Wojciech Calów

Dobór materiału na łańcuch do piły spalinowej 1. Analiza zagadnienia

Łańcuch do piły spalinowej to element tnący pracujący w temperaturze do około 140°C, otoczeniu wilgotnym (las) i mocno zanieczyszczonym. Element musi charakteryzować dużą odpornością na ścieranie. Aby zapobiec zerwaniu, wytrzymałość na rozciąganie łańcucha musi być większa niż drewna. Łańcuch jest chroniony jest sprzęgłem, które po przekroczeniu dopuszczalnego obciążenia odłącza napęd. Łańcuch składa się z co najmniej 4 różnych elementów : ostrzy tnących, oczek łączących, oczek prowadzących oraz nitów.

W pierwszej fazie produkcji oczka są wycinane przez stemple. Następnie przygotowywana jest ich przygotowanie powierzchni oraz sortowanie względem wymiarów. Oczka łączone są za pomocą nitów w długi łańcuch. W zależności od wymaganej długości łańcucha s 2. Specyfikacja wymagań

Łańcuchowi stawiane są następujące wymagania

•

duża wytrzymałość na rozciąganie, powyżej wytrzymałości drewna czyli powyżej 100MPa. Dla pewności przyjęto współczynnik bezpieczeństwa 5 i otrzymano 500 MPa.

•

temperatura pracy bez zmiany parametrów 140 °C. Rozszerzalność temperaturowa niska aby zapobiec ewentualnemu wypadnięciu łańcucha z prowadnicy.

•

twardość powyżej 55 HRC (powinna być większa o 20-30 HRC w stosunku do materiału obrabianego),

•

niski moduł Younga,

•

odporność na wilgoć,

•

słabe ścieranie.

3. Wstępny wybór grup materiałowych Głównym parametrem podczas wyboru wstępnych grup materiałowych była wytrzymałość na rozciąganie oraz odporność na korozje. Wybrano 4 grupy materiałowe:

•

brąz berylowy,

•

węgliki spiekane,

•

stale narzędziowe niestopowe płytko hartujące się,

•

stale narzędziowe stopowe do pracy na zimno.

•

4. Wybór gatunków materiałów

Brąz berylowy CuBe2 (Ampcoloy 83) to stop miedzi z berylem z niewielkim dodatkiem kobaltu oraz niklu. Brąz ten posiada bardzo dużą odporność na ścieranie i korozje. Posiada lepsze od innych brązów właściwości mechaniczne. Posiada również dużą przewodność cieplną.

Cu

Be

Co+Ni

Inne max.

reszta

1,90%

0,50%

0,50%

Tab.1. Skład stopu brązu berylowego CuBe2

Stal narzędziowa niestopowa płytko hartująca się N7E (C70U), dzięki zmniejszonemu udziałowi miedzi w stopie, zapewnia twardość powierzchni narzędzia skrawającego oraz jednocześnie dużą wytrzymałość rdzenia na uderzenia.

Fe

C

Cr

Cu

Mn

Ni

P

S

Si

Reszta

0,65

<0,15

<0,2

0,15

<0,2

<0,025

<0,025

0,15

Tab.2. Skład stopu stali niestopowej N7E

Stal narzędziowa stopowa do pracy na zimno NC4 (102Cr6) to stale które zachowują swoje właściwości do temperatury 200 °C.

Fe

C

Si

Mn

P

S

Cr

Reszta

0,95

0,15

0,25

0,03

0,03

1,35

Tab.3. Skład stopu stali stopowej NC4

Węgliki H10 (K10) wytwarzane są z proszków węglików wolframu (metal trudnotopliwy).

Posiadają dużą twardość oraz wysoką dopuszczalną temperaturę pracy. Są kruche i wrażliwe na uderzenia. Przeznaczona na ostrza skrawające do pracy ciągłej.

WC

Co

91

9

Tab.3. Skład stopu węglika spiekanego

Materiał

Wytrzymałość na Moduł sprężystości, Twardość Wsp.

Temperatura

rozciąganie Rm

E

rozszerzal.

pracy

[MPa]

[GPa]

[K]e-1

[ºC]

Brąz

berylowy

1250

131

41 HRC

16,7×10e−6

do 200°C

CuBe2

Węglik

spiekany

1600

641

91.9 HVA

3×10e−6

do 700°C

H10

Stal

narzędziowa

niestopowa

640

210

59 HRC*

10,8×10e-6

do 200°C

płytko

hartująca się

N7E*

Stal stopowa

do pracy na

1310

210

64 HRC

12×10e-6

do 200°C

zimno

NC4

Tab5 Ważne parametry wybranych materiałów.

*hartowanie i odpuszczanie w 200[ºC]

5. Optymalizacja doboru

Aby uzyskać wynik należy zastosować metodę logicznego przybliżenia liczbowego Wymaganie

Decyzje

Względny

pozytywne

współczynnik

1

2

3

4

5

6

wagi

Wytrzymałość na

1

1

0

2

0,33

rozciąganie

moduł Younga

0

0

1

1

0,17

Twardość

0

1

1

2

0,33

Współczynnik

1

0

0

1

0,17

rozszerzalności

Suma

6

1

6. Współczynnik doboru materiału Materiał

Wytrzymałość na rozciąganie

Suma

alpa

beta

CuBe2

0

1

0

1

0,33

H10

1

1

1

3

0,99

0,33

N7E

0

0

0

0

0

NC4

1

0

1

1

0,66

Materiał

Moduł Younga

Suma

alpa

beta

CuBe2

1

1

1

3

0,51

H10

0

0

0

0

0

0,17

N7E

0

1

1

2

0,34

NC4

0

1

1

2

0,34

Materiał

Twardośc

Suma

alpa

beta

CuBe2

0

0

0

0

H10

1

1

1

3

0,99

0,33

N7E

1

0

1

2

0,66

NC4

1

0

0

1

0,33

Materiał

Wsp. rozszerzal.

Suma

alpa

beta

CuBe2

0

0

0

0

0

H10

1

1

1

3

0,99

0,17

N7E

1

0

1

2

0,66

NC4

1

0

0

1

0,33

Materiał

Kryteria

Suma

1

2

3

4

CuBe2

0,33

0,51

0

0

0,84

H10

0,99

0

0,99

0,99

2,97

N7E

0

0,34

0,66

0,66

1,66

NC4

0,66

0,34

0,33

0,33

1,66

7. Optymalizacja doboru materiału wg ceny Wybrany wcześniej węglik spiekany okazał się najdroższym możliwym rozwiązaniem. Stale N7E oraz NC4 otrzymały taki sam wynik w analizie materiałowej. Stal N7E jest dwukrotnie tańsza niż NC4.

CuBe2

H10

N7E

NC4

84.79 zł/kg

182 zł /kg

3.03 zł /kg

6,06 zł/kg

8. Wnioski końcowe

•

Wszystkie wybrane materiały spełniały warunek wytrzymałości na rozciąganie. Wybrane materiały znacząco przekraczały założone wymagania.

•

Po zastosowaniu metody logicznego przybliżenia liczbowego wybrano węglik spiekany jako najlepiej odpowiadający wymaganiom.

•

Aby ograniczyć koszt materiału należy wybrać N7E.

•

Alternatywnym rozwiązaniem jest użycie różnych materiałów w różnych elementach łańcucha np. Węglika spiekanego na ostrza, a stali N7E na inne oczka i nity.