Wskazówki, które pomogą Ci projektować pod kątem odporności na zużycie i zastosowań o wysokim zużyciu

Jak zaprojektować części do maszyn czy komponenty większych układów? 

To bardzo dobre pytanie, na które odpowiadać uczą studia, technika, zawodówki, specjalne kursy inne dostępne metody nauczania. Tę wiedzę można też znaleźć w Internecie: na forach dyskusyjnych, grupach czy w formie tutoriali na YouTube. 

Jest to poniekąd sucha wiedza, która pozwala w sposób uporządkowany opisać to, jakie kształty powinna mieć konkretna część oraz jak powinna wpisywać się w większy (lub mniejszy) układ. Jej rozwijanie i doskonalenie jest ciągłym procesem, który jest wyzwaniem stawianym przed każdym profesjonalistą z branży CNC i produkcji. Ale poza projektem jest również obszar materiałoznawstwa, który wpływa bezpośrednio na trwałość – bardzo często w skali makro. 

Różne materiały mają różne parametry, a znalezienie w procesie projektowania części do maszyn idealnego kompromisu jest dużym wyzwaniem. Dopiero połączenie wiedzy z obu zakresów pozwala na projektowanie trwałych – mówiąc wprost: dobrze przemyślanych – części. Wprawdzie nie są one tak (nie)sławne jak „tańczący most Tacoma” czy niekompatybilne wymienniki CO2 na pokładzie Apollo 13, ale to trwałość sprawia, że są niezauważalne i po prostu realizują swoje zadania. 

Projektowanie części: od szkicu do gotowego projektu CAD

Projektowanie części zaczyna się od zrozumienia zadania konkretnego elementu w większym systemie – bardzo rzadko zdarza się, że jakiś obiekt jest monolityczny i nie działa w odniesieniu do innych. Wymiary, kształty, promienie, struktura powierzchni – to tylko kilka parametrów, które powinny zostać określone w dobrym rysunku technicznym lub dokumentacji technicznej projektu.

Jedną z dobrych praktyk na każdym etapie projektowania jest umieszczenie obiektu w kontekście systemu, w którym działa – z zaznaczeniem kierunków, oddziałujących sił i zakresów ruchów w jego otoczeniu. Pozwala to uniknąć sytuacji w której jakaś część nie pasuje lub powoduje problemy podczas pracy – np. wchodzi w kolizje z innymi obiektami. Wymaga to oczywiście znajomości samego układu, dlatego rzadko kiedy części są projektowane bez kontekstu. Stąd też pozornie niepotrzebne wycięcia czy kształty, które stają się jasne dopiero po umieszczeniu elementów na ich miejscu. 

Dobrym przykładem jest obudowa rozrządu w silniku samochodu – wykonana ze stopów metali lub polimerów – może wyglądać jak poprzecinana trzpieniami i bolcami struktura z licznymi wycięciami. Dopiero po umieszczeniu na bloku silnika przeznaczenie każdego z tych elementów staje się jasne, a co ważniejsze – potrzebne. 

Mając to na uwadze – możliwe jest zaprojektowanie modelu 3D (trójwymiarowego) części w oprogramowaniu typu CAD (computer assisted design – projektowanie wspierane komputerowo), z którego można przeprowadzić konwersję do zrozumiałego dla urządzeń skrawających (zwłaszcza CNC) G-Code. Wiele procesów wymaga dodatkowego kroku, jakim jest prototypowanie części. Wytworzenie obiektów o określonych w projekcie wymiarach przy użyciu urządzeń skrawających jest niekiedy praco- i czasochłonne, jednak pozwala na ocenę prawidłowości projektu, a niekiedy również – wybranych materiałów. 

Obecnie do „szybkiego” prototypowania stosuje się częściej druk 3D – z racji wysokiej dostępności i zauważalnie niższego progu wejścia, jest to technologia która pozwala na szybkie (stosunkowo) wytworzenie fizycznych obiektów na podstawie plików CAD i ocenę ich kompatybilności w większym układzie. Jest to dodatkowy etap, który pozwala uniknąć błędów w produkcji, a przez to – zredukować koszty możliwych do zapobieżenia w ten sposób pomyłek. 

Dodatkowo – takie prototypowanie pozwala ocenić wpływ sił na poszczególne elementy i oszacować żywotność konkretnych części; może to również wpłynąć na decyzję o tym, że niektóre elementy – aby zapewnić poprawna pracę całego układu – powinny być wytworzone z materiałów o wyższej wytrzymałości.

Właściwe materiały i odpowiednia technologia produkcji

Kolejnym elementem, który składa się na produkcję części odpornych na zużycie, w szczególności do tych wystawionych na duże siły, jest dobór odpowiednich materiałów. Współczesne materiałoznawstwo boryka się z problemem znalezienia stopów, polimerów lub kompozytów, które będą jak najlepszym połączeniem:

• niskiej masy,
• wysokiej wytrzymałości, 
• możliwie najlepszych właściwości mechanicznych,
• przy możliwie najniższej (a przynajmniej: dostosowanej do reszty systemu) cenie. 

Poza skrajnymi wypadkami (np. ciężki sprzęt budowlany, przemysł kosmiczny lub produkcja dla lotnictwa wojskowego), jest to forma kompromisu. Części o bardzo dobrych parametrach mechanicznych są zazwyczaj ciężkie i chociaż koszt ich produkcji nie jest bardzo wysoki, to nie w każdym zastosowaniu wymagana jest tak wysoka wytrzymałość. 

Przez dekady (jeśli nie wieki) powszechnie stosowanym materiałem, który spełnia powyższe wymagania – oczywiście poza niską masą – były stopy żelaza (włączając w to stal). Jednak wymagania z czasem się zmieniały i wraz z rozwojem przemysłu, w szczególności branż automotive czy lotniczej, wzrosło zapotrzebowanie na lżejsze materiały, które będą formą kompromisu między wspomnianymi powyżej czterema cechami. 

Pierwsze polimery (np. bakelit) czy wykorzystanie na szeroką skalę stosunkowo lekkiego aluminium (a z czasem specjalistycznych stopów, wysokosprawnych polimerów czy kompozytów) sprawiło, że dostępność materiałów o różnych właściwościach wzrosła. Co za tym idzie – dobór odpowiedniego do projektu stał się (poniekąd) prostszy. 

Dzięki osiągnięciom materiałoznawstwa łatwiej znaleźć materiał stosunkowo lekki, o dobrych właściwościach mechanicznych i w akceptowalnej cenie (aluminium), podobnie jak znalezienie takiego, który jest lekki, tani i ma wystarczającą wytrzymałość (np. wysokosprawne polimery) również nie sprawia kłopotu. Niemniej – dobór odpowiedniego materiału do produkcji zaprojektowanych części wymaga wiedzy i doświadczenia. 

Znowu – wymagana jest tu zarówno znajomość całego układu (np. czy wszystkie części mają być wykonane z metali o zbliżonej szlachetności, dzięki czemu można łatwiej uniknąć korozji) jak i środowiska, w którym będą używane (suchego, wilgotnego, zasolonego, itp.). Wpływa to na dobór odpowiedniego materiału:

• na przykład jeśli część ma pracować w suchym środowisku i charakteryzować się dużą wytrzymałością mechaniczną, a masa nie jest problemem, dobrym wyborem może być stal, zwłaszcza nierdzewna, 
• jeśli część powinna być maksymalnie lekka, a przy tym będą na nią oddziaływać niskie siły, rozsądnym wyborem materiału będzie jeden z łatwych w obróbce skrawaniem polimerów, 
• jeśli część ma być lekka, wytrzymała oraz mieć wybitne właściwości mechaniczne, to oczywistym wyborem dla wielu inżynierów i projektantów pozostają stopy tytanu, które są bardzo drogie, jednak w niektórych branżach to parametry są istotniejsze od ceny (np. lotnictwo wojskowe). 

I tak, wybór materiału ma bezpośredni wpływ na szybkość zużycia konkretnej części, w dużej mierze ze względu na różną odporność na ścieranie czy naprężenia, która charakteryzuje różne materiały. Chociaż znalezienie balansu między tymi właściwościami może być niekiedy daleko idącym kompromisem, to jest to wyzwanie, któremu z łatwością podołają się materiałoznawcy, w szczególności wyspecjalizowani w obróbce skrawaniem – tacy, jak pracują w RADMOT.

Dodatkowe procesy ulepszania powierzchni

Dobór odpowiednich materiałów do produkcji części o wysokiej odporności na zużycie jest często jednym z istotnych etapów. Jednak znajomość otoczenia i układu, w którym konkretna części będzie pracować, może mieć wpływ na podjęcie decyzji o dodatkowych procesach ulepszania powierzchni. 

Poza niektórymi wyjątkami, grupa metali odpornych na korozję nie jest zbyt duża, dlatego często podejmuje się decyzję o dodatkowym ulepszeniu ich powierzchni w celu ochrony przed procesami utleniania. Dodatkowo kontakt z substancjami aktywnymi chemicznie czy wystawienie niektórych powierzchni na wysokie tarcia może wymagać dodatkowego polerowania lub obróbki galwanicznej elementów. Istnieje szeroka gama procesów, które pozwalają na poprawę ochrony powierzchni części i podniesienie jej parametrów technicznych, a co za tym idzie – zapewnienia dłuższej żywotności.

Wśród najczęściej stosowanych warto wymienić procesy ulepszania powierzchni: 

• stali – saturacja pierwiastkami (cynkowanie, chromowanie, itp.) poprawia odporność na korozję i niekiedy poprawia walory estetyczne części, 
• aluminium i tytan – anodowanie pozwala na podwyższenie i tak akceptowalnej odporności na korozję, a dodatkowo zmniejsza tarcia oraz poprawia odporność mechaniczną.

Dobór odpowiednich procesów ulepszania powierzchni jest istotny z perspektywy wytrzymałości części w trakcie eksploatacji. To z kolei przekłada się na obniżenie kosztów oraz stabilność pracy.

Jedno zlecenie, wiele korzyści - tak się współpracuje z RADMOT

W RADMOT oferujemy usługi frezowania CNC, usługi toczenia CNC, jak i wiele usług dodatkowych, w tym mycie, anodowanie aluminium, znakowanie laserowe oraz montaż. Mamy do Twojej dyspozycji ponad 80 nowoczesnych maszyn w naszym parku maszynowym, wszystkie od renomowanych producentów. Pobierz prezentację i sprawdź na jakich obrabiarkach produkujemy części.

Skontaktuj się z nami i powiedz, czego potrzebujesz. Usługi CNC świadczymy od niemal 40 lat. Nasza wycena jest zupełnie darmowa. A jeśli będziesz mieć wątpliwości, jaka technologia sprawdzi się u Ciebie najlepiej, nasza fachowa wiedza jest na Twoje usługi.