
Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne –wykład 3
Zasada optymalnego tworzywa
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.
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).
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.
83
Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne –wykład 3
3.6. Optymalizacja konstrukcji
Metody optymalizacji:
-Heurystyczne
-Analityczne
84
Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne –wykład 3
Model fizyczny
Model matematyczny
Warunki ograniczające
Funkcja kryterialna (funkcja celu)
Rozwiązanie optymalne
Zdefiniowanie problemu
Etapy analitycznej optymalizacji konstrukcji
85
Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne –wykład 3
86
Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne –wykład 3
87
Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne –wykład 3
88
Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne –wykład 3
0,5 < i <2 (2,5)
89
Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne –wykład 3
3.7. Etapowy podział procesu projektowo-konstrukcyjnego
90
Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne –wykład 3
91
3.7.1. 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
przystąpieniem do opracowania założeń przynajmniej w skali laboratoryjnej;
Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne –wykład 3
92
— 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.
Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne –wykład 3
93
3.7.2. Projekt wstępny
Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne –wykład 3
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.
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
95
Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne –wykład 3
3.7.3. 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
96
Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne –wykład 3
3.7.4. 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.
97
Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne –wykład 3
3.7.4. Badania prototypu
Próby i badania prototypu mają na celu przede wszystkim doświadczalne
sprawdzenie poprawności konstrukcji, wykonania i działania wyrobu. Próby i ba-
dania 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.
98
Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne –wykład 3
3.7.5. 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
Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne –wykład 3
3.7.5. 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);
100
Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne –wykład 3
3.8. Ocena konstrukcji
101
Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne –wykład 3
102
Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne –wykład 3
103
Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne –wykład 3
104
Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne –wykład 3
3.9. 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%
105
Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne –wykład 3
106
Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne –wykład 3
3.8. 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.
107
Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne –wykład 3
108
Do najważniejszych bezwzględnych wskaźników technologiczności konstrukcji
należą:
— pracochłonność wykonania, wyrażona w normowanych godzinach pracy, w
rozbiciu na pracochłonność obróbki skrawaniem, obróbki bezwiórowej
(odlewanie, obróbka plastyczna), obróbki cieplnej, robót spawalniczych, montażu
i operacji wykończeniowych (czyszczenie, malowanie);
— materiałochłonność, wyrażająca masy i koszty materiałów zużytych na
wykonanie obrabiarki, w rozbiciu na materiały żeliwne (odlewy), stale zwykłej
jakości, stale stopowe, stopy metali nieżelaznych, tworzywa sztuczne, czyste metale
i in.
Względne wskaźniki technologiczności konstrukcji otrzymuje się w wyniku
podzielenia wskaźników bezwzględnych przez odpowiednią wielkość odniesienia,
Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne –wykład 3
109
Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne –wykład 3
110
Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne –wykład 3
3.9. Typizacja, unifikacja i normalizacja
Typizacja konstrukcji polega na racjonalnym zmniejszeniu różnorodności części,
podzespołów i węzłów konstrukcyjnych, a najszerzej wyrobów gotowych (finalnych),
do liczby wystarczającej w danych warunkach i w danym okresie czasu.
Najlepiej jest, jeśli typizacja obejmuje konstrukcje, które w wyniku praktycznego
sprawdzenia okazały się najbardziej celowe i sprawne.
Unifikacja polega na konstruowaniu technicznie i ekonomicznie uzasadnionych,
optymalnie zróżnicowanych zespołów i części w celu szerokiego i różnorodnego ich
wykorzystania do budowy wyrobów złożonych różnych typów lub odmian,
różniących się przeznaczeniem produkcyjnym, zakresem zastosowań lub wielkością.
W dziedzinie obrabiarek unifikacja rozwinęła się tak dalece, że stała się jedną z
najbardziej efektywnych współczesnych metod konstruowania.
111
Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne –wykład 3
112
Normalizacja polega na sprowadzeniu różnorodności w powtarzalnych
postaciach do stanu optymalnego zróżnicowania,
Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne –wykład 3
określonego i ustalonego jednoznacznie w drukowanych dokumentach techniczno
-prawnych zwanych normami.
113
Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne –wykład 3
Cele Normalizacji
Działalność normalizacyjna generalnie służy celom wynikającym z samej definicji
normalizacji, czyli uzyskaniu optymalnego w danych okolicznościach stopnia
uporządkowania w określonym zakresie. Nie mniej można wyróżnić cele szczegółowe,
które ukierunkowują krajową działalność normalizacyjną:
1. Racjonalizacja produkcji i usług poprzez stosowanie uznanych reguł technicznych
lub rozwiązań organizacyjnych.
2. Usuwanie barier technicznych w handlu i zapobieganie ich powstawaniu.
3. Zapewnienie ochrony życia, zdrowia, środowiska i interesu konsumentów oraz
bezpieczeństwa pracy.
4. Poprawa funkcjonalności, kompatybilności i zamienności wyrobów, procesów i
usług oraz regulowania ich różnorodności.
5. Zapewnienie jakości i niezawodności wyrobów, procesów i usług.
6. Działania na rzecz uwzględnienia interesów krajowych w normalizacji europejskiej
i międzynarodowej.
7. Ułatwianie porozumiewania się przez określanie terminów, definicji, oznaczeń i
symboli do powszechnego stosowania.
114
Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne –wykład 3
Korzyści ze stosowania norm
1. Normy sprzyjają komunikowaniu się i likwidowaniu barier w handlu.
Istnienie różnych norm krajowych niewątpliwie utrudnia swobodny przepływ dóbr i
usług.
2. Normy przyczyniają się do zwiększenia bezpieczeństwa pracy i użytkowania.
Za zdrowie społeczne, bezpieczeństwo i ochronę środowiska odpowiedzialność
ponoszą organy władzy. Upowszechniana jest więc polityka, aby w europejskim i
krajowym ustawodawstwie powoływać się na normy europejskie, jako wzorzec
zgodności w obszarze regulowanym.
3. Normy są uznawane za gwarancję odpowiedniej jakości.
W dyrektywach dotyczących zamówień publicznych wymaga się, aby w ofertach
powoływano normy europejskie, o ile w danym obszarze takie istnieją. Jest to
istotne, ponieważ zamówienia publiczne stanowią około 10% wszystkich
przedsięwzięć w Europejskim Obszarze Gospodarczym (European Economic Area -
EEA).
115
Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne –wykład 3
4. Normy przyczyniają się obniżenia kosztów ochrony zdrowia lub środowiska.
W wielu dziedzinach tzw. normy zharmonizowane z dyrektywami nowego podejścia
pozwalają producentowi zadeklarować zgodność wyrobów z wymaganiami
przepisów technicznych bez konieczności powoływania strony trzeciej do wydania
stosownego certyfikatu.
5. Normy ułatwiają eksport.
Dzięki normom europejskim dla producentów z obszaru UE otwiera się rynek ponad
360 milionów konsumentów, na którym koszty amortyzacji badań rozwojowych i
wprowadzania wyrobów na rynek są znacznie mniejsze niż przy jednostkowym rynku
krajowym.
6. Normy sprzyjają swobodnemu przepływowi towarów i wpływają korzystnie na
poziom ich cen.
Dzięki normom europejskim wzrasta konkurencyjność i wolność wyboru konsumenta
w stosunku do dóbr i usług oferowanych na rynku.
7. Normy pozwalają na upowszechnianie postępu technicznego.
Dzięki zaufaniu do norm europejskich, definiujących nowe materiały i technologie,
możliwy jest rozwój nowego przemysłu w technologicznie zaawansowanych
dziedzinach. Tym samym z jednej strony stwarzane są nowe możliwości zatrudnienia,
a z drugiej - produkowane nowoczesne wyroby.
116
Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne –wykład 3
8. Normy sprzyjają utrwalaniu osiągnięć techniki.
Szeroko zakrojona normalizacja europejska kreując za pomocą wymagań
zasadniczych jedynie podstawowe obszary wymagań pod kątem bezpieczeństwa,
bez konieczności uzgadniania szczegółów technicznych, pozwala na powstawanie
nowych usług, jak na przykład w zakresie techniki informatycznej IT (Information
Technology) czy w usługach telekomunikacyjnych.
9. Normy ułatwiają eksport globalny.
Promując normy europejskie na szczeblu międzynarodowym z jednej strony i
przyjmując normalizacyjne osiągnięcia międzynarodowe z drugiej strony, zachęca
się i popiera rozwój normalizacji globalnej oraz powszechne otwarcie rynków dla
producentów. Wszystkie europejskie wysiłki i działania przyjmują jako priorytet
rozwój normalizacji na szczeblu międzynarodowym wszędzie tam, gdzie jest to
możliwe.
10. Normy ułatwiają porozumiewanie się i dają gwarancję porównywalnego
standardu wyrobów i usług.
117
Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne –wykład 3
W normalizacji krajowej stosuje się następujące zasady:
1) jawności i powszechnej dostępności,
2) uwzględniania interesu publicznego,
3) dobrowolności uczestnictwa w procesie opracowywania i stosowania norm,
4) zapewnienia możliwości uczestnictwa wszystkich zainteresowanych w procesie
opracowywania norm,
5) konsensu jako podstawy procesu uzgadniania treści norm,
6) niezależności od administracji publicznej oraz jakiejkolwiek grupy interesów,
7) jednolitości i spójności postanowień norm,
8) wykorzystywania sprawdzonych osiągnięć nauki i techniki,
9) zgodności z zasadami normalizacji europejskiej i międzynarodowej.
118
Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne –wykład 3
Odpowiedzialność karna
1. Kto oznacza wyroby znakiem zgodności z Polską Normą bez uzyskania
certyfikatu zgodności upoważniającego do takiego oznaczenia podlega karze
grzywny.
2. Tej samej karze podlega, kto oznacza znakiem zgodności z Polską Normą
wyroby nie spełniające odpowiednich wymagań Polskiej Normy lub deklaruje
zgodność z Polską Normą wyrobów nie spełniających tych wymagań.
3. Postępowanie w sprawach następuje w trybie przepisów Kodeksu
postępowania w sprawach o wykroczenia.
119
Maszynoznawstwo ogólne i maszyny technologiczne –wykład 3
Prace nad stworzeniem wspólnego, spójnego systemu europejskiego
Dążąc do harmonizacji działań legislacyjnych, państwa członkowskie UE
podjęły kroki w kierunku stworzenia wspólnego systemu normalizacyjnego,
regulacyjnego i certyfikacyjnego. W 1983 roku przyjęły Dyrektywę 83/189/EWG
ustanawiającą procedurę udzielania informacji w zakresie norm i przepisów
technicznych. Dyrektywa zobowiązuje państwo Unii do notyfikowania projektów
norm i regulacji technicznych w Komisji Europejskiej w celu:
· spełnienia zasady przejrzystości trybu przyjmowanych norm i reguł
technicznych
· niedopuszczenia do utworzenia nowych przeszkód technicznych
· promocji normalizacji
Recommended