25

Lucrarea nr. 4

ALEGEREA MATERIALULUI OPTIM PENTRU CONFECŢIONAREA UNEI PIESE

1. OBIECTUL LUCRĂRII

Tendinţa de a alege materiale superioare cerinţelor minime de rezistenţă şi

durabilitate ale piesei este inadecvată din punct de vedere economic şi nu contribuie la

creşterea performanţelor tehnice ale produsului în care este înglobată piesa respectivă.

O alegere optimă a unui material pentru o anumită destinaţie este o

problemă deosebit de complexă ce trebuie rezolvată de proiectant, în principiu aceasta

însemnând alegerea acelui material care îndeplineşte cerinţele minime de

rezistenţă şi durabilitate ale piesei în condiţiile unui preţ de cost minim şi a unei

fiabilităţi sporite. Lucrarea îşi propune să prezinte o metodologie pentru alegerea

materialului optim pentru confecţionarea unei piese.

2. NOŢIUNI TEORETICE

Având în vedere diversitatea foarte mare de piese şi produse, respectiv de

materiale din care acestea pot fi confecţionate, este practic aproape imposibil de a se

stabili o metodă general valabilă şi riguros ştiinţifică, care să permită optimizarea

alegerii materialului. De obicei, se mizează pe experienţa proiectantului şi pentru o

alegere rapidă a materialului se pleacă de la câteva date referitoare la: solicitările din

timpul exploatării, condiţiile de exploatare (temperatură, presiune, viteză, mediul de

lucru), clasa de precizie din care face parte piesa şi condiţiile de execuţie. Abordarea

problemei în acest mod este neeconomică deoarece nu valorifică corespunzător toate

caracteristicile materialului. De aceea, în continuare se va prezenta o metodă de

alegere a materialului optim, numită metoda de analiză a valorilor optime. Această

metodă are la bază valorificarea la maximum a întregului ansamblu de proprietăţi

funcţionale, tehnologice şi economice ale materialului în condiţiile concrete de

realizare a piesei proiectate. Metoda, uşor aplicabilă în condiţiile actuale ale

dezvoltării metodelor de calcul rapid şi al existenţei de softuri specializate, presupune

rezolvarea următoarelor etape:

10 - stabilirea rolului funcţional al piesei, a tehnologicităţii construcţiei şi a

condiţiilor economice de funcţionare ale acesteia. Rolul funcţional al piesei este dat de

Lucrarea 4 27

rolul funcţional al fiecărei suprafeţe. Clasificarea suprafeţelor din punct de vedere al

rolului lor funcţional este următoarea:

suprafeţe de asamblare caracterizate prin:

- o anumită configuraţie geometrică;

- precizie dimensională ridicată;

- rugozitate mică;

- prescripţii referitoare la forma geometrică;

- prescripţii referitoare la poziţia suprafeţei în raport cu alte suprafeţe;

- eventuale prescripţii referitoare la duritatea suprafeţei.

suprafeţe funcţionale caracterizate prin:

- precizie dimensională ridicată (depinde de rolul funcţional în ansamblul din care

face parte);

- rugozitate mică (uneori este mare; depinde de rolul funcţional);

- prescripţii referitoare la forma geometrică;

- prescripţii referitoare la poziţia suprafeţei în raport cu alte suprafeţe;

- eventuale prescripţii referitoare la configuraţia geometrică;

- eventuale prescripţii referitoare la proprietăţile mecanice, aspectul suprafeţelor.

suprafeţe tehnologice - apar în timpul prelucrării şi ajută la

poziţionarea piesei în vederea prelucrării. Ele pot rămâne după terminarea prelucrării

sau pot dispărea, în funcţie de configuraţia finală a piesei. Se caracterizează prin:

- precizie dimensională corespunzătoare (neprecizată, de cele mai multe ori, cote

libere);

- rugozitatea suprafeţei corespunzătoare cu procedeul tehnologic de realizare a

suprafeţei;

- fără prescripţii sau eventuale prescripţii referitoare la forma geometrică;

- eventuale prescripţii referitoare la poziţia suprafeţei în raport cu suprafeţele ce

urmează a fi prelucrate.

suprafeţe auxiliare (de legătură) - fac legătura între suprafeţele

funcţionale şi cele de asamblare. Se caracterizează prin:

- precizie dimensională mică;

- rugozitatea suprafeţei mare (cea care rezultă din procedeul de obţinere al

semifabricatului);

- fără prescripţii referitoare la precizia de formă;

- fără prescripţii referitoare la precizia de poziţie.

Cunoscând aceste elemente referitoare la tipurile de suprafeţe ce delimitează o

piesă în spaţiu se poate stabili rolul funcţional al unei piese fără a cunoaşte ansamblul

din care face parte piesa sau se poate proiecta o piesă care să îndeplinească un anumit

rol funcţional impus. Pentru a realiza acest lucru se utilizează metoda de analiză

Lucrarea 4 27

morfo-funcţională a suprafeţelor. Această metodă presupune parcurgerea într-o

succesiune logică a următoarelor etape:

descompunerea piesei în suprafeţe cât mai simple ( plane, cilindrice,

conice, evolventice etc.);

notarea tuturor suprafeţelor ce delimitează piesa în spaţiu, folosind

sensul trigonometric sau o altă ordine. De exemplu pentru piesa din figura 1 s-a folosit

notaţia S1...Si, luată în sens invers trigonometric.

analiza fiecărei suprafeţe în parte din următoarele puncte de vedere:

formă geometrică a suprafeţei, dimensiuni de gabarit, precizie dimensională, precizie

de formă, precizie de poziţie, rugozitate şi duritate.

întocmirea unui graf ''suprafeţe - caracteristici'' având forma

prezentată în tabelul 1.

Cu informaţiile din tabelul 1 se pot stabili tipul şi rolul fiecărei suprafeţe ce

delimitează piesa în spaţiu.

20 - stabilirea factorilor analitici ai problemei alegerii materialului optim: se

face luând în considerare întregul ansamblu de proprietăţi funcţionale (fizice, chimice,

mecanice, electrice, magnetice, optice, nucleare şi estetice), proprietăţi tehnologice

(turnabilitate, deformabilitate, aşchiabilitate, sudabilitate şi călibilitate) şi proprietăţi

economice (preţ de cost, consum de energie, combustibili convenţionali, materie

primă, poluare etc.);

30 - descompunerea factorilor analitici în elemente primare: se face ţinând cont

de condiţiile rezultate din etapele 10 şi 20, luându-se în considerare cel puţin

proprietăţile: conductibilitate termică, temperatură de topire, temperatură de

vaporizare, vâscozitate, densitate, rezistenţă la coroziune, refractaritate, elasticitate,

rigiditate, plasticitate, fragilitate, fluaj, tenacitate, rezistenţă la rupere, rezistenţă la

curgere, rezistenţă la oboseală, conductivitate electrică, permeabilitate magnetică,

diamagnetism, paramagnetism, opacitate, absorbţie, rezistenţă la pătrundere a

radiaţiilor etc. Toţi factorii primari sunt prezentaţi într-un graf materiale-proprietăţi,

de forma celui prezentat în tabelul 2.

Lucrarea 4 29

Tabelul 1N

r.cr

t

Sup

rafa

ţa n

r.

For

ma

geom

etri

că a

sup

rafe

tei

Dim

ensi

unea

de

gab

arit

Pre

cizi

a di

men

s[m

m]

Pre

cizi

a de

for

mă

Pre

cizi

ade

poz

iţie

[m

m]

Rug

ozit

atea

Ra

[m

]

Dur

itat

ea

Tip

ul ş

iro

lul

supr

afeţ

ei P

roce

dee

tehn

olog

ice

de o

bţin

ere

1 S1 Plană 132 - 0,02 0,02 0,8

În

funcţie

de

material

Funcţi-onală

TurnareDefor-mare

Aşchiere

2 S2Evolven-

tică127 - 0,03 - 0,8

60-65

HRC

De asam-blare

TurnareDefor-mare

Aşchiere

3 S3Cilin-

drică132 +0,03 - - 0,8

În

funcţie

de

material

Funcţi-onală

TurnareDefor-mare

Aşchiere

4 S4 Plană 132Cotă

liberă- - 6,3

În

funcţie

de

material

Auxili-ară

TurnareDefor-mare

Aşchiere

5 S5Elicoi-

dală

50x1,

5

0,1

0- - 6,3

În

funcţie

de

material

De asam-blare

TurnareDefor-mare

Aşchiere

6 S6 Plană 50 - -0,03

6,3

În

funcţie

de

material

Funcţi-onală

TurnareDefor-mare

Aşchiere

7 S7Cilin-

drică15

Cotă

liberă- - 6,3

În

funcţie

de

material

Funcţi-onală

TurnareDefor-mare

Aşchiere

8 S8Cilin-

drică25 +0,03 -

0,10,8

În

funcţie

de

material

Funcţi-onală

TurnareDefor-mare

Aşchiere

9S9 Plană 25 +0,03 - - 6,3

În

funcţie

de

material

Funcţi-onală

TurnareDefor-mare

Aşchiere

Lucrarea 4 31

Tabelul 2

Nr. crt.

Proprietăţi p1 p2 pk pm

Obs.Materiale V1 t1 V2 t2 ... Vk tk ... Vm tm

1 M1

2 M2

3 M3

k Mk

n Mn

Mk = Materialul; pk = Proprietatea; Vk = Valoarea proprietăţii; tk = nota acordată proprietăţii

40 - aprecierea cantitativă a factorilor analitici: se face folosind un anumit

sistem de notare, în funcţie de valoarea fiecărei proprietăţi k, acordându-se o notă tk

(se poate folosi sistemul de notare 1...3 sau 1...10 sau 1...100, în funcţie de precizia ce

se vrea obţinută ); Această apreciere se prezintă în tabelul 3.

50 - stabilirea ponderii importanţei fiecărui factor primar se face ţinând cont de

datele rezultate din etapele 10 şi 30 acordând fiecărei proprietăţi k o pondere dk . În

stabilirea ponderii trebuie îndeplinită condiţia:

,

în care m reprezintă numărul de factori primari. Stabilirea ponderii importanţei

factorilor este o problemă deosebit de dificilă, rezolvarea ei presupunând îmbinarea

mai multor cunoştinţe de specialitate, precum şi rezolvarea corectă a etapei 10.

60 - alegerea soluţiei optime la momentul dat: se face aplicând criteriul

t dk k

k

m* max

1.

În tabelul 4 se prezintă calculul pentru alegerea materialului optim, pentru piesa din

figura 1.

70 - analiza soluţiilor din punct de vedere al utilităţii lor şi stabilirea condiţiilor

de înlocuire economică a unui material cu alt material: se face în situaţia în care, la

momentul dat, materialul optim rezultat la etapa 60 nu se află la dispoziţia

executantului, sau în care se doreşte proiectarea unui material, care să îndeplinească

condiţiile rezultate din etapele 10...50.

Lucrarea 4 31

Tabelul 3Nr. crt.

Proprietatea Gama de variaţie

Nota Obs.

1 Densitatea materialului, [kg/dm3]

< 5,0 35,0...10,0 2

> 10,0 1

2Conductibilitateatermică, CT [W/mK]

< 0,2 10,2...0,4 2

>0,4 33 Rezistenţa la coroziune,

Rc [mm/an]< 0,02 3

0,02...0,05 2> 0,05 1

4 Duritatea, [HB] < 90 190...160 2> 160 3

5 Modulul de elasticitate, E [daN/mm2]

< 106 1106...2x106 2

>2x106 36 Rezistenţa la rupere,

Rm [daN/mm2]< 35 1

35...60 2>60 3

7 Rezistenţa la curgere, Rp02 [N/mm2]

<700 1700...1500 2

>1500 38 Rezistenţa la oboseală,

1 [N/mm2]< 300 1

300...1000 2> 1000 3

9 Alungirea relativă, At [%]

<20% 120...40% 2

>40% 310 Rezilienţa,

KCU 30/2 [J/cm2]<50 1

50...100 2>100 3

11 Rezistenţa la fluaj,[N/mm2]

<100 1 Se ţine cont şi de

temperatură100...300 2

>300 312 Prop. tehnologice

(turnabilitate, deforma-bilitate, uzinabilitate, sudabilitate, călibilitate)

satisfăcătoare 1 Deoarece nu există valori

notaţia se face cu

calificative

bune 2foarte bune 3

13 Preţul de cost, PC [lei/kg]

<500 3500...1000 2

>1000 1

Figura 1

Lucrarea 4 31

32 Lucrarea 4

Tabelul 4

Nr.

Crt

.

Material

Proprietăţi funcţionale

Fizice Chimice Mecanice

Densitate

[kg/dm3]

Conductibili-

tate termica

[cal/cmxsx0C]

Rezistenţa la

coroziune

[mm/an]

Duritate

[HB]

Rezistenţa la

rupere

[daN/mm2]

(Ex106)

[daN/mm2]

V t1 V t2 v t3 v t4 v t5 v t6

1 Duraluminiu 2.8 3 0.25 2 <.01 3 50 1 30 1 0.74 1

2 CuZn15 8.8 2 0.3 2 <.05 2 60 1 64 3 1.2 2

3 Fgn-700-2 7.32 2 0.01 1 >.05 1 280 3 70 3 1.6 2

4 CuSn10 8 2 0.25 2 >.05 1 20 1 60 2 1.5 2

5 OL37 7.3 2 0.2 2 <.05 2 120 2 45 2 1.7 2

6 OL50 7.3 2 0.2 2 <.05 2 164 3 58 2 2.1 3

7 OLC45 7.7 2 0.2 2 <.05 2 187 3 54 2 2.1 3

8 OT40 7.4 2 0.2 2 <.05 2 110 2 40 2 2.1 3

9 OT60 7.4 2 0.2 2 <.05 2 169 3 60 2 2.1 3

10 41MoCr11 7.5 2 0.2 2 <.05 2 217 3 95 3 2.1 3

11 12Cr130 7.5 2 0.3 2 <.02 3 187 3 60 2 2.1 3

12 Fc300 7.3 2 0.14 1 >.05 1 260 3 40 2 1.3 2

13 ATSi5Cu 2.2 3 0.2 2 <.01 3 90 2 20 1 0.8 1

14 Fm320p 7.36 2 0.14 1 >.05 1 250 3 65 3 1.6 2

15 CuZn39Pb2 8.4 2 0.2 2 <.03 2 65 1 30 1 1.2 2

Ponderea dk d1=0.05 d2=0.1 d3=0.20 d4=0.1 d5=0.05 d6=0.05

Lucrarea 4 33

Tabelul 4 (continuare)

Proprietăţi tehnologice Proprietati

economice

Obs.

Turnabilitate Deformabilitate Uzinabilitate Preţul de cost

[lei/kg]

Califi-

cativ

t7 Califi-

cativ

t8 Califi-

cativ

t9 v t10

FB 3 FB 3 FB 3 500 2 2.35

FB 3 S 1 FB 3 1000 2 2.05

FB 3 S 1 FB 3 300 3 2.10

B 2 S 1 FB 3 900 2 1.80

B 2 S 1 FB 3 400 3 2.15

FB 3 S 1 FB 3 450 3 2.40 Material

optim

FB 3 S 1 B 2 475 3 2.30

FB 3 S 1 FB 3 400 3 2.30

FB 3 S 1 B 2 425 3 2.30

FB 3 S 1 B 2 750 2 2.20

B 2 S 1 B 2 1300 1 2.10

FB 3 N 0 FB 3 350 3 1.95

FB 3 B 2 FB 3 625 2 2.35

FB 3 N 0 FB 3 390 3 2.00

FB 3 S 1 FB 3 1200 1 1.80

d7=0.1 d8=0.1 d9=0.1 d10=0.15 1.0

Lucrarea 4 33

3. DESFĂŞURAREA LUCRĂRII

Pentru piesa din figura 2 se va alege materialul optim, parcurgându-se etapele

precizate în capitolul 2. Ponderile proprietăţilor funcţionale, tehnologice şi economice

se vor alege în funcţie de caracteristicile piesei.

Figura 2