A tervezés, anyag kiválasztás és gyártás összefüggései

1. Az eddig tanult anyagismeret, anyagvizsgálat, anyag feldolgozási technológiák , valamint a kapcsolódó tárgyak (pl. mechanika) összefoglalása és integrált alkalmazása • A mérnöki szemlélet, a tanultak gyakorlati alkalmazásában való jártasság fejlesztése • A minőség és megbízhatóság mint személyes tulajdonságok erősítése

2. A tervezés, anyag kiválasztás és gyártás összefüggései A gyártmány fejlesztés folyamata Az alkatrész tervezés folyamata Egyszerű esettanulmányok

3. Egy gyártmány fejlesztésének fázisai (1) • Piaci igények felmérése • A szerkezet funkciójának, főbb jellemzőinek meghatározása • A szerkezet koncepcionális tervezése (pl. gépkocsi) • A szerkezeten belüli fő egységek funkciói (pl. motor) • A fő egységen belüli alkatrészek tervezése (pl. hajtórúd) • Az elkészült szerkezet ellenőrzése, visszacsatolás az előző fázisokra

4. Egy gyártmány fejlesztésének fázisai (2) Igények felmérése,funkciók Koncepcionális tervezés Méretezési eljárásválasztása Részletes tervezés Kísérleti ellenőrzés

5. Egy gyártmány fejlesztésének fázisai (példa) • Gépkocsi:kategória, főbb paraméterek, komfort fokozat, esztétikai megjelenés, fogyasztói kör, ár, …stb. • Motor:teljesítmény, nyomaték, fogyasztás, környezetvédelmi paraméterek, …stb. • Hajtórúd:funkció (igénybevétel), alak, anyag, gyártási mód

6. Új igények megjelenítése a gyártmány fejlesztésben (1) • 1980: hagyományos asztali PC-k katódsugár csöves monitorral • 1980-as évek vége: igény a hordozható gépekre • Megoldás: integrált egység hagyományos elemekből (12-13 kg) – nem terjedt el • Új koncepció: lapos képernyő (LCD, plazma, stb.), miniatürizált egységek • Eredmény: a mai notebook kategória (1,5-3 kg)

7. Új igények megjelenítése a gyártmány fejlesztésben (2) Hagyományos termék Új fogyasztói igény Új műszaki megoldás A piac elemzése

8. Tervezési szempontok kapcsolata Alak Funkció Megmun-kálás Anyag

9. A tervezés folyamata (1) • Az alkatrész funkcionális vázlata, igénybevételek • Közelítő alak és méretek (forrás: anyagtulajdonságok adatbázisa, méretezési összefüggések) • Előzetes technológia (forrás: technológiai adatbázis) • Részletes elemzés • Kísérleti ellenőrzés, visszacsatolás az előző fázisokra

10. A tervezés folyamata (2) Funkció,igénybevételek Közelítő méret, anyag Anyag tulajdonságok Előzetes technológia Méretezési összefüggések Részletes elemzés, kísérletek Technológiai adatbázis

11. Példa a funkciók meghatározására:csavarhúzó (1) Nyél Szár Fej Általános funkció: csavar be- és kihajtás kényelmes használat, „felhasználó barát” tartósság, méltányos ár

12. Példa a funkciók meghatározására:csavarhúzó (2) Nyél: • Funkció:csavaró nyomaték átadása a kézről a szárra • Igénybevétel:a felületen nyomás, a szár bekötésen csavarás • Anyag: fa, polimer, fém (szilárdság, kedvező felület, esztétikus külső) • Alak: kézbe illeszkedő, a felületen csúszás gátló rovátkák • Megmunkálás: az anyag fajtától függő

13. Példa a funkciók meghatározására:csavarhúzó (3) Szár: • Funkció:csavaró nyomaték átadása a nyélről a fejre, esetleg hajlítás (nem rendeltetés szerű használat) • Igénybevétel: nyomás, csavarás, (hajlítás) • Anyag: acél (szilárdság, szívósság) • Alak: az igénybevételből számítható méret • Megmunkálás: húzott rúdból leszabás, a végeken alakítás

14. Példa a funkciók meghatározására:csavarhúzó (4) Fej: • Funkció:csavaró nyomaték átadása a fejről a csavarra, esetleg ütés, hajlítás (nem rendeltetés szerű használat) • Igénybevétel: nyomás, csavarás, koptató hatás, (hajlítás) • Anyag: acél (keménység, szilárdság, szívósság) • Alak: az igénybevételből számítható méret • Megmunkálás: a szárból kialakítva, hőkezelve

15. A tervezés, anyag kiválasztás és megmunkálás kölcsönhatásai Az igénybevételek főbb típusai Az igénybevételekkel összehasonlítható anyagjellemzők Megmunkálhatóság

16. Az igénybevételek jellemzése (1) • Az igénybevétel hatása szerinti felosztás: • Teljes anyagtérfogatra ható igénybevételek • A felületre ható igénybevételek • Az igénybevétel időbeli lefolyása szerinti felosztás: • Statikus • Dinamikus, lökésszerű • Ismétlődő, fárasztó • Az előbbi három kombinációja

17. Teljes anyagtérfogatra ható igénybevételek • Húzó • Nyomó • Hajlító • Nyíró • Csavaró Hajlítás Húzás Csavarás

18. A felületre ható igénybevételek Forgatás • Hő • Vegyi • Elektrokémiai • Áramló közeg • Koptató • Sugárzás • Biológiai Szorító erő Kopás

19. Az igénybevétel időbeli lefolyása • Statikus • Dinamikus • Ismétlődő, fárasztó • Az előbbi három kombinációja

20. A legfontosabb igénybevételek (térfogatra és felületre hatók) • Statikus terhelés • Dinamikus terhelés • Fárasztó igénybevétel • Hőmérsékleti hatások • Kopás • Korróziós hatás • Egyéb igénybevételek

21. Az igénybevételek nagyságának számítása (1) Térfogatra ható, úgynevezett egyszerű igénybevételek esetében (pl. húzás): • A külső terhelés becslése • A terhelés hatására ébredő feszültségek számítása So  = F / So F F

22. Az igénybevételek nagyságának számítása (2) Szabályosan ismétlődő fárasztó igénybevétel esetében: • A külső terhelés és igénybevételi szám becslése • A térfogatra ható feszültségek számítása a statikus terhelésből és a váltakozó igénybevételből (pl. vasúti kocsi tengely)

23. Az igénybevételek nagyságának számítása (3) Dinamikus, szabálytalanul változó igénybevétel esetében: • A külső terhelés spektrumának becslése • Egyenértékű terhelés generálása • A térfogatra ható feszültségek számítása (pl. gépkocsi tengely igénybevétele göröngyös úton)

24. Az igénybevételek nagyságának számítása (4) A felületre ható igénybevételek esetében: • A külső hatás erősségének becslése (pl. vegyi anyag korróziós hatása, koptató hatás, sugárzás okozta hatás) • A legtöbb esetben nehéz konkrét mérőszámokat meghatározni, ezek mindig a külső hatástól és az anyagtól függően adhatók meg

25. Az igénybevételek és az anyag-jellemzők kapcsolata a méretezéssel Anyagjellemző Igénybevétel Méretezésiösszefüggések A szerkezet méreteinek meghatározása

26. 1. Anyagjellemzők statikus terhelésre • Folyáshatár (Rp0,2; REH) • Szakítószilárdság (Rm) • Rugalmassági modulus (E)

27. 2. Anyagjellemzők dinamikus terhelésre • Ütőmunka (KV) • Törési szívósság (KIC) • Kritikus repedéskinyílás (COD)

28. 3. Anyagjellemzők fárasztó igénybevételre • Kifáradási határ (k) • Adott feszültség szinthez tartozó élettartam (Nt)  t k N Nt

29. 4. Hőmérsékleti hatások • Hőállóság • Reológiai tulajdonságok • Kúszáshatár (T) • Időszilárdság (t) • Hővezető képesség () • Hősokk, hőfáradás állóság (NT1mm; ΔTmax)

30. 5. Kopás • Súrlódási tényező (μ) • Keménység (HB, HV, HRC) • Kopási jellemzők (ΔV; Δm)

31. 6. Korróziós hatás • Oxidáció sebessége • Elektrokémiai korróziós hajlam • Ellenállás különféle vegyszerekkel szemben • Mindezek egyedileg meghatározható jellemzők

32. 7. Egyéb igénybevételek(pl. neutron, nap sugárzás) • Ridegedési hajlam (HV, KV változása a neutron sugárzás hatására reaktor anyagokon) • Műanyagok károsodása a nap ultraibolya sugarainak hatására

33. A megmunkálhatósági jellemzők • Megmunkálhatóságon egy anyag adott megmunkálási technológiára való alkalmasságát értjük • A megmunkálhatóságot jellemezhetjük fizikai paraméterekkel (pl. olvadáspont), anyagvizsgálati mérőszámokkal (pl. keménység), vagy úgynevezett technológiai próbákkal

34. Megmunkálhatósági jellemzők (1) • Öntés • Olvadási hőmérséklet, dermedési hőköz • Önthetőségi próbák • Porkohászat • Pórusossági vizsgálat sajtolás után • Szinterelhetőségi próba

35. Megmunkálhatósági jellemzők (2) • Képlékeny térfogat alakítás • Folyási görbék, alakíthatósági mérőszámok • Zömíthetőségi próba, egyéb technológiai próbák • Melegalakíthatóság • Lemezalakítás • Képlékenységi anizotrópia vizsgálatok • Lemezalakíthatósági próbák

36. Megmunkálhatósági jellemzők (3) • Hegesztés • Karbon egyenérték • Mechanikai vizsgálatok, varrat keménység • Hőkezelés • Jominy-féle véglapedző vizsgálat • Átedzhető szelvényátmérő • Összetétel, átalakulási diagramok

37. Megmunkálhatósági jellemzők (4) • Forgácsolás • Megmunkálhatósági együttható • Éltartam vizsgálatok • Keménység, szívósság • Felületkezelés • Felület állapot • Tapadási szilárdság

38. A tervezési módszerek részletes elemzése Tervezési szempontok Optimalizálási módszerek

39. Tervezési sorrend • Tartalom szerint: • Méretek és anyag meghatározása • Megmunkálási mód választása • Közelítési mód szerint • Előzetes tervezés • Közelítő tervezés • Részletes elemzés

40. Előzetes tervezés Közelítő tervezés Részletes elemzés ITERÁCIÓ Összes anyag Globális szempontok Szűkebb anyagcsoport Valós terhelés Egy anyag Optimalizált alak Megmunkálási eljárás TERMÉK Közelítési stratégia

41. Az alak (méretek) és az anyag-tulajdonságok figyelembe vétele • Műszaki szempontok • Minimális tömeg • Optimális alak • Több szempont egyidejű mérlegelése • Gazdaságossági szempontok • Minimális költség • Esztétikai megjelenés, tetszetősség

42. Méretezés minimális tömegre és maximális merevségre Húzás: F F ΔL L So Merevség: Következtetés: m minimális, ha E/ρ maximális Tömeg:

43. Méretezés minimális tömegre és maximális merevségre • Hajlítás koncentrált erővel: m minimális, ha (E1/2/ρ) maximális • Hajlítás megoszló terheléssel: m minimális, ha (E1/2/ρ) maximális

44. Méretezés minimális tömegre és maximális szilárdságra • Megengedett szilárdság: m=Rp0,2/n(n: biztonsági tényező) • Húzás:m minimális, ha (m/ρ) maximális • Hajlítás koncentrált erővel: m minimális, ha (m2/3/ρ) maximális • Hajlítás megoszló terheléssel: m minimális, ha (m1/3/ρ) maximális

45. Példa: anyagjellemzők a minimális tömeg választásához Az E/ρ érték (merevségi optimum) közel azonos Az Rp0,2/ρ (szilárdsági optimum) jelentősen különbözik, legkedvezőbb az alumínium és a fa

46. Példa: anyag kiválasztási diagramok (1) • Az anyag kiválasztás folyamatát megkönnyítő diagramok tengelyein a különböző anyag tulajdonságok vannak, az egyes anyag fajták pedig területeket fednek le a diagramokban • Főbb diagram típusok: E – ρ; Rp0,2 – ρ; E - Rp0,2; KIC – E; …stb

47. Példa: anyag kiválasztási diagramok (2) E, GPa 1000 Műszaki kerámiák 100 E/ρ=C Fémötvözetek Fa 10 Kompozitok 1 Polimerek 0,1 0,1 1 10 ρ, Mg/m3

48. Példa: anyag kiválasztási diagramok (3) Keresési stratégia (1): • Kiválasztjuk a terhelési módot, és a jellemző (E/ρ= Const.) arányt, majd berajzoljuk a megfelelő egyenest a diagramba • Az egyenes által metszett területek mutatják a választható anyag típusokat • Utána részletesebb diagramokban keresünk tovább a konkrét anyagra

49. Példa: anyag kiválasztási diagramok (4) Keresési stratégia (2): • Kiválasztjuk a közelítő E és ρ értéket, és felvisszük a tengelyekre • Az egyenesek meghatározzák azt a területet, ahol részletesen lehet keresni • Utána a következő diagramban folytatjuk a keresést

50. Méretezés optimális alakra (1) • Optimálisnak tekintjük az alakot, ha az anyag minden elemi térfogata a megengedhető maximális feszültséggel van terhelve • Ebben az esetben az adott terhelést elviselni képes szerkezeti elem tömege általában minimális