Opublikowano: 27 marca 2018

Od pierwszych lat istnienia samochodu rozwój techniczny pobudzany był głównie przez rajdy i wyścigi. Do dzisiaj nic się nie zmieniło. Formuła 1 to nie tylko wyścigowy cyrk. Obok widowiskowych zmagań kierowców trwa walka konstruktorów i inżynierów.

Ryszard Romanowski

O ile wraz z upływem czasu nazwiska mistrzów zacierają się w pamięci, o tyle rozwiązania techniczne powiązane z markami samochodów i nazwiskami ich twórców trafiają do podręczników zupełnie nie związanych z historią motoryzacji. Rozwiązania z dawnych aut wyścigowych rozpowszechniły się w samochodach seryjnych. Twórcy przepisów technicznych Międzynarodowej Federacji Samochodowej FIA dbają, by tak pozostało, stawiając przed konstruktorami coraz to większe wyzwania.

Od ponad czterdziestu lat trwa rywalizacja dotycząca budowy jak najlżejszych i najbardziej wytrzymałych konstrukcji z kompozytów. Przestrzenne ramy rurowe i kadłuby przykryte nadwoziami z kompozytu zawierającego włókna szklane trafiły już do muzeów. Kompozyty przeszły do sportu motorowego z przemysłu lotniczego i od lat najbardziej wysublimowane ich zastosowania można znaleźć w samochodach wyścigowych.
Dzisiejsze samochody Formuły 1 wykonane są w 85% z kompozytu, głównie wykorzystującego włókna węglowe. Te 85% elementów stanowi zaledwie około 20% masy samochodu. Przed kilku laty znajomy inżynier z przemysłu samochodowego był z wizytą w bazie McLarena. Po powrocie opowiadał, że jeszcze do końca nie rozumie tego, co oglądał. – Wyglądało to jak pracownia krawiecka. Kobiety wycinały coś z materiału. Następnie trafiło to do autoklawu i wyciągali gotowy wahacz.
Pozostałe miejsca, w których powstawał samochód Lewisa Hamiltona nie były dostępne dla zwiedzających. Jednakże udostępniony niewielki fragment zakładu potrafił zadziwić osoby pracujące w fabrykach samochodów, którym nie obce były działy sportu motorowego.
Przepisy techniczne F-1 co roku ulegają zmianom. W 2018 r. zobowiązały konstruktorów do wyposażenia aut w dodatkową strukturę zabezpieczającą kierowcę, zwaną HALO. Zmieniły także kształty i wymiary spoilerów. Według Scuderia Ferrari modyfikacje dodały do masy bolidu 5 kg. Aby zachować założoną masę samochodu wynoszącą 733 kg należało jeszcze precyzyjniej obchodzić się z kompozytami: dokładnie przemyśleć układ włókien, skład i ilość żywic, a szczególnie budowę wymaganych materiałów pregpreg. Zwykle tajemnice zespołów wyścigowych są pilnie strzeżone i nie ujawniane nawet po wielu latach. Coraz większa specjalizacja w każdej z płaszczyzn konstrukcji samochodu sprawia, że nawet teamy reprezentujące wielkie koncerny korzystają z niewielkich, ściśle wyspecjalizowanych firm zewnętrznych, a te czasem uchylają nieco rąbka tajemnicy.

cały artykuł dostępny jest w wydaniu 3 (126) marzec 2018

Opublikowano: 27 marca 2018

Kazimierz Czechowski, Iwona Wronska

Stopy aluminium należą do grupy zastosowań materiałów skrawających N wg normy ISO 513:2012, która to grupa obejmuje ogólnie metale nieżelazne, a w szczególności następujące materiały obrabiane [1]:

• miękkie (o twardości do 130 HB), takie jak m.in. stopy bazujące na aluminium (Al), miedzi (Cu) i stopy miedzi (mosiądze i brązy oraz miedzionikle), stopy bazujące na cynku (Zn), stopy bazujące na magnezie (Mg) itd.,
• wysokowytrzymałe brązy (o twardości powyżej 225 HB),
• kompozyty z osnową metalową (MMC – Metal Matrix Composites) zawierające np. aluminium i węglik krzemu (SiC do 30%).

Obrabialność metali nieżelaznych jest bardzo zróżnicowana, na co wpływ mają m.in. tendencje do tworzenia narostu na ostrzu (np. czyste aluminium), zawartość krzemu w stopach aluminium (bardzo ścierne oddziaływanie przy zawartości Si powyżej 12%), ilość węglików krzemu w kompozytach MMC (znaczne zmniejszenie trwałości ostrzy z uwagi na duże oddziaływanie ścierne przy zawartości 20-30% SiC) itd.

Rys. 1    Narzędzie do frezowania z dużą prędkością skrawania stopu aluminium w postaci głowicy o średnicy D=25 mm z dwoma płytkami skrawającymi z węglików spiekanych wygładzonych za pomocą specjalnej obróbki tzw. microfinish

Materiały obrabiane z grupy metali nieżelaznych nierzadko znajdują zastosowanie w takich branżach, jak np. lotnicza, motoryzacyjna i budowy maszyn; dotyczy to m.in. stopów aluminium, które ze względu na niedużą masę właściwą (gęstość), przy równocześnie dużej wytrzymałości właściwej i sztywności właściwej, są stosowane w konstrukcjach lekkich. Gęstość ρ stopów aluminium wynosi ok. 2,7 g/cm3, czyli jest ok. 3-krotnie mniejsza niż stali (ok. 7,9 g/cm3). Przy tym wytrzymałość właściwa na rozciąganie, stanowiąca iloraz wytrzymałości na rozciąganie Rm i ciężaru właściwego γ (tj. iloczynu gęstości ρ i przyspieszenia ziemskiego g) wyrażająca się w jednostkach długości, dla stopów aluminium wynosi ok. 14,8 km, czyli jest ok. 1,7-krotnie wyższa niż dla stali (ok. 8,9 km). Z kolei sztywność właściwa, stanowiąca iloraz modułu sprężystości podłużnej E (modułu Younga) i ciężaru właściwego γ wyrażająca się w jednostkach długości, dla stopów aluminium wynosi ok. 2593 km, czyli jest zbliżona do sztywności właściwej dla stali (ok. 2675 km) [2].
Wytrzymałość właściwa na rozciąganie i sztywność właściwa stanowią wskaźniki użytkowe, na podstawie których można określić, w jakim stopniu materiał konstrukcyjny przy spełnieniu wymagań dotyczących wytrzymałości i sztywności konstrukcji, umożliwi wykonanie tej konstrukcji jako lekkiej. Ma to szczególnie istotne znaczenie, zarówno w przemyśle lotniczym, którego specyfika wymusza stosowanie lekkich konstrukcji, jak i również w przemyśle motoryzacyjnym, gdzie projektowanie konstrukcji lekkich sprowadza się do poszukiwania optymalnych kształtów i wymiarów konstrukcji, z uwzględnieniem czynników ekonomicznych, ekologicznych, ergonomicznych, a zwłaszcza związanych z bezpieczeństwem użytkowników [2, 3].

cały artykuł dostępny jest w wydaniu 3 (126) marzec 2018

Opublikowano: 27 marca 2018

Do budowy obrabiarek zespołowych stosuje się częściowo zespoły zunifikowane, a częściowo zespoły specjalnie konstruowane do konkretnych detali, obrabianych na tych maszynach. Do zespołów zunifikowanych należą m.in. stoły podziałowe, zarówno wzdłużne, jak i obrotowe. Służą one do przenoszenia obrabianych detali z jednego stanowiska obróbczego na następne. Są jednymi z najważniejszych zespołów każdej obrabiarki zespołowej o wielu stanowiskach obróbczych. Muszą spełniać bardzo wysokie wymagania dotyczące dużej dokładności pozycjonowania, a zwłaszcza utrzymania tej dokładności w całym okresie eksploatacji obrabiarki.

Aleksander Łukomski

Urządzenia podziałowe są w zasadzie dobrze znane w obróbce detali, jak choćby podzielnica (która służy do obracania i ustalania kątowego, na ogół pojedynczego detalu, np. podczas frezowania różnych płaszczyzn pod różnymi kątami w tym detalu) czy urządzenia podziałowe w oprzyrządowaniu np. wiertarskim.

Fot. 1 Stół obrotowy JAG czterostanowiskowy

Stół obrotowy podziałowy JAG składa się z tarczy o pionowej osi obrotu, mechanizmu napędu obrotu i zatrzasku ustalającego kolejne położenia. W obrabiarkach zespołowych na stole obrotowym podziałowym, z pionową osią obrotu tarczy, montuje się kilka przyrządów (od czterech do dwunastu). Dodatkowo oddziałują na niego różne siły skrawające, niekiedy znaczne, z różnych kierunków. Taki stół obrotowy podziałowy musi więc spełniać przede wszystkim:

• wysoką (żądaną) dokładność podziału, której wielkość decyduje o wyborze konstrukcji zatrzasku;
• odporność na oddziaływanie sił skrawania. Jeżeli siły te są znaczne, mogą wywołać w zatrzasku naprężenia ścinające lub zginające. Dlatego należy po dokonaniu każdego podziału zamocować tarczę obrotową do korpusu (podstawy) stołu podziałowego. Likwiduje się w ten sposób także drgania tarczy podczas obróbki, co ma duży wpływ na gładkość powierzchni obrabianych.

Stoły obrotowe podziałowe mają najczęściej proste rozwiązania zatrzasku – ryglowania, które polega na wprowadzeniu w specjalny otwór z tulejką (w tarczy stołu) tłoczka (pilota) – cylindrycznego lub stożkowego. Rozwiązanie z pilotem cylindrycznym obarczone jest stosunkowo dużym błędem, wynikającym z luzów, zarówno w otworze prowadzącym pilota, jak i luzów w otworze tulejki zamontowanej w tarczy stołu. Lepiej jest, gdy tulejka i element ustalający pilota są stożkowe. Wtedy jest mniej o jeden błąd. Rozwiązania te dodatkowo powodują częste zakleszczanie pilota i stosunkowo szybką utratę dokładności, w wyniku zużycia części zatrzasku. Wychodząc z analizy tolerancji można prosto obliczyć błąd podziału dla takich rozwiązań konstrukcyjnych. Oczywiste jest, że im większy promień umieszczenia pilota tym błąd jest mniejszy.

cały artykuł dostępny jest w wydaniu 3 (126) marzec 2018

Opublikowano: 27 marca 2018

(artykuł reklamowy)

Filip Ulatowski, Marcin Młynarczyk

Wpływ działania ciepła na konstrukcje inżynierskie jest problemem niezwykle istotnym, dotyczącym wielu konstrukcji, bez względu na ich charakter użytkowy. Dla przykładu – w ustrojach nośnych ciepło pochodzące z zewnętrznych źródeł powoduje zazwyczaj przyrost objętości, co dla elementów posiadających więzy mechaniczne (np. połączenia śrubowe lub połączenie spawane z innymi elementami) łączy się z wystąpieniem naprężeń, zazwyczaj niekorzystnych dla konstrukcji. Analogiczny schemat obserwujemy podczas skręcania nieswobodnego kształtowników stalowych – skręcanie kształtownika obustronnie utwierdzonego musi skutkować wystąpieniem deplanacji przekroju poprzecznego.

Rys. 1    Geometria zdyskretyzowana elementami objętościowymi typu Hexa i Penta – siatka hybrydowa

Również projektując obiekty o charakterze przewodników prądu elektrycznego należy uwzględnić szereg zjawisk mających wpływ na generowane naprężenia związane z rozszerzalnością cieplną materiałów. Należy uwzględnić istotne zjawisko Joule’a-Lenza, wynikające bezpośrednio z zasady zachowania energii. Praca wykonywana przez prąd elektryczny zamieniana jest na energię wewnętrzną metalowego komponentu, z którego uwalniana jest w postaci ciepła. Uwzględnianie tego faktu jest konieczne, podczas projektowania np. izolacji kablowych oraz konstrukcji nośnych.
Także zjawiska cieplne zachodzące w urządzeniach ciśnieniowych podlegają tym samym prawom. Medium transportowanym rurociągami jest często gaz o bardzo wysokiej temperaturze. Odkształcenia i naprężenia termiczne są więc i w tej gałęzi inżynierii nieodzownym do uwzględnienia aspektem podczas procesów projektowania oraz utrzymania obiektów eksploatacyjnych..
W niniejszym artykule przedstawimy numeryczne analizy termiczne – analizę naprężeń cieplnych w stanie ustalonym oraz analizę naprężeń cieplnych w stanie nieustalonym. Za przykład posłużył zbiornik ciśnieniowy, magazynujący gaz o wysokiej temperaturze, oraz konektor oczkowy. Wszystkie analizy wykonano w programie MIDAS NFX, stanowiącym przykład oprogramowania specjalistycznego idealnie dostosowanego do wymagań współczesnej inżynierii, opartej o analizy numeryczne (FEA). Wykorzystując MIDAS NFX konstruktor dysponuje możliwością uwzględnienia nie tylko obciążeń o charakterze mechanicznym, ale i termicznych.

cały artykuł dostępny jest w wydaniu 3 (126) marzec 2018