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
rozciąganie Rm
[MPa]
Moduł sprężystości,
E
[GPa]
Twardość
Wsp.
rozszerzal.
[K]e-1
Temperatura
pracy
[ºC]
Brąz
berylowy
CuBe2
1250
131
41 HRC
16,7×10e−6
do 200°C
Węglik
spiekany
H10
1600
641
91.9 HVA
3×10e−6
do 700°C
Stal
narzędziowa
niestopowa
płytko
hartująca się
N7E*
640
210
59 HRC*
10,8×10e-6
do 200°C
Stal stopowa
do pracy na
zimno
NC4
1310
210
64 HRC
12×10e-6
do 200°C
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
pozytywne
Względny
współczynnik
wagi
1
2
3
4
5
6
Wytrzymałość na
rozciąganie
1
1
0
2
0,33
moduł Younga
0
0
1
1
0,17
Twardość
0
1
1
2
0,33
Współczynnik
rozszerzalności
1
0
0
1
0,17
Suma
6
1
6. Współczynnik doboru materiału
Materiał
Wytrzymałość na rozciąganie
Suma
alpa
beta
CuBe2
0
1
0
1
0,33
0,33
H10
1
1
1
3
0,99
N7E
0
0
0
0
0
NC4
1
0
1
1
0,66
Materiał
Moduł Younga
Suma
alpa
beta
CuBe2
1
1
1
3
0,17
0,51
H10
0
0
0
0
0
N7E
0
1
1
2
0,34
NC4
0
1
1
2
0,34
Materiał
Twardośc
Suma
alpa
beta
CuBe2
0
0
0
0
0,33
H10
1
1
1
3
0,99
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
0,17
0
H10
1
1
1
3
0,99
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.