Click here to load reader
Date post: | 31-Oct-2014 |
Category: |
Documents |
Upload: | sorin-gabriel |
View: | 156 times |
Download: | 6 times |
Click here to load reader
SELECTIA MATERIALELOR
Prof Dr Ing Liviu Brandusan1
Bibliografie
- S Domsa Selectia si proiectarea materialelor Ed UTPres Cluj-Napoca 2006- S Domsa Proiectarea materialelor Baze de date Studii de caz Ed Casa cartii de stiinta2005- M Ashby Materials Selection in Mechanica Design Second Edition Butterworth-Heinemann Oxford 1999- I Mitelea B Radu Selectia si utilizarea materialelor ingineresti Ed Politehnica Timisoara 1998
2
Selectia (si proiectarea) materialelor este activitatea prin care se stabileste cel mai potrivit material pentru o aplicatie data in conditiile satisfacerii tuturor cerintelor si care sa implice cele mai mici costuri cu ralizarea si intretinerea lui in functionare)
INTRODUCERE
Produse Subansamble Piese
bullFormabullDimensiunibullPrecizie dimensionala si de
formabullCalitate a suprafetei
MATERIAL
Selectia (stabilirea) tehnologiei de fabricatie este activitatea prin care se stabileste cel mai potrivit procedeu tehnologic adaptat materialului selectat in vederea obtinerii cerintelor (de mai sus) in conditiile celor mai mici costuri
3
Selectia materialelor si stabilirea tehnologiei de fabricatie este deosebit de dificila deoarece exista intre 40000 si 80000 de materiale (numarul lor se modifica continuu) alaturi de care exista peste 1000 de procedee tehnologice de prelucrare
Materiale metaliceRigiditate ductilitate (plasticitate) si tenacitate buna
temperatura de fuziune si rezistenta la soc termic ridicate
Materiale polimerice (inclusiv elastomeri)
Ductilitate (deformabilitate) si rezistenta la coroziune buna
greutate specifica mica
Materiale ceramice (inclusiv sticle)Rigiditate rezistenta la coroziune limita de curgere (duritate) buna temperatura de fuziune ridicata si
greutate specifica medie
Materiale compoziteRigiditate limita de curgere (duritate)
tenacitate rezistenta la oboseala rezistenta la coroziune buna si greutate specifica mica
4
La obtinerea unui produs se parcurg urmatoarele etape
Cerinta pietei
Conceperea
Proiectarea constructiva (desen ansamblu)
Detaliul (desenul de executie)
Proiectarea tehnologica
Productia
Proiectare produs nou
Reproiectare
Cand se face selectia materialelor
Pe tot parcursul procesului
5
Selectarea materialelor se face pe baza unor informatii (date) despre material
Date structurate
Date nestructurate
Date numerice
Ierarhizabile(proprietati mecanice)
Date de tip DANU BunRau (logice)
Documentatie specifica
Documentatie nespecifica
(cel mai putin structurate)
Pagini webSoftware ale producatoruluiConsultanti
Studii de cazAnaliza avariilorGhiduri de proiectare
Baze de dateStandardeManuale
6
Structurarea informatiilor (in baze de date sau nu) poate fi facuta astfel
Domeniul
Materiale
Tehnologii de
fabricatie
Familie
CeramiceSticlePolimeriMetaleCompoziteElastomerietc
ForjareAschiereTurnarePulberietc
Clasa si membri
OteluriFonteAliaje CuAliaje AlAliaje ZnAliaje Nietc
FrezareStrunjireRectificareGaurireetc
Coduri
100020003000400050006000etc
Proprietati
DensitateModul ERmDuritateP electriceRez corozetc
Domeniu de marimeComplexitateTolerantaRugozitateetc
7
METODICA SELECTIEI MATERIALELOR
8
Economia de piata (concurentiala)
Caliatatea si costul produsului au o mare
importanta
SELECTIA SI UTILIZAREA OPTIMA A
MATERIALELOR se face stiintific pe criteriul
Maxim de performanta la un Cost minim
Se face in functie debull Performantele produsuluibull Conditiile de prelucrarebull Forma si dimensiunile pieseibull Seria de fabricatiebull Pretul de cost
Trebuie sa se bazeze pebull Promovarea materialelor corespunzatoarebull Ieftine si usor de procuratbull Valorificarea maxima a prelucrabilitatii lor si aducere la forma cerutabull Posibilitatile reale de prelucrare in firma (dotarea si experienta
tehnologica)
9
Materialul selectat
Sa aiba proprietatile cerute
Se tine seama de procedeul de prelucrare
Contribuie la definirea proprietatilor finale ale
materialului piesei
Selectia optima a materialului
Este o activitatebull complexabull dificilabull care se deruleaza de la conceptie pana
la fabricatia de serie (si in timpul acesteia)
ETAPELE SELECTIEI MATEIALELOR
10
Obiectul selectiei Rolul functional siguranta in functionare
durata de exploatare etc
Analiza cerintelor determinate de rolul functional si de prelucrare
Matricea de cerinte referitoare la reper (piesa)
Matricea de cerinte specifice
materialului
Materiale proprietati comportare in functionare
Testarea materialului sau imbunatatirea lui
(daca este cazul)
Decizia de selectie a materialului (strategii procedee si criterii de selectie
Cerintele nu pot fi indeplinite Cerintele sunt indeplinite partial sau integral
Proiectarea unui nou material sau procedeu de prelucrare
Optimizarea selectiei materialului (a reperului)
11
Obiectul selectiei Rolul functional
siguranta in functionare durata de
exploatare etc
Se stabilesc toate proprietatile
materialelor ca rezultat al cerintelor functionare
si de utilizare
PROPRIETATI DE UTILIZARE
ETAPA -I- ANALIZA CERINTELOR FATA DE MATERIAL
Procedeele posibile de prelucrare
PROPRIETATI DE PRELUCRARE
Aceste grupe de proprietati pot fi in acord
sau in contradictie
Matricea de cerinte
Care si de unde rezulta aceste cerinte
12
+
La proiectarea piesei sau produsului se stabilesc
Cerintele privind performantele cerute materialului bazate pe functionalitatea si performanta impusa piesei (produsului) precum si pe conditiile ambientale in care va functiona aceasta
Cerintele fata de material
Cerinte functionale
Siguranta in functionare
Functionarea in conditii ambientale de exploatare
Cerinte de prelucrabilitate
COSTUL MATERIALULUI
13
CERINTE FUNCTIONALE
SIGURANTA IN FUNCTIONARE
Caracteristicile produsului (carora nu intotdeauna li se pot atribui valori cantitative) se coreleaza cu cele mai potrivite proprietati mecanice fizice chimice
Se stabilesc cat mai exat conditiile reale de functionare (rol functional tipul caracterul si valoarea solicitarilor conditii de temperatura si mediu etc)
Probabilitatea piesei (materialului) sa fie exploatata corespunzator fara a ceda sau avaria Precizarea anticiparea posibilelor moduri in care un produs poate suferi o avarie re realizeaza prin analiza avariilor
Cauzele unei avarii (in functionare) sunt atribuite- erorilor de conceptie constructiva- defectelor originale ale
materialului- defecte datorate prelucrarii piesei- conditiile de exploatare
14
FUNCTIONAREA IN CONDITII AMBIENTALE DE EXPLOATARE
CERINTE DE PRELUCRABILITATE
(TEHNOLOGICE)
Ambientul in care functioneaza piesa reprezinta un factor important la stabilirea acestor cerinte Mediile corosive temperaturile ridicate sau joase (negative) modifica defavorabil performanta materialelor de uz general
Se apeleaza la materiale speciale cu proprietati deosebite mai scumpe dar corespunzatoare
Forma piesei finite (materialului) precizia dimensionala si de forma calitatea suprafetei etc
Procedeul tehnologic de prlucrare
- turnabilitatea- deformabilitatea- aschiabilitatea- capacitatea de a
fi tratat termic
Se elimina materialele cu (ex) deformabilitate imposibila calibilitate insuficienta aschiabilitate slaba etc
15
Matricea de cerinte
ETAPA -II- STABILIREA MATRICEI DE CERINTE
Analiza celor patru grupuri de cerinte
Stabilirea unor cerinte tehnice
Costul materialuluicerinte economice
Cuprinde toate cerintele necesar a fi indeplinite de material (atat cerintele tehnice cat si cerintele
economice)
Pentru a lua o decizie corecta privind
selectia materialului se face
ierarhizarea cerintelor
16
Cerinte economice
COSTUL MATERIALULUI
Costuri legate cu prelucrare (manopera)
Alte costuri
Costul piesei
Alte costuri (intretinere
exploatare etc)
COSTUL MATERIALULUI controleaza evaluarea materialelor deoarece in multe aplicatii se impune un cost limita pentru materialul care sa satisfaca cerintele aplicatiei Cand limita este depasita produsul se reproiecteaza in vederea modificarii cerintelor fata de material pentru mentinerea acestuia sub limita de cost
Selectia se opreste la materialul care satisface cerintele stabilite (tehnice) de exploatarea piesei si care are costul cel mai scazut
17
ASPECTE ECONOMICE ALE MATERIALELOR
Materialul influenteaza costul total al produselor
Costul materialului are cea mai mare pondere din costul total (30-70)
Prelucrabilitatea
Determina- nivelul de
productivitate- investitiile de capital- manopera necesara
obtinerii formei finale
ATENTIE Alegerea unui material ieftin nu este intotdeauna o solutie corespunzatoare daca prelucrarea lui este dificila si costisitoare
Dimensiunile materiilor prime (semifabricatelor pot determina formarea unei cantitati mari de deseuri si implicit costul final
Posibilitatea reciclarii deseurilor ndash element important la selectia materialelor ndash indeosebi la materialele scumpe
18
Clasificarea materialelor pe baza costurilor
Materialele ingineresti
Materiale de larga utilizare
Materiale speciale
- ieftine- produse in cantitati mari
- substantial mai scumpe- elaborate pentru satisfacerea
unor cerinte deosebite
ATENTIE Compararea materialelor din punc de vedere a costurilor este dificila deoarece la unele materiale costul este dat in raport cu greutatea la altele in raport cu volumul la altele in raport cu suprafata etc
Compararea materialelor se face in raport cu costul relativ
19
Comparatia materialelor pe baza costului relativ al unitatii de
greutate
Comparatia materialelor pe baza costului relativ al unitatii de
volum
Comparatia materialelor pe baza costului relativ al unitatii de volum
raportat la rezistenta de rupere
20
Comparatia materialelor pe baza costului relativ al unitatii de volum
raportat la rezistenta de rupere specifica la tractiune
21
Concluzii
Din punct de vedere al costului relativ la unitatea de greutate utilizarea otelului este cea mai avantajoasa
Cel mai mare consum mondial
Materialele polimerice si aluminiu tind sa se apropie de costurile otelului
Din punct de vedere al costului relativ la unitatea de volum costurile materialelor polimerice se apropie de cele ale otelurilor unele fiind mai ieftine
Apare o plaja larga a costurilor materialelor ingineresti
Uneori materialele nu sunt utilizate la adevarata lor capacitate deoarece o cerinta importanta este rigiditatea Din acest punct de vedere betonul are cel mai mic cost
Sunt aplicatii la care se cere rezistenta ridicata si greutate redusa Se constata ca materialele polimerice si piesele turnate din magneziu apar mai ieftine decat otelurile
22
In cazul unui produs evaluarea valorii lui se
face prin
Evaluarea calitativa a proprietatilor materialului
Cel mai ieftin
Cel mai usor de procutat
Care sa aiba aceeasi
functionalitate
In cazul selectiei materialelor
Pentru aceeasi functionalitate
La cel mai scazut cost
Sa se selecteze cel mai ieftin material
Sa se selecteze un material mai scump dar
care va simplifica prelucrare (eventual
eliminarea unor etape)
23
Otelurile slab aliate cu continut ridicat de mangan si
continut scazut de Ni si Cr
Inlocuiesc otelurile scumpe continand cantitati mai mari de Ni Cr Mo (elemente scumpe)
Acoperirile metalice Inlocuiesc (in conditii mai putin
severe de coroziune) otelurile inoxidabile
Durificarea superficiala sau ecruisarea prin deformare
plastica
Mareste rezistenta la uzare si la oboseala a otelurilor carbon evitand utilizarea otelurilor aliate scumpe
Acoperiri de tipul alitarii cromarii aplicate otelurilor
carbon
Confera rezistenta la temperaturi moderate elimina finisarea
(costisitoare)
24
Coeficientul de utilizare a materialului
Minimalizarea costului materialelor
Printr-o proiectare care sa reduca cantitatea necesara de materiale scumpe
Alegerea procedeelor de prelucrare adecvate
Stabilirea formei semifabricatului care sa maximalizeze coeficientul de utilizare a
materialelor in fabricatie
Materiale ieftine
- Cumparate in cantitati mari- Cele care au dimensiuni mari
Cand fabricatia cere piese de mai multe dimensiuni se poate
cumpara stoc mare de semifabricate la dimensiunea
cea mai mare a pieselor
Reulta deseuri si costuri suplimentare de
manopera
Punctul de rentabilitate in aceasta privinta este greu de evaluat
25
Coeficientul de utilizare a materialelor pentru diferite procedee de prelucrare este dat in urmatorul tabel
Metoda de prelucrare Coeficientul de utilizare
1 Fara modificarea masei
Turnare 70
Deformare plastica 75
Agregate de pulberi 90
2 Cu micsorare de masa
Aschiere 60
Eroziune 90
3 Prin marire de masa
Depuneri prin sudare 80
Depuneri prin metalizare 90
26
Competitia in domeniul materialelor
Odata cu aparitia unor materiale noi si scaderea pretului celor existente apare o COMPETITIE INTRE MATERIALE
Intre otel si aluminiu la obtinerea cutiilor
de bauturi
Intre aluminiu si materiale polimerice
(armate) la constructia aeronavelor
Intre materiale polimerice si cupru
plumb fonta la instalatiile de apa
ProprietateaAliaj ZnAl4 turnat sub presiune
Polistiren ABS
Naylon 66
Policar-bonat
Polipr-opilena
Rezistenta la tractiune MNmm2 260 54 52 70 35
Rezistenta la tractiune prin soc (relativ) 79 1 33 36 16
Rezistenta la fluaj (exprimata ca modul de elasticitate aparent la 100 h MNmm2) 51100 1470 420 2030 308
Rezistenta la oboseala prin incovoiere la 107 cicluri MNmm2 644 154 14 7 182
Temperatura de stabilitate termica la 18 MNmm2 (oC) gt488 345 324 403 332
Modificarea rezistentei la tractiune dupa 500h de expunere in conditii atmosferice ()
+05 -8 +10 -11 -30
Densitatea (relativa) 667 105 114 12 09
Costul unitatii de greutate (relativ Zn=1) 1 21 374 42 14
Costul unitatii de volum raportat la rezistenta la tractiune (relativ) 1 21 37 30 16
Costul unitatii de volum raportat la rezistenta la fluaj (relativ) 1 117 183 19 30
Costul unitatii de volum raportat la rezistenta la tractiune prin soc (relativ) 1 27 15 16 09
Costul unitatii de volum raportat la rezistenta la oboseala (relativ) 1 09 18 34 04
In situatia in care piesa are un rol decorativ ndash materialul plastic este
important
27
Costul prelucrarii poate juca un rol important in procesul
selectiei
Alama mai ieftina pentru anumite piese decat otelul laminat deoarece se prelucreaza cu viteza mai mare
Costul alamei este mai mare decat a otelului
Aluminiul se prelucreaza mai usor si are greutate specifica mai mica
Poate inlocui fonta otelul si aliajele lui chiar
daca sunt mai ieftine
Materialele plastice se prelucreaza foarte usor si devin economice la
serie mare
Pot inlocui orice tip de material la diferite
aplicatii
Criteriul economic privind costul materialului nu este
concludent la selectarea materialului
Devine important COSTUL REPERULUI
28
Costul de baza al materialului
Cheltuieli de dezvoltaresi utilizare a
echipamentelor
Cheltuieli de prelucrareDeterminate de material de procedeu de forma
de precizie
COSTUL REPERULUI
Costurile reperului
29
Reper Comportare Costuri
Cheltuieli de intretineresi reparatii cu reperul
UtilizareCheltuieli de exploatare
Durabilitate
ECONOMICITATEA REPERULUI
Economicitatea reperului
30
CERINTE IMPUSE MATERIALULUIPIESE
Problema selectiei materialului este complexa
datorita
Varietatii materialelor ingineresti
Severitatii cerintelor functionale impuse
Cerinta diminuarii costurilor
Severitatii cerintelor functionale impuse
Prelucrarile la care este supus materialul
Geometria pieselor
Solicitarile la care este supus materialul
INFLUENTEAZA PROPRIETATILE MATERIALELOR
31
Comportarea materialului in produsul finit este sensibil diferita de cea a semifabricatului din care a fost obtinut
Comportarea materialului in piesa
(C)
Proprietatile materialului (M)
Influenta procedeului de prelucrare (P)
Forma piesei si fortele exterioare la care este
supusa (F)
Arata influenta directa a proprietatilor
semifabricatului a procedeului de prelucrare
a formei geometrice si a actiunii fortelor exterioare
asupra comportarii materialelor in piesa finita
Influenteaza direct comportarea
materialului in piesa
Este foarte important a se apela la criterii de proiectare adecvata
32
Influenta procedeului de prelucrare (P)
Prezenta muchiilor ascutite si a filetelor
Rugozitatea suprafetei
Afecteaza intr-o masura mai mare comportarea otelurilor de inalta rezistenta
decat a celor moi
Afecteaza intr-o masura mai mare comportarea materialelor la solicitari
variabile (oboseala) decat la solicitari statice
Interesul se focalizeaza preponderent pe performanta piesei in functionare si mai putin pe comportarea materialului in piesa
Comportarea materialului in piesa (proprietatile piesei)
Performantele piesei in functionare
Comportarea materialului in functionareConditiile de functionare
Factori care influenteaza
performantele piesei in functionare
33
CLASIFICAREA CERINTELOR IMPUSE MATERIALELOR
Cerintele impuse materialelor
Cerinte ldquorigiderdquo sau nenegociabile
Cerinte ldquonerigiderdquo ldquorelativerdquo sau
negociabile
Sunt cerintele care trebuie satisfacute obligatoriu de
material pentru a fi luate in considerare la selectie
bull Disponibilitatebull Prelucrabilitatebull Caracteristici minime
In anumite limite sunt supuse compromisului Pot fi comparate dpdv al importantei lor relative pentru o
aplicatie data in cadrul metodelor cantitative de selectie a materialelor
bull Proprietati mecanicebull Densitatebull Costul
In functie de tipul aplicatiei aceste cerinte isi pot schimba caracterul (din ldquonegociabilerdquo in ldquonenegociabile
Modificarea clasei de material selectate in final
34
EXEMPLE
Butelie de aragaz
Rezistenta Ductilitate Cost
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Rezistenta Ductilitate ρmic
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Butelii pentru gaze utilizate in aviatie
Costul este nenegociabil Oteluri pentru recipienti sub
presiune la temperaturi joase ndash R37 R44
Greutate cat mai mica (considerata nenegociabila) Materiale compozite (Kevlar 49-matrice epoxidica armata
cu fibre de poliamida)
35
MODALITATI DE ABORDARE A SELECTIEI MATERIALELOR SI PROCEDEELOR DE PRELUCRARE
Aparitia unor materiale noi si a competitiei intre materiale
Abordari noi in selectia materialelor si a procedeelor de prelucrare
Materialele plastice folosite la obtinerea pieselor complexe si de buna calitate inalta tehnologie
Materialele compozite au condus la reducerea substantiala a
greutatii produsului
Materiale sinterizate utilizate la obtinerea pieselor fara pierderi de material si consum de enetgie
scazut
Ingineria suprafetelor ofera posibilitati de modificare a
suprafetelor si coferirea unor proprietati deosebite
Cu toate aceste proiectantii se limiteaza la selectia
materialelor si procedeelor de prelucrare cunoscute mai bine
- Evitarea riscurilor- Nu este cunoscuta existenta unor noi materiale- Nu sunt cunoscute noile tehnologii de fabricatie etc
Proiectarea industriala trebuie asociata cu design-ul realizarea unei forme estetice obtinerea unui aspect exterior
placut
Design-ul industrial include mai mult decat o stilizare
Alegerea materialului permite un anumit design sau altul
36
La selectarea functiunii produsului (comportarea lui in exploatare-C) a materialelor (M) a
procedeelor de prelucrare (P) a formei (F) trebuie sa se tina seama ca acestea se intrepatrund (trebuie
sa tin seama in acelasi timp de ele)
Dificil Pot fi urmate diferite
succesiuni
Succesiunea CFMP prezinta urmatoarea
ordine de luare in considerare
-functionalitatea produsului (C)-forma piesei-materialul piesei-procedeul de prelucrare
Pot exista diferite succesiuni
Conduce la solutii diferite
Cadrul face conexiunea intre roti
saua bicicletei pedale ghidon
EXEMPLU Succesiunea CFMP
Functionalitatea si forma sunt aceleasi
Teava de aluminiu
Sudare
Succesiunea CFPM
Functionalitatea si forma sunt aceleasi
Sudare Teava de otel-se sudeaza mai bine
Succesiunea CMPF
Functionalitatea este aceeasi
Ca material se poate alege unul compozit
Sudare lipire
Forma aceeasi sau nu
Succesiunea CPMF
Poate fi aleasa presarea unui material superplastic
Alegerea ca material aluminiul
Forma S asimetrica plata
37
Pe baza functiunilor impuse produsului proiectantul schiteaza o serie de solutii tinand seama
de-materialele ce pot fi folosite-procedeele de fabricatie ce pot fi aplicate-formele potrivite ca functionalitate si design
Fiecare combinatie materialprocedeu de prelucrare conduce la diferite forme
Pot fi generate un numar
diferit de forme
Este o abordare CPMF sau CMPF
38
STRATEGII DE SELECTIE A MATERIALELOR
O strategie de selectie are doua componente
Formularea marimi prin care sa se evaluare un set de cerinte impuse materialului
Un procedeu de evaluare a marimii cerintelor prin care sa
se poata face ierarhizarea acestora in functie de masura in
care acestea sunt indeplinite
Strategiile cauta cai de implementare a procesului si anume de a converti un set de date ldquode intrarerdquo (cerintele proiectarii)
intr-un set de date ldquode iesirerdquo- alegerea materialului si a procedeului de prelucrare
39
Cerintele proiectarii
Materiale si procedee de prelucrare selectate
Strategii de selectie
Date initiale Functie de transfer Date finale
Strategia 1 Cautare libera implicand analiza rationala
Strategia 2 Bazata pe chestionare Este o selectie prin expertiza
Strategia 3 Analogie bazata pe cazuri anterioare
Posibila inovatie
Ofera solutii cunoscute
Ofera solutii similare cu situatia prezenta
Ofera mare libertate de selectie dar putina ghidare in proces
Ofera multa ghidare in proces dar putina libertate de selectie
Ofera idei ale solutiilor anterioare pentru probleme similare
40
SELECTIA LIBERA BAZATA PE ANALIZA RATIONALA
Este rapida si eficienta
Ofera o mare libertate pentru aplicatii
Ofera solutii noi si inovative
Avantaje
Are nevoie de date de intrare precis detaliate intr-o forma ce pot fi analizate prin metode ingineresti
standard
EXEMPLU
Gasiti un material pentru o bara de lungime L care sa
suporte o forta F la temperatura T si sa fie cat mai usoara
Cerinte pentru proiectare
ANALIZA SCHITEIFunctia Ce trebuie sa faca piesaObiective Ce trebuie maximalizat sau minimalizatConstrangeri Ce conditii esentiale trebuie sa fie indepliniteVariabile libere Care variabile ale proiectului sunt libere (cerinte nerigide)
41
Functia Ce trebuie sa faca piesa
Obiective Ce trebuie maximalizat sau minimalizat
Variabile libere Care variabile ale proiectului sunt libere (cerinte nerigide)
De a rezista la momente de incovoiere trebuie sa suporta incarcatura pentru care a fost proiectata fara a se deforma
Constrangeri Ce conditii esentiale trebuie sa fie indeplinite
Lungimea L data Tigiditatea S data Sa reziste si sa nu se deformeze la temperatura T
Trebuie minimalizata greutate
Aria sectiunii Costul
Procesul de selectie a avea 3 pasi
Filtrarea Se folseste de constrangeri pentru inlaturarea materialelor care nu indeplinesc cerintele
IerarhizareaSe folseste de marimea performantelor materialelor ramase in discutie pentru a le ordona
Documentarea
Analizeaza informatiile nestructurate le structureaza si le introduce in structura ierarhizata realizand o fisa cu informatii care ajuta selectia finala a materialului
42
Ierarhizarea se face parcurgand mai multe faze
Identificarea unuia sau a mai multor indici de performanta corespunzatori functiei obiectivului si constrangerilor
Indicele de performanta permite optimizarea selectiei
Pentru identificarea acestor indici se parcurg urmatoarele etape
Transpunerea intr-o relatie a obiectivului (entitatea) ce trebuie minimalizata sau maximalizata
Analiza grupului de proprietati (indicele de performanta) care maximalizeaza obiectivul
Eliminarea din aceasta relatie a variabilelor libere utilizand constrangerile (ex valoarea impusa rigiditatii a incarcarii limita a unui moment a presiunii a temperaturii de lucru sau al tenacitatii
43
EXEMPLU
TEMAGasiti un material pentru o bara de lungime L care sa
suporte o forta F la temperatura T si sa fie cat mai usoara
b
b
Lδ
F
Sageata
Sectiunea
CERINTELE PROIECTARIIFunctia Bara incarcata la incovoiereObiectiv Minimalizarea greutatiiConstrangeri Lungimea L data Rigiditatea S data Temperatura de exploatare T data (500deg)Variabile libere Aria sectiunii A Materialul de selectat
Se alege masa ldquomrdquo ca indice de performanta (trebuie sa fie minimalizat)
Masa barei este
Constrangerea privind rigiditatea va determina aria sectiunii ASageata unei bare simplu rezemata (forta actionand la mijloc) este data de relatia
44
unde E-modulul de elasticitate al materialului barei I-momentul de inertie al sectiunii grinzii
CL-reprezinta o constanta ce depinde de modul de distributie a fortei F (CL=48)
Rigiditatea barei este data de relatia
Din aceasta ultima relatie rezulta aria sectiunii A
Prin substitutia acestei relatii in relatia de determinare a masei grinzii se obtine indicele de performanta m
Valorile S L CL sunt date de proiect
Cea mai usoara bara este acea realizata dintr-un material care are cea mai mare valoare pentru
raport numit si ldquoindice de materialrdquo
Functia Incarcarea ConstrangeriIndici de
performantaRelatia
indicelui
Structuri de masa minima
Tija
BaraStatica
Rigiditate
Tractiune Eρ
Compresiune Eρ
Incovoiere E12ρ
Torsiune E12ρ
Rezistenta
Tractiune σrρ
Compresiune σcρ
Incovoiere σr23ρ
Torsiune σc23ρ
Dinamica
Panou
45
Exista mai multi indici de performanta fiecare realizand o combinatie dintre obiectiv si constrangere
46
47
48
METODE CANTITATIVE DE SELECTIE A MATERIALELOR CANDIDATE
Materialele candidat sunt materialele care satisfac cerintele cuprinse in matricea de cerinte rezultate dinbull Cerintele functionalebull Siguranta in functionarebull Functionarea in conditii ambientale de exploatarebull Cerintele de prelucrabilitatebull Economicitatea piesei
Care din aceste materiale vor fi luate in considerare la realizarea piesei
Evaluarea materialelor candidat
Evaluarea presupune compararea materialelor candidat care indeplinesc cerintele negociabile cu caracteristicile efective ale materialului in vederea selectarii celui optim pentru o aplicatie data
49
Evaluarea materialelor candidat
Este mai simpla pentru metodele cantitative de evaluare
Trebuie sa tina seama de anumite avantaje (usurinta procurarii materialului distanta pana la furnizor seriozitatea furnizarii constanta in calitatea produselor etc) care pot introduce anumite limitari determinand anumite compromisuri
In cele mai multe cazuri metodele cantitative de selectie conduc la materialul optim pentru o aplicatie
Metodele cantitative pot fi reluate odata cu schimbarea importantei relative a cerintelor negociabile
ATENTIE Cerintele nenegociabile trebuie satisfacute in totalitate si intocmai
Daca niciun material nu satisfac cerintele negociabile atunci fie ca acestea trebuie relaxate fie se impune reproiectarea produsului
50
Selectia este o operatie complexa
Numar mare de materiale cu o plaja larga de proprietati
Daca se face intamplator
Apare riscul de a omite anumite materiale candidate
Reducerea riscului prin adoptarea unei metode sistematice de selectie a materialelor
Metodele cantitative
Permitbull analiza unui numar ridicat de datebull a multor specificatii implicate in selectia materialelorbull pot fi adaptate pentru o selectie asistata de calculator
dintr-o baza de date
Metodele nu elimina capacitatea de analiza si experienta ingineruluiAceste metode sprijina inginerul in alegerea optima
51
METODA COSTULUI RAPORTAT LA UNITATEA DE PROPRIETATE
Economicitatea piesei
Costul initial al materialului
Costul prelucrarii si montarii
Costul functionarii si intretinerii
Unele dintre aceste costuri cresc odata cu cresterea
valorii proprietatilor altele scad
Proprietatea (Rm)
Costul piesei
Alte costuri
Costul total
Cos
tul
Cost minim
Odata cu cresterea rezistentei- Prelucrare mai dificila- Greutatea pe piesa scade- Durabilitatea in exploatare
creste si deci numarul de piese in utilizate in timp mai mic
Costul total este suma costului piesei si a celorlalte costuri
52
Valoarea optima a proprietatii (aici Rm) apare la costul minim
In piata costul materialului este legat de greutatea sau volumul (dupa caz) materialului
Se poate stabili o comparatie a materialelor intre proprietatile relative (proprietatea raportata la
greutatea specifica) De exemplu rezistenta rigiditatea modul de elasticitate etc
Criteriul esential este costul raportat la unitatea de rezistenta la tractiune
C=pρσ
C- costul asigurarii unei rezistente de 1 MPap- costul unitatii de proprietate a materialului
ρ- densitatea materialului
σr- rezistenta la tractiune
Cu cat valoarea lui ldquoCrdquo este mai mica cu atat materialul
este mai economic
53
Relatii asemanatoare pot fi obtinute si pentru alte proprietati cum ar fi- limita la curgere- modulul de elastuicitate- factorul de intensitate a tensiunii etc
Costul unitatii de proprietate pentru diferite moduri de solicitare
54
Compararea materialelor privind aceste costuri este esentiala
Se compara materialele intre ele
Este dificilSe ia un material de referinta
Costul relativ pe unitatea de proprietate a materialului candidat ldquoirdquo raportat la costul relativ pe unitatea de proprietate a materialului de referinta ldquobrdquo este dat de relatia
Daca CR este subunitar materialul candidat este mai ieftin decat materialul de referinta
Materialul de referinta este eliminat si materialul candidat se ia ca material de referinta pentru urmatoarea comparatie
Daca CR este supra unitar materialul candidat este mai scump decat materialul de referinta
Materialul de referinta se ia ca material de comparatie pentru urmatoarea analiza
55
METODA PONDERARII PROPRIETATILOR
Este o metoda pentru rezolvarea unor solutii mai comlexe de materiale materiale si proprietati
Fiecarei proprietati a materialului i se acorda o pondere rdquoαrdquo
Ponderea este proportionala cu importanta relativa a proprietatii pentru performanta in exploatare a materialului pentru aplicatia data
Ponderea proprietatii este egala cu produsul dintre valoarea numerica a proprietatii materialului ldquoprdquo si ponderea ei ldquoαrdquo
γ=pα
Insumand toate aceste produse pentru un material se obtine un indice de performanta ldquoPrdquo al materialului
Aceasta metoda ia in considerare toate proprietatile materialului
Comparand mai multe materiale prin indicele de performanta se poate gasi cel mai performant material pentru o aplicatie
56
Dezavantajul acestei metode consta in faptul ca in cazul unei proprietati care are o valoare ridicata aceasta v-a avea o influenta mai mare asupra indicelui de performanta decat ponderea ei
Exemplu Un material A care are Rm=370 MPa si o duritate de 350 HRB si un alt material B care are Rm=400 MPa si o duritate de 300 HRBStabilind ponderea proprietatii de 100 pentru rezistenta si 90 pentru duritate se obtine un indice de performanta de 68500 pentru material ul A si 67000 pentru materialul B
Inseamna ca impotriva importantei rezistentei la tractiune (ca fiind primul criteriu de selectie) si care este mai mare pentru materialul B indicele de performanta al materialului A este mai mare si deci acest material v-a fi selectat
La evaluarea materialelor candidat se va lucra cu valori relative ldquoβrdquo ale unei anumite proprietati celei mai mari valori a proprietatii atribuindu-se valoarea 100 iar celelalte valori relative se determina cu relatia
57
Pentru proprietatile materialelor care nu se exprima in mod obisnuit prin valori numerice (rezistenta la uzare sudabilitatea aschiabilitatea diferite proprietati tehnologice etc) evaluarea se poate face relativ la una dintre proprietati astfel
Astfel fiecarei proprietati I se acorda o importanta egalasi ea va influenta indicii de performanta ai materialelor doar comparate doar in masura ponderii acordate
Pentru proprietati ale caror valori se doreste a fi cat mai mici (densitatea pierderea de greutate prin coroziune etc) evaluarea se face printr-un raport invers
ProprietateaMateriale alternative
A B C D
Sudabilitatea Foarte buna Buna Buna Satisfacatoare
Evaluarea relativa 5 3 3 1
Valoarea scalata 100 60 60 20
58
Exemplu In ceea ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru rezistenta la tractiune a materialului A este de 925 Pentru al doilea material aceasta valoare este de 100 In ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru duritate aceasta este de 100 pentru materialul A si de 857 pentru materialul B
Acest lucru poate schimba situatia ierarhica a materialelor sau le poate apropia atat de mult indicele de performanta incat sa se puna problema luari in considerare si a altor elemente pentru selectie
Astfel indicele de performanta a materialului este dat de relatia
unde P reprezinta indicele de performanta a materialuluildquoirdquo este suma celor ldquonrdquo proprietati considerate a materialul ui
59
Ponderea α poate fi considerata ca αilt1 astfel incat
(cazul cel mai frecvent) sau ei I se poate aloca o plaja de valori valoarea cea mai mare
corespunzand proprietatii cu cea mai mare importanta
Costul materialului poate fi considerat ca o proprietate (chiar importanta) acordandui-se o pondere ldquoαrdquo
In cazul luarii in considerare a unui numar mare de proprietati costul poate fi considerat un factor de corectie al indicelui de performanta a materialului rezultand indicele de merit al acestuia
in care ldquoprdquo reprezinta costul unitatii de greutate a materialului
60
Cand se doreste compararea mai multor materiale candidat (i) cu unul de baza (de referinta) se calculeaza indicele relativ de merit al fiecarui material astfel
Daca RMgt1 respectivul material candidat ldquoirdquo corespunde mai bine cerintelor decat materialul de referinta ldquobrdquoIn cazul in care Mb reprezinta minimul cerintelor impuse Materialele candidat avand RMlt1 pot fi eliminate de la inceput ca fiind necorespunzatoare
Cand trebuie luate in considerare mai multe proprietati ale materialului pentru evaluarea indicelui de performanta este dificila evaluarea ponderii acestora Rezolvarea aceste probleme poate fi realizata printr-o evaluare prin programe numerice
61
METODA CRESTERII INCREMENTALE
In anumite situatii pot aparea mai multe materiale care indeplinesc cerintele minime impuse de o anumita aplicatie
Dupa analiza acestor materiale se poate presupune ca performantele pieselor prelucrate sunt proportionale cu indicii de performanta ldquoPrdquo In acelasi timp costul piesei variaza proportional cu costul materialului si al prelucrarii acestora
Daca se doreste selectarea piesei care are cea mai mare performanta la cea mai rezonabila crestere a costului se poate face o analiza beneficiu-cost Procedeul se ia indeosebi cand se doreste inlocuirea unui material utilizat deja in fabricatie
Materialul cu cel mai scazut cost (1) se ca element de baza si este comparat cu materialul care are costul imediat superior (2) Comparatia se face determinand cresterea indicelui de performanta (ΔP=P2-P1) si a costului ldquoprdquo pe unitatea de volum (Δpρ=p2ρ2-p1ρ1)
Daca ΔPΔpρlt1 materialul 1 corespunde mai bine decat materialul 2 pentru aplicatia data si materialul 2 va fi eliminatDaca ΔPΔpρgt1 materialul 1 va fi eliminat deoarece materialul 2 corespunde mai bine cerintelor aplicatieiSe continua compararea cu al treilea material si rand pe rand vor fi eliminate materialele mai putin corespunzatoare ajungand la materialul optim
62
EXEMPLU DE SELECTIE A MATERIALELOR
Tema Realizarea piesesei din figura dintr-un otel ldquoOL37rdquo intr-o serie mare de fabricatie-Este o piesa cilindrica cu dimensiunile date-Are un butuc-Prezinta o gaura lunga si de diametre mic
oslash200oslash50
150oslash20
Se poate realiza din bara rotunda prin strunjire
Se poate realiza din bara rotunda prin forjare
80
Coeficientul de utilizare a materialului 055
Coeficientul de utilizare a materialului 098
63
Diametrul mm Inaltime mm Volum mm3 Volum mm3Coeficientul de
utilizare a materialului
Semif Pornire 200 150 4710000 4710000
Strunjire
200 80 2512000
2602275 055=5550 35 137375
20 150 47100
Forjare
200 80 25120002649375
098=9850 35 137375
20 150 47100 2602275
Coeficientul de utilizare a materialului K=greutatea piesei finitegreutatea materialului utilizat pentru realizarea lui (a semifabricatului de pornire)
In calcul s-a lucrat cu volumul materialului deoarece G=VρAdaosuriele de prelucrare s-u luat ca fiind egaleApare un mult mai bun grad de utilizare a materialului pentr prelucrarea prin forjare
PIESA SE VA REALIZA PRIN FORJARE
64
1
2
3
5
6
4
9
8
F
107F
1-semimatrita superioara2-semimatrita inferioara3-cavitatea semimatritei sup4-cavitatea semimatritei inf5-canalul de bavura6-canalul de refulare7-prinderea semimatritei sup8-prinderea semimatritei inf9-elemente de ghidare (stifturi)10-planul de separare
TEMA Sa se stabileasca materialul optim pentru realizarea elementelor active ale matrtei de forjare din figura Se urmreste obtinerea piesei prin forjare la cald
CERINTE PENTRU PROIECTARE
Analiza schiteiFunctia Elemete (semimatrite) de matrita de deformare plasticaObiectiv Trebuie maximalizata tenacitatea (rezilienta)Constrangeri Dimensiunile cavitatii matritei (depind de marimea piesei) dimensiunile exterioare si sistemul de prindere (depind de utilaj temperatura de lucruVariabile libere material
65
Se cauta in sursele de informatii structurate si nestructurate materialele care respecta cerintele
Elemente de matrita
Rezistente la cald
Tenacitate Duritate
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Materialele potrivite sunt metalele si aliajele lor
-Materialele ceramice nu au tenacitate-Materialele polimerice nu au rezistenta la cald-Materialele compozite sunt scumpe si nu au tenacitate
Depinde de compozitia lor
Se cauta materiale cu destinatie precisa Materiale pentru scule de deformare
66
Din baza de date se constata ca urmatoarele materiale satisfac
cerintele rigide adica sa poata fi utilizate la prelucrarea la cald
Sunt materiale cu destinatie precisaDaca nu sunt materiale cu destinatie
precisa se cauta in grupa materialelor cu destinatie generala
Material Rm min MPa HV A5 KCU Jcm3
C120 890 265 8 60
VMoC120 870 265 8 68
VC06 870 230 6 68
VCW85 870 265 6 80
MoCN15 830 250 7 75
VMoCN17 870 265 7 73
VSCW20 790 235 5 78
OSC7 640 195 12 56
OSC8 640 195 10 58
67
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU Jcm3 βKCU Indicele de
performanta PC120 890 265 8 60 101450
VMoC120 870 265 8 68 100650
VC06 870 230 6 68 97400
VCW85 870 265 6 80 101750
MoCN15 830 250 7 75 96750
VMoCN17 870 265 7 73 101100
VSCW20 790 235 5 78 92400
OSC7 640 195 12 56 74950
OSC8 640 195 10 58 75050Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza peoprietatii
68
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU
Jcm3 βKCU Indicele de performanta P
C120 890 100 265 10000 8 6667 60 75 25017000
VMoC120 870 9775 265 10000 8 6667 68 85 2835015356
VC06 870 9775 230 8679 6 5000 68 85 2126563155
VCW85 870 9775 265 10000 6 5000 80 100 2501682022
MoCN15 830 9326 250 9434 7 5833 75 9375 2735970124
VMoCN17 870 9775 265 10000 7 5833 73 9125 2663140356
VSCW20 790 8876 235 8868 5 4167 78 975 2032758226
OSC7 640 7191 195 7358 12 10000 56 70 3501237545
OSC8 640 7191 195 7358 10 8333 58 725 3022070878Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza proprietatii relative
69
Material Indicele de performanta P
VSCW20 2032758226
VC06 2126563155
VCW85 2501682022
C120 25017000
VMoCN17 2663140356
MoCN15 2735970124
VMoC120 2835015356
OSC8 3022070878
OSC7 3501237545
Material Indicele de performanta P
OSC7 74950
OSC8 75050
VSCW20 92400
MoCN15 96750
VC06 97400
VMoC120 100650
VMoCN17 101100
C120 101450
VCW85 101750
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile proprietatii materialului
ordonate crescator
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile relative ale proprietatii materialului ordonate crescator
70
Luand in considerare ca unele materiale sunt aliate cu siguranta acestea sunt mai scumpe
Daca luam in considerare costul unitar pentru otelurile carbon de scule iar densitatea de 785 (corespunzatoare fierului) se obtine indicele de merit
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
OSC7 74950 1 95477707 114
OSC8 75050 1 956050955 114
VSCW20 92400 14 840764331 100
MoCN15 96750 14 880345769 105
VC06 97400 12 103397028 123
VMoC120 100650 13 986281235 117
VMoCN17 101100 14 919927207 109
C120 101450 15 861571125 102
VCW85 101750 14 925841674 110
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea proprietatii materialului
71
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
VSCW20 2032758226 14 184964352 100
VC06 2126563155 12 225749804 122
VCW85 2501682022 14 227632577 123
C120 25017000 15 212458599 115
VMoCN17 2663140356 14 242323963 131
MoCN15 2735970124 14 248950876 135
VMoC120 2835015356 13 277806502 150
OSC8 3022070878 1 384977182 208
OSC7 3501237545 1 446017522 241
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea relativa a proprietatii materialului
72
Selectati materialele potrivite pentru piesele din imagine
Randul I 1 Serie mare de fabricatie-6p Randul II Serie mica (unicat) de fabricatie-6p
Randul I 2 Criterii de selectie a materialelor-1p3 Etapele selectiei materialelor ndash 1p4 Economicitatea piesei ndash 1p5 Strategii de selectie a materialelor ndash 1p
Randul II 2 Tipuri de date utilizate la selectia materialelor-1p3 Cum se face minimalizarea costurilor-1p4 Perofmantele piesei in functionare ndash 1p5 Care sunt cerintele fata de material ndash 1p
SUBIECTE EXAMEN
73
Date privind principalele proprietati tehnologice ale unor materiale
Material
Valorile proprietatii
Aschiabilitate Turnabilitate Sudabilitate Cost
F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba $tona
Otel de constructii (OL) X X X 140
Otel carbon de calitate (OLC) X X X
260
Fonte obisnuite (Fc) X X X 160
Punctaje 60 30 10 60 30 10 60 30 10
Avand in vedere ca pretul creste odata cu rezistenta la tractiune calculati costul fiecarui material prin inmultirea costului de baza cu valoarea proprietatii si impartiti la 100
74
Materiale ce pot fi luate in considerare spre analiza
Material Rm HV A Material Rm HV A Material Rm HV A
OL30 310 95 32 OLC8 324 140 33 Fc100 100 105 2
OL32 310 93 33 OLC10 321 150 31 Fc150 150 145 3
OL34 330 105 31 OLC15 373 155 27 Fc200 200 180 4
OL37 360 112 25 OLC20 410 165 25 Fc250 250 190 4
OL42 410 130 22 OLC25 450 175 24 Fc300 300 210 5
OL44 430 135 22 OLC30 490 180 21 Fc350 350 220 6
OL50 500 160 21 OLC35 530 195 21 Fc400 400 240 6
OL52 510 160 21 OLC40 570 200 19
OL60 590 185 16 OLC45 610 220 18
OL70 690 215 11 OLC50 640 230 16
OLC55 670 240 14
OLC60 700 255 14
Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50
Proprietatea tehnilogica intra cu o pondere de 100
VA UREZ SUCCES
Bibliografie
- S Domsa Selectia si proiectarea materialelor Ed UTPres Cluj-Napoca 2006- S Domsa Proiectarea materialelor Baze de date Studii de caz Ed Casa cartii de stiinta2005- M Ashby Materials Selection in Mechanica Design Second Edition Butterworth-Heinemann Oxford 1999- I Mitelea B Radu Selectia si utilizarea materialelor ingineresti Ed Politehnica Timisoara 1998
2
Selectia (si proiectarea) materialelor este activitatea prin care se stabileste cel mai potrivit material pentru o aplicatie data in conditiile satisfacerii tuturor cerintelor si care sa implice cele mai mici costuri cu ralizarea si intretinerea lui in functionare)
INTRODUCERE
Produse Subansamble Piese
bullFormabullDimensiunibullPrecizie dimensionala si de
formabullCalitate a suprafetei
MATERIAL
Selectia (stabilirea) tehnologiei de fabricatie este activitatea prin care se stabileste cel mai potrivit procedeu tehnologic adaptat materialului selectat in vederea obtinerii cerintelor (de mai sus) in conditiile celor mai mici costuri
3
Selectia materialelor si stabilirea tehnologiei de fabricatie este deosebit de dificila deoarece exista intre 40000 si 80000 de materiale (numarul lor se modifica continuu) alaturi de care exista peste 1000 de procedee tehnologice de prelucrare
Materiale metaliceRigiditate ductilitate (plasticitate) si tenacitate buna
temperatura de fuziune si rezistenta la soc termic ridicate
Materiale polimerice (inclusiv elastomeri)
Ductilitate (deformabilitate) si rezistenta la coroziune buna
greutate specifica mica
Materiale ceramice (inclusiv sticle)Rigiditate rezistenta la coroziune limita de curgere (duritate) buna temperatura de fuziune ridicata si
greutate specifica medie
Materiale compoziteRigiditate limita de curgere (duritate)
tenacitate rezistenta la oboseala rezistenta la coroziune buna si greutate specifica mica
4
La obtinerea unui produs se parcurg urmatoarele etape
Cerinta pietei
Conceperea
Proiectarea constructiva (desen ansamblu)
Detaliul (desenul de executie)
Proiectarea tehnologica
Productia
Proiectare produs nou
Reproiectare
Cand se face selectia materialelor
Pe tot parcursul procesului
5
Selectarea materialelor se face pe baza unor informatii (date) despre material
Date structurate
Date nestructurate
Date numerice
Ierarhizabile(proprietati mecanice)
Date de tip DANU BunRau (logice)
Documentatie specifica
Documentatie nespecifica
(cel mai putin structurate)
Pagini webSoftware ale producatoruluiConsultanti
Studii de cazAnaliza avariilorGhiduri de proiectare
Baze de dateStandardeManuale
6
Structurarea informatiilor (in baze de date sau nu) poate fi facuta astfel
Domeniul
Materiale
Tehnologii de
fabricatie
Familie
CeramiceSticlePolimeriMetaleCompoziteElastomerietc
ForjareAschiereTurnarePulberietc
Clasa si membri
OteluriFonteAliaje CuAliaje AlAliaje ZnAliaje Nietc
FrezareStrunjireRectificareGaurireetc
Coduri
100020003000400050006000etc
Proprietati
DensitateModul ERmDuritateP electriceRez corozetc
Domeniu de marimeComplexitateTolerantaRugozitateetc
7
METODICA SELECTIEI MATERIALELOR
8
Economia de piata (concurentiala)
Caliatatea si costul produsului au o mare
importanta
SELECTIA SI UTILIZAREA OPTIMA A
MATERIALELOR se face stiintific pe criteriul
Maxim de performanta la un Cost minim
Se face in functie debull Performantele produsuluibull Conditiile de prelucrarebull Forma si dimensiunile pieseibull Seria de fabricatiebull Pretul de cost
Trebuie sa se bazeze pebull Promovarea materialelor corespunzatoarebull Ieftine si usor de procuratbull Valorificarea maxima a prelucrabilitatii lor si aducere la forma cerutabull Posibilitatile reale de prelucrare in firma (dotarea si experienta
tehnologica)
9
Materialul selectat
Sa aiba proprietatile cerute
Se tine seama de procedeul de prelucrare
Contribuie la definirea proprietatilor finale ale
materialului piesei
Selectia optima a materialului
Este o activitatebull complexabull dificilabull care se deruleaza de la conceptie pana
la fabricatia de serie (si in timpul acesteia)
ETAPELE SELECTIEI MATEIALELOR
10
Obiectul selectiei Rolul functional siguranta in functionare
durata de exploatare etc
Analiza cerintelor determinate de rolul functional si de prelucrare
Matricea de cerinte referitoare la reper (piesa)
Matricea de cerinte specifice
materialului
Materiale proprietati comportare in functionare
Testarea materialului sau imbunatatirea lui
(daca este cazul)
Decizia de selectie a materialului (strategii procedee si criterii de selectie
Cerintele nu pot fi indeplinite Cerintele sunt indeplinite partial sau integral
Proiectarea unui nou material sau procedeu de prelucrare
Optimizarea selectiei materialului (a reperului)
11
Obiectul selectiei Rolul functional
siguranta in functionare durata de
exploatare etc
Se stabilesc toate proprietatile
materialelor ca rezultat al cerintelor functionare
si de utilizare
PROPRIETATI DE UTILIZARE
ETAPA -I- ANALIZA CERINTELOR FATA DE MATERIAL
Procedeele posibile de prelucrare
PROPRIETATI DE PRELUCRARE
Aceste grupe de proprietati pot fi in acord
sau in contradictie
Matricea de cerinte
Care si de unde rezulta aceste cerinte
12
+
La proiectarea piesei sau produsului se stabilesc
Cerintele privind performantele cerute materialului bazate pe functionalitatea si performanta impusa piesei (produsului) precum si pe conditiile ambientale in care va functiona aceasta
Cerintele fata de material
Cerinte functionale
Siguranta in functionare
Functionarea in conditii ambientale de exploatare
Cerinte de prelucrabilitate
COSTUL MATERIALULUI
13
CERINTE FUNCTIONALE
SIGURANTA IN FUNCTIONARE
Caracteristicile produsului (carora nu intotdeauna li se pot atribui valori cantitative) se coreleaza cu cele mai potrivite proprietati mecanice fizice chimice
Se stabilesc cat mai exat conditiile reale de functionare (rol functional tipul caracterul si valoarea solicitarilor conditii de temperatura si mediu etc)
Probabilitatea piesei (materialului) sa fie exploatata corespunzator fara a ceda sau avaria Precizarea anticiparea posibilelor moduri in care un produs poate suferi o avarie re realizeaza prin analiza avariilor
Cauzele unei avarii (in functionare) sunt atribuite- erorilor de conceptie constructiva- defectelor originale ale
materialului- defecte datorate prelucrarii piesei- conditiile de exploatare
14
FUNCTIONAREA IN CONDITII AMBIENTALE DE EXPLOATARE
CERINTE DE PRELUCRABILITATE
(TEHNOLOGICE)
Ambientul in care functioneaza piesa reprezinta un factor important la stabilirea acestor cerinte Mediile corosive temperaturile ridicate sau joase (negative) modifica defavorabil performanta materialelor de uz general
Se apeleaza la materiale speciale cu proprietati deosebite mai scumpe dar corespunzatoare
Forma piesei finite (materialului) precizia dimensionala si de forma calitatea suprafetei etc
Procedeul tehnologic de prlucrare
- turnabilitatea- deformabilitatea- aschiabilitatea- capacitatea de a
fi tratat termic
Se elimina materialele cu (ex) deformabilitate imposibila calibilitate insuficienta aschiabilitate slaba etc
15
Matricea de cerinte
ETAPA -II- STABILIREA MATRICEI DE CERINTE
Analiza celor patru grupuri de cerinte
Stabilirea unor cerinte tehnice
Costul materialuluicerinte economice
Cuprinde toate cerintele necesar a fi indeplinite de material (atat cerintele tehnice cat si cerintele
economice)
Pentru a lua o decizie corecta privind
selectia materialului se face
ierarhizarea cerintelor
16
Cerinte economice
COSTUL MATERIALULUI
Costuri legate cu prelucrare (manopera)
Alte costuri
Costul piesei
Alte costuri (intretinere
exploatare etc)
COSTUL MATERIALULUI controleaza evaluarea materialelor deoarece in multe aplicatii se impune un cost limita pentru materialul care sa satisfaca cerintele aplicatiei Cand limita este depasita produsul se reproiecteaza in vederea modificarii cerintelor fata de material pentru mentinerea acestuia sub limita de cost
Selectia se opreste la materialul care satisface cerintele stabilite (tehnice) de exploatarea piesei si care are costul cel mai scazut
17
ASPECTE ECONOMICE ALE MATERIALELOR
Materialul influenteaza costul total al produselor
Costul materialului are cea mai mare pondere din costul total (30-70)
Prelucrabilitatea
Determina- nivelul de
productivitate- investitiile de capital- manopera necesara
obtinerii formei finale
ATENTIE Alegerea unui material ieftin nu este intotdeauna o solutie corespunzatoare daca prelucrarea lui este dificila si costisitoare
Dimensiunile materiilor prime (semifabricatelor pot determina formarea unei cantitati mari de deseuri si implicit costul final
Posibilitatea reciclarii deseurilor ndash element important la selectia materialelor ndash indeosebi la materialele scumpe
18
Clasificarea materialelor pe baza costurilor
Materialele ingineresti
Materiale de larga utilizare
Materiale speciale
- ieftine- produse in cantitati mari
- substantial mai scumpe- elaborate pentru satisfacerea
unor cerinte deosebite
ATENTIE Compararea materialelor din punc de vedere a costurilor este dificila deoarece la unele materiale costul este dat in raport cu greutatea la altele in raport cu volumul la altele in raport cu suprafata etc
Compararea materialelor se face in raport cu costul relativ
19
Comparatia materialelor pe baza costului relativ al unitatii de
greutate
Comparatia materialelor pe baza costului relativ al unitatii de
volum
Comparatia materialelor pe baza costului relativ al unitatii de volum
raportat la rezistenta de rupere
20
Comparatia materialelor pe baza costului relativ al unitatii de volum
raportat la rezistenta de rupere specifica la tractiune
21
Concluzii
Din punct de vedere al costului relativ la unitatea de greutate utilizarea otelului este cea mai avantajoasa
Cel mai mare consum mondial
Materialele polimerice si aluminiu tind sa se apropie de costurile otelului
Din punct de vedere al costului relativ la unitatea de volum costurile materialelor polimerice se apropie de cele ale otelurilor unele fiind mai ieftine
Apare o plaja larga a costurilor materialelor ingineresti
Uneori materialele nu sunt utilizate la adevarata lor capacitate deoarece o cerinta importanta este rigiditatea Din acest punct de vedere betonul are cel mai mic cost
Sunt aplicatii la care se cere rezistenta ridicata si greutate redusa Se constata ca materialele polimerice si piesele turnate din magneziu apar mai ieftine decat otelurile
22
In cazul unui produs evaluarea valorii lui se
face prin
Evaluarea calitativa a proprietatilor materialului
Cel mai ieftin
Cel mai usor de procutat
Care sa aiba aceeasi
functionalitate
In cazul selectiei materialelor
Pentru aceeasi functionalitate
La cel mai scazut cost
Sa se selecteze cel mai ieftin material
Sa se selecteze un material mai scump dar
care va simplifica prelucrare (eventual
eliminarea unor etape)
23
Otelurile slab aliate cu continut ridicat de mangan si
continut scazut de Ni si Cr
Inlocuiesc otelurile scumpe continand cantitati mai mari de Ni Cr Mo (elemente scumpe)
Acoperirile metalice Inlocuiesc (in conditii mai putin
severe de coroziune) otelurile inoxidabile
Durificarea superficiala sau ecruisarea prin deformare
plastica
Mareste rezistenta la uzare si la oboseala a otelurilor carbon evitand utilizarea otelurilor aliate scumpe
Acoperiri de tipul alitarii cromarii aplicate otelurilor
carbon
Confera rezistenta la temperaturi moderate elimina finisarea
(costisitoare)
24
Coeficientul de utilizare a materialului
Minimalizarea costului materialelor
Printr-o proiectare care sa reduca cantitatea necesara de materiale scumpe
Alegerea procedeelor de prelucrare adecvate
Stabilirea formei semifabricatului care sa maximalizeze coeficientul de utilizare a
materialelor in fabricatie
Materiale ieftine
- Cumparate in cantitati mari- Cele care au dimensiuni mari
Cand fabricatia cere piese de mai multe dimensiuni se poate
cumpara stoc mare de semifabricate la dimensiunea
cea mai mare a pieselor
Reulta deseuri si costuri suplimentare de
manopera
Punctul de rentabilitate in aceasta privinta este greu de evaluat
25
Coeficientul de utilizare a materialelor pentru diferite procedee de prelucrare este dat in urmatorul tabel
Metoda de prelucrare Coeficientul de utilizare
1 Fara modificarea masei
Turnare 70
Deformare plastica 75
Agregate de pulberi 90
2 Cu micsorare de masa
Aschiere 60
Eroziune 90
3 Prin marire de masa
Depuneri prin sudare 80
Depuneri prin metalizare 90
26
Competitia in domeniul materialelor
Odata cu aparitia unor materiale noi si scaderea pretului celor existente apare o COMPETITIE INTRE MATERIALE
Intre otel si aluminiu la obtinerea cutiilor
de bauturi
Intre aluminiu si materiale polimerice
(armate) la constructia aeronavelor
Intre materiale polimerice si cupru
plumb fonta la instalatiile de apa
ProprietateaAliaj ZnAl4 turnat sub presiune
Polistiren ABS
Naylon 66
Policar-bonat
Polipr-opilena
Rezistenta la tractiune MNmm2 260 54 52 70 35
Rezistenta la tractiune prin soc (relativ) 79 1 33 36 16
Rezistenta la fluaj (exprimata ca modul de elasticitate aparent la 100 h MNmm2) 51100 1470 420 2030 308
Rezistenta la oboseala prin incovoiere la 107 cicluri MNmm2 644 154 14 7 182
Temperatura de stabilitate termica la 18 MNmm2 (oC) gt488 345 324 403 332
Modificarea rezistentei la tractiune dupa 500h de expunere in conditii atmosferice ()
+05 -8 +10 -11 -30
Densitatea (relativa) 667 105 114 12 09
Costul unitatii de greutate (relativ Zn=1) 1 21 374 42 14
Costul unitatii de volum raportat la rezistenta la tractiune (relativ) 1 21 37 30 16
Costul unitatii de volum raportat la rezistenta la fluaj (relativ) 1 117 183 19 30
Costul unitatii de volum raportat la rezistenta la tractiune prin soc (relativ) 1 27 15 16 09
Costul unitatii de volum raportat la rezistenta la oboseala (relativ) 1 09 18 34 04
In situatia in care piesa are un rol decorativ ndash materialul plastic este
important
27
Costul prelucrarii poate juca un rol important in procesul
selectiei
Alama mai ieftina pentru anumite piese decat otelul laminat deoarece se prelucreaza cu viteza mai mare
Costul alamei este mai mare decat a otelului
Aluminiul se prelucreaza mai usor si are greutate specifica mai mica
Poate inlocui fonta otelul si aliajele lui chiar
daca sunt mai ieftine
Materialele plastice se prelucreaza foarte usor si devin economice la
serie mare
Pot inlocui orice tip de material la diferite
aplicatii
Criteriul economic privind costul materialului nu este
concludent la selectarea materialului
Devine important COSTUL REPERULUI
28
Costul de baza al materialului
Cheltuieli de dezvoltaresi utilizare a
echipamentelor
Cheltuieli de prelucrareDeterminate de material de procedeu de forma
de precizie
COSTUL REPERULUI
Costurile reperului
29
Reper Comportare Costuri
Cheltuieli de intretineresi reparatii cu reperul
UtilizareCheltuieli de exploatare
Durabilitate
ECONOMICITATEA REPERULUI
Economicitatea reperului
30
CERINTE IMPUSE MATERIALULUIPIESE
Problema selectiei materialului este complexa
datorita
Varietatii materialelor ingineresti
Severitatii cerintelor functionale impuse
Cerinta diminuarii costurilor
Severitatii cerintelor functionale impuse
Prelucrarile la care este supus materialul
Geometria pieselor
Solicitarile la care este supus materialul
INFLUENTEAZA PROPRIETATILE MATERIALELOR
31
Comportarea materialului in produsul finit este sensibil diferita de cea a semifabricatului din care a fost obtinut
Comportarea materialului in piesa
(C)
Proprietatile materialului (M)
Influenta procedeului de prelucrare (P)
Forma piesei si fortele exterioare la care este
supusa (F)
Arata influenta directa a proprietatilor
semifabricatului a procedeului de prelucrare
a formei geometrice si a actiunii fortelor exterioare
asupra comportarii materialelor in piesa finita
Influenteaza direct comportarea
materialului in piesa
Este foarte important a se apela la criterii de proiectare adecvata
32
Influenta procedeului de prelucrare (P)
Prezenta muchiilor ascutite si a filetelor
Rugozitatea suprafetei
Afecteaza intr-o masura mai mare comportarea otelurilor de inalta rezistenta
decat a celor moi
Afecteaza intr-o masura mai mare comportarea materialelor la solicitari
variabile (oboseala) decat la solicitari statice
Interesul se focalizeaza preponderent pe performanta piesei in functionare si mai putin pe comportarea materialului in piesa
Comportarea materialului in piesa (proprietatile piesei)
Performantele piesei in functionare
Comportarea materialului in functionareConditiile de functionare
Factori care influenteaza
performantele piesei in functionare
33
CLASIFICAREA CERINTELOR IMPUSE MATERIALELOR
Cerintele impuse materialelor
Cerinte ldquorigiderdquo sau nenegociabile
Cerinte ldquonerigiderdquo ldquorelativerdquo sau
negociabile
Sunt cerintele care trebuie satisfacute obligatoriu de
material pentru a fi luate in considerare la selectie
bull Disponibilitatebull Prelucrabilitatebull Caracteristici minime
In anumite limite sunt supuse compromisului Pot fi comparate dpdv al importantei lor relative pentru o
aplicatie data in cadrul metodelor cantitative de selectie a materialelor
bull Proprietati mecanicebull Densitatebull Costul
In functie de tipul aplicatiei aceste cerinte isi pot schimba caracterul (din ldquonegociabilerdquo in ldquonenegociabile
Modificarea clasei de material selectate in final
34
EXEMPLE
Butelie de aragaz
Rezistenta Ductilitate Cost
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Rezistenta Ductilitate ρmic
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Butelii pentru gaze utilizate in aviatie
Costul este nenegociabil Oteluri pentru recipienti sub
presiune la temperaturi joase ndash R37 R44
Greutate cat mai mica (considerata nenegociabila) Materiale compozite (Kevlar 49-matrice epoxidica armata
cu fibre de poliamida)
35
MODALITATI DE ABORDARE A SELECTIEI MATERIALELOR SI PROCEDEELOR DE PRELUCRARE
Aparitia unor materiale noi si a competitiei intre materiale
Abordari noi in selectia materialelor si a procedeelor de prelucrare
Materialele plastice folosite la obtinerea pieselor complexe si de buna calitate inalta tehnologie
Materialele compozite au condus la reducerea substantiala a
greutatii produsului
Materiale sinterizate utilizate la obtinerea pieselor fara pierderi de material si consum de enetgie
scazut
Ingineria suprafetelor ofera posibilitati de modificare a
suprafetelor si coferirea unor proprietati deosebite
Cu toate aceste proiectantii se limiteaza la selectia
materialelor si procedeelor de prelucrare cunoscute mai bine
- Evitarea riscurilor- Nu este cunoscuta existenta unor noi materiale- Nu sunt cunoscute noile tehnologii de fabricatie etc
Proiectarea industriala trebuie asociata cu design-ul realizarea unei forme estetice obtinerea unui aspect exterior
placut
Design-ul industrial include mai mult decat o stilizare
Alegerea materialului permite un anumit design sau altul
36
La selectarea functiunii produsului (comportarea lui in exploatare-C) a materialelor (M) a
procedeelor de prelucrare (P) a formei (F) trebuie sa se tina seama ca acestea se intrepatrund (trebuie
sa tin seama in acelasi timp de ele)
Dificil Pot fi urmate diferite
succesiuni
Succesiunea CFMP prezinta urmatoarea
ordine de luare in considerare
-functionalitatea produsului (C)-forma piesei-materialul piesei-procedeul de prelucrare
Pot exista diferite succesiuni
Conduce la solutii diferite
Cadrul face conexiunea intre roti
saua bicicletei pedale ghidon
EXEMPLU Succesiunea CFMP
Functionalitatea si forma sunt aceleasi
Teava de aluminiu
Sudare
Succesiunea CFPM
Functionalitatea si forma sunt aceleasi
Sudare Teava de otel-se sudeaza mai bine
Succesiunea CMPF
Functionalitatea este aceeasi
Ca material se poate alege unul compozit
Sudare lipire
Forma aceeasi sau nu
Succesiunea CPMF
Poate fi aleasa presarea unui material superplastic
Alegerea ca material aluminiul
Forma S asimetrica plata
37
Pe baza functiunilor impuse produsului proiectantul schiteaza o serie de solutii tinand seama
de-materialele ce pot fi folosite-procedeele de fabricatie ce pot fi aplicate-formele potrivite ca functionalitate si design
Fiecare combinatie materialprocedeu de prelucrare conduce la diferite forme
Pot fi generate un numar
diferit de forme
Este o abordare CPMF sau CMPF
38
STRATEGII DE SELECTIE A MATERIALELOR
O strategie de selectie are doua componente
Formularea marimi prin care sa se evaluare un set de cerinte impuse materialului
Un procedeu de evaluare a marimii cerintelor prin care sa
se poata face ierarhizarea acestora in functie de masura in
care acestea sunt indeplinite
Strategiile cauta cai de implementare a procesului si anume de a converti un set de date ldquode intrarerdquo (cerintele proiectarii)
intr-un set de date ldquode iesirerdquo- alegerea materialului si a procedeului de prelucrare
39
Cerintele proiectarii
Materiale si procedee de prelucrare selectate
Strategii de selectie
Date initiale Functie de transfer Date finale
Strategia 1 Cautare libera implicand analiza rationala
Strategia 2 Bazata pe chestionare Este o selectie prin expertiza
Strategia 3 Analogie bazata pe cazuri anterioare
Posibila inovatie
Ofera solutii cunoscute
Ofera solutii similare cu situatia prezenta
Ofera mare libertate de selectie dar putina ghidare in proces
Ofera multa ghidare in proces dar putina libertate de selectie
Ofera idei ale solutiilor anterioare pentru probleme similare
40
SELECTIA LIBERA BAZATA PE ANALIZA RATIONALA
Este rapida si eficienta
Ofera o mare libertate pentru aplicatii
Ofera solutii noi si inovative
Avantaje
Are nevoie de date de intrare precis detaliate intr-o forma ce pot fi analizate prin metode ingineresti
standard
EXEMPLU
Gasiti un material pentru o bara de lungime L care sa
suporte o forta F la temperatura T si sa fie cat mai usoara
Cerinte pentru proiectare
ANALIZA SCHITEIFunctia Ce trebuie sa faca piesaObiective Ce trebuie maximalizat sau minimalizatConstrangeri Ce conditii esentiale trebuie sa fie indepliniteVariabile libere Care variabile ale proiectului sunt libere (cerinte nerigide)
41
Functia Ce trebuie sa faca piesa
Obiective Ce trebuie maximalizat sau minimalizat
Variabile libere Care variabile ale proiectului sunt libere (cerinte nerigide)
De a rezista la momente de incovoiere trebuie sa suporta incarcatura pentru care a fost proiectata fara a se deforma
Constrangeri Ce conditii esentiale trebuie sa fie indeplinite
Lungimea L data Tigiditatea S data Sa reziste si sa nu se deformeze la temperatura T
Trebuie minimalizata greutate
Aria sectiunii Costul
Procesul de selectie a avea 3 pasi
Filtrarea Se folseste de constrangeri pentru inlaturarea materialelor care nu indeplinesc cerintele
IerarhizareaSe folseste de marimea performantelor materialelor ramase in discutie pentru a le ordona
Documentarea
Analizeaza informatiile nestructurate le structureaza si le introduce in structura ierarhizata realizand o fisa cu informatii care ajuta selectia finala a materialului
42
Ierarhizarea se face parcurgand mai multe faze
Identificarea unuia sau a mai multor indici de performanta corespunzatori functiei obiectivului si constrangerilor
Indicele de performanta permite optimizarea selectiei
Pentru identificarea acestor indici se parcurg urmatoarele etape
Transpunerea intr-o relatie a obiectivului (entitatea) ce trebuie minimalizata sau maximalizata
Analiza grupului de proprietati (indicele de performanta) care maximalizeaza obiectivul
Eliminarea din aceasta relatie a variabilelor libere utilizand constrangerile (ex valoarea impusa rigiditatii a incarcarii limita a unui moment a presiunii a temperaturii de lucru sau al tenacitatii
43
EXEMPLU
TEMAGasiti un material pentru o bara de lungime L care sa
suporte o forta F la temperatura T si sa fie cat mai usoara
b
b
Lδ
F
Sageata
Sectiunea
CERINTELE PROIECTARIIFunctia Bara incarcata la incovoiereObiectiv Minimalizarea greutatiiConstrangeri Lungimea L data Rigiditatea S data Temperatura de exploatare T data (500deg)Variabile libere Aria sectiunii A Materialul de selectat
Se alege masa ldquomrdquo ca indice de performanta (trebuie sa fie minimalizat)
Masa barei este
Constrangerea privind rigiditatea va determina aria sectiunii ASageata unei bare simplu rezemata (forta actionand la mijloc) este data de relatia
44
unde E-modulul de elasticitate al materialului barei I-momentul de inertie al sectiunii grinzii
CL-reprezinta o constanta ce depinde de modul de distributie a fortei F (CL=48)
Rigiditatea barei este data de relatia
Din aceasta ultima relatie rezulta aria sectiunii A
Prin substitutia acestei relatii in relatia de determinare a masei grinzii se obtine indicele de performanta m
Valorile S L CL sunt date de proiect
Cea mai usoara bara este acea realizata dintr-un material care are cea mai mare valoare pentru
raport numit si ldquoindice de materialrdquo
Functia Incarcarea ConstrangeriIndici de
performantaRelatia
indicelui
Structuri de masa minima
Tija
BaraStatica
Rigiditate
Tractiune Eρ
Compresiune Eρ
Incovoiere E12ρ
Torsiune E12ρ
Rezistenta
Tractiune σrρ
Compresiune σcρ
Incovoiere σr23ρ
Torsiune σc23ρ
Dinamica
Panou
45
Exista mai multi indici de performanta fiecare realizand o combinatie dintre obiectiv si constrangere
46
47
48
METODE CANTITATIVE DE SELECTIE A MATERIALELOR CANDIDATE
Materialele candidat sunt materialele care satisfac cerintele cuprinse in matricea de cerinte rezultate dinbull Cerintele functionalebull Siguranta in functionarebull Functionarea in conditii ambientale de exploatarebull Cerintele de prelucrabilitatebull Economicitatea piesei
Care din aceste materiale vor fi luate in considerare la realizarea piesei
Evaluarea materialelor candidat
Evaluarea presupune compararea materialelor candidat care indeplinesc cerintele negociabile cu caracteristicile efective ale materialului in vederea selectarii celui optim pentru o aplicatie data
49
Evaluarea materialelor candidat
Este mai simpla pentru metodele cantitative de evaluare
Trebuie sa tina seama de anumite avantaje (usurinta procurarii materialului distanta pana la furnizor seriozitatea furnizarii constanta in calitatea produselor etc) care pot introduce anumite limitari determinand anumite compromisuri
In cele mai multe cazuri metodele cantitative de selectie conduc la materialul optim pentru o aplicatie
Metodele cantitative pot fi reluate odata cu schimbarea importantei relative a cerintelor negociabile
ATENTIE Cerintele nenegociabile trebuie satisfacute in totalitate si intocmai
Daca niciun material nu satisfac cerintele negociabile atunci fie ca acestea trebuie relaxate fie se impune reproiectarea produsului
50
Selectia este o operatie complexa
Numar mare de materiale cu o plaja larga de proprietati
Daca se face intamplator
Apare riscul de a omite anumite materiale candidate
Reducerea riscului prin adoptarea unei metode sistematice de selectie a materialelor
Metodele cantitative
Permitbull analiza unui numar ridicat de datebull a multor specificatii implicate in selectia materialelorbull pot fi adaptate pentru o selectie asistata de calculator
dintr-o baza de date
Metodele nu elimina capacitatea de analiza si experienta ingineruluiAceste metode sprijina inginerul in alegerea optima
51
METODA COSTULUI RAPORTAT LA UNITATEA DE PROPRIETATE
Economicitatea piesei
Costul initial al materialului
Costul prelucrarii si montarii
Costul functionarii si intretinerii
Unele dintre aceste costuri cresc odata cu cresterea
valorii proprietatilor altele scad
Proprietatea (Rm)
Costul piesei
Alte costuri
Costul total
Cos
tul
Cost minim
Odata cu cresterea rezistentei- Prelucrare mai dificila- Greutatea pe piesa scade- Durabilitatea in exploatare
creste si deci numarul de piese in utilizate in timp mai mic
Costul total este suma costului piesei si a celorlalte costuri
52
Valoarea optima a proprietatii (aici Rm) apare la costul minim
In piata costul materialului este legat de greutatea sau volumul (dupa caz) materialului
Se poate stabili o comparatie a materialelor intre proprietatile relative (proprietatea raportata la
greutatea specifica) De exemplu rezistenta rigiditatea modul de elasticitate etc
Criteriul esential este costul raportat la unitatea de rezistenta la tractiune
C=pρσ
C- costul asigurarii unei rezistente de 1 MPap- costul unitatii de proprietate a materialului
ρ- densitatea materialului
σr- rezistenta la tractiune
Cu cat valoarea lui ldquoCrdquo este mai mica cu atat materialul
este mai economic
53
Relatii asemanatoare pot fi obtinute si pentru alte proprietati cum ar fi- limita la curgere- modulul de elastuicitate- factorul de intensitate a tensiunii etc
Costul unitatii de proprietate pentru diferite moduri de solicitare
54
Compararea materialelor privind aceste costuri este esentiala
Se compara materialele intre ele
Este dificilSe ia un material de referinta
Costul relativ pe unitatea de proprietate a materialului candidat ldquoirdquo raportat la costul relativ pe unitatea de proprietate a materialului de referinta ldquobrdquo este dat de relatia
Daca CR este subunitar materialul candidat este mai ieftin decat materialul de referinta
Materialul de referinta este eliminat si materialul candidat se ia ca material de referinta pentru urmatoarea comparatie
Daca CR este supra unitar materialul candidat este mai scump decat materialul de referinta
Materialul de referinta se ia ca material de comparatie pentru urmatoarea analiza
55
METODA PONDERARII PROPRIETATILOR
Este o metoda pentru rezolvarea unor solutii mai comlexe de materiale materiale si proprietati
Fiecarei proprietati a materialului i se acorda o pondere rdquoαrdquo
Ponderea este proportionala cu importanta relativa a proprietatii pentru performanta in exploatare a materialului pentru aplicatia data
Ponderea proprietatii este egala cu produsul dintre valoarea numerica a proprietatii materialului ldquoprdquo si ponderea ei ldquoαrdquo
γ=pα
Insumand toate aceste produse pentru un material se obtine un indice de performanta ldquoPrdquo al materialului
Aceasta metoda ia in considerare toate proprietatile materialului
Comparand mai multe materiale prin indicele de performanta se poate gasi cel mai performant material pentru o aplicatie
56
Dezavantajul acestei metode consta in faptul ca in cazul unei proprietati care are o valoare ridicata aceasta v-a avea o influenta mai mare asupra indicelui de performanta decat ponderea ei
Exemplu Un material A care are Rm=370 MPa si o duritate de 350 HRB si un alt material B care are Rm=400 MPa si o duritate de 300 HRBStabilind ponderea proprietatii de 100 pentru rezistenta si 90 pentru duritate se obtine un indice de performanta de 68500 pentru material ul A si 67000 pentru materialul B
Inseamna ca impotriva importantei rezistentei la tractiune (ca fiind primul criteriu de selectie) si care este mai mare pentru materialul B indicele de performanta al materialului A este mai mare si deci acest material v-a fi selectat
La evaluarea materialelor candidat se va lucra cu valori relative ldquoβrdquo ale unei anumite proprietati celei mai mari valori a proprietatii atribuindu-se valoarea 100 iar celelalte valori relative se determina cu relatia
57
Pentru proprietatile materialelor care nu se exprima in mod obisnuit prin valori numerice (rezistenta la uzare sudabilitatea aschiabilitatea diferite proprietati tehnologice etc) evaluarea se poate face relativ la una dintre proprietati astfel
Astfel fiecarei proprietati I se acorda o importanta egalasi ea va influenta indicii de performanta ai materialelor doar comparate doar in masura ponderii acordate
Pentru proprietati ale caror valori se doreste a fi cat mai mici (densitatea pierderea de greutate prin coroziune etc) evaluarea se face printr-un raport invers
ProprietateaMateriale alternative
A B C D
Sudabilitatea Foarte buna Buna Buna Satisfacatoare
Evaluarea relativa 5 3 3 1
Valoarea scalata 100 60 60 20
58
Exemplu In ceea ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru rezistenta la tractiune a materialului A este de 925 Pentru al doilea material aceasta valoare este de 100 In ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru duritate aceasta este de 100 pentru materialul A si de 857 pentru materialul B
Acest lucru poate schimba situatia ierarhica a materialelor sau le poate apropia atat de mult indicele de performanta incat sa se puna problema luari in considerare si a altor elemente pentru selectie
Astfel indicele de performanta a materialului este dat de relatia
unde P reprezinta indicele de performanta a materialuluildquoirdquo este suma celor ldquonrdquo proprietati considerate a materialul ui
59
Ponderea α poate fi considerata ca αilt1 astfel incat
(cazul cel mai frecvent) sau ei I se poate aloca o plaja de valori valoarea cea mai mare
corespunzand proprietatii cu cea mai mare importanta
Costul materialului poate fi considerat ca o proprietate (chiar importanta) acordandui-se o pondere ldquoαrdquo
In cazul luarii in considerare a unui numar mare de proprietati costul poate fi considerat un factor de corectie al indicelui de performanta a materialului rezultand indicele de merit al acestuia
in care ldquoprdquo reprezinta costul unitatii de greutate a materialului
60
Cand se doreste compararea mai multor materiale candidat (i) cu unul de baza (de referinta) se calculeaza indicele relativ de merit al fiecarui material astfel
Daca RMgt1 respectivul material candidat ldquoirdquo corespunde mai bine cerintelor decat materialul de referinta ldquobrdquoIn cazul in care Mb reprezinta minimul cerintelor impuse Materialele candidat avand RMlt1 pot fi eliminate de la inceput ca fiind necorespunzatoare
Cand trebuie luate in considerare mai multe proprietati ale materialului pentru evaluarea indicelui de performanta este dificila evaluarea ponderii acestora Rezolvarea aceste probleme poate fi realizata printr-o evaluare prin programe numerice
61
METODA CRESTERII INCREMENTALE
In anumite situatii pot aparea mai multe materiale care indeplinesc cerintele minime impuse de o anumita aplicatie
Dupa analiza acestor materiale se poate presupune ca performantele pieselor prelucrate sunt proportionale cu indicii de performanta ldquoPrdquo In acelasi timp costul piesei variaza proportional cu costul materialului si al prelucrarii acestora
Daca se doreste selectarea piesei care are cea mai mare performanta la cea mai rezonabila crestere a costului se poate face o analiza beneficiu-cost Procedeul se ia indeosebi cand se doreste inlocuirea unui material utilizat deja in fabricatie
Materialul cu cel mai scazut cost (1) se ca element de baza si este comparat cu materialul care are costul imediat superior (2) Comparatia se face determinand cresterea indicelui de performanta (ΔP=P2-P1) si a costului ldquoprdquo pe unitatea de volum (Δpρ=p2ρ2-p1ρ1)
Daca ΔPΔpρlt1 materialul 1 corespunde mai bine decat materialul 2 pentru aplicatia data si materialul 2 va fi eliminatDaca ΔPΔpρgt1 materialul 1 va fi eliminat deoarece materialul 2 corespunde mai bine cerintelor aplicatieiSe continua compararea cu al treilea material si rand pe rand vor fi eliminate materialele mai putin corespunzatoare ajungand la materialul optim
62
EXEMPLU DE SELECTIE A MATERIALELOR
Tema Realizarea piesesei din figura dintr-un otel ldquoOL37rdquo intr-o serie mare de fabricatie-Este o piesa cilindrica cu dimensiunile date-Are un butuc-Prezinta o gaura lunga si de diametre mic
oslash200oslash50
150oslash20
Se poate realiza din bara rotunda prin strunjire
Se poate realiza din bara rotunda prin forjare
80
Coeficientul de utilizare a materialului 055
Coeficientul de utilizare a materialului 098
63
Diametrul mm Inaltime mm Volum mm3 Volum mm3Coeficientul de
utilizare a materialului
Semif Pornire 200 150 4710000 4710000
Strunjire
200 80 2512000
2602275 055=5550 35 137375
20 150 47100
Forjare
200 80 25120002649375
098=9850 35 137375
20 150 47100 2602275
Coeficientul de utilizare a materialului K=greutatea piesei finitegreutatea materialului utilizat pentru realizarea lui (a semifabricatului de pornire)
In calcul s-a lucrat cu volumul materialului deoarece G=VρAdaosuriele de prelucrare s-u luat ca fiind egaleApare un mult mai bun grad de utilizare a materialului pentr prelucrarea prin forjare
PIESA SE VA REALIZA PRIN FORJARE
64
1
2
3
5
6
4
9
8
F
107F
1-semimatrita superioara2-semimatrita inferioara3-cavitatea semimatritei sup4-cavitatea semimatritei inf5-canalul de bavura6-canalul de refulare7-prinderea semimatritei sup8-prinderea semimatritei inf9-elemente de ghidare (stifturi)10-planul de separare
TEMA Sa se stabileasca materialul optim pentru realizarea elementelor active ale matrtei de forjare din figura Se urmreste obtinerea piesei prin forjare la cald
CERINTE PENTRU PROIECTARE
Analiza schiteiFunctia Elemete (semimatrite) de matrita de deformare plasticaObiectiv Trebuie maximalizata tenacitatea (rezilienta)Constrangeri Dimensiunile cavitatii matritei (depind de marimea piesei) dimensiunile exterioare si sistemul de prindere (depind de utilaj temperatura de lucruVariabile libere material
65
Se cauta in sursele de informatii structurate si nestructurate materialele care respecta cerintele
Elemente de matrita
Rezistente la cald
Tenacitate Duritate
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Materialele potrivite sunt metalele si aliajele lor
-Materialele ceramice nu au tenacitate-Materialele polimerice nu au rezistenta la cald-Materialele compozite sunt scumpe si nu au tenacitate
Depinde de compozitia lor
Se cauta materiale cu destinatie precisa Materiale pentru scule de deformare
66
Din baza de date se constata ca urmatoarele materiale satisfac
cerintele rigide adica sa poata fi utilizate la prelucrarea la cald
Sunt materiale cu destinatie precisaDaca nu sunt materiale cu destinatie
precisa se cauta in grupa materialelor cu destinatie generala
Material Rm min MPa HV A5 KCU Jcm3
C120 890 265 8 60
VMoC120 870 265 8 68
VC06 870 230 6 68
VCW85 870 265 6 80
MoCN15 830 250 7 75
VMoCN17 870 265 7 73
VSCW20 790 235 5 78
OSC7 640 195 12 56
OSC8 640 195 10 58
67
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU Jcm3 βKCU Indicele de
performanta PC120 890 265 8 60 101450
VMoC120 870 265 8 68 100650
VC06 870 230 6 68 97400
VCW85 870 265 6 80 101750
MoCN15 830 250 7 75 96750
VMoCN17 870 265 7 73 101100
VSCW20 790 235 5 78 92400
OSC7 640 195 12 56 74950
OSC8 640 195 10 58 75050Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza peoprietatii
68
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU
Jcm3 βKCU Indicele de performanta P
C120 890 100 265 10000 8 6667 60 75 25017000
VMoC120 870 9775 265 10000 8 6667 68 85 2835015356
VC06 870 9775 230 8679 6 5000 68 85 2126563155
VCW85 870 9775 265 10000 6 5000 80 100 2501682022
MoCN15 830 9326 250 9434 7 5833 75 9375 2735970124
VMoCN17 870 9775 265 10000 7 5833 73 9125 2663140356
VSCW20 790 8876 235 8868 5 4167 78 975 2032758226
OSC7 640 7191 195 7358 12 10000 56 70 3501237545
OSC8 640 7191 195 7358 10 8333 58 725 3022070878Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza proprietatii relative
69
Material Indicele de performanta P
VSCW20 2032758226
VC06 2126563155
VCW85 2501682022
C120 25017000
VMoCN17 2663140356
MoCN15 2735970124
VMoC120 2835015356
OSC8 3022070878
OSC7 3501237545
Material Indicele de performanta P
OSC7 74950
OSC8 75050
VSCW20 92400
MoCN15 96750
VC06 97400
VMoC120 100650
VMoCN17 101100
C120 101450
VCW85 101750
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile proprietatii materialului
ordonate crescator
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile relative ale proprietatii materialului ordonate crescator
70
Luand in considerare ca unele materiale sunt aliate cu siguranta acestea sunt mai scumpe
Daca luam in considerare costul unitar pentru otelurile carbon de scule iar densitatea de 785 (corespunzatoare fierului) se obtine indicele de merit
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
OSC7 74950 1 95477707 114
OSC8 75050 1 956050955 114
VSCW20 92400 14 840764331 100
MoCN15 96750 14 880345769 105
VC06 97400 12 103397028 123
VMoC120 100650 13 986281235 117
VMoCN17 101100 14 919927207 109
C120 101450 15 861571125 102
VCW85 101750 14 925841674 110
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea proprietatii materialului
71
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
VSCW20 2032758226 14 184964352 100
VC06 2126563155 12 225749804 122
VCW85 2501682022 14 227632577 123
C120 25017000 15 212458599 115
VMoCN17 2663140356 14 242323963 131
MoCN15 2735970124 14 248950876 135
VMoC120 2835015356 13 277806502 150
OSC8 3022070878 1 384977182 208
OSC7 3501237545 1 446017522 241
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea relativa a proprietatii materialului
72
Selectati materialele potrivite pentru piesele din imagine
Randul I 1 Serie mare de fabricatie-6p Randul II Serie mica (unicat) de fabricatie-6p
Randul I 2 Criterii de selectie a materialelor-1p3 Etapele selectiei materialelor ndash 1p4 Economicitatea piesei ndash 1p5 Strategii de selectie a materialelor ndash 1p
Randul II 2 Tipuri de date utilizate la selectia materialelor-1p3 Cum se face minimalizarea costurilor-1p4 Perofmantele piesei in functionare ndash 1p5 Care sunt cerintele fata de material ndash 1p
SUBIECTE EXAMEN
73
Date privind principalele proprietati tehnologice ale unor materiale
Material
Valorile proprietatii
Aschiabilitate Turnabilitate Sudabilitate Cost
F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba $tona
Otel de constructii (OL) X X X 140
Otel carbon de calitate (OLC) X X X
260
Fonte obisnuite (Fc) X X X 160
Punctaje 60 30 10 60 30 10 60 30 10
Avand in vedere ca pretul creste odata cu rezistenta la tractiune calculati costul fiecarui material prin inmultirea costului de baza cu valoarea proprietatii si impartiti la 100
74
Materiale ce pot fi luate in considerare spre analiza
Material Rm HV A Material Rm HV A Material Rm HV A
OL30 310 95 32 OLC8 324 140 33 Fc100 100 105 2
OL32 310 93 33 OLC10 321 150 31 Fc150 150 145 3
OL34 330 105 31 OLC15 373 155 27 Fc200 200 180 4
OL37 360 112 25 OLC20 410 165 25 Fc250 250 190 4
OL42 410 130 22 OLC25 450 175 24 Fc300 300 210 5
OL44 430 135 22 OLC30 490 180 21 Fc350 350 220 6
OL50 500 160 21 OLC35 530 195 21 Fc400 400 240 6
OL52 510 160 21 OLC40 570 200 19
OL60 590 185 16 OLC45 610 220 18
OL70 690 215 11 OLC50 640 230 16
OLC55 670 240 14
OLC60 700 255 14
Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50
Proprietatea tehnilogica intra cu o pondere de 100
VA UREZ SUCCES
Selectia (si proiectarea) materialelor este activitatea prin care se stabileste cel mai potrivit material pentru o aplicatie data in conditiile satisfacerii tuturor cerintelor si care sa implice cele mai mici costuri cu ralizarea si intretinerea lui in functionare)
INTRODUCERE
Produse Subansamble Piese
bullFormabullDimensiunibullPrecizie dimensionala si de
formabullCalitate a suprafetei
MATERIAL
Selectia (stabilirea) tehnologiei de fabricatie este activitatea prin care se stabileste cel mai potrivit procedeu tehnologic adaptat materialului selectat in vederea obtinerii cerintelor (de mai sus) in conditiile celor mai mici costuri
3
Selectia materialelor si stabilirea tehnologiei de fabricatie este deosebit de dificila deoarece exista intre 40000 si 80000 de materiale (numarul lor se modifica continuu) alaturi de care exista peste 1000 de procedee tehnologice de prelucrare
Materiale metaliceRigiditate ductilitate (plasticitate) si tenacitate buna
temperatura de fuziune si rezistenta la soc termic ridicate
Materiale polimerice (inclusiv elastomeri)
Ductilitate (deformabilitate) si rezistenta la coroziune buna
greutate specifica mica
Materiale ceramice (inclusiv sticle)Rigiditate rezistenta la coroziune limita de curgere (duritate) buna temperatura de fuziune ridicata si
greutate specifica medie
Materiale compoziteRigiditate limita de curgere (duritate)
tenacitate rezistenta la oboseala rezistenta la coroziune buna si greutate specifica mica
4
La obtinerea unui produs se parcurg urmatoarele etape
Cerinta pietei
Conceperea
Proiectarea constructiva (desen ansamblu)
Detaliul (desenul de executie)
Proiectarea tehnologica
Productia
Proiectare produs nou
Reproiectare
Cand se face selectia materialelor
Pe tot parcursul procesului
5
Selectarea materialelor se face pe baza unor informatii (date) despre material
Date structurate
Date nestructurate
Date numerice
Ierarhizabile(proprietati mecanice)
Date de tip DANU BunRau (logice)
Documentatie specifica
Documentatie nespecifica
(cel mai putin structurate)
Pagini webSoftware ale producatoruluiConsultanti
Studii de cazAnaliza avariilorGhiduri de proiectare
Baze de dateStandardeManuale
6
Structurarea informatiilor (in baze de date sau nu) poate fi facuta astfel
Domeniul
Materiale
Tehnologii de
fabricatie
Familie
CeramiceSticlePolimeriMetaleCompoziteElastomerietc
ForjareAschiereTurnarePulberietc
Clasa si membri
OteluriFonteAliaje CuAliaje AlAliaje ZnAliaje Nietc
FrezareStrunjireRectificareGaurireetc
Coduri
100020003000400050006000etc
Proprietati
DensitateModul ERmDuritateP electriceRez corozetc
Domeniu de marimeComplexitateTolerantaRugozitateetc
7
METODICA SELECTIEI MATERIALELOR
8
Economia de piata (concurentiala)
Caliatatea si costul produsului au o mare
importanta
SELECTIA SI UTILIZAREA OPTIMA A
MATERIALELOR se face stiintific pe criteriul
Maxim de performanta la un Cost minim
Se face in functie debull Performantele produsuluibull Conditiile de prelucrarebull Forma si dimensiunile pieseibull Seria de fabricatiebull Pretul de cost
Trebuie sa se bazeze pebull Promovarea materialelor corespunzatoarebull Ieftine si usor de procuratbull Valorificarea maxima a prelucrabilitatii lor si aducere la forma cerutabull Posibilitatile reale de prelucrare in firma (dotarea si experienta
tehnologica)
9
Materialul selectat
Sa aiba proprietatile cerute
Se tine seama de procedeul de prelucrare
Contribuie la definirea proprietatilor finale ale
materialului piesei
Selectia optima a materialului
Este o activitatebull complexabull dificilabull care se deruleaza de la conceptie pana
la fabricatia de serie (si in timpul acesteia)
ETAPELE SELECTIEI MATEIALELOR
10
Obiectul selectiei Rolul functional siguranta in functionare
durata de exploatare etc
Analiza cerintelor determinate de rolul functional si de prelucrare
Matricea de cerinte referitoare la reper (piesa)
Matricea de cerinte specifice
materialului
Materiale proprietati comportare in functionare
Testarea materialului sau imbunatatirea lui
(daca este cazul)
Decizia de selectie a materialului (strategii procedee si criterii de selectie
Cerintele nu pot fi indeplinite Cerintele sunt indeplinite partial sau integral
Proiectarea unui nou material sau procedeu de prelucrare
Optimizarea selectiei materialului (a reperului)
11
Obiectul selectiei Rolul functional
siguranta in functionare durata de
exploatare etc
Se stabilesc toate proprietatile
materialelor ca rezultat al cerintelor functionare
si de utilizare
PROPRIETATI DE UTILIZARE
ETAPA -I- ANALIZA CERINTELOR FATA DE MATERIAL
Procedeele posibile de prelucrare
PROPRIETATI DE PRELUCRARE
Aceste grupe de proprietati pot fi in acord
sau in contradictie
Matricea de cerinte
Care si de unde rezulta aceste cerinte
12
+
La proiectarea piesei sau produsului se stabilesc
Cerintele privind performantele cerute materialului bazate pe functionalitatea si performanta impusa piesei (produsului) precum si pe conditiile ambientale in care va functiona aceasta
Cerintele fata de material
Cerinte functionale
Siguranta in functionare
Functionarea in conditii ambientale de exploatare
Cerinte de prelucrabilitate
COSTUL MATERIALULUI
13
CERINTE FUNCTIONALE
SIGURANTA IN FUNCTIONARE
Caracteristicile produsului (carora nu intotdeauna li se pot atribui valori cantitative) se coreleaza cu cele mai potrivite proprietati mecanice fizice chimice
Se stabilesc cat mai exat conditiile reale de functionare (rol functional tipul caracterul si valoarea solicitarilor conditii de temperatura si mediu etc)
Probabilitatea piesei (materialului) sa fie exploatata corespunzator fara a ceda sau avaria Precizarea anticiparea posibilelor moduri in care un produs poate suferi o avarie re realizeaza prin analiza avariilor
Cauzele unei avarii (in functionare) sunt atribuite- erorilor de conceptie constructiva- defectelor originale ale
materialului- defecte datorate prelucrarii piesei- conditiile de exploatare
14
FUNCTIONAREA IN CONDITII AMBIENTALE DE EXPLOATARE
CERINTE DE PRELUCRABILITATE
(TEHNOLOGICE)
Ambientul in care functioneaza piesa reprezinta un factor important la stabilirea acestor cerinte Mediile corosive temperaturile ridicate sau joase (negative) modifica defavorabil performanta materialelor de uz general
Se apeleaza la materiale speciale cu proprietati deosebite mai scumpe dar corespunzatoare
Forma piesei finite (materialului) precizia dimensionala si de forma calitatea suprafetei etc
Procedeul tehnologic de prlucrare
- turnabilitatea- deformabilitatea- aschiabilitatea- capacitatea de a
fi tratat termic
Se elimina materialele cu (ex) deformabilitate imposibila calibilitate insuficienta aschiabilitate slaba etc
15
Matricea de cerinte
ETAPA -II- STABILIREA MATRICEI DE CERINTE
Analiza celor patru grupuri de cerinte
Stabilirea unor cerinte tehnice
Costul materialuluicerinte economice
Cuprinde toate cerintele necesar a fi indeplinite de material (atat cerintele tehnice cat si cerintele
economice)
Pentru a lua o decizie corecta privind
selectia materialului se face
ierarhizarea cerintelor
16
Cerinte economice
COSTUL MATERIALULUI
Costuri legate cu prelucrare (manopera)
Alte costuri
Costul piesei
Alte costuri (intretinere
exploatare etc)
COSTUL MATERIALULUI controleaza evaluarea materialelor deoarece in multe aplicatii se impune un cost limita pentru materialul care sa satisfaca cerintele aplicatiei Cand limita este depasita produsul se reproiecteaza in vederea modificarii cerintelor fata de material pentru mentinerea acestuia sub limita de cost
Selectia se opreste la materialul care satisface cerintele stabilite (tehnice) de exploatarea piesei si care are costul cel mai scazut
17
ASPECTE ECONOMICE ALE MATERIALELOR
Materialul influenteaza costul total al produselor
Costul materialului are cea mai mare pondere din costul total (30-70)
Prelucrabilitatea
Determina- nivelul de
productivitate- investitiile de capital- manopera necesara
obtinerii formei finale
ATENTIE Alegerea unui material ieftin nu este intotdeauna o solutie corespunzatoare daca prelucrarea lui este dificila si costisitoare
Dimensiunile materiilor prime (semifabricatelor pot determina formarea unei cantitati mari de deseuri si implicit costul final
Posibilitatea reciclarii deseurilor ndash element important la selectia materialelor ndash indeosebi la materialele scumpe
18
Clasificarea materialelor pe baza costurilor
Materialele ingineresti
Materiale de larga utilizare
Materiale speciale
- ieftine- produse in cantitati mari
- substantial mai scumpe- elaborate pentru satisfacerea
unor cerinte deosebite
ATENTIE Compararea materialelor din punc de vedere a costurilor este dificila deoarece la unele materiale costul este dat in raport cu greutatea la altele in raport cu volumul la altele in raport cu suprafata etc
Compararea materialelor se face in raport cu costul relativ
19
Comparatia materialelor pe baza costului relativ al unitatii de
greutate
Comparatia materialelor pe baza costului relativ al unitatii de
volum
Comparatia materialelor pe baza costului relativ al unitatii de volum
raportat la rezistenta de rupere
20
Comparatia materialelor pe baza costului relativ al unitatii de volum
raportat la rezistenta de rupere specifica la tractiune
21
Concluzii
Din punct de vedere al costului relativ la unitatea de greutate utilizarea otelului este cea mai avantajoasa
Cel mai mare consum mondial
Materialele polimerice si aluminiu tind sa se apropie de costurile otelului
Din punct de vedere al costului relativ la unitatea de volum costurile materialelor polimerice se apropie de cele ale otelurilor unele fiind mai ieftine
Apare o plaja larga a costurilor materialelor ingineresti
Uneori materialele nu sunt utilizate la adevarata lor capacitate deoarece o cerinta importanta este rigiditatea Din acest punct de vedere betonul are cel mai mic cost
Sunt aplicatii la care se cere rezistenta ridicata si greutate redusa Se constata ca materialele polimerice si piesele turnate din magneziu apar mai ieftine decat otelurile
22
In cazul unui produs evaluarea valorii lui se
face prin
Evaluarea calitativa a proprietatilor materialului
Cel mai ieftin
Cel mai usor de procutat
Care sa aiba aceeasi
functionalitate
In cazul selectiei materialelor
Pentru aceeasi functionalitate
La cel mai scazut cost
Sa se selecteze cel mai ieftin material
Sa se selecteze un material mai scump dar
care va simplifica prelucrare (eventual
eliminarea unor etape)
23
Otelurile slab aliate cu continut ridicat de mangan si
continut scazut de Ni si Cr
Inlocuiesc otelurile scumpe continand cantitati mai mari de Ni Cr Mo (elemente scumpe)
Acoperirile metalice Inlocuiesc (in conditii mai putin
severe de coroziune) otelurile inoxidabile
Durificarea superficiala sau ecruisarea prin deformare
plastica
Mareste rezistenta la uzare si la oboseala a otelurilor carbon evitand utilizarea otelurilor aliate scumpe
Acoperiri de tipul alitarii cromarii aplicate otelurilor
carbon
Confera rezistenta la temperaturi moderate elimina finisarea
(costisitoare)
24
Coeficientul de utilizare a materialului
Minimalizarea costului materialelor
Printr-o proiectare care sa reduca cantitatea necesara de materiale scumpe
Alegerea procedeelor de prelucrare adecvate
Stabilirea formei semifabricatului care sa maximalizeze coeficientul de utilizare a
materialelor in fabricatie
Materiale ieftine
- Cumparate in cantitati mari- Cele care au dimensiuni mari
Cand fabricatia cere piese de mai multe dimensiuni se poate
cumpara stoc mare de semifabricate la dimensiunea
cea mai mare a pieselor
Reulta deseuri si costuri suplimentare de
manopera
Punctul de rentabilitate in aceasta privinta este greu de evaluat
25
Coeficientul de utilizare a materialelor pentru diferite procedee de prelucrare este dat in urmatorul tabel
Metoda de prelucrare Coeficientul de utilizare
1 Fara modificarea masei
Turnare 70
Deformare plastica 75
Agregate de pulberi 90
2 Cu micsorare de masa
Aschiere 60
Eroziune 90
3 Prin marire de masa
Depuneri prin sudare 80
Depuneri prin metalizare 90
26
Competitia in domeniul materialelor
Odata cu aparitia unor materiale noi si scaderea pretului celor existente apare o COMPETITIE INTRE MATERIALE
Intre otel si aluminiu la obtinerea cutiilor
de bauturi
Intre aluminiu si materiale polimerice
(armate) la constructia aeronavelor
Intre materiale polimerice si cupru
plumb fonta la instalatiile de apa
ProprietateaAliaj ZnAl4 turnat sub presiune
Polistiren ABS
Naylon 66
Policar-bonat
Polipr-opilena
Rezistenta la tractiune MNmm2 260 54 52 70 35
Rezistenta la tractiune prin soc (relativ) 79 1 33 36 16
Rezistenta la fluaj (exprimata ca modul de elasticitate aparent la 100 h MNmm2) 51100 1470 420 2030 308
Rezistenta la oboseala prin incovoiere la 107 cicluri MNmm2 644 154 14 7 182
Temperatura de stabilitate termica la 18 MNmm2 (oC) gt488 345 324 403 332
Modificarea rezistentei la tractiune dupa 500h de expunere in conditii atmosferice ()
+05 -8 +10 -11 -30
Densitatea (relativa) 667 105 114 12 09
Costul unitatii de greutate (relativ Zn=1) 1 21 374 42 14
Costul unitatii de volum raportat la rezistenta la tractiune (relativ) 1 21 37 30 16
Costul unitatii de volum raportat la rezistenta la fluaj (relativ) 1 117 183 19 30
Costul unitatii de volum raportat la rezistenta la tractiune prin soc (relativ) 1 27 15 16 09
Costul unitatii de volum raportat la rezistenta la oboseala (relativ) 1 09 18 34 04
In situatia in care piesa are un rol decorativ ndash materialul plastic este
important
27
Costul prelucrarii poate juca un rol important in procesul
selectiei
Alama mai ieftina pentru anumite piese decat otelul laminat deoarece se prelucreaza cu viteza mai mare
Costul alamei este mai mare decat a otelului
Aluminiul se prelucreaza mai usor si are greutate specifica mai mica
Poate inlocui fonta otelul si aliajele lui chiar
daca sunt mai ieftine
Materialele plastice se prelucreaza foarte usor si devin economice la
serie mare
Pot inlocui orice tip de material la diferite
aplicatii
Criteriul economic privind costul materialului nu este
concludent la selectarea materialului
Devine important COSTUL REPERULUI
28
Costul de baza al materialului
Cheltuieli de dezvoltaresi utilizare a
echipamentelor
Cheltuieli de prelucrareDeterminate de material de procedeu de forma
de precizie
COSTUL REPERULUI
Costurile reperului
29
Reper Comportare Costuri
Cheltuieli de intretineresi reparatii cu reperul
UtilizareCheltuieli de exploatare
Durabilitate
ECONOMICITATEA REPERULUI
Economicitatea reperului
30
CERINTE IMPUSE MATERIALULUIPIESE
Problema selectiei materialului este complexa
datorita
Varietatii materialelor ingineresti
Severitatii cerintelor functionale impuse
Cerinta diminuarii costurilor
Severitatii cerintelor functionale impuse
Prelucrarile la care este supus materialul
Geometria pieselor
Solicitarile la care este supus materialul
INFLUENTEAZA PROPRIETATILE MATERIALELOR
31
Comportarea materialului in produsul finit este sensibil diferita de cea a semifabricatului din care a fost obtinut
Comportarea materialului in piesa
(C)
Proprietatile materialului (M)
Influenta procedeului de prelucrare (P)
Forma piesei si fortele exterioare la care este
supusa (F)
Arata influenta directa a proprietatilor
semifabricatului a procedeului de prelucrare
a formei geometrice si a actiunii fortelor exterioare
asupra comportarii materialelor in piesa finita
Influenteaza direct comportarea
materialului in piesa
Este foarte important a se apela la criterii de proiectare adecvata
32
Influenta procedeului de prelucrare (P)
Prezenta muchiilor ascutite si a filetelor
Rugozitatea suprafetei
Afecteaza intr-o masura mai mare comportarea otelurilor de inalta rezistenta
decat a celor moi
Afecteaza intr-o masura mai mare comportarea materialelor la solicitari
variabile (oboseala) decat la solicitari statice
Interesul se focalizeaza preponderent pe performanta piesei in functionare si mai putin pe comportarea materialului in piesa
Comportarea materialului in piesa (proprietatile piesei)
Performantele piesei in functionare
Comportarea materialului in functionareConditiile de functionare
Factori care influenteaza
performantele piesei in functionare
33
CLASIFICAREA CERINTELOR IMPUSE MATERIALELOR
Cerintele impuse materialelor
Cerinte ldquorigiderdquo sau nenegociabile
Cerinte ldquonerigiderdquo ldquorelativerdquo sau
negociabile
Sunt cerintele care trebuie satisfacute obligatoriu de
material pentru a fi luate in considerare la selectie
bull Disponibilitatebull Prelucrabilitatebull Caracteristici minime
In anumite limite sunt supuse compromisului Pot fi comparate dpdv al importantei lor relative pentru o
aplicatie data in cadrul metodelor cantitative de selectie a materialelor
bull Proprietati mecanicebull Densitatebull Costul
In functie de tipul aplicatiei aceste cerinte isi pot schimba caracterul (din ldquonegociabilerdquo in ldquonenegociabile
Modificarea clasei de material selectate in final
34
EXEMPLE
Butelie de aragaz
Rezistenta Ductilitate Cost
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Rezistenta Ductilitate ρmic
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Butelii pentru gaze utilizate in aviatie
Costul este nenegociabil Oteluri pentru recipienti sub
presiune la temperaturi joase ndash R37 R44
Greutate cat mai mica (considerata nenegociabila) Materiale compozite (Kevlar 49-matrice epoxidica armata
cu fibre de poliamida)
35
MODALITATI DE ABORDARE A SELECTIEI MATERIALELOR SI PROCEDEELOR DE PRELUCRARE
Aparitia unor materiale noi si a competitiei intre materiale
Abordari noi in selectia materialelor si a procedeelor de prelucrare
Materialele plastice folosite la obtinerea pieselor complexe si de buna calitate inalta tehnologie
Materialele compozite au condus la reducerea substantiala a
greutatii produsului
Materiale sinterizate utilizate la obtinerea pieselor fara pierderi de material si consum de enetgie
scazut
Ingineria suprafetelor ofera posibilitati de modificare a
suprafetelor si coferirea unor proprietati deosebite
Cu toate aceste proiectantii se limiteaza la selectia
materialelor si procedeelor de prelucrare cunoscute mai bine
- Evitarea riscurilor- Nu este cunoscuta existenta unor noi materiale- Nu sunt cunoscute noile tehnologii de fabricatie etc
Proiectarea industriala trebuie asociata cu design-ul realizarea unei forme estetice obtinerea unui aspect exterior
placut
Design-ul industrial include mai mult decat o stilizare
Alegerea materialului permite un anumit design sau altul
36
La selectarea functiunii produsului (comportarea lui in exploatare-C) a materialelor (M) a
procedeelor de prelucrare (P) a formei (F) trebuie sa se tina seama ca acestea se intrepatrund (trebuie
sa tin seama in acelasi timp de ele)
Dificil Pot fi urmate diferite
succesiuni
Succesiunea CFMP prezinta urmatoarea
ordine de luare in considerare
-functionalitatea produsului (C)-forma piesei-materialul piesei-procedeul de prelucrare
Pot exista diferite succesiuni
Conduce la solutii diferite
Cadrul face conexiunea intre roti
saua bicicletei pedale ghidon
EXEMPLU Succesiunea CFMP
Functionalitatea si forma sunt aceleasi
Teava de aluminiu
Sudare
Succesiunea CFPM
Functionalitatea si forma sunt aceleasi
Sudare Teava de otel-se sudeaza mai bine
Succesiunea CMPF
Functionalitatea este aceeasi
Ca material se poate alege unul compozit
Sudare lipire
Forma aceeasi sau nu
Succesiunea CPMF
Poate fi aleasa presarea unui material superplastic
Alegerea ca material aluminiul
Forma S asimetrica plata
37
Pe baza functiunilor impuse produsului proiectantul schiteaza o serie de solutii tinand seama
de-materialele ce pot fi folosite-procedeele de fabricatie ce pot fi aplicate-formele potrivite ca functionalitate si design
Fiecare combinatie materialprocedeu de prelucrare conduce la diferite forme
Pot fi generate un numar
diferit de forme
Este o abordare CPMF sau CMPF
38
STRATEGII DE SELECTIE A MATERIALELOR
O strategie de selectie are doua componente
Formularea marimi prin care sa se evaluare un set de cerinte impuse materialului
Un procedeu de evaluare a marimii cerintelor prin care sa
se poata face ierarhizarea acestora in functie de masura in
care acestea sunt indeplinite
Strategiile cauta cai de implementare a procesului si anume de a converti un set de date ldquode intrarerdquo (cerintele proiectarii)
intr-un set de date ldquode iesirerdquo- alegerea materialului si a procedeului de prelucrare
39
Cerintele proiectarii
Materiale si procedee de prelucrare selectate
Strategii de selectie
Date initiale Functie de transfer Date finale
Strategia 1 Cautare libera implicand analiza rationala
Strategia 2 Bazata pe chestionare Este o selectie prin expertiza
Strategia 3 Analogie bazata pe cazuri anterioare
Posibila inovatie
Ofera solutii cunoscute
Ofera solutii similare cu situatia prezenta
Ofera mare libertate de selectie dar putina ghidare in proces
Ofera multa ghidare in proces dar putina libertate de selectie
Ofera idei ale solutiilor anterioare pentru probleme similare
40
SELECTIA LIBERA BAZATA PE ANALIZA RATIONALA
Este rapida si eficienta
Ofera o mare libertate pentru aplicatii
Ofera solutii noi si inovative
Avantaje
Are nevoie de date de intrare precis detaliate intr-o forma ce pot fi analizate prin metode ingineresti
standard
EXEMPLU
Gasiti un material pentru o bara de lungime L care sa
suporte o forta F la temperatura T si sa fie cat mai usoara
Cerinte pentru proiectare
ANALIZA SCHITEIFunctia Ce trebuie sa faca piesaObiective Ce trebuie maximalizat sau minimalizatConstrangeri Ce conditii esentiale trebuie sa fie indepliniteVariabile libere Care variabile ale proiectului sunt libere (cerinte nerigide)
41
Functia Ce trebuie sa faca piesa
Obiective Ce trebuie maximalizat sau minimalizat
Variabile libere Care variabile ale proiectului sunt libere (cerinte nerigide)
De a rezista la momente de incovoiere trebuie sa suporta incarcatura pentru care a fost proiectata fara a se deforma
Constrangeri Ce conditii esentiale trebuie sa fie indeplinite
Lungimea L data Tigiditatea S data Sa reziste si sa nu se deformeze la temperatura T
Trebuie minimalizata greutate
Aria sectiunii Costul
Procesul de selectie a avea 3 pasi
Filtrarea Se folseste de constrangeri pentru inlaturarea materialelor care nu indeplinesc cerintele
IerarhizareaSe folseste de marimea performantelor materialelor ramase in discutie pentru a le ordona
Documentarea
Analizeaza informatiile nestructurate le structureaza si le introduce in structura ierarhizata realizand o fisa cu informatii care ajuta selectia finala a materialului
42
Ierarhizarea se face parcurgand mai multe faze
Identificarea unuia sau a mai multor indici de performanta corespunzatori functiei obiectivului si constrangerilor
Indicele de performanta permite optimizarea selectiei
Pentru identificarea acestor indici se parcurg urmatoarele etape
Transpunerea intr-o relatie a obiectivului (entitatea) ce trebuie minimalizata sau maximalizata
Analiza grupului de proprietati (indicele de performanta) care maximalizeaza obiectivul
Eliminarea din aceasta relatie a variabilelor libere utilizand constrangerile (ex valoarea impusa rigiditatii a incarcarii limita a unui moment a presiunii a temperaturii de lucru sau al tenacitatii
43
EXEMPLU
TEMAGasiti un material pentru o bara de lungime L care sa
suporte o forta F la temperatura T si sa fie cat mai usoara
b
b
Lδ
F
Sageata
Sectiunea
CERINTELE PROIECTARIIFunctia Bara incarcata la incovoiereObiectiv Minimalizarea greutatiiConstrangeri Lungimea L data Rigiditatea S data Temperatura de exploatare T data (500deg)Variabile libere Aria sectiunii A Materialul de selectat
Se alege masa ldquomrdquo ca indice de performanta (trebuie sa fie minimalizat)
Masa barei este
Constrangerea privind rigiditatea va determina aria sectiunii ASageata unei bare simplu rezemata (forta actionand la mijloc) este data de relatia
44
unde E-modulul de elasticitate al materialului barei I-momentul de inertie al sectiunii grinzii
CL-reprezinta o constanta ce depinde de modul de distributie a fortei F (CL=48)
Rigiditatea barei este data de relatia
Din aceasta ultima relatie rezulta aria sectiunii A
Prin substitutia acestei relatii in relatia de determinare a masei grinzii se obtine indicele de performanta m
Valorile S L CL sunt date de proiect
Cea mai usoara bara este acea realizata dintr-un material care are cea mai mare valoare pentru
raport numit si ldquoindice de materialrdquo
Functia Incarcarea ConstrangeriIndici de
performantaRelatia
indicelui
Structuri de masa minima
Tija
BaraStatica
Rigiditate
Tractiune Eρ
Compresiune Eρ
Incovoiere E12ρ
Torsiune E12ρ
Rezistenta
Tractiune σrρ
Compresiune σcρ
Incovoiere σr23ρ
Torsiune σc23ρ
Dinamica
Panou
45
Exista mai multi indici de performanta fiecare realizand o combinatie dintre obiectiv si constrangere
46
47
48
METODE CANTITATIVE DE SELECTIE A MATERIALELOR CANDIDATE
Materialele candidat sunt materialele care satisfac cerintele cuprinse in matricea de cerinte rezultate dinbull Cerintele functionalebull Siguranta in functionarebull Functionarea in conditii ambientale de exploatarebull Cerintele de prelucrabilitatebull Economicitatea piesei
Care din aceste materiale vor fi luate in considerare la realizarea piesei
Evaluarea materialelor candidat
Evaluarea presupune compararea materialelor candidat care indeplinesc cerintele negociabile cu caracteristicile efective ale materialului in vederea selectarii celui optim pentru o aplicatie data
49
Evaluarea materialelor candidat
Este mai simpla pentru metodele cantitative de evaluare
Trebuie sa tina seama de anumite avantaje (usurinta procurarii materialului distanta pana la furnizor seriozitatea furnizarii constanta in calitatea produselor etc) care pot introduce anumite limitari determinand anumite compromisuri
In cele mai multe cazuri metodele cantitative de selectie conduc la materialul optim pentru o aplicatie
Metodele cantitative pot fi reluate odata cu schimbarea importantei relative a cerintelor negociabile
ATENTIE Cerintele nenegociabile trebuie satisfacute in totalitate si intocmai
Daca niciun material nu satisfac cerintele negociabile atunci fie ca acestea trebuie relaxate fie se impune reproiectarea produsului
50
Selectia este o operatie complexa
Numar mare de materiale cu o plaja larga de proprietati
Daca se face intamplator
Apare riscul de a omite anumite materiale candidate
Reducerea riscului prin adoptarea unei metode sistematice de selectie a materialelor
Metodele cantitative
Permitbull analiza unui numar ridicat de datebull a multor specificatii implicate in selectia materialelorbull pot fi adaptate pentru o selectie asistata de calculator
dintr-o baza de date
Metodele nu elimina capacitatea de analiza si experienta ingineruluiAceste metode sprijina inginerul in alegerea optima
51
METODA COSTULUI RAPORTAT LA UNITATEA DE PROPRIETATE
Economicitatea piesei
Costul initial al materialului
Costul prelucrarii si montarii
Costul functionarii si intretinerii
Unele dintre aceste costuri cresc odata cu cresterea
valorii proprietatilor altele scad
Proprietatea (Rm)
Costul piesei
Alte costuri
Costul total
Cos
tul
Cost minim
Odata cu cresterea rezistentei- Prelucrare mai dificila- Greutatea pe piesa scade- Durabilitatea in exploatare
creste si deci numarul de piese in utilizate in timp mai mic
Costul total este suma costului piesei si a celorlalte costuri
52
Valoarea optima a proprietatii (aici Rm) apare la costul minim
In piata costul materialului este legat de greutatea sau volumul (dupa caz) materialului
Se poate stabili o comparatie a materialelor intre proprietatile relative (proprietatea raportata la
greutatea specifica) De exemplu rezistenta rigiditatea modul de elasticitate etc
Criteriul esential este costul raportat la unitatea de rezistenta la tractiune
C=pρσ
C- costul asigurarii unei rezistente de 1 MPap- costul unitatii de proprietate a materialului
ρ- densitatea materialului
σr- rezistenta la tractiune
Cu cat valoarea lui ldquoCrdquo este mai mica cu atat materialul
este mai economic
53
Relatii asemanatoare pot fi obtinute si pentru alte proprietati cum ar fi- limita la curgere- modulul de elastuicitate- factorul de intensitate a tensiunii etc
Costul unitatii de proprietate pentru diferite moduri de solicitare
54
Compararea materialelor privind aceste costuri este esentiala
Se compara materialele intre ele
Este dificilSe ia un material de referinta
Costul relativ pe unitatea de proprietate a materialului candidat ldquoirdquo raportat la costul relativ pe unitatea de proprietate a materialului de referinta ldquobrdquo este dat de relatia
Daca CR este subunitar materialul candidat este mai ieftin decat materialul de referinta
Materialul de referinta este eliminat si materialul candidat se ia ca material de referinta pentru urmatoarea comparatie
Daca CR este supra unitar materialul candidat este mai scump decat materialul de referinta
Materialul de referinta se ia ca material de comparatie pentru urmatoarea analiza
55
METODA PONDERARII PROPRIETATILOR
Este o metoda pentru rezolvarea unor solutii mai comlexe de materiale materiale si proprietati
Fiecarei proprietati a materialului i se acorda o pondere rdquoαrdquo
Ponderea este proportionala cu importanta relativa a proprietatii pentru performanta in exploatare a materialului pentru aplicatia data
Ponderea proprietatii este egala cu produsul dintre valoarea numerica a proprietatii materialului ldquoprdquo si ponderea ei ldquoαrdquo
γ=pα
Insumand toate aceste produse pentru un material se obtine un indice de performanta ldquoPrdquo al materialului
Aceasta metoda ia in considerare toate proprietatile materialului
Comparand mai multe materiale prin indicele de performanta se poate gasi cel mai performant material pentru o aplicatie
56
Dezavantajul acestei metode consta in faptul ca in cazul unei proprietati care are o valoare ridicata aceasta v-a avea o influenta mai mare asupra indicelui de performanta decat ponderea ei
Exemplu Un material A care are Rm=370 MPa si o duritate de 350 HRB si un alt material B care are Rm=400 MPa si o duritate de 300 HRBStabilind ponderea proprietatii de 100 pentru rezistenta si 90 pentru duritate se obtine un indice de performanta de 68500 pentru material ul A si 67000 pentru materialul B
Inseamna ca impotriva importantei rezistentei la tractiune (ca fiind primul criteriu de selectie) si care este mai mare pentru materialul B indicele de performanta al materialului A este mai mare si deci acest material v-a fi selectat
La evaluarea materialelor candidat se va lucra cu valori relative ldquoβrdquo ale unei anumite proprietati celei mai mari valori a proprietatii atribuindu-se valoarea 100 iar celelalte valori relative se determina cu relatia
57
Pentru proprietatile materialelor care nu se exprima in mod obisnuit prin valori numerice (rezistenta la uzare sudabilitatea aschiabilitatea diferite proprietati tehnologice etc) evaluarea se poate face relativ la una dintre proprietati astfel
Astfel fiecarei proprietati I se acorda o importanta egalasi ea va influenta indicii de performanta ai materialelor doar comparate doar in masura ponderii acordate
Pentru proprietati ale caror valori se doreste a fi cat mai mici (densitatea pierderea de greutate prin coroziune etc) evaluarea se face printr-un raport invers
ProprietateaMateriale alternative
A B C D
Sudabilitatea Foarte buna Buna Buna Satisfacatoare
Evaluarea relativa 5 3 3 1
Valoarea scalata 100 60 60 20
58
Exemplu In ceea ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru rezistenta la tractiune a materialului A este de 925 Pentru al doilea material aceasta valoare este de 100 In ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru duritate aceasta este de 100 pentru materialul A si de 857 pentru materialul B
Acest lucru poate schimba situatia ierarhica a materialelor sau le poate apropia atat de mult indicele de performanta incat sa se puna problema luari in considerare si a altor elemente pentru selectie
Astfel indicele de performanta a materialului este dat de relatia
unde P reprezinta indicele de performanta a materialuluildquoirdquo este suma celor ldquonrdquo proprietati considerate a materialul ui
59
Ponderea α poate fi considerata ca αilt1 astfel incat
(cazul cel mai frecvent) sau ei I se poate aloca o plaja de valori valoarea cea mai mare
corespunzand proprietatii cu cea mai mare importanta
Costul materialului poate fi considerat ca o proprietate (chiar importanta) acordandui-se o pondere ldquoαrdquo
In cazul luarii in considerare a unui numar mare de proprietati costul poate fi considerat un factor de corectie al indicelui de performanta a materialului rezultand indicele de merit al acestuia
in care ldquoprdquo reprezinta costul unitatii de greutate a materialului
60
Cand se doreste compararea mai multor materiale candidat (i) cu unul de baza (de referinta) se calculeaza indicele relativ de merit al fiecarui material astfel
Daca RMgt1 respectivul material candidat ldquoirdquo corespunde mai bine cerintelor decat materialul de referinta ldquobrdquoIn cazul in care Mb reprezinta minimul cerintelor impuse Materialele candidat avand RMlt1 pot fi eliminate de la inceput ca fiind necorespunzatoare
Cand trebuie luate in considerare mai multe proprietati ale materialului pentru evaluarea indicelui de performanta este dificila evaluarea ponderii acestora Rezolvarea aceste probleme poate fi realizata printr-o evaluare prin programe numerice
61
METODA CRESTERII INCREMENTALE
In anumite situatii pot aparea mai multe materiale care indeplinesc cerintele minime impuse de o anumita aplicatie
Dupa analiza acestor materiale se poate presupune ca performantele pieselor prelucrate sunt proportionale cu indicii de performanta ldquoPrdquo In acelasi timp costul piesei variaza proportional cu costul materialului si al prelucrarii acestora
Daca se doreste selectarea piesei care are cea mai mare performanta la cea mai rezonabila crestere a costului se poate face o analiza beneficiu-cost Procedeul se ia indeosebi cand se doreste inlocuirea unui material utilizat deja in fabricatie
Materialul cu cel mai scazut cost (1) se ca element de baza si este comparat cu materialul care are costul imediat superior (2) Comparatia se face determinand cresterea indicelui de performanta (ΔP=P2-P1) si a costului ldquoprdquo pe unitatea de volum (Δpρ=p2ρ2-p1ρ1)
Daca ΔPΔpρlt1 materialul 1 corespunde mai bine decat materialul 2 pentru aplicatia data si materialul 2 va fi eliminatDaca ΔPΔpρgt1 materialul 1 va fi eliminat deoarece materialul 2 corespunde mai bine cerintelor aplicatieiSe continua compararea cu al treilea material si rand pe rand vor fi eliminate materialele mai putin corespunzatoare ajungand la materialul optim
62
EXEMPLU DE SELECTIE A MATERIALELOR
Tema Realizarea piesesei din figura dintr-un otel ldquoOL37rdquo intr-o serie mare de fabricatie-Este o piesa cilindrica cu dimensiunile date-Are un butuc-Prezinta o gaura lunga si de diametre mic
oslash200oslash50
150oslash20
Se poate realiza din bara rotunda prin strunjire
Se poate realiza din bara rotunda prin forjare
80
Coeficientul de utilizare a materialului 055
Coeficientul de utilizare a materialului 098
63
Diametrul mm Inaltime mm Volum mm3 Volum mm3Coeficientul de
utilizare a materialului
Semif Pornire 200 150 4710000 4710000
Strunjire
200 80 2512000
2602275 055=5550 35 137375
20 150 47100
Forjare
200 80 25120002649375
098=9850 35 137375
20 150 47100 2602275
Coeficientul de utilizare a materialului K=greutatea piesei finitegreutatea materialului utilizat pentru realizarea lui (a semifabricatului de pornire)
In calcul s-a lucrat cu volumul materialului deoarece G=VρAdaosuriele de prelucrare s-u luat ca fiind egaleApare un mult mai bun grad de utilizare a materialului pentr prelucrarea prin forjare
PIESA SE VA REALIZA PRIN FORJARE
64
1
2
3
5
6
4
9
8
F
107F
1-semimatrita superioara2-semimatrita inferioara3-cavitatea semimatritei sup4-cavitatea semimatritei inf5-canalul de bavura6-canalul de refulare7-prinderea semimatritei sup8-prinderea semimatritei inf9-elemente de ghidare (stifturi)10-planul de separare
TEMA Sa se stabileasca materialul optim pentru realizarea elementelor active ale matrtei de forjare din figura Se urmreste obtinerea piesei prin forjare la cald
CERINTE PENTRU PROIECTARE
Analiza schiteiFunctia Elemete (semimatrite) de matrita de deformare plasticaObiectiv Trebuie maximalizata tenacitatea (rezilienta)Constrangeri Dimensiunile cavitatii matritei (depind de marimea piesei) dimensiunile exterioare si sistemul de prindere (depind de utilaj temperatura de lucruVariabile libere material
65
Se cauta in sursele de informatii structurate si nestructurate materialele care respecta cerintele
Elemente de matrita
Rezistente la cald
Tenacitate Duritate
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Materialele potrivite sunt metalele si aliajele lor
-Materialele ceramice nu au tenacitate-Materialele polimerice nu au rezistenta la cald-Materialele compozite sunt scumpe si nu au tenacitate
Depinde de compozitia lor
Se cauta materiale cu destinatie precisa Materiale pentru scule de deformare
66
Din baza de date se constata ca urmatoarele materiale satisfac
cerintele rigide adica sa poata fi utilizate la prelucrarea la cald
Sunt materiale cu destinatie precisaDaca nu sunt materiale cu destinatie
precisa se cauta in grupa materialelor cu destinatie generala
Material Rm min MPa HV A5 KCU Jcm3
C120 890 265 8 60
VMoC120 870 265 8 68
VC06 870 230 6 68
VCW85 870 265 6 80
MoCN15 830 250 7 75
VMoCN17 870 265 7 73
VSCW20 790 235 5 78
OSC7 640 195 12 56
OSC8 640 195 10 58
67
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU Jcm3 βKCU Indicele de
performanta PC120 890 265 8 60 101450
VMoC120 870 265 8 68 100650
VC06 870 230 6 68 97400
VCW85 870 265 6 80 101750
MoCN15 830 250 7 75 96750
VMoCN17 870 265 7 73 101100
VSCW20 790 235 5 78 92400
OSC7 640 195 12 56 74950
OSC8 640 195 10 58 75050Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza peoprietatii
68
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU
Jcm3 βKCU Indicele de performanta P
C120 890 100 265 10000 8 6667 60 75 25017000
VMoC120 870 9775 265 10000 8 6667 68 85 2835015356
VC06 870 9775 230 8679 6 5000 68 85 2126563155
VCW85 870 9775 265 10000 6 5000 80 100 2501682022
MoCN15 830 9326 250 9434 7 5833 75 9375 2735970124
VMoCN17 870 9775 265 10000 7 5833 73 9125 2663140356
VSCW20 790 8876 235 8868 5 4167 78 975 2032758226
OSC7 640 7191 195 7358 12 10000 56 70 3501237545
OSC8 640 7191 195 7358 10 8333 58 725 3022070878Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza proprietatii relative
69
Material Indicele de performanta P
VSCW20 2032758226
VC06 2126563155
VCW85 2501682022
C120 25017000
VMoCN17 2663140356
MoCN15 2735970124
VMoC120 2835015356
OSC8 3022070878
OSC7 3501237545
Material Indicele de performanta P
OSC7 74950
OSC8 75050
VSCW20 92400
MoCN15 96750
VC06 97400
VMoC120 100650
VMoCN17 101100
C120 101450
VCW85 101750
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile proprietatii materialului
ordonate crescator
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile relative ale proprietatii materialului ordonate crescator
70
Luand in considerare ca unele materiale sunt aliate cu siguranta acestea sunt mai scumpe
Daca luam in considerare costul unitar pentru otelurile carbon de scule iar densitatea de 785 (corespunzatoare fierului) se obtine indicele de merit
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
OSC7 74950 1 95477707 114
OSC8 75050 1 956050955 114
VSCW20 92400 14 840764331 100
MoCN15 96750 14 880345769 105
VC06 97400 12 103397028 123
VMoC120 100650 13 986281235 117
VMoCN17 101100 14 919927207 109
C120 101450 15 861571125 102
VCW85 101750 14 925841674 110
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea proprietatii materialului
71
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
VSCW20 2032758226 14 184964352 100
VC06 2126563155 12 225749804 122
VCW85 2501682022 14 227632577 123
C120 25017000 15 212458599 115
VMoCN17 2663140356 14 242323963 131
MoCN15 2735970124 14 248950876 135
VMoC120 2835015356 13 277806502 150
OSC8 3022070878 1 384977182 208
OSC7 3501237545 1 446017522 241
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea relativa a proprietatii materialului
72
Selectati materialele potrivite pentru piesele din imagine
Randul I 1 Serie mare de fabricatie-6p Randul II Serie mica (unicat) de fabricatie-6p
Randul I 2 Criterii de selectie a materialelor-1p3 Etapele selectiei materialelor ndash 1p4 Economicitatea piesei ndash 1p5 Strategii de selectie a materialelor ndash 1p
Randul II 2 Tipuri de date utilizate la selectia materialelor-1p3 Cum se face minimalizarea costurilor-1p4 Perofmantele piesei in functionare ndash 1p5 Care sunt cerintele fata de material ndash 1p
SUBIECTE EXAMEN
73
Date privind principalele proprietati tehnologice ale unor materiale
Material
Valorile proprietatii
Aschiabilitate Turnabilitate Sudabilitate Cost
F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba $tona
Otel de constructii (OL) X X X 140
Otel carbon de calitate (OLC) X X X
260
Fonte obisnuite (Fc) X X X 160
Punctaje 60 30 10 60 30 10 60 30 10
Avand in vedere ca pretul creste odata cu rezistenta la tractiune calculati costul fiecarui material prin inmultirea costului de baza cu valoarea proprietatii si impartiti la 100
74
Materiale ce pot fi luate in considerare spre analiza
Material Rm HV A Material Rm HV A Material Rm HV A
OL30 310 95 32 OLC8 324 140 33 Fc100 100 105 2
OL32 310 93 33 OLC10 321 150 31 Fc150 150 145 3
OL34 330 105 31 OLC15 373 155 27 Fc200 200 180 4
OL37 360 112 25 OLC20 410 165 25 Fc250 250 190 4
OL42 410 130 22 OLC25 450 175 24 Fc300 300 210 5
OL44 430 135 22 OLC30 490 180 21 Fc350 350 220 6
OL50 500 160 21 OLC35 530 195 21 Fc400 400 240 6
OL52 510 160 21 OLC40 570 200 19
OL60 590 185 16 OLC45 610 220 18
OL70 690 215 11 OLC50 640 230 16
OLC55 670 240 14
OLC60 700 255 14
Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50
Proprietatea tehnilogica intra cu o pondere de 100
VA UREZ SUCCES
Selectia materialelor si stabilirea tehnologiei de fabricatie este deosebit de dificila deoarece exista intre 40000 si 80000 de materiale (numarul lor se modifica continuu) alaturi de care exista peste 1000 de procedee tehnologice de prelucrare
Materiale metaliceRigiditate ductilitate (plasticitate) si tenacitate buna
temperatura de fuziune si rezistenta la soc termic ridicate
Materiale polimerice (inclusiv elastomeri)
Ductilitate (deformabilitate) si rezistenta la coroziune buna
greutate specifica mica
Materiale ceramice (inclusiv sticle)Rigiditate rezistenta la coroziune limita de curgere (duritate) buna temperatura de fuziune ridicata si
greutate specifica medie
Materiale compoziteRigiditate limita de curgere (duritate)
tenacitate rezistenta la oboseala rezistenta la coroziune buna si greutate specifica mica
4
La obtinerea unui produs se parcurg urmatoarele etape
Cerinta pietei
Conceperea
Proiectarea constructiva (desen ansamblu)
Detaliul (desenul de executie)
Proiectarea tehnologica
Productia
Proiectare produs nou
Reproiectare
Cand se face selectia materialelor
Pe tot parcursul procesului
5
Selectarea materialelor se face pe baza unor informatii (date) despre material
Date structurate
Date nestructurate
Date numerice
Ierarhizabile(proprietati mecanice)
Date de tip DANU BunRau (logice)
Documentatie specifica
Documentatie nespecifica
(cel mai putin structurate)
Pagini webSoftware ale producatoruluiConsultanti
Studii de cazAnaliza avariilorGhiduri de proiectare
Baze de dateStandardeManuale
6
Structurarea informatiilor (in baze de date sau nu) poate fi facuta astfel
Domeniul
Materiale
Tehnologii de
fabricatie
Familie
CeramiceSticlePolimeriMetaleCompoziteElastomerietc
ForjareAschiereTurnarePulberietc
Clasa si membri
OteluriFonteAliaje CuAliaje AlAliaje ZnAliaje Nietc
FrezareStrunjireRectificareGaurireetc
Coduri
100020003000400050006000etc
Proprietati
DensitateModul ERmDuritateP electriceRez corozetc
Domeniu de marimeComplexitateTolerantaRugozitateetc
7
METODICA SELECTIEI MATERIALELOR
8
Economia de piata (concurentiala)
Caliatatea si costul produsului au o mare
importanta
SELECTIA SI UTILIZAREA OPTIMA A
MATERIALELOR se face stiintific pe criteriul
Maxim de performanta la un Cost minim
Se face in functie debull Performantele produsuluibull Conditiile de prelucrarebull Forma si dimensiunile pieseibull Seria de fabricatiebull Pretul de cost
Trebuie sa se bazeze pebull Promovarea materialelor corespunzatoarebull Ieftine si usor de procuratbull Valorificarea maxima a prelucrabilitatii lor si aducere la forma cerutabull Posibilitatile reale de prelucrare in firma (dotarea si experienta
tehnologica)
9
Materialul selectat
Sa aiba proprietatile cerute
Se tine seama de procedeul de prelucrare
Contribuie la definirea proprietatilor finale ale
materialului piesei
Selectia optima a materialului
Este o activitatebull complexabull dificilabull care se deruleaza de la conceptie pana
la fabricatia de serie (si in timpul acesteia)
ETAPELE SELECTIEI MATEIALELOR
10
Obiectul selectiei Rolul functional siguranta in functionare
durata de exploatare etc
Analiza cerintelor determinate de rolul functional si de prelucrare
Matricea de cerinte referitoare la reper (piesa)
Matricea de cerinte specifice
materialului
Materiale proprietati comportare in functionare
Testarea materialului sau imbunatatirea lui
(daca este cazul)
Decizia de selectie a materialului (strategii procedee si criterii de selectie
Cerintele nu pot fi indeplinite Cerintele sunt indeplinite partial sau integral
Proiectarea unui nou material sau procedeu de prelucrare
Optimizarea selectiei materialului (a reperului)
11
Obiectul selectiei Rolul functional
siguranta in functionare durata de
exploatare etc
Se stabilesc toate proprietatile
materialelor ca rezultat al cerintelor functionare
si de utilizare
PROPRIETATI DE UTILIZARE
ETAPA -I- ANALIZA CERINTELOR FATA DE MATERIAL
Procedeele posibile de prelucrare
PROPRIETATI DE PRELUCRARE
Aceste grupe de proprietati pot fi in acord
sau in contradictie
Matricea de cerinte
Care si de unde rezulta aceste cerinte
12
+
La proiectarea piesei sau produsului se stabilesc
Cerintele privind performantele cerute materialului bazate pe functionalitatea si performanta impusa piesei (produsului) precum si pe conditiile ambientale in care va functiona aceasta
Cerintele fata de material
Cerinte functionale
Siguranta in functionare
Functionarea in conditii ambientale de exploatare
Cerinte de prelucrabilitate
COSTUL MATERIALULUI
13
CERINTE FUNCTIONALE
SIGURANTA IN FUNCTIONARE
Caracteristicile produsului (carora nu intotdeauna li se pot atribui valori cantitative) se coreleaza cu cele mai potrivite proprietati mecanice fizice chimice
Se stabilesc cat mai exat conditiile reale de functionare (rol functional tipul caracterul si valoarea solicitarilor conditii de temperatura si mediu etc)
Probabilitatea piesei (materialului) sa fie exploatata corespunzator fara a ceda sau avaria Precizarea anticiparea posibilelor moduri in care un produs poate suferi o avarie re realizeaza prin analiza avariilor
Cauzele unei avarii (in functionare) sunt atribuite- erorilor de conceptie constructiva- defectelor originale ale
materialului- defecte datorate prelucrarii piesei- conditiile de exploatare
14
FUNCTIONAREA IN CONDITII AMBIENTALE DE EXPLOATARE
CERINTE DE PRELUCRABILITATE
(TEHNOLOGICE)
Ambientul in care functioneaza piesa reprezinta un factor important la stabilirea acestor cerinte Mediile corosive temperaturile ridicate sau joase (negative) modifica defavorabil performanta materialelor de uz general
Se apeleaza la materiale speciale cu proprietati deosebite mai scumpe dar corespunzatoare
Forma piesei finite (materialului) precizia dimensionala si de forma calitatea suprafetei etc
Procedeul tehnologic de prlucrare
- turnabilitatea- deformabilitatea- aschiabilitatea- capacitatea de a
fi tratat termic
Se elimina materialele cu (ex) deformabilitate imposibila calibilitate insuficienta aschiabilitate slaba etc
15
Matricea de cerinte
ETAPA -II- STABILIREA MATRICEI DE CERINTE
Analiza celor patru grupuri de cerinte
Stabilirea unor cerinte tehnice
Costul materialuluicerinte economice
Cuprinde toate cerintele necesar a fi indeplinite de material (atat cerintele tehnice cat si cerintele
economice)
Pentru a lua o decizie corecta privind
selectia materialului se face
ierarhizarea cerintelor
16
Cerinte economice
COSTUL MATERIALULUI
Costuri legate cu prelucrare (manopera)
Alte costuri
Costul piesei
Alte costuri (intretinere
exploatare etc)
COSTUL MATERIALULUI controleaza evaluarea materialelor deoarece in multe aplicatii se impune un cost limita pentru materialul care sa satisfaca cerintele aplicatiei Cand limita este depasita produsul se reproiecteaza in vederea modificarii cerintelor fata de material pentru mentinerea acestuia sub limita de cost
Selectia se opreste la materialul care satisface cerintele stabilite (tehnice) de exploatarea piesei si care are costul cel mai scazut
17
ASPECTE ECONOMICE ALE MATERIALELOR
Materialul influenteaza costul total al produselor
Costul materialului are cea mai mare pondere din costul total (30-70)
Prelucrabilitatea
Determina- nivelul de
productivitate- investitiile de capital- manopera necesara
obtinerii formei finale
ATENTIE Alegerea unui material ieftin nu este intotdeauna o solutie corespunzatoare daca prelucrarea lui este dificila si costisitoare
Dimensiunile materiilor prime (semifabricatelor pot determina formarea unei cantitati mari de deseuri si implicit costul final
Posibilitatea reciclarii deseurilor ndash element important la selectia materialelor ndash indeosebi la materialele scumpe
18
Clasificarea materialelor pe baza costurilor
Materialele ingineresti
Materiale de larga utilizare
Materiale speciale
- ieftine- produse in cantitati mari
- substantial mai scumpe- elaborate pentru satisfacerea
unor cerinte deosebite
ATENTIE Compararea materialelor din punc de vedere a costurilor este dificila deoarece la unele materiale costul este dat in raport cu greutatea la altele in raport cu volumul la altele in raport cu suprafata etc
Compararea materialelor se face in raport cu costul relativ
19
Comparatia materialelor pe baza costului relativ al unitatii de
greutate
Comparatia materialelor pe baza costului relativ al unitatii de
volum
Comparatia materialelor pe baza costului relativ al unitatii de volum
raportat la rezistenta de rupere
20
Comparatia materialelor pe baza costului relativ al unitatii de volum
raportat la rezistenta de rupere specifica la tractiune
21
Concluzii
Din punct de vedere al costului relativ la unitatea de greutate utilizarea otelului este cea mai avantajoasa
Cel mai mare consum mondial
Materialele polimerice si aluminiu tind sa se apropie de costurile otelului
Din punct de vedere al costului relativ la unitatea de volum costurile materialelor polimerice se apropie de cele ale otelurilor unele fiind mai ieftine
Apare o plaja larga a costurilor materialelor ingineresti
Uneori materialele nu sunt utilizate la adevarata lor capacitate deoarece o cerinta importanta este rigiditatea Din acest punct de vedere betonul are cel mai mic cost
Sunt aplicatii la care se cere rezistenta ridicata si greutate redusa Se constata ca materialele polimerice si piesele turnate din magneziu apar mai ieftine decat otelurile
22
In cazul unui produs evaluarea valorii lui se
face prin
Evaluarea calitativa a proprietatilor materialului
Cel mai ieftin
Cel mai usor de procutat
Care sa aiba aceeasi
functionalitate
In cazul selectiei materialelor
Pentru aceeasi functionalitate
La cel mai scazut cost
Sa se selecteze cel mai ieftin material
Sa se selecteze un material mai scump dar
care va simplifica prelucrare (eventual
eliminarea unor etape)
23
Otelurile slab aliate cu continut ridicat de mangan si
continut scazut de Ni si Cr
Inlocuiesc otelurile scumpe continand cantitati mai mari de Ni Cr Mo (elemente scumpe)
Acoperirile metalice Inlocuiesc (in conditii mai putin
severe de coroziune) otelurile inoxidabile
Durificarea superficiala sau ecruisarea prin deformare
plastica
Mareste rezistenta la uzare si la oboseala a otelurilor carbon evitand utilizarea otelurilor aliate scumpe
Acoperiri de tipul alitarii cromarii aplicate otelurilor
carbon
Confera rezistenta la temperaturi moderate elimina finisarea
(costisitoare)
24
Coeficientul de utilizare a materialului
Minimalizarea costului materialelor
Printr-o proiectare care sa reduca cantitatea necesara de materiale scumpe
Alegerea procedeelor de prelucrare adecvate
Stabilirea formei semifabricatului care sa maximalizeze coeficientul de utilizare a
materialelor in fabricatie
Materiale ieftine
- Cumparate in cantitati mari- Cele care au dimensiuni mari
Cand fabricatia cere piese de mai multe dimensiuni se poate
cumpara stoc mare de semifabricate la dimensiunea
cea mai mare a pieselor
Reulta deseuri si costuri suplimentare de
manopera
Punctul de rentabilitate in aceasta privinta este greu de evaluat
25
Coeficientul de utilizare a materialelor pentru diferite procedee de prelucrare este dat in urmatorul tabel
Metoda de prelucrare Coeficientul de utilizare
1 Fara modificarea masei
Turnare 70
Deformare plastica 75
Agregate de pulberi 90
2 Cu micsorare de masa
Aschiere 60
Eroziune 90
3 Prin marire de masa
Depuneri prin sudare 80
Depuneri prin metalizare 90
26
Competitia in domeniul materialelor
Odata cu aparitia unor materiale noi si scaderea pretului celor existente apare o COMPETITIE INTRE MATERIALE
Intre otel si aluminiu la obtinerea cutiilor
de bauturi
Intre aluminiu si materiale polimerice
(armate) la constructia aeronavelor
Intre materiale polimerice si cupru
plumb fonta la instalatiile de apa
ProprietateaAliaj ZnAl4 turnat sub presiune
Polistiren ABS
Naylon 66
Policar-bonat
Polipr-opilena
Rezistenta la tractiune MNmm2 260 54 52 70 35
Rezistenta la tractiune prin soc (relativ) 79 1 33 36 16
Rezistenta la fluaj (exprimata ca modul de elasticitate aparent la 100 h MNmm2) 51100 1470 420 2030 308
Rezistenta la oboseala prin incovoiere la 107 cicluri MNmm2 644 154 14 7 182
Temperatura de stabilitate termica la 18 MNmm2 (oC) gt488 345 324 403 332
Modificarea rezistentei la tractiune dupa 500h de expunere in conditii atmosferice ()
+05 -8 +10 -11 -30
Densitatea (relativa) 667 105 114 12 09
Costul unitatii de greutate (relativ Zn=1) 1 21 374 42 14
Costul unitatii de volum raportat la rezistenta la tractiune (relativ) 1 21 37 30 16
Costul unitatii de volum raportat la rezistenta la fluaj (relativ) 1 117 183 19 30
Costul unitatii de volum raportat la rezistenta la tractiune prin soc (relativ) 1 27 15 16 09
Costul unitatii de volum raportat la rezistenta la oboseala (relativ) 1 09 18 34 04
In situatia in care piesa are un rol decorativ ndash materialul plastic este
important
27
Costul prelucrarii poate juca un rol important in procesul
selectiei
Alama mai ieftina pentru anumite piese decat otelul laminat deoarece se prelucreaza cu viteza mai mare
Costul alamei este mai mare decat a otelului
Aluminiul se prelucreaza mai usor si are greutate specifica mai mica
Poate inlocui fonta otelul si aliajele lui chiar
daca sunt mai ieftine
Materialele plastice se prelucreaza foarte usor si devin economice la
serie mare
Pot inlocui orice tip de material la diferite
aplicatii
Criteriul economic privind costul materialului nu este
concludent la selectarea materialului
Devine important COSTUL REPERULUI
28
Costul de baza al materialului
Cheltuieli de dezvoltaresi utilizare a
echipamentelor
Cheltuieli de prelucrareDeterminate de material de procedeu de forma
de precizie
COSTUL REPERULUI
Costurile reperului
29
Reper Comportare Costuri
Cheltuieli de intretineresi reparatii cu reperul
UtilizareCheltuieli de exploatare
Durabilitate
ECONOMICITATEA REPERULUI
Economicitatea reperului
30
CERINTE IMPUSE MATERIALULUIPIESE
Problema selectiei materialului este complexa
datorita
Varietatii materialelor ingineresti
Severitatii cerintelor functionale impuse
Cerinta diminuarii costurilor
Severitatii cerintelor functionale impuse
Prelucrarile la care este supus materialul
Geometria pieselor
Solicitarile la care este supus materialul
INFLUENTEAZA PROPRIETATILE MATERIALELOR
31
Comportarea materialului in produsul finit este sensibil diferita de cea a semifabricatului din care a fost obtinut
Comportarea materialului in piesa
(C)
Proprietatile materialului (M)
Influenta procedeului de prelucrare (P)
Forma piesei si fortele exterioare la care este
supusa (F)
Arata influenta directa a proprietatilor
semifabricatului a procedeului de prelucrare
a formei geometrice si a actiunii fortelor exterioare
asupra comportarii materialelor in piesa finita
Influenteaza direct comportarea
materialului in piesa
Este foarte important a se apela la criterii de proiectare adecvata
32
Influenta procedeului de prelucrare (P)
Prezenta muchiilor ascutite si a filetelor
Rugozitatea suprafetei
Afecteaza intr-o masura mai mare comportarea otelurilor de inalta rezistenta
decat a celor moi
Afecteaza intr-o masura mai mare comportarea materialelor la solicitari
variabile (oboseala) decat la solicitari statice
Interesul se focalizeaza preponderent pe performanta piesei in functionare si mai putin pe comportarea materialului in piesa
Comportarea materialului in piesa (proprietatile piesei)
Performantele piesei in functionare
Comportarea materialului in functionareConditiile de functionare
Factori care influenteaza
performantele piesei in functionare
33
CLASIFICAREA CERINTELOR IMPUSE MATERIALELOR
Cerintele impuse materialelor
Cerinte ldquorigiderdquo sau nenegociabile
Cerinte ldquonerigiderdquo ldquorelativerdquo sau
negociabile
Sunt cerintele care trebuie satisfacute obligatoriu de
material pentru a fi luate in considerare la selectie
bull Disponibilitatebull Prelucrabilitatebull Caracteristici minime
In anumite limite sunt supuse compromisului Pot fi comparate dpdv al importantei lor relative pentru o
aplicatie data in cadrul metodelor cantitative de selectie a materialelor
bull Proprietati mecanicebull Densitatebull Costul
In functie de tipul aplicatiei aceste cerinte isi pot schimba caracterul (din ldquonegociabilerdquo in ldquonenegociabile
Modificarea clasei de material selectate in final
34
EXEMPLE
Butelie de aragaz
Rezistenta Ductilitate Cost
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Rezistenta Ductilitate ρmic
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Butelii pentru gaze utilizate in aviatie
Costul este nenegociabil Oteluri pentru recipienti sub
presiune la temperaturi joase ndash R37 R44
Greutate cat mai mica (considerata nenegociabila) Materiale compozite (Kevlar 49-matrice epoxidica armata
cu fibre de poliamida)
35
MODALITATI DE ABORDARE A SELECTIEI MATERIALELOR SI PROCEDEELOR DE PRELUCRARE
Aparitia unor materiale noi si a competitiei intre materiale
Abordari noi in selectia materialelor si a procedeelor de prelucrare
Materialele plastice folosite la obtinerea pieselor complexe si de buna calitate inalta tehnologie
Materialele compozite au condus la reducerea substantiala a
greutatii produsului
Materiale sinterizate utilizate la obtinerea pieselor fara pierderi de material si consum de enetgie
scazut
Ingineria suprafetelor ofera posibilitati de modificare a
suprafetelor si coferirea unor proprietati deosebite
Cu toate aceste proiectantii se limiteaza la selectia
materialelor si procedeelor de prelucrare cunoscute mai bine
- Evitarea riscurilor- Nu este cunoscuta existenta unor noi materiale- Nu sunt cunoscute noile tehnologii de fabricatie etc
Proiectarea industriala trebuie asociata cu design-ul realizarea unei forme estetice obtinerea unui aspect exterior
placut
Design-ul industrial include mai mult decat o stilizare
Alegerea materialului permite un anumit design sau altul
36
La selectarea functiunii produsului (comportarea lui in exploatare-C) a materialelor (M) a
procedeelor de prelucrare (P) a formei (F) trebuie sa se tina seama ca acestea se intrepatrund (trebuie
sa tin seama in acelasi timp de ele)
Dificil Pot fi urmate diferite
succesiuni
Succesiunea CFMP prezinta urmatoarea
ordine de luare in considerare
-functionalitatea produsului (C)-forma piesei-materialul piesei-procedeul de prelucrare
Pot exista diferite succesiuni
Conduce la solutii diferite
Cadrul face conexiunea intre roti
saua bicicletei pedale ghidon
EXEMPLU Succesiunea CFMP
Functionalitatea si forma sunt aceleasi
Teava de aluminiu
Sudare
Succesiunea CFPM
Functionalitatea si forma sunt aceleasi
Sudare Teava de otel-se sudeaza mai bine
Succesiunea CMPF
Functionalitatea este aceeasi
Ca material se poate alege unul compozit
Sudare lipire
Forma aceeasi sau nu
Succesiunea CPMF
Poate fi aleasa presarea unui material superplastic
Alegerea ca material aluminiul
Forma S asimetrica plata
37
Pe baza functiunilor impuse produsului proiectantul schiteaza o serie de solutii tinand seama
de-materialele ce pot fi folosite-procedeele de fabricatie ce pot fi aplicate-formele potrivite ca functionalitate si design
Fiecare combinatie materialprocedeu de prelucrare conduce la diferite forme
Pot fi generate un numar
diferit de forme
Este o abordare CPMF sau CMPF
38
STRATEGII DE SELECTIE A MATERIALELOR
O strategie de selectie are doua componente
Formularea marimi prin care sa se evaluare un set de cerinte impuse materialului
Un procedeu de evaluare a marimii cerintelor prin care sa
se poata face ierarhizarea acestora in functie de masura in
care acestea sunt indeplinite
Strategiile cauta cai de implementare a procesului si anume de a converti un set de date ldquode intrarerdquo (cerintele proiectarii)
intr-un set de date ldquode iesirerdquo- alegerea materialului si a procedeului de prelucrare
39
Cerintele proiectarii
Materiale si procedee de prelucrare selectate
Strategii de selectie
Date initiale Functie de transfer Date finale
Strategia 1 Cautare libera implicand analiza rationala
Strategia 2 Bazata pe chestionare Este o selectie prin expertiza
Strategia 3 Analogie bazata pe cazuri anterioare
Posibila inovatie
Ofera solutii cunoscute
Ofera solutii similare cu situatia prezenta
Ofera mare libertate de selectie dar putina ghidare in proces
Ofera multa ghidare in proces dar putina libertate de selectie
Ofera idei ale solutiilor anterioare pentru probleme similare
40
SELECTIA LIBERA BAZATA PE ANALIZA RATIONALA
Este rapida si eficienta
Ofera o mare libertate pentru aplicatii
Ofera solutii noi si inovative
Avantaje
Are nevoie de date de intrare precis detaliate intr-o forma ce pot fi analizate prin metode ingineresti
standard
EXEMPLU
Gasiti un material pentru o bara de lungime L care sa
suporte o forta F la temperatura T si sa fie cat mai usoara
Cerinte pentru proiectare
ANALIZA SCHITEIFunctia Ce trebuie sa faca piesaObiective Ce trebuie maximalizat sau minimalizatConstrangeri Ce conditii esentiale trebuie sa fie indepliniteVariabile libere Care variabile ale proiectului sunt libere (cerinte nerigide)
41
Functia Ce trebuie sa faca piesa
Obiective Ce trebuie maximalizat sau minimalizat
Variabile libere Care variabile ale proiectului sunt libere (cerinte nerigide)
De a rezista la momente de incovoiere trebuie sa suporta incarcatura pentru care a fost proiectata fara a se deforma
Constrangeri Ce conditii esentiale trebuie sa fie indeplinite
Lungimea L data Tigiditatea S data Sa reziste si sa nu se deformeze la temperatura T
Trebuie minimalizata greutate
Aria sectiunii Costul
Procesul de selectie a avea 3 pasi
Filtrarea Se folseste de constrangeri pentru inlaturarea materialelor care nu indeplinesc cerintele
IerarhizareaSe folseste de marimea performantelor materialelor ramase in discutie pentru a le ordona
Documentarea
Analizeaza informatiile nestructurate le structureaza si le introduce in structura ierarhizata realizand o fisa cu informatii care ajuta selectia finala a materialului
42
Ierarhizarea se face parcurgand mai multe faze
Identificarea unuia sau a mai multor indici de performanta corespunzatori functiei obiectivului si constrangerilor
Indicele de performanta permite optimizarea selectiei
Pentru identificarea acestor indici se parcurg urmatoarele etape
Transpunerea intr-o relatie a obiectivului (entitatea) ce trebuie minimalizata sau maximalizata
Analiza grupului de proprietati (indicele de performanta) care maximalizeaza obiectivul
Eliminarea din aceasta relatie a variabilelor libere utilizand constrangerile (ex valoarea impusa rigiditatii a incarcarii limita a unui moment a presiunii a temperaturii de lucru sau al tenacitatii
43
EXEMPLU
TEMAGasiti un material pentru o bara de lungime L care sa
suporte o forta F la temperatura T si sa fie cat mai usoara
b
b
Lδ
F
Sageata
Sectiunea
CERINTELE PROIECTARIIFunctia Bara incarcata la incovoiereObiectiv Minimalizarea greutatiiConstrangeri Lungimea L data Rigiditatea S data Temperatura de exploatare T data (500deg)Variabile libere Aria sectiunii A Materialul de selectat
Se alege masa ldquomrdquo ca indice de performanta (trebuie sa fie minimalizat)
Masa barei este
Constrangerea privind rigiditatea va determina aria sectiunii ASageata unei bare simplu rezemata (forta actionand la mijloc) este data de relatia
44
unde E-modulul de elasticitate al materialului barei I-momentul de inertie al sectiunii grinzii
CL-reprezinta o constanta ce depinde de modul de distributie a fortei F (CL=48)
Rigiditatea barei este data de relatia
Din aceasta ultima relatie rezulta aria sectiunii A
Prin substitutia acestei relatii in relatia de determinare a masei grinzii se obtine indicele de performanta m
Valorile S L CL sunt date de proiect
Cea mai usoara bara este acea realizata dintr-un material care are cea mai mare valoare pentru
raport numit si ldquoindice de materialrdquo
Functia Incarcarea ConstrangeriIndici de
performantaRelatia
indicelui
Structuri de masa minima
Tija
BaraStatica
Rigiditate
Tractiune Eρ
Compresiune Eρ
Incovoiere E12ρ
Torsiune E12ρ
Rezistenta
Tractiune σrρ
Compresiune σcρ
Incovoiere σr23ρ
Torsiune σc23ρ
Dinamica
Panou
45
Exista mai multi indici de performanta fiecare realizand o combinatie dintre obiectiv si constrangere
46
47
48
METODE CANTITATIVE DE SELECTIE A MATERIALELOR CANDIDATE
Materialele candidat sunt materialele care satisfac cerintele cuprinse in matricea de cerinte rezultate dinbull Cerintele functionalebull Siguranta in functionarebull Functionarea in conditii ambientale de exploatarebull Cerintele de prelucrabilitatebull Economicitatea piesei
Care din aceste materiale vor fi luate in considerare la realizarea piesei
Evaluarea materialelor candidat
Evaluarea presupune compararea materialelor candidat care indeplinesc cerintele negociabile cu caracteristicile efective ale materialului in vederea selectarii celui optim pentru o aplicatie data
49
Evaluarea materialelor candidat
Este mai simpla pentru metodele cantitative de evaluare
Trebuie sa tina seama de anumite avantaje (usurinta procurarii materialului distanta pana la furnizor seriozitatea furnizarii constanta in calitatea produselor etc) care pot introduce anumite limitari determinand anumite compromisuri
In cele mai multe cazuri metodele cantitative de selectie conduc la materialul optim pentru o aplicatie
Metodele cantitative pot fi reluate odata cu schimbarea importantei relative a cerintelor negociabile
ATENTIE Cerintele nenegociabile trebuie satisfacute in totalitate si intocmai
Daca niciun material nu satisfac cerintele negociabile atunci fie ca acestea trebuie relaxate fie se impune reproiectarea produsului
50
Selectia este o operatie complexa
Numar mare de materiale cu o plaja larga de proprietati
Daca se face intamplator
Apare riscul de a omite anumite materiale candidate
Reducerea riscului prin adoptarea unei metode sistematice de selectie a materialelor
Metodele cantitative
Permitbull analiza unui numar ridicat de datebull a multor specificatii implicate in selectia materialelorbull pot fi adaptate pentru o selectie asistata de calculator
dintr-o baza de date
Metodele nu elimina capacitatea de analiza si experienta ingineruluiAceste metode sprijina inginerul in alegerea optima
51
METODA COSTULUI RAPORTAT LA UNITATEA DE PROPRIETATE
Economicitatea piesei
Costul initial al materialului
Costul prelucrarii si montarii
Costul functionarii si intretinerii
Unele dintre aceste costuri cresc odata cu cresterea
valorii proprietatilor altele scad
Proprietatea (Rm)
Costul piesei
Alte costuri
Costul total
Cos
tul
Cost minim
Odata cu cresterea rezistentei- Prelucrare mai dificila- Greutatea pe piesa scade- Durabilitatea in exploatare
creste si deci numarul de piese in utilizate in timp mai mic
Costul total este suma costului piesei si a celorlalte costuri
52
Valoarea optima a proprietatii (aici Rm) apare la costul minim
In piata costul materialului este legat de greutatea sau volumul (dupa caz) materialului
Se poate stabili o comparatie a materialelor intre proprietatile relative (proprietatea raportata la
greutatea specifica) De exemplu rezistenta rigiditatea modul de elasticitate etc
Criteriul esential este costul raportat la unitatea de rezistenta la tractiune
C=pρσ
C- costul asigurarii unei rezistente de 1 MPap- costul unitatii de proprietate a materialului
ρ- densitatea materialului
σr- rezistenta la tractiune
Cu cat valoarea lui ldquoCrdquo este mai mica cu atat materialul
este mai economic
53
Relatii asemanatoare pot fi obtinute si pentru alte proprietati cum ar fi- limita la curgere- modulul de elastuicitate- factorul de intensitate a tensiunii etc
Costul unitatii de proprietate pentru diferite moduri de solicitare
54
Compararea materialelor privind aceste costuri este esentiala
Se compara materialele intre ele
Este dificilSe ia un material de referinta
Costul relativ pe unitatea de proprietate a materialului candidat ldquoirdquo raportat la costul relativ pe unitatea de proprietate a materialului de referinta ldquobrdquo este dat de relatia
Daca CR este subunitar materialul candidat este mai ieftin decat materialul de referinta
Materialul de referinta este eliminat si materialul candidat se ia ca material de referinta pentru urmatoarea comparatie
Daca CR este supra unitar materialul candidat este mai scump decat materialul de referinta
Materialul de referinta se ia ca material de comparatie pentru urmatoarea analiza
55
METODA PONDERARII PROPRIETATILOR
Este o metoda pentru rezolvarea unor solutii mai comlexe de materiale materiale si proprietati
Fiecarei proprietati a materialului i se acorda o pondere rdquoαrdquo
Ponderea este proportionala cu importanta relativa a proprietatii pentru performanta in exploatare a materialului pentru aplicatia data
Ponderea proprietatii este egala cu produsul dintre valoarea numerica a proprietatii materialului ldquoprdquo si ponderea ei ldquoαrdquo
γ=pα
Insumand toate aceste produse pentru un material se obtine un indice de performanta ldquoPrdquo al materialului
Aceasta metoda ia in considerare toate proprietatile materialului
Comparand mai multe materiale prin indicele de performanta se poate gasi cel mai performant material pentru o aplicatie
56
Dezavantajul acestei metode consta in faptul ca in cazul unei proprietati care are o valoare ridicata aceasta v-a avea o influenta mai mare asupra indicelui de performanta decat ponderea ei
Exemplu Un material A care are Rm=370 MPa si o duritate de 350 HRB si un alt material B care are Rm=400 MPa si o duritate de 300 HRBStabilind ponderea proprietatii de 100 pentru rezistenta si 90 pentru duritate se obtine un indice de performanta de 68500 pentru material ul A si 67000 pentru materialul B
Inseamna ca impotriva importantei rezistentei la tractiune (ca fiind primul criteriu de selectie) si care este mai mare pentru materialul B indicele de performanta al materialului A este mai mare si deci acest material v-a fi selectat
La evaluarea materialelor candidat se va lucra cu valori relative ldquoβrdquo ale unei anumite proprietati celei mai mari valori a proprietatii atribuindu-se valoarea 100 iar celelalte valori relative se determina cu relatia
57
Pentru proprietatile materialelor care nu se exprima in mod obisnuit prin valori numerice (rezistenta la uzare sudabilitatea aschiabilitatea diferite proprietati tehnologice etc) evaluarea se poate face relativ la una dintre proprietati astfel
Astfel fiecarei proprietati I se acorda o importanta egalasi ea va influenta indicii de performanta ai materialelor doar comparate doar in masura ponderii acordate
Pentru proprietati ale caror valori se doreste a fi cat mai mici (densitatea pierderea de greutate prin coroziune etc) evaluarea se face printr-un raport invers
ProprietateaMateriale alternative
A B C D
Sudabilitatea Foarte buna Buna Buna Satisfacatoare
Evaluarea relativa 5 3 3 1
Valoarea scalata 100 60 60 20
58
Exemplu In ceea ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru rezistenta la tractiune a materialului A este de 925 Pentru al doilea material aceasta valoare este de 100 In ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru duritate aceasta este de 100 pentru materialul A si de 857 pentru materialul B
Acest lucru poate schimba situatia ierarhica a materialelor sau le poate apropia atat de mult indicele de performanta incat sa se puna problema luari in considerare si a altor elemente pentru selectie
Astfel indicele de performanta a materialului este dat de relatia
unde P reprezinta indicele de performanta a materialuluildquoirdquo este suma celor ldquonrdquo proprietati considerate a materialul ui
59
Ponderea α poate fi considerata ca αilt1 astfel incat
(cazul cel mai frecvent) sau ei I se poate aloca o plaja de valori valoarea cea mai mare
corespunzand proprietatii cu cea mai mare importanta
Costul materialului poate fi considerat ca o proprietate (chiar importanta) acordandui-se o pondere ldquoαrdquo
In cazul luarii in considerare a unui numar mare de proprietati costul poate fi considerat un factor de corectie al indicelui de performanta a materialului rezultand indicele de merit al acestuia
in care ldquoprdquo reprezinta costul unitatii de greutate a materialului
60
Cand se doreste compararea mai multor materiale candidat (i) cu unul de baza (de referinta) se calculeaza indicele relativ de merit al fiecarui material astfel
Daca RMgt1 respectivul material candidat ldquoirdquo corespunde mai bine cerintelor decat materialul de referinta ldquobrdquoIn cazul in care Mb reprezinta minimul cerintelor impuse Materialele candidat avand RMlt1 pot fi eliminate de la inceput ca fiind necorespunzatoare
Cand trebuie luate in considerare mai multe proprietati ale materialului pentru evaluarea indicelui de performanta este dificila evaluarea ponderii acestora Rezolvarea aceste probleme poate fi realizata printr-o evaluare prin programe numerice
61
METODA CRESTERII INCREMENTALE
In anumite situatii pot aparea mai multe materiale care indeplinesc cerintele minime impuse de o anumita aplicatie
Dupa analiza acestor materiale se poate presupune ca performantele pieselor prelucrate sunt proportionale cu indicii de performanta ldquoPrdquo In acelasi timp costul piesei variaza proportional cu costul materialului si al prelucrarii acestora
Daca se doreste selectarea piesei care are cea mai mare performanta la cea mai rezonabila crestere a costului se poate face o analiza beneficiu-cost Procedeul se ia indeosebi cand se doreste inlocuirea unui material utilizat deja in fabricatie
Materialul cu cel mai scazut cost (1) se ca element de baza si este comparat cu materialul care are costul imediat superior (2) Comparatia se face determinand cresterea indicelui de performanta (ΔP=P2-P1) si a costului ldquoprdquo pe unitatea de volum (Δpρ=p2ρ2-p1ρ1)
Daca ΔPΔpρlt1 materialul 1 corespunde mai bine decat materialul 2 pentru aplicatia data si materialul 2 va fi eliminatDaca ΔPΔpρgt1 materialul 1 va fi eliminat deoarece materialul 2 corespunde mai bine cerintelor aplicatieiSe continua compararea cu al treilea material si rand pe rand vor fi eliminate materialele mai putin corespunzatoare ajungand la materialul optim
62
EXEMPLU DE SELECTIE A MATERIALELOR
Tema Realizarea piesesei din figura dintr-un otel ldquoOL37rdquo intr-o serie mare de fabricatie-Este o piesa cilindrica cu dimensiunile date-Are un butuc-Prezinta o gaura lunga si de diametre mic
oslash200oslash50
150oslash20
Se poate realiza din bara rotunda prin strunjire
Se poate realiza din bara rotunda prin forjare
80
Coeficientul de utilizare a materialului 055
Coeficientul de utilizare a materialului 098
63
Diametrul mm Inaltime mm Volum mm3 Volum mm3Coeficientul de
utilizare a materialului
Semif Pornire 200 150 4710000 4710000
Strunjire
200 80 2512000
2602275 055=5550 35 137375
20 150 47100
Forjare
200 80 25120002649375
098=9850 35 137375
20 150 47100 2602275
Coeficientul de utilizare a materialului K=greutatea piesei finitegreutatea materialului utilizat pentru realizarea lui (a semifabricatului de pornire)
In calcul s-a lucrat cu volumul materialului deoarece G=VρAdaosuriele de prelucrare s-u luat ca fiind egaleApare un mult mai bun grad de utilizare a materialului pentr prelucrarea prin forjare
PIESA SE VA REALIZA PRIN FORJARE
64
1
2
3
5
6
4
9
8
F
107F
1-semimatrita superioara2-semimatrita inferioara3-cavitatea semimatritei sup4-cavitatea semimatritei inf5-canalul de bavura6-canalul de refulare7-prinderea semimatritei sup8-prinderea semimatritei inf9-elemente de ghidare (stifturi)10-planul de separare
TEMA Sa se stabileasca materialul optim pentru realizarea elementelor active ale matrtei de forjare din figura Se urmreste obtinerea piesei prin forjare la cald
CERINTE PENTRU PROIECTARE
Analiza schiteiFunctia Elemete (semimatrite) de matrita de deformare plasticaObiectiv Trebuie maximalizata tenacitatea (rezilienta)Constrangeri Dimensiunile cavitatii matritei (depind de marimea piesei) dimensiunile exterioare si sistemul de prindere (depind de utilaj temperatura de lucruVariabile libere material
65
Se cauta in sursele de informatii structurate si nestructurate materialele care respecta cerintele
Elemente de matrita
Rezistente la cald
Tenacitate Duritate
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Materialele potrivite sunt metalele si aliajele lor
-Materialele ceramice nu au tenacitate-Materialele polimerice nu au rezistenta la cald-Materialele compozite sunt scumpe si nu au tenacitate
Depinde de compozitia lor
Se cauta materiale cu destinatie precisa Materiale pentru scule de deformare
66
Din baza de date se constata ca urmatoarele materiale satisfac
cerintele rigide adica sa poata fi utilizate la prelucrarea la cald
Sunt materiale cu destinatie precisaDaca nu sunt materiale cu destinatie
precisa se cauta in grupa materialelor cu destinatie generala
Material Rm min MPa HV A5 KCU Jcm3
C120 890 265 8 60
VMoC120 870 265 8 68
VC06 870 230 6 68
VCW85 870 265 6 80
MoCN15 830 250 7 75
VMoCN17 870 265 7 73
VSCW20 790 235 5 78
OSC7 640 195 12 56
OSC8 640 195 10 58
67
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU Jcm3 βKCU Indicele de
performanta PC120 890 265 8 60 101450
VMoC120 870 265 8 68 100650
VC06 870 230 6 68 97400
VCW85 870 265 6 80 101750
MoCN15 830 250 7 75 96750
VMoCN17 870 265 7 73 101100
VSCW20 790 235 5 78 92400
OSC7 640 195 12 56 74950
OSC8 640 195 10 58 75050Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza peoprietatii
68
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU
Jcm3 βKCU Indicele de performanta P
C120 890 100 265 10000 8 6667 60 75 25017000
VMoC120 870 9775 265 10000 8 6667 68 85 2835015356
VC06 870 9775 230 8679 6 5000 68 85 2126563155
VCW85 870 9775 265 10000 6 5000 80 100 2501682022
MoCN15 830 9326 250 9434 7 5833 75 9375 2735970124
VMoCN17 870 9775 265 10000 7 5833 73 9125 2663140356
VSCW20 790 8876 235 8868 5 4167 78 975 2032758226
OSC7 640 7191 195 7358 12 10000 56 70 3501237545
OSC8 640 7191 195 7358 10 8333 58 725 3022070878Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza proprietatii relative
69
Material Indicele de performanta P
VSCW20 2032758226
VC06 2126563155
VCW85 2501682022
C120 25017000
VMoCN17 2663140356
MoCN15 2735970124
VMoC120 2835015356
OSC8 3022070878
OSC7 3501237545
Material Indicele de performanta P
OSC7 74950
OSC8 75050
VSCW20 92400
MoCN15 96750
VC06 97400
VMoC120 100650
VMoCN17 101100
C120 101450
VCW85 101750
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile proprietatii materialului
ordonate crescator
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile relative ale proprietatii materialului ordonate crescator
70
Luand in considerare ca unele materiale sunt aliate cu siguranta acestea sunt mai scumpe
Daca luam in considerare costul unitar pentru otelurile carbon de scule iar densitatea de 785 (corespunzatoare fierului) se obtine indicele de merit
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
OSC7 74950 1 95477707 114
OSC8 75050 1 956050955 114
VSCW20 92400 14 840764331 100
MoCN15 96750 14 880345769 105
VC06 97400 12 103397028 123
VMoC120 100650 13 986281235 117
VMoCN17 101100 14 919927207 109
C120 101450 15 861571125 102
VCW85 101750 14 925841674 110
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea proprietatii materialului
71
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
VSCW20 2032758226 14 184964352 100
VC06 2126563155 12 225749804 122
VCW85 2501682022 14 227632577 123
C120 25017000 15 212458599 115
VMoCN17 2663140356 14 242323963 131
MoCN15 2735970124 14 248950876 135
VMoC120 2835015356 13 277806502 150
OSC8 3022070878 1 384977182 208
OSC7 3501237545 1 446017522 241
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea relativa a proprietatii materialului
72
Selectati materialele potrivite pentru piesele din imagine
Randul I 1 Serie mare de fabricatie-6p Randul II Serie mica (unicat) de fabricatie-6p
Randul I 2 Criterii de selectie a materialelor-1p3 Etapele selectiei materialelor ndash 1p4 Economicitatea piesei ndash 1p5 Strategii de selectie a materialelor ndash 1p
Randul II 2 Tipuri de date utilizate la selectia materialelor-1p3 Cum se face minimalizarea costurilor-1p4 Perofmantele piesei in functionare ndash 1p5 Care sunt cerintele fata de material ndash 1p
SUBIECTE EXAMEN
73
Date privind principalele proprietati tehnologice ale unor materiale
Material
Valorile proprietatii
Aschiabilitate Turnabilitate Sudabilitate Cost
F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba $tona
Otel de constructii (OL) X X X 140
Otel carbon de calitate (OLC) X X X
260
Fonte obisnuite (Fc) X X X 160
Punctaje 60 30 10 60 30 10 60 30 10
Avand in vedere ca pretul creste odata cu rezistenta la tractiune calculati costul fiecarui material prin inmultirea costului de baza cu valoarea proprietatii si impartiti la 100
74
Materiale ce pot fi luate in considerare spre analiza
Material Rm HV A Material Rm HV A Material Rm HV A
OL30 310 95 32 OLC8 324 140 33 Fc100 100 105 2
OL32 310 93 33 OLC10 321 150 31 Fc150 150 145 3
OL34 330 105 31 OLC15 373 155 27 Fc200 200 180 4
OL37 360 112 25 OLC20 410 165 25 Fc250 250 190 4
OL42 410 130 22 OLC25 450 175 24 Fc300 300 210 5
OL44 430 135 22 OLC30 490 180 21 Fc350 350 220 6
OL50 500 160 21 OLC35 530 195 21 Fc400 400 240 6
OL52 510 160 21 OLC40 570 200 19
OL60 590 185 16 OLC45 610 220 18
OL70 690 215 11 OLC50 640 230 16
OLC55 670 240 14
OLC60 700 255 14
Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50
Proprietatea tehnilogica intra cu o pondere de 100
VA UREZ SUCCES
La obtinerea unui produs se parcurg urmatoarele etape
Cerinta pietei
Conceperea
Proiectarea constructiva (desen ansamblu)
Detaliul (desenul de executie)
Proiectarea tehnologica
Productia
Proiectare produs nou
Reproiectare
Cand se face selectia materialelor
Pe tot parcursul procesului
5
Selectarea materialelor se face pe baza unor informatii (date) despre material
Date structurate
Date nestructurate
Date numerice
Ierarhizabile(proprietati mecanice)
Date de tip DANU BunRau (logice)
Documentatie specifica
Documentatie nespecifica
(cel mai putin structurate)
Pagini webSoftware ale producatoruluiConsultanti
Studii de cazAnaliza avariilorGhiduri de proiectare
Baze de dateStandardeManuale
6
Structurarea informatiilor (in baze de date sau nu) poate fi facuta astfel
Domeniul
Materiale
Tehnologii de
fabricatie
Familie
CeramiceSticlePolimeriMetaleCompoziteElastomerietc
ForjareAschiereTurnarePulberietc
Clasa si membri
OteluriFonteAliaje CuAliaje AlAliaje ZnAliaje Nietc
FrezareStrunjireRectificareGaurireetc
Coduri
100020003000400050006000etc
Proprietati
DensitateModul ERmDuritateP electriceRez corozetc
Domeniu de marimeComplexitateTolerantaRugozitateetc
7
METODICA SELECTIEI MATERIALELOR
8
Economia de piata (concurentiala)
Caliatatea si costul produsului au o mare
importanta
SELECTIA SI UTILIZAREA OPTIMA A
MATERIALELOR se face stiintific pe criteriul
Maxim de performanta la un Cost minim
Se face in functie debull Performantele produsuluibull Conditiile de prelucrarebull Forma si dimensiunile pieseibull Seria de fabricatiebull Pretul de cost
Trebuie sa se bazeze pebull Promovarea materialelor corespunzatoarebull Ieftine si usor de procuratbull Valorificarea maxima a prelucrabilitatii lor si aducere la forma cerutabull Posibilitatile reale de prelucrare in firma (dotarea si experienta
tehnologica)
9
Materialul selectat
Sa aiba proprietatile cerute
Se tine seama de procedeul de prelucrare
Contribuie la definirea proprietatilor finale ale
materialului piesei
Selectia optima a materialului
Este o activitatebull complexabull dificilabull care se deruleaza de la conceptie pana
la fabricatia de serie (si in timpul acesteia)
ETAPELE SELECTIEI MATEIALELOR
10
Obiectul selectiei Rolul functional siguranta in functionare
durata de exploatare etc
Analiza cerintelor determinate de rolul functional si de prelucrare
Matricea de cerinte referitoare la reper (piesa)
Matricea de cerinte specifice
materialului
Materiale proprietati comportare in functionare
Testarea materialului sau imbunatatirea lui
(daca este cazul)
Decizia de selectie a materialului (strategii procedee si criterii de selectie
Cerintele nu pot fi indeplinite Cerintele sunt indeplinite partial sau integral
Proiectarea unui nou material sau procedeu de prelucrare
Optimizarea selectiei materialului (a reperului)
11
Obiectul selectiei Rolul functional
siguranta in functionare durata de
exploatare etc
Se stabilesc toate proprietatile
materialelor ca rezultat al cerintelor functionare
si de utilizare
PROPRIETATI DE UTILIZARE
ETAPA -I- ANALIZA CERINTELOR FATA DE MATERIAL
Procedeele posibile de prelucrare
PROPRIETATI DE PRELUCRARE
Aceste grupe de proprietati pot fi in acord
sau in contradictie
Matricea de cerinte
Care si de unde rezulta aceste cerinte
12
+
La proiectarea piesei sau produsului se stabilesc
Cerintele privind performantele cerute materialului bazate pe functionalitatea si performanta impusa piesei (produsului) precum si pe conditiile ambientale in care va functiona aceasta
Cerintele fata de material
Cerinte functionale
Siguranta in functionare
Functionarea in conditii ambientale de exploatare
Cerinte de prelucrabilitate
COSTUL MATERIALULUI
13
CERINTE FUNCTIONALE
SIGURANTA IN FUNCTIONARE
Caracteristicile produsului (carora nu intotdeauna li se pot atribui valori cantitative) se coreleaza cu cele mai potrivite proprietati mecanice fizice chimice
Se stabilesc cat mai exat conditiile reale de functionare (rol functional tipul caracterul si valoarea solicitarilor conditii de temperatura si mediu etc)
Probabilitatea piesei (materialului) sa fie exploatata corespunzator fara a ceda sau avaria Precizarea anticiparea posibilelor moduri in care un produs poate suferi o avarie re realizeaza prin analiza avariilor
Cauzele unei avarii (in functionare) sunt atribuite- erorilor de conceptie constructiva- defectelor originale ale
materialului- defecte datorate prelucrarii piesei- conditiile de exploatare
14
FUNCTIONAREA IN CONDITII AMBIENTALE DE EXPLOATARE
CERINTE DE PRELUCRABILITATE
(TEHNOLOGICE)
Ambientul in care functioneaza piesa reprezinta un factor important la stabilirea acestor cerinte Mediile corosive temperaturile ridicate sau joase (negative) modifica defavorabil performanta materialelor de uz general
Se apeleaza la materiale speciale cu proprietati deosebite mai scumpe dar corespunzatoare
Forma piesei finite (materialului) precizia dimensionala si de forma calitatea suprafetei etc
Procedeul tehnologic de prlucrare
- turnabilitatea- deformabilitatea- aschiabilitatea- capacitatea de a
fi tratat termic
Se elimina materialele cu (ex) deformabilitate imposibila calibilitate insuficienta aschiabilitate slaba etc
15
Matricea de cerinte
ETAPA -II- STABILIREA MATRICEI DE CERINTE
Analiza celor patru grupuri de cerinte
Stabilirea unor cerinte tehnice
Costul materialuluicerinte economice
Cuprinde toate cerintele necesar a fi indeplinite de material (atat cerintele tehnice cat si cerintele
economice)
Pentru a lua o decizie corecta privind
selectia materialului se face
ierarhizarea cerintelor
16
Cerinte economice
COSTUL MATERIALULUI
Costuri legate cu prelucrare (manopera)
Alte costuri
Costul piesei
Alte costuri (intretinere
exploatare etc)
COSTUL MATERIALULUI controleaza evaluarea materialelor deoarece in multe aplicatii se impune un cost limita pentru materialul care sa satisfaca cerintele aplicatiei Cand limita este depasita produsul se reproiecteaza in vederea modificarii cerintelor fata de material pentru mentinerea acestuia sub limita de cost
Selectia se opreste la materialul care satisface cerintele stabilite (tehnice) de exploatarea piesei si care are costul cel mai scazut
17
ASPECTE ECONOMICE ALE MATERIALELOR
Materialul influenteaza costul total al produselor
Costul materialului are cea mai mare pondere din costul total (30-70)
Prelucrabilitatea
Determina- nivelul de
productivitate- investitiile de capital- manopera necesara
obtinerii formei finale
ATENTIE Alegerea unui material ieftin nu este intotdeauna o solutie corespunzatoare daca prelucrarea lui este dificila si costisitoare
Dimensiunile materiilor prime (semifabricatelor pot determina formarea unei cantitati mari de deseuri si implicit costul final
Posibilitatea reciclarii deseurilor ndash element important la selectia materialelor ndash indeosebi la materialele scumpe
18
Clasificarea materialelor pe baza costurilor
Materialele ingineresti
Materiale de larga utilizare
Materiale speciale
- ieftine- produse in cantitati mari
- substantial mai scumpe- elaborate pentru satisfacerea
unor cerinte deosebite
ATENTIE Compararea materialelor din punc de vedere a costurilor este dificila deoarece la unele materiale costul este dat in raport cu greutatea la altele in raport cu volumul la altele in raport cu suprafata etc
Compararea materialelor se face in raport cu costul relativ
19
Comparatia materialelor pe baza costului relativ al unitatii de
greutate
Comparatia materialelor pe baza costului relativ al unitatii de
volum
Comparatia materialelor pe baza costului relativ al unitatii de volum
raportat la rezistenta de rupere
20
Comparatia materialelor pe baza costului relativ al unitatii de volum
raportat la rezistenta de rupere specifica la tractiune
21
Concluzii
Din punct de vedere al costului relativ la unitatea de greutate utilizarea otelului este cea mai avantajoasa
Cel mai mare consum mondial
Materialele polimerice si aluminiu tind sa se apropie de costurile otelului
Din punct de vedere al costului relativ la unitatea de volum costurile materialelor polimerice se apropie de cele ale otelurilor unele fiind mai ieftine
Apare o plaja larga a costurilor materialelor ingineresti
Uneori materialele nu sunt utilizate la adevarata lor capacitate deoarece o cerinta importanta este rigiditatea Din acest punct de vedere betonul are cel mai mic cost
Sunt aplicatii la care se cere rezistenta ridicata si greutate redusa Se constata ca materialele polimerice si piesele turnate din magneziu apar mai ieftine decat otelurile
22
In cazul unui produs evaluarea valorii lui se
face prin
Evaluarea calitativa a proprietatilor materialului
Cel mai ieftin
Cel mai usor de procutat
Care sa aiba aceeasi
functionalitate
In cazul selectiei materialelor
Pentru aceeasi functionalitate
La cel mai scazut cost
Sa se selecteze cel mai ieftin material
Sa se selecteze un material mai scump dar
care va simplifica prelucrare (eventual
eliminarea unor etape)
23
Otelurile slab aliate cu continut ridicat de mangan si
continut scazut de Ni si Cr
Inlocuiesc otelurile scumpe continand cantitati mai mari de Ni Cr Mo (elemente scumpe)
Acoperirile metalice Inlocuiesc (in conditii mai putin
severe de coroziune) otelurile inoxidabile
Durificarea superficiala sau ecruisarea prin deformare
plastica
Mareste rezistenta la uzare si la oboseala a otelurilor carbon evitand utilizarea otelurilor aliate scumpe
Acoperiri de tipul alitarii cromarii aplicate otelurilor
carbon
Confera rezistenta la temperaturi moderate elimina finisarea
(costisitoare)
24
Coeficientul de utilizare a materialului
Minimalizarea costului materialelor
Printr-o proiectare care sa reduca cantitatea necesara de materiale scumpe
Alegerea procedeelor de prelucrare adecvate
Stabilirea formei semifabricatului care sa maximalizeze coeficientul de utilizare a
materialelor in fabricatie
Materiale ieftine
- Cumparate in cantitati mari- Cele care au dimensiuni mari
Cand fabricatia cere piese de mai multe dimensiuni se poate
cumpara stoc mare de semifabricate la dimensiunea
cea mai mare a pieselor
Reulta deseuri si costuri suplimentare de
manopera
Punctul de rentabilitate in aceasta privinta este greu de evaluat
25
Coeficientul de utilizare a materialelor pentru diferite procedee de prelucrare este dat in urmatorul tabel
Metoda de prelucrare Coeficientul de utilizare
1 Fara modificarea masei
Turnare 70
Deformare plastica 75
Agregate de pulberi 90
2 Cu micsorare de masa
Aschiere 60
Eroziune 90
3 Prin marire de masa
Depuneri prin sudare 80
Depuneri prin metalizare 90
26
Competitia in domeniul materialelor
Odata cu aparitia unor materiale noi si scaderea pretului celor existente apare o COMPETITIE INTRE MATERIALE
Intre otel si aluminiu la obtinerea cutiilor
de bauturi
Intre aluminiu si materiale polimerice
(armate) la constructia aeronavelor
Intre materiale polimerice si cupru
plumb fonta la instalatiile de apa
ProprietateaAliaj ZnAl4 turnat sub presiune
Polistiren ABS
Naylon 66
Policar-bonat
Polipr-opilena
Rezistenta la tractiune MNmm2 260 54 52 70 35
Rezistenta la tractiune prin soc (relativ) 79 1 33 36 16
Rezistenta la fluaj (exprimata ca modul de elasticitate aparent la 100 h MNmm2) 51100 1470 420 2030 308
Rezistenta la oboseala prin incovoiere la 107 cicluri MNmm2 644 154 14 7 182
Temperatura de stabilitate termica la 18 MNmm2 (oC) gt488 345 324 403 332
Modificarea rezistentei la tractiune dupa 500h de expunere in conditii atmosferice ()
+05 -8 +10 -11 -30
Densitatea (relativa) 667 105 114 12 09
Costul unitatii de greutate (relativ Zn=1) 1 21 374 42 14
Costul unitatii de volum raportat la rezistenta la tractiune (relativ) 1 21 37 30 16
Costul unitatii de volum raportat la rezistenta la fluaj (relativ) 1 117 183 19 30
Costul unitatii de volum raportat la rezistenta la tractiune prin soc (relativ) 1 27 15 16 09
Costul unitatii de volum raportat la rezistenta la oboseala (relativ) 1 09 18 34 04
In situatia in care piesa are un rol decorativ ndash materialul plastic este
important
27
Costul prelucrarii poate juca un rol important in procesul
selectiei
Alama mai ieftina pentru anumite piese decat otelul laminat deoarece se prelucreaza cu viteza mai mare
Costul alamei este mai mare decat a otelului
Aluminiul se prelucreaza mai usor si are greutate specifica mai mica
Poate inlocui fonta otelul si aliajele lui chiar
daca sunt mai ieftine
Materialele plastice se prelucreaza foarte usor si devin economice la
serie mare
Pot inlocui orice tip de material la diferite
aplicatii
Criteriul economic privind costul materialului nu este
concludent la selectarea materialului
Devine important COSTUL REPERULUI
28
Costul de baza al materialului
Cheltuieli de dezvoltaresi utilizare a
echipamentelor
Cheltuieli de prelucrareDeterminate de material de procedeu de forma
de precizie
COSTUL REPERULUI
Costurile reperului
29
Reper Comportare Costuri
Cheltuieli de intretineresi reparatii cu reperul
UtilizareCheltuieli de exploatare
Durabilitate
ECONOMICITATEA REPERULUI
Economicitatea reperului
30
CERINTE IMPUSE MATERIALULUIPIESE
Problema selectiei materialului este complexa
datorita
Varietatii materialelor ingineresti
Severitatii cerintelor functionale impuse
Cerinta diminuarii costurilor
Severitatii cerintelor functionale impuse
Prelucrarile la care este supus materialul
Geometria pieselor
Solicitarile la care este supus materialul
INFLUENTEAZA PROPRIETATILE MATERIALELOR
31
Comportarea materialului in produsul finit este sensibil diferita de cea a semifabricatului din care a fost obtinut
Comportarea materialului in piesa
(C)
Proprietatile materialului (M)
Influenta procedeului de prelucrare (P)
Forma piesei si fortele exterioare la care este
supusa (F)
Arata influenta directa a proprietatilor
semifabricatului a procedeului de prelucrare
a formei geometrice si a actiunii fortelor exterioare
asupra comportarii materialelor in piesa finita
Influenteaza direct comportarea
materialului in piesa
Este foarte important a se apela la criterii de proiectare adecvata
32
Influenta procedeului de prelucrare (P)
Prezenta muchiilor ascutite si a filetelor
Rugozitatea suprafetei
Afecteaza intr-o masura mai mare comportarea otelurilor de inalta rezistenta
decat a celor moi
Afecteaza intr-o masura mai mare comportarea materialelor la solicitari
variabile (oboseala) decat la solicitari statice
Interesul se focalizeaza preponderent pe performanta piesei in functionare si mai putin pe comportarea materialului in piesa
Comportarea materialului in piesa (proprietatile piesei)
Performantele piesei in functionare
Comportarea materialului in functionareConditiile de functionare
Factori care influenteaza
performantele piesei in functionare
33
CLASIFICAREA CERINTELOR IMPUSE MATERIALELOR
Cerintele impuse materialelor
Cerinte ldquorigiderdquo sau nenegociabile
Cerinte ldquonerigiderdquo ldquorelativerdquo sau
negociabile
Sunt cerintele care trebuie satisfacute obligatoriu de
material pentru a fi luate in considerare la selectie
bull Disponibilitatebull Prelucrabilitatebull Caracteristici minime
In anumite limite sunt supuse compromisului Pot fi comparate dpdv al importantei lor relative pentru o
aplicatie data in cadrul metodelor cantitative de selectie a materialelor
bull Proprietati mecanicebull Densitatebull Costul
In functie de tipul aplicatiei aceste cerinte isi pot schimba caracterul (din ldquonegociabilerdquo in ldquonenegociabile
Modificarea clasei de material selectate in final
34
EXEMPLE
Butelie de aragaz
Rezistenta Ductilitate Cost
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Rezistenta Ductilitate ρmic
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Butelii pentru gaze utilizate in aviatie
Costul este nenegociabil Oteluri pentru recipienti sub
presiune la temperaturi joase ndash R37 R44
Greutate cat mai mica (considerata nenegociabila) Materiale compozite (Kevlar 49-matrice epoxidica armata
cu fibre de poliamida)
35
MODALITATI DE ABORDARE A SELECTIEI MATERIALELOR SI PROCEDEELOR DE PRELUCRARE
Aparitia unor materiale noi si a competitiei intre materiale
Abordari noi in selectia materialelor si a procedeelor de prelucrare
Materialele plastice folosite la obtinerea pieselor complexe si de buna calitate inalta tehnologie
Materialele compozite au condus la reducerea substantiala a
greutatii produsului
Materiale sinterizate utilizate la obtinerea pieselor fara pierderi de material si consum de enetgie
scazut
Ingineria suprafetelor ofera posibilitati de modificare a
suprafetelor si coferirea unor proprietati deosebite
Cu toate aceste proiectantii se limiteaza la selectia
materialelor si procedeelor de prelucrare cunoscute mai bine
- Evitarea riscurilor- Nu este cunoscuta existenta unor noi materiale- Nu sunt cunoscute noile tehnologii de fabricatie etc
Proiectarea industriala trebuie asociata cu design-ul realizarea unei forme estetice obtinerea unui aspect exterior
placut
Design-ul industrial include mai mult decat o stilizare
Alegerea materialului permite un anumit design sau altul
36
La selectarea functiunii produsului (comportarea lui in exploatare-C) a materialelor (M) a
procedeelor de prelucrare (P) a formei (F) trebuie sa se tina seama ca acestea se intrepatrund (trebuie
sa tin seama in acelasi timp de ele)
Dificil Pot fi urmate diferite
succesiuni
Succesiunea CFMP prezinta urmatoarea
ordine de luare in considerare
-functionalitatea produsului (C)-forma piesei-materialul piesei-procedeul de prelucrare
Pot exista diferite succesiuni
Conduce la solutii diferite
Cadrul face conexiunea intre roti
saua bicicletei pedale ghidon
EXEMPLU Succesiunea CFMP
Functionalitatea si forma sunt aceleasi
Teava de aluminiu
Sudare
Succesiunea CFPM
Functionalitatea si forma sunt aceleasi
Sudare Teava de otel-se sudeaza mai bine
Succesiunea CMPF
Functionalitatea este aceeasi
Ca material se poate alege unul compozit
Sudare lipire
Forma aceeasi sau nu
Succesiunea CPMF
Poate fi aleasa presarea unui material superplastic
Alegerea ca material aluminiul
Forma S asimetrica plata
37
Pe baza functiunilor impuse produsului proiectantul schiteaza o serie de solutii tinand seama
de-materialele ce pot fi folosite-procedeele de fabricatie ce pot fi aplicate-formele potrivite ca functionalitate si design
Fiecare combinatie materialprocedeu de prelucrare conduce la diferite forme
Pot fi generate un numar
diferit de forme
Este o abordare CPMF sau CMPF
38
STRATEGII DE SELECTIE A MATERIALELOR
O strategie de selectie are doua componente
Formularea marimi prin care sa se evaluare un set de cerinte impuse materialului
Un procedeu de evaluare a marimii cerintelor prin care sa
se poata face ierarhizarea acestora in functie de masura in
care acestea sunt indeplinite
Strategiile cauta cai de implementare a procesului si anume de a converti un set de date ldquode intrarerdquo (cerintele proiectarii)
intr-un set de date ldquode iesirerdquo- alegerea materialului si a procedeului de prelucrare
39
Cerintele proiectarii
Materiale si procedee de prelucrare selectate
Strategii de selectie
Date initiale Functie de transfer Date finale
Strategia 1 Cautare libera implicand analiza rationala
Strategia 2 Bazata pe chestionare Este o selectie prin expertiza
Strategia 3 Analogie bazata pe cazuri anterioare
Posibila inovatie
Ofera solutii cunoscute
Ofera solutii similare cu situatia prezenta
Ofera mare libertate de selectie dar putina ghidare in proces
Ofera multa ghidare in proces dar putina libertate de selectie
Ofera idei ale solutiilor anterioare pentru probleme similare
40
SELECTIA LIBERA BAZATA PE ANALIZA RATIONALA
Este rapida si eficienta
Ofera o mare libertate pentru aplicatii
Ofera solutii noi si inovative
Avantaje
Are nevoie de date de intrare precis detaliate intr-o forma ce pot fi analizate prin metode ingineresti
standard
EXEMPLU
Gasiti un material pentru o bara de lungime L care sa
suporte o forta F la temperatura T si sa fie cat mai usoara
Cerinte pentru proiectare
ANALIZA SCHITEIFunctia Ce trebuie sa faca piesaObiective Ce trebuie maximalizat sau minimalizatConstrangeri Ce conditii esentiale trebuie sa fie indepliniteVariabile libere Care variabile ale proiectului sunt libere (cerinte nerigide)
41
Functia Ce trebuie sa faca piesa
Obiective Ce trebuie maximalizat sau minimalizat
Variabile libere Care variabile ale proiectului sunt libere (cerinte nerigide)
De a rezista la momente de incovoiere trebuie sa suporta incarcatura pentru care a fost proiectata fara a se deforma
Constrangeri Ce conditii esentiale trebuie sa fie indeplinite
Lungimea L data Tigiditatea S data Sa reziste si sa nu se deformeze la temperatura T
Trebuie minimalizata greutate
Aria sectiunii Costul
Procesul de selectie a avea 3 pasi
Filtrarea Se folseste de constrangeri pentru inlaturarea materialelor care nu indeplinesc cerintele
IerarhizareaSe folseste de marimea performantelor materialelor ramase in discutie pentru a le ordona
Documentarea
Analizeaza informatiile nestructurate le structureaza si le introduce in structura ierarhizata realizand o fisa cu informatii care ajuta selectia finala a materialului
42
Ierarhizarea se face parcurgand mai multe faze
Identificarea unuia sau a mai multor indici de performanta corespunzatori functiei obiectivului si constrangerilor
Indicele de performanta permite optimizarea selectiei
Pentru identificarea acestor indici se parcurg urmatoarele etape
Transpunerea intr-o relatie a obiectivului (entitatea) ce trebuie minimalizata sau maximalizata
Analiza grupului de proprietati (indicele de performanta) care maximalizeaza obiectivul
Eliminarea din aceasta relatie a variabilelor libere utilizand constrangerile (ex valoarea impusa rigiditatii a incarcarii limita a unui moment a presiunii a temperaturii de lucru sau al tenacitatii
43
EXEMPLU
TEMAGasiti un material pentru o bara de lungime L care sa
suporte o forta F la temperatura T si sa fie cat mai usoara
b
b
Lδ
F
Sageata
Sectiunea
CERINTELE PROIECTARIIFunctia Bara incarcata la incovoiereObiectiv Minimalizarea greutatiiConstrangeri Lungimea L data Rigiditatea S data Temperatura de exploatare T data (500deg)Variabile libere Aria sectiunii A Materialul de selectat
Se alege masa ldquomrdquo ca indice de performanta (trebuie sa fie minimalizat)
Masa barei este
Constrangerea privind rigiditatea va determina aria sectiunii ASageata unei bare simplu rezemata (forta actionand la mijloc) este data de relatia
44
unde E-modulul de elasticitate al materialului barei I-momentul de inertie al sectiunii grinzii
CL-reprezinta o constanta ce depinde de modul de distributie a fortei F (CL=48)
Rigiditatea barei este data de relatia
Din aceasta ultima relatie rezulta aria sectiunii A
Prin substitutia acestei relatii in relatia de determinare a masei grinzii se obtine indicele de performanta m
Valorile S L CL sunt date de proiect
Cea mai usoara bara este acea realizata dintr-un material care are cea mai mare valoare pentru
raport numit si ldquoindice de materialrdquo
Functia Incarcarea ConstrangeriIndici de
performantaRelatia
indicelui
Structuri de masa minima
Tija
BaraStatica
Rigiditate
Tractiune Eρ
Compresiune Eρ
Incovoiere E12ρ
Torsiune E12ρ
Rezistenta
Tractiune σrρ
Compresiune σcρ
Incovoiere σr23ρ
Torsiune σc23ρ
Dinamica
Panou
45
Exista mai multi indici de performanta fiecare realizand o combinatie dintre obiectiv si constrangere
46
47
48
METODE CANTITATIVE DE SELECTIE A MATERIALELOR CANDIDATE
Materialele candidat sunt materialele care satisfac cerintele cuprinse in matricea de cerinte rezultate dinbull Cerintele functionalebull Siguranta in functionarebull Functionarea in conditii ambientale de exploatarebull Cerintele de prelucrabilitatebull Economicitatea piesei
Care din aceste materiale vor fi luate in considerare la realizarea piesei
Evaluarea materialelor candidat
Evaluarea presupune compararea materialelor candidat care indeplinesc cerintele negociabile cu caracteristicile efective ale materialului in vederea selectarii celui optim pentru o aplicatie data
49
Evaluarea materialelor candidat
Este mai simpla pentru metodele cantitative de evaluare
Trebuie sa tina seama de anumite avantaje (usurinta procurarii materialului distanta pana la furnizor seriozitatea furnizarii constanta in calitatea produselor etc) care pot introduce anumite limitari determinand anumite compromisuri
In cele mai multe cazuri metodele cantitative de selectie conduc la materialul optim pentru o aplicatie
Metodele cantitative pot fi reluate odata cu schimbarea importantei relative a cerintelor negociabile
ATENTIE Cerintele nenegociabile trebuie satisfacute in totalitate si intocmai
Daca niciun material nu satisfac cerintele negociabile atunci fie ca acestea trebuie relaxate fie se impune reproiectarea produsului
50
Selectia este o operatie complexa
Numar mare de materiale cu o plaja larga de proprietati
Daca se face intamplator
Apare riscul de a omite anumite materiale candidate
Reducerea riscului prin adoptarea unei metode sistematice de selectie a materialelor
Metodele cantitative
Permitbull analiza unui numar ridicat de datebull a multor specificatii implicate in selectia materialelorbull pot fi adaptate pentru o selectie asistata de calculator
dintr-o baza de date
Metodele nu elimina capacitatea de analiza si experienta ingineruluiAceste metode sprijina inginerul in alegerea optima
51
METODA COSTULUI RAPORTAT LA UNITATEA DE PROPRIETATE
Economicitatea piesei
Costul initial al materialului
Costul prelucrarii si montarii
Costul functionarii si intretinerii
Unele dintre aceste costuri cresc odata cu cresterea
valorii proprietatilor altele scad
Proprietatea (Rm)
Costul piesei
Alte costuri
Costul total
Cos
tul
Cost minim
Odata cu cresterea rezistentei- Prelucrare mai dificila- Greutatea pe piesa scade- Durabilitatea in exploatare
creste si deci numarul de piese in utilizate in timp mai mic
Costul total este suma costului piesei si a celorlalte costuri
52
Valoarea optima a proprietatii (aici Rm) apare la costul minim
In piata costul materialului este legat de greutatea sau volumul (dupa caz) materialului
Se poate stabili o comparatie a materialelor intre proprietatile relative (proprietatea raportata la
greutatea specifica) De exemplu rezistenta rigiditatea modul de elasticitate etc
Criteriul esential este costul raportat la unitatea de rezistenta la tractiune
C=pρσ
C- costul asigurarii unei rezistente de 1 MPap- costul unitatii de proprietate a materialului
ρ- densitatea materialului
σr- rezistenta la tractiune
Cu cat valoarea lui ldquoCrdquo este mai mica cu atat materialul
este mai economic
53
Relatii asemanatoare pot fi obtinute si pentru alte proprietati cum ar fi- limita la curgere- modulul de elastuicitate- factorul de intensitate a tensiunii etc
Costul unitatii de proprietate pentru diferite moduri de solicitare
54
Compararea materialelor privind aceste costuri este esentiala
Se compara materialele intre ele
Este dificilSe ia un material de referinta
Costul relativ pe unitatea de proprietate a materialului candidat ldquoirdquo raportat la costul relativ pe unitatea de proprietate a materialului de referinta ldquobrdquo este dat de relatia
Daca CR este subunitar materialul candidat este mai ieftin decat materialul de referinta
Materialul de referinta este eliminat si materialul candidat se ia ca material de referinta pentru urmatoarea comparatie
Daca CR este supra unitar materialul candidat este mai scump decat materialul de referinta
Materialul de referinta se ia ca material de comparatie pentru urmatoarea analiza
55
METODA PONDERARII PROPRIETATILOR
Este o metoda pentru rezolvarea unor solutii mai comlexe de materiale materiale si proprietati
Fiecarei proprietati a materialului i se acorda o pondere rdquoαrdquo
Ponderea este proportionala cu importanta relativa a proprietatii pentru performanta in exploatare a materialului pentru aplicatia data
Ponderea proprietatii este egala cu produsul dintre valoarea numerica a proprietatii materialului ldquoprdquo si ponderea ei ldquoαrdquo
γ=pα
Insumand toate aceste produse pentru un material se obtine un indice de performanta ldquoPrdquo al materialului
Aceasta metoda ia in considerare toate proprietatile materialului
Comparand mai multe materiale prin indicele de performanta se poate gasi cel mai performant material pentru o aplicatie
56
Dezavantajul acestei metode consta in faptul ca in cazul unei proprietati care are o valoare ridicata aceasta v-a avea o influenta mai mare asupra indicelui de performanta decat ponderea ei
Exemplu Un material A care are Rm=370 MPa si o duritate de 350 HRB si un alt material B care are Rm=400 MPa si o duritate de 300 HRBStabilind ponderea proprietatii de 100 pentru rezistenta si 90 pentru duritate se obtine un indice de performanta de 68500 pentru material ul A si 67000 pentru materialul B
Inseamna ca impotriva importantei rezistentei la tractiune (ca fiind primul criteriu de selectie) si care este mai mare pentru materialul B indicele de performanta al materialului A este mai mare si deci acest material v-a fi selectat
La evaluarea materialelor candidat se va lucra cu valori relative ldquoβrdquo ale unei anumite proprietati celei mai mari valori a proprietatii atribuindu-se valoarea 100 iar celelalte valori relative se determina cu relatia
57
Pentru proprietatile materialelor care nu se exprima in mod obisnuit prin valori numerice (rezistenta la uzare sudabilitatea aschiabilitatea diferite proprietati tehnologice etc) evaluarea se poate face relativ la una dintre proprietati astfel
Astfel fiecarei proprietati I se acorda o importanta egalasi ea va influenta indicii de performanta ai materialelor doar comparate doar in masura ponderii acordate
Pentru proprietati ale caror valori se doreste a fi cat mai mici (densitatea pierderea de greutate prin coroziune etc) evaluarea se face printr-un raport invers
ProprietateaMateriale alternative
A B C D
Sudabilitatea Foarte buna Buna Buna Satisfacatoare
Evaluarea relativa 5 3 3 1
Valoarea scalata 100 60 60 20
58
Exemplu In ceea ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru rezistenta la tractiune a materialului A este de 925 Pentru al doilea material aceasta valoare este de 100 In ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru duritate aceasta este de 100 pentru materialul A si de 857 pentru materialul B
Acest lucru poate schimba situatia ierarhica a materialelor sau le poate apropia atat de mult indicele de performanta incat sa se puna problema luari in considerare si a altor elemente pentru selectie
Astfel indicele de performanta a materialului este dat de relatia
unde P reprezinta indicele de performanta a materialuluildquoirdquo este suma celor ldquonrdquo proprietati considerate a materialul ui
59
Ponderea α poate fi considerata ca αilt1 astfel incat
(cazul cel mai frecvent) sau ei I se poate aloca o plaja de valori valoarea cea mai mare
corespunzand proprietatii cu cea mai mare importanta
Costul materialului poate fi considerat ca o proprietate (chiar importanta) acordandui-se o pondere ldquoαrdquo
In cazul luarii in considerare a unui numar mare de proprietati costul poate fi considerat un factor de corectie al indicelui de performanta a materialului rezultand indicele de merit al acestuia
in care ldquoprdquo reprezinta costul unitatii de greutate a materialului
60
Cand se doreste compararea mai multor materiale candidat (i) cu unul de baza (de referinta) se calculeaza indicele relativ de merit al fiecarui material astfel
Daca RMgt1 respectivul material candidat ldquoirdquo corespunde mai bine cerintelor decat materialul de referinta ldquobrdquoIn cazul in care Mb reprezinta minimul cerintelor impuse Materialele candidat avand RMlt1 pot fi eliminate de la inceput ca fiind necorespunzatoare
Cand trebuie luate in considerare mai multe proprietati ale materialului pentru evaluarea indicelui de performanta este dificila evaluarea ponderii acestora Rezolvarea aceste probleme poate fi realizata printr-o evaluare prin programe numerice
61
METODA CRESTERII INCREMENTALE
In anumite situatii pot aparea mai multe materiale care indeplinesc cerintele minime impuse de o anumita aplicatie
Dupa analiza acestor materiale se poate presupune ca performantele pieselor prelucrate sunt proportionale cu indicii de performanta ldquoPrdquo In acelasi timp costul piesei variaza proportional cu costul materialului si al prelucrarii acestora
Daca se doreste selectarea piesei care are cea mai mare performanta la cea mai rezonabila crestere a costului se poate face o analiza beneficiu-cost Procedeul se ia indeosebi cand se doreste inlocuirea unui material utilizat deja in fabricatie
Materialul cu cel mai scazut cost (1) se ca element de baza si este comparat cu materialul care are costul imediat superior (2) Comparatia se face determinand cresterea indicelui de performanta (ΔP=P2-P1) si a costului ldquoprdquo pe unitatea de volum (Δpρ=p2ρ2-p1ρ1)
Daca ΔPΔpρlt1 materialul 1 corespunde mai bine decat materialul 2 pentru aplicatia data si materialul 2 va fi eliminatDaca ΔPΔpρgt1 materialul 1 va fi eliminat deoarece materialul 2 corespunde mai bine cerintelor aplicatieiSe continua compararea cu al treilea material si rand pe rand vor fi eliminate materialele mai putin corespunzatoare ajungand la materialul optim
62
EXEMPLU DE SELECTIE A MATERIALELOR
Tema Realizarea piesesei din figura dintr-un otel ldquoOL37rdquo intr-o serie mare de fabricatie-Este o piesa cilindrica cu dimensiunile date-Are un butuc-Prezinta o gaura lunga si de diametre mic
oslash200oslash50
150oslash20
Se poate realiza din bara rotunda prin strunjire
Se poate realiza din bara rotunda prin forjare
80
Coeficientul de utilizare a materialului 055
Coeficientul de utilizare a materialului 098
63
Diametrul mm Inaltime mm Volum mm3 Volum mm3Coeficientul de
utilizare a materialului
Semif Pornire 200 150 4710000 4710000
Strunjire
200 80 2512000
2602275 055=5550 35 137375
20 150 47100
Forjare
200 80 25120002649375
098=9850 35 137375
20 150 47100 2602275
Coeficientul de utilizare a materialului K=greutatea piesei finitegreutatea materialului utilizat pentru realizarea lui (a semifabricatului de pornire)
In calcul s-a lucrat cu volumul materialului deoarece G=VρAdaosuriele de prelucrare s-u luat ca fiind egaleApare un mult mai bun grad de utilizare a materialului pentr prelucrarea prin forjare
PIESA SE VA REALIZA PRIN FORJARE
64
1
2
3
5
6
4
9
8
F
107F
1-semimatrita superioara2-semimatrita inferioara3-cavitatea semimatritei sup4-cavitatea semimatritei inf5-canalul de bavura6-canalul de refulare7-prinderea semimatritei sup8-prinderea semimatritei inf9-elemente de ghidare (stifturi)10-planul de separare
TEMA Sa se stabileasca materialul optim pentru realizarea elementelor active ale matrtei de forjare din figura Se urmreste obtinerea piesei prin forjare la cald
CERINTE PENTRU PROIECTARE
Analiza schiteiFunctia Elemete (semimatrite) de matrita de deformare plasticaObiectiv Trebuie maximalizata tenacitatea (rezilienta)Constrangeri Dimensiunile cavitatii matritei (depind de marimea piesei) dimensiunile exterioare si sistemul de prindere (depind de utilaj temperatura de lucruVariabile libere material
65
Se cauta in sursele de informatii structurate si nestructurate materialele care respecta cerintele
Elemente de matrita
Rezistente la cald
Tenacitate Duritate
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Materialele potrivite sunt metalele si aliajele lor
-Materialele ceramice nu au tenacitate-Materialele polimerice nu au rezistenta la cald-Materialele compozite sunt scumpe si nu au tenacitate
Depinde de compozitia lor
Se cauta materiale cu destinatie precisa Materiale pentru scule de deformare
66
Din baza de date se constata ca urmatoarele materiale satisfac
cerintele rigide adica sa poata fi utilizate la prelucrarea la cald
Sunt materiale cu destinatie precisaDaca nu sunt materiale cu destinatie
precisa se cauta in grupa materialelor cu destinatie generala
Material Rm min MPa HV A5 KCU Jcm3
C120 890 265 8 60
VMoC120 870 265 8 68
VC06 870 230 6 68
VCW85 870 265 6 80
MoCN15 830 250 7 75
VMoCN17 870 265 7 73
VSCW20 790 235 5 78
OSC7 640 195 12 56
OSC8 640 195 10 58
67
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU Jcm3 βKCU Indicele de
performanta PC120 890 265 8 60 101450
VMoC120 870 265 8 68 100650
VC06 870 230 6 68 97400
VCW85 870 265 6 80 101750
MoCN15 830 250 7 75 96750
VMoCN17 870 265 7 73 101100
VSCW20 790 235 5 78 92400
OSC7 640 195 12 56 74950
OSC8 640 195 10 58 75050Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza peoprietatii
68
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU
Jcm3 βKCU Indicele de performanta P
C120 890 100 265 10000 8 6667 60 75 25017000
VMoC120 870 9775 265 10000 8 6667 68 85 2835015356
VC06 870 9775 230 8679 6 5000 68 85 2126563155
VCW85 870 9775 265 10000 6 5000 80 100 2501682022
MoCN15 830 9326 250 9434 7 5833 75 9375 2735970124
VMoCN17 870 9775 265 10000 7 5833 73 9125 2663140356
VSCW20 790 8876 235 8868 5 4167 78 975 2032758226
OSC7 640 7191 195 7358 12 10000 56 70 3501237545
OSC8 640 7191 195 7358 10 8333 58 725 3022070878Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza proprietatii relative
69
Material Indicele de performanta P
VSCW20 2032758226
VC06 2126563155
VCW85 2501682022
C120 25017000
VMoCN17 2663140356
MoCN15 2735970124
VMoC120 2835015356
OSC8 3022070878
OSC7 3501237545
Material Indicele de performanta P
OSC7 74950
OSC8 75050
VSCW20 92400
MoCN15 96750
VC06 97400
VMoC120 100650
VMoCN17 101100
C120 101450
VCW85 101750
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile proprietatii materialului
ordonate crescator
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile relative ale proprietatii materialului ordonate crescator
70
Luand in considerare ca unele materiale sunt aliate cu siguranta acestea sunt mai scumpe
Daca luam in considerare costul unitar pentru otelurile carbon de scule iar densitatea de 785 (corespunzatoare fierului) se obtine indicele de merit
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
OSC7 74950 1 95477707 114
OSC8 75050 1 956050955 114
VSCW20 92400 14 840764331 100
MoCN15 96750 14 880345769 105
VC06 97400 12 103397028 123
VMoC120 100650 13 986281235 117
VMoCN17 101100 14 919927207 109
C120 101450 15 861571125 102
VCW85 101750 14 925841674 110
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea proprietatii materialului
71
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
VSCW20 2032758226 14 184964352 100
VC06 2126563155 12 225749804 122
VCW85 2501682022 14 227632577 123
C120 25017000 15 212458599 115
VMoCN17 2663140356 14 242323963 131
MoCN15 2735970124 14 248950876 135
VMoC120 2835015356 13 277806502 150
OSC8 3022070878 1 384977182 208
OSC7 3501237545 1 446017522 241
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea relativa a proprietatii materialului
72
Selectati materialele potrivite pentru piesele din imagine
Randul I 1 Serie mare de fabricatie-6p Randul II Serie mica (unicat) de fabricatie-6p
Randul I 2 Criterii de selectie a materialelor-1p3 Etapele selectiei materialelor ndash 1p4 Economicitatea piesei ndash 1p5 Strategii de selectie a materialelor ndash 1p
Randul II 2 Tipuri de date utilizate la selectia materialelor-1p3 Cum se face minimalizarea costurilor-1p4 Perofmantele piesei in functionare ndash 1p5 Care sunt cerintele fata de material ndash 1p
SUBIECTE EXAMEN
73
Date privind principalele proprietati tehnologice ale unor materiale
Material
Valorile proprietatii
Aschiabilitate Turnabilitate Sudabilitate Cost
F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba $tona
Otel de constructii (OL) X X X 140
Otel carbon de calitate (OLC) X X X
260
Fonte obisnuite (Fc) X X X 160
Punctaje 60 30 10 60 30 10 60 30 10
Avand in vedere ca pretul creste odata cu rezistenta la tractiune calculati costul fiecarui material prin inmultirea costului de baza cu valoarea proprietatii si impartiti la 100
74
Materiale ce pot fi luate in considerare spre analiza
Material Rm HV A Material Rm HV A Material Rm HV A
OL30 310 95 32 OLC8 324 140 33 Fc100 100 105 2
OL32 310 93 33 OLC10 321 150 31 Fc150 150 145 3
OL34 330 105 31 OLC15 373 155 27 Fc200 200 180 4
OL37 360 112 25 OLC20 410 165 25 Fc250 250 190 4
OL42 410 130 22 OLC25 450 175 24 Fc300 300 210 5
OL44 430 135 22 OLC30 490 180 21 Fc350 350 220 6
OL50 500 160 21 OLC35 530 195 21 Fc400 400 240 6
OL52 510 160 21 OLC40 570 200 19
OL60 590 185 16 OLC45 610 220 18
OL70 690 215 11 OLC50 640 230 16
OLC55 670 240 14
OLC60 700 255 14
Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50
Proprietatea tehnilogica intra cu o pondere de 100
VA UREZ SUCCES
Selectarea materialelor se face pe baza unor informatii (date) despre material
Date structurate
Date nestructurate
Date numerice
Ierarhizabile(proprietati mecanice)
Date de tip DANU BunRau (logice)
Documentatie specifica
Documentatie nespecifica
(cel mai putin structurate)
Pagini webSoftware ale producatoruluiConsultanti
Studii de cazAnaliza avariilorGhiduri de proiectare
Baze de dateStandardeManuale
6
Structurarea informatiilor (in baze de date sau nu) poate fi facuta astfel
Domeniul
Materiale
Tehnologii de
fabricatie
Familie
CeramiceSticlePolimeriMetaleCompoziteElastomerietc
ForjareAschiereTurnarePulberietc
Clasa si membri
OteluriFonteAliaje CuAliaje AlAliaje ZnAliaje Nietc
FrezareStrunjireRectificareGaurireetc
Coduri
100020003000400050006000etc
Proprietati
DensitateModul ERmDuritateP electriceRez corozetc
Domeniu de marimeComplexitateTolerantaRugozitateetc
7
METODICA SELECTIEI MATERIALELOR
8
Economia de piata (concurentiala)
Caliatatea si costul produsului au o mare
importanta
SELECTIA SI UTILIZAREA OPTIMA A
MATERIALELOR se face stiintific pe criteriul
Maxim de performanta la un Cost minim
Se face in functie debull Performantele produsuluibull Conditiile de prelucrarebull Forma si dimensiunile pieseibull Seria de fabricatiebull Pretul de cost
Trebuie sa se bazeze pebull Promovarea materialelor corespunzatoarebull Ieftine si usor de procuratbull Valorificarea maxima a prelucrabilitatii lor si aducere la forma cerutabull Posibilitatile reale de prelucrare in firma (dotarea si experienta
tehnologica)
9
Materialul selectat
Sa aiba proprietatile cerute
Se tine seama de procedeul de prelucrare
Contribuie la definirea proprietatilor finale ale
materialului piesei
Selectia optima a materialului
Este o activitatebull complexabull dificilabull care se deruleaza de la conceptie pana
la fabricatia de serie (si in timpul acesteia)
ETAPELE SELECTIEI MATEIALELOR
10
Obiectul selectiei Rolul functional siguranta in functionare
durata de exploatare etc
Analiza cerintelor determinate de rolul functional si de prelucrare
Matricea de cerinte referitoare la reper (piesa)
Matricea de cerinte specifice
materialului
Materiale proprietati comportare in functionare
Testarea materialului sau imbunatatirea lui
(daca este cazul)
Decizia de selectie a materialului (strategii procedee si criterii de selectie
Cerintele nu pot fi indeplinite Cerintele sunt indeplinite partial sau integral
Proiectarea unui nou material sau procedeu de prelucrare
Optimizarea selectiei materialului (a reperului)
11
Obiectul selectiei Rolul functional
siguranta in functionare durata de
exploatare etc
Se stabilesc toate proprietatile
materialelor ca rezultat al cerintelor functionare
si de utilizare
PROPRIETATI DE UTILIZARE
ETAPA -I- ANALIZA CERINTELOR FATA DE MATERIAL
Procedeele posibile de prelucrare
PROPRIETATI DE PRELUCRARE
Aceste grupe de proprietati pot fi in acord
sau in contradictie
Matricea de cerinte
Care si de unde rezulta aceste cerinte
12
+
La proiectarea piesei sau produsului se stabilesc
Cerintele privind performantele cerute materialului bazate pe functionalitatea si performanta impusa piesei (produsului) precum si pe conditiile ambientale in care va functiona aceasta
Cerintele fata de material
Cerinte functionale
Siguranta in functionare
Functionarea in conditii ambientale de exploatare
Cerinte de prelucrabilitate
COSTUL MATERIALULUI
13
CERINTE FUNCTIONALE
SIGURANTA IN FUNCTIONARE
Caracteristicile produsului (carora nu intotdeauna li se pot atribui valori cantitative) se coreleaza cu cele mai potrivite proprietati mecanice fizice chimice
Se stabilesc cat mai exat conditiile reale de functionare (rol functional tipul caracterul si valoarea solicitarilor conditii de temperatura si mediu etc)
Probabilitatea piesei (materialului) sa fie exploatata corespunzator fara a ceda sau avaria Precizarea anticiparea posibilelor moduri in care un produs poate suferi o avarie re realizeaza prin analiza avariilor
Cauzele unei avarii (in functionare) sunt atribuite- erorilor de conceptie constructiva- defectelor originale ale
materialului- defecte datorate prelucrarii piesei- conditiile de exploatare
14
FUNCTIONAREA IN CONDITII AMBIENTALE DE EXPLOATARE
CERINTE DE PRELUCRABILITATE
(TEHNOLOGICE)
Ambientul in care functioneaza piesa reprezinta un factor important la stabilirea acestor cerinte Mediile corosive temperaturile ridicate sau joase (negative) modifica defavorabil performanta materialelor de uz general
Se apeleaza la materiale speciale cu proprietati deosebite mai scumpe dar corespunzatoare
Forma piesei finite (materialului) precizia dimensionala si de forma calitatea suprafetei etc
Procedeul tehnologic de prlucrare
- turnabilitatea- deformabilitatea- aschiabilitatea- capacitatea de a
fi tratat termic
Se elimina materialele cu (ex) deformabilitate imposibila calibilitate insuficienta aschiabilitate slaba etc
15
Matricea de cerinte
ETAPA -II- STABILIREA MATRICEI DE CERINTE
Analiza celor patru grupuri de cerinte
Stabilirea unor cerinte tehnice
Costul materialuluicerinte economice
Cuprinde toate cerintele necesar a fi indeplinite de material (atat cerintele tehnice cat si cerintele
economice)
Pentru a lua o decizie corecta privind
selectia materialului se face
ierarhizarea cerintelor
16
Cerinte economice
COSTUL MATERIALULUI
Costuri legate cu prelucrare (manopera)
Alte costuri
Costul piesei
Alte costuri (intretinere
exploatare etc)
COSTUL MATERIALULUI controleaza evaluarea materialelor deoarece in multe aplicatii se impune un cost limita pentru materialul care sa satisfaca cerintele aplicatiei Cand limita este depasita produsul se reproiecteaza in vederea modificarii cerintelor fata de material pentru mentinerea acestuia sub limita de cost
Selectia se opreste la materialul care satisface cerintele stabilite (tehnice) de exploatarea piesei si care are costul cel mai scazut
17
ASPECTE ECONOMICE ALE MATERIALELOR
Materialul influenteaza costul total al produselor
Costul materialului are cea mai mare pondere din costul total (30-70)
Prelucrabilitatea
Determina- nivelul de
productivitate- investitiile de capital- manopera necesara
obtinerii formei finale
ATENTIE Alegerea unui material ieftin nu este intotdeauna o solutie corespunzatoare daca prelucrarea lui este dificila si costisitoare
Dimensiunile materiilor prime (semifabricatelor pot determina formarea unei cantitati mari de deseuri si implicit costul final
Posibilitatea reciclarii deseurilor ndash element important la selectia materialelor ndash indeosebi la materialele scumpe
18
Clasificarea materialelor pe baza costurilor
Materialele ingineresti
Materiale de larga utilizare
Materiale speciale
- ieftine- produse in cantitati mari
- substantial mai scumpe- elaborate pentru satisfacerea
unor cerinte deosebite
ATENTIE Compararea materialelor din punc de vedere a costurilor este dificila deoarece la unele materiale costul este dat in raport cu greutatea la altele in raport cu volumul la altele in raport cu suprafata etc
Compararea materialelor se face in raport cu costul relativ
19
Comparatia materialelor pe baza costului relativ al unitatii de
greutate
Comparatia materialelor pe baza costului relativ al unitatii de
volum
Comparatia materialelor pe baza costului relativ al unitatii de volum
raportat la rezistenta de rupere
20
Comparatia materialelor pe baza costului relativ al unitatii de volum
raportat la rezistenta de rupere specifica la tractiune
21
Concluzii
Din punct de vedere al costului relativ la unitatea de greutate utilizarea otelului este cea mai avantajoasa
Cel mai mare consum mondial
Materialele polimerice si aluminiu tind sa se apropie de costurile otelului
Din punct de vedere al costului relativ la unitatea de volum costurile materialelor polimerice se apropie de cele ale otelurilor unele fiind mai ieftine
Apare o plaja larga a costurilor materialelor ingineresti
Uneori materialele nu sunt utilizate la adevarata lor capacitate deoarece o cerinta importanta este rigiditatea Din acest punct de vedere betonul are cel mai mic cost
Sunt aplicatii la care se cere rezistenta ridicata si greutate redusa Se constata ca materialele polimerice si piesele turnate din magneziu apar mai ieftine decat otelurile
22
In cazul unui produs evaluarea valorii lui se
face prin
Evaluarea calitativa a proprietatilor materialului
Cel mai ieftin
Cel mai usor de procutat
Care sa aiba aceeasi
functionalitate
In cazul selectiei materialelor
Pentru aceeasi functionalitate
La cel mai scazut cost
Sa se selecteze cel mai ieftin material
Sa se selecteze un material mai scump dar
care va simplifica prelucrare (eventual
eliminarea unor etape)
23
Otelurile slab aliate cu continut ridicat de mangan si
continut scazut de Ni si Cr
Inlocuiesc otelurile scumpe continand cantitati mai mari de Ni Cr Mo (elemente scumpe)
Acoperirile metalice Inlocuiesc (in conditii mai putin
severe de coroziune) otelurile inoxidabile
Durificarea superficiala sau ecruisarea prin deformare
plastica
Mareste rezistenta la uzare si la oboseala a otelurilor carbon evitand utilizarea otelurilor aliate scumpe
Acoperiri de tipul alitarii cromarii aplicate otelurilor
carbon
Confera rezistenta la temperaturi moderate elimina finisarea
(costisitoare)
24
Coeficientul de utilizare a materialului
Minimalizarea costului materialelor
Printr-o proiectare care sa reduca cantitatea necesara de materiale scumpe
Alegerea procedeelor de prelucrare adecvate
Stabilirea formei semifabricatului care sa maximalizeze coeficientul de utilizare a
materialelor in fabricatie
Materiale ieftine
- Cumparate in cantitati mari- Cele care au dimensiuni mari
Cand fabricatia cere piese de mai multe dimensiuni se poate
cumpara stoc mare de semifabricate la dimensiunea
cea mai mare a pieselor
Reulta deseuri si costuri suplimentare de
manopera
Punctul de rentabilitate in aceasta privinta este greu de evaluat
25
Coeficientul de utilizare a materialelor pentru diferite procedee de prelucrare este dat in urmatorul tabel
Metoda de prelucrare Coeficientul de utilizare
1 Fara modificarea masei
Turnare 70
Deformare plastica 75
Agregate de pulberi 90
2 Cu micsorare de masa
Aschiere 60
Eroziune 90
3 Prin marire de masa
Depuneri prin sudare 80
Depuneri prin metalizare 90
26
Competitia in domeniul materialelor
Odata cu aparitia unor materiale noi si scaderea pretului celor existente apare o COMPETITIE INTRE MATERIALE
Intre otel si aluminiu la obtinerea cutiilor
de bauturi
Intre aluminiu si materiale polimerice
(armate) la constructia aeronavelor
Intre materiale polimerice si cupru
plumb fonta la instalatiile de apa
ProprietateaAliaj ZnAl4 turnat sub presiune
Polistiren ABS
Naylon 66
Policar-bonat
Polipr-opilena
Rezistenta la tractiune MNmm2 260 54 52 70 35
Rezistenta la tractiune prin soc (relativ) 79 1 33 36 16
Rezistenta la fluaj (exprimata ca modul de elasticitate aparent la 100 h MNmm2) 51100 1470 420 2030 308
Rezistenta la oboseala prin incovoiere la 107 cicluri MNmm2 644 154 14 7 182
Temperatura de stabilitate termica la 18 MNmm2 (oC) gt488 345 324 403 332
Modificarea rezistentei la tractiune dupa 500h de expunere in conditii atmosferice ()
+05 -8 +10 -11 -30
Densitatea (relativa) 667 105 114 12 09
Costul unitatii de greutate (relativ Zn=1) 1 21 374 42 14
Costul unitatii de volum raportat la rezistenta la tractiune (relativ) 1 21 37 30 16
Costul unitatii de volum raportat la rezistenta la fluaj (relativ) 1 117 183 19 30
Costul unitatii de volum raportat la rezistenta la tractiune prin soc (relativ) 1 27 15 16 09
Costul unitatii de volum raportat la rezistenta la oboseala (relativ) 1 09 18 34 04
In situatia in care piesa are un rol decorativ ndash materialul plastic este
important
27
Costul prelucrarii poate juca un rol important in procesul
selectiei
Alama mai ieftina pentru anumite piese decat otelul laminat deoarece se prelucreaza cu viteza mai mare
Costul alamei este mai mare decat a otelului
Aluminiul se prelucreaza mai usor si are greutate specifica mai mica
Poate inlocui fonta otelul si aliajele lui chiar
daca sunt mai ieftine
Materialele plastice se prelucreaza foarte usor si devin economice la
serie mare
Pot inlocui orice tip de material la diferite
aplicatii
Criteriul economic privind costul materialului nu este
concludent la selectarea materialului
Devine important COSTUL REPERULUI
28
Costul de baza al materialului
Cheltuieli de dezvoltaresi utilizare a
echipamentelor
Cheltuieli de prelucrareDeterminate de material de procedeu de forma
de precizie
COSTUL REPERULUI
Costurile reperului
29
Reper Comportare Costuri
Cheltuieli de intretineresi reparatii cu reperul
UtilizareCheltuieli de exploatare
Durabilitate
ECONOMICITATEA REPERULUI
Economicitatea reperului
30
CERINTE IMPUSE MATERIALULUIPIESE
Problema selectiei materialului este complexa
datorita
Varietatii materialelor ingineresti
Severitatii cerintelor functionale impuse
Cerinta diminuarii costurilor
Severitatii cerintelor functionale impuse
Prelucrarile la care este supus materialul
Geometria pieselor
Solicitarile la care este supus materialul
INFLUENTEAZA PROPRIETATILE MATERIALELOR
31
Comportarea materialului in produsul finit este sensibil diferita de cea a semifabricatului din care a fost obtinut
Comportarea materialului in piesa
(C)
Proprietatile materialului (M)
Influenta procedeului de prelucrare (P)
Forma piesei si fortele exterioare la care este
supusa (F)
Arata influenta directa a proprietatilor
semifabricatului a procedeului de prelucrare
a formei geometrice si a actiunii fortelor exterioare
asupra comportarii materialelor in piesa finita
Influenteaza direct comportarea
materialului in piesa
Este foarte important a se apela la criterii de proiectare adecvata
32
Influenta procedeului de prelucrare (P)
Prezenta muchiilor ascutite si a filetelor
Rugozitatea suprafetei
Afecteaza intr-o masura mai mare comportarea otelurilor de inalta rezistenta
decat a celor moi
Afecteaza intr-o masura mai mare comportarea materialelor la solicitari
variabile (oboseala) decat la solicitari statice
Interesul se focalizeaza preponderent pe performanta piesei in functionare si mai putin pe comportarea materialului in piesa
Comportarea materialului in piesa (proprietatile piesei)
Performantele piesei in functionare
Comportarea materialului in functionareConditiile de functionare
Factori care influenteaza
performantele piesei in functionare
33
CLASIFICAREA CERINTELOR IMPUSE MATERIALELOR
Cerintele impuse materialelor
Cerinte ldquorigiderdquo sau nenegociabile
Cerinte ldquonerigiderdquo ldquorelativerdquo sau
negociabile
Sunt cerintele care trebuie satisfacute obligatoriu de
material pentru a fi luate in considerare la selectie
bull Disponibilitatebull Prelucrabilitatebull Caracteristici minime
In anumite limite sunt supuse compromisului Pot fi comparate dpdv al importantei lor relative pentru o
aplicatie data in cadrul metodelor cantitative de selectie a materialelor
bull Proprietati mecanicebull Densitatebull Costul
In functie de tipul aplicatiei aceste cerinte isi pot schimba caracterul (din ldquonegociabilerdquo in ldquonenegociabile
Modificarea clasei de material selectate in final
34
EXEMPLE
Butelie de aragaz
Rezistenta Ductilitate Cost
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Rezistenta Ductilitate ρmic
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Butelii pentru gaze utilizate in aviatie
Costul este nenegociabil Oteluri pentru recipienti sub
presiune la temperaturi joase ndash R37 R44
Greutate cat mai mica (considerata nenegociabila) Materiale compozite (Kevlar 49-matrice epoxidica armata
cu fibre de poliamida)
35
MODALITATI DE ABORDARE A SELECTIEI MATERIALELOR SI PROCEDEELOR DE PRELUCRARE
Aparitia unor materiale noi si a competitiei intre materiale
Abordari noi in selectia materialelor si a procedeelor de prelucrare
Materialele plastice folosite la obtinerea pieselor complexe si de buna calitate inalta tehnologie
Materialele compozite au condus la reducerea substantiala a
greutatii produsului
Materiale sinterizate utilizate la obtinerea pieselor fara pierderi de material si consum de enetgie
scazut
Ingineria suprafetelor ofera posibilitati de modificare a
suprafetelor si coferirea unor proprietati deosebite
Cu toate aceste proiectantii se limiteaza la selectia
materialelor si procedeelor de prelucrare cunoscute mai bine
- Evitarea riscurilor- Nu este cunoscuta existenta unor noi materiale- Nu sunt cunoscute noile tehnologii de fabricatie etc
Proiectarea industriala trebuie asociata cu design-ul realizarea unei forme estetice obtinerea unui aspect exterior
placut
Design-ul industrial include mai mult decat o stilizare
Alegerea materialului permite un anumit design sau altul
36
La selectarea functiunii produsului (comportarea lui in exploatare-C) a materialelor (M) a
procedeelor de prelucrare (P) a formei (F) trebuie sa se tina seama ca acestea se intrepatrund (trebuie
sa tin seama in acelasi timp de ele)
Dificil Pot fi urmate diferite
succesiuni
Succesiunea CFMP prezinta urmatoarea
ordine de luare in considerare
-functionalitatea produsului (C)-forma piesei-materialul piesei-procedeul de prelucrare
Pot exista diferite succesiuni
Conduce la solutii diferite
Cadrul face conexiunea intre roti
saua bicicletei pedale ghidon
EXEMPLU Succesiunea CFMP
Functionalitatea si forma sunt aceleasi
Teava de aluminiu
Sudare
Succesiunea CFPM
Functionalitatea si forma sunt aceleasi
Sudare Teava de otel-se sudeaza mai bine
Succesiunea CMPF
Functionalitatea este aceeasi
Ca material se poate alege unul compozit
Sudare lipire
Forma aceeasi sau nu
Succesiunea CPMF
Poate fi aleasa presarea unui material superplastic
Alegerea ca material aluminiul
Forma S asimetrica plata
37
Pe baza functiunilor impuse produsului proiectantul schiteaza o serie de solutii tinand seama
de-materialele ce pot fi folosite-procedeele de fabricatie ce pot fi aplicate-formele potrivite ca functionalitate si design
Fiecare combinatie materialprocedeu de prelucrare conduce la diferite forme
Pot fi generate un numar
diferit de forme
Este o abordare CPMF sau CMPF
38
STRATEGII DE SELECTIE A MATERIALELOR
O strategie de selectie are doua componente
Formularea marimi prin care sa se evaluare un set de cerinte impuse materialului
Un procedeu de evaluare a marimii cerintelor prin care sa
se poata face ierarhizarea acestora in functie de masura in
care acestea sunt indeplinite
Strategiile cauta cai de implementare a procesului si anume de a converti un set de date ldquode intrarerdquo (cerintele proiectarii)
intr-un set de date ldquode iesirerdquo- alegerea materialului si a procedeului de prelucrare
39
Cerintele proiectarii
Materiale si procedee de prelucrare selectate
Strategii de selectie
Date initiale Functie de transfer Date finale
Strategia 1 Cautare libera implicand analiza rationala
Strategia 2 Bazata pe chestionare Este o selectie prin expertiza
Strategia 3 Analogie bazata pe cazuri anterioare
Posibila inovatie
Ofera solutii cunoscute
Ofera solutii similare cu situatia prezenta
Ofera mare libertate de selectie dar putina ghidare in proces
Ofera multa ghidare in proces dar putina libertate de selectie
Ofera idei ale solutiilor anterioare pentru probleme similare
40
SELECTIA LIBERA BAZATA PE ANALIZA RATIONALA
Este rapida si eficienta
Ofera o mare libertate pentru aplicatii
Ofera solutii noi si inovative
Avantaje
Are nevoie de date de intrare precis detaliate intr-o forma ce pot fi analizate prin metode ingineresti
standard
EXEMPLU
Gasiti un material pentru o bara de lungime L care sa
suporte o forta F la temperatura T si sa fie cat mai usoara
Cerinte pentru proiectare
ANALIZA SCHITEIFunctia Ce trebuie sa faca piesaObiective Ce trebuie maximalizat sau minimalizatConstrangeri Ce conditii esentiale trebuie sa fie indepliniteVariabile libere Care variabile ale proiectului sunt libere (cerinte nerigide)
41
Functia Ce trebuie sa faca piesa
Obiective Ce trebuie maximalizat sau minimalizat
Variabile libere Care variabile ale proiectului sunt libere (cerinte nerigide)
De a rezista la momente de incovoiere trebuie sa suporta incarcatura pentru care a fost proiectata fara a se deforma
Constrangeri Ce conditii esentiale trebuie sa fie indeplinite
Lungimea L data Tigiditatea S data Sa reziste si sa nu se deformeze la temperatura T
Trebuie minimalizata greutate
Aria sectiunii Costul
Procesul de selectie a avea 3 pasi
Filtrarea Se folseste de constrangeri pentru inlaturarea materialelor care nu indeplinesc cerintele
IerarhizareaSe folseste de marimea performantelor materialelor ramase in discutie pentru a le ordona
Documentarea
Analizeaza informatiile nestructurate le structureaza si le introduce in structura ierarhizata realizand o fisa cu informatii care ajuta selectia finala a materialului
42
Ierarhizarea se face parcurgand mai multe faze
Identificarea unuia sau a mai multor indici de performanta corespunzatori functiei obiectivului si constrangerilor
Indicele de performanta permite optimizarea selectiei
Pentru identificarea acestor indici se parcurg urmatoarele etape
Transpunerea intr-o relatie a obiectivului (entitatea) ce trebuie minimalizata sau maximalizata
Analiza grupului de proprietati (indicele de performanta) care maximalizeaza obiectivul
Eliminarea din aceasta relatie a variabilelor libere utilizand constrangerile (ex valoarea impusa rigiditatii a incarcarii limita a unui moment a presiunii a temperaturii de lucru sau al tenacitatii
43
EXEMPLU
TEMAGasiti un material pentru o bara de lungime L care sa
suporte o forta F la temperatura T si sa fie cat mai usoara
b
b
Lδ
F
Sageata
Sectiunea
CERINTELE PROIECTARIIFunctia Bara incarcata la incovoiereObiectiv Minimalizarea greutatiiConstrangeri Lungimea L data Rigiditatea S data Temperatura de exploatare T data (500deg)Variabile libere Aria sectiunii A Materialul de selectat
Se alege masa ldquomrdquo ca indice de performanta (trebuie sa fie minimalizat)
Masa barei este
Constrangerea privind rigiditatea va determina aria sectiunii ASageata unei bare simplu rezemata (forta actionand la mijloc) este data de relatia
44
unde E-modulul de elasticitate al materialului barei I-momentul de inertie al sectiunii grinzii
CL-reprezinta o constanta ce depinde de modul de distributie a fortei F (CL=48)
Rigiditatea barei este data de relatia
Din aceasta ultima relatie rezulta aria sectiunii A
Prin substitutia acestei relatii in relatia de determinare a masei grinzii se obtine indicele de performanta m
Valorile S L CL sunt date de proiect
Cea mai usoara bara este acea realizata dintr-un material care are cea mai mare valoare pentru
raport numit si ldquoindice de materialrdquo
Functia Incarcarea ConstrangeriIndici de
performantaRelatia
indicelui
Structuri de masa minima
Tija
BaraStatica
Rigiditate
Tractiune Eρ
Compresiune Eρ
Incovoiere E12ρ
Torsiune E12ρ
Rezistenta
Tractiune σrρ
Compresiune σcρ
Incovoiere σr23ρ
Torsiune σc23ρ
Dinamica
Panou
45
Exista mai multi indici de performanta fiecare realizand o combinatie dintre obiectiv si constrangere
46
47
48
METODE CANTITATIVE DE SELECTIE A MATERIALELOR CANDIDATE
Materialele candidat sunt materialele care satisfac cerintele cuprinse in matricea de cerinte rezultate dinbull Cerintele functionalebull Siguranta in functionarebull Functionarea in conditii ambientale de exploatarebull Cerintele de prelucrabilitatebull Economicitatea piesei
Care din aceste materiale vor fi luate in considerare la realizarea piesei
Evaluarea materialelor candidat
Evaluarea presupune compararea materialelor candidat care indeplinesc cerintele negociabile cu caracteristicile efective ale materialului in vederea selectarii celui optim pentru o aplicatie data
49
Evaluarea materialelor candidat
Este mai simpla pentru metodele cantitative de evaluare
Trebuie sa tina seama de anumite avantaje (usurinta procurarii materialului distanta pana la furnizor seriozitatea furnizarii constanta in calitatea produselor etc) care pot introduce anumite limitari determinand anumite compromisuri
In cele mai multe cazuri metodele cantitative de selectie conduc la materialul optim pentru o aplicatie
Metodele cantitative pot fi reluate odata cu schimbarea importantei relative a cerintelor negociabile
ATENTIE Cerintele nenegociabile trebuie satisfacute in totalitate si intocmai
Daca niciun material nu satisfac cerintele negociabile atunci fie ca acestea trebuie relaxate fie se impune reproiectarea produsului
50
Selectia este o operatie complexa
Numar mare de materiale cu o plaja larga de proprietati
Daca se face intamplator
Apare riscul de a omite anumite materiale candidate
Reducerea riscului prin adoptarea unei metode sistematice de selectie a materialelor
Metodele cantitative
Permitbull analiza unui numar ridicat de datebull a multor specificatii implicate in selectia materialelorbull pot fi adaptate pentru o selectie asistata de calculator
dintr-o baza de date
Metodele nu elimina capacitatea de analiza si experienta ingineruluiAceste metode sprijina inginerul in alegerea optima
51
METODA COSTULUI RAPORTAT LA UNITATEA DE PROPRIETATE
Economicitatea piesei
Costul initial al materialului
Costul prelucrarii si montarii
Costul functionarii si intretinerii
Unele dintre aceste costuri cresc odata cu cresterea
valorii proprietatilor altele scad
Proprietatea (Rm)
Costul piesei
Alte costuri
Costul total
Cos
tul
Cost minim
Odata cu cresterea rezistentei- Prelucrare mai dificila- Greutatea pe piesa scade- Durabilitatea in exploatare
creste si deci numarul de piese in utilizate in timp mai mic
Costul total este suma costului piesei si a celorlalte costuri
52
Valoarea optima a proprietatii (aici Rm) apare la costul minim
In piata costul materialului este legat de greutatea sau volumul (dupa caz) materialului
Se poate stabili o comparatie a materialelor intre proprietatile relative (proprietatea raportata la
greutatea specifica) De exemplu rezistenta rigiditatea modul de elasticitate etc
Criteriul esential este costul raportat la unitatea de rezistenta la tractiune
C=pρσ
C- costul asigurarii unei rezistente de 1 MPap- costul unitatii de proprietate a materialului
ρ- densitatea materialului
σr- rezistenta la tractiune
Cu cat valoarea lui ldquoCrdquo este mai mica cu atat materialul
este mai economic
53
Relatii asemanatoare pot fi obtinute si pentru alte proprietati cum ar fi- limita la curgere- modulul de elastuicitate- factorul de intensitate a tensiunii etc
Costul unitatii de proprietate pentru diferite moduri de solicitare
54
Compararea materialelor privind aceste costuri este esentiala
Se compara materialele intre ele
Este dificilSe ia un material de referinta
Costul relativ pe unitatea de proprietate a materialului candidat ldquoirdquo raportat la costul relativ pe unitatea de proprietate a materialului de referinta ldquobrdquo este dat de relatia
Daca CR este subunitar materialul candidat este mai ieftin decat materialul de referinta
Materialul de referinta este eliminat si materialul candidat se ia ca material de referinta pentru urmatoarea comparatie
Daca CR este supra unitar materialul candidat este mai scump decat materialul de referinta
Materialul de referinta se ia ca material de comparatie pentru urmatoarea analiza
55
METODA PONDERARII PROPRIETATILOR
Este o metoda pentru rezolvarea unor solutii mai comlexe de materiale materiale si proprietati
Fiecarei proprietati a materialului i se acorda o pondere rdquoαrdquo
Ponderea este proportionala cu importanta relativa a proprietatii pentru performanta in exploatare a materialului pentru aplicatia data
Ponderea proprietatii este egala cu produsul dintre valoarea numerica a proprietatii materialului ldquoprdquo si ponderea ei ldquoαrdquo
γ=pα
Insumand toate aceste produse pentru un material se obtine un indice de performanta ldquoPrdquo al materialului
Aceasta metoda ia in considerare toate proprietatile materialului
Comparand mai multe materiale prin indicele de performanta se poate gasi cel mai performant material pentru o aplicatie
56
Dezavantajul acestei metode consta in faptul ca in cazul unei proprietati care are o valoare ridicata aceasta v-a avea o influenta mai mare asupra indicelui de performanta decat ponderea ei
Exemplu Un material A care are Rm=370 MPa si o duritate de 350 HRB si un alt material B care are Rm=400 MPa si o duritate de 300 HRBStabilind ponderea proprietatii de 100 pentru rezistenta si 90 pentru duritate se obtine un indice de performanta de 68500 pentru material ul A si 67000 pentru materialul B
Inseamna ca impotriva importantei rezistentei la tractiune (ca fiind primul criteriu de selectie) si care este mai mare pentru materialul B indicele de performanta al materialului A este mai mare si deci acest material v-a fi selectat
La evaluarea materialelor candidat se va lucra cu valori relative ldquoβrdquo ale unei anumite proprietati celei mai mari valori a proprietatii atribuindu-se valoarea 100 iar celelalte valori relative se determina cu relatia
57
Pentru proprietatile materialelor care nu se exprima in mod obisnuit prin valori numerice (rezistenta la uzare sudabilitatea aschiabilitatea diferite proprietati tehnologice etc) evaluarea se poate face relativ la una dintre proprietati astfel
Astfel fiecarei proprietati I se acorda o importanta egalasi ea va influenta indicii de performanta ai materialelor doar comparate doar in masura ponderii acordate
Pentru proprietati ale caror valori se doreste a fi cat mai mici (densitatea pierderea de greutate prin coroziune etc) evaluarea se face printr-un raport invers
ProprietateaMateriale alternative
A B C D
Sudabilitatea Foarte buna Buna Buna Satisfacatoare
Evaluarea relativa 5 3 3 1
Valoarea scalata 100 60 60 20
58
Exemplu In ceea ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru rezistenta la tractiune a materialului A este de 925 Pentru al doilea material aceasta valoare este de 100 In ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru duritate aceasta este de 100 pentru materialul A si de 857 pentru materialul B
Acest lucru poate schimba situatia ierarhica a materialelor sau le poate apropia atat de mult indicele de performanta incat sa se puna problema luari in considerare si a altor elemente pentru selectie
Astfel indicele de performanta a materialului este dat de relatia
unde P reprezinta indicele de performanta a materialuluildquoirdquo este suma celor ldquonrdquo proprietati considerate a materialul ui
59
Ponderea α poate fi considerata ca αilt1 astfel incat
(cazul cel mai frecvent) sau ei I se poate aloca o plaja de valori valoarea cea mai mare
corespunzand proprietatii cu cea mai mare importanta
Costul materialului poate fi considerat ca o proprietate (chiar importanta) acordandui-se o pondere ldquoαrdquo
In cazul luarii in considerare a unui numar mare de proprietati costul poate fi considerat un factor de corectie al indicelui de performanta a materialului rezultand indicele de merit al acestuia
in care ldquoprdquo reprezinta costul unitatii de greutate a materialului
60
Cand se doreste compararea mai multor materiale candidat (i) cu unul de baza (de referinta) se calculeaza indicele relativ de merit al fiecarui material astfel
Daca RMgt1 respectivul material candidat ldquoirdquo corespunde mai bine cerintelor decat materialul de referinta ldquobrdquoIn cazul in care Mb reprezinta minimul cerintelor impuse Materialele candidat avand RMlt1 pot fi eliminate de la inceput ca fiind necorespunzatoare
Cand trebuie luate in considerare mai multe proprietati ale materialului pentru evaluarea indicelui de performanta este dificila evaluarea ponderii acestora Rezolvarea aceste probleme poate fi realizata printr-o evaluare prin programe numerice
61
METODA CRESTERII INCREMENTALE
In anumite situatii pot aparea mai multe materiale care indeplinesc cerintele minime impuse de o anumita aplicatie
Dupa analiza acestor materiale se poate presupune ca performantele pieselor prelucrate sunt proportionale cu indicii de performanta ldquoPrdquo In acelasi timp costul piesei variaza proportional cu costul materialului si al prelucrarii acestora
Daca se doreste selectarea piesei care are cea mai mare performanta la cea mai rezonabila crestere a costului se poate face o analiza beneficiu-cost Procedeul se ia indeosebi cand se doreste inlocuirea unui material utilizat deja in fabricatie
Materialul cu cel mai scazut cost (1) se ca element de baza si este comparat cu materialul care are costul imediat superior (2) Comparatia se face determinand cresterea indicelui de performanta (ΔP=P2-P1) si a costului ldquoprdquo pe unitatea de volum (Δpρ=p2ρ2-p1ρ1)
Daca ΔPΔpρlt1 materialul 1 corespunde mai bine decat materialul 2 pentru aplicatia data si materialul 2 va fi eliminatDaca ΔPΔpρgt1 materialul 1 va fi eliminat deoarece materialul 2 corespunde mai bine cerintelor aplicatieiSe continua compararea cu al treilea material si rand pe rand vor fi eliminate materialele mai putin corespunzatoare ajungand la materialul optim
62
EXEMPLU DE SELECTIE A MATERIALELOR
Tema Realizarea piesesei din figura dintr-un otel ldquoOL37rdquo intr-o serie mare de fabricatie-Este o piesa cilindrica cu dimensiunile date-Are un butuc-Prezinta o gaura lunga si de diametre mic
oslash200oslash50
150oslash20
Se poate realiza din bara rotunda prin strunjire
Se poate realiza din bara rotunda prin forjare
80
Coeficientul de utilizare a materialului 055
Coeficientul de utilizare a materialului 098
63
Diametrul mm Inaltime mm Volum mm3 Volum mm3Coeficientul de
utilizare a materialului
Semif Pornire 200 150 4710000 4710000
Strunjire
200 80 2512000
2602275 055=5550 35 137375
20 150 47100
Forjare
200 80 25120002649375
098=9850 35 137375
20 150 47100 2602275
Coeficientul de utilizare a materialului K=greutatea piesei finitegreutatea materialului utilizat pentru realizarea lui (a semifabricatului de pornire)
In calcul s-a lucrat cu volumul materialului deoarece G=VρAdaosuriele de prelucrare s-u luat ca fiind egaleApare un mult mai bun grad de utilizare a materialului pentr prelucrarea prin forjare
PIESA SE VA REALIZA PRIN FORJARE
64
1
2
3
5
6
4
9
8
F
107F
1-semimatrita superioara2-semimatrita inferioara3-cavitatea semimatritei sup4-cavitatea semimatritei inf5-canalul de bavura6-canalul de refulare7-prinderea semimatritei sup8-prinderea semimatritei inf9-elemente de ghidare (stifturi)10-planul de separare
TEMA Sa se stabileasca materialul optim pentru realizarea elementelor active ale matrtei de forjare din figura Se urmreste obtinerea piesei prin forjare la cald
CERINTE PENTRU PROIECTARE
Analiza schiteiFunctia Elemete (semimatrite) de matrita de deformare plasticaObiectiv Trebuie maximalizata tenacitatea (rezilienta)Constrangeri Dimensiunile cavitatii matritei (depind de marimea piesei) dimensiunile exterioare si sistemul de prindere (depind de utilaj temperatura de lucruVariabile libere material
65
Se cauta in sursele de informatii structurate si nestructurate materialele care respecta cerintele
Elemente de matrita
Rezistente la cald
Tenacitate Duritate
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Materialele potrivite sunt metalele si aliajele lor
-Materialele ceramice nu au tenacitate-Materialele polimerice nu au rezistenta la cald-Materialele compozite sunt scumpe si nu au tenacitate
Depinde de compozitia lor
Se cauta materiale cu destinatie precisa Materiale pentru scule de deformare
66
Din baza de date se constata ca urmatoarele materiale satisfac
cerintele rigide adica sa poata fi utilizate la prelucrarea la cald
Sunt materiale cu destinatie precisaDaca nu sunt materiale cu destinatie
precisa se cauta in grupa materialelor cu destinatie generala
Material Rm min MPa HV A5 KCU Jcm3
C120 890 265 8 60
VMoC120 870 265 8 68
VC06 870 230 6 68
VCW85 870 265 6 80
MoCN15 830 250 7 75
VMoCN17 870 265 7 73
VSCW20 790 235 5 78
OSC7 640 195 12 56
OSC8 640 195 10 58
67
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU Jcm3 βKCU Indicele de
performanta PC120 890 265 8 60 101450
VMoC120 870 265 8 68 100650
VC06 870 230 6 68 97400
VCW85 870 265 6 80 101750
MoCN15 830 250 7 75 96750
VMoCN17 870 265 7 73 101100
VSCW20 790 235 5 78 92400
OSC7 640 195 12 56 74950
OSC8 640 195 10 58 75050Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza peoprietatii
68
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU
Jcm3 βKCU Indicele de performanta P
C120 890 100 265 10000 8 6667 60 75 25017000
VMoC120 870 9775 265 10000 8 6667 68 85 2835015356
VC06 870 9775 230 8679 6 5000 68 85 2126563155
VCW85 870 9775 265 10000 6 5000 80 100 2501682022
MoCN15 830 9326 250 9434 7 5833 75 9375 2735970124
VMoCN17 870 9775 265 10000 7 5833 73 9125 2663140356
VSCW20 790 8876 235 8868 5 4167 78 975 2032758226
OSC7 640 7191 195 7358 12 10000 56 70 3501237545
OSC8 640 7191 195 7358 10 8333 58 725 3022070878Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza proprietatii relative
69
Material Indicele de performanta P
VSCW20 2032758226
VC06 2126563155
VCW85 2501682022
C120 25017000
VMoCN17 2663140356
MoCN15 2735970124
VMoC120 2835015356
OSC8 3022070878
OSC7 3501237545
Material Indicele de performanta P
OSC7 74950
OSC8 75050
VSCW20 92400
MoCN15 96750
VC06 97400
VMoC120 100650
VMoCN17 101100
C120 101450
VCW85 101750
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile proprietatii materialului
ordonate crescator
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile relative ale proprietatii materialului ordonate crescator
70
Luand in considerare ca unele materiale sunt aliate cu siguranta acestea sunt mai scumpe
Daca luam in considerare costul unitar pentru otelurile carbon de scule iar densitatea de 785 (corespunzatoare fierului) se obtine indicele de merit
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
OSC7 74950 1 95477707 114
OSC8 75050 1 956050955 114
VSCW20 92400 14 840764331 100
MoCN15 96750 14 880345769 105
VC06 97400 12 103397028 123
VMoC120 100650 13 986281235 117
VMoCN17 101100 14 919927207 109
C120 101450 15 861571125 102
VCW85 101750 14 925841674 110
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea proprietatii materialului
71
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
VSCW20 2032758226 14 184964352 100
VC06 2126563155 12 225749804 122
VCW85 2501682022 14 227632577 123
C120 25017000 15 212458599 115
VMoCN17 2663140356 14 242323963 131
MoCN15 2735970124 14 248950876 135
VMoC120 2835015356 13 277806502 150
OSC8 3022070878 1 384977182 208
OSC7 3501237545 1 446017522 241
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea relativa a proprietatii materialului
72
Selectati materialele potrivite pentru piesele din imagine
Randul I 1 Serie mare de fabricatie-6p Randul II Serie mica (unicat) de fabricatie-6p
Randul I 2 Criterii de selectie a materialelor-1p3 Etapele selectiei materialelor ndash 1p4 Economicitatea piesei ndash 1p5 Strategii de selectie a materialelor ndash 1p
Randul II 2 Tipuri de date utilizate la selectia materialelor-1p3 Cum se face minimalizarea costurilor-1p4 Perofmantele piesei in functionare ndash 1p5 Care sunt cerintele fata de material ndash 1p
SUBIECTE EXAMEN
73
Date privind principalele proprietati tehnologice ale unor materiale
Material
Valorile proprietatii
Aschiabilitate Turnabilitate Sudabilitate Cost
F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba $tona
Otel de constructii (OL) X X X 140
Otel carbon de calitate (OLC) X X X
260
Fonte obisnuite (Fc) X X X 160
Punctaje 60 30 10 60 30 10 60 30 10
Avand in vedere ca pretul creste odata cu rezistenta la tractiune calculati costul fiecarui material prin inmultirea costului de baza cu valoarea proprietatii si impartiti la 100
74
Materiale ce pot fi luate in considerare spre analiza
Material Rm HV A Material Rm HV A Material Rm HV A
OL30 310 95 32 OLC8 324 140 33 Fc100 100 105 2
OL32 310 93 33 OLC10 321 150 31 Fc150 150 145 3
OL34 330 105 31 OLC15 373 155 27 Fc200 200 180 4
OL37 360 112 25 OLC20 410 165 25 Fc250 250 190 4
OL42 410 130 22 OLC25 450 175 24 Fc300 300 210 5
OL44 430 135 22 OLC30 490 180 21 Fc350 350 220 6
OL50 500 160 21 OLC35 530 195 21 Fc400 400 240 6
OL52 510 160 21 OLC40 570 200 19
OL60 590 185 16 OLC45 610 220 18
OL70 690 215 11 OLC50 640 230 16
OLC55 670 240 14
OLC60 700 255 14
Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50
Proprietatea tehnilogica intra cu o pondere de 100
VA UREZ SUCCES
Structurarea informatiilor (in baze de date sau nu) poate fi facuta astfel
Domeniul
Materiale
Tehnologii de
fabricatie
Familie
CeramiceSticlePolimeriMetaleCompoziteElastomerietc
ForjareAschiereTurnarePulberietc
Clasa si membri
OteluriFonteAliaje CuAliaje AlAliaje ZnAliaje Nietc
FrezareStrunjireRectificareGaurireetc
Coduri
100020003000400050006000etc
Proprietati
DensitateModul ERmDuritateP electriceRez corozetc
Domeniu de marimeComplexitateTolerantaRugozitateetc
7
METODICA SELECTIEI MATERIALELOR
8
Economia de piata (concurentiala)
Caliatatea si costul produsului au o mare
importanta
SELECTIA SI UTILIZAREA OPTIMA A
MATERIALELOR se face stiintific pe criteriul
Maxim de performanta la un Cost minim
Se face in functie debull Performantele produsuluibull Conditiile de prelucrarebull Forma si dimensiunile pieseibull Seria de fabricatiebull Pretul de cost
Trebuie sa se bazeze pebull Promovarea materialelor corespunzatoarebull Ieftine si usor de procuratbull Valorificarea maxima a prelucrabilitatii lor si aducere la forma cerutabull Posibilitatile reale de prelucrare in firma (dotarea si experienta
tehnologica)
9
Materialul selectat
Sa aiba proprietatile cerute
Se tine seama de procedeul de prelucrare
Contribuie la definirea proprietatilor finale ale
materialului piesei
Selectia optima a materialului
Este o activitatebull complexabull dificilabull care se deruleaza de la conceptie pana
la fabricatia de serie (si in timpul acesteia)
ETAPELE SELECTIEI MATEIALELOR
10
Obiectul selectiei Rolul functional siguranta in functionare
durata de exploatare etc
Analiza cerintelor determinate de rolul functional si de prelucrare
Matricea de cerinte referitoare la reper (piesa)
Matricea de cerinte specifice
materialului
Materiale proprietati comportare in functionare
Testarea materialului sau imbunatatirea lui
(daca este cazul)
Decizia de selectie a materialului (strategii procedee si criterii de selectie
Cerintele nu pot fi indeplinite Cerintele sunt indeplinite partial sau integral
Proiectarea unui nou material sau procedeu de prelucrare
Optimizarea selectiei materialului (a reperului)
11
Obiectul selectiei Rolul functional
siguranta in functionare durata de
exploatare etc
Se stabilesc toate proprietatile
materialelor ca rezultat al cerintelor functionare
si de utilizare
PROPRIETATI DE UTILIZARE
ETAPA -I- ANALIZA CERINTELOR FATA DE MATERIAL
Procedeele posibile de prelucrare
PROPRIETATI DE PRELUCRARE
Aceste grupe de proprietati pot fi in acord
sau in contradictie
Matricea de cerinte
Care si de unde rezulta aceste cerinte
12
+
La proiectarea piesei sau produsului se stabilesc
Cerintele privind performantele cerute materialului bazate pe functionalitatea si performanta impusa piesei (produsului) precum si pe conditiile ambientale in care va functiona aceasta
Cerintele fata de material
Cerinte functionale
Siguranta in functionare
Functionarea in conditii ambientale de exploatare
Cerinte de prelucrabilitate
COSTUL MATERIALULUI
13
CERINTE FUNCTIONALE
SIGURANTA IN FUNCTIONARE
Caracteristicile produsului (carora nu intotdeauna li se pot atribui valori cantitative) se coreleaza cu cele mai potrivite proprietati mecanice fizice chimice
Se stabilesc cat mai exat conditiile reale de functionare (rol functional tipul caracterul si valoarea solicitarilor conditii de temperatura si mediu etc)
Probabilitatea piesei (materialului) sa fie exploatata corespunzator fara a ceda sau avaria Precizarea anticiparea posibilelor moduri in care un produs poate suferi o avarie re realizeaza prin analiza avariilor
Cauzele unei avarii (in functionare) sunt atribuite- erorilor de conceptie constructiva- defectelor originale ale
materialului- defecte datorate prelucrarii piesei- conditiile de exploatare
14
FUNCTIONAREA IN CONDITII AMBIENTALE DE EXPLOATARE
CERINTE DE PRELUCRABILITATE
(TEHNOLOGICE)
Ambientul in care functioneaza piesa reprezinta un factor important la stabilirea acestor cerinte Mediile corosive temperaturile ridicate sau joase (negative) modifica defavorabil performanta materialelor de uz general
Se apeleaza la materiale speciale cu proprietati deosebite mai scumpe dar corespunzatoare
Forma piesei finite (materialului) precizia dimensionala si de forma calitatea suprafetei etc
Procedeul tehnologic de prlucrare
- turnabilitatea- deformabilitatea- aschiabilitatea- capacitatea de a
fi tratat termic
Se elimina materialele cu (ex) deformabilitate imposibila calibilitate insuficienta aschiabilitate slaba etc
15
Matricea de cerinte
ETAPA -II- STABILIREA MATRICEI DE CERINTE
Analiza celor patru grupuri de cerinte
Stabilirea unor cerinte tehnice
Costul materialuluicerinte economice
Cuprinde toate cerintele necesar a fi indeplinite de material (atat cerintele tehnice cat si cerintele
economice)
Pentru a lua o decizie corecta privind
selectia materialului se face
ierarhizarea cerintelor
16
Cerinte economice
COSTUL MATERIALULUI
Costuri legate cu prelucrare (manopera)
Alte costuri
Costul piesei
Alte costuri (intretinere
exploatare etc)
COSTUL MATERIALULUI controleaza evaluarea materialelor deoarece in multe aplicatii se impune un cost limita pentru materialul care sa satisfaca cerintele aplicatiei Cand limita este depasita produsul se reproiecteaza in vederea modificarii cerintelor fata de material pentru mentinerea acestuia sub limita de cost
Selectia se opreste la materialul care satisface cerintele stabilite (tehnice) de exploatarea piesei si care are costul cel mai scazut
17
ASPECTE ECONOMICE ALE MATERIALELOR
Materialul influenteaza costul total al produselor
Costul materialului are cea mai mare pondere din costul total (30-70)
Prelucrabilitatea
Determina- nivelul de
productivitate- investitiile de capital- manopera necesara
obtinerii formei finale
ATENTIE Alegerea unui material ieftin nu este intotdeauna o solutie corespunzatoare daca prelucrarea lui este dificila si costisitoare
Dimensiunile materiilor prime (semifabricatelor pot determina formarea unei cantitati mari de deseuri si implicit costul final
Posibilitatea reciclarii deseurilor ndash element important la selectia materialelor ndash indeosebi la materialele scumpe
18
Clasificarea materialelor pe baza costurilor
Materialele ingineresti
Materiale de larga utilizare
Materiale speciale
- ieftine- produse in cantitati mari
- substantial mai scumpe- elaborate pentru satisfacerea
unor cerinte deosebite
ATENTIE Compararea materialelor din punc de vedere a costurilor este dificila deoarece la unele materiale costul este dat in raport cu greutatea la altele in raport cu volumul la altele in raport cu suprafata etc
Compararea materialelor se face in raport cu costul relativ
19
Comparatia materialelor pe baza costului relativ al unitatii de
greutate
Comparatia materialelor pe baza costului relativ al unitatii de
volum
Comparatia materialelor pe baza costului relativ al unitatii de volum
raportat la rezistenta de rupere
20
Comparatia materialelor pe baza costului relativ al unitatii de volum
raportat la rezistenta de rupere specifica la tractiune
21
Concluzii
Din punct de vedere al costului relativ la unitatea de greutate utilizarea otelului este cea mai avantajoasa
Cel mai mare consum mondial
Materialele polimerice si aluminiu tind sa se apropie de costurile otelului
Din punct de vedere al costului relativ la unitatea de volum costurile materialelor polimerice se apropie de cele ale otelurilor unele fiind mai ieftine
Apare o plaja larga a costurilor materialelor ingineresti
Uneori materialele nu sunt utilizate la adevarata lor capacitate deoarece o cerinta importanta este rigiditatea Din acest punct de vedere betonul are cel mai mic cost
Sunt aplicatii la care se cere rezistenta ridicata si greutate redusa Se constata ca materialele polimerice si piesele turnate din magneziu apar mai ieftine decat otelurile
22
In cazul unui produs evaluarea valorii lui se
face prin
Evaluarea calitativa a proprietatilor materialului
Cel mai ieftin
Cel mai usor de procutat
Care sa aiba aceeasi
functionalitate
In cazul selectiei materialelor
Pentru aceeasi functionalitate
La cel mai scazut cost
Sa se selecteze cel mai ieftin material
Sa se selecteze un material mai scump dar
care va simplifica prelucrare (eventual
eliminarea unor etape)
23
Otelurile slab aliate cu continut ridicat de mangan si
continut scazut de Ni si Cr
Inlocuiesc otelurile scumpe continand cantitati mai mari de Ni Cr Mo (elemente scumpe)
Acoperirile metalice Inlocuiesc (in conditii mai putin
severe de coroziune) otelurile inoxidabile
Durificarea superficiala sau ecruisarea prin deformare
plastica
Mareste rezistenta la uzare si la oboseala a otelurilor carbon evitand utilizarea otelurilor aliate scumpe
Acoperiri de tipul alitarii cromarii aplicate otelurilor
carbon
Confera rezistenta la temperaturi moderate elimina finisarea
(costisitoare)
24
Coeficientul de utilizare a materialului
Minimalizarea costului materialelor
Printr-o proiectare care sa reduca cantitatea necesara de materiale scumpe
Alegerea procedeelor de prelucrare adecvate
Stabilirea formei semifabricatului care sa maximalizeze coeficientul de utilizare a
materialelor in fabricatie
Materiale ieftine
- Cumparate in cantitati mari- Cele care au dimensiuni mari
Cand fabricatia cere piese de mai multe dimensiuni se poate
cumpara stoc mare de semifabricate la dimensiunea
cea mai mare a pieselor
Reulta deseuri si costuri suplimentare de
manopera
Punctul de rentabilitate in aceasta privinta este greu de evaluat
25
Coeficientul de utilizare a materialelor pentru diferite procedee de prelucrare este dat in urmatorul tabel
Metoda de prelucrare Coeficientul de utilizare
1 Fara modificarea masei
Turnare 70
Deformare plastica 75
Agregate de pulberi 90
2 Cu micsorare de masa
Aschiere 60
Eroziune 90
3 Prin marire de masa
Depuneri prin sudare 80
Depuneri prin metalizare 90
26
Competitia in domeniul materialelor
Odata cu aparitia unor materiale noi si scaderea pretului celor existente apare o COMPETITIE INTRE MATERIALE
Intre otel si aluminiu la obtinerea cutiilor
de bauturi
Intre aluminiu si materiale polimerice
(armate) la constructia aeronavelor
Intre materiale polimerice si cupru
plumb fonta la instalatiile de apa
ProprietateaAliaj ZnAl4 turnat sub presiune
Polistiren ABS
Naylon 66
Policar-bonat
Polipr-opilena
Rezistenta la tractiune MNmm2 260 54 52 70 35
Rezistenta la tractiune prin soc (relativ) 79 1 33 36 16
Rezistenta la fluaj (exprimata ca modul de elasticitate aparent la 100 h MNmm2) 51100 1470 420 2030 308
Rezistenta la oboseala prin incovoiere la 107 cicluri MNmm2 644 154 14 7 182
Temperatura de stabilitate termica la 18 MNmm2 (oC) gt488 345 324 403 332
Modificarea rezistentei la tractiune dupa 500h de expunere in conditii atmosferice ()
+05 -8 +10 -11 -30
Densitatea (relativa) 667 105 114 12 09
Costul unitatii de greutate (relativ Zn=1) 1 21 374 42 14
Costul unitatii de volum raportat la rezistenta la tractiune (relativ) 1 21 37 30 16
Costul unitatii de volum raportat la rezistenta la fluaj (relativ) 1 117 183 19 30
Costul unitatii de volum raportat la rezistenta la tractiune prin soc (relativ) 1 27 15 16 09
Costul unitatii de volum raportat la rezistenta la oboseala (relativ) 1 09 18 34 04
In situatia in care piesa are un rol decorativ ndash materialul plastic este
important
27
Costul prelucrarii poate juca un rol important in procesul
selectiei
Alama mai ieftina pentru anumite piese decat otelul laminat deoarece se prelucreaza cu viteza mai mare
Costul alamei este mai mare decat a otelului
Aluminiul se prelucreaza mai usor si are greutate specifica mai mica
Poate inlocui fonta otelul si aliajele lui chiar
daca sunt mai ieftine
Materialele plastice se prelucreaza foarte usor si devin economice la
serie mare
Pot inlocui orice tip de material la diferite
aplicatii
Criteriul economic privind costul materialului nu este
concludent la selectarea materialului
Devine important COSTUL REPERULUI
28
Costul de baza al materialului
Cheltuieli de dezvoltaresi utilizare a
echipamentelor
Cheltuieli de prelucrareDeterminate de material de procedeu de forma
de precizie
COSTUL REPERULUI
Costurile reperului
29
Reper Comportare Costuri
Cheltuieli de intretineresi reparatii cu reperul
UtilizareCheltuieli de exploatare
Durabilitate
ECONOMICITATEA REPERULUI
Economicitatea reperului
30
CERINTE IMPUSE MATERIALULUIPIESE
Problema selectiei materialului este complexa
datorita
Varietatii materialelor ingineresti
Severitatii cerintelor functionale impuse
Cerinta diminuarii costurilor
Severitatii cerintelor functionale impuse
Prelucrarile la care este supus materialul
Geometria pieselor
Solicitarile la care este supus materialul
INFLUENTEAZA PROPRIETATILE MATERIALELOR
31
Comportarea materialului in produsul finit este sensibil diferita de cea a semifabricatului din care a fost obtinut
Comportarea materialului in piesa
(C)
Proprietatile materialului (M)
Influenta procedeului de prelucrare (P)
Forma piesei si fortele exterioare la care este
supusa (F)
Arata influenta directa a proprietatilor
semifabricatului a procedeului de prelucrare
a formei geometrice si a actiunii fortelor exterioare
asupra comportarii materialelor in piesa finita
Influenteaza direct comportarea
materialului in piesa
Este foarte important a se apela la criterii de proiectare adecvata
32
Influenta procedeului de prelucrare (P)
Prezenta muchiilor ascutite si a filetelor
Rugozitatea suprafetei
Afecteaza intr-o masura mai mare comportarea otelurilor de inalta rezistenta
decat a celor moi
Afecteaza intr-o masura mai mare comportarea materialelor la solicitari
variabile (oboseala) decat la solicitari statice
Interesul se focalizeaza preponderent pe performanta piesei in functionare si mai putin pe comportarea materialului in piesa
Comportarea materialului in piesa (proprietatile piesei)
Performantele piesei in functionare
Comportarea materialului in functionareConditiile de functionare
Factori care influenteaza
performantele piesei in functionare
33
CLASIFICAREA CERINTELOR IMPUSE MATERIALELOR
Cerintele impuse materialelor
Cerinte ldquorigiderdquo sau nenegociabile
Cerinte ldquonerigiderdquo ldquorelativerdquo sau
negociabile
Sunt cerintele care trebuie satisfacute obligatoriu de
material pentru a fi luate in considerare la selectie
bull Disponibilitatebull Prelucrabilitatebull Caracteristici minime
In anumite limite sunt supuse compromisului Pot fi comparate dpdv al importantei lor relative pentru o
aplicatie data in cadrul metodelor cantitative de selectie a materialelor
bull Proprietati mecanicebull Densitatebull Costul
In functie de tipul aplicatiei aceste cerinte isi pot schimba caracterul (din ldquonegociabilerdquo in ldquonenegociabile
Modificarea clasei de material selectate in final
34
EXEMPLE
Butelie de aragaz
Rezistenta Ductilitate Cost
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Rezistenta Ductilitate ρmic
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Butelii pentru gaze utilizate in aviatie
Costul este nenegociabil Oteluri pentru recipienti sub
presiune la temperaturi joase ndash R37 R44
Greutate cat mai mica (considerata nenegociabila) Materiale compozite (Kevlar 49-matrice epoxidica armata
cu fibre de poliamida)
35
MODALITATI DE ABORDARE A SELECTIEI MATERIALELOR SI PROCEDEELOR DE PRELUCRARE
Aparitia unor materiale noi si a competitiei intre materiale
Abordari noi in selectia materialelor si a procedeelor de prelucrare
Materialele plastice folosite la obtinerea pieselor complexe si de buna calitate inalta tehnologie
Materialele compozite au condus la reducerea substantiala a
greutatii produsului
Materiale sinterizate utilizate la obtinerea pieselor fara pierderi de material si consum de enetgie
scazut
Ingineria suprafetelor ofera posibilitati de modificare a
suprafetelor si coferirea unor proprietati deosebite
Cu toate aceste proiectantii se limiteaza la selectia
materialelor si procedeelor de prelucrare cunoscute mai bine
- Evitarea riscurilor- Nu este cunoscuta existenta unor noi materiale- Nu sunt cunoscute noile tehnologii de fabricatie etc
Proiectarea industriala trebuie asociata cu design-ul realizarea unei forme estetice obtinerea unui aspect exterior
placut
Design-ul industrial include mai mult decat o stilizare
Alegerea materialului permite un anumit design sau altul
36
La selectarea functiunii produsului (comportarea lui in exploatare-C) a materialelor (M) a
procedeelor de prelucrare (P) a formei (F) trebuie sa se tina seama ca acestea se intrepatrund (trebuie
sa tin seama in acelasi timp de ele)
Dificil Pot fi urmate diferite
succesiuni
Succesiunea CFMP prezinta urmatoarea
ordine de luare in considerare
-functionalitatea produsului (C)-forma piesei-materialul piesei-procedeul de prelucrare
Pot exista diferite succesiuni
Conduce la solutii diferite
Cadrul face conexiunea intre roti
saua bicicletei pedale ghidon
EXEMPLU Succesiunea CFMP
Functionalitatea si forma sunt aceleasi
Teava de aluminiu
Sudare
Succesiunea CFPM
Functionalitatea si forma sunt aceleasi
Sudare Teava de otel-se sudeaza mai bine
Succesiunea CMPF
Functionalitatea este aceeasi
Ca material se poate alege unul compozit
Sudare lipire
Forma aceeasi sau nu
Succesiunea CPMF
Poate fi aleasa presarea unui material superplastic
Alegerea ca material aluminiul
Forma S asimetrica plata
37
Pe baza functiunilor impuse produsului proiectantul schiteaza o serie de solutii tinand seama
de-materialele ce pot fi folosite-procedeele de fabricatie ce pot fi aplicate-formele potrivite ca functionalitate si design
Fiecare combinatie materialprocedeu de prelucrare conduce la diferite forme
Pot fi generate un numar
diferit de forme
Este o abordare CPMF sau CMPF
38
STRATEGII DE SELECTIE A MATERIALELOR
O strategie de selectie are doua componente
Formularea marimi prin care sa se evaluare un set de cerinte impuse materialului
Un procedeu de evaluare a marimii cerintelor prin care sa
se poata face ierarhizarea acestora in functie de masura in
care acestea sunt indeplinite
Strategiile cauta cai de implementare a procesului si anume de a converti un set de date ldquode intrarerdquo (cerintele proiectarii)
intr-un set de date ldquode iesirerdquo- alegerea materialului si a procedeului de prelucrare
39
Cerintele proiectarii
Materiale si procedee de prelucrare selectate
Strategii de selectie
Date initiale Functie de transfer Date finale
Strategia 1 Cautare libera implicand analiza rationala
Strategia 2 Bazata pe chestionare Este o selectie prin expertiza
Strategia 3 Analogie bazata pe cazuri anterioare
Posibila inovatie
Ofera solutii cunoscute
Ofera solutii similare cu situatia prezenta
Ofera mare libertate de selectie dar putina ghidare in proces
Ofera multa ghidare in proces dar putina libertate de selectie
Ofera idei ale solutiilor anterioare pentru probleme similare
40
SELECTIA LIBERA BAZATA PE ANALIZA RATIONALA
Este rapida si eficienta
Ofera o mare libertate pentru aplicatii
Ofera solutii noi si inovative
Avantaje
Are nevoie de date de intrare precis detaliate intr-o forma ce pot fi analizate prin metode ingineresti
standard
EXEMPLU
Gasiti un material pentru o bara de lungime L care sa
suporte o forta F la temperatura T si sa fie cat mai usoara
Cerinte pentru proiectare
ANALIZA SCHITEIFunctia Ce trebuie sa faca piesaObiective Ce trebuie maximalizat sau minimalizatConstrangeri Ce conditii esentiale trebuie sa fie indepliniteVariabile libere Care variabile ale proiectului sunt libere (cerinte nerigide)
41
Functia Ce trebuie sa faca piesa
Obiective Ce trebuie maximalizat sau minimalizat
Variabile libere Care variabile ale proiectului sunt libere (cerinte nerigide)
De a rezista la momente de incovoiere trebuie sa suporta incarcatura pentru care a fost proiectata fara a se deforma
Constrangeri Ce conditii esentiale trebuie sa fie indeplinite
Lungimea L data Tigiditatea S data Sa reziste si sa nu se deformeze la temperatura T
Trebuie minimalizata greutate
Aria sectiunii Costul
Procesul de selectie a avea 3 pasi
Filtrarea Se folseste de constrangeri pentru inlaturarea materialelor care nu indeplinesc cerintele
IerarhizareaSe folseste de marimea performantelor materialelor ramase in discutie pentru a le ordona
Documentarea
Analizeaza informatiile nestructurate le structureaza si le introduce in structura ierarhizata realizand o fisa cu informatii care ajuta selectia finala a materialului
42
Ierarhizarea se face parcurgand mai multe faze
Identificarea unuia sau a mai multor indici de performanta corespunzatori functiei obiectivului si constrangerilor
Indicele de performanta permite optimizarea selectiei
Pentru identificarea acestor indici se parcurg urmatoarele etape
Transpunerea intr-o relatie a obiectivului (entitatea) ce trebuie minimalizata sau maximalizata
Analiza grupului de proprietati (indicele de performanta) care maximalizeaza obiectivul
Eliminarea din aceasta relatie a variabilelor libere utilizand constrangerile (ex valoarea impusa rigiditatii a incarcarii limita a unui moment a presiunii a temperaturii de lucru sau al tenacitatii
43
EXEMPLU
TEMAGasiti un material pentru o bara de lungime L care sa
suporte o forta F la temperatura T si sa fie cat mai usoara
b
b
Lδ
F
Sageata
Sectiunea
CERINTELE PROIECTARIIFunctia Bara incarcata la incovoiereObiectiv Minimalizarea greutatiiConstrangeri Lungimea L data Rigiditatea S data Temperatura de exploatare T data (500deg)Variabile libere Aria sectiunii A Materialul de selectat
Se alege masa ldquomrdquo ca indice de performanta (trebuie sa fie minimalizat)
Masa barei este
Constrangerea privind rigiditatea va determina aria sectiunii ASageata unei bare simplu rezemata (forta actionand la mijloc) este data de relatia
44
unde E-modulul de elasticitate al materialului barei I-momentul de inertie al sectiunii grinzii
CL-reprezinta o constanta ce depinde de modul de distributie a fortei F (CL=48)
Rigiditatea barei este data de relatia
Din aceasta ultima relatie rezulta aria sectiunii A
Prin substitutia acestei relatii in relatia de determinare a masei grinzii se obtine indicele de performanta m
Valorile S L CL sunt date de proiect
Cea mai usoara bara este acea realizata dintr-un material care are cea mai mare valoare pentru
raport numit si ldquoindice de materialrdquo
Functia Incarcarea ConstrangeriIndici de
performantaRelatia
indicelui
Structuri de masa minima
Tija
BaraStatica
Rigiditate
Tractiune Eρ
Compresiune Eρ
Incovoiere E12ρ
Torsiune E12ρ
Rezistenta
Tractiune σrρ
Compresiune σcρ
Incovoiere σr23ρ
Torsiune σc23ρ
Dinamica
Panou
45
Exista mai multi indici de performanta fiecare realizand o combinatie dintre obiectiv si constrangere
46
47
48
METODE CANTITATIVE DE SELECTIE A MATERIALELOR CANDIDATE
Materialele candidat sunt materialele care satisfac cerintele cuprinse in matricea de cerinte rezultate dinbull Cerintele functionalebull Siguranta in functionarebull Functionarea in conditii ambientale de exploatarebull Cerintele de prelucrabilitatebull Economicitatea piesei
Care din aceste materiale vor fi luate in considerare la realizarea piesei
Evaluarea materialelor candidat
Evaluarea presupune compararea materialelor candidat care indeplinesc cerintele negociabile cu caracteristicile efective ale materialului in vederea selectarii celui optim pentru o aplicatie data
49
Evaluarea materialelor candidat
Este mai simpla pentru metodele cantitative de evaluare
Trebuie sa tina seama de anumite avantaje (usurinta procurarii materialului distanta pana la furnizor seriozitatea furnizarii constanta in calitatea produselor etc) care pot introduce anumite limitari determinand anumite compromisuri
In cele mai multe cazuri metodele cantitative de selectie conduc la materialul optim pentru o aplicatie
Metodele cantitative pot fi reluate odata cu schimbarea importantei relative a cerintelor negociabile
ATENTIE Cerintele nenegociabile trebuie satisfacute in totalitate si intocmai
Daca niciun material nu satisfac cerintele negociabile atunci fie ca acestea trebuie relaxate fie se impune reproiectarea produsului
50
Selectia este o operatie complexa
Numar mare de materiale cu o plaja larga de proprietati
Daca se face intamplator
Apare riscul de a omite anumite materiale candidate
Reducerea riscului prin adoptarea unei metode sistematice de selectie a materialelor
Metodele cantitative
Permitbull analiza unui numar ridicat de datebull a multor specificatii implicate in selectia materialelorbull pot fi adaptate pentru o selectie asistata de calculator
dintr-o baza de date
Metodele nu elimina capacitatea de analiza si experienta ingineruluiAceste metode sprijina inginerul in alegerea optima
51
METODA COSTULUI RAPORTAT LA UNITATEA DE PROPRIETATE
Economicitatea piesei
Costul initial al materialului
Costul prelucrarii si montarii
Costul functionarii si intretinerii
Unele dintre aceste costuri cresc odata cu cresterea
valorii proprietatilor altele scad
Proprietatea (Rm)
Costul piesei
Alte costuri
Costul total
Cos
tul
Cost minim
Odata cu cresterea rezistentei- Prelucrare mai dificila- Greutatea pe piesa scade- Durabilitatea in exploatare
creste si deci numarul de piese in utilizate in timp mai mic
Costul total este suma costului piesei si a celorlalte costuri
52
Valoarea optima a proprietatii (aici Rm) apare la costul minim
In piata costul materialului este legat de greutatea sau volumul (dupa caz) materialului
Se poate stabili o comparatie a materialelor intre proprietatile relative (proprietatea raportata la
greutatea specifica) De exemplu rezistenta rigiditatea modul de elasticitate etc
Criteriul esential este costul raportat la unitatea de rezistenta la tractiune
C=pρσ
C- costul asigurarii unei rezistente de 1 MPap- costul unitatii de proprietate a materialului
ρ- densitatea materialului
σr- rezistenta la tractiune
Cu cat valoarea lui ldquoCrdquo este mai mica cu atat materialul
este mai economic
53
Relatii asemanatoare pot fi obtinute si pentru alte proprietati cum ar fi- limita la curgere- modulul de elastuicitate- factorul de intensitate a tensiunii etc
Costul unitatii de proprietate pentru diferite moduri de solicitare
54
Compararea materialelor privind aceste costuri este esentiala
Se compara materialele intre ele
Este dificilSe ia un material de referinta
Costul relativ pe unitatea de proprietate a materialului candidat ldquoirdquo raportat la costul relativ pe unitatea de proprietate a materialului de referinta ldquobrdquo este dat de relatia
Daca CR este subunitar materialul candidat este mai ieftin decat materialul de referinta
Materialul de referinta este eliminat si materialul candidat se ia ca material de referinta pentru urmatoarea comparatie
Daca CR este supra unitar materialul candidat este mai scump decat materialul de referinta
Materialul de referinta se ia ca material de comparatie pentru urmatoarea analiza
55
METODA PONDERARII PROPRIETATILOR
Este o metoda pentru rezolvarea unor solutii mai comlexe de materiale materiale si proprietati
Fiecarei proprietati a materialului i se acorda o pondere rdquoαrdquo
Ponderea este proportionala cu importanta relativa a proprietatii pentru performanta in exploatare a materialului pentru aplicatia data
Ponderea proprietatii este egala cu produsul dintre valoarea numerica a proprietatii materialului ldquoprdquo si ponderea ei ldquoαrdquo
γ=pα
Insumand toate aceste produse pentru un material se obtine un indice de performanta ldquoPrdquo al materialului
Aceasta metoda ia in considerare toate proprietatile materialului
Comparand mai multe materiale prin indicele de performanta se poate gasi cel mai performant material pentru o aplicatie
56
Dezavantajul acestei metode consta in faptul ca in cazul unei proprietati care are o valoare ridicata aceasta v-a avea o influenta mai mare asupra indicelui de performanta decat ponderea ei
Exemplu Un material A care are Rm=370 MPa si o duritate de 350 HRB si un alt material B care are Rm=400 MPa si o duritate de 300 HRBStabilind ponderea proprietatii de 100 pentru rezistenta si 90 pentru duritate se obtine un indice de performanta de 68500 pentru material ul A si 67000 pentru materialul B
Inseamna ca impotriva importantei rezistentei la tractiune (ca fiind primul criteriu de selectie) si care este mai mare pentru materialul B indicele de performanta al materialului A este mai mare si deci acest material v-a fi selectat
La evaluarea materialelor candidat se va lucra cu valori relative ldquoβrdquo ale unei anumite proprietati celei mai mari valori a proprietatii atribuindu-se valoarea 100 iar celelalte valori relative se determina cu relatia
57
Pentru proprietatile materialelor care nu se exprima in mod obisnuit prin valori numerice (rezistenta la uzare sudabilitatea aschiabilitatea diferite proprietati tehnologice etc) evaluarea se poate face relativ la una dintre proprietati astfel
Astfel fiecarei proprietati I se acorda o importanta egalasi ea va influenta indicii de performanta ai materialelor doar comparate doar in masura ponderii acordate
Pentru proprietati ale caror valori se doreste a fi cat mai mici (densitatea pierderea de greutate prin coroziune etc) evaluarea se face printr-un raport invers
ProprietateaMateriale alternative
A B C D
Sudabilitatea Foarte buna Buna Buna Satisfacatoare
Evaluarea relativa 5 3 3 1
Valoarea scalata 100 60 60 20
58
Exemplu In ceea ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru rezistenta la tractiune a materialului A este de 925 Pentru al doilea material aceasta valoare este de 100 In ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru duritate aceasta este de 100 pentru materialul A si de 857 pentru materialul B
Acest lucru poate schimba situatia ierarhica a materialelor sau le poate apropia atat de mult indicele de performanta incat sa se puna problema luari in considerare si a altor elemente pentru selectie
Astfel indicele de performanta a materialului este dat de relatia
unde P reprezinta indicele de performanta a materialuluildquoirdquo este suma celor ldquonrdquo proprietati considerate a materialul ui
59
Ponderea α poate fi considerata ca αilt1 astfel incat
(cazul cel mai frecvent) sau ei I se poate aloca o plaja de valori valoarea cea mai mare
corespunzand proprietatii cu cea mai mare importanta
Costul materialului poate fi considerat ca o proprietate (chiar importanta) acordandui-se o pondere ldquoαrdquo
In cazul luarii in considerare a unui numar mare de proprietati costul poate fi considerat un factor de corectie al indicelui de performanta a materialului rezultand indicele de merit al acestuia
in care ldquoprdquo reprezinta costul unitatii de greutate a materialului
60
Cand se doreste compararea mai multor materiale candidat (i) cu unul de baza (de referinta) se calculeaza indicele relativ de merit al fiecarui material astfel
Daca RMgt1 respectivul material candidat ldquoirdquo corespunde mai bine cerintelor decat materialul de referinta ldquobrdquoIn cazul in care Mb reprezinta minimul cerintelor impuse Materialele candidat avand RMlt1 pot fi eliminate de la inceput ca fiind necorespunzatoare
Cand trebuie luate in considerare mai multe proprietati ale materialului pentru evaluarea indicelui de performanta este dificila evaluarea ponderii acestora Rezolvarea aceste probleme poate fi realizata printr-o evaluare prin programe numerice
61
METODA CRESTERII INCREMENTALE
In anumite situatii pot aparea mai multe materiale care indeplinesc cerintele minime impuse de o anumita aplicatie
Dupa analiza acestor materiale se poate presupune ca performantele pieselor prelucrate sunt proportionale cu indicii de performanta ldquoPrdquo In acelasi timp costul piesei variaza proportional cu costul materialului si al prelucrarii acestora
Daca se doreste selectarea piesei care are cea mai mare performanta la cea mai rezonabila crestere a costului se poate face o analiza beneficiu-cost Procedeul se ia indeosebi cand se doreste inlocuirea unui material utilizat deja in fabricatie
Materialul cu cel mai scazut cost (1) se ca element de baza si este comparat cu materialul care are costul imediat superior (2) Comparatia se face determinand cresterea indicelui de performanta (ΔP=P2-P1) si a costului ldquoprdquo pe unitatea de volum (Δpρ=p2ρ2-p1ρ1)
Daca ΔPΔpρlt1 materialul 1 corespunde mai bine decat materialul 2 pentru aplicatia data si materialul 2 va fi eliminatDaca ΔPΔpρgt1 materialul 1 va fi eliminat deoarece materialul 2 corespunde mai bine cerintelor aplicatieiSe continua compararea cu al treilea material si rand pe rand vor fi eliminate materialele mai putin corespunzatoare ajungand la materialul optim
62
EXEMPLU DE SELECTIE A MATERIALELOR
Tema Realizarea piesesei din figura dintr-un otel ldquoOL37rdquo intr-o serie mare de fabricatie-Este o piesa cilindrica cu dimensiunile date-Are un butuc-Prezinta o gaura lunga si de diametre mic
oslash200oslash50
150oslash20
Se poate realiza din bara rotunda prin strunjire
Se poate realiza din bara rotunda prin forjare
80
Coeficientul de utilizare a materialului 055
Coeficientul de utilizare a materialului 098
63
Diametrul mm Inaltime mm Volum mm3 Volum mm3Coeficientul de
utilizare a materialului
Semif Pornire 200 150 4710000 4710000
Strunjire
200 80 2512000
2602275 055=5550 35 137375
20 150 47100
Forjare
200 80 25120002649375
098=9850 35 137375
20 150 47100 2602275
Coeficientul de utilizare a materialului K=greutatea piesei finitegreutatea materialului utilizat pentru realizarea lui (a semifabricatului de pornire)
In calcul s-a lucrat cu volumul materialului deoarece G=VρAdaosuriele de prelucrare s-u luat ca fiind egaleApare un mult mai bun grad de utilizare a materialului pentr prelucrarea prin forjare
PIESA SE VA REALIZA PRIN FORJARE
64
1
2
3
5
6
4
9
8
F
107F
1-semimatrita superioara2-semimatrita inferioara3-cavitatea semimatritei sup4-cavitatea semimatritei inf5-canalul de bavura6-canalul de refulare7-prinderea semimatritei sup8-prinderea semimatritei inf9-elemente de ghidare (stifturi)10-planul de separare
TEMA Sa se stabileasca materialul optim pentru realizarea elementelor active ale matrtei de forjare din figura Se urmreste obtinerea piesei prin forjare la cald
CERINTE PENTRU PROIECTARE
Analiza schiteiFunctia Elemete (semimatrite) de matrita de deformare plasticaObiectiv Trebuie maximalizata tenacitatea (rezilienta)Constrangeri Dimensiunile cavitatii matritei (depind de marimea piesei) dimensiunile exterioare si sistemul de prindere (depind de utilaj temperatura de lucruVariabile libere material
65
Se cauta in sursele de informatii structurate si nestructurate materialele care respecta cerintele
Elemente de matrita
Rezistente la cald
Tenacitate Duritate
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Materialele potrivite sunt metalele si aliajele lor
-Materialele ceramice nu au tenacitate-Materialele polimerice nu au rezistenta la cald-Materialele compozite sunt scumpe si nu au tenacitate
Depinde de compozitia lor
Se cauta materiale cu destinatie precisa Materiale pentru scule de deformare
66
Din baza de date se constata ca urmatoarele materiale satisfac
cerintele rigide adica sa poata fi utilizate la prelucrarea la cald
Sunt materiale cu destinatie precisaDaca nu sunt materiale cu destinatie
precisa se cauta in grupa materialelor cu destinatie generala
Material Rm min MPa HV A5 KCU Jcm3
C120 890 265 8 60
VMoC120 870 265 8 68
VC06 870 230 6 68
VCW85 870 265 6 80
MoCN15 830 250 7 75
VMoCN17 870 265 7 73
VSCW20 790 235 5 78
OSC7 640 195 12 56
OSC8 640 195 10 58
67
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU Jcm3 βKCU Indicele de
performanta PC120 890 265 8 60 101450
VMoC120 870 265 8 68 100650
VC06 870 230 6 68 97400
VCW85 870 265 6 80 101750
MoCN15 830 250 7 75 96750
VMoCN17 870 265 7 73 101100
VSCW20 790 235 5 78 92400
OSC7 640 195 12 56 74950
OSC8 640 195 10 58 75050Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza peoprietatii
68
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU
Jcm3 βKCU Indicele de performanta P
C120 890 100 265 10000 8 6667 60 75 25017000
VMoC120 870 9775 265 10000 8 6667 68 85 2835015356
VC06 870 9775 230 8679 6 5000 68 85 2126563155
VCW85 870 9775 265 10000 6 5000 80 100 2501682022
MoCN15 830 9326 250 9434 7 5833 75 9375 2735970124
VMoCN17 870 9775 265 10000 7 5833 73 9125 2663140356
VSCW20 790 8876 235 8868 5 4167 78 975 2032758226
OSC7 640 7191 195 7358 12 10000 56 70 3501237545
OSC8 640 7191 195 7358 10 8333 58 725 3022070878Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza proprietatii relative
69
Material Indicele de performanta P
VSCW20 2032758226
VC06 2126563155
VCW85 2501682022
C120 25017000
VMoCN17 2663140356
MoCN15 2735970124
VMoC120 2835015356
OSC8 3022070878
OSC7 3501237545
Material Indicele de performanta P
OSC7 74950
OSC8 75050
VSCW20 92400
MoCN15 96750
VC06 97400
VMoC120 100650
VMoCN17 101100
C120 101450
VCW85 101750
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile proprietatii materialului
ordonate crescator
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile relative ale proprietatii materialului ordonate crescator
70
Luand in considerare ca unele materiale sunt aliate cu siguranta acestea sunt mai scumpe
Daca luam in considerare costul unitar pentru otelurile carbon de scule iar densitatea de 785 (corespunzatoare fierului) se obtine indicele de merit
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
OSC7 74950 1 95477707 114
OSC8 75050 1 956050955 114
VSCW20 92400 14 840764331 100
MoCN15 96750 14 880345769 105
VC06 97400 12 103397028 123
VMoC120 100650 13 986281235 117
VMoCN17 101100 14 919927207 109
C120 101450 15 861571125 102
VCW85 101750 14 925841674 110
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea proprietatii materialului
71
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
VSCW20 2032758226 14 184964352 100
VC06 2126563155 12 225749804 122
VCW85 2501682022 14 227632577 123
C120 25017000 15 212458599 115
VMoCN17 2663140356 14 242323963 131
MoCN15 2735970124 14 248950876 135
VMoC120 2835015356 13 277806502 150
OSC8 3022070878 1 384977182 208
OSC7 3501237545 1 446017522 241
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea relativa a proprietatii materialului
72
Selectati materialele potrivite pentru piesele din imagine
Randul I 1 Serie mare de fabricatie-6p Randul II Serie mica (unicat) de fabricatie-6p
Randul I 2 Criterii de selectie a materialelor-1p3 Etapele selectiei materialelor ndash 1p4 Economicitatea piesei ndash 1p5 Strategii de selectie a materialelor ndash 1p
Randul II 2 Tipuri de date utilizate la selectia materialelor-1p3 Cum se face minimalizarea costurilor-1p4 Perofmantele piesei in functionare ndash 1p5 Care sunt cerintele fata de material ndash 1p
SUBIECTE EXAMEN
73
Date privind principalele proprietati tehnologice ale unor materiale
Material
Valorile proprietatii
Aschiabilitate Turnabilitate Sudabilitate Cost
F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba $tona
Otel de constructii (OL) X X X 140
Otel carbon de calitate (OLC) X X X
260
Fonte obisnuite (Fc) X X X 160
Punctaje 60 30 10 60 30 10 60 30 10
Avand in vedere ca pretul creste odata cu rezistenta la tractiune calculati costul fiecarui material prin inmultirea costului de baza cu valoarea proprietatii si impartiti la 100
74
Materiale ce pot fi luate in considerare spre analiza
Material Rm HV A Material Rm HV A Material Rm HV A
OL30 310 95 32 OLC8 324 140 33 Fc100 100 105 2
OL32 310 93 33 OLC10 321 150 31 Fc150 150 145 3
OL34 330 105 31 OLC15 373 155 27 Fc200 200 180 4
OL37 360 112 25 OLC20 410 165 25 Fc250 250 190 4
OL42 410 130 22 OLC25 450 175 24 Fc300 300 210 5
OL44 430 135 22 OLC30 490 180 21 Fc350 350 220 6
OL50 500 160 21 OLC35 530 195 21 Fc400 400 240 6
OL52 510 160 21 OLC40 570 200 19
OL60 590 185 16 OLC45 610 220 18
OL70 690 215 11 OLC50 640 230 16
OLC55 670 240 14
OLC60 700 255 14
Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50
Proprietatea tehnilogica intra cu o pondere de 100
VA UREZ SUCCES
METODICA SELECTIEI MATERIALELOR
8
Economia de piata (concurentiala)
Caliatatea si costul produsului au o mare
importanta
SELECTIA SI UTILIZAREA OPTIMA A
MATERIALELOR se face stiintific pe criteriul
Maxim de performanta la un Cost minim
Se face in functie debull Performantele produsuluibull Conditiile de prelucrarebull Forma si dimensiunile pieseibull Seria de fabricatiebull Pretul de cost
Trebuie sa se bazeze pebull Promovarea materialelor corespunzatoarebull Ieftine si usor de procuratbull Valorificarea maxima a prelucrabilitatii lor si aducere la forma cerutabull Posibilitatile reale de prelucrare in firma (dotarea si experienta
tehnologica)
9
Materialul selectat
Sa aiba proprietatile cerute
Se tine seama de procedeul de prelucrare
Contribuie la definirea proprietatilor finale ale
materialului piesei
Selectia optima a materialului
Este o activitatebull complexabull dificilabull care se deruleaza de la conceptie pana
la fabricatia de serie (si in timpul acesteia)
ETAPELE SELECTIEI MATEIALELOR
10
Obiectul selectiei Rolul functional siguranta in functionare
durata de exploatare etc
Analiza cerintelor determinate de rolul functional si de prelucrare
Matricea de cerinte referitoare la reper (piesa)
Matricea de cerinte specifice
materialului
Materiale proprietati comportare in functionare
Testarea materialului sau imbunatatirea lui
(daca este cazul)
Decizia de selectie a materialului (strategii procedee si criterii de selectie
Cerintele nu pot fi indeplinite Cerintele sunt indeplinite partial sau integral
Proiectarea unui nou material sau procedeu de prelucrare
Optimizarea selectiei materialului (a reperului)
11
Obiectul selectiei Rolul functional
siguranta in functionare durata de
exploatare etc
Se stabilesc toate proprietatile
materialelor ca rezultat al cerintelor functionare
si de utilizare
PROPRIETATI DE UTILIZARE
ETAPA -I- ANALIZA CERINTELOR FATA DE MATERIAL
Procedeele posibile de prelucrare
PROPRIETATI DE PRELUCRARE
Aceste grupe de proprietati pot fi in acord
sau in contradictie
Matricea de cerinte
Care si de unde rezulta aceste cerinte
12
+
La proiectarea piesei sau produsului se stabilesc
Cerintele privind performantele cerute materialului bazate pe functionalitatea si performanta impusa piesei (produsului) precum si pe conditiile ambientale in care va functiona aceasta
Cerintele fata de material
Cerinte functionale
Siguranta in functionare
Functionarea in conditii ambientale de exploatare
Cerinte de prelucrabilitate
COSTUL MATERIALULUI
13
CERINTE FUNCTIONALE
SIGURANTA IN FUNCTIONARE
Caracteristicile produsului (carora nu intotdeauna li se pot atribui valori cantitative) se coreleaza cu cele mai potrivite proprietati mecanice fizice chimice
Se stabilesc cat mai exat conditiile reale de functionare (rol functional tipul caracterul si valoarea solicitarilor conditii de temperatura si mediu etc)
Probabilitatea piesei (materialului) sa fie exploatata corespunzator fara a ceda sau avaria Precizarea anticiparea posibilelor moduri in care un produs poate suferi o avarie re realizeaza prin analiza avariilor
Cauzele unei avarii (in functionare) sunt atribuite- erorilor de conceptie constructiva- defectelor originale ale
materialului- defecte datorate prelucrarii piesei- conditiile de exploatare
14
FUNCTIONAREA IN CONDITII AMBIENTALE DE EXPLOATARE
CERINTE DE PRELUCRABILITATE
(TEHNOLOGICE)
Ambientul in care functioneaza piesa reprezinta un factor important la stabilirea acestor cerinte Mediile corosive temperaturile ridicate sau joase (negative) modifica defavorabil performanta materialelor de uz general
Se apeleaza la materiale speciale cu proprietati deosebite mai scumpe dar corespunzatoare
Forma piesei finite (materialului) precizia dimensionala si de forma calitatea suprafetei etc
Procedeul tehnologic de prlucrare
- turnabilitatea- deformabilitatea- aschiabilitatea- capacitatea de a
fi tratat termic
Se elimina materialele cu (ex) deformabilitate imposibila calibilitate insuficienta aschiabilitate slaba etc
15
Matricea de cerinte
ETAPA -II- STABILIREA MATRICEI DE CERINTE
Analiza celor patru grupuri de cerinte
Stabilirea unor cerinte tehnice
Costul materialuluicerinte economice
Cuprinde toate cerintele necesar a fi indeplinite de material (atat cerintele tehnice cat si cerintele
economice)
Pentru a lua o decizie corecta privind
selectia materialului se face
ierarhizarea cerintelor
16
Cerinte economice
COSTUL MATERIALULUI
Costuri legate cu prelucrare (manopera)
Alte costuri
Costul piesei
Alte costuri (intretinere
exploatare etc)
COSTUL MATERIALULUI controleaza evaluarea materialelor deoarece in multe aplicatii se impune un cost limita pentru materialul care sa satisfaca cerintele aplicatiei Cand limita este depasita produsul se reproiecteaza in vederea modificarii cerintelor fata de material pentru mentinerea acestuia sub limita de cost
Selectia se opreste la materialul care satisface cerintele stabilite (tehnice) de exploatarea piesei si care are costul cel mai scazut
17
ASPECTE ECONOMICE ALE MATERIALELOR
Materialul influenteaza costul total al produselor
Costul materialului are cea mai mare pondere din costul total (30-70)
Prelucrabilitatea
Determina- nivelul de
productivitate- investitiile de capital- manopera necesara
obtinerii formei finale
ATENTIE Alegerea unui material ieftin nu este intotdeauna o solutie corespunzatoare daca prelucrarea lui este dificila si costisitoare
Dimensiunile materiilor prime (semifabricatelor pot determina formarea unei cantitati mari de deseuri si implicit costul final
Posibilitatea reciclarii deseurilor ndash element important la selectia materialelor ndash indeosebi la materialele scumpe
18
Clasificarea materialelor pe baza costurilor
Materialele ingineresti
Materiale de larga utilizare
Materiale speciale
- ieftine- produse in cantitati mari
- substantial mai scumpe- elaborate pentru satisfacerea
unor cerinte deosebite
ATENTIE Compararea materialelor din punc de vedere a costurilor este dificila deoarece la unele materiale costul este dat in raport cu greutatea la altele in raport cu volumul la altele in raport cu suprafata etc
Compararea materialelor se face in raport cu costul relativ
19
Comparatia materialelor pe baza costului relativ al unitatii de
greutate
Comparatia materialelor pe baza costului relativ al unitatii de
volum
Comparatia materialelor pe baza costului relativ al unitatii de volum
raportat la rezistenta de rupere
20
Comparatia materialelor pe baza costului relativ al unitatii de volum
raportat la rezistenta de rupere specifica la tractiune
21
Concluzii
Din punct de vedere al costului relativ la unitatea de greutate utilizarea otelului este cea mai avantajoasa
Cel mai mare consum mondial
Materialele polimerice si aluminiu tind sa se apropie de costurile otelului
Din punct de vedere al costului relativ la unitatea de volum costurile materialelor polimerice se apropie de cele ale otelurilor unele fiind mai ieftine
Apare o plaja larga a costurilor materialelor ingineresti
Uneori materialele nu sunt utilizate la adevarata lor capacitate deoarece o cerinta importanta este rigiditatea Din acest punct de vedere betonul are cel mai mic cost
Sunt aplicatii la care se cere rezistenta ridicata si greutate redusa Se constata ca materialele polimerice si piesele turnate din magneziu apar mai ieftine decat otelurile
22
In cazul unui produs evaluarea valorii lui se
face prin
Evaluarea calitativa a proprietatilor materialului
Cel mai ieftin
Cel mai usor de procutat
Care sa aiba aceeasi
functionalitate
In cazul selectiei materialelor
Pentru aceeasi functionalitate
La cel mai scazut cost
Sa se selecteze cel mai ieftin material
Sa se selecteze un material mai scump dar
care va simplifica prelucrare (eventual
eliminarea unor etape)
23
Otelurile slab aliate cu continut ridicat de mangan si
continut scazut de Ni si Cr
Inlocuiesc otelurile scumpe continand cantitati mai mari de Ni Cr Mo (elemente scumpe)
Acoperirile metalice Inlocuiesc (in conditii mai putin
severe de coroziune) otelurile inoxidabile
Durificarea superficiala sau ecruisarea prin deformare
plastica
Mareste rezistenta la uzare si la oboseala a otelurilor carbon evitand utilizarea otelurilor aliate scumpe
Acoperiri de tipul alitarii cromarii aplicate otelurilor
carbon
Confera rezistenta la temperaturi moderate elimina finisarea
(costisitoare)
24
Coeficientul de utilizare a materialului
Minimalizarea costului materialelor
Printr-o proiectare care sa reduca cantitatea necesara de materiale scumpe
Alegerea procedeelor de prelucrare adecvate
Stabilirea formei semifabricatului care sa maximalizeze coeficientul de utilizare a
materialelor in fabricatie
Materiale ieftine
- Cumparate in cantitati mari- Cele care au dimensiuni mari
Cand fabricatia cere piese de mai multe dimensiuni se poate
cumpara stoc mare de semifabricate la dimensiunea
cea mai mare a pieselor
Reulta deseuri si costuri suplimentare de
manopera
Punctul de rentabilitate in aceasta privinta este greu de evaluat
25
Coeficientul de utilizare a materialelor pentru diferite procedee de prelucrare este dat in urmatorul tabel
Metoda de prelucrare Coeficientul de utilizare
1 Fara modificarea masei
Turnare 70
Deformare plastica 75
Agregate de pulberi 90
2 Cu micsorare de masa
Aschiere 60
Eroziune 90
3 Prin marire de masa
Depuneri prin sudare 80
Depuneri prin metalizare 90
26
Competitia in domeniul materialelor
Odata cu aparitia unor materiale noi si scaderea pretului celor existente apare o COMPETITIE INTRE MATERIALE
Intre otel si aluminiu la obtinerea cutiilor
de bauturi
Intre aluminiu si materiale polimerice
(armate) la constructia aeronavelor
Intre materiale polimerice si cupru
plumb fonta la instalatiile de apa
ProprietateaAliaj ZnAl4 turnat sub presiune
Polistiren ABS
Naylon 66
Policar-bonat
Polipr-opilena
Rezistenta la tractiune MNmm2 260 54 52 70 35
Rezistenta la tractiune prin soc (relativ) 79 1 33 36 16
Rezistenta la fluaj (exprimata ca modul de elasticitate aparent la 100 h MNmm2) 51100 1470 420 2030 308
Rezistenta la oboseala prin incovoiere la 107 cicluri MNmm2 644 154 14 7 182
Temperatura de stabilitate termica la 18 MNmm2 (oC) gt488 345 324 403 332
Modificarea rezistentei la tractiune dupa 500h de expunere in conditii atmosferice ()
+05 -8 +10 -11 -30
Densitatea (relativa) 667 105 114 12 09
Costul unitatii de greutate (relativ Zn=1) 1 21 374 42 14
Costul unitatii de volum raportat la rezistenta la tractiune (relativ) 1 21 37 30 16
Costul unitatii de volum raportat la rezistenta la fluaj (relativ) 1 117 183 19 30
Costul unitatii de volum raportat la rezistenta la tractiune prin soc (relativ) 1 27 15 16 09
Costul unitatii de volum raportat la rezistenta la oboseala (relativ) 1 09 18 34 04
In situatia in care piesa are un rol decorativ ndash materialul plastic este
important
27
Costul prelucrarii poate juca un rol important in procesul
selectiei
Alama mai ieftina pentru anumite piese decat otelul laminat deoarece se prelucreaza cu viteza mai mare
Costul alamei este mai mare decat a otelului
Aluminiul se prelucreaza mai usor si are greutate specifica mai mica
Poate inlocui fonta otelul si aliajele lui chiar
daca sunt mai ieftine
Materialele plastice se prelucreaza foarte usor si devin economice la
serie mare
Pot inlocui orice tip de material la diferite
aplicatii
Criteriul economic privind costul materialului nu este
concludent la selectarea materialului
Devine important COSTUL REPERULUI
28
Costul de baza al materialului
Cheltuieli de dezvoltaresi utilizare a
echipamentelor
Cheltuieli de prelucrareDeterminate de material de procedeu de forma
de precizie
COSTUL REPERULUI
Costurile reperului
29
Reper Comportare Costuri
Cheltuieli de intretineresi reparatii cu reperul
UtilizareCheltuieli de exploatare
Durabilitate
ECONOMICITATEA REPERULUI
Economicitatea reperului
30
CERINTE IMPUSE MATERIALULUIPIESE
Problema selectiei materialului este complexa
datorita
Varietatii materialelor ingineresti
Severitatii cerintelor functionale impuse
Cerinta diminuarii costurilor
Severitatii cerintelor functionale impuse
Prelucrarile la care este supus materialul
Geometria pieselor
Solicitarile la care este supus materialul
INFLUENTEAZA PROPRIETATILE MATERIALELOR
31
Comportarea materialului in produsul finit este sensibil diferita de cea a semifabricatului din care a fost obtinut
Comportarea materialului in piesa
(C)
Proprietatile materialului (M)
Influenta procedeului de prelucrare (P)
Forma piesei si fortele exterioare la care este
supusa (F)
Arata influenta directa a proprietatilor
semifabricatului a procedeului de prelucrare
a formei geometrice si a actiunii fortelor exterioare
asupra comportarii materialelor in piesa finita
Influenteaza direct comportarea
materialului in piesa
Este foarte important a se apela la criterii de proiectare adecvata
32
Influenta procedeului de prelucrare (P)
Prezenta muchiilor ascutite si a filetelor
Rugozitatea suprafetei
Afecteaza intr-o masura mai mare comportarea otelurilor de inalta rezistenta
decat a celor moi
Afecteaza intr-o masura mai mare comportarea materialelor la solicitari
variabile (oboseala) decat la solicitari statice
Interesul se focalizeaza preponderent pe performanta piesei in functionare si mai putin pe comportarea materialului in piesa
Comportarea materialului in piesa (proprietatile piesei)
Performantele piesei in functionare
Comportarea materialului in functionareConditiile de functionare
Factori care influenteaza
performantele piesei in functionare
33
CLASIFICAREA CERINTELOR IMPUSE MATERIALELOR
Cerintele impuse materialelor
Cerinte ldquorigiderdquo sau nenegociabile
Cerinte ldquonerigiderdquo ldquorelativerdquo sau
negociabile
Sunt cerintele care trebuie satisfacute obligatoriu de
material pentru a fi luate in considerare la selectie
bull Disponibilitatebull Prelucrabilitatebull Caracteristici minime
In anumite limite sunt supuse compromisului Pot fi comparate dpdv al importantei lor relative pentru o
aplicatie data in cadrul metodelor cantitative de selectie a materialelor
bull Proprietati mecanicebull Densitatebull Costul
In functie de tipul aplicatiei aceste cerinte isi pot schimba caracterul (din ldquonegociabilerdquo in ldquonenegociabile
Modificarea clasei de material selectate in final
34
EXEMPLE
Butelie de aragaz
Rezistenta Ductilitate Cost
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Rezistenta Ductilitate ρmic
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Butelii pentru gaze utilizate in aviatie
Costul este nenegociabil Oteluri pentru recipienti sub
presiune la temperaturi joase ndash R37 R44
Greutate cat mai mica (considerata nenegociabila) Materiale compozite (Kevlar 49-matrice epoxidica armata
cu fibre de poliamida)
35
MODALITATI DE ABORDARE A SELECTIEI MATERIALELOR SI PROCEDEELOR DE PRELUCRARE
Aparitia unor materiale noi si a competitiei intre materiale
Abordari noi in selectia materialelor si a procedeelor de prelucrare
Materialele plastice folosite la obtinerea pieselor complexe si de buna calitate inalta tehnologie
Materialele compozite au condus la reducerea substantiala a
greutatii produsului
Materiale sinterizate utilizate la obtinerea pieselor fara pierderi de material si consum de enetgie
scazut
Ingineria suprafetelor ofera posibilitati de modificare a
suprafetelor si coferirea unor proprietati deosebite
Cu toate aceste proiectantii se limiteaza la selectia
materialelor si procedeelor de prelucrare cunoscute mai bine
- Evitarea riscurilor- Nu este cunoscuta existenta unor noi materiale- Nu sunt cunoscute noile tehnologii de fabricatie etc
Proiectarea industriala trebuie asociata cu design-ul realizarea unei forme estetice obtinerea unui aspect exterior
placut
Design-ul industrial include mai mult decat o stilizare
Alegerea materialului permite un anumit design sau altul
36
La selectarea functiunii produsului (comportarea lui in exploatare-C) a materialelor (M) a
procedeelor de prelucrare (P) a formei (F) trebuie sa se tina seama ca acestea se intrepatrund (trebuie
sa tin seama in acelasi timp de ele)
Dificil Pot fi urmate diferite
succesiuni
Succesiunea CFMP prezinta urmatoarea
ordine de luare in considerare
-functionalitatea produsului (C)-forma piesei-materialul piesei-procedeul de prelucrare
Pot exista diferite succesiuni
Conduce la solutii diferite
Cadrul face conexiunea intre roti
saua bicicletei pedale ghidon
EXEMPLU Succesiunea CFMP
Functionalitatea si forma sunt aceleasi
Teava de aluminiu
Sudare
Succesiunea CFPM
Functionalitatea si forma sunt aceleasi
Sudare Teava de otel-se sudeaza mai bine
Succesiunea CMPF
Functionalitatea este aceeasi
Ca material se poate alege unul compozit
Sudare lipire
Forma aceeasi sau nu
Succesiunea CPMF
Poate fi aleasa presarea unui material superplastic
Alegerea ca material aluminiul
Forma S asimetrica plata
37
Pe baza functiunilor impuse produsului proiectantul schiteaza o serie de solutii tinand seama
de-materialele ce pot fi folosite-procedeele de fabricatie ce pot fi aplicate-formele potrivite ca functionalitate si design
Fiecare combinatie materialprocedeu de prelucrare conduce la diferite forme
Pot fi generate un numar
diferit de forme
Este o abordare CPMF sau CMPF
38
STRATEGII DE SELECTIE A MATERIALELOR
O strategie de selectie are doua componente
Formularea marimi prin care sa se evaluare un set de cerinte impuse materialului
Un procedeu de evaluare a marimii cerintelor prin care sa
se poata face ierarhizarea acestora in functie de masura in
care acestea sunt indeplinite
Strategiile cauta cai de implementare a procesului si anume de a converti un set de date ldquode intrarerdquo (cerintele proiectarii)
intr-un set de date ldquode iesirerdquo- alegerea materialului si a procedeului de prelucrare
39
Cerintele proiectarii
Materiale si procedee de prelucrare selectate
Strategii de selectie
Date initiale Functie de transfer Date finale
Strategia 1 Cautare libera implicand analiza rationala
Strategia 2 Bazata pe chestionare Este o selectie prin expertiza
Strategia 3 Analogie bazata pe cazuri anterioare
Posibila inovatie
Ofera solutii cunoscute
Ofera solutii similare cu situatia prezenta
Ofera mare libertate de selectie dar putina ghidare in proces
Ofera multa ghidare in proces dar putina libertate de selectie
Ofera idei ale solutiilor anterioare pentru probleme similare
40
SELECTIA LIBERA BAZATA PE ANALIZA RATIONALA
Este rapida si eficienta
Ofera o mare libertate pentru aplicatii
Ofera solutii noi si inovative
Avantaje
Are nevoie de date de intrare precis detaliate intr-o forma ce pot fi analizate prin metode ingineresti
standard
EXEMPLU
Gasiti un material pentru o bara de lungime L care sa
suporte o forta F la temperatura T si sa fie cat mai usoara
Cerinte pentru proiectare
ANALIZA SCHITEIFunctia Ce trebuie sa faca piesaObiective Ce trebuie maximalizat sau minimalizatConstrangeri Ce conditii esentiale trebuie sa fie indepliniteVariabile libere Care variabile ale proiectului sunt libere (cerinte nerigide)
41
Functia Ce trebuie sa faca piesa
Obiective Ce trebuie maximalizat sau minimalizat
Variabile libere Care variabile ale proiectului sunt libere (cerinte nerigide)
De a rezista la momente de incovoiere trebuie sa suporta incarcatura pentru care a fost proiectata fara a se deforma
Constrangeri Ce conditii esentiale trebuie sa fie indeplinite
Lungimea L data Tigiditatea S data Sa reziste si sa nu se deformeze la temperatura T
Trebuie minimalizata greutate
Aria sectiunii Costul
Procesul de selectie a avea 3 pasi
Filtrarea Se folseste de constrangeri pentru inlaturarea materialelor care nu indeplinesc cerintele
IerarhizareaSe folseste de marimea performantelor materialelor ramase in discutie pentru a le ordona
Documentarea
Analizeaza informatiile nestructurate le structureaza si le introduce in structura ierarhizata realizand o fisa cu informatii care ajuta selectia finala a materialului
42
Ierarhizarea se face parcurgand mai multe faze
Identificarea unuia sau a mai multor indici de performanta corespunzatori functiei obiectivului si constrangerilor
Indicele de performanta permite optimizarea selectiei
Pentru identificarea acestor indici se parcurg urmatoarele etape
Transpunerea intr-o relatie a obiectivului (entitatea) ce trebuie minimalizata sau maximalizata
Analiza grupului de proprietati (indicele de performanta) care maximalizeaza obiectivul
Eliminarea din aceasta relatie a variabilelor libere utilizand constrangerile (ex valoarea impusa rigiditatii a incarcarii limita a unui moment a presiunii a temperaturii de lucru sau al tenacitatii
43
EXEMPLU
TEMAGasiti un material pentru o bara de lungime L care sa
suporte o forta F la temperatura T si sa fie cat mai usoara
b
b
Lδ
F
Sageata
Sectiunea
CERINTELE PROIECTARIIFunctia Bara incarcata la incovoiereObiectiv Minimalizarea greutatiiConstrangeri Lungimea L data Rigiditatea S data Temperatura de exploatare T data (500deg)Variabile libere Aria sectiunii A Materialul de selectat
Se alege masa ldquomrdquo ca indice de performanta (trebuie sa fie minimalizat)
Masa barei este
Constrangerea privind rigiditatea va determina aria sectiunii ASageata unei bare simplu rezemata (forta actionand la mijloc) este data de relatia
44
unde E-modulul de elasticitate al materialului barei I-momentul de inertie al sectiunii grinzii
CL-reprezinta o constanta ce depinde de modul de distributie a fortei F (CL=48)
Rigiditatea barei este data de relatia
Din aceasta ultima relatie rezulta aria sectiunii A
Prin substitutia acestei relatii in relatia de determinare a masei grinzii se obtine indicele de performanta m
Valorile S L CL sunt date de proiect
Cea mai usoara bara este acea realizata dintr-un material care are cea mai mare valoare pentru
raport numit si ldquoindice de materialrdquo
Functia Incarcarea ConstrangeriIndici de
performantaRelatia
indicelui
Structuri de masa minima
Tija
BaraStatica
Rigiditate
Tractiune Eρ
Compresiune Eρ
Incovoiere E12ρ
Torsiune E12ρ
Rezistenta
Tractiune σrρ
Compresiune σcρ
Incovoiere σr23ρ
Torsiune σc23ρ
Dinamica
Panou
45
Exista mai multi indici de performanta fiecare realizand o combinatie dintre obiectiv si constrangere
46
47
48
METODE CANTITATIVE DE SELECTIE A MATERIALELOR CANDIDATE
Materialele candidat sunt materialele care satisfac cerintele cuprinse in matricea de cerinte rezultate dinbull Cerintele functionalebull Siguranta in functionarebull Functionarea in conditii ambientale de exploatarebull Cerintele de prelucrabilitatebull Economicitatea piesei
Care din aceste materiale vor fi luate in considerare la realizarea piesei
Evaluarea materialelor candidat
Evaluarea presupune compararea materialelor candidat care indeplinesc cerintele negociabile cu caracteristicile efective ale materialului in vederea selectarii celui optim pentru o aplicatie data
49
Evaluarea materialelor candidat
Este mai simpla pentru metodele cantitative de evaluare
Trebuie sa tina seama de anumite avantaje (usurinta procurarii materialului distanta pana la furnizor seriozitatea furnizarii constanta in calitatea produselor etc) care pot introduce anumite limitari determinand anumite compromisuri
In cele mai multe cazuri metodele cantitative de selectie conduc la materialul optim pentru o aplicatie
Metodele cantitative pot fi reluate odata cu schimbarea importantei relative a cerintelor negociabile
ATENTIE Cerintele nenegociabile trebuie satisfacute in totalitate si intocmai
Daca niciun material nu satisfac cerintele negociabile atunci fie ca acestea trebuie relaxate fie se impune reproiectarea produsului
50
Selectia este o operatie complexa
Numar mare de materiale cu o plaja larga de proprietati
Daca se face intamplator
Apare riscul de a omite anumite materiale candidate
Reducerea riscului prin adoptarea unei metode sistematice de selectie a materialelor
Metodele cantitative
Permitbull analiza unui numar ridicat de datebull a multor specificatii implicate in selectia materialelorbull pot fi adaptate pentru o selectie asistata de calculator
dintr-o baza de date
Metodele nu elimina capacitatea de analiza si experienta ingineruluiAceste metode sprijina inginerul in alegerea optima
51
METODA COSTULUI RAPORTAT LA UNITATEA DE PROPRIETATE
Economicitatea piesei
Costul initial al materialului
Costul prelucrarii si montarii
Costul functionarii si intretinerii
Unele dintre aceste costuri cresc odata cu cresterea
valorii proprietatilor altele scad
Proprietatea (Rm)
Costul piesei
Alte costuri
Costul total
Cos
tul
Cost minim
Odata cu cresterea rezistentei- Prelucrare mai dificila- Greutatea pe piesa scade- Durabilitatea in exploatare
creste si deci numarul de piese in utilizate in timp mai mic
Costul total este suma costului piesei si a celorlalte costuri
52
Valoarea optima a proprietatii (aici Rm) apare la costul minim
In piata costul materialului este legat de greutatea sau volumul (dupa caz) materialului
Se poate stabili o comparatie a materialelor intre proprietatile relative (proprietatea raportata la
greutatea specifica) De exemplu rezistenta rigiditatea modul de elasticitate etc
Criteriul esential este costul raportat la unitatea de rezistenta la tractiune
C=pρσ
C- costul asigurarii unei rezistente de 1 MPap- costul unitatii de proprietate a materialului
ρ- densitatea materialului
σr- rezistenta la tractiune
Cu cat valoarea lui ldquoCrdquo este mai mica cu atat materialul
este mai economic
53
Relatii asemanatoare pot fi obtinute si pentru alte proprietati cum ar fi- limita la curgere- modulul de elastuicitate- factorul de intensitate a tensiunii etc
Costul unitatii de proprietate pentru diferite moduri de solicitare
54
Compararea materialelor privind aceste costuri este esentiala
Se compara materialele intre ele
Este dificilSe ia un material de referinta
Costul relativ pe unitatea de proprietate a materialului candidat ldquoirdquo raportat la costul relativ pe unitatea de proprietate a materialului de referinta ldquobrdquo este dat de relatia
Daca CR este subunitar materialul candidat este mai ieftin decat materialul de referinta
Materialul de referinta este eliminat si materialul candidat se ia ca material de referinta pentru urmatoarea comparatie
Daca CR este supra unitar materialul candidat este mai scump decat materialul de referinta
Materialul de referinta se ia ca material de comparatie pentru urmatoarea analiza
55
METODA PONDERARII PROPRIETATILOR
Este o metoda pentru rezolvarea unor solutii mai comlexe de materiale materiale si proprietati
Fiecarei proprietati a materialului i se acorda o pondere rdquoαrdquo
Ponderea este proportionala cu importanta relativa a proprietatii pentru performanta in exploatare a materialului pentru aplicatia data
Ponderea proprietatii este egala cu produsul dintre valoarea numerica a proprietatii materialului ldquoprdquo si ponderea ei ldquoαrdquo
γ=pα
Insumand toate aceste produse pentru un material se obtine un indice de performanta ldquoPrdquo al materialului
Aceasta metoda ia in considerare toate proprietatile materialului
Comparand mai multe materiale prin indicele de performanta se poate gasi cel mai performant material pentru o aplicatie
56
Dezavantajul acestei metode consta in faptul ca in cazul unei proprietati care are o valoare ridicata aceasta v-a avea o influenta mai mare asupra indicelui de performanta decat ponderea ei
Exemplu Un material A care are Rm=370 MPa si o duritate de 350 HRB si un alt material B care are Rm=400 MPa si o duritate de 300 HRBStabilind ponderea proprietatii de 100 pentru rezistenta si 90 pentru duritate se obtine un indice de performanta de 68500 pentru material ul A si 67000 pentru materialul B
Inseamna ca impotriva importantei rezistentei la tractiune (ca fiind primul criteriu de selectie) si care este mai mare pentru materialul B indicele de performanta al materialului A este mai mare si deci acest material v-a fi selectat
La evaluarea materialelor candidat se va lucra cu valori relative ldquoβrdquo ale unei anumite proprietati celei mai mari valori a proprietatii atribuindu-se valoarea 100 iar celelalte valori relative se determina cu relatia
57
Pentru proprietatile materialelor care nu se exprima in mod obisnuit prin valori numerice (rezistenta la uzare sudabilitatea aschiabilitatea diferite proprietati tehnologice etc) evaluarea se poate face relativ la una dintre proprietati astfel
Astfel fiecarei proprietati I se acorda o importanta egalasi ea va influenta indicii de performanta ai materialelor doar comparate doar in masura ponderii acordate
Pentru proprietati ale caror valori se doreste a fi cat mai mici (densitatea pierderea de greutate prin coroziune etc) evaluarea se face printr-un raport invers
ProprietateaMateriale alternative
A B C D
Sudabilitatea Foarte buna Buna Buna Satisfacatoare
Evaluarea relativa 5 3 3 1
Valoarea scalata 100 60 60 20
58
Exemplu In ceea ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru rezistenta la tractiune a materialului A este de 925 Pentru al doilea material aceasta valoare este de 100 In ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru duritate aceasta este de 100 pentru materialul A si de 857 pentru materialul B
Acest lucru poate schimba situatia ierarhica a materialelor sau le poate apropia atat de mult indicele de performanta incat sa se puna problema luari in considerare si a altor elemente pentru selectie
Astfel indicele de performanta a materialului este dat de relatia
unde P reprezinta indicele de performanta a materialuluildquoirdquo este suma celor ldquonrdquo proprietati considerate a materialul ui
59
Ponderea α poate fi considerata ca αilt1 astfel incat
(cazul cel mai frecvent) sau ei I se poate aloca o plaja de valori valoarea cea mai mare
corespunzand proprietatii cu cea mai mare importanta
Costul materialului poate fi considerat ca o proprietate (chiar importanta) acordandui-se o pondere ldquoαrdquo
In cazul luarii in considerare a unui numar mare de proprietati costul poate fi considerat un factor de corectie al indicelui de performanta a materialului rezultand indicele de merit al acestuia
in care ldquoprdquo reprezinta costul unitatii de greutate a materialului
60
Cand se doreste compararea mai multor materiale candidat (i) cu unul de baza (de referinta) se calculeaza indicele relativ de merit al fiecarui material astfel
Daca RMgt1 respectivul material candidat ldquoirdquo corespunde mai bine cerintelor decat materialul de referinta ldquobrdquoIn cazul in care Mb reprezinta minimul cerintelor impuse Materialele candidat avand RMlt1 pot fi eliminate de la inceput ca fiind necorespunzatoare
Cand trebuie luate in considerare mai multe proprietati ale materialului pentru evaluarea indicelui de performanta este dificila evaluarea ponderii acestora Rezolvarea aceste probleme poate fi realizata printr-o evaluare prin programe numerice
61
METODA CRESTERII INCREMENTALE
In anumite situatii pot aparea mai multe materiale care indeplinesc cerintele minime impuse de o anumita aplicatie
Dupa analiza acestor materiale se poate presupune ca performantele pieselor prelucrate sunt proportionale cu indicii de performanta ldquoPrdquo In acelasi timp costul piesei variaza proportional cu costul materialului si al prelucrarii acestora
Daca se doreste selectarea piesei care are cea mai mare performanta la cea mai rezonabila crestere a costului se poate face o analiza beneficiu-cost Procedeul se ia indeosebi cand se doreste inlocuirea unui material utilizat deja in fabricatie
Materialul cu cel mai scazut cost (1) se ca element de baza si este comparat cu materialul care are costul imediat superior (2) Comparatia se face determinand cresterea indicelui de performanta (ΔP=P2-P1) si a costului ldquoprdquo pe unitatea de volum (Δpρ=p2ρ2-p1ρ1)
Daca ΔPΔpρlt1 materialul 1 corespunde mai bine decat materialul 2 pentru aplicatia data si materialul 2 va fi eliminatDaca ΔPΔpρgt1 materialul 1 va fi eliminat deoarece materialul 2 corespunde mai bine cerintelor aplicatieiSe continua compararea cu al treilea material si rand pe rand vor fi eliminate materialele mai putin corespunzatoare ajungand la materialul optim
62
EXEMPLU DE SELECTIE A MATERIALELOR
Tema Realizarea piesesei din figura dintr-un otel ldquoOL37rdquo intr-o serie mare de fabricatie-Este o piesa cilindrica cu dimensiunile date-Are un butuc-Prezinta o gaura lunga si de diametre mic
oslash200oslash50
150oslash20
Se poate realiza din bara rotunda prin strunjire
Se poate realiza din bara rotunda prin forjare
80
Coeficientul de utilizare a materialului 055
Coeficientul de utilizare a materialului 098
63
Diametrul mm Inaltime mm Volum mm3 Volum mm3Coeficientul de
utilizare a materialului
Semif Pornire 200 150 4710000 4710000
Strunjire
200 80 2512000
2602275 055=5550 35 137375
20 150 47100
Forjare
200 80 25120002649375
098=9850 35 137375
20 150 47100 2602275
Coeficientul de utilizare a materialului K=greutatea piesei finitegreutatea materialului utilizat pentru realizarea lui (a semifabricatului de pornire)
In calcul s-a lucrat cu volumul materialului deoarece G=VρAdaosuriele de prelucrare s-u luat ca fiind egaleApare un mult mai bun grad de utilizare a materialului pentr prelucrarea prin forjare
PIESA SE VA REALIZA PRIN FORJARE
64
1
2
3
5
6
4
9
8
F
107F
1-semimatrita superioara2-semimatrita inferioara3-cavitatea semimatritei sup4-cavitatea semimatritei inf5-canalul de bavura6-canalul de refulare7-prinderea semimatritei sup8-prinderea semimatritei inf9-elemente de ghidare (stifturi)10-planul de separare
TEMA Sa se stabileasca materialul optim pentru realizarea elementelor active ale matrtei de forjare din figura Se urmreste obtinerea piesei prin forjare la cald
CERINTE PENTRU PROIECTARE
Analiza schiteiFunctia Elemete (semimatrite) de matrita de deformare plasticaObiectiv Trebuie maximalizata tenacitatea (rezilienta)Constrangeri Dimensiunile cavitatii matritei (depind de marimea piesei) dimensiunile exterioare si sistemul de prindere (depind de utilaj temperatura de lucruVariabile libere material
65
Se cauta in sursele de informatii structurate si nestructurate materialele care respecta cerintele
Elemente de matrita
Rezistente la cald
Tenacitate Duritate
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Materialele potrivite sunt metalele si aliajele lor
-Materialele ceramice nu au tenacitate-Materialele polimerice nu au rezistenta la cald-Materialele compozite sunt scumpe si nu au tenacitate
Depinde de compozitia lor
Se cauta materiale cu destinatie precisa Materiale pentru scule de deformare
66
Din baza de date se constata ca urmatoarele materiale satisfac
cerintele rigide adica sa poata fi utilizate la prelucrarea la cald
Sunt materiale cu destinatie precisaDaca nu sunt materiale cu destinatie
precisa se cauta in grupa materialelor cu destinatie generala
Material Rm min MPa HV A5 KCU Jcm3
C120 890 265 8 60
VMoC120 870 265 8 68
VC06 870 230 6 68
VCW85 870 265 6 80
MoCN15 830 250 7 75
VMoCN17 870 265 7 73
VSCW20 790 235 5 78
OSC7 640 195 12 56
OSC8 640 195 10 58
67
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU Jcm3 βKCU Indicele de
performanta PC120 890 265 8 60 101450
VMoC120 870 265 8 68 100650
VC06 870 230 6 68 97400
VCW85 870 265 6 80 101750
MoCN15 830 250 7 75 96750
VMoCN17 870 265 7 73 101100
VSCW20 790 235 5 78 92400
OSC7 640 195 12 56 74950
OSC8 640 195 10 58 75050Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza peoprietatii
68
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU
Jcm3 βKCU Indicele de performanta P
C120 890 100 265 10000 8 6667 60 75 25017000
VMoC120 870 9775 265 10000 8 6667 68 85 2835015356
VC06 870 9775 230 8679 6 5000 68 85 2126563155
VCW85 870 9775 265 10000 6 5000 80 100 2501682022
MoCN15 830 9326 250 9434 7 5833 75 9375 2735970124
VMoCN17 870 9775 265 10000 7 5833 73 9125 2663140356
VSCW20 790 8876 235 8868 5 4167 78 975 2032758226
OSC7 640 7191 195 7358 12 10000 56 70 3501237545
OSC8 640 7191 195 7358 10 8333 58 725 3022070878Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza proprietatii relative
69
Material Indicele de performanta P
VSCW20 2032758226
VC06 2126563155
VCW85 2501682022
C120 25017000
VMoCN17 2663140356
MoCN15 2735970124
VMoC120 2835015356
OSC8 3022070878
OSC7 3501237545
Material Indicele de performanta P
OSC7 74950
OSC8 75050
VSCW20 92400
MoCN15 96750
VC06 97400
VMoC120 100650
VMoCN17 101100
C120 101450
VCW85 101750
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile proprietatii materialului
ordonate crescator
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile relative ale proprietatii materialului ordonate crescator
70
Luand in considerare ca unele materiale sunt aliate cu siguranta acestea sunt mai scumpe
Daca luam in considerare costul unitar pentru otelurile carbon de scule iar densitatea de 785 (corespunzatoare fierului) se obtine indicele de merit
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
OSC7 74950 1 95477707 114
OSC8 75050 1 956050955 114
VSCW20 92400 14 840764331 100
MoCN15 96750 14 880345769 105
VC06 97400 12 103397028 123
VMoC120 100650 13 986281235 117
VMoCN17 101100 14 919927207 109
C120 101450 15 861571125 102
VCW85 101750 14 925841674 110
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea proprietatii materialului
71
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
VSCW20 2032758226 14 184964352 100
VC06 2126563155 12 225749804 122
VCW85 2501682022 14 227632577 123
C120 25017000 15 212458599 115
VMoCN17 2663140356 14 242323963 131
MoCN15 2735970124 14 248950876 135
VMoC120 2835015356 13 277806502 150
OSC8 3022070878 1 384977182 208
OSC7 3501237545 1 446017522 241
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea relativa a proprietatii materialului
72
Selectati materialele potrivite pentru piesele din imagine
Randul I 1 Serie mare de fabricatie-6p Randul II Serie mica (unicat) de fabricatie-6p
Randul I 2 Criterii de selectie a materialelor-1p3 Etapele selectiei materialelor ndash 1p4 Economicitatea piesei ndash 1p5 Strategii de selectie a materialelor ndash 1p
Randul II 2 Tipuri de date utilizate la selectia materialelor-1p3 Cum se face minimalizarea costurilor-1p4 Perofmantele piesei in functionare ndash 1p5 Care sunt cerintele fata de material ndash 1p
SUBIECTE EXAMEN
73
Date privind principalele proprietati tehnologice ale unor materiale
Material
Valorile proprietatii
Aschiabilitate Turnabilitate Sudabilitate Cost
F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba $tona
Otel de constructii (OL) X X X 140
Otel carbon de calitate (OLC) X X X
260
Fonte obisnuite (Fc) X X X 160
Punctaje 60 30 10 60 30 10 60 30 10
Avand in vedere ca pretul creste odata cu rezistenta la tractiune calculati costul fiecarui material prin inmultirea costului de baza cu valoarea proprietatii si impartiti la 100
74
Materiale ce pot fi luate in considerare spre analiza
Material Rm HV A Material Rm HV A Material Rm HV A
OL30 310 95 32 OLC8 324 140 33 Fc100 100 105 2
OL32 310 93 33 OLC10 321 150 31 Fc150 150 145 3
OL34 330 105 31 OLC15 373 155 27 Fc200 200 180 4
OL37 360 112 25 OLC20 410 165 25 Fc250 250 190 4
OL42 410 130 22 OLC25 450 175 24 Fc300 300 210 5
OL44 430 135 22 OLC30 490 180 21 Fc350 350 220 6
OL50 500 160 21 OLC35 530 195 21 Fc400 400 240 6
OL52 510 160 21 OLC40 570 200 19
OL60 590 185 16 OLC45 610 220 18
OL70 690 215 11 OLC50 640 230 16
OLC55 670 240 14
OLC60 700 255 14
Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50
Proprietatea tehnilogica intra cu o pondere de 100
VA UREZ SUCCES
9
Materialul selectat
Sa aiba proprietatile cerute
Se tine seama de procedeul de prelucrare
Contribuie la definirea proprietatilor finale ale
materialului piesei
Selectia optima a materialului
Este o activitatebull complexabull dificilabull care se deruleaza de la conceptie pana
la fabricatia de serie (si in timpul acesteia)
ETAPELE SELECTIEI MATEIALELOR
10
Obiectul selectiei Rolul functional siguranta in functionare
durata de exploatare etc
Analiza cerintelor determinate de rolul functional si de prelucrare
Matricea de cerinte referitoare la reper (piesa)
Matricea de cerinte specifice
materialului
Materiale proprietati comportare in functionare
Testarea materialului sau imbunatatirea lui
(daca este cazul)
Decizia de selectie a materialului (strategii procedee si criterii de selectie
Cerintele nu pot fi indeplinite Cerintele sunt indeplinite partial sau integral
Proiectarea unui nou material sau procedeu de prelucrare
Optimizarea selectiei materialului (a reperului)
11
Obiectul selectiei Rolul functional
siguranta in functionare durata de
exploatare etc
Se stabilesc toate proprietatile
materialelor ca rezultat al cerintelor functionare
si de utilizare
PROPRIETATI DE UTILIZARE
ETAPA -I- ANALIZA CERINTELOR FATA DE MATERIAL
Procedeele posibile de prelucrare
PROPRIETATI DE PRELUCRARE
Aceste grupe de proprietati pot fi in acord
sau in contradictie
Matricea de cerinte
Care si de unde rezulta aceste cerinte
12
+
La proiectarea piesei sau produsului se stabilesc
Cerintele privind performantele cerute materialului bazate pe functionalitatea si performanta impusa piesei (produsului) precum si pe conditiile ambientale in care va functiona aceasta
Cerintele fata de material
Cerinte functionale
Siguranta in functionare
Functionarea in conditii ambientale de exploatare
Cerinte de prelucrabilitate
COSTUL MATERIALULUI
13
CERINTE FUNCTIONALE
SIGURANTA IN FUNCTIONARE
Caracteristicile produsului (carora nu intotdeauna li se pot atribui valori cantitative) se coreleaza cu cele mai potrivite proprietati mecanice fizice chimice
Se stabilesc cat mai exat conditiile reale de functionare (rol functional tipul caracterul si valoarea solicitarilor conditii de temperatura si mediu etc)
Probabilitatea piesei (materialului) sa fie exploatata corespunzator fara a ceda sau avaria Precizarea anticiparea posibilelor moduri in care un produs poate suferi o avarie re realizeaza prin analiza avariilor
Cauzele unei avarii (in functionare) sunt atribuite- erorilor de conceptie constructiva- defectelor originale ale
materialului- defecte datorate prelucrarii piesei- conditiile de exploatare
14
FUNCTIONAREA IN CONDITII AMBIENTALE DE EXPLOATARE
CERINTE DE PRELUCRABILITATE
(TEHNOLOGICE)
Ambientul in care functioneaza piesa reprezinta un factor important la stabilirea acestor cerinte Mediile corosive temperaturile ridicate sau joase (negative) modifica defavorabil performanta materialelor de uz general
Se apeleaza la materiale speciale cu proprietati deosebite mai scumpe dar corespunzatoare
Forma piesei finite (materialului) precizia dimensionala si de forma calitatea suprafetei etc
Procedeul tehnologic de prlucrare
- turnabilitatea- deformabilitatea- aschiabilitatea- capacitatea de a
fi tratat termic
Se elimina materialele cu (ex) deformabilitate imposibila calibilitate insuficienta aschiabilitate slaba etc
15
Matricea de cerinte
ETAPA -II- STABILIREA MATRICEI DE CERINTE
Analiza celor patru grupuri de cerinte
Stabilirea unor cerinte tehnice
Costul materialuluicerinte economice
Cuprinde toate cerintele necesar a fi indeplinite de material (atat cerintele tehnice cat si cerintele
economice)
Pentru a lua o decizie corecta privind
selectia materialului se face
ierarhizarea cerintelor
16
Cerinte economice
COSTUL MATERIALULUI
Costuri legate cu prelucrare (manopera)
Alte costuri
Costul piesei
Alte costuri (intretinere
exploatare etc)
COSTUL MATERIALULUI controleaza evaluarea materialelor deoarece in multe aplicatii se impune un cost limita pentru materialul care sa satisfaca cerintele aplicatiei Cand limita este depasita produsul se reproiecteaza in vederea modificarii cerintelor fata de material pentru mentinerea acestuia sub limita de cost
Selectia se opreste la materialul care satisface cerintele stabilite (tehnice) de exploatarea piesei si care are costul cel mai scazut
17
ASPECTE ECONOMICE ALE MATERIALELOR
Materialul influenteaza costul total al produselor
Costul materialului are cea mai mare pondere din costul total (30-70)
Prelucrabilitatea
Determina- nivelul de
productivitate- investitiile de capital- manopera necesara
obtinerii formei finale
ATENTIE Alegerea unui material ieftin nu este intotdeauna o solutie corespunzatoare daca prelucrarea lui este dificila si costisitoare
Dimensiunile materiilor prime (semifabricatelor pot determina formarea unei cantitati mari de deseuri si implicit costul final
Posibilitatea reciclarii deseurilor ndash element important la selectia materialelor ndash indeosebi la materialele scumpe
18
Clasificarea materialelor pe baza costurilor
Materialele ingineresti
Materiale de larga utilizare
Materiale speciale
- ieftine- produse in cantitati mari
- substantial mai scumpe- elaborate pentru satisfacerea
unor cerinte deosebite
ATENTIE Compararea materialelor din punc de vedere a costurilor este dificila deoarece la unele materiale costul este dat in raport cu greutatea la altele in raport cu volumul la altele in raport cu suprafata etc
Compararea materialelor se face in raport cu costul relativ
19
Comparatia materialelor pe baza costului relativ al unitatii de
greutate
Comparatia materialelor pe baza costului relativ al unitatii de
volum
Comparatia materialelor pe baza costului relativ al unitatii de volum
raportat la rezistenta de rupere
20
Comparatia materialelor pe baza costului relativ al unitatii de volum
raportat la rezistenta de rupere specifica la tractiune
21
Concluzii
Din punct de vedere al costului relativ la unitatea de greutate utilizarea otelului este cea mai avantajoasa
Cel mai mare consum mondial
Materialele polimerice si aluminiu tind sa se apropie de costurile otelului
Din punct de vedere al costului relativ la unitatea de volum costurile materialelor polimerice se apropie de cele ale otelurilor unele fiind mai ieftine
Apare o plaja larga a costurilor materialelor ingineresti
Uneori materialele nu sunt utilizate la adevarata lor capacitate deoarece o cerinta importanta este rigiditatea Din acest punct de vedere betonul are cel mai mic cost
Sunt aplicatii la care se cere rezistenta ridicata si greutate redusa Se constata ca materialele polimerice si piesele turnate din magneziu apar mai ieftine decat otelurile
22
In cazul unui produs evaluarea valorii lui se
face prin
Evaluarea calitativa a proprietatilor materialului
Cel mai ieftin
Cel mai usor de procutat
Care sa aiba aceeasi
functionalitate
In cazul selectiei materialelor
Pentru aceeasi functionalitate
La cel mai scazut cost
Sa se selecteze cel mai ieftin material
Sa se selecteze un material mai scump dar
care va simplifica prelucrare (eventual
eliminarea unor etape)
23
Otelurile slab aliate cu continut ridicat de mangan si
continut scazut de Ni si Cr
Inlocuiesc otelurile scumpe continand cantitati mai mari de Ni Cr Mo (elemente scumpe)
Acoperirile metalice Inlocuiesc (in conditii mai putin
severe de coroziune) otelurile inoxidabile
Durificarea superficiala sau ecruisarea prin deformare
plastica
Mareste rezistenta la uzare si la oboseala a otelurilor carbon evitand utilizarea otelurilor aliate scumpe
Acoperiri de tipul alitarii cromarii aplicate otelurilor
carbon
Confera rezistenta la temperaturi moderate elimina finisarea
(costisitoare)
24
Coeficientul de utilizare a materialului
Minimalizarea costului materialelor
Printr-o proiectare care sa reduca cantitatea necesara de materiale scumpe
Alegerea procedeelor de prelucrare adecvate
Stabilirea formei semifabricatului care sa maximalizeze coeficientul de utilizare a
materialelor in fabricatie
Materiale ieftine
- Cumparate in cantitati mari- Cele care au dimensiuni mari
Cand fabricatia cere piese de mai multe dimensiuni se poate
cumpara stoc mare de semifabricate la dimensiunea
cea mai mare a pieselor
Reulta deseuri si costuri suplimentare de
manopera
Punctul de rentabilitate in aceasta privinta este greu de evaluat
25
Coeficientul de utilizare a materialelor pentru diferite procedee de prelucrare este dat in urmatorul tabel
Metoda de prelucrare Coeficientul de utilizare
1 Fara modificarea masei
Turnare 70
Deformare plastica 75
Agregate de pulberi 90
2 Cu micsorare de masa
Aschiere 60
Eroziune 90
3 Prin marire de masa
Depuneri prin sudare 80
Depuneri prin metalizare 90
26
Competitia in domeniul materialelor
Odata cu aparitia unor materiale noi si scaderea pretului celor existente apare o COMPETITIE INTRE MATERIALE
Intre otel si aluminiu la obtinerea cutiilor
de bauturi
Intre aluminiu si materiale polimerice
(armate) la constructia aeronavelor
Intre materiale polimerice si cupru
plumb fonta la instalatiile de apa
ProprietateaAliaj ZnAl4 turnat sub presiune
Polistiren ABS
Naylon 66
Policar-bonat
Polipr-opilena
Rezistenta la tractiune MNmm2 260 54 52 70 35
Rezistenta la tractiune prin soc (relativ) 79 1 33 36 16
Rezistenta la fluaj (exprimata ca modul de elasticitate aparent la 100 h MNmm2) 51100 1470 420 2030 308
Rezistenta la oboseala prin incovoiere la 107 cicluri MNmm2 644 154 14 7 182
Temperatura de stabilitate termica la 18 MNmm2 (oC) gt488 345 324 403 332
Modificarea rezistentei la tractiune dupa 500h de expunere in conditii atmosferice ()
+05 -8 +10 -11 -30
Densitatea (relativa) 667 105 114 12 09
Costul unitatii de greutate (relativ Zn=1) 1 21 374 42 14
Costul unitatii de volum raportat la rezistenta la tractiune (relativ) 1 21 37 30 16
Costul unitatii de volum raportat la rezistenta la fluaj (relativ) 1 117 183 19 30
Costul unitatii de volum raportat la rezistenta la tractiune prin soc (relativ) 1 27 15 16 09
Costul unitatii de volum raportat la rezistenta la oboseala (relativ) 1 09 18 34 04
In situatia in care piesa are un rol decorativ ndash materialul plastic este
important
27
Costul prelucrarii poate juca un rol important in procesul
selectiei
Alama mai ieftina pentru anumite piese decat otelul laminat deoarece se prelucreaza cu viteza mai mare
Costul alamei este mai mare decat a otelului
Aluminiul se prelucreaza mai usor si are greutate specifica mai mica
Poate inlocui fonta otelul si aliajele lui chiar
daca sunt mai ieftine
Materialele plastice se prelucreaza foarte usor si devin economice la
serie mare
Pot inlocui orice tip de material la diferite
aplicatii
Criteriul economic privind costul materialului nu este
concludent la selectarea materialului
Devine important COSTUL REPERULUI
28
Costul de baza al materialului
Cheltuieli de dezvoltaresi utilizare a
echipamentelor
Cheltuieli de prelucrareDeterminate de material de procedeu de forma
de precizie
COSTUL REPERULUI
Costurile reperului
29
Reper Comportare Costuri
Cheltuieli de intretineresi reparatii cu reperul
UtilizareCheltuieli de exploatare
Durabilitate
ECONOMICITATEA REPERULUI
Economicitatea reperului
30
CERINTE IMPUSE MATERIALULUIPIESE
Problema selectiei materialului este complexa
datorita
Varietatii materialelor ingineresti
Severitatii cerintelor functionale impuse
Cerinta diminuarii costurilor
Severitatii cerintelor functionale impuse
Prelucrarile la care este supus materialul
Geometria pieselor
Solicitarile la care este supus materialul
INFLUENTEAZA PROPRIETATILE MATERIALELOR
31
Comportarea materialului in produsul finit este sensibil diferita de cea a semifabricatului din care a fost obtinut
Comportarea materialului in piesa
(C)
Proprietatile materialului (M)
Influenta procedeului de prelucrare (P)
Forma piesei si fortele exterioare la care este
supusa (F)
Arata influenta directa a proprietatilor
semifabricatului a procedeului de prelucrare
a formei geometrice si a actiunii fortelor exterioare
asupra comportarii materialelor in piesa finita
Influenteaza direct comportarea
materialului in piesa
Este foarte important a se apela la criterii de proiectare adecvata
32
Influenta procedeului de prelucrare (P)
Prezenta muchiilor ascutite si a filetelor
Rugozitatea suprafetei
Afecteaza intr-o masura mai mare comportarea otelurilor de inalta rezistenta
decat a celor moi
Afecteaza intr-o masura mai mare comportarea materialelor la solicitari
variabile (oboseala) decat la solicitari statice
Interesul se focalizeaza preponderent pe performanta piesei in functionare si mai putin pe comportarea materialului in piesa
Comportarea materialului in piesa (proprietatile piesei)
Performantele piesei in functionare
Comportarea materialului in functionareConditiile de functionare
Factori care influenteaza
performantele piesei in functionare
33
CLASIFICAREA CERINTELOR IMPUSE MATERIALELOR
Cerintele impuse materialelor
Cerinte ldquorigiderdquo sau nenegociabile
Cerinte ldquonerigiderdquo ldquorelativerdquo sau
negociabile
Sunt cerintele care trebuie satisfacute obligatoriu de
material pentru a fi luate in considerare la selectie
bull Disponibilitatebull Prelucrabilitatebull Caracteristici minime
In anumite limite sunt supuse compromisului Pot fi comparate dpdv al importantei lor relative pentru o
aplicatie data in cadrul metodelor cantitative de selectie a materialelor
bull Proprietati mecanicebull Densitatebull Costul
In functie de tipul aplicatiei aceste cerinte isi pot schimba caracterul (din ldquonegociabilerdquo in ldquonenegociabile
Modificarea clasei de material selectate in final
34
EXEMPLE
Butelie de aragaz
Rezistenta Ductilitate Cost
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Rezistenta Ductilitate ρmic
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Butelii pentru gaze utilizate in aviatie
Costul este nenegociabil Oteluri pentru recipienti sub
presiune la temperaturi joase ndash R37 R44
Greutate cat mai mica (considerata nenegociabila) Materiale compozite (Kevlar 49-matrice epoxidica armata
cu fibre de poliamida)
35
MODALITATI DE ABORDARE A SELECTIEI MATERIALELOR SI PROCEDEELOR DE PRELUCRARE
Aparitia unor materiale noi si a competitiei intre materiale
Abordari noi in selectia materialelor si a procedeelor de prelucrare
Materialele plastice folosite la obtinerea pieselor complexe si de buna calitate inalta tehnologie
Materialele compozite au condus la reducerea substantiala a
greutatii produsului
Materiale sinterizate utilizate la obtinerea pieselor fara pierderi de material si consum de enetgie
scazut
Ingineria suprafetelor ofera posibilitati de modificare a
suprafetelor si coferirea unor proprietati deosebite
Cu toate aceste proiectantii se limiteaza la selectia
materialelor si procedeelor de prelucrare cunoscute mai bine
- Evitarea riscurilor- Nu este cunoscuta existenta unor noi materiale- Nu sunt cunoscute noile tehnologii de fabricatie etc
Proiectarea industriala trebuie asociata cu design-ul realizarea unei forme estetice obtinerea unui aspect exterior
placut
Design-ul industrial include mai mult decat o stilizare
Alegerea materialului permite un anumit design sau altul
36
La selectarea functiunii produsului (comportarea lui in exploatare-C) a materialelor (M) a
procedeelor de prelucrare (P) a formei (F) trebuie sa se tina seama ca acestea se intrepatrund (trebuie
sa tin seama in acelasi timp de ele)
Dificil Pot fi urmate diferite
succesiuni
Succesiunea CFMP prezinta urmatoarea
ordine de luare in considerare
-functionalitatea produsului (C)-forma piesei-materialul piesei-procedeul de prelucrare
Pot exista diferite succesiuni
Conduce la solutii diferite
Cadrul face conexiunea intre roti
saua bicicletei pedale ghidon
EXEMPLU Succesiunea CFMP
Functionalitatea si forma sunt aceleasi
Teava de aluminiu
Sudare
Succesiunea CFPM
Functionalitatea si forma sunt aceleasi
Sudare Teava de otel-se sudeaza mai bine
Succesiunea CMPF
Functionalitatea este aceeasi
Ca material se poate alege unul compozit
Sudare lipire
Forma aceeasi sau nu
Succesiunea CPMF
Poate fi aleasa presarea unui material superplastic
Alegerea ca material aluminiul
Forma S asimetrica plata
37
Pe baza functiunilor impuse produsului proiectantul schiteaza o serie de solutii tinand seama
de-materialele ce pot fi folosite-procedeele de fabricatie ce pot fi aplicate-formele potrivite ca functionalitate si design
Fiecare combinatie materialprocedeu de prelucrare conduce la diferite forme
Pot fi generate un numar
diferit de forme
Este o abordare CPMF sau CMPF
38
STRATEGII DE SELECTIE A MATERIALELOR
O strategie de selectie are doua componente
Formularea marimi prin care sa se evaluare un set de cerinte impuse materialului
Un procedeu de evaluare a marimii cerintelor prin care sa
se poata face ierarhizarea acestora in functie de masura in
care acestea sunt indeplinite
Strategiile cauta cai de implementare a procesului si anume de a converti un set de date ldquode intrarerdquo (cerintele proiectarii)
intr-un set de date ldquode iesirerdquo- alegerea materialului si a procedeului de prelucrare
39
Cerintele proiectarii
Materiale si procedee de prelucrare selectate
Strategii de selectie
Date initiale Functie de transfer Date finale
Strategia 1 Cautare libera implicand analiza rationala
Strategia 2 Bazata pe chestionare Este o selectie prin expertiza
Strategia 3 Analogie bazata pe cazuri anterioare
Posibila inovatie
Ofera solutii cunoscute
Ofera solutii similare cu situatia prezenta
Ofera mare libertate de selectie dar putina ghidare in proces
Ofera multa ghidare in proces dar putina libertate de selectie
Ofera idei ale solutiilor anterioare pentru probleme similare
40
SELECTIA LIBERA BAZATA PE ANALIZA RATIONALA
Este rapida si eficienta
Ofera o mare libertate pentru aplicatii
Ofera solutii noi si inovative
Avantaje
Are nevoie de date de intrare precis detaliate intr-o forma ce pot fi analizate prin metode ingineresti
standard
EXEMPLU
Gasiti un material pentru o bara de lungime L care sa
suporte o forta F la temperatura T si sa fie cat mai usoara
Cerinte pentru proiectare
ANALIZA SCHITEIFunctia Ce trebuie sa faca piesaObiective Ce trebuie maximalizat sau minimalizatConstrangeri Ce conditii esentiale trebuie sa fie indepliniteVariabile libere Care variabile ale proiectului sunt libere (cerinte nerigide)
41
Functia Ce trebuie sa faca piesa
Obiective Ce trebuie maximalizat sau minimalizat
Variabile libere Care variabile ale proiectului sunt libere (cerinte nerigide)
De a rezista la momente de incovoiere trebuie sa suporta incarcatura pentru care a fost proiectata fara a se deforma
Constrangeri Ce conditii esentiale trebuie sa fie indeplinite
Lungimea L data Tigiditatea S data Sa reziste si sa nu se deformeze la temperatura T
Trebuie minimalizata greutate
Aria sectiunii Costul
Procesul de selectie a avea 3 pasi
Filtrarea Se folseste de constrangeri pentru inlaturarea materialelor care nu indeplinesc cerintele
IerarhizareaSe folseste de marimea performantelor materialelor ramase in discutie pentru a le ordona
Documentarea
Analizeaza informatiile nestructurate le structureaza si le introduce in structura ierarhizata realizand o fisa cu informatii care ajuta selectia finala a materialului
42
Ierarhizarea se face parcurgand mai multe faze
Identificarea unuia sau a mai multor indici de performanta corespunzatori functiei obiectivului si constrangerilor
Indicele de performanta permite optimizarea selectiei
Pentru identificarea acestor indici se parcurg urmatoarele etape
Transpunerea intr-o relatie a obiectivului (entitatea) ce trebuie minimalizata sau maximalizata
Analiza grupului de proprietati (indicele de performanta) care maximalizeaza obiectivul
Eliminarea din aceasta relatie a variabilelor libere utilizand constrangerile (ex valoarea impusa rigiditatii a incarcarii limita a unui moment a presiunii a temperaturii de lucru sau al tenacitatii
43
EXEMPLU
TEMAGasiti un material pentru o bara de lungime L care sa
suporte o forta F la temperatura T si sa fie cat mai usoara
b
b
Lδ
F
Sageata
Sectiunea
CERINTELE PROIECTARIIFunctia Bara incarcata la incovoiereObiectiv Minimalizarea greutatiiConstrangeri Lungimea L data Rigiditatea S data Temperatura de exploatare T data (500deg)Variabile libere Aria sectiunii A Materialul de selectat
Se alege masa ldquomrdquo ca indice de performanta (trebuie sa fie minimalizat)
Masa barei este
Constrangerea privind rigiditatea va determina aria sectiunii ASageata unei bare simplu rezemata (forta actionand la mijloc) este data de relatia
44
unde E-modulul de elasticitate al materialului barei I-momentul de inertie al sectiunii grinzii
CL-reprezinta o constanta ce depinde de modul de distributie a fortei F (CL=48)
Rigiditatea barei este data de relatia
Din aceasta ultima relatie rezulta aria sectiunii A
Prin substitutia acestei relatii in relatia de determinare a masei grinzii se obtine indicele de performanta m
Valorile S L CL sunt date de proiect
Cea mai usoara bara este acea realizata dintr-un material care are cea mai mare valoare pentru
raport numit si ldquoindice de materialrdquo
Functia Incarcarea ConstrangeriIndici de
performantaRelatia
indicelui
Structuri de masa minima
Tija
BaraStatica
Rigiditate
Tractiune Eρ
Compresiune Eρ
Incovoiere E12ρ
Torsiune E12ρ
Rezistenta
Tractiune σrρ
Compresiune σcρ
Incovoiere σr23ρ
Torsiune σc23ρ
Dinamica
Panou
45
Exista mai multi indici de performanta fiecare realizand o combinatie dintre obiectiv si constrangere
46
47
48
METODE CANTITATIVE DE SELECTIE A MATERIALELOR CANDIDATE
Materialele candidat sunt materialele care satisfac cerintele cuprinse in matricea de cerinte rezultate dinbull Cerintele functionalebull Siguranta in functionarebull Functionarea in conditii ambientale de exploatarebull Cerintele de prelucrabilitatebull Economicitatea piesei
Care din aceste materiale vor fi luate in considerare la realizarea piesei
Evaluarea materialelor candidat
Evaluarea presupune compararea materialelor candidat care indeplinesc cerintele negociabile cu caracteristicile efective ale materialului in vederea selectarii celui optim pentru o aplicatie data
49
Evaluarea materialelor candidat
Este mai simpla pentru metodele cantitative de evaluare
Trebuie sa tina seama de anumite avantaje (usurinta procurarii materialului distanta pana la furnizor seriozitatea furnizarii constanta in calitatea produselor etc) care pot introduce anumite limitari determinand anumite compromisuri
In cele mai multe cazuri metodele cantitative de selectie conduc la materialul optim pentru o aplicatie
Metodele cantitative pot fi reluate odata cu schimbarea importantei relative a cerintelor negociabile
ATENTIE Cerintele nenegociabile trebuie satisfacute in totalitate si intocmai
Daca niciun material nu satisfac cerintele negociabile atunci fie ca acestea trebuie relaxate fie se impune reproiectarea produsului
50
Selectia este o operatie complexa
Numar mare de materiale cu o plaja larga de proprietati
Daca se face intamplator
Apare riscul de a omite anumite materiale candidate
Reducerea riscului prin adoptarea unei metode sistematice de selectie a materialelor
Metodele cantitative
Permitbull analiza unui numar ridicat de datebull a multor specificatii implicate in selectia materialelorbull pot fi adaptate pentru o selectie asistata de calculator
dintr-o baza de date
Metodele nu elimina capacitatea de analiza si experienta ingineruluiAceste metode sprijina inginerul in alegerea optima
51
METODA COSTULUI RAPORTAT LA UNITATEA DE PROPRIETATE
Economicitatea piesei
Costul initial al materialului
Costul prelucrarii si montarii
Costul functionarii si intretinerii
Unele dintre aceste costuri cresc odata cu cresterea
valorii proprietatilor altele scad
Proprietatea (Rm)
Costul piesei
Alte costuri
Costul total
Cos
tul
Cost minim
Odata cu cresterea rezistentei- Prelucrare mai dificila- Greutatea pe piesa scade- Durabilitatea in exploatare
creste si deci numarul de piese in utilizate in timp mai mic
Costul total este suma costului piesei si a celorlalte costuri
52
Valoarea optima a proprietatii (aici Rm) apare la costul minim
In piata costul materialului este legat de greutatea sau volumul (dupa caz) materialului
Se poate stabili o comparatie a materialelor intre proprietatile relative (proprietatea raportata la
greutatea specifica) De exemplu rezistenta rigiditatea modul de elasticitate etc
Criteriul esential este costul raportat la unitatea de rezistenta la tractiune
C=pρσ
C- costul asigurarii unei rezistente de 1 MPap- costul unitatii de proprietate a materialului
ρ- densitatea materialului
σr- rezistenta la tractiune
Cu cat valoarea lui ldquoCrdquo este mai mica cu atat materialul
este mai economic
53
Relatii asemanatoare pot fi obtinute si pentru alte proprietati cum ar fi- limita la curgere- modulul de elastuicitate- factorul de intensitate a tensiunii etc
Costul unitatii de proprietate pentru diferite moduri de solicitare
54
Compararea materialelor privind aceste costuri este esentiala
Se compara materialele intre ele
Este dificilSe ia un material de referinta
Costul relativ pe unitatea de proprietate a materialului candidat ldquoirdquo raportat la costul relativ pe unitatea de proprietate a materialului de referinta ldquobrdquo este dat de relatia
Daca CR este subunitar materialul candidat este mai ieftin decat materialul de referinta
Materialul de referinta este eliminat si materialul candidat se ia ca material de referinta pentru urmatoarea comparatie
Daca CR este supra unitar materialul candidat este mai scump decat materialul de referinta
Materialul de referinta se ia ca material de comparatie pentru urmatoarea analiza
55
METODA PONDERARII PROPRIETATILOR
Este o metoda pentru rezolvarea unor solutii mai comlexe de materiale materiale si proprietati
Fiecarei proprietati a materialului i se acorda o pondere rdquoαrdquo
Ponderea este proportionala cu importanta relativa a proprietatii pentru performanta in exploatare a materialului pentru aplicatia data
Ponderea proprietatii este egala cu produsul dintre valoarea numerica a proprietatii materialului ldquoprdquo si ponderea ei ldquoαrdquo
γ=pα
Insumand toate aceste produse pentru un material se obtine un indice de performanta ldquoPrdquo al materialului
Aceasta metoda ia in considerare toate proprietatile materialului
Comparand mai multe materiale prin indicele de performanta se poate gasi cel mai performant material pentru o aplicatie
56
Dezavantajul acestei metode consta in faptul ca in cazul unei proprietati care are o valoare ridicata aceasta v-a avea o influenta mai mare asupra indicelui de performanta decat ponderea ei
Exemplu Un material A care are Rm=370 MPa si o duritate de 350 HRB si un alt material B care are Rm=400 MPa si o duritate de 300 HRBStabilind ponderea proprietatii de 100 pentru rezistenta si 90 pentru duritate se obtine un indice de performanta de 68500 pentru material ul A si 67000 pentru materialul B
Inseamna ca impotriva importantei rezistentei la tractiune (ca fiind primul criteriu de selectie) si care este mai mare pentru materialul B indicele de performanta al materialului A este mai mare si deci acest material v-a fi selectat
La evaluarea materialelor candidat se va lucra cu valori relative ldquoβrdquo ale unei anumite proprietati celei mai mari valori a proprietatii atribuindu-se valoarea 100 iar celelalte valori relative se determina cu relatia
57
Pentru proprietatile materialelor care nu se exprima in mod obisnuit prin valori numerice (rezistenta la uzare sudabilitatea aschiabilitatea diferite proprietati tehnologice etc) evaluarea se poate face relativ la una dintre proprietati astfel
Astfel fiecarei proprietati I se acorda o importanta egalasi ea va influenta indicii de performanta ai materialelor doar comparate doar in masura ponderii acordate
Pentru proprietati ale caror valori se doreste a fi cat mai mici (densitatea pierderea de greutate prin coroziune etc) evaluarea se face printr-un raport invers
ProprietateaMateriale alternative
A B C D
Sudabilitatea Foarte buna Buna Buna Satisfacatoare
Evaluarea relativa 5 3 3 1
Valoarea scalata 100 60 60 20
58
Exemplu In ceea ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru rezistenta la tractiune a materialului A este de 925 Pentru al doilea material aceasta valoare este de 100 In ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru duritate aceasta este de 100 pentru materialul A si de 857 pentru materialul B
Acest lucru poate schimba situatia ierarhica a materialelor sau le poate apropia atat de mult indicele de performanta incat sa se puna problema luari in considerare si a altor elemente pentru selectie
Astfel indicele de performanta a materialului este dat de relatia
unde P reprezinta indicele de performanta a materialuluildquoirdquo este suma celor ldquonrdquo proprietati considerate a materialul ui
59
Ponderea α poate fi considerata ca αilt1 astfel incat
(cazul cel mai frecvent) sau ei I se poate aloca o plaja de valori valoarea cea mai mare
corespunzand proprietatii cu cea mai mare importanta
Costul materialului poate fi considerat ca o proprietate (chiar importanta) acordandui-se o pondere ldquoαrdquo
In cazul luarii in considerare a unui numar mare de proprietati costul poate fi considerat un factor de corectie al indicelui de performanta a materialului rezultand indicele de merit al acestuia
in care ldquoprdquo reprezinta costul unitatii de greutate a materialului
60
Cand se doreste compararea mai multor materiale candidat (i) cu unul de baza (de referinta) se calculeaza indicele relativ de merit al fiecarui material astfel
Daca RMgt1 respectivul material candidat ldquoirdquo corespunde mai bine cerintelor decat materialul de referinta ldquobrdquoIn cazul in care Mb reprezinta minimul cerintelor impuse Materialele candidat avand RMlt1 pot fi eliminate de la inceput ca fiind necorespunzatoare
Cand trebuie luate in considerare mai multe proprietati ale materialului pentru evaluarea indicelui de performanta este dificila evaluarea ponderii acestora Rezolvarea aceste probleme poate fi realizata printr-o evaluare prin programe numerice
61
METODA CRESTERII INCREMENTALE
In anumite situatii pot aparea mai multe materiale care indeplinesc cerintele minime impuse de o anumita aplicatie
Dupa analiza acestor materiale se poate presupune ca performantele pieselor prelucrate sunt proportionale cu indicii de performanta ldquoPrdquo In acelasi timp costul piesei variaza proportional cu costul materialului si al prelucrarii acestora
Daca se doreste selectarea piesei care are cea mai mare performanta la cea mai rezonabila crestere a costului se poate face o analiza beneficiu-cost Procedeul se ia indeosebi cand se doreste inlocuirea unui material utilizat deja in fabricatie
Materialul cu cel mai scazut cost (1) se ca element de baza si este comparat cu materialul care are costul imediat superior (2) Comparatia se face determinand cresterea indicelui de performanta (ΔP=P2-P1) si a costului ldquoprdquo pe unitatea de volum (Δpρ=p2ρ2-p1ρ1)
Daca ΔPΔpρlt1 materialul 1 corespunde mai bine decat materialul 2 pentru aplicatia data si materialul 2 va fi eliminatDaca ΔPΔpρgt1 materialul 1 va fi eliminat deoarece materialul 2 corespunde mai bine cerintelor aplicatieiSe continua compararea cu al treilea material si rand pe rand vor fi eliminate materialele mai putin corespunzatoare ajungand la materialul optim
62
EXEMPLU DE SELECTIE A MATERIALELOR
Tema Realizarea piesesei din figura dintr-un otel ldquoOL37rdquo intr-o serie mare de fabricatie-Este o piesa cilindrica cu dimensiunile date-Are un butuc-Prezinta o gaura lunga si de diametre mic
oslash200oslash50
150oslash20
Se poate realiza din bara rotunda prin strunjire
Se poate realiza din bara rotunda prin forjare
80
Coeficientul de utilizare a materialului 055
Coeficientul de utilizare a materialului 098
63
Diametrul mm Inaltime mm Volum mm3 Volum mm3Coeficientul de
utilizare a materialului
Semif Pornire 200 150 4710000 4710000
Strunjire
200 80 2512000
2602275 055=5550 35 137375
20 150 47100
Forjare
200 80 25120002649375
098=9850 35 137375
20 150 47100 2602275
Coeficientul de utilizare a materialului K=greutatea piesei finitegreutatea materialului utilizat pentru realizarea lui (a semifabricatului de pornire)
In calcul s-a lucrat cu volumul materialului deoarece G=VρAdaosuriele de prelucrare s-u luat ca fiind egaleApare un mult mai bun grad de utilizare a materialului pentr prelucrarea prin forjare
PIESA SE VA REALIZA PRIN FORJARE
64
1
2
3
5
6
4
9
8
F
107F
1-semimatrita superioara2-semimatrita inferioara3-cavitatea semimatritei sup4-cavitatea semimatritei inf5-canalul de bavura6-canalul de refulare7-prinderea semimatritei sup8-prinderea semimatritei inf9-elemente de ghidare (stifturi)10-planul de separare
TEMA Sa se stabileasca materialul optim pentru realizarea elementelor active ale matrtei de forjare din figura Se urmreste obtinerea piesei prin forjare la cald
CERINTE PENTRU PROIECTARE
Analiza schiteiFunctia Elemete (semimatrite) de matrita de deformare plasticaObiectiv Trebuie maximalizata tenacitatea (rezilienta)Constrangeri Dimensiunile cavitatii matritei (depind de marimea piesei) dimensiunile exterioare si sistemul de prindere (depind de utilaj temperatura de lucruVariabile libere material
65
Se cauta in sursele de informatii structurate si nestructurate materialele care respecta cerintele
Elemente de matrita
Rezistente la cald
Tenacitate Duritate
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Materialele potrivite sunt metalele si aliajele lor
-Materialele ceramice nu au tenacitate-Materialele polimerice nu au rezistenta la cald-Materialele compozite sunt scumpe si nu au tenacitate
Depinde de compozitia lor
Se cauta materiale cu destinatie precisa Materiale pentru scule de deformare
66
Din baza de date se constata ca urmatoarele materiale satisfac
cerintele rigide adica sa poata fi utilizate la prelucrarea la cald
Sunt materiale cu destinatie precisaDaca nu sunt materiale cu destinatie
precisa se cauta in grupa materialelor cu destinatie generala
Material Rm min MPa HV A5 KCU Jcm3
C120 890 265 8 60
VMoC120 870 265 8 68
VC06 870 230 6 68
VCW85 870 265 6 80
MoCN15 830 250 7 75
VMoCN17 870 265 7 73
VSCW20 790 235 5 78
OSC7 640 195 12 56
OSC8 640 195 10 58
67
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU Jcm3 βKCU Indicele de
performanta PC120 890 265 8 60 101450
VMoC120 870 265 8 68 100650
VC06 870 230 6 68 97400
VCW85 870 265 6 80 101750
MoCN15 830 250 7 75 96750
VMoCN17 870 265 7 73 101100
VSCW20 790 235 5 78 92400
OSC7 640 195 12 56 74950
OSC8 640 195 10 58 75050Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza peoprietatii
68
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU
Jcm3 βKCU Indicele de performanta P
C120 890 100 265 10000 8 6667 60 75 25017000
VMoC120 870 9775 265 10000 8 6667 68 85 2835015356
VC06 870 9775 230 8679 6 5000 68 85 2126563155
VCW85 870 9775 265 10000 6 5000 80 100 2501682022
MoCN15 830 9326 250 9434 7 5833 75 9375 2735970124
VMoCN17 870 9775 265 10000 7 5833 73 9125 2663140356
VSCW20 790 8876 235 8868 5 4167 78 975 2032758226
OSC7 640 7191 195 7358 12 10000 56 70 3501237545
OSC8 640 7191 195 7358 10 8333 58 725 3022070878Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza proprietatii relative
69
Material Indicele de performanta P
VSCW20 2032758226
VC06 2126563155
VCW85 2501682022
C120 25017000
VMoCN17 2663140356
MoCN15 2735970124
VMoC120 2835015356
OSC8 3022070878
OSC7 3501237545
Material Indicele de performanta P
OSC7 74950
OSC8 75050
VSCW20 92400
MoCN15 96750
VC06 97400
VMoC120 100650
VMoCN17 101100
C120 101450
VCW85 101750
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile proprietatii materialului
ordonate crescator
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile relative ale proprietatii materialului ordonate crescator
70
Luand in considerare ca unele materiale sunt aliate cu siguranta acestea sunt mai scumpe
Daca luam in considerare costul unitar pentru otelurile carbon de scule iar densitatea de 785 (corespunzatoare fierului) se obtine indicele de merit
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
OSC7 74950 1 95477707 114
OSC8 75050 1 956050955 114
VSCW20 92400 14 840764331 100
MoCN15 96750 14 880345769 105
VC06 97400 12 103397028 123
VMoC120 100650 13 986281235 117
VMoCN17 101100 14 919927207 109
C120 101450 15 861571125 102
VCW85 101750 14 925841674 110
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea proprietatii materialului
71
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
VSCW20 2032758226 14 184964352 100
VC06 2126563155 12 225749804 122
VCW85 2501682022 14 227632577 123
C120 25017000 15 212458599 115
VMoCN17 2663140356 14 242323963 131
MoCN15 2735970124 14 248950876 135
VMoC120 2835015356 13 277806502 150
OSC8 3022070878 1 384977182 208
OSC7 3501237545 1 446017522 241
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea relativa a proprietatii materialului
72
Selectati materialele potrivite pentru piesele din imagine
Randul I 1 Serie mare de fabricatie-6p Randul II Serie mica (unicat) de fabricatie-6p
Randul I 2 Criterii de selectie a materialelor-1p3 Etapele selectiei materialelor ndash 1p4 Economicitatea piesei ndash 1p5 Strategii de selectie a materialelor ndash 1p
Randul II 2 Tipuri de date utilizate la selectia materialelor-1p3 Cum se face minimalizarea costurilor-1p4 Perofmantele piesei in functionare ndash 1p5 Care sunt cerintele fata de material ndash 1p
SUBIECTE EXAMEN
73
Date privind principalele proprietati tehnologice ale unor materiale
Material
Valorile proprietatii
Aschiabilitate Turnabilitate Sudabilitate Cost
F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba $tona
Otel de constructii (OL) X X X 140
Otel carbon de calitate (OLC) X X X
260
Fonte obisnuite (Fc) X X X 160
Punctaje 60 30 10 60 30 10 60 30 10
Avand in vedere ca pretul creste odata cu rezistenta la tractiune calculati costul fiecarui material prin inmultirea costului de baza cu valoarea proprietatii si impartiti la 100
74
Materiale ce pot fi luate in considerare spre analiza
Material Rm HV A Material Rm HV A Material Rm HV A
OL30 310 95 32 OLC8 324 140 33 Fc100 100 105 2
OL32 310 93 33 OLC10 321 150 31 Fc150 150 145 3
OL34 330 105 31 OLC15 373 155 27 Fc200 200 180 4
OL37 360 112 25 OLC20 410 165 25 Fc250 250 190 4
OL42 410 130 22 OLC25 450 175 24 Fc300 300 210 5
OL44 430 135 22 OLC30 490 180 21 Fc350 350 220 6
OL50 500 160 21 OLC35 530 195 21 Fc400 400 240 6
OL52 510 160 21 OLC40 570 200 19
OL60 590 185 16 OLC45 610 220 18
OL70 690 215 11 OLC50 640 230 16
OLC55 670 240 14
OLC60 700 255 14
Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50
Proprietatea tehnilogica intra cu o pondere de 100
VA UREZ SUCCES
ETAPELE SELECTIEI MATEIALELOR
10
Obiectul selectiei Rolul functional siguranta in functionare
durata de exploatare etc
Analiza cerintelor determinate de rolul functional si de prelucrare
Matricea de cerinte referitoare la reper (piesa)
Matricea de cerinte specifice
materialului
Materiale proprietati comportare in functionare
Testarea materialului sau imbunatatirea lui
(daca este cazul)
Decizia de selectie a materialului (strategii procedee si criterii de selectie
Cerintele nu pot fi indeplinite Cerintele sunt indeplinite partial sau integral
Proiectarea unui nou material sau procedeu de prelucrare
Optimizarea selectiei materialului (a reperului)
11
Obiectul selectiei Rolul functional
siguranta in functionare durata de
exploatare etc
Se stabilesc toate proprietatile
materialelor ca rezultat al cerintelor functionare
si de utilizare
PROPRIETATI DE UTILIZARE
ETAPA -I- ANALIZA CERINTELOR FATA DE MATERIAL
Procedeele posibile de prelucrare
PROPRIETATI DE PRELUCRARE
Aceste grupe de proprietati pot fi in acord
sau in contradictie
Matricea de cerinte
Care si de unde rezulta aceste cerinte
12
+
La proiectarea piesei sau produsului se stabilesc
Cerintele privind performantele cerute materialului bazate pe functionalitatea si performanta impusa piesei (produsului) precum si pe conditiile ambientale in care va functiona aceasta
Cerintele fata de material
Cerinte functionale
Siguranta in functionare
Functionarea in conditii ambientale de exploatare
Cerinte de prelucrabilitate
COSTUL MATERIALULUI
13
CERINTE FUNCTIONALE
SIGURANTA IN FUNCTIONARE
Caracteristicile produsului (carora nu intotdeauna li se pot atribui valori cantitative) se coreleaza cu cele mai potrivite proprietati mecanice fizice chimice
Se stabilesc cat mai exat conditiile reale de functionare (rol functional tipul caracterul si valoarea solicitarilor conditii de temperatura si mediu etc)
Probabilitatea piesei (materialului) sa fie exploatata corespunzator fara a ceda sau avaria Precizarea anticiparea posibilelor moduri in care un produs poate suferi o avarie re realizeaza prin analiza avariilor
Cauzele unei avarii (in functionare) sunt atribuite- erorilor de conceptie constructiva- defectelor originale ale
materialului- defecte datorate prelucrarii piesei- conditiile de exploatare
14
FUNCTIONAREA IN CONDITII AMBIENTALE DE EXPLOATARE
CERINTE DE PRELUCRABILITATE
(TEHNOLOGICE)
Ambientul in care functioneaza piesa reprezinta un factor important la stabilirea acestor cerinte Mediile corosive temperaturile ridicate sau joase (negative) modifica defavorabil performanta materialelor de uz general
Se apeleaza la materiale speciale cu proprietati deosebite mai scumpe dar corespunzatoare
Forma piesei finite (materialului) precizia dimensionala si de forma calitatea suprafetei etc
Procedeul tehnologic de prlucrare
- turnabilitatea- deformabilitatea- aschiabilitatea- capacitatea de a
fi tratat termic
Se elimina materialele cu (ex) deformabilitate imposibila calibilitate insuficienta aschiabilitate slaba etc
15
Matricea de cerinte
ETAPA -II- STABILIREA MATRICEI DE CERINTE
Analiza celor patru grupuri de cerinte
Stabilirea unor cerinte tehnice
Costul materialuluicerinte economice
Cuprinde toate cerintele necesar a fi indeplinite de material (atat cerintele tehnice cat si cerintele
economice)
Pentru a lua o decizie corecta privind
selectia materialului se face
ierarhizarea cerintelor
16
Cerinte economice
COSTUL MATERIALULUI
Costuri legate cu prelucrare (manopera)
Alte costuri
Costul piesei
Alte costuri (intretinere
exploatare etc)
COSTUL MATERIALULUI controleaza evaluarea materialelor deoarece in multe aplicatii se impune un cost limita pentru materialul care sa satisfaca cerintele aplicatiei Cand limita este depasita produsul se reproiecteaza in vederea modificarii cerintelor fata de material pentru mentinerea acestuia sub limita de cost
Selectia se opreste la materialul care satisface cerintele stabilite (tehnice) de exploatarea piesei si care are costul cel mai scazut
17
ASPECTE ECONOMICE ALE MATERIALELOR
Materialul influenteaza costul total al produselor
Costul materialului are cea mai mare pondere din costul total (30-70)
Prelucrabilitatea
Determina- nivelul de
productivitate- investitiile de capital- manopera necesara
obtinerii formei finale
ATENTIE Alegerea unui material ieftin nu este intotdeauna o solutie corespunzatoare daca prelucrarea lui este dificila si costisitoare
Dimensiunile materiilor prime (semifabricatelor pot determina formarea unei cantitati mari de deseuri si implicit costul final
Posibilitatea reciclarii deseurilor ndash element important la selectia materialelor ndash indeosebi la materialele scumpe
18
Clasificarea materialelor pe baza costurilor
Materialele ingineresti
Materiale de larga utilizare
Materiale speciale
- ieftine- produse in cantitati mari
- substantial mai scumpe- elaborate pentru satisfacerea
unor cerinte deosebite
ATENTIE Compararea materialelor din punc de vedere a costurilor este dificila deoarece la unele materiale costul este dat in raport cu greutatea la altele in raport cu volumul la altele in raport cu suprafata etc
Compararea materialelor se face in raport cu costul relativ
19
Comparatia materialelor pe baza costului relativ al unitatii de
greutate
Comparatia materialelor pe baza costului relativ al unitatii de
volum
Comparatia materialelor pe baza costului relativ al unitatii de volum
raportat la rezistenta de rupere
20
Comparatia materialelor pe baza costului relativ al unitatii de volum
raportat la rezistenta de rupere specifica la tractiune
21
Concluzii
Din punct de vedere al costului relativ la unitatea de greutate utilizarea otelului este cea mai avantajoasa
Cel mai mare consum mondial
Materialele polimerice si aluminiu tind sa se apropie de costurile otelului
Din punct de vedere al costului relativ la unitatea de volum costurile materialelor polimerice se apropie de cele ale otelurilor unele fiind mai ieftine
Apare o plaja larga a costurilor materialelor ingineresti
Uneori materialele nu sunt utilizate la adevarata lor capacitate deoarece o cerinta importanta este rigiditatea Din acest punct de vedere betonul are cel mai mic cost
Sunt aplicatii la care se cere rezistenta ridicata si greutate redusa Se constata ca materialele polimerice si piesele turnate din magneziu apar mai ieftine decat otelurile
22
In cazul unui produs evaluarea valorii lui se
face prin
Evaluarea calitativa a proprietatilor materialului
Cel mai ieftin
Cel mai usor de procutat
Care sa aiba aceeasi
functionalitate
In cazul selectiei materialelor
Pentru aceeasi functionalitate
La cel mai scazut cost
Sa se selecteze cel mai ieftin material
Sa se selecteze un material mai scump dar
care va simplifica prelucrare (eventual
eliminarea unor etape)
23
Otelurile slab aliate cu continut ridicat de mangan si
continut scazut de Ni si Cr
Inlocuiesc otelurile scumpe continand cantitati mai mari de Ni Cr Mo (elemente scumpe)
Acoperirile metalice Inlocuiesc (in conditii mai putin
severe de coroziune) otelurile inoxidabile
Durificarea superficiala sau ecruisarea prin deformare
plastica
Mareste rezistenta la uzare si la oboseala a otelurilor carbon evitand utilizarea otelurilor aliate scumpe
Acoperiri de tipul alitarii cromarii aplicate otelurilor
carbon
Confera rezistenta la temperaturi moderate elimina finisarea
(costisitoare)
24
Coeficientul de utilizare a materialului
Minimalizarea costului materialelor
Printr-o proiectare care sa reduca cantitatea necesara de materiale scumpe
Alegerea procedeelor de prelucrare adecvate
Stabilirea formei semifabricatului care sa maximalizeze coeficientul de utilizare a
materialelor in fabricatie
Materiale ieftine
- Cumparate in cantitati mari- Cele care au dimensiuni mari
Cand fabricatia cere piese de mai multe dimensiuni se poate
cumpara stoc mare de semifabricate la dimensiunea
cea mai mare a pieselor
Reulta deseuri si costuri suplimentare de
manopera
Punctul de rentabilitate in aceasta privinta este greu de evaluat
25
Coeficientul de utilizare a materialelor pentru diferite procedee de prelucrare este dat in urmatorul tabel
Metoda de prelucrare Coeficientul de utilizare
1 Fara modificarea masei
Turnare 70
Deformare plastica 75
Agregate de pulberi 90
2 Cu micsorare de masa
Aschiere 60
Eroziune 90
3 Prin marire de masa
Depuneri prin sudare 80
Depuneri prin metalizare 90
26
Competitia in domeniul materialelor
Odata cu aparitia unor materiale noi si scaderea pretului celor existente apare o COMPETITIE INTRE MATERIALE
Intre otel si aluminiu la obtinerea cutiilor
de bauturi
Intre aluminiu si materiale polimerice
(armate) la constructia aeronavelor
Intre materiale polimerice si cupru
plumb fonta la instalatiile de apa
ProprietateaAliaj ZnAl4 turnat sub presiune
Polistiren ABS
Naylon 66
Policar-bonat
Polipr-opilena
Rezistenta la tractiune MNmm2 260 54 52 70 35
Rezistenta la tractiune prin soc (relativ) 79 1 33 36 16
Rezistenta la fluaj (exprimata ca modul de elasticitate aparent la 100 h MNmm2) 51100 1470 420 2030 308
Rezistenta la oboseala prin incovoiere la 107 cicluri MNmm2 644 154 14 7 182
Temperatura de stabilitate termica la 18 MNmm2 (oC) gt488 345 324 403 332
Modificarea rezistentei la tractiune dupa 500h de expunere in conditii atmosferice ()
+05 -8 +10 -11 -30
Densitatea (relativa) 667 105 114 12 09
Costul unitatii de greutate (relativ Zn=1) 1 21 374 42 14
Costul unitatii de volum raportat la rezistenta la tractiune (relativ) 1 21 37 30 16
Costul unitatii de volum raportat la rezistenta la fluaj (relativ) 1 117 183 19 30
Costul unitatii de volum raportat la rezistenta la tractiune prin soc (relativ) 1 27 15 16 09
Costul unitatii de volum raportat la rezistenta la oboseala (relativ) 1 09 18 34 04
In situatia in care piesa are un rol decorativ ndash materialul plastic este
important
27
Costul prelucrarii poate juca un rol important in procesul
selectiei
Alama mai ieftina pentru anumite piese decat otelul laminat deoarece se prelucreaza cu viteza mai mare
Costul alamei este mai mare decat a otelului
Aluminiul se prelucreaza mai usor si are greutate specifica mai mica
Poate inlocui fonta otelul si aliajele lui chiar
daca sunt mai ieftine
Materialele plastice se prelucreaza foarte usor si devin economice la
serie mare
Pot inlocui orice tip de material la diferite
aplicatii
Criteriul economic privind costul materialului nu este
concludent la selectarea materialului
Devine important COSTUL REPERULUI
28
Costul de baza al materialului
Cheltuieli de dezvoltaresi utilizare a
echipamentelor
Cheltuieli de prelucrareDeterminate de material de procedeu de forma
de precizie
COSTUL REPERULUI
Costurile reperului
29
Reper Comportare Costuri
Cheltuieli de intretineresi reparatii cu reperul
UtilizareCheltuieli de exploatare
Durabilitate
ECONOMICITATEA REPERULUI
Economicitatea reperului
30
CERINTE IMPUSE MATERIALULUIPIESE
Problema selectiei materialului este complexa
datorita
Varietatii materialelor ingineresti
Severitatii cerintelor functionale impuse
Cerinta diminuarii costurilor
Severitatii cerintelor functionale impuse
Prelucrarile la care este supus materialul
Geometria pieselor
Solicitarile la care este supus materialul
INFLUENTEAZA PROPRIETATILE MATERIALELOR
31
Comportarea materialului in produsul finit este sensibil diferita de cea a semifabricatului din care a fost obtinut
Comportarea materialului in piesa
(C)
Proprietatile materialului (M)
Influenta procedeului de prelucrare (P)
Forma piesei si fortele exterioare la care este
supusa (F)
Arata influenta directa a proprietatilor
semifabricatului a procedeului de prelucrare
a formei geometrice si a actiunii fortelor exterioare
asupra comportarii materialelor in piesa finita
Influenteaza direct comportarea
materialului in piesa
Este foarte important a se apela la criterii de proiectare adecvata
32
Influenta procedeului de prelucrare (P)
Prezenta muchiilor ascutite si a filetelor
Rugozitatea suprafetei
Afecteaza intr-o masura mai mare comportarea otelurilor de inalta rezistenta
decat a celor moi
Afecteaza intr-o masura mai mare comportarea materialelor la solicitari
variabile (oboseala) decat la solicitari statice
Interesul se focalizeaza preponderent pe performanta piesei in functionare si mai putin pe comportarea materialului in piesa
Comportarea materialului in piesa (proprietatile piesei)
Performantele piesei in functionare
Comportarea materialului in functionareConditiile de functionare
Factori care influenteaza
performantele piesei in functionare
33
CLASIFICAREA CERINTELOR IMPUSE MATERIALELOR
Cerintele impuse materialelor
Cerinte ldquorigiderdquo sau nenegociabile
Cerinte ldquonerigiderdquo ldquorelativerdquo sau
negociabile
Sunt cerintele care trebuie satisfacute obligatoriu de
material pentru a fi luate in considerare la selectie
bull Disponibilitatebull Prelucrabilitatebull Caracteristici minime
In anumite limite sunt supuse compromisului Pot fi comparate dpdv al importantei lor relative pentru o
aplicatie data in cadrul metodelor cantitative de selectie a materialelor
bull Proprietati mecanicebull Densitatebull Costul
In functie de tipul aplicatiei aceste cerinte isi pot schimba caracterul (din ldquonegociabilerdquo in ldquonenegociabile
Modificarea clasei de material selectate in final
34
EXEMPLE
Butelie de aragaz
Rezistenta Ductilitate Cost
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Rezistenta Ductilitate ρmic
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Butelii pentru gaze utilizate in aviatie
Costul este nenegociabil Oteluri pentru recipienti sub
presiune la temperaturi joase ndash R37 R44
Greutate cat mai mica (considerata nenegociabila) Materiale compozite (Kevlar 49-matrice epoxidica armata
cu fibre de poliamida)
35
MODALITATI DE ABORDARE A SELECTIEI MATERIALELOR SI PROCEDEELOR DE PRELUCRARE
Aparitia unor materiale noi si a competitiei intre materiale
Abordari noi in selectia materialelor si a procedeelor de prelucrare
Materialele plastice folosite la obtinerea pieselor complexe si de buna calitate inalta tehnologie
Materialele compozite au condus la reducerea substantiala a
greutatii produsului
Materiale sinterizate utilizate la obtinerea pieselor fara pierderi de material si consum de enetgie
scazut
Ingineria suprafetelor ofera posibilitati de modificare a
suprafetelor si coferirea unor proprietati deosebite
Cu toate aceste proiectantii se limiteaza la selectia
materialelor si procedeelor de prelucrare cunoscute mai bine
- Evitarea riscurilor- Nu este cunoscuta existenta unor noi materiale- Nu sunt cunoscute noile tehnologii de fabricatie etc
Proiectarea industriala trebuie asociata cu design-ul realizarea unei forme estetice obtinerea unui aspect exterior
placut
Design-ul industrial include mai mult decat o stilizare
Alegerea materialului permite un anumit design sau altul
36
La selectarea functiunii produsului (comportarea lui in exploatare-C) a materialelor (M) a
procedeelor de prelucrare (P) a formei (F) trebuie sa se tina seama ca acestea se intrepatrund (trebuie
sa tin seama in acelasi timp de ele)
Dificil Pot fi urmate diferite
succesiuni
Succesiunea CFMP prezinta urmatoarea
ordine de luare in considerare
-functionalitatea produsului (C)-forma piesei-materialul piesei-procedeul de prelucrare
Pot exista diferite succesiuni
Conduce la solutii diferite
Cadrul face conexiunea intre roti
saua bicicletei pedale ghidon
EXEMPLU Succesiunea CFMP
Functionalitatea si forma sunt aceleasi
Teava de aluminiu
Sudare
Succesiunea CFPM
Functionalitatea si forma sunt aceleasi
Sudare Teava de otel-se sudeaza mai bine
Succesiunea CMPF
Functionalitatea este aceeasi
Ca material se poate alege unul compozit
Sudare lipire
Forma aceeasi sau nu
Succesiunea CPMF
Poate fi aleasa presarea unui material superplastic
Alegerea ca material aluminiul
Forma S asimetrica plata
37
Pe baza functiunilor impuse produsului proiectantul schiteaza o serie de solutii tinand seama
de-materialele ce pot fi folosite-procedeele de fabricatie ce pot fi aplicate-formele potrivite ca functionalitate si design
Fiecare combinatie materialprocedeu de prelucrare conduce la diferite forme
Pot fi generate un numar
diferit de forme
Este o abordare CPMF sau CMPF
38
STRATEGII DE SELECTIE A MATERIALELOR
O strategie de selectie are doua componente
Formularea marimi prin care sa se evaluare un set de cerinte impuse materialului
Un procedeu de evaluare a marimii cerintelor prin care sa
se poata face ierarhizarea acestora in functie de masura in
care acestea sunt indeplinite
Strategiile cauta cai de implementare a procesului si anume de a converti un set de date ldquode intrarerdquo (cerintele proiectarii)
intr-un set de date ldquode iesirerdquo- alegerea materialului si a procedeului de prelucrare
39
Cerintele proiectarii
Materiale si procedee de prelucrare selectate
Strategii de selectie
Date initiale Functie de transfer Date finale
Strategia 1 Cautare libera implicand analiza rationala
Strategia 2 Bazata pe chestionare Este o selectie prin expertiza
Strategia 3 Analogie bazata pe cazuri anterioare
Posibila inovatie
Ofera solutii cunoscute
Ofera solutii similare cu situatia prezenta
Ofera mare libertate de selectie dar putina ghidare in proces
Ofera multa ghidare in proces dar putina libertate de selectie
Ofera idei ale solutiilor anterioare pentru probleme similare
40
SELECTIA LIBERA BAZATA PE ANALIZA RATIONALA
Este rapida si eficienta
Ofera o mare libertate pentru aplicatii
Ofera solutii noi si inovative
Avantaje
Are nevoie de date de intrare precis detaliate intr-o forma ce pot fi analizate prin metode ingineresti
standard
EXEMPLU
Gasiti un material pentru o bara de lungime L care sa
suporte o forta F la temperatura T si sa fie cat mai usoara
Cerinte pentru proiectare
ANALIZA SCHITEIFunctia Ce trebuie sa faca piesaObiective Ce trebuie maximalizat sau minimalizatConstrangeri Ce conditii esentiale trebuie sa fie indepliniteVariabile libere Care variabile ale proiectului sunt libere (cerinte nerigide)
41
Functia Ce trebuie sa faca piesa
Obiective Ce trebuie maximalizat sau minimalizat
Variabile libere Care variabile ale proiectului sunt libere (cerinte nerigide)
De a rezista la momente de incovoiere trebuie sa suporta incarcatura pentru care a fost proiectata fara a se deforma
Constrangeri Ce conditii esentiale trebuie sa fie indeplinite
Lungimea L data Tigiditatea S data Sa reziste si sa nu se deformeze la temperatura T
Trebuie minimalizata greutate
Aria sectiunii Costul
Procesul de selectie a avea 3 pasi
Filtrarea Se folseste de constrangeri pentru inlaturarea materialelor care nu indeplinesc cerintele
IerarhizareaSe folseste de marimea performantelor materialelor ramase in discutie pentru a le ordona
Documentarea
Analizeaza informatiile nestructurate le structureaza si le introduce in structura ierarhizata realizand o fisa cu informatii care ajuta selectia finala a materialului
42
Ierarhizarea se face parcurgand mai multe faze
Identificarea unuia sau a mai multor indici de performanta corespunzatori functiei obiectivului si constrangerilor
Indicele de performanta permite optimizarea selectiei
Pentru identificarea acestor indici se parcurg urmatoarele etape
Transpunerea intr-o relatie a obiectivului (entitatea) ce trebuie minimalizata sau maximalizata
Analiza grupului de proprietati (indicele de performanta) care maximalizeaza obiectivul
Eliminarea din aceasta relatie a variabilelor libere utilizand constrangerile (ex valoarea impusa rigiditatii a incarcarii limita a unui moment a presiunii a temperaturii de lucru sau al tenacitatii
43
EXEMPLU
TEMAGasiti un material pentru o bara de lungime L care sa
suporte o forta F la temperatura T si sa fie cat mai usoara
b
b
Lδ
F
Sageata
Sectiunea
CERINTELE PROIECTARIIFunctia Bara incarcata la incovoiereObiectiv Minimalizarea greutatiiConstrangeri Lungimea L data Rigiditatea S data Temperatura de exploatare T data (500deg)Variabile libere Aria sectiunii A Materialul de selectat
Se alege masa ldquomrdquo ca indice de performanta (trebuie sa fie minimalizat)
Masa barei este
Constrangerea privind rigiditatea va determina aria sectiunii ASageata unei bare simplu rezemata (forta actionand la mijloc) este data de relatia
44
unde E-modulul de elasticitate al materialului barei I-momentul de inertie al sectiunii grinzii
CL-reprezinta o constanta ce depinde de modul de distributie a fortei F (CL=48)
Rigiditatea barei este data de relatia
Din aceasta ultima relatie rezulta aria sectiunii A
Prin substitutia acestei relatii in relatia de determinare a masei grinzii se obtine indicele de performanta m
Valorile S L CL sunt date de proiect
Cea mai usoara bara este acea realizata dintr-un material care are cea mai mare valoare pentru
raport numit si ldquoindice de materialrdquo
Functia Incarcarea ConstrangeriIndici de
performantaRelatia
indicelui
Structuri de masa minima
Tija
BaraStatica
Rigiditate
Tractiune Eρ
Compresiune Eρ
Incovoiere E12ρ
Torsiune E12ρ
Rezistenta
Tractiune σrρ
Compresiune σcρ
Incovoiere σr23ρ
Torsiune σc23ρ
Dinamica
Panou
45
Exista mai multi indici de performanta fiecare realizand o combinatie dintre obiectiv si constrangere
46
47
48
METODE CANTITATIVE DE SELECTIE A MATERIALELOR CANDIDATE
Materialele candidat sunt materialele care satisfac cerintele cuprinse in matricea de cerinte rezultate dinbull Cerintele functionalebull Siguranta in functionarebull Functionarea in conditii ambientale de exploatarebull Cerintele de prelucrabilitatebull Economicitatea piesei
Care din aceste materiale vor fi luate in considerare la realizarea piesei
Evaluarea materialelor candidat
Evaluarea presupune compararea materialelor candidat care indeplinesc cerintele negociabile cu caracteristicile efective ale materialului in vederea selectarii celui optim pentru o aplicatie data
49
Evaluarea materialelor candidat
Este mai simpla pentru metodele cantitative de evaluare
Trebuie sa tina seama de anumite avantaje (usurinta procurarii materialului distanta pana la furnizor seriozitatea furnizarii constanta in calitatea produselor etc) care pot introduce anumite limitari determinand anumite compromisuri
In cele mai multe cazuri metodele cantitative de selectie conduc la materialul optim pentru o aplicatie
Metodele cantitative pot fi reluate odata cu schimbarea importantei relative a cerintelor negociabile
ATENTIE Cerintele nenegociabile trebuie satisfacute in totalitate si intocmai
Daca niciun material nu satisfac cerintele negociabile atunci fie ca acestea trebuie relaxate fie se impune reproiectarea produsului
50
Selectia este o operatie complexa
Numar mare de materiale cu o plaja larga de proprietati
Daca se face intamplator
Apare riscul de a omite anumite materiale candidate
Reducerea riscului prin adoptarea unei metode sistematice de selectie a materialelor
Metodele cantitative
Permitbull analiza unui numar ridicat de datebull a multor specificatii implicate in selectia materialelorbull pot fi adaptate pentru o selectie asistata de calculator
dintr-o baza de date
Metodele nu elimina capacitatea de analiza si experienta ingineruluiAceste metode sprijina inginerul in alegerea optima
51
METODA COSTULUI RAPORTAT LA UNITATEA DE PROPRIETATE
Economicitatea piesei
Costul initial al materialului
Costul prelucrarii si montarii
Costul functionarii si intretinerii
Unele dintre aceste costuri cresc odata cu cresterea
valorii proprietatilor altele scad
Proprietatea (Rm)
Costul piesei
Alte costuri
Costul total
Cos
tul
Cost minim
Odata cu cresterea rezistentei- Prelucrare mai dificila- Greutatea pe piesa scade- Durabilitatea in exploatare
creste si deci numarul de piese in utilizate in timp mai mic
Costul total este suma costului piesei si a celorlalte costuri
52
Valoarea optima a proprietatii (aici Rm) apare la costul minim
In piata costul materialului este legat de greutatea sau volumul (dupa caz) materialului
Se poate stabili o comparatie a materialelor intre proprietatile relative (proprietatea raportata la
greutatea specifica) De exemplu rezistenta rigiditatea modul de elasticitate etc
Criteriul esential este costul raportat la unitatea de rezistenta la tractiune
C=pρσ
C- costul asigurarii unei rezistente de 1 MPap- costul unitatii de proprietate a materialului
ρ- densitatea materialului
σr- rezistenta la tractiune
Cu cat valoarea lui ldquoCrdquo este mai mica cu atat materialul
este mai economic
53
Relatii asemanatoare pot fi obtinute si pentru alte proprietati cum ar fi- limita la curgere- modulul de elastuicitate- factorul de intensitate a tensiunii etc
Costul unitatii de proprietate pentru diferite moduri de solicitare
54
Compararea materialelor privind aceste costuri este esentiala
Se compara materialele intre ele
Este dificilSe ia un material de referinta
Costul relativ pe unitatea de proprietate a materialului candidat ldquoirdquo raportat la costul relativ pe unitatea de proprietate a materialului de referinta ldquobrdquo este dat de relatia
Daca CR este subunitar materialul candidat este mai ieftin decat materialul de referinta
Materialul de referinta este eliminat si materialul candidat se ia ca material de referinta pentru urmatoarea comparatie
Daca CR este supra unitar materialul candidat este mai scump decat materialul de referinta
Materialul de referinta se ia ca material de comparatie pentru urmatoarea analiza
55
METODA PONDERARII PROPRIETATILOR
Este o metoda pentru rezolvarea unor solutii mai comlexe de materiale materiale si proprietati
Fiecarei proprietati a materialului i se acorda o pondere rdquoαrdquo
Ponderea este proportionala cu importanta relativa a proprietatii pentru performanta in exploatare a materialului pentru aplicatia data
Ponderea proprietatii este egala cu produsul dintre valoarea numerica a proprietatii materialului ldquoprdquo si ponderea ei ldquoαrdquo
γ=pα
Insumand toate aceste produse pentru un material se obtine un indice de performanta ldquoPrdquo al materialului
Aceasta metoda ia in considerare toate proprietatile materialului
Comparand mai multe materiale prin indicele de performanta se poate gasi cel mai performant material pentru o aplicatie
56
Dezavantajul acestei metode consta in faptul ca in cazul unei proprietati care are o valoare ridicata aceasta v-a avea o influenta mai mare asupra indicelui de performanta decat ponderea ei
Exemplu Un material A care are Rm=370 MPa si o duritate de 350 HRB si un alt material B care are Rm=400 MPa si o duritate de 300 HRBStabilind ponderea proprietatii de 100 pentru rezistenta si 90 pentru duritate se obtine un indice de performanta de 68500 pentru material ul A si 67000 pentru materialul B
Inseamna ca impotriva importantei rezistentei la tractiune (ca fiind primul criteriu de selectie) si care este mai mare pentru materialul B indicele de performanta al materialului A este mai mare si deci acest material v-a fi selectat
La evaluarea materialelor candidat se va lucra cu valori relative ldquoβrdquo ale unei anumite proprietati celei mai mari valori a proprietatii atribuindu-se valoarea 100 iar celelalte valori relative se determina cu relatia
57
Pentru proprietatile materialelor care nu se exprima in mod obisnuit prin valori numerice (rezistenta la uzare sudabilitatea aschiabilitatea diferite proprietati tehnologice etc) evaluarea se poate face relativ la una dintre proprietati astfel
Astfel fiecarei proprietati I se acorda o importanta egalasi ea va influenta indicii de performanta ai materialelor doar comparate doar in masura ponderii acordate
Pentru proprietati ale caror valori se doreste a fi cat mai mici (densitatea pierderea de greutate prin coroziune etc) evaluarea se face printr-un raport invers
ProprietateaMateriale alternative
A B C D
Sudabilitatea Foarte buna Buna Buna Satisfacatoare
Evaluarea relativa 5 3 3 1
Valoarea scalata 100 60 60 20
58
Exemplu In ceea ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru rezistenta la tractiune a materialului A este de 925 Pentru al doilea material aceasta valoare este de 100 In ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru duritate aceasta este de 100 pentru materialul A si de 857 pentru materialul B
Acest lucru poate schimba situatia ierarhica a materialelor sau le poate apropia atat de mult indicele de performanta incat sa se puna problema luari in considerare si a altor elemente pentru selectie
Astfel indicele de performanta a materialului este dat de relatia
unde P reprezinta indicele de performanta a materialuluildquoirdquo este suma celor ldquonrdquo proprietati considerate a materialul ui
59
Ponderea α poate fi considerata ca αilt1 astfel incat
(cazul cel mai frecvent) sau ei I se poate aloca o plaja de valori valoarea cea mai mare
corespunzand proprietatii cu cea mai mare importanta
Costul materialului poate fi considerat ca o proprietate (chiar importanta) acordandui-se o pondere ldquoαrdquo
In cazul luarii in considerare a unui numar mare de proprietati costul poate fi considerat un factor de corectie al indicelui de performanta a materialului rezultand indicele de merit al acestuia
in care ldquoprdquo reprezinta costul unitatii de greutate a materialului
60
Cand se doreste compararea mai multor materiale candidat (i) cu unul de baza (de referinta) se calculeaza indicele relativ de merit al fiecarui material astfel
Daca RMgt1 respectivul material candidat ldquoirdquo corespunde mai bine cerintelor decat materialul de referinta ldquobrdquoIn cazul in care Mb reprezinta minimul cerintelor impuse Materialele candidat avand RMlt1 pot fi eliminate de la inceput ca fiind necorespunzatoare
Cand trebuie luate in considerare mai multe proprietati ale materialului pentru evaluarea indicelui de performanta este dificila evaluarea ponderii acestora Rezolvarea aceste probleme poate fi realizata printr-o evaluare prin programe numerice
61
METODA CRESTERII INCREMENTALE
In anumite situatii pot aparea mai multe materiale care indeplinesc cerintele minime impuse de o anumita aplicatie
Dupa analiza acestor materiale se poate presupune ca performantele pieselor prelucrate sunt proportionale cu indicii de performanta ldquoPrdquo In acelasi timp costul piesei variaza proportional cu costul materialului si al prelucrarii acestora
Daca se doreste selectarea piesei care are cea mai mare performanta la cea mai rezonabila crestere a costului se poate face o analiza beneficiu-cost Procedeul se ia indeosebi cand se doreste inlocuirea unui material utilizat deja in fabricatie
Materialul cu cel mai scazut cost (1) se ca element de baza si este comparat cu materialul care are costul imediat superior (2) Comparatia se face determinand cresterea indicelui de performanta (ΔP=P2-P1) si a costului ldquoprdquo pe unitatea de volum (Δpρ=p2ρ2-p1ρ1)
Daca ΔPΔpρlt1 materialul 1 corespunde mai bine decat materialul 2 pentru aplicatia data si materialul 2 va fi eliminatDaca ΔPΔpρgt1 materialul 1 va fi eliminat deoarece materialul 2 corespunde mai bine cerintelor aplicatieiSe continua compararea cu al treilea material si rand pe rand vor fi eliminate materialele mai putin corespunzatoare ajungand la materialul optim
62
EXEMPLU DE SELECTIE A MATERIALELOR
Tema Realizarea piesesei din figura dintr-un otel ldquoOL37rdquo intr-o serie mare de fabricatie-Este o piesa cilindrica cu dimensiunile date-Are un butuc-Prezinta o gaura lunga si de diametre mic
oslash200oslash50
150oslash20
Se poate realiza din bara rotunda prin strunjire
Se poate realiza din bara rotunda prin forjare
80
Coeficientul de utilizare a materialului 055
Coeficientul de utilizare a materialului 098
63
Diametrul mm Inaltime mm Volum mm3 Volum mm3Coeficientul de
utilizare a materialului
Semif Pornire 200 150 4710000 4710000
Strunjire
200 80 2512000
2602275 055=5550 35 137375
20 150 47100
Forjare
200 80 25120002649375
098=9850 35 137375
20 150 47100 2602275
Coeficientul de utilizare a materialului K=greutatea piesei finitegreutatea materialului utilizat pentru realizarea lui (a semifabricatului de pornire)
In calcul s-a lucrat cu volumul materialului deoarece G=VρAdaosuriele de prelucrare s-u luat ca fiind egaleApare un mult mai bun grad de utilizare a materialului pentr prelucrarea prin forjare
PIESA SE VA REALIZA PRIN FORJARE
64
1
2
3
5
6
4
9
8
F
107F
1-semimatrita superioara2-semimatrita inferioara3-cavitatea semimatritei sup4-cavitatea semimatritei inf5-canalul de bavura6-canalul de refulare7-prinderea semimatritei sup8-prinderea semimatritei inf9-elemente de ghidare (stifturi)10-planul de separare
TEMA Sa se stabileasca materialul optim pentru realizarea elementelor active ale matrtei de forjare din figura Se urmreste obtinerea piesei prin forjare la cald
CERINTE PENTRU PROIECTARE
Analiza schiteiFunctia Elemete (semimatrite) de matrita de deformare plasticaObiectiv Trebuie maximalizata tenacitatea (rezilienta)Constrangeri Dimensiunile cavitatii matritei (depind de marimea piesei) dimensiunile exterioare si sistemul de prindere (depind de utilaj temperatura de lucruVariabile libere material
65
Se cauta in sursele de informatii structurate si nestructurate materialele care respecta cerintele
Elemente de matrita
Rezistente la cald
Tenacitate Duritate
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Materialele potrivite sunt metalele si aliajele lor
-Materialele ceramice nu au tenacitate-Materialele polimerice nu au rezistenta la cald-Materialele compozite sunt scumpe si nu au tenacitate
Depinde de compozitia lor
Se cauta materiale cu destinatie precisa Materiale pentru scule de deformare
66
Din baza de date se constata ca urmatoarele materiale satisfac
cerintele rigide adica sa poata fi utilizate la prelucrarea la cald
Sunt materiale cu destinatie precisaDaca nu sunt materiale cu destinatie
precisa se cauta in grupa materialelor cu destinatie generala
Material Rm min MPa HV A5 KCU Jcm3
C120 890 265 8 60
VMoC120 870 265 8 68
VC06 870 230 6 68
VCW85 870 265 6 80
MoCN15 830 250 7 75
VMoCN17 870 265 7 73
VSCW20 790 235 5 78
OSC7 640 195 12 56
OSC8 640 195 10 58
67
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU Jcm3 βKCU Indicele de
performanta PC120 890 265 8 60 101450
VMoC120 870 265 8 68 100650
VC06 870 230 6 68 97400
VCW85 870 265 6 80 101750
MoCN15 830 250 7 75 96750
VMoCN17 870 265 7 73 101100
VSCW20 790 235 5 78 92400
OSC7 640 195 12 56 74950
OSC8 640 195 10 58 75050Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza peoprietatii
68
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU
Jcm3 βKCU Indicele de performanta P
C120 890 100 265 10000 8 6667 60 75 25017000
VMoC120 870 9775 265 10000 8 6667 68 85 2835015356
VC06 870 9775 230 8679 6 5000 68 85 2126563155
VCW85 870 9775 265 10000 6 5000 80 100 2501682022
MoCN15 830 9326 250 9434 7 5833 75 9375 2735970124
VMoCN17 870 9775 265 10000 7 5833 73 9125 2663140356
VSCW20 790 8876 235 8868 5 4167 78 975 2032758226
OSC7 640 7191 195 7358 12 10000 56 70 3501237545
OSC8 640 7191 195 7358 10 8333 58 725 3022070878Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza proprietatii relative
69
Material Indicele de performanta P
VSCW20 2032758226
VC06 2126563155
VCW85 2501682022
C120 25017000
VMoCN17 2663140356
MoCN15 2735970124
VMoC120 2835015356
OSC8 3022070878
OSC7 3501237545
Material Indicele de performanta P
OSC7 74950
OSC8 75050
VSCW20 92400
MoCN15 96750
VC06 97400
VMoC120 100650
VMoCN17 101100
C120 101450
VCW85 101750
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile proprietatii materialului
ordonate crescator
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile relative ale proprietatii materialului ordonate crescator
70
Luand in considerare ca unele materiale sunt aliate cu siguranta acestea sunt mai scumpe
Daca luam in considerare costul unitar pentru otelurile carbon de scule iar densitatea de 785 (corespunzatoare fierului) se obtine indicele de merit
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
OSC7 74950 1 95477707 114
OSC8 75050 1 956050955 114
VSCW20 92400 14 840764331 100
MoCN15 96750 14 880345769 105
VC06 97400 12 103397028 123
VMoC120 100650 13 986281235 117
VMoCN17 101100 14 919927207 109
C120 101450 15 861571125 102
VCW85 101750 14 925841674 110
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea proprietatii materialului
71
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
VSCW20 2032758226 14 184964352 100
VC06 2126563155 12 225749804 122
VCW85 2501682022 14 227632577 123
C120 25017000 15 212458599 115
VMoCN17 2663140356 14 242323963 131
MoCN15 2735970124 14 248950876 135
VMoC120 2835015356 13 277806502 150
OSC8 3022070878 1 384977182 208
OSC7 3501237545 1 446017522 241
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea relativa a proprietatii materialului
72
Selectati materialele potrivite pentru piesele din imagine
Randul I 1 Serie mare de fabricatie-6p Randul II Serie mica (unicat) de fabricatie-6p
Randul I 2 Criterii de selectie a materialelor-1p3 Etapele selectiei materialelor ndash 1p4 Economicitatea piesei ndash 1p5 Strategii de selectie a materialelor ndash 1p
Randul II 2 Tipuri de date utilizate la selectia materialelor-1p3 Cum se face minimalizarea costurilor-1p4 Perofmantele piesei in functionare ndash 1p5 Care sunt cerintele fata de material ndash 1p
SUBIECTE EXAMEN
73
Date privind principalele proprietati tehnologice ale unor materiale
Material
Valorile proprietatii
Aschiabilitate Turnabilitate Sudabilitate Cost
F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba $tona
Otel de constructii (OL) X X X 140
Otel carbon de calitate (OLC) X X X
260
Fonte obisnuite (Fc) X X X 160
Punctaje 60 30 10 60 30 10 60 30 10
Avand in vedere ca pretul creste odata cu rezistenta la tractiune calculati costul fiecarui material prin inmultirea costului de baza cu valoarea proprietatii si impartiti la 100
74
Materiale ce pot fi luate in considerare spre analiza
Material Rm HV A Material Rm HV A Material Rm HV A
OL30 310 95 32 OLC8 324 140 33 Fc100 100 105 2
OL32 310 93 33 OLC10 321 150 31 Fc150 150 145 3
OL34 330 105 31 OLC15 373 155 27 Fc200 200 180 4
OL37 360 112 25 OLC20 410 165 25 Fc250 250 190 4
OL42 410 130 22 OLC25 450 175 24 Fc300 300 210 5
OL44 430 135 22 OLC30 490 180 21 Fc350 350 220 6
OL50 500 160 21 OLC35 530 195 21 Fc400 400 240 6
OL52 510 160 21 OLC40 570 200 19
OL60 590 185 16 OLC45 610 220 18
OL70 690 215 11 OLC50 640 230 16
OLC55 670 240 14
OLC60 700 255 14
Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50
Proprietatea tehnilogica intra cu o pondere de 100
VA UREZ SUCCES
11
Obiectul selectiei Rolul functional
siguranta in functionare durata de
exploatare etc
Se stabilesc toate proprietatile
materialelor ca rezultat al cerintelor functionare
si de utilizare
PROPRIETATI DE UTILIZARE
ETAPA -I- ANALIZA CERINTELOR FATA DE MATERIAL
Procedeele posibile de prelucrare
PROPRIETATI DE PRELUCRARE
Aceste grupe de proprietati pot fi in acord
sau in contradictie
Matricea de cerinte
Care si de unde rezulta aceste cerinte
12
+
La proiectarea piesei sau produsului se stabilesc
Cerintele privind performantele cerute materialului bazate pe functionalitatea si performanta impusa piesei (produsului) precum si pe conditiile ambientale in care va functiona aceasta
Cerintele fata de material
Cerinte functionale
Siguranta in functionare
Functionarea in conditii ambientale de exploatare
Cerinte de prelucrabilitate
COSTUL MATERIALULUI
13
CERINTE FUNCTIONALE
SIGURANTA IN FUNCTIONARE
Caracteristicile produsului (carora nu intotdeauna li se pot atribui valori cantitative) se coreleaza cu cele mai potrivite proprietati mecanice fizice chimice
Se stabilesc cat mai exat conditiile reale de functionare (rol functional tipul caracterul si valoarea solicitarilor conditii de temperatura si mediu etc)
Probabilitatea piesei (materialului) sa fie exploatata corespunzator fara a ceda sau avaria Precizarea anticiparea posibilelor moduri in care un produs poate suferi o avarie re realizeaza prin analiza avariilor
Cauzele unei avarii (in functionare) sunt atribuite- erorilor de conceptie constructiva- defectelor originale ale
materialului- defecte datorate prelucrarii piesei- conditiile de exploatare
14
FUNCTIONAREA IN CONDITII AMBIENTALE DE EXPLOATARE
CERINTE DE PRELUCRABILITATE
(TEHNOLOGICE)
Ambientul in care functioneaza piesa reprezinta un factor important la stabilirea acestor cerinte Mediile corosive temperaturile ridicate sau joase (negative) modifica defavorabil performanta materialelor de uz general
Se apeleaza la materiale speciale cu proprietati deosebite mai scumpe dar corespunzatoare
Forma piesei finite (materialului) precizia dimensionala si de forma calitatea suprafetei etc
Procedeul tehnologic de prlucrare
- turnabilitatea- deformabilitatea- aschiabilitatea- capacitatea de a
fi tratat termic
Se elimina materialele cu (ex) deformabilitate imposibila calibilitate insuficienta aschiabilitate slaba etc
15
Matricea de cerinte
ETAPA -II- STABILIREA MATRICEI DE CERINTE
Analiza celor patru grupuri de cerinte
Stabilirea unor cerinte tehnice
Costul materialuluicerinte economice
Cuprinde toate cerintele necesar a fi indeplinite de material (atat cerintele tehnice cat si cerintele
economice)
Pentru a lua o decizie corecta privind
selectia materialului se face
ierarhizarea cerintelor
16
Cerinte economice
COSTUL MATERIALULUI
Costuri legate cu prelucrare (manopera)
Alte costuri
Costul piesei
Alte costuri (intretinere
exploatare etc)
COSTUL MATERIALULUI controleaza evaluarea materialelor deoarece in multe aplicatii se impune un cost limita pentru materialul care sa satisfaca cerintele aplicatiei Cand limita este depasita produsul se reproiecteaza in vederea modificarii cerintelor fata de material pentru mentinerea acestuia sub limita de cost
Selectia se opreste la materialul care satisface cerintele stabilite (tehnice) de exploatarea piesei si care are costul cel mai scazut
17
ASPECTE ECONOMICE ALE MATERIALELOR
Materialul influenteaza costul total al produselor
Costul materialului are cea mai mare pondere din costul total (30-70)
Prelucrabilitatea
Determina- nivelul de
productivitate- investitiile de capital- manopera necesara
obtinerii formei finale
ATENTIE Alegerea unui material ieftin nu este intotdeauna o solutie corespunzatoare daca prelucrarea lui este dificila si costisitoare
Dimensiunile materiilor prime (semifabricatelor pot determina formarea unei cantitati mari de deseuri si implicit costul final
Posibilitatea reciclarii deseurilor ndash element important la selectia materialelor ndash indeosebi la materialele scumpe
18
Clasificarea materialelor pe baza costurilor
Materialele ingineresti
Materiale de larga utilizare
Materiale speciale
- ieftine- produse in cantitati mari
- substantial mai scumpe- elaborate pentru satisfacerea
unor cerinte deosebite
ATENTIE Compararea materialelor din punc de vedere a costurilor este dificila deoarece la unele materiale costul este dat in raport cu greutatea la altele in raport cu volumul la altele in raport cu suprafata etc
Compararea materialelor se face in raport cu costul relativ
19
Comparatia materialelor pe baza costului relativ al unitatii de
greutate
Comparatia materialelor pe baza costului relativ al unitatii de
volum
Comparatia materialelor pe baza costului relativ al unitatii de volum
raportat la rezistenta de rupere
20
Comparatia materialelor pe baza costului relativ al unitatii de volum
raportat la rezistenta de rupere specifica la tractiune
21
Concluzii
Din punct de vedere al costului relativ la unitatea de greutate utilizarea otelului este cea mai avantajoasa
Cel mai mare consum mondial
Materialele polimerice si aluminiu tind sa se apropie de costurile otelului
Din punct de vedere al costului relativ la unitatea de volum costurile materialelor polimerice se apropie de cele ale otelurilor unele fiind mai ieftine
Apare o plaja larga a costurilor materialelor ingineresti
Uneori materialele nu sunt utilizate la adevarata lor capacitate deoarece o cerinta importanta este rigiditatea Din acest punct de vedere betonul are cel mai mic cost
Sunt aplicatii la care se cere rezistenta ridicata si greutate redusa Se constata ca materialele polimerice si piesele turnate din magneziu apar mai ieftine decat otelurile
22
In cazul unui produs evaluarea valorii lui se
face prin
Evaluarea calitativa a proprietatilor materialului
Cel mai ieftin
Cel mai usor de procutat
Care sa aiba aceeasi
functionalitate
In cazul selectiei materialelor
Pentru aceeasi functionalitate
La cel mai scazut cost
Sa se selecteze cel mai ieftin material
Sa se selecteze un material mai scump dar
care va simplifica prelucrare (eventual
eliminarea unor etape)
23
Otelurile slab aliate cu continut ridicat de mangan si
continut scazut de Ni si Cr
Inlocuiesc otelurile scumpe continand cantitati mai mari de Ni Cr Mo (elemente scumpe)
Acoperirile metalice Inlocuiesc (in conditii mai putin
severe de coroziune) otelurile inoxidabile
Durificarea superficiala sau ecruisarea prin deformare
plastica
Mareste rezistenta la uzare si la oboseala a otelurilor carbon evitand utilizarea otelurilor aliate scumpe
Acoperiri de tipul alitarii cromarii aplicate otelurilor
carbon
Confera rezistenta la temperaturi moderate elimina finisarea
(costisitoare)
24
Coeficientul de utilizare a materialului
Minimalizarea costului materialelor
Printr-o proiectare care sa reduca cantitatea necesara de materiale scumpe
Alegerea procedeelor de prelucrare adecvate
Stabilirea formei semifabricatului care sa maximalizeze coeficientul de utilizare a
materialelor in fabricatie
Materiale ieftine
- Cumparate in cantitati mari- Cele care au dimensiuni mari
Cand fabricatia cere piese de mai multe dimensiuni se poate
cumpara stoc mare de semifabricate la dimensiunea
cea mai mare a pieselor
Reulta deseuri si costuri suplimentare de
manopera
Punctul de rentabilitate in aceasta privinta este greu de evaluat
25
Coeficientul de utilizare a materialelor pentru diferite procedee de prelucrare este dat in urmatorul tabel
Metoda de prelucrare Coeficientul de utilizare
1 Fara modificarea masei
Turnare 70
Deformare plastica 75
Agregate de pulberi 90
2 Cu micsorare de masa
Aschiere 60
Eroziune 90
3 Prin marire de masa
Depuneri prin sudare 80
Depuneri prin metalizare 90
26
Competitia in domeniul materialelor
Odata cu aparitia unor materiale noi si scaderea pretului celor existente apare o COMPETITIE INTRE MATERIALE
Intre otel si aluminiu la obtinerea cutiilor
de bauturi
Intre aluminiu si materiale polimerice
(armate) la constructia aeronavelor
Intre materiale polimerice si cupru
plumb fonta la instalatiile de apa
ProprietateaAliaj ZnAl4 turnat sub presiune
Polistiren ABS
Naylon 66
Policar-bonat
Polipr-opilena
Rezistenta la tractiune MNmm2 260 54 52 70 35
Rezistenta la tractiune prin soc (relativ) 79 1 33 36 16
Rezistenta la fluaj (exprimata ca modul de elasticitate aparent la 100 h MNmm2) 51100 1470 420 2030 308
Rezistenta la oboseala prin incovoiere la 107 cicluri MNmm2 644 154 14 7 182
Temperatura de stabilitate termica la 18 MNmm2 (oC) gt488 345 324 403 332
Modificarea rezistentei la tractiune dupa 500h de expunere in conditii atmosferice ()
+05 -8 +10 -11 -30
Densitatea (relativa) 667 105 114 12 09
Costul unitatii de greutate (relativ Zn=1) 1 21 374 42 14
Costul unitatii de volum raportat la rezistenta la tractiune (relativ) 1 21 37 30 16
Costul unitatii de volum raportat la rezistenta la fluaj (relativ) 1 117 183 19 30
Costul unitatii de volum raportat la rezistenta la tractiune prin soc (relativ) 1 27 15 16 09
Costul unitatii de volum raportat la rezistenta la oboseala (relativ) 1 09 18 34 04
In situatia in care piesa are un rol decorativ ndash materialul plastic este
important
27
Costul prelucrarii poate juca un rol important in procesul
selectiei
Alama mai ieftina pentru anumite piese decat otelul laminat deoarece se prelucreaza cu viteza mai mare
Costul alamei este mai mare decat a otelului
Aluminiul se prelucreaza mai usor si are greutate specifica mai mica
Poate inlocui fonta otelul si aliajele lui chiar
daca sunt mai ieftine
Materialele plastice se prelucreaza foarte usor si devin economice la
serie mare
Pot inlocui orice tip de material la diferite
aplicatii
Criteriul economic privind costul materialului nu este
concludent la selectarea materialului
Devine important COSTUL REPERULUI
28
Costul de baza al materialului
Cheltuieli de dezvoltaresi utilizare a
echipamentelor
Cheltuieli de prelucrareDeterminate de material de procedeu de forma
de precizie
COSTUL REPERULUI
Costurile reperului
29
Reper Comportare Costuri
Cheltuieli de intretineresi reparatii cu reperul
UtilizareCheltuieli de exploatare
Durabilitate
ECONOMICITATEA REPERULUI
Economicitatea reperului
30
CERINTE IMPUSE MATERIALULUIPIESE
Problema selectiei materialului este complexa
datorita
Varietatii materialelor ingineresti
Severitatii cerintelor functionale impuse
Cerinta diminuarii costurilor
Severitatii cerintelor functionale impuse
Prelucrarile la care este supus materialul
Geometria pieselor
Solicitarile la care este supus materialul
INFLUENTEAZA PROPRIETATILE MATERIALELOR
31
Comportarea materialului in produsul finit este sensibil diferita de cea a semifabricatului din care a fost obtinut
Comportarea materialului in piesa
(C)
Proprietatile materialului (M)
Influenta procedeului de prelucrare (P)
Forma piesei si fortele exterioare la care este
supusa (F)
Arata influenta directa a proprietatilor
semifabricatului a procedeului de prelucrare
a formei geometrice si a actiunii fortelor exterioare
asupra comportarii materialelor in piesa finita
Influenteaza direct comportarea
materialului in piesa
Este foarte important a se apela la criterii de proiectare adecvata
32
Influenta procedeului de prelucrare (P)
Prezenta muchiilor ascutite si a filetelor
Rugozitatea suprafetei
Afecteaza intr-o masura mai mare comportarea otelurilor de inalta rezistenta
decat a celor moi
Afecteaza intr-o masura mai mare comportarea materialelor la solicitari
variabile (oboseala) decat la solicitari statice
Interesul se focalizeaza preponderent pe performanta piesei in functionare si mai putin pe comportarea materialului in piesa
Comportarea materialului in piesa (proprietatile piesei)
Performantele piesei in functionare
Comportarea materialului in functionareConditiile de functionare
Factori care influenteaza
performantele piesei in functionare
33
CLASIFICAREA CERINTELOR IMPUSE MATERIALELOR
Cerintele impuse materialelor
Cerinte ldquorigiderdquo sau nenegociabile
Cerinte ldquonerigiderdquo ldquorelativerdquo sau
negociabile
Sunt cerintele care trebuie satisfacute obligatoriu de
material pentru a fi luate in considerare la selectie
bull Disponibilitatebull Prelucrabilitatebull Caracteristici minime
In anumite limite sunt supuse compromisului Pot fi comparate dpdv al importantei lor relative pentru o
aplicatie data in cadrul metodelor cantitative de selectie a materialelor
bull Proprietati mecanicebull Densitatebull Costul
In functie de tipul aplicatiei aceste cerinte isi pot schimba caracterul (din ldquonegociabilerdquo in ldquonenegociabile
Modificarea clasei de material selectate in final
34
EXEMPLE
Butelie de aragaz
Rezistenta Ductilitate Cost
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Rezistenta Ductilitate ρmic
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Butelii pentru gaze utilizate in aviatie
Costul este nenegociabil Oteluri pentru recipienti sub
presiune la temperaturi joase ndash R37 R44
Greutate cat mai mica (considerata nenegociabila) Materiale compozite (Kevlar 49-matrice epoxidica armata
cu fibre de poliamida)
35
MODALITATI DE ABORDARE A SELECTIEI MATERIALELOR SI PROCEDEELOR DE PRELUCRARE
Aparitia unor materiale noi si a competitiei intre materiale
Abordari noi in selectia materialelor si a procedeelor de prelucrare
Materialele plastice folosite la obtinerea pieselor complexe si de buna calitate inalta tehnologie
Materialele compozite au condus la reducerea substantiala a
greutatii produsului
Materiale sinterizate utilizate la obtinerea pieselor fara pierderi de material si consum de enetgie
scazut
Ingineria suprafetelor ofera posibilitati de modificare a
suprafetelor si coferirea unor proprietati deosebite
Cu toate aceste proiectantii se limiteaza la selectia
materialelor si procedeelor de prelucrare cunoscute mai bine
- Evitarea riscurilor- Nu este cunoscuta existenta unor noi materiale- Nu sunt cunoscute noile tehnologii de fabricatie etc
Proiectarea industriala trebuie asociata cu design-ul realizarea unei forme estetice obtinerea unui aspect exterior
placut
Design-ul industrial include mai mult decat o stilizare
Alegerea materialului permite un anumit design sau altul
36
La selectarea functiunii produsului (comportarea lui in exploatare-C) a materialelor (M) a
procedeelor de prelucrare (P) a formei (F) trebuie sa se tina seama ca acestea se intrepatrund (trebuie
sa tin seama in acelasi timp de ele)
Dificil Pot fi urmate diferite
succesiuni
Succesiunea CFMP prezinta urmatoarea
ordine de luare in considerare
-functionalitatea produsului (C)-forma piesei-materialul piesei-procedeul de prelucrare
Pot exista diferite succesiuni
Conduce la solutii diferite
Cadrul face conexiunea intre roti
saua bicicletei pedale ghidon
EXEMPLU Succesiunea CFMP
Functionalitatea si forma sunt aceleasi
Teava de aluminiu
Sudare
Succesiunea CFPM
Functionalitatea si forma sunt aceleasi
Sudare Teava de otel-se sudeaza mai bine
Succesiunea CMPF
Functionalitatea este aceeasi
Ca material se poate alege unul compozit
Sudare lipire
Forma aceeasi sau nu
Succesiunea CPMF
Poate fi aleasa presarea unui material superplastic
Alegerea ca material aluminiul
Forma S asimetrica plata
37
Pe baza functiunilor impuse produsului proiectantul schiteaza o serie de solutii tinand seama
de-materialele ce pot fi folosite-procedeele de fabricatie ce pot fi aplicate-formele potrivite ca functionalitate si design
Fiecare combinatie materialprocedeu de prelucrare conduce la diferite forme
Pot fi generate un numar
diferit de forme
Este o abordare CPMF sau CMPF
38
STRATEGII DE SELECTIE A MATERIALELOR
O strategie de selectie are doua componente
Formularea marimi prin care sa se evaluare un set de cerinte impuse materialului
Un procedeu de evaluare a marimii cerintelor prin care sa
se poata face ierarhizarea acestora in functie de masura in
care acestea sunt indeplinite
Strategiile cauta cai de implementare a procesului si anume de a converti un set de date ldquode intrarerdquo (cerintele proiectarii)
intr-un set de date ldquode iesirerdquo- alegerea materialului si a procedeului de prelucrare
39
Cerintele proiectarii
Materiale si procedee de prelucrare selectate
Strategii de selectie
Date initiale Functie de transfer Date finale
Strategia 1 Cautare libera implicand analiza rationala
Strategia 2 Bazata pe chestionare Este o selectie prin expertiza
Strategia 3 Analogie bazata pe cazuri anterioare
Posibila inovatie
Ofera solutii cunoscute
Ofera solutii similare cu situatia prezenta
Ofera mare libertate de selectie dar putina ghidare in proces
Ofera multa ghidare in proces dar putina libertate de selectie
Ofera idei ale solutiilor anterioare pentru probleme similare
40
SELECTIA LIBERA BAZATA PE ANALIZA RATIONALA
Este rapida si eficienta
Ofera o mare libertate pentru aplicatii
Ofera solutii noi si inovative
Avantaje
Are nevoie de date de intrare precis detaliate intr-o forma ce pot fi analizate prin metode ingineresti
standard
EXEMPLU
Gasiti un material pentru o bara de lungime L care sa
suporte o forta F la temperatura T si sa fie cat mai usoara
Cerinte pentru proiectare
ANALIZA SCHITEIFunctia Ce trebuie sa faca piesaObiective Ce trebuie maximalizat sau minimalizatConstrangeri Ce conditii esentiale trebuie sa fie indepliniteVariabile libere Care variabile ale proiectului sunt libere (cerinte nerigide)
41
Functia Ce trebuie sa faca piesa
Obiective Ce trebuie maximalizat sau minimalizat
Variabile libere Care variabile ale proiectului sunt libere (cerinte nerigide)
De a rezista la momente de incovoiere trebuie sa suporta incarcatura pentru care a fost proiectata fara a se deforma
Constrangeri Ce conditii esentiale trebuie sa fie indeplinite
Lungimea L data Tigiditatea S data Sa reziste si sa nu se deformeze la temperatura T
Trebuie minimalizata greutate
Aria sectiunii Costul
Procesul de selectie a avea 3 pasi
Filtrarea Se folseste de constrangeri pentru inlaturarea materialelor care nu indeplinesc cerintele
IerarhizareaSe folseste de marimea performantelor materialelor ramase in discutie pentru a le ordona
Documentarea
Analizeaza informatiile nestructurate le structureaza si le introduce in structura ierarhizata realizand o fisa cu informatii care ajuta selectia finala a materialului
42
Ierarhizarea se face parcurgand mai multe faze
Identificarea unuia sau a mai multor indici de performanta corespunzatori functiei obiectivului si constrangerilor
Indicele de performanta permite optimizarea selectiei
Pentru identificarea acestor indici se parcurg urmatoarele etape
Transpunerea intr-o relatie a obiectivului (entitatea) ce trebuie minimalizata sau maximalizata
Analiza grupului de proprietati (indicele de performanta) care maximalizeaza obiectivul
Eliminarea din aceasta relatie a variabilelor libere utilizand constrangerile (ex valoarea impusa rigiditatii a incarcarii limita a unui moment a presiunii a temperaturii de lucru sau al tenacitatii
43
EXEMPLU
TEMAGasiti un material pentru o bara de lungime L care sa
suporte o forta F la temperatura T si sa fie cat mai usoara
b
b
Lδ
F
Sageata
Sectiunea
CERINTELE PROIECTARIIFunctia Bara incarcata la incovoiereObiectiv Minimalizarea greutatiiConstrangeri Lungimea L data Rigiditatea S data Temperatura de exploatare T data (500deg)Variabile libere Aria sectiunii A Materialul de selectat
Se alege masa ldquomrdquo ca indice de performanta (trebuie sa fie minimalizat)
Masa barei este
Constrangerea privind rigiditatea va determina aria sectiunii ASageata unei bare simplu rezemata (forta actionand la mijloc) este data de relatia
44
unde E-modulul de elasticitate al materialului barei I-momentul de inertie al sectiunii grinzii
CL-reprezinta o constanta ce depinde de modul de distributie a fortei F (CL=48)
Rigiditatea barei este data de relatia
Din aceasta ultima relatie rezulta aria sectiunii A
Prin substitutia acestei relatii in relatia de determinare a masei grinzii se obtine indicele de performanta m
Valorile S L CL sunt date de proiect
Cea mai usoara bara este acea realizata dintr-un material care are cea mai mare valoare pentru
raport numit si ldquoindice de materialrdquo
Functia Incarcarea ConstrangeriIndici de
performantaRelatia
indicelui
Structuri de masa minima
Tija
BaraStatica
Rigiditate
Tractiune Eρ
Compresiune Eρ
Incovoiere E12ρ
Torsiune E12ρ
Rezistenta
Tractiune σrρ
Compresiune σcρ
Incovoiere σr23ρ
Torsiune σc23ρ
Dinamica
Panou
45
Exista mai multi indici de performanta fiecare realizand o combinatie dintre obiectiv si constrangere
46
47
48
METODE CANTITATIVE DE SELECTIE A MATERIALELOR CANDIDATE
Materialele candidat sunt materialele care satisfac cerintele cuprinse in matricea de cerinte rezultate dinbull Cerintele functionalebull Siguranta in functionarebull Functionarea in conditii ambientale de exploatarebull Cerintele de prelucrabilitatebull Economicitatea piesei
Care din aceste materiale vor fi luate in considerare la realizarea piesei
Evaluarea materialelor candidat
Evaluarea presupune compararea materialelor candidat care indeplinesc cerintele negociabile cu caracteristicile efective ale materialului in vederea selectarii celui optim pentru o aplicatie data
49
Evaluarea materialelor candidat
Este mai simpla pentru metodele cantitative de evaluare
Trebuie sa tina seama de anumite avantaje (usurinta procurarii materialului distanta pana la furnizor seriozitatea furnizarii constanta in calitatea produselor etc) care pot introduce anumite limitari determinand anumite compromisuri
In cele mai multe cazuri metodele cantitative de selectie conduc la materialul optim pentru o aplicatie
Metodele cantitative pot fi reluate odata cu schimbarea importantei relative a cerintelor negociabile
ATENTIE Cerintele nenegociabile trebuie satisfacute in totalitate si intocmai
Daca niciun material nu satisfac cerintele negociabile atunci fie ca acestea trebuie relaxate fie se impune reproiectarea produsului
50
Selectia este o operatie complexa
Numar mare de materiale cu o plaja larga de proprietati
Daca se face intamplator
Apare riscul de a omite anumite materiale candidate
Reducerea riscului prin adoptarea unei metode sistematice de selectie a materialelor
Metodele cantitative
Permitbull analiza unui numar ridicat de datebull a multor specificatii implicate in selectia materialelorbull pot fi adaptate pentru o selectie asistata de calculator
dintr-o baza de date
Metodele nu elimina capacitatea de analiza si experienta ingineruluiAceste metode sprijina inginerul in alegerea optima
51
METODA COSTULUI RAPORTAT LA UNITATEA DE PROPRIETATE
Economicitatea piesei
Costul initial al materialului
Costul prelucrarii si montarii
Costul functionarii si intretinerii
Unele dintre aceste costuri cresc odata cu cresterea
valorii proprietatilor altele scad
Proprietatea (Rm)
Costul piesei
Alte costuri
Costul total
Cos
tul
Cost minim
Odata cu cresterea rezistentei- Prelucrare mai dificila- Greutatea pe piesa scade- Durabilitatea in exploatare
creste si deci numarul de piese in utilizate in timp mai mic
Costul total este suma costului piesei si a celorlalte costuri
52
Valoarea optima a proprietatii (aici Rm) apare la costul minim
In piata costul materialului este legat de greutatea sau volumul (dupa caz) materialului
Se poate stabili o comparatie a materialelor intre proprietatile relative (proprietatea raportata la
greutatea specifica) De exemplu rezistenta rigiditatea modul de elasticitate etc
Criteriul esential este costul raportat la unitatea de rezistenta la tractiune
C=pρσ
C- costul asigurarii unei rezistente de 1 MPap- costul unitatii de proprietate a materialului
ρ- densitatea materialului
σr- rezistenta la tractiune
Cu cat valoarea lui ldquoCrdquo este mai mica cu atat materialul
este mai economic
53
Relatii asemanatoare pot fi obtinute si pentru alte proprietati cum ar fi- limita la curgere- modulul de elastuicitate- factorul de intensitate a tensiunii etc
Costul unitatii de proprietate pentru diferite moduri de solicitare
54
Compararea materialelor privind aceste costuri este esentiala
Se compara materialele intre ele
Este dificilSe ia un material de referinta
Costul relativ pe unitatea de proprietate a materialului candidat ldquoirdquo raportat la costul relativ pe unitatea de proprietate a materialului de referinta ldquobrdquo este dat de relatia
Daca CR este subunitar materialul candidat este mai ieftin decat materialul de referinta
Materialul de referinta este eliminat si materialul candidat se ia ca material de referinta pentru urmatoarea comparatie
Daca CR este supra unitar materialul candidat este mai scump decat materialul de referinta
Materialul de referinta se ia ca material de comparatie pentru urmatoarea analiza
55
METODA PONDERARII PROPRIETATILOR
Este o metoda pentru rezolvarea unor solutii mai comlexe de materiale materiale si proprietati
Fiecarei proprietati a materialului i se acorda o pondere rdquoαrdquo
Ponderea este proportionala cu importanta relativa a proprietatii pentru performanta in exploatare a materialului pentru aplicatia data
Ponderea proprietatii este egala cu produsul dintre valoarea numerica a proprietatii materialului ldquoprdquo si ponderea ei ldquoαrdquo
γ=pα
Insumand toate aceste produse pentru un material se obtine un indice de performanta ldquoPrdquo al materialului
Aceasta metoda ia in considerare toate proprietatile materialului
Comparand mai multe materiale prin indicele de performanta se poate gasi cel mai performant material pentru o aplicatie
56
Dezavantajul acestei metode consta in faptul ca in cazul unei proprietati care are o valoare ridicata aceasta v-a avea o influenta mai mare asupra indicelui de performanta decat ponderea ei
Exemplu Un material A care are Rm=370 MPa si o duritate de 350 HRB si un alt material B care are Rm=400 MPa si o duritate de 300 HRBStabilind ponderea proprietatii de 100 pentru rezistenta si 90 pentru duritate se obtine un indice de performanta de 68500 pentru material ul A si 67000 pentru materialul B
Inseamna ca impotriva importantei rezistentei la tractiune (ca fiind primul criteriu de selectie) si care este mai mare pentru materialul B indicele de performanta al materialului A este mai mare si deci acest material v-a fi selectat
La evaluarea materialelor candidat se va lucra cu valori relative ldquoβrdquo ale unei anumite proprietati celei mai mari valori a proprietatii atribuindu-se valoarea 100 iar celelalte valori relative se determina cu relatia
57
Pentru proprietatile materialelor care nu se exprima in mod obisnuit prin valori numerice (rezistenta la uzare sudabilitatea aschiabilitatea diferite proprietati tehnologice etc) evaluarea se poate face relativ la una dintre proprietati astfel
Astfel fiecarei proprietati I se acorda o importanta egalasi ea va influenta indicii de performanta ai materialelor doar comparate doar in masura ponderii acordate
Pentru proprietati ale caror valori se doreste a fi cat mai mici (densitatea pierderea de greutate prin coroziune etc) evaluarea se face printr-un raport invers
ProprietateaMateriale alternative
A B C D
Sudabilitatea Foarte buna Buna Buna Satisfacatoare
Evaluarea relativa 5 3 3 1
Valoarea scalata 100 60 60 20
58
Exemplu In ceea ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru rezistenta la tractiune a materialului A este de 925 Pentru al doilea material aceasta valoare este de 100 In ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru duritate aceasta este de 100 pentru materialul A si de 857 pentru materialul B
Acest lucru poate schimba situatia ierarhica a materialelor sau le poate apropia atat de mult indicele de performanta incat sa se puna problema luari in considerare si a altor elemente pentru selectie
Astfel indicele de performanta a materialului este dat de relatia
unde P reprezinta indicele de performanta a materialuluildquoirdquo este suma celor ldquonrdquo proprietati considerate a materialul ui
59
Ponderea α poate fi considerata ca αilt1 astfel incat
(cazul cel mai frecvent) sau ei I se poate aloca o plaja de valori valoarea cea mai mare
corespunzand proprietatii cu cea mai mare importanta
Costul materialului poate fi considerat ca o proprietate (chiar importanta) acordandui-se o pondere ldquoαrdquo
In cazul luarii in considerare a unui numar mare de proprietati costul poate fi considerat un factor de corectie al indicelui de performanta a materialului rezultand indicele de merit al acestuia
in care ldquoprdquo reprezinta costul unitatii de greutate a materialului
60
Cand se doreste compararea mai multor materiale candidat (i) cu unul de baza (de referinta) se calculeaza indicele relativ de merit al fiecarui material astfel
Daca RMgt1 respectivul material candidat ldquoirdquo corespunde mai bine cerintelor decat materialul de referinta ldquobrdquoIn cazul in care Mb reprezinta minimul cerintelor impuse Materialele candidat avand RMlt1 pot fi eliminate de la inceput ca fiind necorespunzatoare
Cand trebuie luate in considerare mai multe proprietati ale materialului pentru evaluarea indicelui de performanta este dificila evaluarea ponderii acestora Rezolvarea aceste probleme poate fi realizata printr-o evaluare prin programe numerice
61
METODA CRESTERII INCREMENTALE
In anumite situatii pot aparea mai multe materiale care indeplinesc cerintele minime impuse de o anumita aplicatie
Dupa analiza acestor materiale se poate presupune ca performantele pieselor prelucrate sunt proportionale cu indicii de performanta ldquoPrdquo In acelasi timp costul piesei variaza proportional cu costul materialului si al prelucrarii acestora
Daca se doreste selectarea piesei care are cea mai mare performanta la cea mai rezonabila crestere a costului se poate face o analiza beneficiu-cost Procedeul se ia indeosebi cand se doreste inlocuirea unui material utilizat deja in fabricatie
Materialul cu cel mai scazut cost (1) se ca element de baza si este comparat cu materialul care are costul imediat superior (2) Comparatia se face determinand cresterea indicelui de performanta (ΔP=P2-P1) si a costului ldquoprdquo pe unitatea de volum (Δpρ=p2ρ2-p1ρ1)
Daca ΔPΔpρlt1 materialul 1 corespunde mai bine decat materialul 2 pentru aplicatia data si materialul 2 va fi eliminatDaca ΔPΔpρgt1 materialul 1 va fi eliminat deoarece materialul 2 corespunde mai bine cerintelor aplicatieiSe continua compararea cu al treilea material si rand pe rand vor fi eliminate materialele mai putin corespunzatoare ajungand la materialul optim
62
EXEMPLU DE SELECTIE A MATERIALELOR
Tema Realizarea piesesei din figura dintr-un otel ldquoOL37rdquo intr-o serie mare de fabricatie-Este o piesa cilindrica cu dimensiunile date-Are un butuc-Prezinta o gaura lunga si de diametre mic
oslash200oslash50
150oslash20
Se poate realiza din bara rotunda prin strunjire
Se poate realiza din bara rotunda prin forjare
80
Coeficientul de utilizare a materialului 055
Coeficientul de utilizare a materialului 098
63
Diametrul mm Inaltime mm Volum mm3 Volum mm3Coeficientul de
utilizare a materialului
Semif Pornire 200 150 4710000 4710000
Strunjire
200 80 2512000
2602275 055=5550 35 137375
20 150 47100
Forjare
200 80 25120002649375
098=9850 35 137375
20 150 47100 2602275
Coeficientul de utilizare a materialului K=greutatea piesei finitegreutatea materialului utilizat pentru realizarea lui (a semifabricatului de pornire)
In calcul s-a lucrat cu volumul materialului deoarece G=VρAdaosuriele de prelucrare s-u luat ca fiind egaleApare un mult mai bun grad de utilizare a materialului pentr prelucrarea prin forjare
PIESA SE VA REALIZA PRIN FORJARE
64
1
2
3
5
6
4
9
8
F
107F
1-semimatrita superioara2-semimatrita inferioara3-cavitatea semimatritei sup4-cavitatea semimatritei inf5-canalul de bavura6-canalul de refulare7-prinderea semimatritei sup8-prinderea semimatritei inf9-elemente de ghidare (stifturi)10-planul de separare
TEMA Sa se stabileasca materialul optim pentru realizarea elementelor active ale matrtei de forjare din figura Se urmreste obtinerea piesei prin forjare la cald
CERINTE PENTRU PROIECTARE
Analiza schiteiFunctia Elemete (semimatrite) de matrita de deformare plasticaObiectiv Trebuie maximalizata tenacitatea (rezilienta)Constrangeri Dimensiunile cavitatii matritei (depind de marimea piesei) dimensiunile exterioare si sistemul de prindere (depind de utilaj temperatura de lucruVariabile libere material
65
Se cauta in sursele de informatii structurate si nestructurate materialele care respecta cerintele
Elemente de matrita
Rezistente la cald
Tenacitate Duritate
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Materialele potrivite sunt metalele si aliajele lor
-Materialele ceramice nu au tenacitate-Materialele polimerice nu au rezistenta la cald-Materialele compozite sunt scumpe si nu au tenacitate
Depinde de compozitia lor
Se cauta materiale cu destinatie precisa Materiale pentru scule de deformare
66
Din baza de date se constata ca urmatoarele materiale satisfac
cerintele rigide adica sa poata fi utilizate la prelucrarea la cald
Sunt materiale cu destinatie precisaDaca nu sunt materiale cu destinatie
precisa se cauta in grupa materialelor cu destinatie generala
Material Rm min MPa HV A5 KCU Jcm3
C120 890 265 8 60
VMoC120 870 265 8 68
VC06 870 230 6 68
VCW85 870 265 6 80
MoCN15 830 250 7 75
VMoCN17 870 265 7 73
VSCW20 790 235 5 78
OSC7 640 195 12 56
OSC8 640 195 10 58
67
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU Jcm3 βKCU Indicele de
performanta PC120 890 265 8 60 101450
VMoC120 870 265 8 68 100650
VC06 870 230 6 68 97400
VCW85 870 265 6 80 101750
MoCN15 830 250 7 75 96750
VMoCN17 870 265 7 73 101100
VSCW20 790 235 5 78 92400
OSC7 640 195 12 56 74950
OSC8 640 195 10 58 75050Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza peoprietatii
68
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU
Jcm3 βKCU Indicele de performanta P
C120 890 100 265 10000 8 6667 60 75 25017000
VMoC120 870 9775 265 10000 8 6667 68 85 2835015356
VC06 870 9775 230 8679 6 5000 68 85 2126563155
VCW85 870 9775 265 10000 6 5000 80 100 2501682022
MoCN15 830 9326 250 9434 7 5833 75 9375 2735970124
VMoCN17 870 9775 265 10000 7 5833 73 9125 2663140356
VSCW20 790 8876 235 8868 5 4167 78 975 2032758226
OSC7 640 7191 195 7358 12 10000 56 70 3501237545
OSC8 640 7191 195 7358 10 8333 58 725 3022070878Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza proprietatii relative
69
Material Indicele de performanta P
VSCW20 2032758226
VC06 2126563155
VCW85 2501682022
C120 25017000
VMoCN17 2663140356
MoCN15 2735970124
VMoC120 2835015356
OSC8 3022070878
OSC7 3501237545
Material Indicele de performanta P
OSC7 74950
OSC8 75050
VSCW20 92400
MoCN15 96750
VC06 97400
VMoC120 100650
VMoCN17 101100
C120 101450
VCW85 101750
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile proprietatii materialului
ordonate crescator
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile relative ale proprietatii materialului ordonate crescator
70
Luand in considerare ca unele materiale sunt aliate cu siguranta acestea sunt mai scumpe
Daca luam in considerare costul unitar pentru otelurile carbon de scule iar densitatea de 785 (corespunzatoare fierului) se obtine indicele de merit
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
OSC7 74950 1 95477707 114
OSC8 75050 1 956050955 114
VSCW20 92400 14 840764331 100
MoCN15 96750 14 880345769 105
VC06 97400 12 103397028 123
VMoC120 100650 13 986281235 117
VMoCN17 101100 14 919927207 109
C120 101450 15 861571125 102
VCW85 101750 14 925841674 110
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea proprietatii materialului
71
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
VSCW20 2032758226 14 184964352 100
VC06 2126563155 12 225749804 122
VCW85 2501682022 14 227632577 123
C120 25017000 15 212458599 115
VMoCN17 2663140356 14 242323963 131
MoCN15 2735970124 14 248950876 135
VMoC120 2835015356 13 277806502 150
OSC8 3022070878 1 384977182 208
OSC7 3501237545 1 446017522 241
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea relativa a proprietatii materialului
72
Selectati materialele potrivite pentru piesele din imagine
Randul I 1 Serie mare de fabricatie-6p Randul II Serie mica (unicat) de fabricatie-6p
Randul I 2 Criterii de selectie a materialelor-1p3 Etapele selectiei materialelor ndash 1p4 Economicitatea piesei ndash 1p5 Strategii de selectie a materialelor ndash 1p
Randul II 2 Tipuri de date utilizate la selectia materialelor-1p3 Cum se face minimalizarea costurilor-1p4 Perofmantele piesei in functionare ndash 1p5 Care sunt cerintele fata de material ndash 1p
SUBIECTE EXAMEN
73
Date privind principalele proprietati tehnologice ale unor materiale
Material
Valorile proprietatii
Aschiabilitate Turnabilitate Sudabilitate Cost
F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba $tona
Otel de constructii (OL) X X X 140
Otel carbon de calitate (OLC) X X X
260
Fonte obisnuite (Fc) X X X 160
Punctaje 60 30 10 60 30 10 60 30 10
Avand in vedere ca pretul creste odata cu rezistenta la tractiune calculati costul fiecarui material prin inmultirea costului de baza cu valoarea proprietatii si impartiti la 100
74
Materiale ce pot fi luate in considerare spre analiza
Material Rm HV A Material Rm HV A Material Rm HV A
OL30 310 95 32 OLC8 324 140 33 Fc100 100 105 2
OL32 310 93 33 OLC10 321 150 31 Fc150 150 145 3
OL34 330 105 31 OLC15 373 155 27 Fc200 200 180 4
OL37 360 112 25 OLC20 410 165 25 Fc250 250 190 4
OL42 410 130 22 OLC25 450 175 24 Fc300 300 210 5
OL44 430 135 22 OLC30 490 180 21 Fc350 350 220 6
OL50 500 160 21 OLC35 530 195 21 Fc400 400 240 6
OL52 510 160 21 OLC40 570 200 19
OL60 590 185 16 OLC45 610 220 18
OL70 690 215 11 OLC50 640 230 16
OLC55 670 240 14
OLC60 700 255 14
Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50
Proprietatea tehnilogica intra cu o pondere de 100
VA UREZ SUCCES
Care si de unde rezulta aceste cerinte
12
+
La proiectarea piesei sau produsului se stabilesc
Cerintele privind performantele cerute materialului bazate pe functionalitatea si performanta impusa piesei (produsului) precum si pe conditiile ambientale in care va functiona aceasta
Cerintele fata de material
Cerinte functionale
Siguranta in functionare
Functionarea in conditii ambientale de exploatare
Cerinte de prelucrabilitate
COSTUL MATERIALULUI
13
CERINTE FUNCTIONALE
SIGURANTA IN FUNCTIONARE
Caracteristicile produsului (carora nu intotdeauna li se pot atribui valori cantitative) se coreleaza cu cele mai potrivite proprietati mecanice fizice chimice
Se stabilesc cat mai exat conditiile reale de functionare (rol functional tipul caracterul si valoarea solicitarilor conditii de temperatura si mediu etc)
Probabilitatea piesei (materialului) sa fie exploatata corespunzator fara a ceda sau avaria Precizarea anticiparea posibilelor moduri in care un produs poate suferi o avarie re realizeaza prin analiza avariilor
Cauzele unei avarii (in functionare) sunt atribuite- erorilor de conceptie constructiva- defectelor originale ale
materialului- defecte datorate prelucrarii piesei- conditiile de exploatare
14
FUNCTIONAREA IN CONDITII AMBIENTALE DE EXPLOATARE
CERINTE DE PRELUCRABILITATE
(TEHNOLOGICE)
Ambientul in care functioneaza piesa reprezinta un factor important la stabilirea acestor cerinte Mediile corosive temperaturile ridicate sau joase (negative) modifica defavorabil performanta materialelor de uz general
Se apeleaza la materiale speciale cu proprietati deosebite mai scumpe dar corespunzatoare
Forma piesei finite (materialului) precizia dimensionala si de forma calitatea suprafetei etc
Procedeul tehnologic de prlucrare
- turnabilitatea- deformabilitatea- aschiabilitatea- capacitatea de a
fi tratat termic
Se elimina materialele cu (ex) deformabilitate imposibila calibilitate insuficienta aschiabilitate slaba etc
15
Matricea de cerinte
ETAPA -II- STABILIREA MATRICEI DE CERINTE
Analiza celor patru grupuri de cerinte
Stabilirea unor cerinte tehnice
Costul materialuluicerinte economice
Cuprinde toate cerintele necesar a fi indeplinite de material (atat cerintele tehnice cat si cerintele
economice)
Pentru a lua o decizie corecta privind
selectia materialului se face
ierarhizarea cerintelor
16
Cerinte economice
COSTUL MATERIALULUI
Costuri legate cu prelucrare (manopera)
Alte costuri
Costul piesei
Alte costuri (intretinere
exploatare etc)
COSTUL MATERIALULUI controleaza evaluarea materialelor deoarece in multe aplicatii se impune un cost limita pentru materialul care sa satisfaca cerintele aplicatiei Cand limita este depasita produsul se reproiecteaza in vederea modificarii cerintelor fata de material pentru mentinerea acestuia sub limita de cost
Selectia se opreste la materialul care satisface cerintele stabilite (tehnice) de exploatarea piesei si care are costul cel mai scazut
17
ASPECTE ECONOMICE ALE MATERIALELOR
Materialul influenteaza costul total al produselor
Costul materialului are cea mai mare pondere din costul total (30-70)
Prelucrabilitatea
Determina- nivelul de
productivitate- investitiile de capital- manopera necesara
obtinerii formei finale
ATENTIE Alegerea unui material ieftin nu este intotdeauna o solutie corespunzatoare daca prelucrarea lui este dificila si costisitoare
Dimensiunile materiilor prime (semifabricatelor pot determina formarea unei cantitati mari de deseuri si implicit costul final
Posibilitatea reciclarii deseurilor ndash element important la selectia materialelor ndash indeosebi la materialele scumpe
18
Clasificarea materialelor pe baza costurilor
Materialele ingineresti
Materiale de larga utilizare
Materiale speciale
- ieftine- produse in cantitati mari
- substantial mai scumpe- elaborate pentru satisfacerea
unor cerinte deosebite
ATENTIE Compararea materialelor din punc de vedere a costurilor este dificila deoarece la unele materiale costul este dat in raport cu greutatea la altele in raport cu volumul la altele in raport cu suprafata etc
Compararea materialelor se face in raport cu costul relativ
19
Comparatia materialelor pe baza costului relativ al unitatii de
greutate
Comparatia materialelor pe baza costului relativ al unitatii de
volum
Comparatia materialelor pe baza costului relativ al unitatii de volum
raportat la rezistenta de rupere
20
Comparatia materialelor pe baza costului relativ al unitatii de volum
raportat la rezistenta de rupere specifica la tractiune
21
Concluzii
Din punct de vedere al costului relativ la unitatea de greutate utilizarea otelului este cea mai avantajoasa
Cel mai mare consum mondial
Materialele polimerice si aluminiu tind sa se apropie de costurile otelului
Din punct de vedere al costului relativ la unitatea de volum costurile materialelor polimerice se apropie de cele ale otelurilor unele fiind mai ieftine
Apare o plaja larga a costurilor materialelor ingineresti
Uneori materialele nu sunt utilizate la adevarata lor capacitate deoarece o cerinta importanta este rigiditatea Din acest punct de vedere betonul are cel mai mic cost
Sunt aplicatii la care se cere rezistenta ridicata si greutate redusa Se constata ca materialele polimerice si piesele turnate din magneziu apar mai ieftine decat otelurile
22
In cazul unui produs evaluarea valorii lui se
face prin
Evaluarea calitativa a proprietatilor materialului
Cel mai ieftin
Cel mai usor de procutat
Care sa aiba aceeasi
functionalitate
In cazul selectiei materialelor
Pentru aceeasi functionalitate
La cel mai scazut cost
Sa se selecteze cel mai ieftin material
Sa se selecteze un material mai scump dar
care va simplifica prelucrare (eventual
eliminarea unor etape)
23
Otelurile slab aliate cu continut ridicat de mangan si
continut scazut de Ni si Cr
Inlocuiesc otelurile scumpe continand cantitati mai mari de Ni Cr Mo (elemente scumpe)
Acoperirile metalice Inlocuiesc (in conditii mai putin
severe de coroziune) otelurile inoxidabile
Durificarea superficiala sau ecruisarea prin deformare
plastica
Mareste rezistenta la uzare si la oboseala a otelurilor carbon evitand utilizarea otelurilor aliate scumpe
Acoperiri de tipul alitarii cromarii aplicate otelurilor
carbon
Confera rezistenta la temperaturi moderate elimina finisarea
(costisitoare)
24
Coeficientul de utilizare a materialului
Minimalizarea costului materialelor
Printr-o proiectare care sa reduca cantitatea necesara de materiale scumpe
Alegerea procedeelor de prelucrare adecvate
Stabilirea formei semifabricatului care sa maximalizeze coeficientul de utilizare a
materialelor in fabricatie
Materiale ieftine
- Cumparate in cantitati mari- Cele care au dimensiuni mari
Cand fabricatia cere piese de mai multe dimensiuni se poate
cumpara stoc mare de semifabricate la dimensiunea
cea mai mare a pieselor
Reulta deseuri si costuri suplimentare de
manopera
Punctul de rentabilitate in aceasta privinta este greu de evaluat
25
Coeficientul de utilizare a materialelor pentru diferite procedee de prelucrare este dat in urmatorul tabel
Metoda de prelucrare Coeficientul de utilizare
1 Fara modificarea masei
Turnare 70
Deformare plastica 75
Agregate de pulberi 90
2 Cu micsorare de masa
Aschiere 60
Eroziune 90
3 Prin marire de masa
Depuneri prin sudare 80
Depuneri prin metalizare 90
26
Competitia in domeniul materialelor
Odata cu aparitia unor materiale noi si scaderea pretului celor existente apare o COMPETITIE INTRE MATERIALE
Intre otel si aluminiu la obtinerea cutiilor
de bauturi
Intre aluminiu si materiale polimerice
(armate) la constructia aeronavelor
Intre materiale polimerice si cupru
plumb fonta la instalatiile de apa
ProprietateaAliaj ZnAl4 turnat sub presiune
Polistiren ABS
Naylon 66
Policar-bonat
Polipr-opilena
Rezistenta la tractiune MNmm2 260 54 52 70 35
Rezistenta la tractiune prin soc (relativ) 79 1 33 36 16
Rezistenta la fluaj (exprimata ca modul de elasticitate aparent la 100 h MNmm2) 51100 1470 420 2030 308
Rezistenta la oboseala prin incovoiere la 107 cicluri MNmm2 644 154 14 7 182
Temperatura de stabilitate termica la 18 MNmm2 (oC) gt488 345 324 403 332
Modificarea rezistentei la tractiune dupa 500h de expunere in conditii atmosferice ()
+05 -8 +10 -11 -30
Densitatea (relativa) 667 105 114 12 09
Costul unitatii de greutate (relativ Zn=1) 1 21 374 42 14
Costul unitatii de volum raportat la rezistenta la tractiune (relativ) 1 21 37 30 16
Costul unitatii de volum raportat la rezistenta la fluaj (relativ) 1 117 183 19 30
Costul unitatii de volum raportat la rezistenta la tractiune prin soc (relativ) 1 27 15 16 09
Costul unitatii de volum raportat la rezistenta la oboseala (relativ) 1 09 18 34 04
In situatia in care piesa are un rol decorativ ndash materialul plastic este
important
27
Costul prelucrarii poate juca un rol important in procesul
selectiei
Alama mai ieftina pentru anumite piese decat otelul laminat deoarece se prelucreaza cu viteza mai mare
Costul alamei este mai mare decat a otelului
Aluminiul se prelucreaza mai usor si are greutate specifica mai mica
Poate inlocui fonta otelul si aliajele lui chiar
daca sunt mai ieftine
Materialele plastice se prelucreaza foarte usor si devin economice la
serie mare
Pot inlocui orice tip de material la diferite
aplicatii
Criteriul economic privind costul materialului nu este
concludent la selectarea materialului
Devine important COSTUL REPERULUI
28
Costul de baza al materialului
Cheltuieli de dezvoltaresi utilizare a
echipamentelor
Cheltuieli de prelucrareDeterminate de material de procedeu de forma
de precizie
COSTUL REPERULUI
Costurile reperului
29
Reper Comportare Costuri
Cheltuieli de intretineresi reparatii cu reperul
UtilizareCheltuieli de exploatare
Durabilitate
ECONOMICITATEA REPERULUI
Economicitatea reperului
30
CERINTE IMPUSE MATERIALULUIPIESE
Problema selectiei materialului este complexa
datorita
Varietatii materialelor ingineresti
Severitatii cerintelor functionale impuse
Cerinta diminuarii costurilor
Severitatii cerintelor functionale impuse
Prelucrarile la care este supus materialul
Geometria pieselor
Solicitarile la care este supus materialul
INFLUENTEAZA PROPRIETATILE MATERIALELOR
31
Comportarea materialului in produsul finit este sensibil diferita de cea a semifabricatului din care a fost obtinut
Comportarea materialului in piesa
(C)
Proprietatile materialului (M)
Influenta procedeului de prelucrare (P)
Forma piesei si fortele exterioare la care este
supusa (F)
Arata influenta directa a proprietatilor
semifabricatului a procedeului de prelucrare
a formei geometrice si a actiunii fortelor exterioare
asupra comportarii materialelor in piesa finita
Influenteaza direct comportarea
materialului in piesa
Este foarte important a se apela la criterii de proiectare adecvata
32
Influenta procedeului de prelucrare (P)
Prezenta muchiilor ascutite si a filetelor
Rugozitatea suprafetei
Afecteaza intr-o masura mai mare comportarea otelurilor de inalta rezistenta
decat a celor moi
Afecteaza intr-o masura mai mare comportarea materialelor la solicitari
variabile (oboseala) decat la solicitari statice
Interesul se focalizeaza preponderent pe performanta piesei in functionare si mai putin pe comportarea materialului in piesa
Comportarea materialului in piesa (proprietatile piesei)
Performantele piesei in functionare
Comportarea materialului in functionareConditiile de functionare
Factori care influenteaza
performantele piesei in functionare
33
CLASIFICAREA CERINTELOR IMPUSE MATERIALELOR
Cerintele impuse materialelor
Cerinte ldquorigiderdquo sau nenegociabile
Cerinte ldquonerigiderdquo ldquorelativerdquo sau
negociabile
Sunt cerintele care trebuie satisfacute obligatoriu de
material pentru a fi luate in considerare la selectie
bull Disponibilitatebull Prelucrabilitatebull Caracteristici minime
In anumite limite sunt supuse compromisului Pot fi comparate dpdv al importantei lor relative pentru o
aplicatie data in cadrul metodelor cantitative de selectie a materialelor
bull Proprietati mecanicebull Densitatebull Costul
In functie de tipul aplicatiei aceste cerinte isi pot schimba caracterul (din ldquonegociabilerdquo in ldquonenegociabile
Modificarea clasei de material selectate in final
34
EXEMPLE
Butelie de aragaz
Rezistenta Ductilitate Cost
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Rezistenta Ductilitate ρmic
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Butelii pentru gaze utilizate in aviatie
Costul este nenegociabil Oteluri pentru recipienti sub
presiune la temperaturi joase ndash R37 R44
Greutate cat mai mica (considerata nenegociabila) Materiale compozite (Kevlar 49-matrice epoxidica armata
cu fibre de poliamida)
35
MODALITATI DE ABORDARE A SELECTIEI MATERIALELOR SI PROCEDEELOR DE PRELUCRARE
Aparitia unor materiale noi si a competitiei intre materiale
Abordari noi in selectia materialelor si a procedeelor de prelucrare
Materialele plastice folosite la obtinerea pieselor complexe si de buna calitate inalta tehnologie
Materialele compozite au condus la reducerea substantiala a
greutatii produsului
Materiale sinterizate utilizate la obtinerea pieselor fara pierderi de material si consum de enetgie
scazut
Ingineria suprafetelor ofera posibilitati de modificare a
suprafetelor si coferirea unor proprietati deosebite
Cu toate aceste proiectantii se limiteaza la selectia
materialelor si procedeelor de prelucrare cunoscute mai bine
- Evitarea riscurilor- Nu este cunoscuta existenta unor noi materiale- Nu sunt cunoscute noile tehnologii de fabricatie etc
Proiectarea industriala trebuie asociata cu design-ul realizarea unei forme estetice obtinerea unui aspect exterior
placut
Design-ul industrial include mai mult decat o stilizare
Alegerea materialului permite un anumit design sau altul
36
La selectarea functiunii produsului (comportarea lui in exploatare-C) a materialelor (M) a
procedeelor de prelucrare (P) a formei (F) trebuie sa se tina seama ca acestea se intrepatrund (trebuie
sa tin seama in acelasi timp de ele)
Dificil Pot fi urmate diferite
succesiuni
Succesiunea CFMP prezinta urmatoarea
ordine de luare in considerare
-functionalitatea produsului (C)-forma piesei-materialul piesei-procedeul de prelucrare
Pot exista diferite succesiuni
Conduce la solutii diferite
Cadrul face conexiunea intre roti
saua bicicletei pedale ghidon
EXEMPLU Succesiunea CFMP
Functionalitatea si forma sunt aceleasi
Teava de aluminiu
Sudare
Succesiunea CFPM
Functionalitatea si forma sunt aceleasi
Sudare Teava de otel-se sudeaza mai bine
Succesiunea CMPF
Functionalitatea este aceeasi
Ca material se poate alege unul compozit
Sudare lipire
Forma aceeasi sau nu
Succesiunea CPMF
Poate fi aleasa presarea unui material superplastic
Alegerea ca material aluminiul
Forma S asimetrica plata
37
Pe baza functiunilor impuse produsului proiectantul schiteaza o serie de solutii tinand seama
de-materialele ce pot fi folosite-procedeele de fabricatie ce pot fi aplicate-formele potrivite ca functionalitate si design
Fiecare combinatie materialprocedeu de prelucrare conduce la diferite forme
Pot fi generate un numar
diferit de forme
Este o abordare CPMF sau CMPF
38
STRATEGII DE SELECTIE A MATERIALELOR
O strategie de selectie are doua componente
Formularea marimi prin care sa se evaluare un set de cerinte impuse materialului
Un procedeu de evaluare a marimii cerintelor prin care sa
se poata face ierarhizarea acestora in functie de masura in
care acestea sunt indeplinite
Strategiile cauta cai de implementare a procesului si anume de a converti un set de date ldquode intrarerdquo (cerintele proiectarii)
intr-un set de date ldquode iesirerdquo- alegerea materialului si a procedeului de prelucrare
39
Cerintele proiectarii
Materiale si procedee de prelucrare selectate
Strategii de selectie
Date initiale Functie de transfer Date finale
Strategia 1 Cautare libera implicand analiza rationala
Strategia 2 Bazata pe chestionare Este o selectie prin expertiza
Strategia 3 Analogie bazata pe cazuri anterioare
Posibila inovatie
Ofera solutii cunoscute
Ofera solutii similare cu situatia prezenta
Ofera mare libertate de selectie dar putina ghidare in proces
Ofera multa ghidare in proces dar putina libertate de selectie
Ofera idei ale solutiilor anterioare pentru probleme similare
40
SELECTIA LIBERA BAZATA PE ANALIZA RATIONALA
Este rapida si eficienta
Ofera o mare libertate pentru aplicatii
Ofera solutii noi si inovative
Avantaje
Are nevoie de date de intrare precis detaliate intr-o forma ce pot fi analizate prin metode ingineresti
standard
EXEMPLU
Gasiti un material pentru o bara de lungime L care sa
suporte o forta F la temperatura T si sa fie cat mai usoara
Cerinte pentru proiectare
ANALIZA SCHITEIFunctia Ce trebuie sa faca piesaObiective Ce trebuie maximalizat sau minimalizatConstrangeri Ce conditii esentiale trebuie sa fie indepliniteVariabile libere Care variabile ale proiectului sunt libere (cerinte nerigide)
41
Functia Ce trebuie sa faca piesa
Obiective Ce trebuie maximalizat sau minimalizat
Variabile libere Care variabile ale proiectului sunt libere (cerinte nerigide)
De a rezista la momente de incovoiere trebuie sa suporta incarcatura pentru care a fost proiectata fara a se deforma
Constrangeri Ce conditii esentiale trebuie sa fie indeplinite
Lungimea L data Tigiditatea S data Sa reziste si sa nu se deformeze la temperatura T
Trebuie minimalizata greutate
Aria sectiunii Costul
Procesul de selectie a avea 3 pasi
Filtrarea Se folseste de constrangeri pentru inlaturarea materialelor care nu indeplinesc cerintele
IerarhizareaSe folseste de marimea performantelor materialelor ramase in discutie pentru a le ordona
Documentarea
Analizeaza informatiile nestructurate le structureaza si le introduce in structura ierarhizata realizand o fisa cu informatii care ajuta selectia finala a materialului
42
Ierarhizarea se face parcurgand mai multe faze
Identificarea unuia sau a mai multor indici de performanta corespunzatori functiei obiectivului si constrangerilor
Indicele de performanta permite optimizarea selectiei
Pentru identificarea acestor indici se parcurg urmatoarele etape
Transpunerea intr-o relatie a obiectivului (entitatea) ce trebuie minimalizata sau maximalizata
Analiza grupului de proprietati (indicele de performanta) care maximalizeaza obiectivul
Eliminarea din aceasta relatie a variabilelor libere utilizand constrangerile (ex valoarea impusa rigiditatii a incarcarii limita a unui moment a presiunii a temperaturii de lucru sau al tenacitatii
43
EXEMPLU
TEMAGasiti un material pentru o bara de lungime L care sa
suporte o forta F la temperatura T si sa fie cat mai usoara
b
b
Lδ
F
Sageata
Sectiunea
CERINTELE PROIECTARIIFunctia Bara incarcata la incovoiereObiectiv Minimalizarea greutatiiConstrangeri Lungimea L data Rigiditatea S data Temperatura de exploatare T data (500deg)Variabile libere Aria sectiunii A Materialul de selectat
Se alege masa ldquomrdquo ca indice de performanta (trebuie sa fie minimalizat)
Masa barei este
Constrangerea privind rigiditatea va determina aria sectiunii ASageata unei bare simplu rezemata (forta actionand la mijloc) este data de relatia
44
unde E-modulul de elasticitate al materialului barei I-momentul de inertie al sectiunii grinzii
CL-reprezinta o constanta ce depinde de modul de distributie a fortei F (CL=48)
Rigiditatea barei este data de relatia
Din aceasta ultima relatie rezulta aria sectiunii A
Prin substitutia acestei relatii in relatia de determinare a masei grinzii se obtine indicele de performanta m
Valorile S L CL sunt date de proiect
Cea mai usoara bara este acea realizata dintr-un material care are cea mai mare valoare pentru
raport numit si ldquoindice de materialrdquo
Functia Incarcarea ConstrangeriIndici de
performantaRelatia
indicelui
Structuri de masa minima
Tija
BaraStatica
Rigiditate
Tractiune Eρ
Compresiune Eρ
Incovoiere E12ρ
Torsiune E12ρ
Rezistenta
Tractiune σrρ
Compresiune σcρ
Incovoiere σr23ρ
Torsiune σc23ρ
Dinamica
Panou
45
Exista mai multi indici de performanta fiecare realizand o combinatie dintre obiectiv si constrangere
46
47
48
METODE CANTITATIVE DE SELECTIE A MATERIALELOR CANDIDATE
Materialele candidat sunt materialele care satisfac cerintele cuprinse in matricea de cerinte rezultate dinbull Cerintele functionalebull Siguranta in functionarebull Functionarea in conditii ambientale de exploatarebull Cerintele de prelucrabilitatebull Economicitatea piesei
Care din aceste materiale vor fi luate in considerare la realizarea piesei
Evaluarea materialelor candidat
Evaluarea presupune compararea materialelor candidat care indeplinesc cerintele negociabile cu caracteristicile efective ale materialului in vederea selectarii celui optim pentru o aplicatie data
49
Evaluarea materialelor candidat
Este mai simpla pentru metodele cantitative de evaluare
Trebuie sa tina seama de anumite avantaje (usurinta procurarii materialului distanta pana la furnizor seriozitatea furnizarii constanta in calitatea produselor etc) care pot introduce anumite limitari determinand anumite compromisuri
In cele mai multe cazuri metodele cantitative de selectie conduc la materialul optim pentru o aplicatie
Metodele cantitative pot fi reluate odata cu schimbarea importantei relative a cerintelor negociabile
ATENTIE Cerintele nenegociabile trebuie satisfacute in totalitate si intocmai
Daca niciun material nu satisfac cerintele negociabile atunci fie ca acestea trebuie relaxate fie se impune reproiectarea produsului
50
Selectia este o operatie complexa
Numar mare de materiale cu o plaja larga de proprietati
Daca se face intamplator
Apare riscul de a omite anumite materiale candidate
Reducerea riscului prin adoptarea unei metode sistematice de selectie a materialelor
Metodele cantitative
Permitbull analiza unui numar ridicat de datebull a multor specificatii implicate in selectia materialelorbull pot fi adaptate pentru o selectie asistata de calculator
dintr-o baza de date
Metodele nu elimina capacitatea de analiza si experienta ingineruluiAceste metode sprijina inginerul in alegerea optima
51
METODA COSTULUI RAPORTAT LA UNITATEA DE PROPRIETATE
Economicitatea piesei
Costul initial al materialului
Costul prelucrarii si montarii
Costul functionarii si intretinerii
Unele dintre aceste costuri cresc odata cu cresterea
valorii proprietatilor altele scad
Proprietatea (Rm)
Costul piesei
Alte costuri
Costul total
Cos
tul
Cost minim
Odata cu cresterea rezistentei- Prelucrare mai dificila- Greutatea pe piesa scade- Durabilitatea in exploatare
creste si deci numarul de piese in utilizate in timp mai mic
Costul total este suma costului piesei si a celorlalte costuri
52
Valoarea optima a proprietatii (aici Rm) apare la costul minim
In piata costul materialului este legat de greutatea sau volumul (dupa caz) materialului
Se poate stabili o comparatie a materialelor intre proprietatile relative (proprietatea raportata la
greutatea specifica) De exemplu rezistenta rigiditatea modul de elasticitate etc
Criteriul esential este costul raportat la unitatea de rezistenta la tractiune
C=pρσ
C- costul asigurarii unei rezistente de 1 MPap- costul unitatii de proprietate a materialului
ρ- densitatea materialului
σr- rezistenta la tractiune
Cu cat valoarea lui ldquoCrdquo este mai mica cu atat materialul
este mai economic
53
Relatii asemanatoare pot fi obtinute si pentru alte proprietati cum ar fi- limita la curgere- modulul de elastuicitate- factorul de intensitate a tensiunii etc
Costul unitatii de proprietate pentru diferite moduri de solicitare
54
Compararea materialelor privind aceste costuri este esentiala
Se compara materialele intre ele
Este dificilSe ia un material de referinta
Costul relativ pe unitatea de proprietate a materialului candidat ldquoirdquo raportat la costul relativ pe unitatea de proprietate a materialului de referinta ldquobrdquo este dat de relatia
Daca CR este subunitar materialul candidat este mai ieftin decat materialul de referinta
Materialul de referinta este eliminat si materialul candidat se ia ca material de referinta pentru urmatoarea comparatie
Daca CR este supra unitar materialul candidat este mai scump decat materialul de referinta
Materialul de referinta se ia ca material de comparatie pentru urmatoarea analiza
55
METODA PONDERARII PROPRIETATILOR
Este o metoda pentru rezolvarea unor solutii mai comlexe de materiale materiale si proprietati
Fiecarei proprietati a materialului i se acorda o pondere rdquoαrdquo
Ponderea este proportionala cu importanta relativa a proprietatii pentru performanta in exploatare a materialului pentru aplicatia data
Ponderea proprietatii este egala cu produsul dintre valoarea numerica a proprietatii materialului ldquoprdquo si ponderea ei ldquoαrdquo
γ=pα
Insumand toate aceste produse pentru un material se obtine un indice de performanta ldquoPrdquo al materialului
Aceasta metoda ia in considerare toate proprietatile materialului
Comparand mai multe materiale prin indicele de performanta se poate gasi cel mai performant material pentru o aplicatie
56
Dezavantajul acestei metode consta in faptul ca in cazul unei proprietati care are o valoare ridicata aceasta v-a avea o influenta mai mare asupra indicelui de performanta decat ponderea ei
Exemplu Un material A care are Rm=370 MPa si o duritate de 350 HRB si un alt material B care are Rm=400 MPa si o duritate de 300 HRBStabilind ponderea proprietatii de 100 pentru rezistenta si 90 pentru duritate se obtine un indice de performanta de 68500 pentru material ul A si 67000 pentru materialul B
Inseamna ca impotriva importantei rezistentei la tractiune (ca fiind primul criteriu de selectie) si care este mai mare pentru materialul B indicele de performanta al materialului A este mai mare si deci acest material v-a fi selectat
La evaluarea materialelor candidat se va lucra cu valori relative ldquoβrdquo ale unei anumite proprietati celei mai mari valori a proprietatii atribuindu-se valoarea 100 iar celelalte valori relative se determina cu relatia
57
Pentru proprietatile materialelor care nu se exprima in mod obisnuit prin valori numerice (rezistenta la uzare sudabilitatea aschiabilitatea diferite proprietati tehnologice etc) evaluarea se poate face relativ la una dintre proprietati astfel
Astfel fiecarei proprietati I se acorda o importanta egalasi ea va influenta indicii de performanta ai materialelor doar comparate doar in masura ponderii acordate
Pentru proprietati ale caror valori se doreste a fi cat mai mici (densitatea pierderea de greutate prin coroziune etc) evaluarea se face printr-un raport invers
ProprietateaMateriale alternative
A B C D
Sudabilitatea Foarte buna Buna Buna Satisfacatoare
Evaluarea relativa 5 3 3 1
Valoarea scalata 100 60 60 20
58
Exemplu In ceea ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru rezistenta la tractiune a materialului A este de 925 Pentru al doilea material aceasta valoare este de 100 In ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru duritate aceasta este de 100 pentru materialul A si de 857 pentru materialul B
Acest lucru poate schimba situatia ierarhica a materialelor sau le poate apropia atat de mult indicele de performanta incat sa se puna problema luari in considerare si a altor elemente pentru selectie
Astfel indicele de performanta a materialului este dat de relatia
unde P reprezinta indicele de performanta a materialuluildquoirdquo este suma celor ldquonrdquo proprietati considerate a materialul ui
59
Ponderea α poate fi considerata ca αilt1 astfel incat
(cazul cel mai frecvent) sau ei I se poate aloca o plaja de valori valoarea cea mai mare
corespunzand proprietatii cu cea mai mare importanta
Costul materialului poate fi considerat ca o proprietate (chiar importanta) acordandui-se o pondere ldquoαrdquo
In cazul luarii in considerare a unui numar mare de proprietati costul poate fi considerat un factor de corectie al indicelui de performanta a materialului rezultand indicele de merit al acestuia
in care ldquoprdquo reprezinta costul unitatii de greutate a materialului
60
Cand se doreste compararea mai multor materiale candidat (i) cu unul de baza (de referinta) se calculeaza indicele relativ de merit al fiecarui material astfel
Daca RMgt1 respectivul material candidat ldquoirdquo corespunde mai bine cerintelor decat materialul de referinta ldquobrdquoIn cazul in care Mb reprezinta minimul cerintelor impuse Materialele candidat avand RMlt1 pot fi eliminate de la inceput ca fiind necorespunzatoare
Cand trebuie luate in considerare mai multe proprietati ale materialului pentru evaluarea indicelui de performanta este dificila evaluarea ponderii acestora Rezolvarea aceste probleme poate fi realizata printr-o evaluare prin programe numerice
61
METODA CRESTERII INCREMENTALE
In anumite situatii pot aparea mai multe materiale care indeplinesc cerintele minime impuse de o anumita aplicatie
Dupa analiza acestor materiale se poate presupune ca performantele pieselor prelucrate sunt proportionale cu indicii de performanta ldquoPrdquo In acelasi timp costul piesei variaza proportional cu costul materialului si al prelucrarii acestora
Daca se doreste selectarea piesei care are cea mai mare performanta la cea mai rezonabila crestere a costului se poate face o analiza beneficiu-cost Procedeul se ia indeosebi cand se doreste inlocuirea unui material utilizat deja in fabricatie
Materialul cu cel mai scazut cost (1) se ca element de baza si este comparat cu materialul care are costul imediat superior (2) Comparatia se face determinand cresterea indicelui de performanta (ΔP=P2-P1) si a costului ldquoprdquo pe unitatea de volum (Δpρ=p2ρ2-p1ρ1)
Daca ΔPΔpρlt1 materialul 1 corespunde mai bine decat materialul 2 pentru aplicatia data si materialul 2 va fi eliminatDaca ΔPΔpρgt1 materialul 1 va fi eliminat deoarece materialul 2 corespunde mai bine cerintelor aplicatieiSe continua compararea cu al treilea material si rand pe rand vor fi eliminate materialele mai putin corespunzatoare ajungand la materialul optim
62
EXEMPLU DE SELECTIE A MATERIALELOR
Tema Realizarea piesesei din figura dintr-un otel ldquoOL37rdquo intr-o serie mare de fabricatie-Este o piesa cilindrica cu dimensiunile date-Are un butuc-Prezinta o gaura lunga si de diametre mic
oslash200oslash50
150oslash20
Se poate realiza din bara rotunda prin strunjire
Se poate realiza din bara rotunda prin forjare
80
Coeficientul de utilizare a materialului 055
Coeficientul de utilizare a materialului 098
63
Diametrul mm Inaltime mm Volum mm3 Volum mm3Coeficientul de
utilizare a materialului
Semif Pornire 200 150 4710000 4710000
Strunjire
200 80 2512000
2602275 055=5550 35 137375
20 150 47100
Forjare
200 80 25120002649375
098=9850 35 137375
20 150 47100 2602275
Coeficientul de utilizare a materialului K=greutatea piesei finitegreutatea materialului utilizat pentru realizarea lui (a semifabricatului de pornire)
In calcul s-a lucrat cu volumul materialului deoarece G=VρAdaosuriele de prelucrare s-u luat ca fiind egaleApare un mult mai bun grad de utilizare a materialului pentr prelucrarea prin forjare
PIESA SE VA REALIZA PRIN FORJARE
64
1
2
3
5
6
4
9
8
F
107F
1-semimatrita superioara2-semimatrita inferioara3-cavitatea semimatritei sup4-cavitatea semimatritei inf5-canalul de bavura6-canalul de refulare7-prinderea semimatritei sup8-prinderea semimatritei inf9-elemente de ghidare (stifturi)10-planul de separare
TEMA Sa se stabileasca materialul optim pentru realizarea elementelor active ale matrtei de forjare din figura Se urmreste obtinerea piesei prin forjare la cald
CERINTE PENTRU PROIECTARE
Analiza schiteiFunctia Elemete (semimatrite) de matrita de deformare plasticaObiectiv Trebuie maximalizata tenacitatea (rezilienta)Constrangeri Dimensiunile cavitatii matritei (depind de marimea piesei) dimensiunile exterioare si sistemul de prindere (depind de utilaj temperatura de lucruVariabile libere material
65
Se cauta in sursele de informatii structurate si nestructurate materialele care respecta cerintele
Elemente de matrita
Rezistente la cald
Tenacitate Duritate
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Materialele potrivite sunt metalele si aliajele lor
-Materialele ceramice nu au tenacitate-Materialele polimerice nu au rezistenta la cald-Materialele compozite sunt scumpe si nu au tenacitate
Depinde de compozitia lor
Se cauta materiale cu destinatie precisa Materiale pentru scule de deformare
66
Din baza de date se constata ca urmatoarele materiale satisfac
cerintele rigide adica sa poata fi utilizate la prelucrarea la cald
Sunt materiale cu destinatie precisaDaca nu sunt materiale cu destinatie
precisa se cauta in grupa materialelor cu destinatie generala
Material Rm min MPa HV A5 KCU Jcm3
C120 890 265 8 60
VMoC120 870 265 8 68
VC06 870 230 6 68
VCW85 870 265 6 80
MoCN15 830 250 7 75
VMoCN17 870 265 7 73
VSCW20 790 235 5 78
OSC7 640 195 12 56
OSC8 640 195 10 58
67
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU Jcm3 βKCU Indicele de
performanta PC120 890 265 8 60 101450
VMoC120 870 265 8 68 100650
VC06 870 230 6 68 97400
VCW85 870 265 6 80 101750
MoCN15 830 250 7 75 96750
VMoCN17 870 265 7 73 101100
VSCW20 790 235 5 78 92400
OSC7 640 195 12 56 74950
OSC8 640 195 10 58 75050Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza peoprietatii
68
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU
Jcm3 βKCU Indicele de performanta P
C120 890 100 265 10000 8 6667 60 75 25017000
VMoC120 870 9775 265 10000 8 6667 68 85 2835015356
VC06 870 9775 230 8679 6 5000 68 85 2126563155
VCW85 870 9775 265 10000 6 5000 80 100 2501682022
MoCN15 830 9326 250 9434 7 5833 75 9375 2735970124
VMoCN17 870 9775 265 10000 7 5833 73 9125 2663140356
VSCW20 790 8876 235 8868 5 4167 78 975 2032758226
OSC7 640 7191 195 7358 12 10000 56 70 3501237545
OSC8 640 7191 195 7358 10 8333 58 725 3022070878Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza proprietatii relative
69
Material Indicele de performanta P
VSCW20 2032758226
VC06 2126563155
VCW85 2501682022
C120 25017000
VMoCN17 2663140356
MoCN15 2735970124
VMoC120 2835015356
OSC8 3022070878
OSC7 3501237545
Material Indicele de performanta P
OSC7 74950
OSC8 75050
VSCW20 92400
MoCN15 96750
VC06 97400
VMoC120 100650
VMoCN17 101100
C120 101450
VCW85 101750
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile proprietatii materialului
ordonate crescator
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile relative ale proprietatii materialului ordonate crescator
70
Luand in considerare ca unele materiale sunt aliate cu siguranta acestea sunt mai scumpe
Daca luam in considerare costul unitar pentru otelurile carbon de scule iar densitatea de 785 (corespunzatoare fierului) se obtine indicele de merit
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
OSC7 74950 1 95477707 114
OSC8 75050 1 956050955 114
VSCW20 92400 14 840764331 100
MoCN15 96750 14 880345769 105
VC06 97400 12 103397028 123
VMoC120 100650 13 986281235 117
VMoCN17 101100 14 919927207 109
C120 101450 15 861571125 102
VCW85 101750 14 925841674 110
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea proprietatii materialului
71
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
VSCW20 2032758226 14 184964352 100
VC06 2126563155 12 225749804 122
VCW85 2501682022 14 227632577 123
C120 25017000 15 212458599 115
VMoCN17 2663140356 14 242323963 131
MoCN15 2735970124 14 248950876 135
VMoC120 2835015356 13 277806502 150
OSC8 3022070878 1 384977182 208
OSC7 3501237545 1 446017522 241
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea relativa a proprietatii materialului
72
Selectati materialele potrivite pentru piesele din imagine
Randul I 1 Serie mare de fabricatie-6p Randul II Serie mica (unicat) de fabricatie-6p
Randul I 2 Criterii de selectie a materialelor-1p3 Etapele selectiei materialelor ndash 1p4 Economicitatea piesei ndash 1p5 Strategii de selectie a materialelor ndash 1p
Randul II 2 Tipuri de date utilizate la selectia materialelor-1p3 Cum se face minimalizarea costurilor-1p4 Perofmantele piesei in functionare ndash 1p5 Care sunt cerintele fata de material ndash 1p
SUBIECTE EXAMEN
73
Date privind principalele proprietati tehnologice ale unor materiale
Material
Valorile proprietatii
Aschiabilitate Turnabilitate Sudabilitate Cost
F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba $tona
Otel de constructii (OL) X X X 140
Otel carbon de calitate (OLC) X X X
260
Fonte obisnuite (Fc) X X X 160
Punctaje 60 30 10 60 30 10 60 30 10
Avand in vedere ca pretul creste odata cu rezistenta la tractiune calculati costul fiecarui material prin inmultirea costului de baza cu valoarea proprietatii si impartiti la 100
74
Materiale ce pot fi luate in considerare spre analiza
Material Rm HV A Material Rm HV A Material Rm HV A
OL30 310 95 32 OLC8 324 140 33 Fc100 100 105 2
OL32 310 93 33 OLC10 321 150 31 Fc150 150 145 3
OL34 330 105 31 OLC15 373 155 27 Fc200 200 180 4
OL37 360 112 25 OLC20 410 165 25 Fc250 250 190 4
OL42 410 130 22 OLC25 450 175 24 Fc300 300 210 5
OL44 430 135 22 OLC30 490 180 21 Fc350 350 220 6
OL50 500 160 21 OLC35 530 195 21 Fc400 400 240 6
OL52 510 160 21 OLC40 570 200 19
OL60 590 185 16 OLC45 610 220 18
OL70 690 215 11 OLC50 640 230 16
OLC55 670 240 14
OLC60 700 255 14
Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50
Proprietatea tehnilogica intra cu o pondere de 100
VA UREZ SUCCES
13
CERINTE FUNCTIONALE
SIGURANTA IN FUNCTIONARE
Caracteristicile produsului (carora nu intotdeauna li se pot atribui valori cantitative) se coreleaza cu cele mai potrivite proprietati mecanice fizice chimice
Se stabilesc cat mai exat conditiile reale de functionare (rol functional tipul caracterul si valoarea solicitarilor conditii de temperatura si mediu etc)
Probabilitatea piesei (materialului) sa fie exploatata corespunzator fara a ceda sau avaria Precizarea anticiparea posibilelor moduri in care un produs poate suferi o avarie re realizeaza prin analiza avariilor
Cauzele unei avarii (in functionare) sunt atribuite- erorilor de conceptie constructiva- defectelor originale ale
materialului- defecte datorate prelucrarii piesei- conditiile de exploatare
14
FUNCTIONAREA IN CONDITII AMBIENTALE DE EXPLOATARE
CERINTE DE PRELUCRABILITATE
(TEHNOLOGICE)
Ambientul in care functioneaza piesa reprezinta un factor important la stabilirea acestor cerinte Mediile corosive temperaturile ridicate sau joase (negative) modifica defavorabil performanta materialelor de uz general
Se apeleaza la materiale speciale cu proprietati deosebite mai scumpe dar corespunzatoare
Forma piesei finite (materialului) precizia dimensionala si de forma calitatea suprafetei etc
Procedeul tehnologic de prlucrare
- turnabilitatea- deformabilitatea- aschiabilitatea- capacitatea de a
fi tratat termic
Se elimina materialele cu (ex) deformabilitate imposibila calibilitate insuficienta aschiabilitate slaba etc
15
Matricea de cerinte
ETAPA -II- STABILIREA MATRICEI DE CERINTE
Analiza celor patru grupuri de cerinte
Stabilirea unor cerinte tehnice
Costul materialuluicerinte economice
Cuprinde toate cerintele necesar a fi indeplinite de material (atat cerintele tehnice cat si cerintele
economice)
Pentru a lua o decizie corecta privind
selectia materialului se face
ierarhizarea cerintelor
16
Cerinte economice
COSTUL MATERIALULUI
Costuri legate cu prelucrare (manopera)
Alte costuri
Costul piesei
Alte costuri (intretinere
exploatare etc)
COSTUL MATERIALULUI controleaza evaluarea materialelor deoarece in multe aplicatii se impune un cost limita pentru materialul care sa satisfaca cerintele aplicatiei Cand limita este depasita produsul se reproiecteaza in vederea modificarii cerintelor fata de material pentru mentinerea acestuia sub limita de cost
Selectia se opreste la materialul care satisface cerintele stabilite (tehnice) de exploatarea piesei si care are costul cel mai scazut
17
ASPECTE ECONOMICE ALE MATERIALELOR
Materialul influenteaza costul total al produselor
Costul materialului are cea mai mare pondere din costul total (30-70)
Prelucrabilitatea
Determina- nivelul de
productivitate- investitiile de capital- manopera necesara
obtinerii formei finale
ATENTIE Alegerea unui material ieftin nu este intotdeauna o solutie corespunzatoare daca prelucrarea lui este dificila si costisitoare
Dimensiunile materiilor prime (semifabricatelor pot determina formarea unei cantitati mari de deseuri si implicit costul final
Posibilitatea reciclarii deseurilor ndash element important la selectia materialelor ndash indeosebi la materialele scumpe
18
Clasificarea materialelor pe baza costurilor
Materialele ingineresti
Materiale de larga utilizare
Materiale speciale
- ieftine- produse in cantitati mari
- substantial mai scumpe- elaborate pentru satisfacerea
unor cerinte deosebite
ATENTIE Compararea materialelor din punc de vedere a costurilor este dificila deoarece la unele materiale costul este dat in raport cu greutatea la altele in raport cu volumul la altele in raport cu suprafata etc
Compararea materialelor se face in raport cu costul relativ
19
Comparatia materialelor pe baza costului relativ al unitatii de
greutate
Comparatia materialelor pe baza costului relativ al unitatii de
volum
Comparatia materialelor pe baza costului relativ al unitatii de volum
raportat la rezistenta de rupere
20
Comparatia materialelor pe baza costului relativ al unitatii de volum
raportat la rezistenta de rupere specifica la tractiune
21
Concluzii
Din punct de vedere al costului relativ la unitatea de greutate utilizarea otelului este cea mai avantajoasa
Cel mai mare consum mondial
Materialele polimerice si aluminiu tind sa se apropie de costurile otelului
Din punct de vedere al costului relativ la unitatea de volum costurile materialelor polimerice se apropie de cele ale otelurilor unele fiind mai ieftine
Apare o plaja larga a costurilor materialelor ingineresti
Uneori materialele nu sunt utilizate la adevarata lor capacitate deoarece o cerinta importanta este rigiditatea Din acest punct de vedere betonul are cel mai mic cost
Sunt aplicatii la care se cere rezistenta ridicata si greutate redusa Se constata ca materialele polimerice si piesele turnate din magneziu apar mai ieftine decat otelurile
22
In cazul unui produs evaluarea valorii lui se
face prin
Evaluarea calitativa a proprietatilor materialului
Cel mai ieftin
Cel mai usor de procutat
Care sa aiba aceeasi
functionalitate
In cazul selectiei materialelor
Pentru aceeasi functionalitate
La cel mai scazut cost
Sa se selecteze cel mai ieftin material
Sa se selecteze un material mai scump dar
care va simplifica prelucrare (eventual
eliminarea unor etape)
23
Otelurile slab aliate cu continut ridicat de mangan si
continut scazut de Ni si Cr
Inlocuiesc otelurile scumpe continand cantitati mai mari de Ni Cr Mo (elemente scumpe)
Acoperirile metalice Inlocuiesc (in conditii mai putin
severe de coroziune) otelurile inoxidabile
Durificarea superficiala sau ecruisarea prin deformare
plastica
Mareste rezistenta la uzare si la oboseala a otelurilor carbon evitand utilizarea otelurilor aliate scumpe
Acoperiri de tipul alitarii cromarii aplicate otelurilor
carbon
Confera rezistenta la temperaturi moderate elimina finisarea
(costisitoare)
24
Coeficientul de utilizare a materialului
Minimalizarea costului materialelor
Printr-o proiectare care sa reduca cantitatea necesara de materiale scumpe
Alegerea procedeelor de prelucrare adecvate
Stabilirea formei semifabricatului care sa maximalizeze coeficientul de utilizare a
materialelor in fabricatie
Materiale ieftine
- Cumparate in cantitati mari- Cele care au dimensiuni mari
Cand fabricatia cere piese de mai multe dimensiuni se poate
cumpara stoc mare de semifabricate la dimensiunea
cea mai mare a pieselor
Reulta deseuri si costuri suplimentare de
manopera
Punctul de rentabilitate in aceasta privinta este greu de evaluat
25
Coeficientul de utilizare a materialelor pentru diferite procedee de prelucrare este dat in urmatorul tabel
Metoda de prelucrare Coeficientul de utilizare
1 Fara modificarea masei
Turnare 70
Deformare plastica 75
Agregate de pulberi 90
2 Cu micsorare de masa
Aschiere 60
Eroziune 90
3 Prin marire de masa
Depuneri prin sudare 80
Depuneri prin metalizare 90
26
Competitia in domeniul materialelor
Odata cu aparitia unor materiale noi si scaderea pretului celor existente apare o COMPETITIE INTRE MATERIALE
Intre otel si aluminiu la obtinerea cutiilor
de bauturi
Intre aluminiu si materiale polimerice
(armate) la constructia aeronavelor
Intre materiale polimerice si cupru
plumb fonta la instalatiile de apa
ProprietateaAliaj ZnAl4 turnat sub presiune
Polistiren ABS
Naylon 66
Policar-bonat
Polipr-opilena
Rezistenta la tractiune MNmm2 260 54 52 70 35
Rezistenta la tractiune prin soc (relativ) 79 1 33 36 16
Rezistenta la fluaj (exprimata ca modul de elasticitate aparent la 100 h MNmm2) 51100 1470 420 2030 308
Rezistenta la oboseala prin incovoiere la 107 cicluri MNmm2 644 154 14 7 182
Temperatura de stabilitate termica la 18 MNmm2 (oC) gt488 345 324 403 332
Modificarea rezistentei la tractiune dupa 500h de expunere in conditii atmosferice ()
+05 -8 +10 -11 -30
Densitatea (relativa) 667 105 114 12 09
Costul unitatii de greutate (relativ Zn=1) 1 21 374 42 14
Costul unitatii de volum raportat la rezistenta la tractiune (relativ) 1 21 37 30 16
Costul unitatii de volum raportat la rezistenta la fluaj (relativ) 1 117 183 19 30
Costul unitatii de volum raportat la rezistenta la tractiune prin soc (relativ) 1 27 15 16 09
Costul unitatii de volum raportat la rezistenta la oboseala (relativ) 1 09 18 34 04
In situatia in care piesa are un rol decorativ ndash materialul plastic este
important
27
Costul prelucrarii poate juca un rol important in procesul
selectiei
Alama mai ieftina pentru anumite piese decat otelul laminat deoarece se prelucreaza cu viteza mai mare
Costul alamei este mai mare decat a otelului
Aluminiul se prelucreaza mai usor si are greutate specifica mai mica
Poate inlocui fonta otelul si aliajele lui chiar
daca sunt mai ieftine
Materialele plastice se prelucreaza foarte usor si devin economice la
serie mare
Pot inlocui orice tip de material la diferite
aplicatii
Criteriul economic privind costul materialului nu este
concludent la selectarea materialului
Devine important COSTUL REPERULUI
28
Costul de baza al materialului
Cheltuieli de dezvoltaresi utilizare a
echipamentelor
Cheltuieli de prelucrareDeterminate de material de procedeu de forma
de precizie
COSTUL REPERULUI
Costurile reperului
29
Reper Comportare Costuri
Cheltuieli de intretineresi reparatii cu reperul
UtilizareCheltuieli de exploatare
Durabilitate
ECONOMICITATEA REPERULUI
Economicitatea reperului
30
CERINTE IMPUSE MATERIALULUIPIESE
Problema selectiei materialului este complexa
datorita
Varietatii materialelor ingineresti
Severitatii cerintelor functionale impuse
Cerinta diminuarii costurilor
Severitatii cerintelor functionale impuse
Prelucrarile la care este supus materialul
Geometria pieselor
Solicitarile la care este supus materialul
INFLUENTEAZA PROPRIETATILE MATERIALELOR
31
Comportarea materialului in produsul finit este sensibil diferita de cea a semifabricatului din care a fost obtinut
Comportarea materialului in piesa
(C)
Proprietatile materialului (M)
Influenta procedeului de prelucrare (P)
Forma piesei si fortele exterioare la care este
supusa (F)
Arata influenta directa a proprietatilor
semifabricatului a procedeului de prelucrare
a formei geometrice si a actiunii fortelor exterioare
asupra comportarii materialelor in piesa finita
Influenteaza direct comportarea
materialului in piesa
Este foarte important a se apela la criterii de proiectare adecvata
32
Influenta procedeului de prelucrare (P)
Prezenta muchiilor ascutite si a filetelor
Rugozitatea suprafetei
Afecteaza intr-o masura mai mare comportarea otelurilor de inalta rezistenta
decat a celor moi
Afecteaza intr-o masura mai mare comportarea materialelor la solicitari
variabile (oboseala) decat la solicitari statice
Interesul se focalizeaza preponderent pe performanta piesei in functionare si mai putin pe comportarea materialului in piesa
Comportarea materialului in piesa (proprietatile piesei)
Performantele piesei in functionare
Comportarea materialului in functionareConditiile de functionare
Factori care influenteaza
performantele piesei in functionare
33
CLASIFICAREA CERINTELOR IMPUSE MATERIALELOR
Cerintele impuse materialelor
Cerinte ldquorigiderdquo sau nenegociabile
Cerinte ldquonerigiderdquo ldquorelativerdquo sau
negociabile
Sunt cerintele care trebuie satisfacute obligatoriu de
material pentru a fi luate in considerare la selectie
bull Disponibilitatebull Prelucrabilitatebull Caracteristici minime
In anumite limite sunt supuse compromisului Pot fi comparate dpdv al importantei lor relative pentru o
aplicatie data in cadrul metodelor cantitative de selectie a materialelor
bull Proprietati mecanicebull Densitatebull Costul
In functie de tipul aplicatiei aceste cerinte isi pot schimba caracterul (din ldquonegociabilerdquo in ldquonenegociabile
Modificarea clasei de material selectate in final
34
EXEMPLE
Butelie de aragaz
Rezistenta Ductilitate Cost
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Rezistenta Ductilitate ρmic
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Butelii pentru gaze utilizate in aviatie
Costul este nenegociabil Oteluri pentru recipienti sub
presiune la temperaturi joase ndash R37 R44
Greutate cat mai mica (considerata nenegociabila) Materiale compozite (Kevlar 49-matrice epoxidica armata
cu fibre de poliamida)
35
MODALITATI DE ABORDARE A SELECTIEI MATERIALELOR SI PROCEDEELOR DE PRELUCRARE
Aparitia unor materiale noi si a competitiei intre materiale
Abordari noi in selectia materialelor si a procedeelor de prelucrare
Materialele plastice folosite la obtinerea pieselor complexe si de buna calitate inalta tehnologie
Materialele compozite au condus la reducerea substantiala a
greutatii produsului
Materiale sinterizate utilizate la obtinerea pieselor fara pierderi de material si consum de enetgie
scazut
Ingineria suprafetelor ofera posibilitati de modificare a
suprafetelor si coferirea unor proprietati deosebite
Cu toate aceste proiectantii se limiteaza la selectia
materialelor si procedeelor de prelucrare cunoscute mai bine
- Evitarea riscurilor- Nu este cunoscuta existenta unor noi materiale- Nu sunt cunoscute noile tehnologii de fabricatie etc
Proiectarea industriala trebuie asociata cu design-ul realizarea unei forme estetice obtinerea unui aspect exterior
placut
Design-ul industrial include mai mult decat o stilizare
Alegerea materialului permite un anumit design sau altul
36
La selectarea functiunii produsului (comportarea lui in exploatare-C) a materialelor (M) a
procedeelor de prelucrare (P) a formei (F) trebuie sa se tina seama ca acestea se intrepatrund (trebuie
sa tin seama in acelasi timp de ele)
Dificil Pot fi urmate diferite
succesiuni
Succesiunea CFMP prezinta urmatoarea
ordine de luare in considerare
-functionalitatea produsului (C)-forma piesei-materialul piesei-procedeul de prelucrare
Pot exista diferite succesiuni
Conduce la solutii diferite
Cadrul face conexiunea intre roti
saua bicicletei pedale ghidon
EXEMPLU Succesiunea CFMP
Functionalitatea si forma sunt aceleasi
Teava de aluminiu
Sudare
Succesiunea CFPM
Functionalitatea si forma sunt aceleasi
Sudare Teava de otel-se sudeaza mai bine
Succesiunea CMPF
Functionalitatea este aceeasi
Ca material se poate alege unul compozit
Sudare lipire
Forma aceeasi sau nu
Succesiunea CPMF
Poate fi aleasa presarea unui material superplastic
Alegerea ca material aluminiul
Forma S asimetrica plata
37
Pe baza functiunilor impuse produsului proiectantul schiteaza o serie de solutii tinand seama
de-materialele ce pot fi folosite-procedeele de fabricatie ce pot fi aplicate-formele potrivite ca functionalitate si design
Fiecare combinatie materialprocedeu de prelucrare conduce la diferite forme
Pot fi generate un numar
diferit de forme
Este o abordare CPMF sau CMPF
38
STRATEGII DE SELECTIE A MATERIALELOR
O strategie de selectie are doua componente
Formularea marimi prin care sa se evaluare un set de cerinte impuse materialului
Un procedeu de evaluare a marimii cerintelor prin care sa
se poata face ierarhizarea acestora in functie de masura in
care acestea sunt indeplinite
Strategiile cauta cai de implementare a procesului si anume de a converti un set de date ldquode intrarerdquo (cerintele proiectarii)
intr-un set de date ldquode iesirerdquo- alegerea materialului si a procedeului de prelucrare
39
Cerintele proiectarii
Materiale si procedee de prelucrare selectate
Strategii de selectie
Date initiale Functie de transfer Date finale
Strategia 1 Cautare libera implicand analiza rationala
Strategia 2 Bazata pe chestionare Este o selectie prin expertiza
Strategia 3 Analogie bazata pe cazuri anterioare
Posibila inovatie
Ofera solutii cunoscute
Ofera solutii similare cu situatia prezenta
Ofera mare libertate de selectie dar putina ghidare in proces
Ofera multa ghidare in proces dar putina libertate de selectie
Ofera idei ale solutiilor anterioare pentru probleme similare
40
SELECTIA LIBERA BAZATA PE ANALIZA RATIONALA
Este rapida si eficienta
Ofera o mare libertate pentru aplicatii
Ofera solutii noi si inovative
Avantaje
Are nevoie de date de intrare precis detaliate intr-o forma ce pot fi analizate prin metode ingineresti
standard
EXEMPLU
Gasiti un material pentru o bara de lungime L care sa
suporte o forta F la temperatura T si sa fie cat mai usoara
Cerinte pentru proiectare
ANALIZA SCHITEIFunctia Ce trebuie sa faca piesaObiective Ce trebuie maximalizat sau minimalizatConstrangeri Ce conditii esentiale trebuie sa fie indepliniteVariabile libere Care variabile ale proiectului sunt libere (cerinte nerigide)
41
Functia Ce trebuie sa faca piesa
Obiective Ce trebuie maximalizat sau minimalizat
Variabile libere Care variabile ale proiectului sunt libere (cerinte nerigide)
De a rezista la momente de incovoiere trebuie sa suporta incarcatura pentru care a fost proiectata fara a se deforma
Constrangeri Ce conditii esentiale trebuie sa fie indeplinite
Lungimea L data Tigiditatea S data Sa reziste si sa nu se deformeze la temperatura T
Trebuie minimalizata greutate
Aria sectiunii Costul
Procesul de selectie a avea 3 pasi
Filtrarea Se folseste de constrangeri pentru inlaturarea materialelor care nu indeplinesc cerintele
IerarhizareaSe folseste de marimea performantelor materialelor ramase in discutie pentru a le ordona
Documentarea
Analizeaza informatiile nestructurate le structureaza si le introduce in structura ierarhizata realizand o fisa cu informatii care ajuta selectia finala a materialului
42
Ierarhizarea se face parcurgand mai multe faze
Identificarea unuia sau a mai multor indici de performanta corespunzatori functiei obiectivului si constrangerilor
Indicele de performanta permite optimizarea selectiei
Pentru identificarea acestor indici se parcurg urmatoarele etape
Transpunerea intr-o relatie a obiectivului (entitatea) ce trebuie minimalizata sau maximalizata
Analiza grupului de proprietati (indicele de performanta) care maximalizeaza obiectivul
Eliminarea din aceasta relatie a variabilelor libere utilizand constrangerile (ex valoarea impusa rigiditatii a incarcarii limita a unui moment a presiunii a temperaturii de lucru sau al tenacitatii
43
EXEMPLU
TEMAGasiti un material pentru o bara de lungime L care sa
suporte o forta F la temperatura T si sa fie cat mai usoara
b
b
Lδ
F
Sageata
Sectiunea
CERINTELE PROIECTARIIFunctia Bara incarcata la incovoiereObiectiv Minimalizarea greutatiiConstrangeri Lungimea L data Rigiditatea S data Temperatura de exploatare T data (500deg)Variabile libere Aria sectiunii A Materialul de selectat
Se alege masa ldquomrdquo ca indice de performanta (trebuie sa fie minimalizat)
Masa barei este
Constrangerea privind rigiditatea va determina aria sectiunii ASageata unei bare simplu rezemata (forta actionand la mijloc) este data de relatia
44
unde E-modulul de elasticitate al materialului barei I-momentul de inertie al sectiunii grinzii
CL-reprezinta o constanta ce depinde de modul de distributie a fortei F (CL=48)
Rigiditatea barei este data de relatia
Din aceasta ultima relatie rezulta aria sectiunii A
Prin substitutia acestei relatii in relatia de determinare a masei grinzii se obtine indicele de performanta m
Valorile S L CL sunt date de proiect
Cea mai usoara bara este acea realizata dintr-un material care are cea mai mare valoare pentru
raport numit si ldquoindice de materialrdquo
Functia Incarcarea ConstrangeriIndici de
performantaRelatia
indicelui
Structuri de masa minima
Tija
BaraStatica
Rigiditate
Tractiune Eρ
Compresiune Eρ
Incovoiere E12ρ
Torsiune E12ρ
Rezistenta
Tractiune σrρ
Compresiune σcρ
Incovoiere σr23ρ
Torsiune σc23ρ
Dinamica
Panou
45
Exista mai multi indici de performanta fiecare realizand o combinatie dintre obiectiv si constrangere
46
47
48
METODE CANTITATIVE DE SELECTIE A MATERIALELOR CANDIDATE
Materialele candidat sunt materialele care satisfac cerintele cuprinse in matricea de cerinte rezultate dinbull Cerintele functionalebull Siguranta in functionarebull Functionarea in conditii ambientale de exploatarebull Cerintele de prelucrabilitatebull Economicitatea piesei
Care din aceste materiale vor fi luate in considerare la realizarea piesei
Evaluarea materialelor candidat
Evaluarea presupune compararea materialelor candidat care indeplinesc cerintele negociabile cu caracteristicile efective ale materialului in vederea selectarii celui optim pentru o aplicatie data
49
Evaluarea materialelor candidat
Este mai simpla pentru metodele cantitative de evaluare
Trebuie sa tina seama de anumite avantaje (usurinta procurarii materialului distanta pana la furnizor seriozitatea furnizarii constanta in calitatea produselor etc) care pot introduce anumite limitari determinand anumite compromisuri
In cele mai multe cazuri metodele cantitative de selectie conduc la materialul optim pentru o aplicatie
Metodele cantitative pot fi reluate odata cu schimbarea importantei relative a cerintelor negociabile
ATENTIE Cerintele nenegociabile trebuie satisfacute in totalitate si intocmai
Daca niciun material nu satisfac cerintele negociabile atunci fie ca acestea trebuie relaxate fie se impune reproiectarea produsului
50
Selectia este o operatie complexa
Numar mare de materiale cu o plaja larga de proprietati
Daca se face intamplator
Apare riscul de a omite anumite materiale candidate
Reducerea riscului prin adoptarea unei metode sistematice de selectie a materialelor
Metodele cantitative
Permitbull analiza unui numar ridicat de datebull a multor specificatii implicate in selectia materialelorbull pot fi adaptate pentru o selectie asistata de calculator
dintr-o baza de date
Metodele nu elimina capacitatea de analiza si experienta ingineruluiAceste metode sprijina inginerul in alegerea optima
51
METODA COSTULUI RAPORTAT LA UNITATEA DE PROPRIETATE
Economicitatea piesei
Costul initial al materialului
Costul prelucrarii si montarii
Costul functionarii si intretinerii
Unele dintre aceste costuri cresc odata cu cresterea
valorii proprietatilor altele scad
Proprietatea (Rm)
Costul piesei
Alte costuri
Costul total
Cos
tul
Cost minim
Odata cu cresterea rezistentei- Prelucrare mai dificila- Greutatea pe piesa scade- Durabilitatea in exploatare
creste si deci numarul de piese in utilizate in timp mai mic
Costul total este suma costului piesei si a celorlalte costuri
52
Valoarea optima a proprietatii (aici Rm) apare la costul minim
In piata costul materialului este legat de greutatea sau volumul (dupa caz) materialului
Se poate stabili o comparatie a materialelor intre proprietatile relative (proprietatea raportata la
greutatea specifica) De exemplu rezistenta rigiditatea modul de elasticitate etc
Criteriul esential este costul raportat la unitatea de rezistenta la tractiune
C=pρσ
C- costul asigurarii unei rezistente de 1 MPap- costul unitatii de proprietate a materialului
ρ- densitatea materialului
σr- rezistenta la tractiune
Cu cat valoarea lui ldquoCrdquo este mai mica cu atat materialul
este mai economic
53
Relatii asemanatoare pot fi obtinute si pentru alte proprietati cum ar fi- limita la curgere- modulul de elastuicitate- factorul de intensitate a tensiunii etc
Costul unitatii de proprietate pentru diferite moduri de solicitare
54
Compararea materialelor privind aceste costuri este esentiala
Se compara materialele intre ele
Este dificilSe ia un material de referinta
Costul relativ pe unitatea de proprietate a materialului candidat ldquoirdquo raportat la costul relativ pe unitatea de proprietate a materialului de referinta ldquobrdquo este dat de relatia
Daca CR este subunitar materialul candidat este mai ieftin decat materialul de referinta
Materialul de referinta este eliminat si materialul candidat se ia ca material de referinta pentru urmatoarea comparatie
Daca CR este supra unitar materialul candidat este mai scump decat materialul de referinta
Materialul de referinta se ia ca material de comparatie pentru urmatoarea analiza
55
METODA PONDERARII PROPRIETATILOR
Este o metoda pentru rezolvarea unor solutii mai comlexe de materiale materiale si proprietati
Fiecarei proprietati a materialului i se acorda o pondere rdquoαrdquo
Ponderea este proportionala cu importanta relativa a proprietatii pentru performanta in exploatare a materialului pentru aplicatia data
Ponderea proprietatii este egala cu produsul dintre valoarea numerica a proprietatii materialului ldquoprdquo si ponderea ei ldquoαrdquo
γ=pα
Insumand toate aceste produse pentru un material se obtine un indice de performanta ldquoPrdquo al materialului
Aceasta metoda ia in considerare toate proprietatile materialului
Comparand mai multe materiale prin indicele de performanta se poate gasi cel mai performant material pentru o aplicatie
56
Dezavantajul acestei metode consta in faptul ca in cazul unei proprietati care are o valoare ridicata aceasta v-a avea o influenta mai mare asupra indicelui de performanta decat ponderea ei
Exemplu Un material A care are Rm=370 MPa si o duritate de 350 HRB si un alt material B care are Rm=400 MPa si o duritate de 300 HRBStabilind ponderea proprietatii de 100 pentru rezistenta si 90 pentru duritate se obtine un indice de performanta de 68500 pentru material ul A si 67000 pentru materialul B
Inseamna ca impotriva importantei rezistentei la tractiune (ca fiind primul criteriu de selectie) si care este mai mare pentru materialul B indicele de performanta al materialului A este mai mare si deci acest material v-a fi selectat
La evaluarea materialelor candidat se va lucra cu valori relative ldquoβrdquo ale unei anumite proprietati celei mai mari valori a proprietatii atribuindu-se valoarea 100 iar celelalte valori relative se determina cu relatia
57
Pentru proprietatile materialelor care nu se exprima in mod obisnuit prin valori numerice (rezistenta la uzare sudabilitatea aschiabilitatea diferite proprietati tehnologice etc) evaluarea se poate face relativ la una dintre proprietati astfel
Astfel fiecarei proprietati I se acorda o importanta egalasi ea va influenta indicii de performanta ai materialelor doar comparate doar in masura ponderii acordate
Pentru proprietati ale caror valori se doreste a fi cat mai mici (densitatea pierderea de greutate prin coroziune etc) evaluarea se face printr-un raport invers
ProprietateaMateriale alternative
A B C D
Sudabilitatea Foarte buna Buna Buna Satisfacatoare
Evaluarea relativa 5 3 3 1
Valoarea scalata 100 60 60 20
58
Exemplu In ceea ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru rezistenta la tractiune a materialului A este de 925 Pentru al doilea material aceasta valoare este de 100 In ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru duritate aceasta este de 100 pentru materialul A si de 857 pentru materialul B
Acest lucru poate schimba situatia ierarhica a materialelor sau le poate apropia atat de mult indicele de performanta incat sa se puna problema luari in considerare si a altor elemente pentru selectie
Astfel indicele de performanta a materialului este dat de relatia
unde P reprezinta indicele de performanta a materialuluildquoirdquo este suma celor ldquonrdquo proprietati considerate a materialul ui
59
Ponderea α poate fi considerata ca αilt1 astfel incat
(cazul cel mai frecvent) sau ei I se poate aloca o plaja de valori valoarea cea mai mare
corespunzand proprietatii cu cea mai mare importanta
Costul materialului poate fi considerat ca o proprietate (chiar importanta) acordandui-se o pondere ldquoαrdquo
In cazul luarii in considerare a unui numar mare de proprietati costul poate fi considerat un factor de corectie al indicelui de performanta a materialului rezultand indicele de merit al acestuia
in care ldquoprdquo reprezinta costul unitatii de greutate a materialului
60
Cand se doreste compararea mai multor materiale candidat (i) cu unul de baza (de referinta) se calculeaza indicele relativ de merit al fiecarui material astfel
Daca RMgt1 respectivul material candidat ldquoirdquo corespunde mai bine cerintelor decat materialul de referinta ldquobrdquoIn cazul in care Mb reprezinta minimul cerintelor impuse Materialele candidat avand RMlt1 pot fi eliminate de la inceput ca fiind necorespunzatoare
Cand trebuie luate in considerare mai multe proprietati ale materialului pentru evaluarea indicelui de performanta este dificila evaluarea ponderii acestora Rezolvarea aceste probleme poate fi realizata printr-o evaluare prin programe numerice
61
METODA CRESTERII INCREMENTALE
In anumite situatii pot aparea mai multe materiale care indeplinesc cerintele minime impuse de o anumita aplicatie
Dupa analiza acestor materiale se poate presupune ca performantele pieselor prelucrate sunt proportionale cu indicii de performanta ldquoPrdquo In acelasi timp costul piesei variaza proportional cu costul materialului si al prelucrarii acestora
Daca se doreste selectarea piesei care are cea mai mare performanta la cea mai rezonabila crestere a costului se poate face o analiza beneficiu-cost Procedeul se ia indeosebi cand se doreste inlocuirea unui material utilizat deja in fabricatie
Materialul cu cel mai scazut cost (1) se ca element de baza si este comparat cu materialul care are costul imediat superior (2) Comparatia se face determinand cresterea indicelui de performanta (ΔP=P2-P1) si a costului ldquoprdquo pe unitatea de volum (Δpρ=p2ρ2-p1ρ1)
Daca ΔPΔpρlt1 materialul 1 corespunde mai bine decat materialul 2 pentru aplicatia data si materialul 2 va fi eliminatDaca ΔPΔpρgt1 materialul 1 va fi eliminat deoarece materialul 2 corespunde mai bine cerintelor aplicatieiSe continua compararea cu al treilea material si rand pe rand vor fi eliminate materialele mai putin corespunzatoare ajungand la materialul optim
62
EXEMPLU DE SELECTIE A MATERIALELOR
Tema Realizarea piesesei din figura dintr-un otel ldquoOL37rdquo intr-o serie mare de fabricatie-Este o piesa cilindrica cu dimensiunile date-Are un butuc-Prezinta o gaura lunga si de diametre mic
oslash200oslash50
150oslash20
Se poate realiza din bara rotunda prin strunjire
Se poate realiza din bara rotunda prin forjare
80
Coeficientul de utilizare a materialului 055
Coeficientul de utilizare a materialului 098
63
Diametrul mm Inaltime mm Volum mm3 Volum mm3Coeficientul de
utilizare a materialului
Semif Pornire 200 150 4710000 4710000
Strunjire
200 80 2512000
2602275 055=5550 35 137375
20 150 47100
Forjare
200 80 25120002649375
098=9850 35 137375
20 150 47100 2602275
Coeficientul de utilizare a materialului K=greutatea piesei finitegreutatea materialului utilizat pentru realizarea lui (a semifabricatului de pornire)
In calcul s-a lucrat cu volumul materialului deoarece G=VρAdaosuriele de prelucrare s-u luat ca fiind egaleApare un mult mai bun grad de utilizare a materialului pentr prelucrarea prin forjare
PIESA SE VA REALIZA PRIN FORJARE
64
1
2
3
5
6
4
9
8
F
107F
1-semimatrita superioara2-semimatrita inferioara3-cavitatea semimatritei sup4-cavitatea semimatritei inf5-canalul de bavura6-canalul de refulare7-prinderea semimatritei sup8-prinderea semimatritei inf9-elemente de ghidare (stifturi)10-planul de separare
TEMA Sa se stabileasca materialul optim pentru realizarea elementelor active ale matrtei de forjare din figura Se urmreste obtinerea piesei prin forjare la cald
CERINTE PENTRU PROIECTARE
Analiza schiteiFunctia Elemete (semimatrite) de matrita de deformare plasticaObiectiv Trebuie maximalizata tenacitatea (rezilienta)Constrangeri Dimensiunile cavitatii matritei (depind de marimea piesei) dimensiunile exterioare si sistemul de prindere (depind de utilaj temperatura de lucruVariabile libere material
65
Se cauta in sursele de informatii structurate si nestructurate materialele care respecta cerintele
Elemente de matrita
Rezistente la cald
Tenacitate Duritate
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Materialele potrivite sunt metalele si aliajele lor
-Materialele ceramice nu au tenacitate-Materialele polimerice nu au rezistenta la cald-Materialele compozite sunt scumpe si nu au tenacitate
Depinde de compozitia lor
Se cauta materiale cu destinatie precisa Materiale pentru scule de deformare
66
Din baza de date se constata ca urmatoarele materiale satisfac
cerintele rigide adica sa poata fi utilizate la prelucrarea la cald
Sunt materiale cu destinatie precisaDaca nu sunt materiale cu destinatie
precisa se cauta in grupa materialelor cu destinatie generala
Material Rm min MPa HV A5 KCU Jcm3
C120 890 265 8 60
VMoC120 870 265 8 68
VC06 870 230 6 68
VCW85 870 265 6 80
MoCN15 830 250 7 75
VMoCN17 870 265 7 73
VSCW20 790 235 5 78
OSC7 640 195 12 56
OSC8 640 195 10 58
67
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU Jcm3 βKCU Indicele de
performanta PC120 890 265 8 60 101450
VMoC120 870 265 8 68 100650
VC06 870 230 6 68 97400
VCW85 870 265 6 80 101750
MoCN15 830 250 7 75 96750
VMoCN17 870 265 7 73 101100
VSCW20 790 235 5 78 92400
OSC7 640 195 12 56 74950
OSC8 640 195 10 58 75050Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza peoprietatii
68
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU
Jcm3 βKCU Indicele de performanta P
C120 890 100 265 10000 8 6667 60 75 25017000
VMoC120 870 9775 265 10000 8 6667 68 85 2835015356
VC06 870 9775 230 8679 6 5000 68 85 2126563155
VCW85 870 9775 265 10000 6 5000 80 100 2501682022
MoCN15 830 9326 250 9434 7 5833 75 9375 2735970124
VMoCN17 870 9775 265 10000 7 5833 73 9125 2663140356
VSCW20 790 8876 235 8868 5 4167 78 975 2032758226
OSC7 640 7191 195 7358 12 10000 56 70 3501237545
OSC8 640 7191 195 7358 10 8333 58 725 3022070878Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza proprietatii relative
69
Material Indicele de performanta P
VSCW20 2032758226
VC06 2126563155
VCW85 2501682022
C120 25017000
VMoCN17 2663140356
MoCN15 2735970124
VMoC120 2835015356
OSC8 3022070878
OSC7 3501237545
Material Indicele de performanta P
OSC7 74950
OSC8 75050
VSCW20 92400
MoCN15 96750
VC06 97400
VMoC120 100650
VMoCN17 101100
C120 101450
VCW85 101750
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile proprietatii materialului
ordonate crescator
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile relative ale proprietatii materialului ordonate crescator
70
Luand in considerare ca unele materiale sunt aliate cu siguranta acestea sunt mai scumpe
Daca luam in considerare costul unitar pentru otelurile carbon de scule iar densitatea de 785 (corespunzatoare fierului) se obtine indicele de merit
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
OSC7 74950 1 95477707 114
OSC8 75050 1 956050955 114
VSCW20 92400 14 840764331 100
MoCN15 96750 14 880345769 105
VC06 97400 12 103397028 123
VMoC120 100650 13 986281235 117
VMoCN17 101100 14 919927207 109
C120 101450 15 861571125 102
VCW85 101750 14 925841674 110
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea proprietatii materialului
71
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
VSCW20 2032758226 14 184964352 100
VC06 2126563155 12 225749804 122
VCW85 2501682022 14 227632577 123
C120 25017000 15 212458599 115
VMoCN17 2663140356 14 242323963 131
MoCN15 2735970124 14 248950876 135
VMoC120 2835015356 13 277806502 150
OSC8 3022070878 1 384977182 208
OSC7 3501237545 1 446017522 241
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea relativa a proprietatii materialului
72
Selectati materialele potrivite pentru piesele din imagine
Randul I 1 Serie mare de fabricatie-6p Randul II Serie mica (unicat) de fabricatie-6p
Randul I 2 Criterii de selectie a materialelor-1p3 Etapele selectiei materialelor ndash 1p4 Economicitatea piesei ndash 1p5 Strategii de selectie a materialelor ndash 1p
Randul II 2 Tipuri de date utilizate la selectia materialelor-1p3 Cum se face minimalizarea costurilor-1p4 Perofmantele piesei in functionare ndash 1p5 Care sunt cerintele fata de material ndash 1p
SUBIECTE EXAMEN
73
Date privind principalele proprietati tehnologice ale unor materiale
Material
Valorile proprietatii
Aschiabilitate Turnabilitate Sudabilitate Cost
F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba $tona
Otel de constructii (OL) X X X 140
Otel carbon de calitate (OLC) X X X
260
Fonte obisnuite (Fc) X X X 160
Punctaje 60 30 10 60 30 10 60 30 10
Avand in vedere ca pretul creste odata cu rezistenta la tractiune calculati costul fiecarui material prin inmultirea costului de baza cu valoarea proprietatii si impartiti la 100
74
Materiale ce pot fi luate in considerare spre analiza
Material Rm HV A Material Rm HV A Material Rm HV A
OL30 310 95 32 OLC8 324 140 33 Fc100 100 105 2
OL32 310 93 33 OLC10 321 150 31 Fc150 150 145 3
OL34 330 105 31 OLC15 373 155 27 Fc200 200 180 4
OL37 360 112 25 OLC20 410 165 25 Fc250 250 190 4
OL42 410 130 22 OLC25 450 175 24 Fc300 300 210 5
OL44 430 135 22 OLC30 490 180 21 Fc350 350 220 6
OL50 500 160 21 OLC35 530 195 21 Fc400 400 240 6
OL52 510 160 21 OLC40 570 200 19
OL60 590 185 16 OLC45 610 220 18
OL70 690 215 11 OLC50 640 230 16
OLC55 670 240 14
OLC60 700 255 14
Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50
Proprietatea tehnilogica intra cu o pondere de 100
VA UREZ SUCCES
14
FUNCTIONAREA IN CONDITII AMBIENTALE DE EXPLOATARE
CERINTE DE PRELUCRABILITATE
(TEHNOLOGICE)
Ambientul in care functioneaza piesa reprezinta un factor important la stabilirea acestor cerinte Mediile corosive temperaturile ridicate sau joase (negative) modifica defavorabil performanta materialelor de uz general
Se apeleaza la materiale speciale cu proprietati deosebite mai scumpe dar corespunzatoare
Forma piesei finite (materialului) precizia dimensionala si de forma calitatea suprafetei etc
Procedeul tehnologic de prlucrare
- turnabilitatea- deformabilitatea- aschiabilitatea- capacitatea de a
fi tratat termic
Se elimina materialele cu (ex) deformabilitate imposibila calibilitate insuficienta aschiabilitate slaba etc
15
Matricea de cerinte
ETAPA -II- STABILIREA MATRICEI DE CERINTE
Analiza celor patru grupuri de cerinte
Stabilirea unor cerinte tehnice
Costul materialuluicerinte economice
Cuprinde toate cerintele necesar a fi indeplinite de material (atat cerintele tehnice cat si cerintele
economice)
Pentru a lua o decizie corecta privind
selectia materialului se face
ierarhizarea cerintelor
16
Cerinte economice
COSTUL MATERIALULUI
Costuri legate cu prelucrare (manopera)
Alte costuri
Costul piesei
Alte costuri (intretinere
exploatare etc)
COSTUL MATERIALULUI controleaza evaluarea materialelor deoarece in multe aplicatii se impune un cost limita pentru materialul care sa satisfaca cerintele aplicatiei Cand limita este depasita produsul se reproiecteaza in vederea modificarii cerintelor fata de material pentru mentinerea acestuia sub limita de cost
Selectia se opreste la materialul care satisface cerintele stabilite (tehnice) de exploatarea piesei si care are costul cel mai scazut
17
ASPECTE ECONOMICE ALE MATERIALELOR
Materialul influenteaza costul total al produselor
Costul materialului are cea mai mare pondere din costul total (30-70)
Prelucrabilitatea
Determina- nivelul de
productivitate- investitiile de capital- manopera necesara
obtinerii formei finale
ATENTIE Alegerea unui material ieftin nu este intotdeauna o solutie corespunzatoare daca prelucrarea lui este dificila si costisitoare
Dimensiunile materiilor prime (semifabricatelor pot determina formarea unei cantitati mari de deseuri si implicit costul final
Posibilitatea reciclarii deseurilor ndash element important la selectia materialelor ndash indeosebi la materialele scumpe
18
Clasificarea materialelor pe baza costurilor
Materialele ingineresti
Materiale de larga utilizare
Materiale speciale
- ieftine- produse in cantitati mari
- substantial mai scumpe- elaborate pentru satisfacerea
unor cerinte deosebite
ATENTIE Compararea materialelor din punc de vedere a costurilor este dificila deoarece la unele materiale costul este dat in raport cu greutatea la altele in raport cu volumul la altele in raport cu suprafata etc
Compararea materialelor se face in raport cu costul relativ
19
Comparatia materialelor pe baza costului relativ al unitatii de
greutate
Comparatia materialelor pe baza costului relativ al unitatii de
volum
Comparatia materialelor pe baza costului relativ al unitatii de volum
raportat la rezistenta de rupere
20
Comparatia materialelor pe baza costului relativ al unitatii de volum
raportat la rezistenta de rupere specifica la tractiune
21
Concluzii
Din punct de vedere al costului relativ la unitatea de greutate utilizarea otelului este cea mai avantajoasa
Cel mai mare consum mondial
Materialele polimerice si aluminiu tind sa se apropie de costurile otelului
Din punct de vedere al costului relativ la unitatea de volum costurile materialelor polimerice se apropie de cele ale otelurilor unele fiind mai ieftine
Apare o plaja larga a costurilor materialelor ingineresti
Uneori materialele nu sunt utilizate la adevarata lor capacitate deoarece o cerinta importanta este rigiditatea Din acest punct de vedere betonul are cel mai mic cost
Sunt aplicatii la care se cere rezistenta ridicata si greutate redusa Se constata ca materialele polimerice si piesele turnate din magneziu apar mai ieftine decat otelurile
22
In cazul unui produs evaluarea valorii lui se
face prin
Evaluarea calitativa a proprietatilor materialului
Cel mai ieftin
Cel mai usor de procutat
Care sa aiba aceeasi
functionalitate
In cazul selectiei materialelor
Pentru aceeasi functionalitate
La cel mai scazut cost
Sa se selecteze cel mai ieftin material
Sa se selecteze un material mai scump dar
care va simplifica prelucrare (eventual
eliminarea unor etape)
23
Otelurile slab aliate cu continut ridicat de mangan si
continut scazut de Ni si Cr
Inlocuiesc otelurile scumpe continand cantitati mai mari de Ni Cr Mo (elemente scumpe)
Acoperirile metalice Inlocuiesc (in conditii mai putin
severe de coroziune) otelurile inoxidabile
Durificarea superficiala sau ecruisarea prin deformare
plastica
Mareste rezistenta la uzare si la oboseala a otelurilor carbon evitand utilizarea otelurilor aliate scumpe
Acoperiri de tipul alitarii cromarii aplicate otelurilor
carbon
Confera rezistenta la temperaturi moderate elimina finisarea
(costisitoare)
24
Coeficientul de utilizare a materialului
Minimalizarea costului materialelor
Printr-o proiectare care sa reduca cantitatea necesara de materiale scumpe
Alegerea procedeelor de prelucrare adecvate
Stabilirea formei semifabricatului care sa maximalizeze coeficientul de utilizare a
materialelor in fabricatie
Materiale ieftine
- Cumparate in cantitati mari- Cele care au dimensiuni mari
Cand fabricatia cere piese de mai multe dimensiuni se poate
cumpara stoc mare de semifabricate la dimensiunea
cea mai mare a pieselor
Reulta deseuri si costuri suplimentare de
manopera
Punctul de rentabilitate in aceasta privinta este greu de evaluat
25
Coeficientul de utilizare a materialelor pentru diferite procedee de prelucrare este dat in urmatorul tabel
Metoda de prelucrare Coeficientul de utilizare
1 Fara modificarea masei
Turnare 70
Deformare plastica 75
Agregate de pulberi 90
2 Cu micsorare de masa
Aschiere 60
Eroziune 90
3 Prin marire de masa
Depuneri prin sudare 80
Depuneri prin metalizare 90
26
Competitia in domeniul materialelor
Odata cu aparitia unor materiale noi si scaderea pretului celor existente apare o COMPETITIE INTRE MATERIALE
Intre otel si aluminiu la obtinerea cutiilor
de bauturi
Intre aluminiu si materiale polimerice
(armate) la constructia aeronavelor
Intre materiale polimerice si cupru
plumb fonta la instalatiile de apa
ProprietateaAliaj ZnAl4 turnat sub presiune
Polistiren ABS
Naylon 66
Policar-bonat
Polipr-opilena
Rezistenta la tractiune MNmm2 260 54 52 70 35
Rezistenta la tractiune prin soc (relativ) 79 1 33 36 16
Rezistenta la fluaj (exprimata ca modul de elasticitate aparent la 100 h MNmm2) 51100 1470 420 2030 308
Rezistenta la oboseala prin incovoiere la 107 cicluri MNmm2 644 154 14 7 182
Temperatura de stabilitate termica la 18 MNmm2 (oC) gt488 345 324 403 332
Modificarea rezistentei la tractiune dupa 500h de expunere in conditii atmosferice ()
+05 -8 +10 -11 -30
Densitatea (relativa) 667 105 114 12 09
Costul unitatii de greutate (relativ Zn=1) 1 21 374 42 14
Costul unitatii de volum raportat la rezistenta la tractiune (relativ) 1 21 37 30 16
Costul unitatii de volum raportat la rezistenta la fluaj (relativ) 1 117 183 19 30
Costul unitatii de volum raportat la rezistenta la tractiune prin soc (relativ) 1 27 15 16 09
Costul unitatii de volum raportat la rezistenta la oboseala (relativ) 1 09 18 34 04
In situatia in care piesa are un rol decorativ ndash materialul plastic este
important
27
Costul prelucrarii poate juca un rol important in procesul
selectiei
Alama mai ieftina pentru anumite piese decat otelul laminat deoarece se prelucreaza cu viteza mai mare
Costul alamei este mai mare decat a otelului
Aluminiul se prelucreaza mai usor si are greutate specifica mai mica
Poate inlocui fonta otelul si aliajele lui chiar
daca sunt mai ieftine
Materialele plastice se prelucreaza foarte usor si devin economice la
serie mare
Pot inlocui orice tip de material la diferite
aplicatii
Criteriul economic privind costul materialului nu este
concludent la selectarea materialului
Devine important COSTUL REPERULUI
28
Costul de baza al materialului
Cheltuieli de dezvoltaresi utilizare a
echipamentelor
Cheltuieli de prelucrareDeterminate de material de procedeu de forma
de precizie
COSTUL REPERULUI
Costurile reperului
29
Reper Comportare Costuri
Cheltuieli de intretineresi reparatii cu reperul
UtilizareCheltuieli de exploatare
Durabilitate
ECONOMICITATEA REPERULUI
Economicitatea reperului
30
CERINTE IMPUSE MATERIALULUIPIESE
Problema selectiei materialului este complexa
datorita
Varietatii materialelor ingineresti
Severitatii cerintelor functionale impuse
Cerinta diminuarii costurilor
Severitatii cerintelor functionale impuse
Prelucrarile la care este supus materialul
Geometria pieselor
Solicitarile la care este supus materialul
INFLUENTEAZA PROPRIETATILE MATERIALELOR
31
Comportarea materialului in produsul finit este sensibil diferita de cea a semifabricatului din care a fost obtinut
Comportarea materialului in piesa
(C)
Proprietatile materialului (M)
Influenta procedeului de prelucrare (P)
Forma piesei si fortele exterioare la care este
supusa (F)
Arata influenta directa a proprietatilor
semifabricatului a procedeului de prelucrare
a formei geometrice si a actiunii fortelor exterioare
asupra comportarii materialelor in piesa finita
Influenteaza direct comportarea
materialului in piesa
Este foarte important a se apela la criterii de proiectare adecvata
32
Influenta procedeului de prelucrare (P)
Prezenta muchiilor ascutite si a filetelor
Rugozitatea suprafetei
Afecteaza intr-o masura mai mare comportarea otelurilor de inalta rezistenta
decat a celor moi
Afecteaza intr-o masura mai mare comportarea materialelor la solicitari
variabile (oboseala) decat la solicitari statice
Interesul se focalizeaza preponderent pe performanta piesei in functionare si mai putin pe comportarea materialului in piesa
Comportarea materialului in piesa (proprietatile piesei)
Performantele piesei in functionare
Comportarea materialului in functionareConditiile de functionare
Factori care influenteaza
performantele piesei in functionare
33
CLASIFICAREA CERINTELOR IMPUSE MATERIALELOR
Cerintele impuse materialelor
Cerinte ldquorigiderdquo sau nenegociabile
Cerinte ldquonerigiderdquo ldquorelativerdquo sau
negociabile
Sunt cerintele care trebuie satisfacute obligatoriu de
material pentru a fi luate in considerare la selectie
bull Disponibilitatebull Prelucrabilitatebull Caracteristici minime
In anumite limite sunt supuse compromisului Pot fi comparate dpdv al importantei lor relative pentru o
aplicatie data in cadrul metodelor cantitative de selectie a materialelor
bull Proprietati mecanicebull Densitatebull Costul
In functie de tipul aplicatiei aceste cerinte isi pot schimba caracterul (din ldquonegociabilerdquo in ldquonenegociabile
Modificarea clasei de material selectate in final
34
EXEMPLE
Butelie de aragaz
Rezistenta Ductilitate Cost
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Rezistenta Ductilitate ρmic
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Butelii pentru gaze utilizate in aviatie
Costul este nenegociabil Oteluri pentru recipienti sub
presiune la temperaturi joase ndash R37 R44
Greutate cat mai mica (considerata nenegociabila) Materiale compozite (Kevlar 49-matrice epoxidica armata
cu fibre de poliamida)
35
MODALITATI DE ABORDARE A SELECTIEI MATERIALELOR SI PROCEDEELOR DE PRELUCRARE
Aparitia unor materiale noi si a competitiei intre materiale
Abordari noi in selectia materialelor si a procedeelor de prelucrare
Materialele plastice folosite la obtinerea pieselor complexe si de buna calitate inalta tehnologie
Materialele compozite au condus la reducerea substantiala a
greutatii produsului
Materiale sinterizate utilizate la obtinerea pieselor fara pierderi de material si consum de enetgie
scazut
Ingineria suprafetelor ofera posibilitati de modificare a
suprafetelor si coferirea unor proprietati deosebite
Cu toate aceste proiectantii se limiteaza la selectia
materialelor si procedeelor de prelucrare cunoscute mai bine
- Evitarea riscurilor- Nu este cunoscuta existenta unor noi materiale- Nu sunt cunoscute noile tehnologii de fabricatie etc
Proiectarea industriala trebuie asociata cu design-ul realizarea unei forme estetice obtinerea unui aspect exterior
placut
Design-ul industrial include mai mult decat o stilizare
Alegerea materialului permite un anumit design sau altul
36
La selectarea functiunii produsului (comportarea lui in exploatare-C) a materialelor (M) a
procedeelor de prelucrare (P) a formei (F) trebuie sa se tina seama ca acestea se intrepatrund (trebuie
sa tin seama in acelasi timp de ele)
Dificil Pot fi urmate diferite
succesiuni
Succesiunea CFMP prezinta urmatoarea
ordine de luare in considerare
-functionalitatea produsului (C)-forma piesei-materialul piesei-procedeul de prelucrare
Pot exista diferite succesiuni
Conduce la solutii diferite
Cadrul face conexiunea intre roti
saua bicicletei pedale ghidon
EXEMPLU Succesiunea CFMP
Functionalitatea si forma sunt aceleasi
Teava de aluminiu
Sudare
Succesiunea CFPM
Functionalitatea si forma sunt aceleasi
Sudare Teava de otel-se sudeaza mai bine
Succesiunea CMPF
Functionalitatea este aceeasi
Ca material se poate alege unul compozit
Sudare lipire
Forma aceeasi sau nu
Succesiunea CPMF
Poate fi aleasa presarea unui material superplastic
Alegerea ca material aluminiul
Forma S asimetrica plata
37
Pe baza functiunilor impuse produsului proiectantul schiteaza o serie de solutii tinand seama
de-materialele ce pot fi folosite-procedeele de fabricatie ce pot fi aplicate-formele potrivite ca functionalitate si design
Fiecare combinatie materialprocedeu de prelucrare conduce la diferite forme
Pot fi generate un numar
diferit de forme
Este o abordare CPMF sau CMPF
38
STRATEGII DE SELECTIE A MATERIALELOR
O strategie de selectie are doua componente
Formularea marimi prin care sa se evaluare un set de cerinte impuse materialului
Un procedeu de evaluare a marimii cerintelor prin care sa
se poata face ierarhizarea acestora in functie de masura in
care acestea sunt indeplinite
Strategiile cauta cai de implementare a procesului si anume de a converti un set de date ldquode intrarerdquo (cerintele proiectarii)
intr-un set de date ldquode iesirerdquo- alegerea materialului si a procedeului de prelucrare
39
Cerintele proiectarii
Materiale si procedee de prelucrare selectate
Strategii de selectie
Date initiale Functie de transfer Date finale
Strategia 1 Cautare libera implicand analiza rationala
Strategia 2 Bazata pe chestionare Este o selectie prin expertiza
Strategia 3 Analogie bazata pe cazuri anterioare
Posibila inovatie
Ofera solutii cunoscute
Ofera solutii similare cu situatia prezenta
Ofera mare libertate de selectie dar putina ghidare in proces
Ofera multa ghidare in proces dar putina libertate de selectie
Ofera idei ale solutiilor anterioare pentru probleme similare
40
SELECTIA LIBERA BAZATA PE ANALIZA RATIONALA
Este rapida si eficienta
Ofera o mare libertate pentru aplicatii
Ofera solutii noi si inovative
Avantaje
Are nevoie de date de intrare precis detaliate intr-o forma ce pot fi analizate prin metode ingineresti
standard
EXEMPLU
Gasiti un material pentru o bara de lungime L care sa
suporte o forta F la temperatura T si sa fie cat mai usoara
Cerinte pentru proiectare
ANALIZA SCHITEIFunctia Ce trebuie sa faca piesaObiective Ce trebuie maximalizat sau minimalizatConstrangeri Ce conditii esentiale trebuie sa fie indepliniteVariabile libere Care variabile ale proiectului sunt libere (cerinte nerigide)
41
Functia Ce trebuie sa faca piesa
Obiective Ce trebuie maximalizat sau minimalizat
Variabile libere Care variabile ale proiectului sunt libere (cerinte nerigide)
De a rezista la momente de incovoiere trebuie sa suporta incarcatura pentru care a fost proiectata fara a se deforma
Constrangeri Ce conditii esentiale trebuie sa fie indeplinite
Lungimea L data Tigiditatea S data Sa reziste si sa nu se deformeze la temperatura T
Trebuie minimalizata greutate
Aria sectiunii Costul
Procesul de selectie a avea 3 pasi
Filtrarea Se folseste de constrangeri pentru inlaturarea materialelor care nu indeplinesc cerintele
IerarhizareaSe folseste de marimea performantelor materialelor ramase in discutie pentru a le ordona
Documentarea
Analizeaza informatiile nestructurate le structureaza si le introduce in structura ierarhizata realizand o fisa cu informatii care ajuta selectia finala a materialului
42
Ierarhizarea se face parcurgand mai multe faze
Identificarea unuia sau a mai multor indici de performanta corespunzatori functiei obiectivului si constrangerilor
Indicele de performanta permite optimizarea selectiei
Pentru identificarea acestor indici se parcurg urmatoarele etape
Transpunerea intr-o relatie a obiectivului (entitatea) ce trebuie minimalizata sau maximalizata
Analiza grupului de proprietati (indicele de performanta) care maximalizeaza obiectivul
Eliminarea din aceasta relatie a variabilelor libere utilizand constrangerile (ex valoarea impusa rigiditatii a incarcarii limita a unui moment a presiunii a temperaturii de lucru sau al tenacitatii
43
EXEMPLU
TEMAGasiti un material pentru o bara de lungime L care sa
suporte o forta F la temperatura T si sa fie cat mai usoara
b
b
Lδ
F
Sageata
Sectiunea
CERINTELE PROIECTARIIFunctia Bara incarcata la incovoiereObiectiv Minimalizarea greutatiiConstrangeri Lungimea L data Rigiditatea S data Temperatura de exploatare T data (500deg)Variabile libere Aria sectiunii A Materialul de selectat
Se alege masa ldquomrdquo ca indice de performanta (trebuie sa fie minimalizat)
Masa barei este
Constrangerea privind rigiditatea va determina aria sectiunii ASageata unei bare simplu rezemata (forta actionand la mijloc) este data de relatia
44
unde E-modulul de elasticitate al materialului barei I-momentul de inertie al sectiunii grinzii
CL-reprezinta o constanta ce depinde de modul de distributie a fortei F (CL=48)
Rigiditatea barei este data de relatia
Din aceasta ultima relatie rezulta aria sectiunii A
Prin substitutia acestei relatii in relatia de determinare a masei grinzii se obtine indicele de performanta m
Valorile S L CL sunt date de proiect
Cea mai usoara bara este acea realizata dintr-un material care are cea mai mare valoare pentru
raport numit si ldquoindice de materialrdquo
Functia Incarcarea ConstrangeriIndici de
performantaRelatia
indicelui
Structuri de masa minima
Tija
BaraStatica
Rigiditate
Tractiune Eρ
Compresiune Eρ
Incovoiere E12ρ
Torsiune E12ρ
Rezistenta
Tractiune σrρ
Compresiune σcρ
Incovoiere σr23ρ
Torsiune σc23ρ
Dinamica
Panou
45
Exista mai multi indici de performanta fiecare realizand o combinatie dintre obiectiv si constrangere
46
47
48
METODE CANTITATIVE DE SELECTIE A MATERIALELOR CANDIDATE
Materialele candidat sunt materialele care satisfac cerintele cuprinse in matricea de cerinte rezultate dinbull Cerintele functionalebull Siguranta in functionarebull Functionarea in conditii ambientale de exploatarebull Cerintele de prelucrabilitatebull Economicitatea piesei
Care din aceste materiale vor fi luate in considerare la realizarea piesei
Evaluarea materialelor candidat
Evaluarea presupune compararea materialelor candidat care indeplinesc cerintele negociabile cu caracteristicile efective ale materialului in vederea selectarii celui optim pentru o aplicatie data
49
Evaluarea materialelor candidat
Este mai simpla pentru metodele cantitative de evaluare
Trebuie sa tina seama de anumite avantaje (usurinta procurarii materialului distanta pana la furnizor seriozitatea furnizarii constanta in calitatea produselor etc) care pot introduce anumite limitari determinand anumite compromisuri
In cele mai multe cazuri metodele cantitative de selectie conduc la materialul optim pentru o aplicatie
Metodele cantitative pot fi reluate odata cu schimbarea importantei relative a cerintelor negociabile
ATENTIE Cerintele nenegociabile trebuie satisfacute in totalitate si intocmai
Daca niciun material nu satisfac cerintele negociabile atunci fie ca acestea trebuie relaxate fie se impune reproiectarea produsului
50
Selectia este o operatie complexa
Numar mare de materiale cu o plaja larga de proprietati
Daca se face intamplator
Apare riscul de a omite anumite materiale candidate
Reducerea riscului prin adoptarea unei metode sistematice de selectie a materialelor
Metodele cantitative
Permitbull analiza unui numar ridicat de datebull a multor specificatii implicate in selectia materialelorbull pot fi adaptate pentru o selectie asistata de calculator
dintr-o baza de date
Metodele nu elimina capacitatea de analiza si experienta ingineruluiAceste metode sprijina inginerul in alegerea optima
51
METODA COSTULUI RAPORTAT LA UNITATEA DE PROPRIETATE
Economicitatea piesei
Costul initial al materialului
Costul prelucrarii si montarii
Costul functionarii si intretinerii
Unele dintre aceste costuri cresc odata cu cresterea
valorii proprietatilor altele scad
Proprietatea (Rm)
Costul piesei
Alte costuri
Costul total
Cos
tul
Cost minim
Odata cu cresterea rezistentei- Prelucrare mai dificila- Greutatea pe piesa scade- Durabilitatea in exploatare
creste si deci numarul de piese in utilizate in timp mai mic
Costul total este suma costului piesei si a celorlalte costuri
52
Valoarea optima a proprietatii (aici Rm) apare la costul minim
In piata costul materialului este legat de greutatea sau volumul (dupa caz) materialului
Se poate stabili o comparatie a materialelor intre proprietatile relative (proprietatea raportata la
greutatea specifica) De exemplu rezistenta rigiditatea modul de elasticitate etc
Criteriul esential este costul raportat la unitatea de rezistenta la tractiune
C=pρσ
C- costul asigurarii unei rezistente de 1 MPap- costul unitatii de proprietate a materialului
ρ- densitatea materialului
σr- rezistenta la tractiune
Cu cat valoarea lui ldquoCrdquo este mai mica cu atat materialul
este mai economic
53
Relatii asemanatoare pot fi obtinute si pentru alte proprietati cum ar fi- limita la curgere- modulul de elastuicitate- factorul de intensitate a tensiunii etc
Costul unitatii de proprietate pentru diferite moduri de solicitare
54
Compararea materialelor privind aceste costuri este esentiala
Se compara materialele intre ele
Este dificilSe ia un material de referinta
Costul relativ pe unitatea de proprietate a materialului candidat ldquoirdquo raportat la costul relativ pe unitatea de proprietate a materialului de referinta ldquobrdquo este dat de relatia
Daca CR este subunitar materialul candidat este mai ieftin decat materialul de referinta
Materialul de referinta este eliminat si materialul candidat se ia ca material de referinta pentru urmatoarea comparatie
Daca CR este supra unitar materialul candidat este mai scump decat materialul de referinta
Materialul de referinta se ia ca material de comparatie pentru urmatoarea analiza
55
METODA PONDERARII PROPRIETATILOR
Este o metoda pentru rezolvarea unor solutii mai comlexe de materiale materiale si proprietati
Fiecarei proprietati a materialului i se acorda o pondere rdquoαrdquo
Ponderea este proportionala cu importanta relativa a proprietatii pentru performanta in exploatare a materialului pentru aplicatia data
Ponderea proprietatii este egala cu produsul dintre valoarea numerica a proprietatii materialului ldquoprdquo si ponderea ei ldquoαrdquo
γ=pα
Insumand toate aceste produse pentru un material se obtine un indice de performanta ldquoPrdquo al materialului
Aceasta metoda ia in considerare toate proprietatile materialului
Comparand mai multe materiale prin indicele de performanta se poate gasi cel mai performant material pentru o aplicatie
56
Dezavantajul acestei metode consta in faptul ca in cazul unei proprietati care are o valoare ridicata aceasta v-a avea o influenta mai mare asupra indicelui de performanta decat ponderea ei
Exemplu Un material A care are Rm=370 MPa si o duritate de 350 HRB si un alt material B care are Rm=400 MPa si o duritate de 300 HRBStabilind ponderea proprietatii de 100 pentru rezistenta si 90 pentru duritate se obtine un indice de performanta de 68500 pentru material ul A si 67000 pentru materialul B
Inseamna ca impotriva importantei rezistentei la tractiune (ca fiind primul criteriu de selectie) si care este mai mare pentru materialul B indicele de performanta al materialului A este mai mare si deci acest material v-a fi selectat
La evaluarea materialelor candidat se va lucra cu valori relative ldquoβrdquo ale unei anumite proprietati celei mai mari valori a proprietatii atribuindu-se valoarea 100 iar celelalte valori relative se determina cu relatia
57
Pentru proprietatile materialelor care nu se exprima in mod obisnuit prin valori numerice (rezistenta la uzare sudabilitatea aschiabilitatea diferite proprietati tehnologice etc) evaluarea se poate face relativ la una dintre proprietati astfel
Astfel fiecarei proprietati I se acorda o importanta egalasi ea va influenta indicii de performanta ai materialelor doar comparate doar in masura ponderii acordate
Pentru proprietati ale caror valori se doreste a fi cat mai mici (densitatea pierderea de greutate prin coroziune etc) evaluarea se face printr-un raport invers
ProprietateaMateriale alternative
A B C D
Sudabilitatea Foarte buna Buna Buna Satisfacatoare
Evaluarea relativa 5 3 3 1
Valoarea scalata 100 60 60 20
58
Exemplu In ceea ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru rezistenta la tractiune a materialului A este de 925 Pentru al doilea material aceasta valoare este de 100 In ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru duritate aceasta este de 100 pentru materialul A si de 857 pentru materialul B
Acest lucru poate schimba situatia ierarhica a materialelor sau le poate apropia atat de mult indicele de performanta incat sa se puna problema luari in considerare si a altor elemente pentru selectie
Astfel indicele de performanta a materialului este dat de relatia
unde P reprezinta indicele de performanta a materialuluildquoirdquo este suma celor ldquonrdquo proprietati considerate a materialul ui
59
Ponderea α poate fi considerata ca αilt1 astfel incat
(cazul cel mai frecvent) sau ei I se poate aloca o plaja de valori valoarea cea mai mare
corespunzand proprietatii cu cea mai mare importanta
Costul materialului poate fi considerat ca o proprietate (chiar importanta) acordandui-se o pondere ldquoαrdquo
In cazul luarii in considerare a unui numar mare de proprietati costul poate fi considerat un factor de corectie al indicelui de performanta a materialului rezultand indicele de merit al acestuia
in care ldquoprdquo reprezinta costul unitatii de greutate a materialului
60
Cand se doreste compararea mai multor materiale candidat (i) cu unul de baza (de referinta) se calculeaza indicele relativ de merit al fiecarui material astfel
Daca RMgt1 respectivul material candidat ldquoirdquo corespunde mai bine cerintelor decat materialul de referinta ldquobrdquoIn cazul in care Mb reprezinta minimul cerintelor impuse Materialele candidat avand RMlt1 pot fi eliminate de la inceput ca fiind necorespunzatoare
Cand trebuie luate in considerare mai multe proprietati ale materialului pentru evaluarea indicelui de performanta este dificila evaluarea ponderii acestora Rezolvarea aceste probleme poate fi realizata printr-o evaluare prin programe numerice
61
METODA CRESTERII INCREMENTALE
In anumite situatii pot aparea mai multe materiale care indeplinesc cerintele minime impuse de o anumita aplicatie
Dupa analiza acestor materiale se poate presupune ca performantele pieselor prelucrate sunt proportionale cu indicii de performanta ldquoPrdquo In acelasi timp costul piesei variaza proportional cu costul materialului si al prelucrarii acestora
Daca se doreste selectarea piesei care are cea mai mare performanta la cea mai rezonabila crestere a costului se poate face o analiza beneficiu-cost Procedeul se ia indeosebi cand se doreste inlocuirea unui material utilizat deja in fabricatie
Materialul cu cel mai scazut cost (1) se ca element de baza si este comparat cu materialul care are costul imediat superior (2) Comparatia se face determinand cresterea indicelui de performanta (ΔP=P2-P1) si a costului ldquoprdquo pe unitatea de volum (Δpρ=p2ρ2-p1ρ1)
Daca ΔPΔpρlt1 materialul 1 corespunde mai bine decat materialul 2 pentru aplicatia data si materialul 2 va fi eliminatDaca ΔPΔpρgt1 materialul 1 va fi eliminat deoarece materialul 2 corespunde mai bine cerintelor aplicatieiSe continua compararea cu al treilea material si rand pe rand vor fi eliminate materialele mai putin corespunzatoare ajungand la materialul optim
62
EXEMPLU DE SELECTIE A MATERIALELOR
Tema Realizarea piesesei din figura dintr-un otel ldquoOL37rdquo intr-o serie mare de fabricatie-Este o piesa cilindrica cu dimensiunile date-Are un butuc-Prezinta o gaura lunga si de diametre mic
oslash200oslash50
150oslash20
Se poate realiza din bara rotunda prin strunjire
Se poate realiza din bara rotunda prin forjare
80
Coeficientul de utilizare a materialului 055
Coeficientul de utilizare a materialului 098
63
Diametrul mm Inaltime mm Volum mm3 Volum mm3Coeficientul de
utilizare a materialului
Semif Pornire 200 150 4710000 4710000
Strunjire
200 80 2512000
2602275 055=5550 35 137375
20 150 47100
Forjare
200 80 25120002649375
098=9850 35 137375
20 150 47100 2602275
Coeficientul de utilizare a materialului K=greutatea piesei finitegreutatea materialului utilizat pentru realizarea lui (a semifabricatului de pornire)
In calcul s-a lucrat cu volumul materialului deoarece G=VρAdaosuriele de prelucrare s-u luat ca fiind egaleApare un mult mai bun grad de utilizare a materialului pentr prelucrarea prin forjare
PIESA SE VA REALIZA PRIN FORJARE
64
1
2
3
5
6
4
9
8
F
107F
1-semimatrita superioara2-semimatrita inferioara3-cavitatea semimatritei sup4-cavitatea semimatritei inf5-canalul de bavura6-canalul de refulare7-prinderea semimatritei sup8-prinderea semimatritei inf9-elemente de ghidare (stifturi)10-planul de separare
TEMA Sa se stabileasca materialul optim pentru realizarea elementelor active ale matrtei de forjare din figura Se urmreste obtinerea piesei prin forjare la cald
CERINTE PENTRU PROIECTARE
Analiza schiteiFunctia Elemete (semimatrite) de matrita de deformare plasticaObiectiv Trebuie maximalizata tenacitatea (rezilienta)Constrangeri Dimensiunile cavitatii matritei (depind de marimea piesei) dimensiunile exterioare si sistemul de prindere (depind de utilaj temperatura de lucruVariabile libere material
65
Se cauta in sursele de informatii structurate si nestructurate materialele care respecta cerintele
Elemente de matrita
Rezistente la cald
Tenacitate Duritate
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Materialele potrivite sunt metalele si aliajele lor
-Materialele ceramice nu au tenacitate-Materialele polimerice nu au rezistenta la cald-Materialele compozite sunt scumpe si nu au tenacitate
Depinde de compozitia lor
Se cauta materiale cu destinatie precisa Materiale pentru scule de deformare
66
Din baza de date se constata ca urmatoarele materiale satisfac
cerintele rigide adica sa poata fi utilizate la prelucrarea la cald
Sunt materiale cu destinatie precisaDaca nu sunt materiale cu destinatie
precisa se cauta in grupa materialelor cu destinatie generala
Material Rm min MPa HV A5 KCU Jcm3
C120 890 265 8 60
VMoC120 870 265 8 68
VC06 870 230 6 68
VCW85 870 265 6 80
MoCN15 830 250 7 75
VMoCN17 870 265 7 73
VSCW20 790 235 5 78
OSC7 640 195 12 56
OSC8 640 195 10 58
67
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU Jcm3 βKCU Indicele de
performanta PC120 890 265 8 60 101450
VMoC120 870 265 8 68 100650
VC06 870 230 6 68 97400
VCW85 870 265 6 80 101750
MoCN15 830 250 7 75 96750
VMoCN17 870 265 7 73 101100
VSCW20 790 235 5 78 92400
OSC7 640 195 12 56 74950
OSC8 640 195 10 58 75050Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza peoprietatii
68
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU
Jcm3 βKCU Indicele de performanta P
C120 890 100 265 10000 8 6667 60 75 25017000
VMoC120 870 9775 265 10000 8 6667 68 85 2835015356
VC06 870 9775 230 8679 6 5000 68 85 2126563155
VCW85 870 9775 265 10000 6 5000 80 100 2501682022
MoCN15 830 9326 250 9434 7 5833 75 9375 2735970124
VMoCN17 870 9775 265 10000 7 5833 73 9125 2663140356
VSCW20 790 8876 235 8868 5 4167 78 975 2032758226
OSC7 640 7191 195 7358 12 10000 56 70 3501237545
OSC8 640 7191 195 7358 10 8333 58 725 3022070878Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza proprietatii relative
69
Material Indicele de performanta P
VSCW20 2032758226
VC06 2126563155
VCW85 2501682022
C120 25017000
VMoCN17 2663140356
MoCN15 2735970124
VMoC120 2835015356
OSC8 3022070878
OSC7 3501237545
Material Indicele de performanta P
OSC7 74950
OSC8 75050
VSCW20 92400
MoCN15 96750
VC06 97400
VMoC120 100650
VMoCN17 101100
C120 101450
VCW85 101750
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile proprietatii materialului
ordonate crescator
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile relative ale proprietatii materialului ordonate crescator
70
Luand in considerare ca unele materiale sunt aliate cu siguranta acestea sunt mai scumpe
Daca luam in considerare costul unitar pentru otelurile carbon de scule iar densitatea de 785 (corespunzatoare fierului) se obtine indicele de merit
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
OSC7 74950 1 95477707 114
OSC8 75050 1 956050955 114
VSCW20 92400 14 840764331 100
MoCN15 96750 14 880345769 105
VC06 97400 12 103397028 123
VMoC120 100650 13 986281235 117
VMoCN17 101100 14 919927207 109
C120 101450 15 861571125 102
VCW85 101750 14 925841674 110
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea proprietatii materialului
71
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
VSCW20 2032758226 14 184964352 100
VC06 2126563155 12 225749804 122
VCW85 2501682022 14 227632577 123
C120 25017000 15 212458599 115
VMoCN17 2663140356 14 242323963 131
MoCN15 2735970124 14 248950876 135
VMoC120 2835015356 13 277806502 150
OSC8 3022070878 1 384977182 208
OSC7 3501237545 1 446017522 241
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea relativa a proprietatii materialului
72
Selectati materialele potrivite pentru piesele din imagine
Randul I 1 Serie mare de fabricatie-6p Randul II Serie mica (unicat) de fabricatie-6p
Randul I 2 Criterii de selectie a materialelor-1p3 Etapele selectiei materialelor ndash 1p4 Economicitatea piesei ndash 1p5 Strategii de selectie a materialelor ndash 1p
Randul II 2 Tipuri de date utilizate la selectia materialelor-1p3 Cum se face minimalizarea costurilor-1p4 Perofmantele piesei in functionare ndash 1p5 Care sunt cerintele fata de material ndash 1p
SUBIECTE EXAMEN
73
Date privind principalele proprietati tehnologice ale unor materiale
Material
Valorile proprietatii
Aschiabilitate Turnabilitate Sudabilitate Cost
F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba $tona
Otel de constructii (OL) X X X 140
Otel carbon de calitate (OLC) X X X
260
Fonte obisnuite (Fc) X X X 160
Punctaje 60 30 10 60 30 10 60 30 10
Avand in vedere ca pretul creste odata cu rezistenta la tractiune calculati costul fiecarui material prin inmultirea costului de baza cu valoarea proprietatii si impartiti la 100
74
Materiale ce pot fi luate in considerare spre analiza
Material Rm HV A Material Rm HV A Material Rm HV A
OL30 310 95 32 OLC8 324 140 33 Fc100 100 105 2
OL32 310 93 33 OLC10 321 150 31 Fc150 150 145 3
OL34 330 105 31 OLC15 373 155 27 Fc200 200 180 4
OL37 360 112 25 OLC20 410 165 25 Fc250 250 190 4
OL42 410 130 22 OLC25 450 175 24 Fc300 300 210 5
OL44 430 135 22 OLC30 490 180 21 Fc350 350 220 6
OL50 500 160 21 OLC35 530 195 21 Fc400 400 240 6
OL52 510 160 21 OLC40 570 200 19
OL60 590 185 16 OLC45 610 220 18
OL70 690 215 11 OLC50 640 230 16
OLC55 670 240 14
OLC60 700 255 14
Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50
Proprietatea tehnilogica intra cu o pondere de 100
VA UREZ SUCCES
15
Matricea de cerinte
ETAPA -II- STABILIREA MATRICEI DE CERINTE
Analiza celor patru grupuri de cerinte
Stabilirea unor cerinte tehnice
Costul materialuluicerinte economice
Cuprinde toate cerintele necesar a fi indeplinite de material (atat cerintele tehnice cat si cerintele
economice)
Pentru a lua o decizie corecta privind
selectia materialului se face
ierarhizarea cerintelor
16
Cerinte economice
COSTUL MATERIALULUI
Costuri legate cu prelucrare (manopera)
Alte costuri
Costul piesei
Alte costuri (intretinere
exploatare etc)
COSTUL MATERIALULUI controleaza evaluarea materialelor deoarece in multe aplicatii se impune un cost limita pentru materialul care sa satisfaca cerintele aplicatiei Cand limita este depasita produsul se reproiecteaza in vederea modificarii cerintelor fata de material pentru mentinerea acestuia sub limita de cost
Selectia se opreste la materialul care satisface cerintele stabilite (tehnice) de exploatarea piesei si care are costul cel mai scazut
17
ASPECTE ECONOMICE ALE MATERIALELOR
Materialul influenteaza costul total al produselor
Costul materialului are cea mai mare pondere din costul total (30-70)
Prelucrabilitatea
Determina- nivelul de
productivitate- investitiile de capital- manopera necesara
obtinerii formei finale
ATENTIE Alegerea unui material ieftin nu este intotdeauna o solutie corespunzatoare daca prelucrarea lui este dificila si costisitoare
Dimensiunile materiilor prime (semifabricatelor pot determina formarea unei cantitati mari de deseuri si implicit costul final
Posibilitatea reciclarii deseurilor ndash element important la selectia materialelor ndash indeosebi la materialele scumpe
18
Clasificarea materialelor pe baza costurilor
Materialele ingineresti
Materiale de larga utilizare
Materiale speciale
- ieftine- produse in cantitati mari
- substantial mai scumpe- elaborate pentru satisfacerea
unor cerinte deosebite
ATENTIE Compararea materialelor din punc de vedere a costurilor este dificila deoarece la unele materiale costul este dat in raport cu greutatea la altele in raport cu volumul la altele in raport cu suprafata etc
Compararea materialelor se face in raport cu costul relativ
19
Comparatia materialelor pe baza costului relativ al unitatii de
greutate
Comparatia materialelor pe baza costului relativ al unitatii de
volum
Comparatia materialelor pe baza costului relativ al unitatii de volum
raportat la rezistenta de rupere
20
Comparatia materialelor pe baza costului relativ al unitatii de volum
raportat la rezistenta de rupere specifica la tractiune
21
Concluzii
Din punct de vedere al costului relativ la unitatea de greutate utilizarea otelului este cea mai avantajoasa
Cel mai mare consum mondial
Materialele polimerice si aluminiu tind sa se apropie de costurile otelului
Din punct de vedere al costului relativ la unitatea de volum costurile materialelor polimerice se apropie de cele ale otelurilor unele fiind mai ieftine
Apare o plaja larga a costurilor materialelor ingineresti
Uneori materialele nu sunt utilizate la adevarata lor capacitate deoarece o cerinta importanta este rigiditatea Din acest punct de vedere betonul are cel mai mic cost
Sunt aplicatii la care se cere rezistenta ridicata si greutate redusa Se constata ca materialele polimerice si piesele turnate din magneziu apar mai ieftine decat otelurile
22
In cazul unui produs evaluarea valorii lui se
face prin
Evaluarea calitativa a proprietatilor materialului
Cel mai ieftin
Cel mai usor de procutat
Care sa aiba aceeasi
functionalitate
In cazul selectiei materialelor
Pentru aceeasi functionalitate
La cel mai scazut cost
Sa se selecteze cel mai ieftin material
Sa se selecteze un material mai scump dar
care va simplifica prelucrare (eventual
eliminarea unor etape)
23
Otelurile slab aliate cu continut ridicat de mangan si
continut scazut de Ni si Cr
Inlocuiesc otelurile scumpe continand cantitati mai mari de Ni Cr Mo (elemente scumpe)
Acoperirile metalice Inlocuiesc (in conditii mai putin
severe de coroziune) otelurile inoxidabile
Durificarea superficiala sau ecruisarea prin deformare
plastica
Mareste rezistenta la uzare si la oboseala a otelurilor carbon evitand utilizarea otelurilor aliate scumpe
Acoperiri de tipul alitarii cromarii aplicate otelurilor
carbon
Confera rezistenta la temperaturi moderate elimina finisarea
(costisitoare)
24
Coeficientul de utilizare a materialului
Minimalizarea costului materialelor
Printr-o proiectare care sa reduca cantitatea necesara de materiale scumpe
Alegerea procedeelor de prelucrare adecvate
Stabilirea formei semifabricatului care sa maximalizeze coeficientul de utilizare a
materialelor in fabricatie
Materiale ieftine
- Cumparate in cantitati mari- Cele care au dimensiuni mari
Cand fabricatia cere piese de mai multe dimensiuni se poate
cumpara stoc mare de semifabricate la dimensiunea
cea mai mare a pieselor
Reulta deseuri si costuri suplimentare de
manopera
Punctul de rentabilitate in aceasta privinta este greu de evaluat
25
Coeficientul de utilizare a materialelor pentru diferite procedee de prelucrare este dat in urmatorul tabel
Metoda de prelucrare Coeficientul de utilizare
1 Fara modificarea masei
Turnare 70
Deformare plastica 75
Agregate de pulberi 90
2 Cu micsorare de masa
Aschiere 60
Eroziune 90
3 Prin marire de masa
Depuneri prin sudare 80
Depuneri prin metalizare 90
26
Competitia in domeniul materialelor
Odata cu aparitia unor materiale noi si scaderea pretului celor existente apare o COMPETITIE INTRE MATERIALE
Intre otel si aluminiu la obtinerea cutiilor
de bauturi
Intre aluminiu si materiale polimerice
(armate) la constructia aeronavelor
Intre materiale polimerice si cupru
plumb fonta la instalatiile de apa
ProprietateaAliaj ZnAl4 turnat sub presiune
Polistiren ABS
Naylon 66
Policar-bonat
Polipr-opilena
Rezistenta la tractiune MNmm2 260 54 52 70 35
Rezistenta la tractiune prin soc (relativ) 79 1 33 36 16
Rezistenta la fluaj (exprimata ca modul de elasticitate aparent la 100 h MNmm2) 51100 1470 420 2030 308
Rezistenta la oboseala prin incovoiere la 107 cicluri MNmm2 644 154 14 7 182
Temperatura de stabilitate termica la 18 MNmm2 (oC) gt488 345 324 403 332
Modificarea rezistentei la tractiune dupa 500h de expunere in conditii atmosferice ()
+05 -8 +10 -11 -30
Densitatea (relativa) 667 105 114 12 09
Costul unitatii de greutate (relativ Zn=1) 1 21 374 42 14
Costul unitatii de volum raportat la rezistenta la tractiune (relativ) 1 21 37 30 16
Costul unitatii de volum raportat la rezistenta la fluaj (relativ) 1 117 183 19 30
Costul unitatii de volum raportat la rezistenta la tractiune prin soc (relativ) 1 27 15 16 09
Costul unitatii de volum raportat la rezistenta la oboseala (relativ) 1 09 18 34 04
In situatia in care piesa are un rol decorativ ndash materialul plastic este
important
27
Costul prelucrarii poate juca un rol important in procesul
selectiei
Alama mai ieftina pentru anumite piese decat otelul laminat deoarece se prelucreaza cu viteza mai mare
Costul alamei este mai mare decat a otelului
Aluminiul se prelucreaza mai usor si are greutate specifica mai mica
Poate inlocui fonta otelul si aliajele lui chiar
daca sunt mai ieftine
Materialele plastice se prelucreaza foarte usor si devin economice la
serie mare
Pot inlocui orice tip de material la diferite
aplicatii
Criteriul economic privind costul materialului nu este
concludent la selectarea materialului
Devine important COSTUL REPERULUI
28
Costul de baza al materialului
Cheltuieli de dezvoltaresi utilizare a
echipamentelor
Cheltuieli de prelucrareDeterminate de material de procedeu de forma
de precizie
COSTUL REPERULUI
Costurile reperului
29
Reper Comportare Costuri
Cheltuieli de intretineresi reparatii cu reperul
UtilizareCheltuieli de exploatare
Durabilitate
ECONOMICITATEA REPERULUI
Economicitatea reperului
30
CERINTE IMPUSE MATERIALULUIPIESE
Problema selectiei materialului este complexa
datorita
Varietatii materialelor ingineresti
Severitatii cerintelor functionale impuse
Cerinta diminuarii costurilor
Severitatii cerintelor functionale impuse
Prelucrarile la care este supus materialul
Geometria pieselor
Solicitarile la care este supus materialul
INFLUENTEAZA PROPRIETATILE MATERIALELOR
31
Comportarea materialului in produsul finit este sensibil diferita de cea a semifabricatului din care a fost obtinut
Comportarea materialului in piesa
(C)
Proprietatile materialului (M)
Influenta procedeului de prelucrare (P)
Forma piesei si fortele exterioare la care este
supusa (F)
Arata influenta directa a proprietatilor
semifabricatului a procedeului de prelucrare
a formei geometrice si a actiunii fortelor exterioare
asupra comportarii materialelor in piesa finita
Influenteaza direct comportarea
materialului in piesa
Este foarte important a se apela la criterii de proiectare adecvata
32
Influenta procedeului de prelucrare (P)
Prezenta muchiilor ascutite si a filetelor
Rugozitatea suprafetei
Afecteaza intr-o masura mai mare comportarea otelurilor de inalta rezistenta
decat a celor moi
Afecteaza intr-o masura mai mare comportarea materialelor la solicitari
variabile (oboseala) decat la solicitari statice
Interesul se focalizeaza preponderent pe performanta piesei in functionare si mai putin pe comportarea materialului in piesa
Comportarea materialului in piesa (proprietatile piesei)
Performantele piesei in functionare
Comportarea materialului in functionareConditiile de functionare
Factori care influenteaza
performantele piesei in functionare
33
CLASIFICAREA CERINTELOR IMPUSE MATERIALELOR
Cerintele impuse materialelor
Cerinte ldquorigiderdquo sau nenegociabile
Cerinte ldquonerigiderdquo ldquorelativerdquo sau
negociabile
Sunt cerintele care trebuie satisfacute obligatoriu de
material pentru a fi luate in considerare la selectie
bull Disponibilitatebull Prelucrabilitatebull Caracteristici minime
In anumite limite sunt supuse compromisului Pot fi comparate dpdv al importantei lor relative pentru o
aplicatie data in cadrul metodelor cantitative de selectie a materialelor
bull Proprietati mecanicebull Densitatebull Costul
In functie de tipul aplicatiei aceste cerinte isi pot schimba caracterul (din ldquonegociabilerdquo in ldquonenegociabile
Modificarea clasei de material selectate in final
34
EXEMPLE
Butelie de aragaz
Rezistenta Ductilitate Cost
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Rezistenta Ductilitate ρmic
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Butelii pentru gaze utilizate in aviatie
Costul este nenegociabil Oteluri pentru recipienti sub
presiune la temperaturi joase ndash R37 R44
Greutate cat mai mica (considerata nenegociabila) Materiale compozite (Kevlar 49-matrice epoxidica armata
cu fibre de poliamida)
35
MODALITATI DE ABORDARE A SELECTIEI MATERIALELOR SI PROCEDEELOR DE PRELUCRARE
Aparitia unor materiale noi si a competitiei intre materiale
Abordari noi in selectia materialelor si a procedeelor de prelucrare
Materialele plastice folosite la obtinerea pieselor complexe si de buna calitate inalta tehnologie
Materialele compozite au condus la reducerea substantiala a
greutatii produsului
Materiale sinterizate utilizate la obtinerea pieselor fara pierderi de material si consum de enetgie
scazut
Ingineria suprafetelor ofera posibilitati de modificare a
suprafetelor si coferirea unor proprietati deosebite
Cu toate aceste proiectantii se limiteaza la selectia
materialelor si procedeelor de prelucrare cunoscute mai bine
- Evitarea riscurilor- Nu este cunoscuta existenta unor noi materiale- Nu sunt cunoscute noile tehnologii de fabricatie etc
Proiectarea industriala trebuie asociata cu design-ul realizarea unei forme estetice obtinerea unui aspect exterior
placut
Design-ul industrial include mai mult decat o stilizare
Alegerea materialului permite un anumit design sau altul
36
La selectarea functiunii produsului (comportarea lui in exploatare-C) a materialelor (M) a
procedeelor de prelucrare (P) a formei (F) trebuie sa se tina seama ca acestea se intrepatrund (trebuie
sa tin seama in acelasi timp de ele)
Dificil Pot fi urmate diferite
succesiuni
Succesiunea CFMP prezinta urmatoarea
ordine de luare in considerare
-functionalitatea produsului (C)-forma piesei-materialul piesei-procedeul de prelucrare
Pot exista diferite succesiuni
Conduce la solutii diferite
Cadrul face conexiunea intre roti
saua bicicletei pedale ghidon
EXEMPLU Succesiunea CFMP
Functionalitatea si forma sunt aceleasi
Teava de aluminiu
Sudare
Succesiunea CFPM
Functionalitatea si forma sunt aceleasi
Sudare Teava de otel-se sudeaza mai bine
Succesiunea CMPF
Functionalitatea este aceeasi
Ca material se poate alege unul compozit
Sudare lipire
Forma aceeasi sau nu
Succesiunea CPMF
Poate fi aleasa presarea unui material superplastic
Alegerea ca material aluminiul
Forma S asimetrica plata
37
Pe baza functiunilor impuse produsului proiectantul schiteaza o serie de solutii tinand seama
de-materialele ce pot fi folosite-procedeele de fabricatie ce pot fi aplicate-formele potrivite ca functionalitate si design
Fiecare combinatie materialprocedeu de prelucrare conduce la diferite forme
Pot fi generate un numar
diferit de forme
Este o abordare CPMF sau CMPF
38
STRATEGII DE SELECTIE A MATERIALELOR
O strategie de selectie are doua componente
Formularea marimi prin care sa se evaluare un set de cerinte impuse materialului
Un procedeu de evaluare a marimii cerintelor prin care sa
se poata face ierarhizarea acestora in functie de masura in
care acestea sunt indeplinite
Strategiile cauta cai de implementare a procesului si anume de a converti un set de date ldquode intrarerdquo (cerintele proiectarii)
intr-un set de date ldquode iesirerdquo- alegerea materialului si a procedeului de prelucrare
39
Cerintele proiectarii
Materiale si procedee de prelucrare selectate
Strategii de selectie
Date initiale Functie de transfer Date finale
Strategia 1 Cautare libera implicand analiza rationala
Strategia 2 Bazata pe chestionare Este o selectie prin expertiza
Strategia 3 Analogie bazata pe cazuri anterioare
Posibila inovatie
Ofera solutii cunoscute
Ofera solutii similare cu situatia prezenta
Ofera mare libertate de selectie dar putina ghidare in proces
Ofera multa ghidare in proces dar putina libertate de selectie
Ofera idei ale solutiilor anterioare pentru probleme similare
40
SELECTIA LIBERA BAZATA PE ANALIZA RATIONALA
Este rapida si eficienta
Ofera o mare libertate pentru aplicatii
Ofera solutii noi si inovative
Avantaje
Are nevoie de date de intrare precis detaliate intr-o forma ce pot fi analizate prin metode ingineresti
standard
EXEMPLU
Gasiti un material pentru o bara de lungime L care sa
suporte o forta F la temperatura T si sa fie cat mai usoara
Cerinte pentru proiectare
ANALIZA SCHITEIFunctia Ce trebuie sa faca piesaObiective Ce trebuie maximalizat sau minimalizatConstrangeri Ce conditii esentiale trebuie sa fie indepliniteVariabile libere Care variabile ale proiectului sunt libere (cerinte nerigide)
41
Functia Ce trebuie sa faca piesa
Obiective Ce trebuie maximalizat sau minimalizat
Variabile libere Care variabile ale proiectului sunt libere (cerinte nerigide)
De a rezista la momente de incovoiere trebuie sa suporta incarcatura pentru care a fost proiectata fara a se deforma
Constrangeri Ce conditii esentiale trebuie sa fie indeplinite
Lungimea L data Tigiditatea S data Sa reziste si sa nu se deformeze la temperatura T
Trebuie minimalizata greutate
Aria sectiunii Costul
Procesul de selectie a avea 3 pasi
Filtrarea Se folseste de constrangeri pentru inlaturarea materialelor care nu indeplinesc cerintele
IerarhizareaSe folseste de marimea performantelor materialelor ramase in discutie pentru a le ordona
Documentarea
Analizeaza informatiile nestructurate le structureaza si le introduce in structura ierarhizata realizand o fisa cu informatii care ajuta selectia finala a materialului
42
Ierarhizarea se face parcurgand mai multe faze
Identificarea unuia sau a mai multor indici de performanta corespunzatori functiei obiectivului si constrangerilor
Indicele de performanta permite optimizarea selectiei
Pentru identificarea acestor indici se parcurg urmatoarele etape
Transpunerea intr-o relatie a obiectivului (entitatea) ce trebuie minimalizata sau maximalizata
Analiza grupului de proprietati (indicele de performanta) care maximalizeaza obiectivul
Eliminarea din aceasta relatie a variabilelor libere utilizand constrangerile (ex valoarea impusa rigiditatii a incarcarii limita a unui moment a presiunii a temperaturii de lucru sau al tenacitatii
43
EXEMPLU
TEMAGasiti un material pentru o bara de lungime L care sa
suporte o forta F la temperatura T si sa fie cat mai usoara
b
b
Lδ
F
Sageata
Sectiunea
CERINTELE PROIECTARIIFunctia Bara incarcata la incovoiereObiectiv Minimalizarea greutatiiConstrangeri Lungimea L data Rigiditatea S data Temperatura de exploatare T data (500deg)Variabile libere Aria sectiunii A Materialul de selectat
Se alege masa ldquomrdquo ca indice de performanta (trebuie sa fie minimalizat)
Masa barei este
Constrangerea privind rigiditatea va determina aria sectiunii ASageata unei bare simplu rezemata (forta actionand la mijloc) este data de relatia
44
unde E-modulul de elasticitate al materialului barei I-momentul de inertie al sectiunii grinzii
CL-reprezinta o constanta ce depinde de modul de distributie a fortei F (CL=48)
Rigiditatea barei este data de relatia
Din aceasta ultima relatie rezulta aria sectiunii A
Prin substitutia acestei relatii in relatia de determinare a masei grinzii se obtine indicele de performanta m
Valorile S L CL sunt date de proiect
Cea mai usoara bara este acea realizata dintr-un material care are cea mai mare valoare pentru
raport numit si ldquoindice de materialrdquo
Functia Incarcarea ConstrangeriIndici de
performantaRelatia
indicelui
Structuri de masa minima
Tija
BaraStatica
Rigiditate
Tractiune Eρ
Compresiune Eρ
Incovoiere E12ρ
Torsiune E12ρ
Rezistenta
Tractiune σrρ
Compresiune σcρ
Incovoiere σr23ρ
Torsiune σc23ρ
Dinamica
Panou
45
Exista mai multi indici de performanta fiecare realizand o combinatie dintre obiectiv si constrangere
46
47
48
METODE CANTITATIVE DE SELECTIE A MATERIALELOR CANDIDATE
Materialele candidat sunt materialele care satisfac cerintele cuprinse in matricea de cerinte rezultate dinbull Cerintele functionalebull Siguranta in functionarebull Functionarea in conditii ambientale de exploatarebull Cerintele de prelucrabilitatebull Economicitatea piesei
Care din aceste materiale vor fi luate in considerare la realizarea piesei
Evaluarea materialelor candidat
Evaluarea presupune compararea materialelor candidat care indeplinesc cerintele negociabile cu caracteristicile efective ale materialului in vederea selectarii celui optim pentru o aplicatie data
49
Evaluarea materialelor candidat
Este mai simpla pentru metodele cantitative de evaluare
Trebuie sa tina seama de anumite avantaje (usurinta procurarii materialului distanta pana la furnizor seriozitatea furnizarii constanta in calitatea produselor etc) care pot introduce anumite limitari determinand anumite compromisuri
In cele mai multe cazuri metodele cantitative de selectie conduc la materialul optim pentru o aplicatie
Metodele cantitative pot fi reluate odata cu schimbarea importantei relative a cerintelor negociabile
ATENTIE Cerintele nenegociabile trebuie satisfacute in totalitate si intocmai
Daca niciun material nu satisfac cerintele negociabile atunci fie ca acestea trebuie relaxate fie se impune reproiectarea produsului
50
Selectia este o operatie complexa
Numar mare de materiale cu o plaja larga de proprietati
Daca se face intamplator
Apare riscul de a omite anumite materiale candidate
Reducerea riscului prin adoptarea unei metode sistematice de selectie a materialelor
Metodele cantitative
Permitbull analiza unui numar ridicat de datebull a multor specificatii implicate in selectia materialelorbull pot fi adaptate pentru o selectie asistata de calculator
dintr-o baza de date
Metodele nu elimina capacitatea de analiza si experienta ingineruluiAceste metode sprijina inginerul in alegerea optima
51
METODA COSTULUI RAPORTAT LA UNITATEA DE PROPRIETATE
Economicitatea piesei
Costul initial al materialului
Costul prelucrarii si montarii
Costul functionarii si intretinerii
Unele dintre aceste costuri cresc odata cu cresterea
valorii proprietatilor altele scad
Proprietatea (Rm)
Costul piesei
Alte costuri
Costul total
Cos
tul
Cost minim
Odata cu cresterea rezistentei- Prelucrare mai dificila- Greutatea pe piesa scade- Durabilitatea in exploatare
creste si deci numarul de piese in utilizate in timp mai mic
Costul total este suma costului piesei si a celorlalte costuri
52
Valoarea optima a proprietatii (aici Rm) apare la costul minim
In piata costul materialului este legat de greutatea sau volumul (dupa caz) materialului
Se poate stabili o comparatie a materialelor intre proprietatile relative (proprietatea raportata la
greutatea specifica) De exemplu rezistenta rigiditatea modul de elasticitate etc
Criteriul esential este costul raportat la unitatea de rezistenta la tractiune
C=pρσ
C- costul asigurarii unei rezistente de 1 MPap- costul unitatii de proprietate a materialului
ρ- densitatea materialului
σr- rezistenta la tractiune
Cu cat valoarea lui ldquoCrdquo este mai mica cu atat materialul
este mai economic
53
Relatii asemanatoare pot fi obtinute si pentru alte proprietati cum ar fi- limita la curgere- modulul de elastuicitate- factorul de intensitate a tensiunii etc
Costul unitatii de proprietate pentru diferite moduri de solicitare
54
Compararea materialelor privind aceste costuri este esentiala
Se compara materialele intre ele
Este dificilSe ia un material de referinta
Costul relativ pe unitatea de proprietate a materialului candidat ldquoirdquo raportat la costul relativ pe unitatea de proprietate a materialului de referinta ldquobrdquo este dat de relatia
Daca CR este subunitar materialul candidat este mai ieftin decat materialul de referinta
Materialul de referinta este eliminat si materialul candidat se ia ca material de referinta pentru urmatoarea comparatie
Daca CR este supra unitar materialul candidat este mai scump decat materialul de referinta
Materialul de referinta se ia ca material de comparatie pentru urmatoarea analiza
55
METODA PONDERARII PROPRIETATILOR
Este o metoda pentru rezolvarea unor solutii mai comlexe de materiale materiale si proprietati
Fiecarei proprietati a materialului i se acorda o pondere rdquoαrdquo
Ponderea este proportionala cu importanta relativa a proprietatii pentru performanta in exploatare a materialului pentru aplicatia data
Ponderea proprietatii este egala cu produsul dintre valoarea numerica a proprietatii materialului ldquoprdquo si ponderea ei ldquoαrdquo
γ=pα
Insumand toate aceste produse pentru un material se obtine un indice de performanta ldquoPrdquo al materialului
Aceasta metoda ia in considerare toate proprietatile materialului
Comparand mai multe materiale prin indicele de performanta se poate gasi cel mai performant material pentru o aplicatie
56
Dezavantajul acestei metode consta in faptul ca in cazul unei proprietati care are o valoare ridicata aceasta v-a avea o influenta mai mare asupra indicelui de performanta decat ponderea ei
Exemplu Un material A care are Rm=370 MPa si o duritate de 350 HRB si un alt material B care are Rm=400 MPa si o duritate de 300 HRBStabilind ponderea proprietatii de 100 pentru rezistenta si 90 pentru duritate se obtine un indice de performanta de 68500 pentru material ul A si 67000 pentru materialul B
Inseamna ca impotriva importantei rezistentei la tractiune (ca fiind primul criteriu de selectie) si care este mai mare pentru materialul B indicele de performanta al materialului A este mai mare si deci acest material v-a fi selectat
La evaluarea materialelor candidat se va lucra cu valori relative ldquoβrdquo ale unei anumite proprietati celei mai mari valori a proprietatii atribuindu-se valoarea 100 iar celelalte valori relative se determina cu relatia
57
Pentru proprietatile materialelor care nu se exprima in mod obisnuit prin valori numerice (rezistenta la uzare sudabilitatea aschiabilitatea diferite proprietati tehnologice etc) evaluarea se poate face relativ la una dintre proprietati astfel
Astfel fiecarei proprietati I se acorda o importanta egalasi ea va influenta indicii de performanta ai materialelor doar comparate doar in masura ponderii acordate
Pentru proprietati ale caror valori se doreste a fi cat mai mici (densitatea pierderea de greutate prin coroziune etc) evaluarea se face printr-un raport invers
ProprietateaMateriale alternative
A B C D
Sudabilitatea Foarte buna Buna Buna Satisfacatoare
Evaluarea relativa 5 3 3 1
Valoarea scalata 100 60 60 20
58
Exemplu In ceea ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru rezistenta la tractiune a materialului A este de 925 Pentru al doilea material aceasta valoare este de 100 In ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru duritate aceasta este de 100 pentru materialul A si de 857 pentru materialul B
Acest lucru poate schimba situatia ierarhica a materialelor sau le poate apropia atat de mult indicele de performanta incat sa se puna problema luari in considerare si a altor elemente pentru selectie
Astfel indicele de performanta a materialului este dat de relatia
unde P reprezinta indicele de performanta a materialuluildquoirdquo este suma celor ldquonrdquo proprietati considerate a materialul ui
59
Ponderea α poate fi considerata ca αilt1 astfel incat
(cazul cel mai frecvent) sau ei I se poate aloca o plaja de valori valoarea cea mai mare
corespunzand proprietatii cu cea mai mare importanta
Costul materialului poate fi considerat ca o proprietate (chiar importanta) acordandui-se o pondere ldquoαrdquo
In cazul luarii in considerare a unui numar mare de proprietati costul poate fi considerat un factor de corectie al indicelui de performanta a materialului rezultand indicele de merit al acestuia
in care ldquoprdquo reprezinta costul unitatii de greutate a materialului
60
Cand se doreste compararea mai multor materiale candidat (i) cu unul de baza (de referinta) se calculeaza indicele relativ de merit al fiecarui material astfel
Daca RMgt1 respectivul material candidat ldquoirdquo corespunde mai bine cerintelor decat materialul de referinta ldquobrdquoIn cazul in care Mb reprezinta minimul cerintelor impuse Materialele candidat avand RMlt1 pot fi eliminate de la inceput ca fiind necorespunzatoare
Cand trebuie luate in considerare mai multe proprietati ale materialului pentru evaluarea indicelui de performanta este dificila evaluarea ponderii acestora Rezolvarea aceste probleme poate fi realizata printr-o evaluare prin programe numerice
61
METODA CRESTERII INCREMENTALE
In anumite situatii pot aparea mai multe materiale care indeplinesc cerintele minime impuse de o anumita aplicatie
Dupa analiza acestor materiale se poate presupune ca performantele pieselor prelucrate sunt proportionale cu indicii de performanta ldquoPrdquo In acelasi timp costul piesei variaza proportional cu costul materialului si al prelucrarii acestora
Daca se doreste selectarea piesei care are cea mai mare performanta la cea mai rezonabila crestere a costului se poate face o analiza beneficiu-cost Procedeul se ia indeosebi cand se doreste inlocuirea unui material utilizat deja in fabricatie
Materialul cu cel mai scazut cost (1) se ca element de baza si este comparat cu materialul care are costul imediat superior (2) Comparatia se face determinand cresterea indicelui de performanta (ΔP=P2-P1) si a costului ldquoprdquo pe unitatea de volum (Δpρ=p2ρ2-p1ρ1)
Daca ΔPΔpρlt1 materialul 1 corespunde mai bine decat materialul 2 pentru aplicatia data si materialul 2 va fi eliminatDaca ΔPΔpρgt1 materialul 1 va fi eliminat deoarece materialul 2 corespunde mai bine cerintelor aplicatieiSe continua compararea cu al treilea material si rand pe rand vor fi eliminate materialele mai putin corespunzatoare ajungand la materialul optim
62
EXEMPLU DE SELECTIE A MATERIALELOR
Tema Realizarea piesesei din figura dintr-un otel ldquoOL37rdquo intr-o serie mare de fabricatie-Este o piesa cilindrica cu dimensiunile date-Are un butuc-Prezinta o gaura lunga si de diametre mic
oslash200oslash50
150oslash20
Se poate realiza din bara rotunda prin strunjire
Se poate realiza din bara rotunda prin forjare
80
Coeficientul de utilizare a materialului 055
Coeficientul de utilizare a materialului 098
63
Diametrul mm Inaltime mm Volum mm3 Volum mm3Coeficientul de
utilizare a materialului
Semif Pornire 200 150 4710000 4710000
Strunjire
200 80 2512000
2602275 055=5550 35 137375
20 150 47100
Forjare
200 80 25120002649375
098=9850 35 137375
20 150 47100 2602275
Coeficientul de utilizare a materialului K=greutatea piesei finitegreutatea materialului utilizat pentru realizarea lui (a semifabricatului de pornire)
In calcul s-a lucrat cu volumul materialului deoarece G=VρAdaosuriele de prelucrare s-u luat ca fiind egaleApare un mult mai bun grad de utilizare a materialului pentr prelucrarea prin forjare
PIESA SE VA REALIZA PRIN FORJARE
64
1
2
3
5
6
4
9
8
F
107F
1-semimatrita superioara2-semimatrita inferioara3-cavitatea semimatritei sup4-cavitatea semimatritei inf5-canalul de bavura6-canalul de refulare7-prinderea semimatritei sup8-prinderea semimatritei inf9-elemente de ghidare (stifturi)10-planul de separare
TEMA Sa se stabileasca materialul optim pentru realizarea elementelor active ale matrtei de forjare din figura Se urmreste obtinerea piesei prin forjare la cald
CERINTE PENTRU PROIECTARE
Analiza schiteiFunctia Elemete (semimatrite) de matrita de deformare plasticaObiectiv Trebuie maximalizata tenacitatea (rezilienta)Constrangeri Dimensiunile cavitatii matritei (depind de marimea piesei) dimensiunile exterioare si sistemul de prindere (depind de utilaj temperatura de lucruVariabile libere material
65
Se cauta in sursele de informatii structurate si nestructurate materialele care respecta cerintele
Elemente de matrita
Rezistente la cald
Tenacitate Duritate
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Materialele potrivite sunt metalele si aliajele lor
-Materialele ceramice nu au tenacitate-Materialele polimerice nu au rezistenta la cald-Materialele compozite sunt scumpe si nu au tenacitate
Depinde de compozitia lor
Se cauta materiale cu destinatie precisa Materiale pentru scule de deformare
66
Din baza de date se constata ca urmatoarele materiale satisfac
cerintele rigide adica sa poata fi utilizate la prelucrarea la cald
Sunt materiale cu destinatie precisaDaca nu sunt materiale cu destinatie
precisa se cauta in grupa materialelor cu destinatie generala
Material Rm min MPa HV A5 KCU Jcm3
C120 890 265 8 60
VMoC120 870 265 8 68
VC06 870 230 6 68
VCW85 870 265 6 80
MoCN15 830 250 7 75
VMoCN17 870 265 7 73
VSCW20 790 235 5 78
OSC7 640 195 12 56
OSC8 640 195 10 58
67
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU Jcm3 βKCU Indicele de
performanta PC120 890 265 8 60 101450
VMoC120 870 265 8 68 100650
VC06 870 230 6 68 97400
VCW85 870 265 6 80 101750
MoCN15 830 250 7 75 96750
VMoCN17 870 265 7 73 101100
VSCW20 790 235 5 78 92400
OSC7 640 195 12 56 74950
OSC8 640 195 10 58 75050Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza peoprietatii
68
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU
Jcm3 βKCU Indicele de performanta P
C120 890 100 265 10000 8 6667 60 75 25017000
VMoC120 870 9775 265 10000 8 6667 68 85 2835015356
VC06 870 9775 230 8679 6 5000 68 85 2126563155
VCW85 870 9775 265 10000 6 5000 80 100 2501682022
MoCN15 830 9326 250 9434 7 5833 75 9375 2735970124
VMoCN17 870 9775 265 10000 7 5833 73 9125 2663140356
VSCW20 790 8876 235 8868 5 4167 78 975 2032758226
OSC7 640 7191 195 7358 12 10000 56 70 3501237545
OSC8 640 7191 195 7358 10 8333 58 725 3022070878Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza proprietatii relative
69
Material Indicele de performanta P
VSCW20 2032758226
VC06 2126563155
VCW85 2501682022
C120 25017000
VMoCN17 2663140356
MoCN15 2735970124
VMoC120 2835015356
OSC8 3022070878
OSC7 3501237545
Material Indicele de performanta P
OSC7 74950
OSC8 75050
VSCW20 92400
MoCN15 96750
VC06 97400
VMoC120 100650
VMoCN17 101100
C120 101450
VCW85 101750
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile proprietatii materialului
ordonate crescator
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile relative ale proprietatii materialului ordonate crescator
70
Luand in considerare ca unele materiale sunt aliate cu siguranta acestea sunt mai scumpe
Daca luam in considerare costul unitar pentru otelurile carbon de scule iar densitatea de 785 (corespunzatoare fierului) se obtine indicele de merit
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
OSC7 74950 1 95477707 114
OSC8 75050 1 956050955 114
VSCW20 92400 14 840764331 100
MoCN15 96750 14 880345769 105
VC06 97400 12 103397028 123
VMoC120 100650 13 986281235 117
VMoCN17 101100 14 919927207 109
C120 101450 15 861571125 102
VCW85 101750 14 925841674 110
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea proprietatii materialului
71
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
VSCW20 2032758226 14 184964352 100
VC06 2126563155 12 225749804 122
VCW85 2501682022 14 227632577 123
C120 25017000 15 212458599 115
VMoCN17 2663140356 14 242323963 131
MoCN15 2735970124 14 248950876 135
VMoC120 2835015356 13 277806502 150
OSC8 3022070878 1 384977182 208
OSC7 3501237545 1 446017522 241
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea relativa a proprietatii materialului
72
Selectati materialele potrivite pentru piesele din imagine
Randul I 1 Serie mare de fabricatie-6p Randul II Serie mica (unicat) de fabricatie-6p
Randul I 2 Criterii de selectie a materialelor-1p3 Etapele selectiei materialelor ndash 1p4 Economicitatea piesei ndash 1p5 Strategii de selectie a materialelor ndash 1p
Randul II 2 Tipuri de date utilizate la selectia materialelor-1p3 Cum se face minimalizarea costurilor-1p4 Perofmantele piesei in functionare ndash 1p5 Care sunt cerintele fata de material ndash 1p
SUBIECTE EXAMEN
73
Date privind principalele proprietati tehnologice ale unor materiale
Material
Valorile proprietatii
Aschiabilitate Turnabilitate Sudabilitate Cost
F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba $tona
Otel de constructii (OL) X X X 140
Otel carbon de calitate (OLC) X X X
260
Fonte obisnuite (Fc) X X X 160
Punctaje 60 30 10 60 30 10 60 30 10
Avand in vedere ca pretul creste odata cu rezistenta la tractiune calculati costul fiecarui material prin inmultirea costului de baza cu valoarea proprietatii si impartiti la 100
74
Materiale ce pot fi luate in considerare spre analiza
Material Rm HV A Material Rm HV A Material Rm HV A
OL30 310 95 32 OLC8 324 140 33 Fc100 100 105 2
OL32 310 93 33 OLC10 321 150 31 Fc150 150 145 3
OL34 330 105 31 OLC15 373 155 27 Fc200 200 180 4
OL37 360 112 25 OLC20 410 165 25 Fc250 250 190 4
OL42 410 130 22 OLC25 450 175 24 Fc300 300 210 5
OL44 430 135 22 OLC30 490 180 21 Fc350 350 220 6
OL50 500 160 21 OLC35 530 195 21 Fc400 400 240 6
OL52 510 160 21 OLC40 570 200 19
OL60 590 185 16 OLC45 610 220 18
OL70 690 215 11 OLC50 640 230 16
OLC55 670 240 14
OLC60 700 255 14
Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50
Proprietatea tehnilogica intra cu o pondere de 100
VA UREZ SUCCES
16
Cerinte economice
COSTUL MATERIALULUI
Costuri legate cu prelucrare (manopera)
Alte costuri
Costul piesei
Alte costuri (intretinere
exploatare etc)
COSTUL MATERIALULUI controleaza evaluarea materialelor deoarece in multe aplicatii se impune un cost limita pentru materialul care sa satisfaca cerintele aplicatiei Cand limita este depasita produsul se reproiecteaza in vederea modificarii cerintelor fata de material pentru mentinerea acestuia sub limita de cost
Selectia se opreste la materialul care satisface cerintele stabilite (tehnice) de exploatarea piesei si care are costul cel mai scazut
17
ASPECTE ECONOMICE ALE MATERIALELOR
Materialul influenteaza costul total al produselor
Costul materialului are cea mai mare pondere din costul total (30-70)
Prelucrabilitatea
Determina- nivelul de
productivitate- investitiile de capital- manopera necesara
obtinerii formei finale
ATENTIE Alegerea unui material ieftin nu este intotdeauna o solutie corespunzatoare daca prelucrarea lui este dificila si costisitoare
Dimensiunile materiilor prime (semifabricatelor pot determina formarea unei cantitati mari de deseuri si implicit costul final
Posibilitatea reciclarii deseurilor ndash element important la selectia materialelor ndash indeosebi la materialele scumpe
18
Clasificarea materialelor pe baza costurilor
Materialele ingineresti
Materiale de larga utilizare
Materiale speciale
- ieftine- produse in cantitati mari
- substantial mai scumpe- elaborate pentru satisfacerea
unor cerinte deosebite
ATENTIE Compararea materialelor din punc de vedere a costurilor este dificila deoarece la unele materiale costul este dat in raport cu greutatea la altele in raport cu volumul la altele in raport cu suprafata etc
Compararea materialelor se face in raport cu costul relativ
19
Comparatia materialelor pe baza costului relativ al unitatii de
greutate
Comparatia materialelor pe baza costului relativ al unitatii de
volum
Comparatia materialelor pe baza costului relativ al unitatii de volum
raportat la rezistenta de rupere
20
Comparatia materialelor pe baza costului relativ al unitatii de volum
raportat la rezistenta de rupere specifica la tractiune
21
Concluzii
Din punct de vedere al costului relativ la unitatea de greutate utilizarea otelului este cea mai avantajoasa
Cel mai mare consum mondial
Materialele polimerice si aluminiu tind sa se apropie de costurile otelului
Din punct de vedere al costului relativ la unitatea de volum costurile materialelor polimerice se apropie de cele ale otelurilor unele fiind mai ieftine
Apare o plaja larga a costurilor materialelor ingineresti
Uneori materialele nu sunt utilizate la adevarata lor capacitate deoarece o cerinta importanta este rigiditatea Din acest punct de vedere betonul are cel mai mic cost
Sunt aplicatii la care se cere rezistenta ridicata si greutate redusa Se constata ca materialele polimerice si piesele turnate din magneziu apar mai ieftine decat otelurile
22
In cazul unui produs evaluarea valorii lui se
face prin
Evaluarea calitativa a proprietatilor materialului
Cel mai ieftin
Cel mai usor de procutat
Care sa aiba aceeasi
functionalitate
In cazul selectiei materialelor
Pentru aceeasi functionalitate
La cel mai scazut cost
Sa se selecteze cel mai ieftin material
Sa se selecteze un material mai scump dar
care va simplifica prelucrare (eventual
eliminarea unor etape)
23
Otelurile slab aliate cu continut ridicat de mangan si
continut scazut de Ni si Cr
Inlocuiesc otelurile scumpe continand cantitati mai mari de Ni Cr Mo (elemente scumpe)
Acoperirile metalice Inlocuiesc (in conditii mai putin
severe de coroziune) otelurile inoxidabile
Durificarea superficiala sau ecruisarea prin deformare
plastica
Mareste rezistenta la uzare si la oboseala a otelurilor carbon evitand utilizarea otelurilor aliate scumpe
Acoperiri de tipul alitarii cromarii aplicate otelurilor
carbon
Confera rezistenta la temperaturi moderate elimina finisarea
(costisitoare)
24
Coeficientul de utilizare a materialului
Minimalizarea costului materialelor
Printr-o proiectare care sa reduca cantitatea necesara de materiale scumpe
Alegerea procedeelor de prelucrare adecvate
Stabilirea formei semifabricatului care sa maximalizeze coeficientul de utilizare a
materialelor in fabricatie
Materiale ieftine
- Cumparate in cantitati mari- Cele care au dimensiuni mari
Cand fabricatia cere piese de mai multe dimensiuni se poate
cumpara stoc mare de semifabricate la dimensiunea
cea mai mare a pieselor
Reulta deseuri si costuri suplimentare de
manopera
Punctul de rentabilitate in aceasta privinta este greu de evaluat
25
Coeficientul de utilizare a materialelor pentru diferite procedee de prelucrare este dat in urmatorul tabel
Metoda de prelucrare Coeficientul de utilizare
1 Fara modificarea masei
Turnare 70
Deformare plastica 75
Agregate de pulberi 90
2 Cu micsorare de masa
Aschiere 60
Eroziune 90
3 Prin marire de masa
Depuneri prin sudare 80
Depuneri prin metalizare 90
26
Competitia in domeniul materialelor
Odata cu aparitia unor materiale noi si scaderea pretului celor existente apare o COMPETITIE INTRE MATERIALE
Intre otel si aluminiu la obtinerea cutiilor
de bauturi
Intre aluminiu si materiale polimerice
(armate) la constructia aeronavelor
Intre materiale polimerice si cupru
plumb fonta la instalatiile de apa
ProprietateaAliaj ZnAl4 turnat sub presiune
Polistiren ABS
Naylon 66
Policar-bonat
Polipr-opilena
Rezistenta la tractiune MNmm2 260 54 52 70 35
Rezistenta la tractiune prin soc (relativ) 79 1 33 36 16
Rezistenta la fluaj (exprimata ca modul de elasticitate aparent la 100 h MNmm2) 51100 1470 420 2030 308
Rezistenta la oboseala prin incovoiere la 107 cicluri MNmm2 644 154 14 7 182
Temperatura de stabilitate termica la 18 MNmm2 (oC) gt488 345 324 403 332
Modificarea rezistentei la tractiune dupa 500h de expunere in conditii atmosferice ()
+05 -8 +10 -11 -30
Densitatea (relativa) 667 105 114 12 09
Costul unitatii de greutate (relativ Zn=1) 1 21 374 42 14
Costul unitatii de volum raportat la rezistenta la tractiune (relativ) 1 21 37 30 16
Costul unitatii de volum raportat la rezistenta la fluaj (relativ) 1 117 183 19 30
Costul unitatii de volum raportat la rezistenta la tractiune prin soc (relativ) 1 27 15 16 09
Costul unitatii de volum raportat la rezistenta la oboseala (relativ) 1 09 18 34 04
In situatia in care piesa are un rol decorativ ndash materialul plastic este
important
27
Costul prelucrarii poate juca un rol important in procesul
selectiei
Alama mai ieftina pentru anumite piese decat otelul laminat deoarece se prelucreaza cu viteza mai mare
Costul alamei este mai mare decat a otelului
Aluminiul se prelucreaza mai usor si are greutate specifica mai mica
Poate inlocui fonta otelul si aliajele lui chiar
daca sunt mai ieftine
Materialele plastice se prelucreaza foarte usor si devin economice la
serie mare
Pot inlocui orice tip de material la diferite
aplicatii
Criteriul economic privind costul materialului nu este
concludent la selectarea materialului
Devine important COSTUL REPERULUI
28
Costul de baza al materialului
Cheltuieli de dezvoltaresi utilizare a
echipamentelor
Cheltuieli de prelucrareDeterminate de material de procedeu de forma
de precizie
COSTUL REPERULUI
Costurile reperului
29
Reper Comportare Costuri
Cheltuieli de intretineresi reparatii cu reperul
UtilizareCheltuieli de exploatare
Durabilitate
ECONOMICITATEA REPERULUI
Economicitatea reperului
30
CERINTE IMPUSE MATERIALULUIPIESE
Problema selectiei materialului este complexa
datorita
Varietatii materialelor ingineresti
Severitatii cerintelor functionale impuse
Cerinta diminuarii costurilor
Severitatii cerintelor functionale impuse
Prelucrarile la care este supus materialul
Geometria pieselor
Solicitarile la care este supus materialul
INFLUENTEAZA PROPRIETATILE MATERIALELOR
31
Comportarea materialului in produsul finit este sensibil diferita de cea a semifabricatului din care a fost obtinut
Comportarea materialului in piesa
(C)
Proprietatile materialului (M)
Influenta procedeului de prelucrare (P)
Forma piesei si fortele exterioare la care este
supusa (F)
Arata influenta directa a proprietatilor
semifabricatului a procedeului de prelucrare
a formei geometrice si a actiunii fortelor exterioare
asupra comportarii materialelor in piesa finita
Influenteaza direct comportarea
materialului in piesa
Este foarte important a se apela la criterii de proiectare adecvata
32
Influenta procedeului de prelucrare (P)
Prezenta muchiilor ascutite si a filetelor
Rugozitatea suprafetei
Afecteaza intr-o masura mai mare comportarea otelurilor de inalta rezistenta
decat a celor moi
Afecteaza intr-o masura mai mare comportarea materialelor la solicitari
variabile (oboseala) decat la solicitari statice
Interesul se focalizeaza preponderent pe performanta piesei in functionare si mai putin pe comportarea materialului in piesa
Comportarea materialului in piesa (proprietatile piesei)
Performantele piesei in functionare
Comportarea materialului in functionareConditiile de functionare
Factori care influenteaza
performantele piesei in functionare
33
CLASIFICAREA CERINTELOR IMPUSE MATERIALELOR
Cerintele impuse materialelor
Cerinte ldquorigiderdquo sau nenegociabile
Cerinte ldquonerigiderdquo ldquorelativerdquo sau
negociabile
Sunt cerintele care trebuie satisfacute obligatoriu de
material pentru a fi luate in considerare la selectie
bull Disponibilitatebull Prelucrabilitatebull Caracteristici minime
In anumite limite sunt supuse compromisului Pot fi comparate dpdv al importantei lor relative pentru o
aplicatie data in cadrul metodelor cantitative de selectie a materialelor
bull Proprietati mecanicebull Densitatebull Costul
In functie de tipul aplicatiei aceste cerinte isi pot schimba caracterul (din ldquonegociabilerdquo in ldquonenegociabile
Modificarea clasei de material selectate in final
34
EXEMPLE
Butelie de aragaz
Rezistenta Ductilitate Cost
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Rezistenta Ductilitate ρmic
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Butelii pentru gaze utilizate in aviatie
Costul este nenegociabil Oteluri pentru recipienti sub
presiune la temperaturi joase ndash R37 R44
Greutate cat mai mica (considerata nenegociabila) Materiale compozite (Kevlar 49-matrice epoxidica armata
cu fibre de poliamida)
35
MODALITATI DE ABORDARE A SELECTIEI MATERIALELOR SI PROCEDEELOR DE PRELUCRARE
Aparitia unor materiale noi si a competitiei intre materiale
Abordari noi in selectia materialelor si a procedeelor de prelucrare
Materialele plastice folosite la obtinerea pieselor complexe si de buna calitate inalta tehnologie
Materialele compozite au condus la reducerea substantiala a
greutatii produsului
Materiale sinterizate utilizate la obtinerea pieselor fara pierderi de material si consum de enetgie
scazut
Ingineria suprafetelor ofera posibilitati de modificare a
suprafetelor si coferirea unor proprietati deosebite
Cu toate aceste proiectantii se limiteaza la selectia
materialelor si procedeelor de prelucrare cunoscute mai bine
- Evitarea riscurilor- Nu este cunoscuta existenta unor noi materiale- Nu sunt cunoscute noile tehnologii de fabricatie etc
Proiectarea industriala trebuie asociata cu design-ul realizarea unei forme estetice obtinerea unui aspect exterior
placut
Design-ul industrial include mai mult decat o stilizare
Alegerea materialului permite un anumit design sau altul
36
La selectarea functiunii produsului (comportarea lui in exploatare-C) a materialelor (M) a
procedeelor de prelucrare (P) a formei (F) trebuie sa se tina seama ca acestea se intrepatrund (trebuie
sa tin seama in acelasi timp de ele)
Dificil Pot fi urmate diferite
succesiuni
Succesiunea CFMP prezinta urmatoarea
ordine de luare in considerare
-functionalitatea produsului (C)-forma piesei-materialul piesei-procedeul de prelucrare
Pot exista diferite succesiuni
Conduce la solutii diferite
Cadrul face conexiunea intre roti
saua bicicletei pedale ghidon
EXEMPLU Succesiunea CFMP
Functionalitatea si forma sunt aceleasi
Teava de aluminiu
Sudare
Succesiunea CFPM
Functionalitatea si forma sunt aceleasi
Sudare Teava de otel-se sudeaza mai bine
Succesiunea CMPF
Functionalitatea este aceeasi
Ca material se poate alege unul compozit
Sudare lipire
Forma aceeasi sau nu
Succesiunea CPMF
Poate fi aleasa presarea unui material superplastic
Alegerea ca material aluminiul
Forma S asimetrica plata
37
Pe baza functiunilor impuse produsului proiectantul schiteaza o serie de solutii tinand seama
de-materialele ce pot fi folosite-procedeele de fabricatie ce pot fi aplicate-formele potrivite ca functionalitate si design
Fiecare combinatie materialprocedeu de prelucrare conduce la diferite forme
Pot fi generate un numar
diferit de forme
Este o abordare CPMF sau CMPF
38
STRATEGII DE SELECTIE A MATERIALELOR
O strategie de selectie are doua componente
Formularea marimi prin care sa se evaluare un set de cerinte impuse materialului
Un procedeu de evaluare a marimii cerintelor prin care sa
se poata face ierarhizarea acestora in functie de masura in
care acestea sunt indeplinite
Strategiile cauta cai de implementare a procesului si anume de a converti un set de date ldquode intrarerdquo (cerintele proiectarii)
intr-un set de date ldquode iesirerdquo- alegerea materialului si a procedeului de prelucrare
39
Cerintele proiectarii
Materiale si procedee de prelucrare selectate
Strategii de selectie
Date initiale Functie de transfer Date finale
Strategia 1 Cautare libera implicand analiza rationala
Strategia 2 Bazata pe chestionare Este o selectie prin expertiza
Strategia 3 Analogie bazata pe cazuri anterioare
Posibila inovatie
Ofera solutii cunoscute
Ofera solutii similare cu situatia prezenta
Ofera mare libertate de selectie dar putina ghidare in proces
Ofera multa ghidare in proces dar putina libertate de selectie
Ofera idei ale solutiilor anterioare pentru probleme similare
40
SELECTIA LIBERA BAZATA PE ANALIZA RATIONALA
Este rapida si eficienta
Ofera o mare libertate pentru aplicatii
Ofera solutii noi si inovative
Avantaje
Are nevoie de date de intrare precis detaliate intr-o forma ce pot fi analizate prin metode ingineresti
standard
EXEMPLU
Gasiti un material pentru o bara de lungime L care sa
suporte o forta F la temperatura T si sa fie cat mai usoara
Cerinte pentru proiectare
ANALIZA SCHITEIFunctia Ce trebuie sa faca piesaObiective Ce trebuie maximalizat sau minimalizatConstrangeri Ce conditii esentiale trebuie sa fie indepliniteVariabile libere Care variabile ale proiectului sunt libere (cerinte nerigide)
41
Functia Ce trebuie sa faca piesa
Obiective Ce trebuie maximalizat sau minimalizat
Variabile libere Care variabile ale proiectului sunt libere (cerinte nerigide)
De a rezista la momente de incovoiere trebuie sa suporta incarcatura pentru care a fost proiectata fara a se deforma
Constrangeri Ce conditii esentiale trebuie sa fie indeplinite
Lungimea L data Tigiditatea S data Sa reziste si sa nu se deformeze la temperatura T
Trebuie minimalizata greutate
Aria sectiunii Costul
Procesul de selectie a avea 3 pasi
Filtrarea Se folseste de constrangeri pentru inlaturarea materialelor care nu indeplinesc cerintele
IerarhizareaSe folseste de marimea performantelor materialelor ramase in discutie pentru a le ordona
Documentarea
Analizeaza informatiile nestructurate le structureaza si le introduce in structura ierarhizata realizand o fisa cu informatii care ajuta selectia finala a materialului
42
Ierarhizarea se face parcurgand mai multe faze
Identificarea unuia sau a mai multor indici de performanta corespunzatori functiei obiectivului si constrangerilor
Indicele de performanta permite optimizarea selectiei
Pentru identificarea acestor indici se parcurg urmatoarele etape
Transpunerea intr-o relatie a obiectivului (entitatea) ce trebuie minimalizata sau maximalizata
Analiza grupului de proprietati (indicele de performanta) care maximalizeaza obiectivul
Eliminarea din aceasta relatie a variabilelor libere utilizand constrangerile (ex valoarea impusa rigiditatii a incarcarii limita a unui moment a presiunii a temperaturii de lucru sau al tenacitatii
43
EXEMPLU
TEMAGasiti un material pentru o bara de lungime L care sa
suporte o forta F la temperatura T si sa fie cat mai usoara
b
b
Lδ
F
Sageata
Sectiunea
CERINTELE PROIECTARIIFunctia Bara incarcata la incovoiereObiectiv Minimalizarea greutatiiConstrangeri Lungimea L data Rigiditatea S data Temperatura de exploatare T data (500deg)Variabile libere Aria sectiunii A Materialul de selectat
Se alege masa ldquomrdquo ca indice de performanta (trebuie sa fie minimalizat)
Masa barei este
Constrangerea privind rigiditatea va determina aria sectiunii ASageata unei bare simplu rezemata (forta actionand la mijloc) este data de relatia
44
unde E-modulul de elasticitate al materialului barei I-momentul de inertie al sectiunii grinzii
CL-reprezinta o constanta ce depinde de modul de distributie a fortei F (CL=48)
Rigiditatea barei este data de relatia
Din aceasta ultima relatie rezulta aria sectiunii A
Prin substitutia acestei relatii in relatia de determinare a masei grinzii se obtine indicele de performanta m
Valorile S L CL sunt date de proiect
Cea mai usoara bara este acea realizata dintr-un material care are cea mai mare valoare pentru
raport numit si ldquoindice de materialrdquo
Functia Incarcarea ConstrangeriIndici de
performantaRelatia
indicelui
Structuri de masa minima
Tija
BaraStatica
Rigiditate
Tractiune Eρ
Compresiune Eρ
Incovoiere E12ρ
Torsiune E12ρ
Rezistenta
Tractiune σrρ
Compresiune σcρ
Incovoiere σr23ρ
Torsiune σc23ρ
Dinamica
Panou
45
Exista mai multi indici de performanta fiecare realizand o combinatie dintre obiectiv si constrangere
46
47
48
METODE CANTITATIVE DE SELECTIE A MATERIALELOR CANDIDATE
Materialele candidat sunt materialele care satisfac cerintele cuprinse in matricea de cerinte rezultate dinbull Cerintele functionalebull Siguranta in functionarebull Functionarea in conditii ambientale de exploatarebull Cerintele de prelucrabilitatebull Economicitatea piesei
Care din aceste materiale vor fi luate in considerare la realizarea piesei
Evaluarea materialelor candidat
Evaluarea presupune compararea materialelor candidat care indeplinesc cerintele negociabile cu caracteristicile efective ale materialului in vederea selectarii celui optim pentru o aplicatie data
49
Evaluarea materialelor candidat
Este mai simpla pentru metodele cantitative de evaluare
Trebuie sa tina seama de anumite avantaje (usurinta procurarii materialului distanta pana la furnizor seriozitatea furnizarii constanta in calitatea produselor etc) care pot introduce anumite limitari determinand anumite compromisuri
In cele mai multe cazuri metodele cantitative de selectie conduc la materialul optim pentru o aplicatie
Metodele cantitative pot fi reluate odata cu schimbarea importantei relative a cerintelor negociabile
ATENTIE Cerintele nenegociabile trebuie satisfacute in totalitate si intocmai
Daca niciun material nu satisfac cerintele negociabile atunci fie ca acestea trebuie relaxate fie se impune reproiectarea produsului
50
Selectia este o operatie complexa
Numar mare de materiale cu o plaja larga de proprietati
Daca se face intamplator
Apare riscul de a omite anumite materiale candidate
Reducerea riscului prin adoptarea unei metode sistematice de selectie a materialelor
Metodele cantitative
Permitbull analiza unui numar ridicat de datebull a multor specificatii implicate in selectia materialelorbull pot fi adaptate pentru o selectie asistata de calculator
dintr-o baza de date
Metodele nu elimina capacitatea de analiza si experienta ingineruluiAceste metode sprijina inginerul in alegerea optima
51
METODA COSTULUI RAPORTAT LA UNITATEA DE PROPRIETATE
Economicitatea piesei
Costul initial al materialului
Costul prelucrarii si montarii
Costul functionarii si intretinerii
Unele dintre aceste costuri cresc odata cu cresterea
valorii proprietatilor altele scad
Proprietatea (Rm)
Costul piesei
Alte costuri
Costul total
Cos
tul
Cost minim
Odata cu cresterea rezistentei- Prelucrare mai dificila- Greutatea pe piesa scade- Durabilitatea in exploatare
creste si deci numarul de piese in utilizate in timp mai mic
Costul total este suma costului piesei si a celorlalte costuri
52
Valoarea optima a proprietatii (aici Rm) apare la costul minim
In piata costul materialului este legat de greutatea sau volumul (dupa caz) materialului
Se poate stabili o comparatie a materialelor intre proprietatile relative (proprietatea raportata la
greutatea specifica) De exemplu rezistenta rigiditatea modul de elasticitate etc
Criteriul esential este costul raportat la unitatea de rezistenta la tractiune
C=pρσ
C- costul asigurarii unei rezistente de 1 MPap- costul unitatii de proprietate a materialului
ρ- densitatea materialului
σr- rezistenta la tractiune
Cu cat valoarea lui ldquoCrdquo este mai mica cu atat materialul
este mai economic
53
Relatii asemanatoare pot fi obtinute si pentru alte proprietati cum ar fi- limita la curgere- modulul de elastuicitate- factorul de intensitate a tensiunii etc
Costul unitatii de proprietate pentru diferite moduri de solicitare
54
Compararea materialelor privind aceste costuri este esentiala
Se compara materialele intre ele
Este dificilSe ia un material de referinta
Costul relativ pe unitatea de proprietate a materialului candidat ldquoirdquo raportat la costul relativ pe unitatea de proprietate a materialului de referinta ldquobrdquo este dat de relatia
Daca CR este subunitar materialul candidat este mai ieftin decat materialul de referinta
Materialul de referinta este eliminat si materialul candidat se ia ca material de referinta pentru urmatoarea comparatie
Daca CR este supra unitar materialul candidat este mai scump decat materialul de referinta
Materialul de referinta se ia ca material de comparatie pentru urmatoarea analiza
55
METODA PONDERARII PROPRIETATILOR
Este o metoda pentru rezolvarea unor solutii mai comlexe de materiale materiale si proprietati
Fiecarei proprietati a materialului i se acorda o pondere rdquoαrdquo
Ponderea este proportionala cu importanta relativa a proprietatii pentru performanta in exploatare a materialului pentru aplicatia data
Ponderea proprietatii este egala cu produsul dintre valoarea numerica a proprietatii materialului ldquoprdquo si ponderea ei ldquoαrdquo
γ=pα
Insumand toate aceste produse pentru un material se obtine un indice de performanta ldquoPrdquo al materialului
Aceasta metoda ia in considerare toate proprietatile materialului
Comparand mai multe materiale prin indicele de performanta se poate gasi cel mai performant material pentru o aplicatie
56
Dezavantajul acestei metode consta in faptul ca in cazul unei proprietati care are o valoare ridicata aceasta v-a avea o influenta mai mare asupra indicelui de performanta decat ponderea ei
Exemplu Un material A care are Rm=370 MPa si o duritate de 350 HRB si un alt material B care are Rm=400 MPa si o duritate de 300 HRBStabilind ponderea proprietatii de 100 pentru rezistenta si 90 pentru duritate se obtine un indice de performanta de 68500 pentru material ul A si 67000 pentru materialul B
Inseamna ca impotriva importantei rezistentei la tractiune (ca fiind primul criteriu de selectie) si care este mai mare pentru materialul B indicele de performanta al materialului A este mai mare si deci acest material v-a fi selectat
La evaluarea materialelor candidat se va lucra cu valori relative ldquoβrdquo ale unei anumite proprietati celei mai mari valori a proprietatii atribuindu-se valoarea 100 iar celelalte valori relative se determina cu relatia
57
Pentru proprietatile materialelor care nu se exprima in mod obisnuit prin valori numerice (rezistenta la uzare sudabilitatea aschiabilitatea diferite proprietati tehnologice etc) evaluarea se poate face relativ la una dintre proprietati astfel
Astfel fiecarei proprietati I se acorda o importanta egalasi ea va influenta indicii de performanta ai materialelor doar comparate doar in masura ponderii acordate
Pentru proprietati ale caror valori se doreste a fi cat mai mici (densitatea pierderea de greutate prin coroziune etc) evaluarea se face printr-un raport invers
ProprietateaMateriale alternative
A B C D
Sudabilitatea Foarte buna Buna Buna Satisfacatoare
Evaluarea relativa 5 3 3 1
Valoarea scalata 100 60 60 20
58
Exemplu In ceea ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru rezistenta la tractiune a materialului A este de 925 Pentru al doilea material aceasta valoare este de 100 In ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru duritate aceasta este de 100 pentru materialul A si de 857 pentru materialul B
Acest lucru poate schimba situatia ierarhica a materialelor sau le poate apropia atat de mult indicele de performanta incat sa se puna problema luari in considerare si a altor elemente pentru selectie
Astfel indicele de performanta a materialului este dat de relatia
unde P reprezinta indicele de performanta a materialuluildquoirdquo este suma celor ldquonrdquo proprietati considerate a materialul ui
59
Ponderea α poate fi considerata ca αilt1 astfel incat
(cazul cel mai frecvent) sau ei I se poate aloca o plaja de valori valoarea cea mai mare
corespunzand proprietatii cu cea mai mare importanta
Costul materialului poate fi considerat ca o proprietate (chiar importanta) acordandui-se o pondere ldquoαrdquo
In cazul luarii in considerare a unui numar mare de proprietati costul poate fi considerat un factor de corectie al indicelui de performanta a materialului rezultand indicele de merit al acestuia
in care ldquoprdquo reprezinta costul unitatii de greutate a materialului
60
Cand se doreste compararea mai multor materiale candidat (i) cu unul de baza (de referinta) se calculeaza indicele relativ de merit al fiecarui material astfel
Daca RMgt1 respectivul material candidat ldquoirdquo corespunde mai bine cerintelor decat materialul de referinta ldquobrdquoIn cazul in care Mb reprezinta minimul cerintelor impuse Materialele candidat avand RMlt1 pot fi eliminate de la inceput ca fiind necorespunzatoare
Cand trebuie luate in considerare mai multe proprietati ale materialului pentru evaluarea indicelui de performanta este dificila evaluarea ponderii acestora Rezolvarea aceste probleme poate fi realizata printr-o evaluare prin programe numerice
61
METODA CRESTERII INCREMENTALE
In anumite situatii pot aparea mai multe materiale care indeplinesc cerintele minime impuse de o anumita aplicatie
Dupa analiza acestor materiale se poate presupune ca performantele pieselor prelucrate sunt proportionale cu indicii de performanta ldquoPrdquo In acelasi timp costul piesei variaza proportional cu costul materialului si al prelucrarii acestora
Daca se doreste selectarea piesei care are cea mai mare performanta la cea mai rezonabila crestere a costului se poate face o analiza beneficiu-cost Procedeul se ia indeosebi cand se doreste inlocuirea unui material utilizat deja in fabricatie
Materialul cu cel mai scazut cost (1) se ca element de baza si este comparat cu materialul care are costul imediat superior (2) Comparatia se face determinand cresterea indicelui de performanta (ΔP=P2-P1) si a costului ldquoprdquo pe unitatea de volum (Δpρ=p2ρ2-p1ρ1)
Daca ΔPΔpρlt1 materialul 1 corespunde mai bine decat materialul 2 pentru aplicatia data si materialul 2 va fi eliminatDaca ΔPΔpρgt1 materialul 1 va fi eliminat deoarece materialul 2 corespunde mai bine cerintelor aplicatieiSe continua compararea cu al treilea material si rand pe rand vor fi eliminate materialele mai putin corespunzatoare ajungand la materialul optim
62
EXEMPLU DE SELECTIE A MATERIALELOR
Tema Realizarea piesesei din figura dintr-un otel ldquoOL37rdquo intr-o serie mare de fabricatie-Este o piesa cilindrica cu dimensiunile date-Are un butuc-Prezinta o gaura lunga si de diametre mic
oslash200oslash50
150oslash20
Se poate realiza din bara rotunda prin strunjire
Se poate realiza din bara rotunda prin forjare
80
Coeficientul de utilizare a materialului 055
Coeficientul de utilizare a materialului 098
63
Diametrul mm Inaltime mm Volum mm3 Volum mm3Coeficientul de
utilizare a materialului
Semif Pornire 200 150 4710000 4710000
Strunjire
200 80 2512000
2602275 055=5550 35 137375
20 150 47100
Forjare
200 80 25120002649375
098=9850 35 137375
20 150 47100 2602275
Coeficientul de utilizare a materialului K=greutatea piesei finitegreutatea materialului utilizat pentru realizarea lui (a semifabricatului de pornire)
In calcul s-a lucrat cu volumul materialului deoarece G=VρAdaosuriele de prelucrare s-u luat ca fiind egaleApare un mult mai bun grad de utilizare a materialului pentr prelucrarea prin forjare
PIESA SE VA REALIZA PRIN FORJARE
64
1
2
3
5
6
4
9
8
F
107F
1-semimatrita superioara2-semimatrita inferioara3-cavitatea semimatritei sup4-cavitatea semimatritei inf5-canalul de bavura6-canalul de refulare7-prinderea semimatritei sup8-prinderea semimatritei inf9-elemente de ghidare (stifturi)10-planul de separare
TEMA Sa se stabileasca materialul optim pentru realizarea elementelor active ale matrtei de forjare din figura Se urmreste obtinerea piesei prin forjare la cald
CERINTE PENTRU PROIECTARE
Analiza schiteiFunctia Elemete (semimatrite) de matrita de deformare plasticaObiectiv Trebuie maximalizata tenacitatea (rezilienta)Constrangeri Dimensiunile cavitatii matritei (depind de marimea piesei) dimensiunile exterioare si sistemul de prindere (depind de utilaj temperatura de lucruVariabile libere material
65
Se cauta in sursele de informatii structurate si nestructurate materialele care respecta cerintele
Elemente de matrita
Rezistente la cald
Tenacitate Duritate
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Materialele potrivite sunt metalele si aliajele lor
-Materialele ceramice nu au tenacitate-Materialele polimerice nu au rezistenta la cald-Materialele compozite sunt scumpe si nu au tenacitate
Depinde de compozitia lor
Se cauta materiale cu destinatie precisa Materiale pentru scule de deformare
66
Din baza de date se constata ca urmatoarele materiale satisfac
cerintele rigide adica sa poata fi utilizate la prelucrarea la cald
Sunt materiale cu destinatie precisaDaca nu sunt materiale cu destinatie
precisa se cauta in grupa materialelor cu destinatie generala
Material Rm min MPa HV A5 KCU Jcm3
C120 890 265 8 60
VMoC120 870 265 8 68
VC06 870 230 6 68
VCW85 870 265 6 80
MoCN15 830 250 7 75
VMoCN17 870 265 7 73
VSCW20 790 235 5 78
OSC7 640 195 12 56
OSC8 640 195 10 58
67
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU Jcm3 βKCU Indicele de
performanta PC120 890 265 8 60 101450
VMoC120 870 265 8 68 100650
VC06 870 230 6 68 97400
VCW85 870 265 6 80 101750
MoCN15 830 250 7 75 96750
VMoCN17 870 265 7 73 101100
VSCW20 790 235 5 78 92400
OSC7 640 195 12 56 74950
OSC8 640 195 10 58 75050Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza peoprietatii
68
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU
Jcm3 βKCU Indicele de performanta P
C120 890 100 265 10000 8 6667 60 75 25017000
VMoC120 870 9775 265 10000 8 6667 68 85 2835015356
VC06 870 9775 230 8679 6 5000 68 85 2126563155
VCW85 870 9775 265 10000 6 5000 80 100 2501682022
MoCN15 830 9326 250 9434 7 5833 75 9375 2735970124
VMoCN17 870 9775 265 10000 7 5833 73 9125 2663140356
VSCW20 790 8876 235 8868 5 4167 78 975 2032758226
OSC7 640 7191 195 7358 12 10000 56 70 3501237545
OSC8 640 7191 195 7358 10 8333 58 725 3022070878Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza proprietatii relative
69
Material Indicele de performanta P
VSCW20 2032758226
VC06 2126563155
VCW85 2501682022
C120 25017000
VMoCN17 2663140356
MoCN15 2735970124
VMoC120 2835015356
OSC8 3022070878
OSC7 3501237545
Material Indicele de performanta P
OSC7 74950
OSC8 75050
VSCW20 92400
MoCN15 96750
VC06 97400
VMoC120 100650
VMoCN17 101100
C120 101450
VCW85 101750
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile proprietatii materialului
ordonate crescator
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile relative ale proprietatii materialului ordonate crescator
70
Luand in considerare ca unele materiale sunt aliate cu siguranta acestea sunt mai scumpe
Daca luam in considerare costul unitar pentru otelurile carbon de scule iar densitatea de 785 (corespunzatoare fierului) se obtine indicele de merit
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
OSC7 74950 1 95477707 114
OSC8 75050 1 956050955 114
VSCW20 92400 14 840764331 100
MoCN15 96750 14 880345769 105
VC06 97400 12 103397028 123
VMoC120 100650 13 986281235 117
VMoCN17 101100 14 919927207 109
C120 101450 15 861571125 102
VCW85 101750 14 925841674 110
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea proprietatii materialului
71
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
VSCW20 2032758226 14 184964352 100
VC06 2126563155 12 225749804 122
VCW85 2501682022 14 227632577 123
C120 25017000 15 212458599 115
VMoCN17 2663140356 14 242323963 131
MoCN15 2735970124 14 248950876 135
VMoC120 2835015356 13 277806502 150
OSC8 3022070878 1 384977182 208
OSC7 3501237545 1 446017522 241
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea relativa a proprietatii materialului
72
Selectati materialele potrivite pentru piesele din imagine
Randul I 1 Serie mare de fabricatie-6p Randul II Serie mica (unicat) de fabricatie-6p
Randul I 2 Criterii de selectie a materialelor-1p3 Etapele selectiei materialelor ndash 1p4 Economicitatea piesei ndash 1p5 Strategii de selectie a materialelor ndash 1p
Randul II 2 Tipuri de date utilizate la selectia materialelor-1p3 Cum se face minimalizarea costurilor-1p4 Perofmantele piesei in functionare ndash 1p5 Care sunt cerintele fata de material ndash 1p
SUBIECTE EXAMEN
73
Date privind principalele proprietati tehnologice ale unor materiale
Material
Valorile proprietatii
Aschiabilitate Turnabilitate Sudabilitate Cost
F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba $tona
Otel de constructii (OL) X X X 140
Otel carbon de calitate (OLC) X X X
260
Fonte obisnuite (Fc) X X X 160
Punctaje 60 30 10 60 30 10 60 30 10
Avand in vedere ca pretul creste odata cu rezistenta la tractiune calculati costul fiecarui material prin inmultirea costului de baza cu valoarea proprietatii si impartiti la 100
74
Materiale ce pot fi luate in considerare spre analiza
Material Rm HV A Material Rm HV A Material Rm HV A
OL30 310 95 32 OLC8 324 140 33 Fc100 100 105 2
OL32 310 93 33 OLC10 321 150 31 Fc150 150 145 3
OL34 330 105 31 OLC15 373 155 27 Fc200 200 180 4
OL37 360 112 25 OLC20 410 165 25 Fc250 250 190 4
OL42 410 130 22 OLC25 450 175 24 Fc300 300 210 5
OL44 430 135 22 OLC30 490 180 21 Fc350 350 220 6
OL50 500 160 21 OLC35 530 195 21 Fc400 400 240 6
OL52 510 160 21 OLC40 570 200 19
OL60 590 185 16 OLC45 610 220 18
OL70 690 215 11 OLC50 640 230 16
OLC55 670 240 14
OLC60 700 255 14
Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50
Proprietatea tehnilogica intra cu o pondere de 100
VA UREZ SUCCES
17
ASPECTE ECONOMICE ALE MATERIALELOR
Materialul influenteaza costul total al produselor
Costul materialului are cea mai mare pondere din costul total (30-70)
Prelucrabilitatea
Determina- nivelul de
productivitate- investitiile de capital- manopera necesara
obtinerii formei finale
ATENTIE Alegerea unui material ieftin nu este intotdeauna o solutie corespunzatoare daca prelucrarea lui este dificila si costisitoare
Dimensiunile materiilor prime (semifabricatelor pot determina formarea unei cantitati mari de deseuri si implicit costul final
Posibilitatea reciclarii deseurilor ndash element important la selectia materialelor ndash indeosebi la materialele scumpe
18
Clasificarea materialelor pe baza costurilor
Materialele ingineresti
Materiale de larga utilizare
Materiale speciale
- ieftine- produse in cantitati mari
- substantial mai scumpe- elaborate pentru satisfacerea
unor cerinte deosebite
ATENTIE Compararea materialelor din punc de vedere a costurilor este dificila deoarece la unele materiale costul este dat in raport cu greutatea la altele in raport cu volumul la altele in raport cu suprafata etc
Compararea materialelor se face in raport cu costul relativ
19
Comparatia materialelor pe baza costului relativ al unitatii de
greutate
Comparatia materialelor pe baza costului relativ al unitatii de
volum
Comparatia materialelor pe baza costului relativ al unitatii de volum
raportat la rezistenta de rupere
20
Comparatia materialelor pe baza costului relativ al unitatii de volum
raportat la rezistenta de rupere specifica la tractiune
21
Concluzii
Din punct de vedere al costului relativ la unitatea de greutate utilizarea otelului este cea mai avantajoasa
Cel mai mare consum mondial
Materialele polimerice si aluminiu tind sa se apropie de costurile otelului
Din punct de vedere al costului relativ la unitatea de volum costurile materialelor polimerice se apropie de cele ale otelurilor unele fiind mai ieftine
Apare o plaja larga a costurilor materialelor ingineresti
Uneori materialele nu sunt utilizate la adevarata lor capacitate deoarece o cerinta importanta este rigiditatea Din acest punct de vedere betonul are cel mai mic cost
Sunt aplicatii la care se cere rezistenta ridicata si greutate redusa Se constata ca materialele polimerice si piesele turnate din magneziu apar mai ieftine decat otelurile
22
In cazul unui produs evaluarea valorii lui se
face prin
Evaluarea calitativa a proprietatilor materialului
Cel mai ieftin
Cel mai usor de procutat
Care sa aiba aceeasi
functionalitate
In cazul selectiei materialelor
Pentru aceeasi functionalitate
La cel mai scazut cost
Sa se selecteze cel mai ieftin material
Sa se selecteze un material mai scump dar
care va simplifica prelucrare (eventual
eliminarea unor etape)
23
Otelurile slab aliate cu continut ridicat de mangan si
continut scazut de Ni si Cr
Inlocuiesc otelurile scumpe continand cantitati mai mari de Ni Cr Mo (elemente scumpe)
Acoperirile metalice Inlocuiesc (in conditii mai putin
severe de coroziune) otelurile inoxidabile
Durificarea superficiala sau ecruisarea prin deformare
plastica
Mareste rezistenta la uzare si la oboseala a otelurilor carbon evitand utilizarea otelurilor aliate scumpe
Acoperiri de tipul alitarii cromarii aplicate otelurilor
carbon
Confera rezistenta la temperaturi moderate elimina finisarea
(costisitoare)
24
Coeficientul de utilizare a materialului
Minimalizarea costului materialelor
Printr-o proiectare care sa reduca cantitatea necesara de materiale scumpe
Alegerea procedeelor de prelucrare adecvate
Stabilirea formei semifabricatului care sa maximalizeze coeficientul de utilizare a
materialelor in fabricatie
Materiale ieftine
- Cumparate in cantitati mari- Cele care au dimensiuni mari
Cand fabricatia cere piese de mai multe dimensiuni se poate
cumpara stoc mare de semifabricate la dimensiunea
cea mai mare a pieselor
Reulta deseuri si costuri suplimentare de
manopera
Punctul de rentabilitate in aceasta privinta este greu de evaluat
25
Coeficientul de utilizare a materialelor pentru diferite procedee de prelucrare este dat in urmatorul tabel
Metoda de prelucrare Coeficientul de utilizare
1 Fara modificarea masei
Turnare 70
Deformare plastica 75
Agregate de pulberi 90
2 Cu micsorare de masa
Aschiere 60
Eroziune 90
3 Prin marire de masa
Depuneri prin sudare 80
Depuneri prin metalizare 90
26
Competitia in domeniul materialelor
Odata cu aparitia unor materiale noi si scaderea pretului celor existente apare o COMPETITIE INTRE MATERIALE
Intre otel si aluminiu la obtinerea cutiilor
de bauturi
Intre aluminiu si materiale polimerice
(armate) la constructia aeronavelor
Intre materiale polimerice si cupru
plumb fonta la instalatiile de apa
ProprietateaAliaj ZnAl4 turnat sub presiune
Polistiren ABS
Naylon 66
Policar-bonat
Polipr-opilena
Rezistenta la tractiune MNmm2 260 54 52 70 35
Rezistenta la tractiune prin soc (relativ) 79 1 33 36 16
Rezistenta la fluaj (exprimata ca modul de elasticitate aparent la 100 h MNmm2) 51100 1470 420 2030 308
Rezistenta la oboseala prin incovoiere la 107 cicluri MNmm2 644 154 14 7 182
Temperatura de stabilitate termica la 18 MNmm2 (oC) gt488 345 324 403 332
Modificarea rezistentei la tractiune dupa 500h de expunere in conditii atmosferice ()
+05 -8 +10 -11 -30
Densitatea (relativa) 667 105 114 12 09
Costul unitatii de greutate (relativ Zn=1) 1 21 374 42 14
Costul unitatii de volum raportat la rezistenta la tractiune (relativ) 1 21 37 30 16
Costul unitatii de volum raportat la rezistenta la fluaj (relativ) 1 117 183 19 30
Costul unitatii de volum raportat la rezistenta la tractiune prin soc (relativ) 1 27 15 16 09
Costul unitatii de volum raportat la rezistenta la oboseala (relativ) 1 09 18 34 04
In situatia in care piesa are un rol decorativ ndash materialul plastic este
important
27
Costul prelucrarii poate juca un rol important in procesul
selectiei
Alama mai ieftina pentru anumite piese decat otelul laminat deoarece se prelucreaza cu viteza mai mare
Costul alamei este mai mare decat a otelului
Aluminiul se prelucreaza mai usor si are greutate specifica mai mica
Poate inlocui fonta otelul si aliajele lui chiar
daca sunt mai ieftine
Materialele plastice se prelucreaza foarte usor si devin economice la
serie mare
Pot inlocui orice tip de material la diferite
aplicatii
Criteriul economic privind costul materialului nu este
concludent la selectarea materialului
Devine important COSTUL REPERULUI
28
Costul de baza al materialului
Cheltuieli de dezvoltaresi utilizare a
echipamentelor
Cheltuieli de prelucrareDeterminate de material de procedeu de forma
de precizie
COSTUL REPERULUI
Costurile reperului
29
Reper Comportare Costuri
Cheltuieli de intretineresi reparatii cu reperul
UtilizareCheltuieli de exploatare
Durabilitate
ECONOMICITATEA REPERULUI
Economicitatea reperului
30
CERINTE IMPUSE MATERIALULUIPIESE
Problema selectiei materialului este complexa
datorita
Varietatii materialelor ingineresti
Severitatii cerintelor functionale impuse
Cerinta diminuarii costurilor
Severitatii cerintelor functionale impuse
Prelucrarile la care este supus materialul
Geometria pieselor
Solicitarile la care este supus materialul
INFLUENTEAZA PROPRIETATILE MATERIALELOR
31
Comportarea materialului in produsul finit este sensibil diferita de cea a semifabricatului din care a fost obtinut
Comportarea materialului in piesa
(C)
Proprietatile materialului (M)
Influenta procedeului de prelucrare (P)
Forma piesei si fortele exterioare la care este
supusa (F)
Arata influenta directa a proprietatilor
semifabricatului a procedeului de prelucrare
a formei geometrice si a actiunii fortelor exterioare
asupra comportarii materialelor in piesa finita
Influenteaza direct comportarea
materialului in piesa
Este foarte important a se apela la criterii de proiectare adecvata
32
Influenta procedeului de prelucrare (P)
Prezenta muchiilor ascutite si a filetelor
Rugozitatea suprafetei
Afecteaza intr-o masura mai mare comportarea otelurilor de inalta rezistenta
decat a celor moi
Afecteaza intr-o masura mai mare comportarea materialelor la solicitari
variabile (oboseala) decat la solicitari statice
Interesul se focalizeaza preponderent pe performanta piesei in functionare si mai putin pe comportarea materialului in piesa
Comportarea materialului in piesa (proprietatile piesei)
Performantele piesei in functionare
Comportarea materialului in functionareConditiile de functionare
Factori care influenteaza
performantele piesei in functionare
33
CLASIFICAREA CERINTELOR IMPUSE MATERIALELOR
Cerintele impuse materialelor
Cerinte ldquorigiderdquo sau nenegociabile
Cerinte ldquonerigiderdquo ldquorelativerdquo sau
negociabile
Sunt cerintele care trebuie satisfacute obligatoriu de
material pentru a fi luate in considerare la selectie
bull Disponibilitatebull Prelucrabilitatebull Caracteristici minime
In anumite limite sunt supuse compromisului Pot fi comparate dpdv al importantei lor relative pentru o
aplicatie data in cadrul metodelor cantitative de selectie a materialelor
bull Proprietati mecanicebull Densitatebull Costul
In functie de tipul aplicatiei aceste cerinte isi pot schimba caracterul (din ldquonegociabilerdquo in ldquonenegociabile
Modificarea clasei de material selectate in final
34
EXEMPLE
Butelie de aragaz
Rezistenta Ductilitate Cost
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Rezistenta Ductilitate ρmic
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Butelii pentru gaze utilizate in aviatie
Costul este nenegociabil Oteluri pentru recipienti sub
presiune la temperaturi joase ndash R37 R44
Greutate cat mai mica (considerata nenegociabila) Materiale compozite (Kevlar 49-matrice epoxidica armata
cu fibre de poliamida)
35
MODALITATI DE ABORDARE A SELECTIEI MATERIALELOR SI PROCEDEELOR DE PRELUCRARE
Aparitia unor materiale noi si a competitiei intre materiale
Abordari noi in selectia materialelor si a procedeelor de prelucrare
Materialele plastice folosite la obtinerea pieselor complexe si de buna calitate inalta tehnologie
Materialele compozite au condus la reducerea substantiala a
greutatii produsului
Materiale sinterizate utilizate la obtinerea pieselor fara pierderi de material si consum de enetgie
scazut
Ingineria suprafetelor ofera posibilitati de modificare a
suprafetelor si coferirea unor proprietati deosebite
Cu toate aceste proiectantii se limiteaza la selectia
materialelor si procedeelor de prelucrare cunoscute mai bine
- Evitarea riscurilor- Nu este cunoscuta existenta unor noi materiale- Nu sunt cunoscute noile tehnologii de fabricatie etc
Proiectarea industriala trebuie asociata cu design-ul realizarea unei forme estetice obtinerea unui aspect exterior
placut
Design-ul industrial include mai mult decat o stilizare
Alegerea materialului permite un anumit design sau altul
36
La selectarea functiunii produsului (comportarea lui in exploatare-C) a materialelor (M) a
procedeelor de prelucrare (P) a formei (F) trebuie sa se tina seama ca acestea se intrepatrund (trebuie
sa tin seama in acelasi timp de ele)
Dificil Pot fi urmate diferite
succesiuni
Succesiunea CFMP prezinta urmatoarea
ordine de luare in considerare
-functionalitatea produsului (C)-forma piesei-materialul piesei-procedeul de prelucrare
Pot exista diferite succesiuni
Conduce la solutii diferite
Cadrul face conexiunea intre roti
saua bicicletei pedale ghidon
EXEMPLU Succesiunea CFMP
Functionalitatea si forma sunt aceleasi
Teava de aluminiu
Sudare
Succesiunea CFPM
Functionalitatea si forma sunt aceleasi
Sudare Teava de otel-se sudeaza mai bine
Succesiunea CMPF
Functionalitatea este aceeasi
Ca material se poate alege unul compozit
Sudare lipire
Forma aceeasi sau nu
Succesiunea CPMF
Poate fi aleasa presarea unui material superplastic
Alegerea ca material aluminiul
Forma S asimetrica plata
37
Pe baza functiunilor impuse produsului proiectantul schiteaza o serie de solutii tinand seama
de-materialele ce pot fi folosite-procedeele de fabricatie ce pot fi aplicate-formele potrivite ca functionalitate si design
Fiecare combinatie materialprocedeu de prelucrare conduce la diferite forme
Pot fi generate un numar
diferit de forme
Este o abordare CPMF sau CMPF
38
STRATEGII DE SELECTIE A MATERIALELOR
O strategie de selectie are doua componente
Formularea marimi prin care sa se evaluare un set de cerinte impuse materialului
Un procedeu de evaluare a marimii cerintelor prin care sa
se poata face ierarhizarea acestora in functie de masura in
care acestea sunt indeplinite
Strategiile cauta cai de implementare a procesului si anume de a converti un set de date ldquode intrarerdquo (cerintele proiectarii)
intr-un set de date ldquode iesirerdquo- alegerea materialului si a procedeului de prelucrare
39
Cerintele proiectarii
Materiale si procedee de prelucrare selectate
Strategii de selectie
Date initiale Functie de transfer Date finale
Strategia 1 Cautare libera implicand analiza rationala
Strategia 2 Bazata pe chestionare Este o selectie prin expertiza
Strategia 3 Analogie bazata pe cazuri anterioare
Posibila inovatie
Ofera solutii cunoscute
Ofera solutii similare cu situatia prezenta
Ofera mare libertate de selectie dar putina ghidare in proces
Ofera multa ghidare in proces dar putina libertate de selectie
Ofera idei ale solutiilor anterioare pentru probleme similare
40
SELECTIA LIBERA BAZATA PE ANALIZA RATIONALA
Este rapida si eficienta
Ofera o mare libertate pentru aplicatii
Ofera solutii noi si inovative
Avantaje
Are nevoie de date de intrare precis detaliate intr-o forma ce pot fi analizate prin metode ingineresti
standard
EXEMPLU
Gasiti un material pentru o bara de lungime L care sa
suporte o forta F la temperatura T si sa fie cat mai usoara
Cerinte pentru proiectare
ANALIZA SCHITEIFunctia Ce trebuie sa faca piesaObiective Ce trebuie maximalizat sau minimalizatConstrangeri Ce conditii esentiale trebuie sa fie indepliniteVariabile libere Care variabile ale proiectului sunt libere (cerinte nerigide)
41
Functia Ce trebuie sa faca piesa
Obiective Ce trebuie maximalizat sau minimalizat
Variabile libere Care variabile ale proiectului sunt libere (cerinte nerigide)
De a rezista la momente de incovoiere trebuie sa suporta incarcatura pentru care a fost proiectata fara a se deforma
Constrangeri Ce conditii esentiale trebuie sa fie indeplinite
Lungimea L data Tigiditatea S data Sa reziste si sa nu se deformeze la temperatura T
Trebuie minimalizata greutate
Aria sectiunii Costul
Procesul de selectie a avea 3 pasi
Filtrarea Se folseste de constrangeri pentru inlaturarea materialelor care nu indeplinesc cerintele
IerarhizareaSe folseste de marimea performantelor materialelor ramase in discutie pentru a le ordona
Documentarea
Analizeaza informatiile nestructurate le structureaza si le introduce in structura ierarhizata realizand o fisa cu informatii care ajuta selectia finala a materialului
42
Ierarhizarea se face parcurgand mai multe faze
Identificarea unuia sau a mai multor indici de performanta corespunzatori functiei obiectivului si constrangerilor
Indicele de performanta permite optimizarea selectiei
Pentru identificarea acestor indici se parcurg urmatoarele etape
Transpunerea intr-o relatie a obiectivului (entitatea) ce trebuie minimalizata sau maximalizata
Analiza grupului de proprietati (indicele de performanta) care maximalizeaza obiectivul
Eliminarea din aceasta relatie a variabilelor libere utilizand constrangerile (ex valoarea impusa rigiditatii a incarcarii limita a unui moment a presiunii a temperaturii de lucru sau al tenacitatii
43
EXEMPLU
TEMAGasiti un material pentru o bara de lungime L care sa
suporte o forta F la temperatura T si sa fie cat mai usoara
b
b
Lδ
F
Sageata
Sectiunea
CERINTELE PROIECTARIIFunctia Bara incarcata la incovoiereObiectiv Minimalizarea greutatiiConstrangeri Lungimea L data Rigiditatea S data Temperatura de exploatare T data (500deg)Variabile libere Aria sectiunii A Materialul de selectat
Se alege masa ldquomrdquo ca indice de performanta (trebuie sa fie minimalizat)
Masa barei este
Constrangerea privind rigiditatea va determina aria sectiunii ASageata unei bare simplu rezemata (forta actionand la mijloc) este data de relatia
44
unde E-modulul de elasticitate al materialului barei I-momentul de inertie al sectiunii grinzii
CL-reprezinta o constanta ce depinde de modul de distributie a fortei F (CL=48)
Rigiditatea barei este data de relatia
Din aceasta ultima relatie rezulta aria sectiunii A
Prin substitutia acestei relatii in relatia de determinare a masei grinzii se obtine indicele de performanta m
Valorile S L CL sunt date de proiect
Cea mai usoara bara este acea realizata dintr-un material care are cea mai mare valoare pentru
raport numit si ldquoindice de materialrdquo
Functia Incarcarea ConstrangeriIndici de
performantaRelatia
indicelui
Structuri de masa minima
Tija
BaraStatica
Rigiditate
Tractiune Eρ
Compresiune Eρ
Incovoiere E12ρ
Torsiune E12ρ
Rezistenta
Tractiune σrρ
Compresiune σcρ
Incovoiere σr23ρ
Torsiune σc23ρ
Dinamica
Panou
45
Exista mai multi indici de performanta fiecare realizand o combinatie dintre obiectiv si constrangere
46
47
48
METODE CANTITATIVE DE SELECTIE A MATERIALELOR CANDIDATE
Materialele candidat sunt materialele care satisfac cerintele cuprinse in matricea de cerinte rezultate dinbull Cerintele functionalebull Siguranta in functionarebull Functionarea in conditii ambientale de exploatarebull Cerintele de prelucrabilitatebull Economicitatea piesei
Care din aceste materiale vor fi luate in considerare la realizarea piesei
Evaluarea materialelor candidat
Evaluarea presupune compararea materialelor candidat care indeplinesc cerintele negociabile cu caracteristicile efective ale materialului in vederea selectarii celui optim pentru o aplicatie data
49
Evaluarea materialelor candidat
Este mai simpla pentru metodele cantitative de evaluare
Trebuie sa tina seama de anumite avantaje (usurinta procurarii materialului distanta pana la furnizor seriozitatea furnizarii constanta in calitatea produselor etc) care pot introduce anumite limitari determinand anumite compromisuri
In cele mai multe cazuri metodele cantitative de selectie conduc la materialul optim pentru o aplicatie
Metodele cantitative pot fi reluate odata cu schimbarea importantei relative a cerintelor negociabile
ATENTIE Cerintele nenegociabile trebuie satisfacute in totalitate si intocmai
Daca niciun material nu satisfac cerintele negociabile atunci fie ca acestea trebuie relaxate fie se impune reproiectarea produsului
50
Selectia este o operatie complexa
Numar mare de materiale cu o plaja larga de proprietati
Daca se face intamplator
Apare riscul de a omite anumite materiale candidate
Reducerea riscului prin adoptarea unei metode sistematice de selectie a materialelor
Metodele cantitative
Permitbull analiza unui numar ridicat de datebull a multor specificatii implicate in selectia materialelorbull pot fi adaptate pentru o selectie asistata de calculator
dintr-o baza de date
Metodele nu elimina capacitatea de analiza si experienta ingineruluiAceste metode sprijina inginerul in alegerea optima
51
METODA COSTULUI RAPORTAT LA UNITATEA DE PROPRIETATE
Economicitatea piesei
Costul initial al materialului
Costul prelucrarii si montarii
Costul functionarii si intretinerii
Unele dintre aceste costuri cresc odata cu cresterea
valorii proprietatilor altele scad
Proprietatea (Rm)
Costul piesei
Alte costuri
Costul total
Cos
tul
Cost minim
Odata cu cresterea rezistentei- Prelucrare mai dificila- Greutatea pe piesa scade- Durabilitatea in exploatare
creste si deci numarul de piese in utilizate in timp mai mic
Costul total este suma costului piesei si a celorlalte costuri
52
Valoarea optima a proprietatii (aici Rm) apare la costul minim
In piata costul materialului este legat de greutatea sau volumul (dupa caz) materialului
Se poate stabili o comparatie a materialelor intre proprietatile relative (proprietatea raportata la
greutatea specifica) De exemplu rezistenta rigiditatea modul de elasticitate etc
Criteriul esential este costul raportat la unitatea de rezistenta la tractiune
C=pρσ
C- costul asigurarii unei rezistente de 1 MPap- costul unitatii de proprietate a materialului
ρ- densitatea materialului
σr- rezistenta la tractiune
Cu cat valoarea lui ldquoCrdquo este mai mica cu atat materialul
este mai economic
53
Relatii asemanatoare pot fi obtinute si pentru alte proprietati cum ar fi- limita la curgere- modulul de elastuicitate- factorul de intensitate a tensiunii etc
Costul unitatii de proprietate pentru diferite moduri de solicitare
54
Compararea materialelor privind aceste costuri este esentiala
Se compara materialele intre ele
Este dificilSe ia un material de referinta
Costul relativ pe unitatea de proprietate a materialului candidat ldquoirdquo raportat la costul relativ pe unitatea de proprietate a materialului de referinta ldquobrdquo este dat de relatia
Daca CR este subunitar materialul candidat este mai ieftin decat materialul de referinta
Materialul de referinta este eliminat si materialul candidat se ia ca material de referinta pentru urmatoarea comparatie
Daca CR este supra unitar materialul candidat este mai scump decat materialul de referinta
Materialul de referinta se ia ca material de comparatie pentru urmatoarea analiza
55
METODA PONDERARII PROPRIETATILOR
Este o metoda pentru rezolvarea unor solutii mai comlexe de materiale materiale si proprietati
Fiecarei proprietati a materialului i se acorda o pondere rdquoαrdquo
Ponderea este proportionala cu importanta relativa a proprietatii pentru performanta in exploatare a materialului pentru aplicatia data
Ponderea proprietatii este egala cu produsul dintre valoarea numerica a proprietatii materialului ldquoprdquo si ponderea ei ldquoαrdquo
γ=pα
Insumand toate aceste produse pentru un material se obtine un indice de performanta ldquoPrdquo al materialului
Aceasta metoda ia in considerare toate proprietatile materialului
Comparand mai multe materiale prin indicele de performanta se poate gasi cel mai performant material pentru o aplicatie
56
Dezavantajul acestei metode consta in faptul ca in cazul unei proprietati care are o valoare ridicata aceasta v-a avea o influenta mai mare asupra indicelui de performanta decat ponderea ei
Exemplu Un material A care are Rm=370 MPa si o duritate de 350 HRB si un alt material B care are Rm=400 MPa si o duritate de 300 HRBStabilind ponderea proprietatii de 100 pentru rezistenta si 90 pentru duritate se obtine un indice de performanta de 68500 pentru material ul A si 67000 pentru materialul B
Inseamna ca impotriva importantei rezistentei la tractiune (ca fiind primul criteriu de selectie) si care este mai mare pentru materialul B indicele de performanta al materialului A este mai mare si deci acest material v-a fi selectat
La evaluarea materialelor candidat se va lucra cu valori relative ldquoβrdquo ale unei anumite proprietati celei mai mari valori a proprietatii atribuindu-se valoarea 100 iar celelalte valori relative se determina cu relatia
57
Pentru proprietatile materialelor care nu se exprima in mod obisnuit prin valori numerice (rezistenta la uzare sudabilitatea aschiabilitatea diferite proprietati tehnologice etc) evaluarea se poate face relativ la una dintre proprietati astfel
Astfel fiecarei proprietati I se acorda o importanta egalasi ea va influenta indicii de performanta ai materialelor doar comparate doar in masura ponderii acordate
Pentru proprietati ale caror valori se doreste a fi cat mai mici (densitatea pierderea de greutate prin coroziune etc) evaluarea se face printr-un raport invers
ProprietateaMateriale alternative
A B C D
Sudabilitatea Foarte buna Buna Buna Satisfacatoare
Evaluarea relativa 5 3 3 1
Valoarea scalata 100 60 60 20
58
Exemplu In ceea ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru rezistenta la tractiune a materialului A este de 925 Pentru al doilea material aceasta valoare este de 100 In ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru duritate aceasta este de 100 pentru materialul A si de 857 pentru materialul B
Acest lucru poate schimba situatia ierarhica a materialelor sau le poate apropia atat de mult indicele de performanta incat sa se puna problema luari in considerare si a altor elemente pentru selectie
Astfel indicele de performanta a materialului este dat de relatia
unde P reprezinta indicele de performanta a materialuluildquoirdquo este suma celor ldquonrdquo proprietati considerate a materialul ui
59
Ponderea α poate fi considerata ca αilt1 astfel incat
(cazul cel mai frecvent) sau ei I se poate aloca o plaja de valori valoarea cea mai mare
corespunzand proprietatii cu cea mai mare importanta
Costul materialului poate fi considerat ca o proprietate (chiar importanta) acordandui-se o pondere ldquoαrdquo
In cazul luarii in considerare a unui numar mare de proprietati costul poate fi considerat un factor de corectie al indicelui de performanta a materialului rezultand indicele de merit al acestuia
in care ldquoprdquo reprezinta costul unitatii de greutate a materialului
60
Cand se doreste compararea mai multor materiale candidat (i) cu unul de baza (de referinta) se calculeaza indicele relativ de merit al fiecarui material astfel
Daca RMgt1 respectivul material candidat ldquoirdquo corespunde mai bine cerintelor decat materialul de referinta ldquobrdquoIn cazul in care Mb reprezinta minimul cerintelor impuse Materialele candidat avand RMlt1 pot fi eliminate de la inceput ca fiind necorespunzatoare
Cand trebuie luate in considerare mai multe proprietati ale materialului pentru evaluarea indicelui de performanta este dificila evaluarea ponderii acestora Rezolvarea aceste probleme poate fi realizata printr-o evaluare prin programe numerice
61
METODA CRESTERII INCREMENTALE
In anumite situatii pot aparea mai multe materiale care indeplinesc cerintele minime impuse de o anumita aplicatie
Dupa analiza acestor materiale se poate presupune ca performantele pieselor prelucrate sunt proportionale cu indicii de performanta ldquoPrdquo In acelasi timp costul piesei variaza proportional cu costul materialului si al prelucrarii acestora
Daca se doreste selectarea piesei care are cea mai mare performanta la cea mai rezonabila crestere a costului se poate face o analiza beneficiu-cost Procedeul se ia indeosebi cand se doreste inlocuirea unui material utilizat deja in fabricatie
Materialul cu cel mai scazut cost (1) se ca element de baza si este comparat cu materialul care are costul imediat superior (2) Comparatia se face determinand cresterea indicelui de performanta (ΔP=P2-P1) si a costului ldquoprdquo pe unitatea de volum (Δpρ=p2ρ2-p1ρ1)
Daca ΔPΔpρlt1 materialul 1 corespunde mai bine decat materialul 2 pentru aplicatia data si materialul 2 va fi eliminatDaca ΔPΔpρgt1 materialul 1 va fi eliminat deoarece materialul 2 corespunde mai bine cerintelor aplicatieiSe continua compararea cu al treilea material si rand pe rand vor fi eliminate materialele mai putin corespunzatoare ajungand la materialul optim
62
EXEMPLU DE SELECTIE A MATERIALELOR
Tema Realizarea piesesei din figura dintr-un otel ldquoOL37rdquo intr-o serie mare de fabricatie-Este o piesa cilindrica cu dimensiunile date-Are un butuc-Prezinta o gaura lunga si de diametre mic
oslash200oslash50
150oslash20
Se poate realiza din bara rotunda prin strunjire
Se poate realiza din bara rotunda prin forjare
80
Coeficientul de utilizare a materialului 055
Coeficientul de utilizare a materialului 098
63
Diametrul mm Inaltime mm Volum mm3 Volum mm3Coeficientul de
utilizare a materialului
Semif Pornire 200 150 4710000 4710000
Strunjire
200 80 2512000
2602275 055=5550 35 137375
20 150 47100
Forjare
200 80 25120002649375
098=9850 35 137375
20 150 47100 2602275
Coeficientul de utilizare a materialului K=greutatea piesei finitegreutatea materialului utilizat pentru realizarea lui (a semifabricatului de pornire)
In calcul s-a lucrat cu volumul materialului deoarece G=VρAdaosuriele de prelucrare s-u luat ca fiind egaleApare un mult mai bun grad de utilizare a materialului pentr prelucrarea prin forjare
PIESA SE VA REALIZA PRIN FORJARE
64
1
2
3
5
6
4
9
8
F
107F
1-semimatrita superioara2-semimatrita inferioara3-cavitatea semimatritei sup4-cavitatea semimatritei inf5-canalul de bavura6-canalul de refulare7-prinderea semimatritei sup8-prinderea semimatritei inf9-elemente de ghidare (stifturi)10-planul de separare
TEMA Sa se stabileasca materialul optim pentru realizarea elementelor active ale matrtei de forjare din figura Se urmreste obtinerea piesei prin forjare la cald
CERINTE PENTRU PROIECTARE
Analiza schiteiFunctia Elemete (semimatrite) de matrita de deformare plasticaObiectiv Trebuie maximalizata tenacitatea (rezilienta)Constrangeri Dimensiunile cavitatii matritei (depind de marimea piesei) dimensiunile exterioare si sistemul de prindere (depind de utilaj temperatura de lucruVariabile libere material
65
Se cauta in sursele de informatii structurate si nestructurate materialele care respecta cerintele
Elemente de matrita
Rezistente la cald
Tenacitate Duritate
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Materialele potrivite sunt metalele si aliajele lor
-Materialele ceramice nu au tenacitate-Materialele polimerice nu au rezistenta la cald-Materialele compozite sunt scumpe si nu au tenacitate
Depinde de compozitia lor
Se cauta materiale cu destinatie precisa Materiale pentru scule de deformare
66
Din baza de date se constata ca urmatoarele materiale satisfac
cerintele rigide adica sa poata fi utilizate la prelucrarea la cald
Sunt materiale cu destinatie precisaDaca nu sunt materiale cu destinatie
precisa se cauta in grupa materialelor cu destinatie generala
Material Rm min MPa HV A5 KCU Jcm3
C120 890 265 8 60
VMoC120 870 265 8 68
VC06 870 230 6 68
VCW85 870 265 6 80
MoCN15 830 250 7 75
VMoCN17 870 265 7 73
VSCW20 790 235 5 78
OSC7 640 195 12 56
OSC8 640 195 10 58
67
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU Jcm3 βKCU Indicele de
performanta PC120 890 265 8 60 101450
VMoC120 870 265 8 68 100650
VC06 870 230 6 68 97400
VCW85 870 265 6 80 101750
MoCN15 830 250 7 75 96750
VMoCN17 870 265 7 73 101100
VSCW20 790 235 5 78 92400
OSC7 640 195 12 56 74950
OSC8 640 195 10 58 75050Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza peoprietatii
68
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU
Jcm3 βKCU Indicele de performanta P
C120 890 100 265 10000 8 6667 60 75 25017000
VMoC120 870 9775 265 10000 8 6667 68 85 2835015356
VC06 870 9775 230 8679 6 5000 68 85 2126563155
VCW85 870 9775 265 10000 6 5000 80 100 2501682022
MoCN15 830 9326 250 9434 7 5833 75 9375 2735970124
VMoCN17 870 9775 265 10000 7 5833 73 9125 2663140356
VSCW20 790 8876 235 8868 5 4167 78 975 2032758226
OSC7 640 7191 195 7358 12 10000 56 70 3501237545
OSC8 640 7191 195 7358 10 8333 58 725 3022070878Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza proprietatii relative
69
Material Indicele de performanta P
VSCW20 2032758226
VC06 2126563155
VCW85 2501682022
C120 25017000
VMoCN17 2663140356
MoCN15 2735970124
VMoC120 2835015356
OSC8 3022070878
OSC7 3501237545
Material Indicele de performanta P
OSC7 74950
OSC8 75050
VSCW20 92400
MoCN15 96750
VC06 97400
VMoC120 100650
VMoCN17 101100
C120 101450
VCW85 101750
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile proprietatii materialului
ordonate crescator
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile relative ale proprietatii materialului ordonate crescator
70
Luand in considerare ca unele materiale sunt aliate cu siguranta acestea sunt mai scumpe
Daca luam in considerare costul unitar pentru otelurile carbon de scule iar densitatea de 785 (corespunzatoare fierului) se obtine indicele de merit
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
OSC7 74950 1 95477707 114
OSC8 75050 1 956050955 114
VSCW20 92400 14 840764331 100
MoCN15 96750 14 880345769 105
VC06 97400 12 103397028 123
VMoC120 100650 13 986281235 117
VMoCN17 101100 14 919927207 109
C120 101450 15 861571125 102
VCW85 101750 14 925841674 110
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea proprietatii materialului
71
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
VSCW20 2032758226 14 184964352 100
VC06 2126563155 12 225749804 122
VCW85 2501682022 14 227632577 123
C120 25017000 15 212458599 115
VMoCN17 2663140356 14 242323963 131
MoCN15 2735970124 14 248950876 135
VMoC120 2835015356 13 277806502 150
OSC8 3022070878 1 384977182 208
OSC7 3501237545 1 446017522 241
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea relativa a proprietatii materialului
72
Selectati materialele potrivite pentru piesele din imagine
Randul I 1 Serie mare de fabricatie-6p Randul II Serie mica (unicat) de fabricatie-6p
Randul I 2 Criterii de selectie a materialelor-1p3 Etapele selectiei materialelor ndash 1p4 Economicitatea piesei ndash 1p5 Strategii de selectie a materialelor ndash 1p
Randul II 2 Tipuri de date utilizate la selectia materialelor-1p3 Cum se face minimalizarea costurilor-1p4 Perofmantele piesei in functionare ndash 1p5 Care sunt cerintele fata de material ndash 1p
SUBIECTE EXAMEN
73
Date privind principalele proprietati tehnologice ale unor materiale
Material
Valorile proprietatii
Aschiabilitate Turnabilitate Sudabilitate Cost
F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba $tona
Otel de constructii (OL) X X X 140
Otel carbon de calitate (OLC) X X X
260
Fonte obisnuite (Fc) X X X 160
Punctaje 60 30 10 60 30 10 60 30 10
Avand in vedere ca pretul creste odata cu rezistenta la tractiune calculati costul fiecarui material prin inmultirea costului de baza cu valoarea proprietatii si impartiti la 100
74
Materiale ce pot fi luate in considerare spre analiza
Material Rm HV A Material Rm HV A Material Rm HV A
OL30 310 95 32 OLC8 324 140 33 Fc100 100 105 2
OL32 310 93 33 OLC10 321 150 31 Fc150 150 145 3
OL34 330 105 31 OLC15 373 155 27 Fc200 200 180 4
OL37 360 112 25 OLC20 410 165 25 Fc250 250 190 4
OL42 410 130 22 OLC25 450 175 24 Fc300 300 210 5
OL44 430 135 22 OLC30 490 180 21 Fc350 350 220 6
OL50 500 160 21 OLC35 530 195 21 Fc400 400 240 6
OL52 510 160 21 OLC40 570 200 19
OL60 590 185 16 OLC45 610 220 18
OL70 690 215 11 OLC50 640 230 16
OLC55 670 240 14
OLC60 700 255 14
Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50
Proprietatea tehnilogica intra cu o pondere de 100
VA UREZ SUCCES
18
Clasificarea materialelor pe baza costurilor
Materialele ingineresti
Materiale de larga utilizare
Materiale speciale
- ieftine- produse in cantitati mari
- substantial mai scumpe- elaborate pentru satisfacerea
unor cerinte deosebite
ATENTIE Compararea materialelor din punc de vedere a costurilor este dificila deoarece la unele materiale costul este dat in raport cu greutatea la altele in raport cu volumul la altele in raport cu suprafata etc
Compararea materialelor se face in raport cu costul relativ
19
Comparatia materialelor pe baza costului relativ al unitatii de
greutate
Comparatia materialelor pe baza costului relativ al unitatii de
volum
Comparatia materialelor pe baza costului relativ al unitatii de volum
raportat la rezistenta de rupere
20
Comparatia materialelor pe baza costului relativ al unitatii de volum
raportat la rezistenta de rupere specifica la tractiune
21
Concluzii
Din punct de vedere al costului relativ la unitatea de greutate utilizarea otelului este cea mai avantajoasa
Cel mai mare consum mondial
Materialele polimerice si aluminiu tind sa se apropie de costurile otelului
Din punct de vedere al costului relativ la unitatea de volum costurile materialelor polimerice se apropie de cele ale otelurilor unele fiind mai ieftine
Apare o plaja larga a costurilor materialelor ingineresti
Uneori materialele nu sunt utilizate la adevarata lor capacitate deoarece o cerinta importanta este rigiditatea Din acest punct de vedere betonul are cel mai mic cost
Sunt aplicatii la care se cere rezistenta ridicata si greutate redusa Se constata ca materialele polimerice si piesele turnate din magneziu apar mai ieftine decat otelurile
22
In cazul unui produs evaluarea valorii lui se
face prin
Evaluarea calitativa a proprietatilor materialului
Cel mai ieftin
Cel mai usor de procutat
Care sa aiba aceeasi
functionalitate
In cazul selectiei materialelor
Pentru aceeasi functionalitate
La cel mai scazut cost
Sa se selecteze cel mai ieftin material
Sa se selecteze un material mai scump dar
care va simplifica prelucrare (eventual
eliminarea unor etape)
23
Otelurile slab aliate cu continut ridicat de mangan si
continut scazut de Ni si Cr
Inlocuiesc otelurile scumpe continand cantitati mai mari de Ni Cr Mo (elemente scumpe)
Acoperirile metalice Inlocuiesc (in conditii mai putin
severe de coroziune) otelurile inoxidabile
Durificarea superficiala sau ecruisarea prin deformare
plastica
Mareste rezistenta la uzare si la oboseala a otelurilor carbon evitand utilizarea otelurilor aliate scumpe
Acoperiri de tipul alitarii cromarii aplicate otelurilor
carbon
Confera rezistenta la temperaturi moderate elimina finisarea
(costisitoare)
24
Coeficientul de utilizare a materialului
Minimalizarea costului materialelor
Printr-o proiectare care sa reduca cantitatea necesara de materiale scumpe
Alegerea procedeelor de prelucrare adecvate
Stabilirea formei semifabricatului care sa maximalizeze coeficientul de utilizare a
materialelor in fabricatie
Materiale ieftine
- Cumparate in cantitati mari- Cele care au dimensiuni mari
Cand fabricatia cere piese de mai multe dimensiuni se poate
cumpara stoc mare de semifabricate la dimensiunea
cea mai mare a pieselor
Reulta deseuri si costuri suplimentare de
manopera
Punctul de rentabilitate in aceasta privinta este greu de evaluat
25
Coeficientul de utilizare a materialelor pentru diferite procedee de prelucrare este dat in urmatorul tabel
Metoda de prelucrare Coeficientul de utilizare
1 Fara modificarea masei
Turnare 70
Deformare plastica 75
Agregate de pulberi 90
2 Cu micsorare de masa
Aschiere 60
Eroziune 90
3 Prin marire de masa
Depuneri prin sudare 80
Depuneri prin metalizare 90
26
Competitia in domeniul materialelor
Odata cu aparitia unor materiale noi si scaderea pretului celor existente apare o COMPETITIE INTRE MATERIALE
Intre otel si aluminiu la obtinerea cutiilor
de bauturi
Intre aluminiu si materiale polimerice
(armate) la constructia aeronavelor
Intre materiale polimerice si cupru
plumb fonta la instalatiile de apa
ProprietateaAliaj ZnAl4 turnat sub presiune
Polistiren ABS
Naylon 66
Policar-bonat
Polipr-opilena
Rezistenta la tractiune MNmm2 260 54 52 70 35
Rezistenta la tractiune prin soc (relativ) 79 1 33 36 16
Rezistenta la fluaj (exprimata ca modul de elasticitate aparent la 100 h MNmm2) 51100 1470 420 2030 308
Rezistenta la oboseala prin incovoiere la 107 cicluri MNmm2 644 154 14 7 182
Temperatura de stabilitate termica la 18 MNmm2 (oC) gt488 345 324 403 332
Modificarea rezistentei la tractiune dupa 500h de expunere in conditii atmosferice ()
+05 -8 +10 -11 -30
Densitatea (relativa) 667 105 114 12 09
Costul unitatii de greutate (relativ Zn=1) 1 21 374 42 14
Costul unitatii de volum raportat la rezistenta la tractiune (relativ) 1 21 37 30 16
Costul unitatii de volum raportat la rezistenta la fluaj (relativ) 1 117 183 19 30
Costul unitatii de volum raportat la rezistenta la tractiune prin soc (relativ) 1 27 15 16 09
Costul unitatii de volum raportat la rezistenta la oboseala (relativ) 1 09 18 34 04
In situatia in care piesa are un rol decorativ ndash materialul plastic este
important
27
Costul prelucrarii poate juca un rol important in procesul
selectiei
Alama mai ieftina pentru anumite piese decat otelul laminat deoarece se prelucreaza cu viteza mai mare
Costul alamei este mai mare decat a otelului
Aluminiul se prelucreaza mai usor si are greutate specifica mai mica
Poate inlocui fonta otelul si aliajele lui chiar
daca sunt mai ieftine
Materialele plastice se prelucreaza foarte usor si devin economice la
serie mare
Pot inlocui orice tip de material la diferite
aplicatii
Criteriul economic privind costul materialului nu este
concludent la selectarea materialului
Devine important COSTUL REPERULUI
28
Costul de baza al materialului
Cheltuieli de dezvoltaresi utilizare a
echipamentelor
Cheltuieli de prelucrareDeterminate de material de procedeu de forma
de precizie
COSTUL REPERULUI
Costurile reperului
29
Reper Comportare Costuri
Cheltuieli de intretineresi reparatii cu reperul
UtilizareCheltuieli de exploatare
Durabilitate
ECONOMICITATEA REPERULUI
Economicitatea reperului
30
CERINTE IMPUSE MATERIALULUIPIESE
Problema selectiei materialului este complexa
datorita
Varietatii materialelor ingineresti
Severitatii cerintelor functionale impuse
Cerinta diminuarii costurilor
Severitatii cerintelor functionale impuse
Prelucrarile la care este supus materialul
Geometria pieselor
Solicitarile la care este supus materialul
INFLUENTEAZA PROPRIETATILE MATERIALELOR
31
Comportarea materialului in produsul finit este sensibil diferita de cea a semifabricatului din care a fost obtinut
Comportarea materialului in piesa
(C)
Proprietatile materialului (M)
Influenta procedeului de prelucrare (P)
Forma piesei si fortele exterioare la care este
supusa (F)
Arata influenta directa a proprietatilor
semifabricatului a procedeului de prelucrare
a formei geometrice si a actiunii fortelor exterioare
asupra comportarii materialelor in piesa finita
Influenteaza direct comportarea
materialului in piesa
Este foarte important a se apela la criterii de proiectare adecvata
32
Influenta procedeului de prelucrare (P)
Prezenta muchiilor ascutite si a filetelor
Rugozitatea suprafetei
Afecteaza intr-o masura mai mare comportarea otelurilor de inalta rezistenta
decat a celor moi
Afecteaza intr-o masura mai mare comportarea materialelor la solicitari
variabile (oboseala) decat la solicitari statice
Interesul se focalizeaza preponderent pe performanta piesei in functionare si mai putin pe comportarea materialului in piesa
Comportarea materialului in piesa (proprietatile piesei)
Performantele piesei in functionare
Comportarea materialului in functionareConditiile de functionare
Factori care influenteaza
performantele piesei in functionare
33
CLASIFICAREA CERINTELOR IMPUSE MATERIALELOR
Cerintele impuse materialelor
Cerinte ldquorigiderdquo sau nenegociabile
Cerinte ldquonerigiderdquo ldquorelativerdquo sau
negociabile
Sunt cerintele care trebuie satisfacute obligatoriu de
material pentru a fi luate in considerare la selectie
bull Disponibilitatebull Prelucrabilitatebull Caracteristici minime
In anumite limite sunt supuse compromisului Pot fi comparate dpdv al importantei lor relative pentru o
aplicatie data in cadrul metodelor cantitative de selectie a materialelor
bull Proprietati mecanicebull Densitatebull Costul
In functie de tipul aplicatiei aceste cerinte isi pot schimba caracterul (din ldquonegociabilerdquo in ldquonenegociabile
Modificarea clasei de material selectate in final
34
EXEMPLE
Butelie de aragaz
Rezistenta Ductilitate Cost
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Rezistenta Ductilitate ρmic
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Butelii pentru gaze utilizate in aviatie
Costul este nenegociabil Oteluri pentru recipienti sub
presiune la temperaturi joase ndash R37 R44
Greutate cat mai mica (considerata nenegociabila) Materiale compozite (Kevlar 49-matrice epoxidica armata
cu fibre de poliamida)
35
MODALITATI DE ABORDARE A SELECTIEI MATERIALELOR SI PROCEDEELOR DE PRELUCRARE
Aparitia unor materiale noi si a competitiei intre materiale
Abordari noi in selectia materialelor si a procedeelor de prelucrare
Materialele plastice folosite la obtinerea pieselor complexe si de buna calitate inalta tehnologie
Materialele compozite au condus la reducerea substantiala a
greutatii produsului
Materiale sinterizate utilizate la obtinerea pieselor fara pierderi de material si consum de enetgie
scazut
Ingineria suprafetelor ofera posibilitati de modificare a
suprafetelor si coferirea unor proprietati deosebite
Cu toate aceste proiectantii se limiteaza la selectia
materialelor si procedeelor de prelucrare cunoscute mai bine
- Evitarea riscurilor- Nu este cunoscuta existenta unor noi materiale- Nu sunt cunoscute noile tehnologii de fabricatie etc
Proiectarea industriala trebuie asociata cu design-ul realizarea unei forme estetice obtinerea unui aspect exterior
placut
Design-ul industrial include mai mult decat o stilizare
Alegerea materialului permite un anumit design sau altul
36
La selectarea functiunii produsului (comportarea lui in exploatare-C) a materialelor (M) a
procedeelor de prelucrare (P) a formei (F) trebuie sa se tina seama ca acestea se intrepatrund (trebuie
sa tin seama in acelasi timp de ele)
Dificil Pot fi urmate diferite
succesiuni
Succesiunea CFMP prezinta urmatoarea
ordine de luare in considerare
-functionalitatea produsului (C)-forma piesei-materialul piesei-procedeul de prelucrare
Pot exista diferite succesiuni
Conduce la solutii diferite
Cadrul face conexiunea intre roti
saua bicicletei pedale ghidon
EXEMPLU Succesiunea CFMP
Functionalitatea si forma sunt aceleasi
Teava de aluminiu
Sudare
Succesiunea CFPM
Functionalitatea si forma sunt aceleasi
Sudare Teava de otel-se sudeaza mai bine
Succesiunea CMPF
Functionalitatea este aceeasi
Ca material se poate alege unul compozit
Sudare lipire
Forma aceeasi sau nu
Succesiunea CPMF
Poate fi aleasa presarea unui material superplastic
Alegerea ca material aluminiul
Forma S asimetrica plata
37
Pe baza functiunilor impuse produsului proiectantul schiteaza o serie de solutii tinand seama
de-materialele ce pot fi folosite-procedeele de fabricatie ce pot fi aplicate-formele potrivite ca functionalitate si design
Fiecare combinatie materialprocedeu de prelucrare conduce la diferite forme
Pot fi generate un numar
diferit de forme
Este o abordare CPMF sau CMPF
38
STRATEGII DE SELECTIE A MATERIALELOR
O strategie de selectie are doua componente
Formularea marimi prin care sa se evaluare un set de cerinte impuse materialului
Un procedeu de evaluare a marimii cerintelor prin care sa
se poata face ierarhizarea acestora in functie de masura in
care acestea sunt indeplinite
Strategiile cauta cai de implementare a procesului si anume de a converti un set de date ldquode intrarerdquo (cerintele proiectarii)
intr-un set de date ldquode iesirerdquo- alegerea materialului si a procedeului de prelucrare
39
Cerintele proiectarii
Materiale si procedee de prelucrare selectate
Strategii de selectie
Date initiale Functie de transfer Date finale
Strategia 1 Cautare libera implicand analiza rationala
Strategia 2 Bazata pe chestionare Este o selectie prin expertiza
Strategia 3 Analogie bazata pe cazuri anterioare
Posibila inovatie
Ofera solutii cunoscute
Ofera solutii similare cu situatia prezenta
Ofera mare libertate de selectie dar putina ghidare in proces
Ofera multa ghidare in proces dar putina libertate de selectie
Ofera idei ale solutiilor anterioare pentru probleme similare
40
SELECTIA LIBERA BAZATA PE ANALIZA RATIONALA
Este rapida si eficienta
Ofera o mare libertate pentru aplicatii
Ofera solutii noi si inovative
Avantaje
Are nevoie de date de intrare precis detaliate intr-o forma ce pot fi analizate prin metode ingineresti
standard
EXEMPLU
Gasiti un material pentru o bara de lungime L care sa
suporte o forta F la temperatura T si sa fie cat mai usoara
Cerinte pentru proiectare
ANALIZA SCHITEIFunctia Ce trebuie sa faca piesaObiective Ce trebuie maximalizat sau minimalizatConstrangeri Ce conditii esentiale trebuie sa fie indepliniteVariabile libere Care variabile ale proiectului sunt libere (cerinte nerigide)
41
Functia Ce trebuie sa faca piesa
Obiective Ce trebuie maximalizat sau minimalizat
Variabile libere Care variabile ale proiectului sunt libere (cerinte nerigide)
De a rezista la momente de incovoiere trebuie sa suporta incarcatura pentru care a fost proiectata fara a se deforma
Constrangeri Ce conditii esentiale trebuie sa fie indeplinite
Lungimea L data Tigiditatea S data Sa reziste si sa nu se deformeze la temperatura T
Trebuie minimalizata greutate
Aria sectiunii Costul
Procesul de selectie a avea 3 pasi
Filtrarea Se folseste de constrangeri pentru inlaturarea materialelor care nu indeplinesc cerintele
IerarhizareaSe folseste de marimea performantelor materialelor ramase in discutie pentru a le ordona
Documentarea
Analizeaza informatiile nestructurate le structureaza si le introduce in structura ierarhizata realizand o fisa cu informatii care ajuta selectia finala a materialului
42
Ierarhizarea se face parcurgand mai multe faze
Identificarea unuia sau a mai multor indici de performanta corespunzatori functiei obiectivului si constrangerilor
Indicele de performanta permite optimizarea selectiei
Pentru identificarea acestor indici se parcurg urmatoarele etape
Transpunerea intr-o relatie a obiectivului (entitatea) ce trebuie minimalizata sau maximalizata
Analiza grupului de proprietati (indicele de performanta) care maximalizeaza obiectivul
Eliminarea din aceasta relatie a variabilelor libere utilizand constrangerile (ex valoarea impusa rigiditatii a incarcarii limita a unui moment a presiunii a temperaturii de lucru sau al tenacitatii
43
EXEMPLU
TEMAGasiti un material pentru o bara de lungime L care sa
suporte o forta F la temperatura T si sa fie cat mai usoara
b
b
Lδ
F
Sageata
Sectiunea
CERINTELE PROIECTARIIFunctia Bara incarcata la incovoiereObiectiv Minimalizarea greutatiiConstrangeri Lungimea L data Rigiditatea S data Temperatura de exploatare T data (500deg)Variabile libere Aria sectiunii A Materialul de selectat
Se alege masa ldquomrdquo ca indice de performanta (trebuie sa fie minimalizat)
Masa barei este
Constrangerea privind rigiditatea va determina aria sectiunii ASageata unei bare simplu rezemata (forta actionand la mijloc) este data de relatia
44
unde E-modulul de elasticitate al materialului barei I-momentul de inertie al sectiunii grinzii
CL-reprezinta o constanta ce depinde de modul de distributie a fortei F (CL=48)
Rigiditatea barei este data de relatia
Din aceasta ultima relatie rezulta aria sectiunii A
Prin substitutia acestei relatii in relatia de determinare a masei grinzii se obtine indicele de performanta m
Valorile S L CL sunt date de proiect
Cea mai usoara bara este acea realizata dintr-un material care are cea mai mare valoare pentru
raport numit si ldquoindice de materialrdquo
Functia Incarcarea ConstrangeriIndici de
performantaRelatia
indicelui
Structuri de masa minima
Tija
BaraStatica
Rigiditate
Tractiune Eρ
Compresiune Eρ
Incovoiere E12ρ
Torsiune E12ρ
Rezistenta
Tractiune σrρ
Compresiune σcρ
Incovoiere σr23ρ
Torsiune σc23ρ
Dinamica
Panou
45
Exista mai multi indici de performanta fiecare realizand o combinatie dintre obiectiv si constrangere
46
47
48
METODE CANTITATIVE DE SELECTIE A MATERIALELOR CANDIDATE
Materialele candidat sunt materialele care satisfac cerintele cuprinse in matricea de cerinte rezultate dinbull Cerintele functionalebull Siguranta in functionarebull Functionarea in conditii ambientale de exploatarebull Cerintele de prelucrabilitatebull Economicitatea piesei
Care din aceste materiale vor fi luate in considerare la realizarea piesei
Evaluarea materialelor candidat
Evaluarea presupune compararea materialelor candidat care indeplinesc cerintele negociabile cu caracteristicile efective ale materialului in vederea selectarii celui optim pentru o aplicatie data
49
Evaluarea materialelor candidat
Este mai simpla pentru metodele cantitative de evaluare
Trebuie sa tina seama de anumite avantaje (usurinta procurarii materialului distanta pana la furnizor seriozitatea furnizarii constanta in calitatea produselor etc) care pot introduce anumite limitari determinand anumite compromisuri
In cele mai multe cazuri metodele cantitative de selectie conduc la materialul optim pentru o aplicatie
Metodele cantitative pot fi reluate odata cu schimbarea importantei relative a cerintelor negociabile
ATENTIE Cerintele nenegociabile trebuie satisfacute in totalitate si intocmai
Daca niciun material nu satisfac cerintele negociabile atunci fie ca acestea trebuie relaxate fie se impune reproiectarea produsului
50
Selectia este o operatie complexa
Numar mare de materiale cu o plaja larga de proprietati
Daca se face intamplator
Apare riscul de a omite anumite materiale candidate
Reducerea riscului prin adoptarea unei metode sistematice de selectie a materialelor
Metodele cantitative
Permitbull analiza unui numar ridicat de datebull a multor specificatii implicate in selectia materialelorbull pot fi adaptate pentru o selectie asistata de calculator
dintr-o baza de date
Metodele nu elimina capacitatea de analiza si experienta ingineruluiAceste metode sprijina inginerul in alegerea optima
51
METODA COSTULUI RAPORTAT LA UNITATEA DE PROPRIETATE
Economicitatea piesei
Costul initial al materialului
Costul prelucrarii si montarii
Costul functionarii si intretinerii
Unele dintre aceste costuri cresc odata cu cresterea
valorii proprietatilor altele scad
Proprietatea (Rm)
Costul piesei
Alte costuri
Costul total
Cos
tul
Cost minim
Odata cu cresterea rezistentei- Prelucrare mai dificila- Greutatea pe piesa scade- Durabilitatea in exploatare
creste si deci numarul de piese in utilizate in timp mai mic
Costul total este suma costului piesei si a celorlalte costuri
52
Valoarea optima a proprietatii (aici Rm) apare la costul minim
In piata costul materialului este legat de greutatea sau volumul (dupa caz) materialului
Se poate stabili o comparatie a materialelor intre proprietatile relative (proprietatea raportata la
greutatea specifica) De exemplu rezistenta rigiditatea modul de elasticitate etc
Criteriul esential este costul raportat la unitatea de rezistenta la tractiune
C=pρσ
C- costul asigurarii unei rezistente de 1 MPap- costul unitatii de proprietate a materialului
ρ- densitatea materialului
σr- rezistenta la tractiune
Cu cat valoarea lui ldquoCrdquo este mai mica cu atat materialul
este mai economic
53
Relatii asemanatoare pot fi obtinute si pentru alte proprietati cum ar fi- limita la curgere- modulul de elastuicitate- factorul de intensitate a tensiunii etc
Costul unitatii de proprietate pentru diferite moduri de solicitare
54
Compararea materialelor privind aceste costuri este esentiala
Se compara materialele intre ele
Este dificilSe ia un material de referinta
Costul relativ pe unitatea de proprietate a materialului candidat ldquoirdquo raportat la costul relativ pe unitatea de proprietate a materialului de referinta ldquobrdquo este dat de relatia
Daca CR este subunitar materialul candidat este mai ieftin decat materialul de referinta
Materialul de referinta este eliminat si materialul candidat se ia ca material de referinta pentru urmatoarea comparatie
Daca CR este supra unitar materialul candidat este mai scump decat materialul de referinta
Materialul de referinta se ia ca material de comparatie pentru urmatoarea analiza
55
METODA PONDERARII PROPRIETATILOR
Este o metoda pentru rezolvarea unor solutii mai comlexe de materiale materiale si proprietati
Fiecarei proprietati a materialului i se acorda o pondere rdquoαrdquo
Ponderea este proportionala cu importanta relativa a proprietatii pentru performanta in exploatare a materialului pentru aplicatia data
Ponderea proprietatii este egala cu produsul dintre valoarea numerica a proprietatii materialului ldquoprdquo si ponderea ei ldquoαrdquo
γ=pα
Insumand toate aceste produse pentru un material se obtine un indice de performanta ldquoPrdquo al materialului
Aceasta metoda ia in considerare toate proprietatile materialului
Comparand mai multe materiale prin indicele de performanta se poate gasi cel mai performant material pentru o aplicatie
56
Dezavantajul acestei metode consta in faptul ca in cazul unei proprietati care are o valoare ridicata aceasta v-a avea o influenta mai mare asupra indicelui de performanta decat ponderea ei
Exemplu Un material A care are Rm=370 MPa si o duritate de 350 HRB si un alt material B care are Rm=400 MPa si o duritate de 300 HRBStabilind ponderea proprietatii de 100 pentru rezistenta si 90 pentru duritate se obtine un indice de performanta de 68500 pentru material ul A si 67000 pentru materialul B
Inseamna ca impotriva importantei rezistentei la tractiune (ca fiind primul criteriu de selectie) si care este mai mare pentru materialul B indicele de performanta al materialului A este mai mare si deci acest material v-a fi selectat
La evaluarea materialelor candidat se va lucra cu valori relative ldquoβrdquo ale unei anumite proprietati celei mai mari valori a proprietatii atribuindu-se valoarea 100 iar celelalte valori relative se determina cu relatia
57
Pentru proprietatile materialelor care nu se exprima in mod obisnuit prin valori numerice (rezistenta la uzare sudabilitatea aschiabilitatea diferite proprietati tehnologice etc) evaluarea se poate face relativ la una dintre proprietati astfel
Astfel fiecarei proprietati I se acorda o importanta egalasi ea va influenta indicii de performanta ai materialelor doar comparate doar in masura ponderii acordate
Pentru proprietati ale caror valori se doreste a fi cat mai mici (densitatea pierderea de greutate prin coroziune etc) evaluarea se face printr-un raport invers
ProprietateaMateriale alternative
A B C D
Sudabilitatea Foarte buna Buna Buna Satisfacatoare
Evaluarea relativa 5 3 3 1
Valoarea scalata 100 60 60 20
58
Exemplu In ceea ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru rezistenta la tractiune a materialului A este de 925 Pentru al doilea material aceasta valoare este de 100 In ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru duritate aceasta este de 100 pentru materialul A si de 857 pentru materialul B
Acest lucru poate schimba situatia ierarhica a materialelor sau le poate apropia atat de mult indicele de performanta incat sa se puna problema luari in considerare si a altor elemente pentru selectie
Astfel indicele de performanta a materialului este dat de relatia
unde P reprezinta indicele de performanta a materialuluildquoirdquo este suma celor ldquonrdquo proprietati considerate a materialul ui
59
Ponderea α poate fi considerata ca αilt1 astfel incat
(cazul cel mai frecvent) sau ei I se poate aloca o plaja de valori valoarea cea mai mare
corespunzand proprietatii cu cea mai mare importanta
Costul materialului poate fi considerat ca o proprietate (chiar importanta) acordandui-se o pondere ldquoαrdquo
In cazul luarii in considerare a unui numar mare de proprietati costul poate fi considerat un factor de corectie al indicelui de performanta a materialului rezultand indicele de merit al acestuia
in care ldquoprdquo reprezinta costul unitatii de greutate a materialului
60
Cand se doreste compararea mai multor materiale candidat (i) cu unul de baza (de referinta) se calculeaza indicele relativ de merit al fiecarui material astfel
Daca RMgt1 respectivul material candidat ldquoirdquo corespunde mai bine cerintelor decat materialul de referinta ldquobrdquoIn cazul in care Mb reprezinta minimul cerintelor impuse Materialele candidat avand RMlt1 pot fi eliminate de la inceput ca fiind necorespunzatoare
Cand trebuie luate in considerare mai multe proprietati ale materialului pentru evaluarea indicelui de performanta este dificila evaluarea ponderii acestora Rezolvarea aceste probleme poate fi realizata printr-o evaluare prin programe numerice
61
METODA CRESTERII INCREMENTALE
In anumite situatii pot aparea mai multe materiale care indeplinesc cerintele minime impuse de o anumita aplicatie
Dupa analiza acestor materiale se poate presupune ca performantele pieselor prelucrate sunt proportionale cu indicii de performanta ldquoPrdquo In acelasi timp costul piesei variaza proportional cu costul materialului si al prelucrarii acestora
Daca se doreste selectarea piesei care are cea mai mare performanta la cea mai rezonabila crestere a costului se poate face o analiza beneficiu-cost Procedeul se ia indeosebi cand se doreste inlocuirea unui material utilizat deja in fabricatie
Materialul cu cel mai scazut cost (1) se ca element de baza si este comparat cu materialul care are costul imediat superior (2) Comparatia se face determinand cresterea indicelui de performanta (ΔP=P2-P1) si a costului ldquoprdquo pe unitatea de volum (Δpρ=p2ρ2-p1ρ1)
Daca ΔPΔpρlt1 materialul 1 corespunde mai bine decat materialul 2 pentru aplicatia data si materialul 2 va fi eliminatDaca ΔPΔpρgt1 materialul 1 va fi eliminat deoarece materialul 2 corespunde mai bine cerintelor aplicatieiSe continua compararea cu al treilea material si rand pe rand vor fi eliminate materialele mai putin corespunzatoare ajungand la materialul optim
62
EXEMPLU DE SELECTIE A MATERIALELOR
Tema Realizarea piesesei din figura dintr-un otel ldquoOL37rdquo intr-o serie mare de fabricatie-Este o piesa cilindrica cu dimensiunile date-Are un butuc-Prezinta o gaura lunga si de diametre mic
oslash200oslash50
150oslash20
Se poate realiza din bara rotunda prin strunjire
Se poate realiza din bara rotunda prin forjare
80
Coeficientul de utilizare a materialului 055
Coeficientul de utilizare a materialului 098
63
Diametrul mm Inaltime mm Volum mm3 Volum mm3Coeficientul de
utilizare a materialului
Semif Pornire 200 150 4710000 4710000
Strunjire
200 80 2512000
2602275 055=5550 35 137375
20 150 47100
Forjare
200 80 25120002649375
098=9850 35 137375
20 150 47100 2602275
Coeficientul de utilizare a materialului K=greutatea piesei finitegreutatea materialului utilizat pentru realizarea lui (a semifabricatului de pornire)
In calcul s-a lucrat cu volumul materialului deoarece G=VρAdaosuriele de prelucrare s-u luat ca fiind egaleApare un mult mai bun grad de utilizare a materialului pentr prelucrarea prin forjare
PIESA SE VA REALIZA PRIN FORJARE
64
1
2
3
5
6
4
9
8
F
107F
1-semimatrita superioara2-semimatrita inferioara3-cavitatea semimatritei sup4-cavitatea semimatritei inf5-canalul de bavura6-canalul de refulare7-prinderea semimatritei sup8-prinderea semimatritei inf9-elemente de ghidare (stifturi)10-planul de separare
TEMA Sa se stabileasca materialul optim pentru realizarea elementelor active ale matrtei de forjare din figura Se urmreste obtinerea piesei prin forjare la cald
CERINTE PENTRU PROIECTARE
Analiza schiteiFunctia Elemete (semimatrite) de matrita de deformare plasticaObiectiv Trebuie maximalizata tenacitatea (rezilienta)Constrangeri Dimensiunile cavitatii matritei (depind de marimea piesei) dimensiunile exterioare si sistemul de prindere (depind de utilaj temperatura de lucruVariabile libere material
65
Se cauta in sursele de informatii structurate si nestructurate materialele care respecta cerintele
Elemente de matrita
Rezistente la cald
Tenacitate Duritate
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Materialele potrivite sunt metalele si aliajele lor
-Materialele ceramice nu au tenacitate-Materialele polimerice nu au rezistenta la cald-Materialele compozite sunt scumpe si nu au tenacitate
Depinde de compozitia lor
Se cauta materiale cu destinatie precisa Materiale pentru scule de deformare
66
Din baza de date se constata ca urmatoarele materiale satisfac
cerintele rigide adica sa poata fi utilizate la prelucrarea la cald
Sunt materiale cu destinatie precisaDaca nu sunt materiale cu destinatie
precisa se cauta in grupa materialelor cu destinatie generala
Material Rm min MPa HV A5 KCU Jcm3
C120 890 265 8 60
VMoC120 870 265 8 68
VC06 870 230 6 68
VCW85 870 265 6 80
MoCN15 830 250 7 75
VMoCN17 870 265 7 73
VSCW20 790 235 5 78
OSC7 640 195 12 56
OSC8 640 195 10 58
67
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU Jcm3 βKCU Indicele de
performanta PC120 890 265 8 60 101450
VMoC120 870 265 8 68 100650
VC06 870 230 6 68 97400
VCW85 870 265 6 80 101750
MoCN15 830 250 7 75 96750
VMoCN17 870 265 7 73 101100
VSCW20 790 235 5 78 92400
OSC7 640 195 12 56 74950
OSC8 640 195 10 58 75050Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza peoprietatii
68
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU
Jcm3 βKCU Indicele de performanta P
C120 890 100 265 10000 8 6667 60 75 25017000
VMoC120 870 9775 265 10000 8 6667 68 85 2835015356
VC06 870 9775 230 8679 6 5000 68 85 2126563155
VCW85 870 9775 265 10000 6 5000 80 100 2501682022
MoCN15 830 9326 250 9434 7 5833 75 9375 2735970124
VMoCN17 870 9775 265 10000 7 5833 73 9125 2663140356
VSCW20 790 8876 235 8868 5 4167 78 975 2032758226
OSC7 640 7191 195 7358 12 10000 56 70 3501237545
OSC8 640 7191 195 7358 10 8333 58 725 3022070878Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza proprietatii relative
69
Material Indicele de performanta P
VSCW20 2032758226
VC06 2126563155
VCW85 2501682022
C120 25017000
VMoCN17 2663140356
MoCN15 2735970124
VMoC120 2835015356
OSC8 3022070878
OSC7 3501237545
Material Indicele de performanta P
OSC7 74950
OSC8 75050
VSCW20 92400
MoCN15 96750
VC06 97400
VMoC120 100650
VMoCN17 101100
C120 101450
VCW85 101750
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile proprietatii materialului
ordonate crescator
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile relative ale proprietatii materialului ordonate crescator
70
Luand in considerare ca unele materiale sunt aliate cu siguranta acestea sunt mai scumpe
Daca luam in considerare costul unitar pentru otelurile carbon de scule iar densitatea de 785 (corespunzatoare fierului) se obtine indicele de merit
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
OSC7 74950 1 95477707 114
OSC8 75050 1 956050955 114
VSCW20 92400 14 840764331 100
MoCN15 96750 14 880345769 105
VC06 97400 12 103397028 123
VMoC120 100650 13 986281235 117
VMoCN17 101100 14 919927207 109
C120 101450 15 861571125 102
VCW85 101750 14 925841674 110
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea proprietatii materialului
71
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
VSCW20 2032758226 14 184964352 100
VC06 2126563155 12 225749804 122
VCW85 2501682022 14 227632577 123
C120 25017000 15 212458599 115
VMoCN17 2663140356 14 242323963 131
MoCN15 2735970124 14 248950876 135
VMoC120 2835015356 13 277806502 150
OSC8 3022070878 1 384977182 208
OSC7 3501237545 1 446017522 241
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea relativa a proprietatii materialului
72
Selectati materialele potrivite pentru piesele din imagine
Randul I 1 Serie mare de fabricatie-6p Randul II Serie mica (unicat) de fabricatie-6p
Randul I 2 Criterii de selectie a materialelor-1p3 Etapele selectiei materialelor ndash 1p4 Economicitatea piesei ndash 1p5 Strategii de selectie a materialelor ndash 1p
Randul II 2 Tipuri de date utilizate la selectia materialelor-1p3 Cum se face minimalizarea costurilor-1p4 Perofmantele piesei in functionare ndash 1p5 Care sunt cerintele fata de material ndash 1p
SUBIECTE EXAMEN
73
Date privind principalele proprietati tehnologice ale unor materiale
Material
Valorile proprietatii
Aschiabilitate Turnabilitate Sudabilitate Cost
F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba $tona
Otel de constructii (OL) X X X 140
Otel carbon de calitate (OLC) X X X
260
Fonte obisnuite (Fc) X X X 160
Punctaje 60 30 10 60 30 10 60 30 10
Avand in vedere ca pretul creste odata cu rezistenta la tractiune calculati costul fiecarui material prin inmultirea costului de baza cu valoarea proprietatii si impartiti la 100
74
Materiale ce pot fi luate in considerare spre analiza
Material Rm HV A Material Rm HV A Material Rm HV A
OL30 310 95 32 OLC8 324 140 33 Fc100 100 105 2
OL32 310 93 33 OLC10 321 150 31 Fc150 150 145 3
OL34 330 105 31 OLC15 373 155 27 Fc200 200 180 4
OL37 360 112 25 OLC20 410 165 25 Fc250 250 190 4
OL42 410 130 22 OLC25 450 175 24 Fc300 300 210 5
OL44 430 135 22 OLC30 490 180 21 Fc350 350 220 6
OL50 500 160 21 OLC35 530 195 21 Fc400 400 240 6
OL52 510 160 21 OLC40 570 200 19
OL60 590 185 16 OLC45 610 220 18
OL70 690 215 11 OLC50 640 230 16
OLC55 670 240 14
OLC60 700 255 14
Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50
Proprietatea tehnilogica intra cu o pondere de 100
VA UREZ SUCCES
19
Comparatia materialelor pe baza costului relativ al unitatii de
greutate
Comparatia materialelor pe baza costului relativ al unitatii de
volum
Comparatia materialelor pe baza costului relativ al unitatii de volum
raportat la rezistenta de rupere
20
Comparatia materialelor pe baza costului relativ al unitatii de volum
raportat la rezistenta de rupere specifica la tractiune
21
Concluzii
Din punct de vedere al costului relativ la unitatea de greutate utilizarea otelului este cea mai avantajoasa
Cel mai mare consum mondial
Materialele polimerice si aluminiu tind sa se apropie de costurile otelului
Din punct de vedere al costului relativ la unitatea de volum costurile materialelor polimerice se apropie de cele ale otelurilor unele fiind mai ieftine
Apare o plaja larga a costurilor materialelor ingineresti
Uneori materialele nu sunt utilizate la adevarata lor capacitate deoarece o cerinta importanta este rigiditatea Din acest punct de vedere betonul are cel mai mic cost
Sunt aplicatii la care se cere rezistenta ridicata si greutate redusa Se constata ca materialele polimerice si piesele turnate din magneziu apar mai ieftine decat otelurile
22
In cazul unui produs evaluarea valorii lui se
face prin
Evaluarea calitativa a proprietatilor materialului
Cel mai ieftin
Cel mai usor de procutat
Care sa aiba aceeasi
functionalitate
In cazul selectiei materialelor
Pentru aceeasi functionalitate
La cel mai scazut cost
Sa se selecteze cel mai ieftin material
Sa se selecteze un material mai scump dar
care va simplifica prelucrare (eventual
eliminarea unor etape)
23
Otelurile slab aliate cu continut ridicat de mangan si
continut scazut de Ni si Cr
Inlocuiesc otelurile scumpe continand cantitati mai mari de Ni Cr Mo (elemente scumpe)
Acoperirile metalice Inlocuiesc (in conditii mai putin
severe de coroziune) otelurile inoxidabile
Durificarea superficiala sau ecruisarea prin deformare
plastica
Mareste rezistenta la uzare si la oboseala a otelurilor carbon evitand utilizarea otelurilor aliate scumpe
Acoperiri de tipul alitarii cromarii aplicate otelurilor
carbon
Confera rezistenta la temperaturi moderate elimina finisarea
(costisitoare)
24
Coeficientul de utilizare a materialului
Minimalizarea costului materialelor
Printr-o proiectare care sa reduca cantitatea necesara de materiale scumpe
Alegerea procedeelor de prelucrare adecvate
Stabilirea formei semifabricatului care sa maximalizeze coeficientul de utilizare a
materialelor in fabricatie
Materiale ieftine
- Cumparate in cantitati mari- Cele care au dimensiuni mari
Cand fabricatia cere piese de mai multe dimensiuni se poate
cumpara stoc mare de semifabricate la dimensiunea
cea mai mare a pieselor
Reulta deseuri si costuri suplimentare de
manopera
Punctul de rentabilitate in aceasta privinta este greu de evaluat
25
Coeficientul de utilizare a materialelor pentru diferite procedee de prelucrare este dat in urmatorul tabel
Metoda de prelucrare Coeficientul de utilizare
1 Fara modificarea masei
Turnare 70
Deformare plastica 75
Agregate de pulberi 90
2 Cu micsorare de masa
Aschiere 60
Eroziune 90
3 Prin marire de masa
Depuneri prin sudare 80
Depuneri prin metalizare 90
26
Competitia in domeniul materialelor
Odata cu aparitia unor materiale noi si scaderea pretului celor existente apare o COMPETITIE INTRE MATERIALE
Intre otel si aluminiu la obtinerea cutiilor
de bauturi
Intre aluminiu si materiale polimerice
(armate) la constructia aeronavelor
Intre materiale polimerice si cupru
plumb fonta la instalatiile de apa
ProprietateaAliaj ZnAl4 turnat sub presiune
Polistiren ABS
Naylon 66
Policar-bonat
Polipr-opilena
Rezistenta la tractiune MNmm2 260 54 52 70 35
Rezistenta la tractiune prin soc (relativ) 79 1 33 36 16
Rezistenta la fluaj (exprimata ca modul de elasticitate aparent la 100 h MNmm2) 51100 1470 420 2030 308
Rezistenta la oboseala prin incovoiere la 107 cicluri MNmm2 644 154 14 7 182
Temperatura de stabilitate termica la 18 MNmm2 (oC) gt488 345 324 403 332
Modificarea rezistentei la tractiune dupa 500h de expunere in conditii atmosferice ()
+05 -8 +10 -11 -30
Densitatea (relativa) 667 105 114 12 09
Costul unitatii de greutate (relativ Zn=1) 1 21 374 42 14
Costul unitatii de volum raportat la rezistenta la tractiune (relativ) 1 21 37 30 16
Costul unitatii de volum raportat la rezistenta la fluaj (relativ) 1 117 183 19 30
Costul unitatii de volum raportat la rezistenta la tractiune prin soc (relativ) 1 27 15 16 09
Costul unitatii de volum raportat la rezistenta la oboseala (relativ) 1 09 18 34 04
In situatia in care piesa are un rol decorativ ndash materialul plastic este
important
27
Costul prelucrarii poate juca un rol important in procesul
selectiei
Alama mai ieftina pentru anumite piese decat otelul laminat deoarece se prelucreaza cu viteza mai mare
Costul alamei este mai mare decat a otelului
Aluminiul se prelucreaza mai usor si are greutate specifica mai mica
Poate inlocui fonta otelul si aliajele lui chiar
daca sunt mai ieftine
Materialele plastice se prelucreaza foarte usor si devin economice la
serie mare
Pot inlocui orice tip de material la diferite
aplicatii
Criteriul economic privind costul materialului nu este
concludent la selectarea materialului
Devine important COSTUL REPERULUI
28
Costul de baza al materialului
Cheltuieli de dezvoltaresi utilizare a
echipamentelor
Cheltuieli de prelucrareDeterminate de material de procedeu de forma
de precizie
COSTUL REPERULUI
Costurile reperului
29
Reper Comportare Costuri
Cheltuieli de intretineresi reparatii cu reperul
UtilizareCheltuieli de exploatare
Durabilitate
ECONOMICITATEA REPERULUI
Economicitatea reperului
30
CERINTE IMPUSE MATERIALULUIPIESE
Problema selectiei materialului este complexa
datorita
Varietatii materialelor ingineresti
Severitatii cerintelor functionale impuse
Cerinta diminuarii costurilor
Severitatii cerintelor functionale impuse
Prelucrarile la care este supus materialul
Geometria pieselor
Solicitarile la care este supus materialul
INFLUENTEAZA PROPRIETATILE MATERIALELOR
31
Comportarea materialului in produsul finit este sensibil diferita de cea a semifabricatului din care a fost obtinut
Comportarea materialului in piesa
(C)
Proprietatile materialului (M)
Influenta procedeului de prelucrare (P)
Forma piesei si fortele exterioare la care este
supusa (F)
Arata influenta directa a proprietatilor
semifabricatului a procedeului de prelucrare
a formei geometrice si a actiunii fortelor exterioare
asupra comportarii materialelor in piesa finita
Influenteaza direct comportarea
materialului in piesa
Este foarte important a se apela la criterii de proiectare adecvata
32
Influenta procedeului de prelucrare (P)
Prezenta muchiilor ascutite si a filetelor
Rugozitatea suprafetei
Afecteaza intr-o masura mai mare comportarea otelurilor de inalta rezistenta
decat a celor moi
Afecteaza intr-o masura mai mare comportarea materialelor la solicitari
variabile (oboseala) decat la solicitari statice
Interesul se focalizeaza preponderent pe performanta piesei in functionare si mai putin pe comportarea materialului in piesa
Comportarea materialului in piesa (proprietatile piesei)
Performantele piesei in functionare
Comportarea materialului in functionareConditiile de functionare
Factori care influenteaza
performantele piesei in functionare
33
CLASIFICAREA CERINTELOR IMPUSE MATERIALELOR
Cerintele impuse materialelor
Cerinte ldquorigiderdquo sau nenegociabile
Cerinte ldquonerigiderdquo ldquorelativerdquo sau
negociabile
Sunt cerintele care trebuie satisfacute obligatoriu de
material pentru a fi luate in considerare la selectie
bull Disponibilitatebull Prelucrabilitatebull Caracteristici minime
In anumite limite sunt supuse compromisului Pot fi comparate dpdv al importantei lor relative pentru o
aplicatie data in cadrul metodelor cantitative de selectie a materialelor
bull Proprietati mecanicebull Densitatebull Costul
In functie de tipul aplicatiei aceste cerinte isi pot schimba caracterul (din ldquonegociabilerdquo in ldquonenegociabile
Modificarea clasei de material selectate in final
34
EXEMPLE
Butelie de aragaz
Rezistenta Ductilitate Cost
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Rezistenta Ductilitate ρmic
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Butelii pentru gaze utilizate in aviatie
Costul este nenegociabil Oteluri pentru recipienti sub
presiune la temperaturi joase ndash R37 R44
Greutate cat mai mica (considerata nenegociabila) Materiale compozite (Kevlar 49-matrice epoxidica armata
cu fibre de poliamida)
35
MODALITATI DE ABORDARE A SELECTIEI MATERIALELOR SI PROCEDEELOR DE PRELUCRARE
Aparitia unor materiale noi si a competitiei intre materiale
Abordari noi in selectia materialelor si a procedeelor de prelucrare
Materialele plastice folosite la obtinerea pieselor complexe si de buna calitate inalta tehnologie
Materialele compozite au condus la reducerea substantiala a
greutatii produsului
Materiale sinterizate utilizate la obtinerea pieselor fara pierderi de material si consum de enetgie
scazut
Ingineria suprafetelor ofera posibilitati de modificare a
suprafetelor si coferirea unor proprietati deosebite
Cu toate aceste proiectantii se limiteaza la selectia
materialelor si procedeelor de prelucrare cunoscute mai bine
- Evitarea riscurilor- Nu este cunoscuta existenta unor noi materiale- Nu sunt cunoscute noile tehnologii de fabricatie etc
Proiectarea industriala trebuie asociata cu design-ul realizarea unei forme estetice obtinerea unui aspect exterior
placut
Design-ul industrial include mai mult decat o stilizare
Alegerea materialului permite un anumit design sau altul
36
La selectarea functiunii produsului (comportarea lui in exploatare-C) a materialelor (M) a
procedeelor de prelucrare (P) a formei (F) trebuie sa se tina seama ca acestea se intrepatrund (trebuie
sa tin seama in acelasi timp de ele)
Dificil Pot fi urmate diferite
succesiuni
Succesiunea CFMP prezinta urmatoarea
ordine de luare in considerare
-functionalitatea produsului (C)-forma piesei-materialul piesei-procedeul de prelucrare
Pot exista diferite succesiuni
Conduce la solutii diferite
Cadrul face conexiunea intre roti
saua bicicletei pedale ghidon
EXEMPLU Succesiunea CFMP
Functionalitatea si forma sunt aceleasi
Teava de aluminiu
Sudare
Succesiunea CFPM
Functionalitatea si forma sunt aceleasi
Sudare Teava de otel-se sudeaza mai bine
Succesiunea CMPF
Functionalitatea este aceeasi
Ca material se poate alege unul compozit
Sudare lipire
Forma aceeasi sau nu
Succesiunea CPMF
Poate fi aleasa presarea unui material superplastic
Alegerea ca material aluminiul
Forma S asimetrica plata
37
Pe baza functiunilor impuse produsului proiectantul schiteaza o serie de solutii tinand seama
de-materialele ce pot fi folosite-procedeele de fabricatie ce pot fi aplicate-formele potrivite ca functionalitate si design
Fiecare combinatie materialprocedeu de prelucrare conduce la diferite forme
Pot fi generate un numar
diferit de forme
Este o abordare CPMF sau CMPF
38
STRATEGII DE SELECTIE A MATERIALELOR
O strategie de selectie are doua componente
Formularea marimi prin care sa se evaluare un set de cerinte impuse materialului
Un procedeu de evaluare a marimii cerintelor prin care sa
se poata face ierarhizarea acestora in functie de masura in
care acestea sunt indeplinite
Strategiile cauta cai de implementare a procesului si anume de a converti un set de date ldquode intrarerdquo (cerintele proiectarii)
intr-un set de date ldquode iesirerdquo- alegerea materialului si a procedeului de prelucrare
39
Cerintele proiectarii
Materiale si procedee de prelucrare selectate
Strategii de selectie
Date initiale Functie de transfer Date finale
Strategia 1 Cautare libera implicand analiza rationala
Strategia 2 Bazata pe chestionare Este o selectie prin expertiza
Strategia 3 Analogie bazata pe cazuri anterioare
Posibila inovatie
Ofera solutii cunoscute
Ofera solutii similare cu situatia prezenta
Ofera mare libertate de selectie dar putina ghidare in proces
Ofera multa ghidare in proces dar putina libertate de selectie
Ofera idei ale solutiilor anterioare pentru probleme similare
40
SELECTIA LIBERA BAZATA PE ANALIZA RATIONALA
Este rapida si eficienta
Ofera o mare libertate pentru aplicatii
Ofera solutii noi si inovative
Avantaje
Are nevoie de date de intrare precis detaliate intr-o forma ce pot fi analizate prin metode ingineresti
standard
EXEMPLU
Gasiti un material pentru o bara de lungime L care sa
suporte o forta F la temperatura T si sa fie cat mai usoara
Cerinte pentru proiectare
ANALIZA SCHITEIFunctia Ce trebuie sa faca piesaObiective Ce trebuie maximalizat sau minimalizatConstrangeri Ce conditii esentiale trebuie sa fie indepliniteVariabile libere Care variabile ale proiectului sunt libere (cerinte nerigide)
41
Functia Ce trebuie sa faca piesa
Obiective Ce trebuie maximalizat sau minimalizat
Variabile libere Care variabile ale proiectului sunt libere (cerinte nerigide)
De a rezista la momente de incovoiere trebuie sa suporta incarcatura pentru care a fost proiectata fara a se deforma
Constrangeri Ce conditii esentiale trebuie sa fie indeplinite
Lungimea L data Tigiditatea S data Sa reziste si sa nu se deformeze la temperatura T
Trebuie minimalizata greutate
Aria sectiunii Costul
Procesul de selectie a avea 3 pasi
Filtrarea Se folseste de constrangeri pentru inlaturarea materialelor care nu indeplinesc cerintele
IerarhizareaSe folseste de marimea performantelor materialelor ramase in discutie pentru a le ordona
Documentarea
Analizeaza informatiile nestructurate le structureaza si le introduce in structura ierarhizata realizand o fisa cu informatii care ajuta selectia finala a materialului
42
Ierarhizarea se face parcurgand mai multe faze
Identificarea unuia sau a mai multor indici de performanta corespunzatori functiei obiectivului si constrangerilor
Indicele de performanta permite optimizarea selectiei
Pentru identificarea acestor indici se parcurg urmatoarele etape
Transpunerea intr-o relatie a obiectivului (entitatea) ce trebuie minimalizata sau maximalizata
Analiza grupului de proprietati (indicele de performanta) care maximalizeaza obiectivul
Eliminarea din aceasta relatie a variabilelor libere utilizand constrangerile (ex valoarea impusa rigiditatii a incarcarii limita a unui moment a presiunii a temperaturii de lucru sau al tenacitatii
43
EXEMPLU
TEMAGasiti un material pentru o bara de lungime L care sa
suporte o forta F la temperatura T si sa fie cat mai usoara
b
b
Lδ
F
Sageata
Sectiunea
CERINTELE PROIECTARIIFunctia Bara incarcata la incovoiereObiectiv Minimalizarea greutatiiConstrangeri Lungimea L data Rigiditatea S data Temperatura de exploatare T data (500deg)Variabile libere Aria sectiunii A Materialul de selectat
Se alege masa ldquomrdquo ca indice de performanta (trebuie sa fie minimalizat)
Masa barei este
Constrangerea privind rigiditatea va determina aria sectiunii ASageata unei bare simplu rezemata (forta actionand la mijloc) este data de relatia
44
unde E-modulul de elasticitate al materialului barei I-momentul de inertie al sectiunii grinzii
CL-reprezinta o constanta ce depinde de modul de distributie a fortei F (CL=48)
Rigiditatea barei este data de relatia
Din aceasta ultima relatie rezulta aria sectiunii A
Prin substitutia acestei relatii in relatia de determinare a masei grinzii se obtine indicele de performanta m
Valorile S L CL sunt date de proiect
Cea mai usoara bara este acea realizata dintr-un material care are cea mai mare valoare pentru
raport numit si ldquoindice de materialrdquo
Functia Incarcarea ConstrangeriIndici de
performantaRelatia
indicelui
Structuri de masa minima
Tija
BaraStatica
Rigiditate
Tractiune Eρ
Compresiune Eρ
Incovoiere E12ρ
Torsiune E12ρ
Rezistenta
Tractiune σrρ
Compresiune σcρ
Incovoiere σr23ρ
Torsiune σc23ρ
Dinamica
Panou
45
Exista mai multi indici de performanta fiecare realizand o combinatie dintre obiectiv si constrangere
46
47
48
METODE CANTITATIVE DE SELECTIE A MATERIALELOR CANDIDATE
Materialele candidat sunt materialele care satisfac cerintele cuprinse in matricea de cerinte rezultate dinbull Cerintele functionalebull Siguranta in functionarebull Functionarea in conditii ambientale de exploatarebull Cerintele de prelucrabilitatebull Economicitatea piesei
Care din aceste materiale vor fi luate in considerare la realizarea piesei
Evaluarea materialelor candidat
Evaluarea presupune compararea materialelor candidat care indeplinesc cerintele negociabile cu caracteristicile efective ale materialului in vederea selectarii celui optim pentru o aplicatie data
49
Evaluarea materialelor candidat
Este mai simpla pentru metodele cantitative de evaluare
Trebuie sa tina seama de anumite avantaje (usurinta procurarii materialului distanta pana la furnizor seriozitatea furnizarii constanta in calitatea produselor etc) care pot introduce anumite limitari determinand anumite compromisuri
In cele mai multe cazuri metodele cantitative de selectie conduc la materialul optim pentru o aplicatie
Metodele cantitative pot fi reluate odata cu schimbarea importantei relative a cerintelor negociabile
ATENTIE Cerintele nenegociabile trebuie satisfacute in totalitate si intocmai
Daca niciun material nu satisfac cerintele negociabile atunci fie ca acestea trebuie relaxate fie se impune reproiectarea produsului
50
Selectia este o operatie complexa
Numar mare de materiale cu o plaja larga de proprietati
Daca se face intamplator
Apare riscul de a omite anumite materiale candidate
Reducerea riscului prin adoptarea unei metode sistematice de selectie a materialelor
Metodele cantitative
Permitbull analiza unui numar ridicat de datebull a multor specificatii implicate in selectia materialelorbull pot fi adaptate pentru o selectie asistata de calculator
dintr-o baza de date
Metodele nu elimina capacitatea de analiza si experienta ingineruluiAceste metode sprijina inginerul in alegerea optima
51
METODA COSTULUI RAPORTAT LA UNITATEA DE PROPRIETATE
Economicitatea piesei
Costul initial al materialului
Costul prelucrarii si montarii
Costul functionarii si intretinerii
Unele dintre aceste costuri cresc odata cu cresterea
valorii proprietatilor altele scad
Proprietatea (Rm)
Costul piesei
Alte costuri
Costul total
Cos
tul
Cost minim
Odata cu cresterea rezistentei- Prelucrare mai dificila- Greutatea pe piesa scade- Durabilitatea in exploatare
creste si deci numarul de piese in utilizate in timp mai mic
Costul total este suma costului piesei si a celorlalte costuri
52
Valoarea optima a proprietatii (aici Rm) apare la costul minim
In piata costul materialului este legat de greutatea sau volumul (dupa caz) materialului
Se poate stabili o comparatie a materialelor intre proprietatile relative (proprietatea raportata la
greutatea specifica) De exemplu rezistenta rigiditatea modul de elasticitate etc
Criteriul esential este costul raportat la unitatea de rezistenta la tractiune
C=pρσ
C- costul asigurarii unei rezistente de 1 MPap- costul unitatii de proprietate a materialului
ρ- densitatea materialului
σr- rezistenta la tractiune
Cu cat valoarea lui ldquoCrdquo este mai mica cu atat materialul
este mai economic
53
Relatii asemanatoare pot fi obtinute si pentru alte proprietati cum ar fi- limita la curgere- modulul de elastuicitate- factorul de intensitate a tensiunii etc
Costul unitatii de proprietate pentru diferite moduri de solicitare
54
Compararea materialelor privind aceste costuri este esentiala
Se compara materialele intre ele
Este dificilSe ia un material de referinta
Costul relativ pe unitatea de proprietate a materialului candidat ldquoirdquo raportat la costul relativ pe unitatea de proprietate a materialului de referinta ldquobrdquo este dat de relatia
Daca CR este subunitar materialul candidat este mai ieftin decat materialul de referinta
Materialul de referinta este eliminat si materialul candidat se ia ca material de referinta pentru urmatoarea comparatie
Daca CR este supra unitar materialul candidat este mai scump decat materialul de referinta
Materialul de referinta se ia ca material de comparatie pentru urmatoarea analiza
55
METODA PONDERARII PROPRIETATILOR
Este o metoda pentru rezolvarea unor solutii mai comlexe de materiale materiale si proprietati
Fiecarei proprietati a materialului i se acorda o pondere rdquoαrdquo
Ponderea este proportionala cu importanta relativa a proprietatii pentru performanta in exploatare a materialului pentru aplicatia data
Ponderea proprietatii este egala cu produsul dintre valoarea numerica a proprietatii materialului ldquoprdquo si ponderea ei ldquoαrdquo
γ=pα
Insumand toate aceste produse pentru un material se obtine un indice de performanta ldquoPrdquo al materialului
Aceasta metoda ia in considerare toate proprietatile materialului
Comparand mai multe materiale prin indicele de performanta se poate gasi cel mai performant material pentru o aplicatie
56
Dezavantajul acestei metode consta in faptul ca in cazul unei proprietati care are o valoare ridicata aceasta v-a avea o influenta mai mare asupra indicelui de performanta decat ponderea ei
Exemplu Un material A care are Rm=370 MPa si o duritate de 350 HRB si un alt material B care are Rm=400 MPa si o duritate de 300 HRBStabilind ponderea proprietatii de 100 pentru rezistenta si 90 pentru duritate se obtine un indice de performanta de 68500 pentru material ul A si 67000 pentru materialul B
Inseamna ca impotriva importantei rezistentei la tractiune (ca fiind primul criteriu de selectie) si care este mai mare pentru materialul B indicele de performanta al materialului A este mai mare si deci acest material v-a fi selectat
La evaluarea materialelor candidat se va lucra cu valori relative ldquoβrdquo ale unei anumite proprietati celei mai mari valori a proprietatii atribuindu-se valoarea 100 iar celelalte valori relative se determina cu relatia
57
Pentru proprietatile materialelor care nu se exprima in mod obisnuit prin valori numerice (rezistenta la uzare sudabilitatea aschiabilitatea diferite proprietati tehnologice etc) evaluarea se poate face relativ la una dintre proprietati astfel
Astfel fiecarei proprietati I se acorda o importanta egalasi ea va influenta indicii de performanta ai materialelor doar comparate doar in masura ponderii acordate
Pentru proprietati ale caror valori se doreste a fi cat mai mici (densitatea pierderea de greutate prin coroziune etc) evaluarea se face printr-un raport invers
ProprietateaMateriale alternative
A B C D
Sudabilitatea Foarte buna Buna Buna Satisfacatoare
Evaluarea relativa 5 3 3 1
Valoarea scalata 100 60 60 20
58
Exemplu In ceea ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru rezistenta la tractiune a materialului A este de 925 Pentru al doilea material aceasta valoare este de 100 In ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru duritate aceasta este de 100 pentru materialul A si de 857 pentru materialul B
Acest lucru poate schimba situatia ierarhica a materialelor sau le poate apropia atat de mult indicele de performanta incat sa se puna problema luari in considerare si a altor elemente pentru selectie
Astfel indicele de performanta a materialului este dat de relatia
unde P reprezinta indicele de performanta a materialuluildquoirdquo este suma celor ldquonrdquo proprietati considerate a materialul ui
59
Ponderea α poate fi considerata ca αilt1 astfel incat
(cazul cel mai frecvent) sau ei I se poate aloca o plaja de valori valoarea cea mai mare
corespunzand proprietatii cu cea mai mare importanta
Costul materialului poate fi considerat ca o proprietate (chiar importanta) acordandui-se o pondere ldquoαrdquo
In cazul luarii in considerare a unui numar mare de proprietati costul poate fi considerat un factor de corectie al indicelui de performanta a materialului rezultand indicele de merit al acestuia
in care ldquoprdquo reprezinta costul unitatii de greutate a materialului
60
Cand se doreste compararea mai multor materiale candidat (i) cu unul de baza (de referinta) se calculeaza indicele relativ de merit al fiecarui material astfel
Daca RMgt1 respectivul material candidat ldquoirdquo corespunde mai bine cerintelor decat materialul de referinta ldquobrdquoIn cazul in care Mb reprezinta minimul cerintelor impuse Materialele candidat avand RMlt1 pot fi eliminate de la inceput ca fiind necorespunzatoare
Cand trebuie luate in considerare mai multe proprietati ale materialului pentru evaluarea indicelui de performanta este dificila evaluarea ponderii acestora Rezolvarea aceste probleme poate fi realizata printr-o evaluare prin programe numerice
61
METODA CRESTERII INCREMENTALE
In anumite situatii pot aparea mai multe materiale care indeplinesc cerintele minime impuse de o anumita aplicatie
Dupa analiza acestor materiale se poate presupune ca performantele pieselor prelucrate sunt proportionale cu indicii de performanta ldquoPrdquo In acelasi timp costul piesei variaza proportional cu costul materialului si al prelucrarii acestora
Daca se doreste selectarea piesei care are cea mai mare performanta la cea mai rezonabila crestere a costului se poate face o analiza beneficiu-cost Procedeul se ia indeosebi cand se doreste inlocuirea unui material utilizat deja in fabricatie
Materialul cu cel mai scazut cost (1) se ca element de baza si este comparat cu materialul care are costul imediat superior (2) Comparatia se face determinand cresterea indicelui de performanta (ΔP=P2-P1) si a costului ldquoprdquo pe unitatea de volum (Δpρ=p2ρ2-p1ρ1)
Daca ΔPΔpρlt1 materialul 1 corespunde mai bine decat materialul 2 pentru aplicatia data si materialul 2 va fi eliminatDaca ΔPΔpρgt1 materialul 1 va fi eliminat deoarece materialul 2 corespunde mai bine cerintelor aplicatieiSe continua compararea cu al treilea material si rand pe rand vor fi eliminate materialele mai putin corespunzatoare ajungand la materialul optim
62
EXEMPLU DE SELECTIE A MATERIALELOR
Tema Realizarea piesesei din figura dintr-un otel ldquoOL37rdquo intr-o serie mare de fabricatie-Este o piesa cilindrica cu dimensiunile date-Are un butuc-Prezinta o gaura lunga si de diametre mic
oslash200oslash50
150oslash20
Se poate realiza din bara rotunda prin strunjire
Se poate realiza din bara rotunda prin forjare
80
Coeficientul de utilizare a materialului 055
Coeficientul de utilizare a materialului 098
63
Diametrul mm Inaltime mm Volum mm3 Volum mm3Coeficientul de
utilizare a materialului
Semif Pornire 200 150 4710000 4710000
Strunjire
200 80 2512000
2602275 055=5550 35 137375
20 150 47100
Forjare
200 80 25120002649375
098=9850 35 137375
20 150 47100 2602275
Coeficientul de utilizare a materialului K=greutatea piesei finitegreutatea materialului utilizat pentru realizarea lui (a semifabricatului de pornire)
In calcul s-a lucrat cu volumul materialului deoarece G=VρAdaosuriele de prelucrare s-u luat ca fiind egaleApare un mult mai bun grad de utilizare a materialului pentr prelucrarea prin forjare
PIESA SE VA REALIZA PRIN FORJARE
64
1
2
3
5
6
4
9
8
F
107F
1-semimatrita superioara2-semimatrita inferioara3-cavitatea semimatritei sup4-cavitatea semimatritei inf5-canalul de bavura6-canalul de refulare7-prinderea semimatritei sup8-prinderea semimatritei inf9-elemente de ghidare (stifturi)10-planul de separare
TEMA Sa se stabileasca materialul optim pentru realizarea elementelor active ale matrtei de forjare din figura Se urmreste obtinerea piesei prin forjare la cald
CERINTE PENTRU PROIECTARE
Analiza schiteiFunctia Elemete (semimatrite) de matrita de deformare plasticaObiectiv Trebuie maximalizata tenacitatea (rezilienta)Constrangeri Dimensiunile cavitatii matritei (depind de marimea piesei) dimensiunile exterioare si sistemul de prindere (depind de utilaj temperatura de lucruVariabile libere material
65
Se cauta in sursele de informatii structurate si nestructurate materialele care respecta cerintele
Elemente de matrita
Rezistente la cald
Tenacitate Duritate
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Materialele potrivite sunt metalele si aliajele lor
-Materialele ceramice nu au tenacitate-Materialele polimerice nu au rezistenta la cald-Materialele compozite sunt scumpe si nu au tenacitate
Depinde de compozitia lor
Se cauta materiale cu destinatie precisa Materiale pentru scule de deformare
66
Din baza de date se constata ca urmatoarele materiale satisfac
cerintele rigide adica sa poata fi utilizate la prelucrarea la cald
Sunt materiale cu destinatie precisaDaca nu sunt materiale cu destinatie
precisa se cauta in grupa materialelor cu destinatie generala
Material Rm min MPa HV A5 KCU Jcm3
C120 890 265 8 60
VMoC120 870 265 8 68
VC06 870 230 6 68
VCW85 870 265 6 80
MoCN15 830 250 7 75
VMoCN17 870 265 7 73
VSCW20 790 235 5 78
OSC7 640 195 12 56
OSC8 640 195 10 58
67
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU Jcm3 βKCU Indicele de
performanta PC120 890 265 8 60 101450
VMoC120 870 265 8 68 100650
VC06 870 230 6 68 97400
VCW85 870 265 6 80 101750
MoCN15 830 250 7 75 96750
VMoCN17 870 265 7 73 101100
VSCW20 790 235 5 78 92400
OSC7 640 195 12 56 74950
OSC8 640 195 10 58 75050Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza peoprietatii
68
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU
Jcm3 βKCU Indicele de performanta P
C120 890 100 265 10000 8 6667 60 75 25017000
VMoC120 870 9775 265 10000 8 6667 68 85 2835015356
VC06 870 9775 230 8679 6 5000 68 85 2126563155
VCW85 870 9775 265 10000 6 5000 80 100 2501682022
MoCN15 830 9326 250 9434 7 5833 75 9375 2735970124
VMoCN17 870 9775 265 10000 7 5833 73 9125 2663140356
VSCW20 790 8876 235 8868 5 4167 78 975 2032758226
OSC7 640 7191 195 7358 12 10000 56 70 3501237545
OSC8 640 7191 195 7358 10 8333 58 725 3022070878Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza proprietatii relative
69
Material Indicele de performanta P
VSCW20 2032758226
VC06 2126563155
VCW85 2501682022
C120 25017000
VMoCN17 2663140356
MoCN15 2735970124
VMoC120 2835015356
OSC8 3022070878
OSC7 3501237545
Material Indicele de performanta P
OSC7 74950
OSC8 75050
VSCW20 92400
MoCN15 96750
VC06 97400
VMoC120 100650
VMoCN17 101100
C120 101450
VCW85 101750
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile proprietatii materialului
ordonate crescator
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile relative ale proprietatii materialului ordonate crescator
70
Luand in considerare ca unele materiale sunt aliate cu siguranta acestea sunt mai scumpe
Daca luam in considerare costul unitar pentru otelurile carbon de scule iar densitatea de 785 (corespunzatoare fierului) se obtine indicele de merit
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
OSC7 74950 1 95477707 114
OSC8 75050 1 956050955 114
VSCW20 92400 14 840764331 100
MoCN15 96750 14 880345769 105
VC06 97400 12 103397028 123
VMoC120 100650 13 986281235 117
VMoCN17 101100 14 919927207 109
C120 101450 15 861571125 102
VCW85 101750 14 925841674 110
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea proprietatii materialului
71
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
VSCW20 2032758226 14 184964352 100
VC06 2126563155 12 225749804 122
VCW85 2501682022 14 227632577 123
C120 25017000 15 212458599 115
VMoCN17 2663140356 14 242323963 131
MoCN15 2735970124 14 248950876 135
VMoC120 2835015356 13 277806502 150
OSC8 3022070878 1 384977182 208
OSC7 3501237545 1 446017522 241
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea relativa a proprietatii materialului
72
Selectati materialele potrivite pentru piesele din imagine
Randul I 1 Serie mare de fabricatie-6p Randul II Serie mica (unicat) de fabricatie-6p
Randul I 2 Criterii de selectie a materialelor-1p3 Etapele selectiei materialelor ndash 1p4 Economicitatea piesei ndash 1p5 Strategii de selectie a materialelor ndash 1p
Randul II 2 Tipuri de date utilizate la selectia materialelor-1p3 Cum se face minimalizarea costurilor-1p4 Perofmantele piesei in functionare ndash 1p5 Care sunt cerintele fata de material ndash 1p
SUBIECTE EXAMEN
73
Date privind principalele proprietati tehnologice ale unor materiale
Material
Valorile proprietatii
Aschiabilitate Turnabilitate Sudabilitate Cost
F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba $tona
Otel de constructii (OL) X X X 140
Otel carbon de calitate (OLC) X X X
260
Fonte obisnuite (Fc) X X X 160
Punctaje 60 30 10 60 30 10 60 30 10
Avand in vedere ca pretul creste odata cu rezistenta la tractiune calculati costul fiecarui material prin inmultirea costului de baza cu valoarea proprietatii si impartiti la 100
74
Materiale ce pot fi luate in considerare spre analiza
Material Rm HV A Material Rm HV A Material Rm HV A
OL30 310 95 32 OLC8 324 140 33 Fc100 100 105 2
OL32 310 93 33 OLC10 321 150 31 Fc150 150 145 3
OL34 330 105 31 OLC15 373 155 27 Fc200 200 180 4
OL37 360 112 25 OLC20 410 165 25 Fc250 250 190 4
OL42 410 130 22 OLC25 450 175 24 Fc300 300 210 5
OL44 430 135 22 OLC30 490 180 21 Fc350 350 220 6
OL50 500 160 21 OLC35 530 195 21 Fc400 400 240 6
OL52 510 160 21 OLC40 570 200 19
OL60 590 185 16 OLC45 610 220 18
OL70 690 215 11 OLC50 640 230 16
OLC55 670 240 14
OLC60 700 255 14
Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50
Proprietatea tehnilogica intra cu o pondere de 100
VA UREZ SUCCES
20
Comparatia materialelor pe baza costului relativ al unitatii de volum
raportat la rezistenta de rupere specifica la tractiune
21
Concluzii
Din punct de vedere al costului relativ la unitatea de greutate utilizarea otelului este cea mai avantajoasa
Cel mai mare consum mondial
Materialele polimerice si aluminiu tind sa se apropie de costurile otelului
Din punct de vedere al costului relativ la unitatea de volum costurile materialelor polimerice se apropie de cele ale otelurilor unele fiind mai ieftine
Apare o plaja larga a costurilor materialelor ingineresti
Uneori materialele nu sunt utilizate la adevarata lor capacitate deoarece o cerinta importanta este rigiditatea Din acest punct de vedere betonul are cel mai mic cost
Sunt aplicatii la care se cere rezistenta ridicata si greutate redusa Se constata ca materialele polimerice si piesele turnate din magneziu apar mai ieftine decat otelurile
22
In cazul unui produs evaluarea valorii lui se
face prin
Evaluarea calitativa a proprietatilor materialului
Cel mai ieftin
Cel mai usor de procutat
Care sa aiba aceeasi
functionalitate
In cazul selectiei materialelor
Pentru aceeasi functionalitate
La cel mai scazut cost
Sa se selecteze cel mai ieftin material
Sa se selecteze un material mai scump dar
care va simplifica prelucrare (eventual
eliminarea unor etape)
23
Otelurile slab aliate cu continut ridicat de mangan si
continut scazut de Ni si Cr
Inlocuiesc otelurile scumpe continand cantitati mai mari de Ni Cr Mo (elemente scumpe)
Acoperirile metalice Inlocuiesc (in conditii mai putin
severe de coroziune) otelurile inoxidabile
Durificarea superficiala sau ecruisarea prin deformare
plastica
Mareste rezistenta la uzare si la oboseala a otelurilor carbon evitand utilizarea otelurilor aliate scumpe
Acoperiri de tipul alitarii cromarii aplicate otelurilor
carbon
Confera rezistenta la temperaturi moderate elimina finisarea
(costisitoare)
24
Coeficientul de utilizare a materialului
Minimalizarea costului materialelor
Printr-o proiectare care sa reduca cantitatea necesara de materiale scumpe
Alegerea procedeelor de prelucrare adecvate
Stabilirea formei semifabricatului care sa maximalizeze coeficientul de utilizare a
materialelor in fabricatie
Materiale ieftine
- Cumparate in cantitati mari- Cele care au dimensiuni mari
Cand fabricatia cere piese de mai multe dimensiuni se poate
cumpara stoc mare de semifabricate la dimensiunea
cea mai mare a pieselor
Reulta deseuri si costuri suplimentare de
manopera
Punctul de rentabilitate in aceasta privinta este greu de evaluat
25
Coeficientul de utilizare a materialelor pentru diferite procedee de prelucrare este dat in urmatorul tabel
Metoda de prelucrare Coeficientul de utilizare
1 Fara modificarea masei
Turnare 70
Deformare plastica 75
Agregate de pulberi 90
2 Cu micsorare de masa
Aschiere 60
Eroziune 90
3 Prin marire de masa
Depuneri prin sudare 80
Depuneri prin metalizare 90
26
Competitia in domeniul materialelor
Odata cu aparitia unor materiale noi si scaderea pretului celor existente apare o COMPETITIE INTRE MATERIALE
Intre otel si aluminiu la obtinerea cutiilor
de bauturi
Intre aluminiu si materiale polimerice
(armate) la constructia aeronavelor
Intre materiale polimerice si cupru
plumb fonta la instalatiile de apa
ProprietateaAliaj ZnAl4 turnat sub presiune
Polistiren ABS
Naylon 66
Policar-bonat
Polipr-opilena
Rezistenta la tractiune MNmm2 260 54 52 70 35
Rezistenta la tractiune prin soc (relativ) 79 1 33 36 16
Rezistenta la fluaj (exprimata ca modul de elasticitate aparent la 100 h MNmm2) 51100 1470 420 2030 308
Rezistenta la oboseala prin incovoiere la 107 cicluri MNmm2 644 154 14 7 182
Temperatura de stabilitate termica la 18 MNmm2 (oC) gt488 345 324 403 332
Modificarea rezistentei la tractiune dupa 500h de expunere in conditii atmosferice ()
+05 -8 +10 -11 -30
Densitatea (relativa) 667 105 114 12 09
Costul unitatii de greutate (relativ Zn=1) 1 21 374 42 14
Costul unitatii de volum raportat la rezistenta la tractiune (relativ) 1 21 37 30 16
Costul unitatii de volum raportat la rezistenta la fluaj (relativ) 1 117 183 19 30
Costul unitatii de volum raportat la rezistenta la tractiune prin soc (relativ) 1 27 15 16 09
Costul unitatii de volum raportat la rezistenta la oboseala (relativ) 1 09 18 34 04
In situatia in care piesa are un rol decorativ ndash materialul plastic este
important
27
Costul prelucrarii poate juca un rol important in procesul
selectiei
Alama mai ieftina pentru anumite piese decat otelul laminat deoarece se prelucreaza cu viteza mai mare
Costul alamei este mai mare decat a otelului
Aluminiul se prelucreaza mai usor si are greutate specifica mai mica
Poate inlocui fonta otelul si aliajele lui chiar
daca sunt mai ieftine
Materialele plastice se prelucreaza foarte usor si devin economice la
serie mare
Pot inlocui orice tip de material la diferite
aplicatii
Criteriul economic privind costul materialului nu este
concludent la selectarea materialului
Devine important COSTUL REPERULUI
28
Costul de baza al materialului
Cheltuieli de dezvoltaresi utilizare a
echipamentelor
Cheltuieli de prelucrareDeterminate de material de procedeu de forma
de precizie
COSTUL REPERULUI
Costurile reperului
29
Reper Comportare Costuri
Cheltuieli de intretineresi reparatii cu reperul
UtilizareCheltuieli de exploatare
Durabilitate
ECONOMICITATEA REPERULUI
Economicitatea reperului
30
CERINTE IMPUSE MATERIALULUIPIESE
Problema selectiei materialului este complexa
datorita
Varietatii materialelor ingineresti
Severitatii cerintelor functionale impuse
Cerinta diminuarii costurilor
Severitatii cerintelor functionale impuse
Prelucrarile la care este supus materialul
Geometria pieselor
Solicitarile la care este supus materialul
INFLUENTEAZA PROPRIETATILE MATERIALELOR
31
Comportarea materialului in produsul finit este sensibil diferita de cea a semifabricatului din care a fost obtinut
Comportarea materialului in piesa
(C)
Proprietatile materialului (M)
Influenta procedeului de prelucrare (P)
Forma piesei si fortele exterioare la care este
supusa (F)
Arata influenta directa a proprietatilor
semifabricatului a procedeului de prelucrare
a formei geometrice si a actiunii fortelor exterioare
asupra comportarii materialelor in piesa finita
Influenteaza direct comportarea
materialului in piesa
Este foarte important a se apela la criterii de proiectare adecvata
32
Influenta procedeului de prelucrare (P)
Prezenta muchiilor ascutite si a filetelor
Rugozitatea suprafetei
Afecteaza intr-o masura mai mare comportarea otelurilor de inalta rezistenta
decat a celor moi
Afecteaza intr-o masura mai mare comportarea materialelor la solicitari
variabile (oboseala) decat la solicitari statice
Interesul se focalizeaza preponderent pe performanta piesei in functionare si mai putin pe comportarea materialului in piesa
Comportarea materialului in piesa (proprietatile piesei)
Performantele piesei in functionare
Comportarea materialului in functionareConditiile de functionare
Factori care influenteaza
performantele piesei in functionare
33
CLASIFICAREA CERINTELOR IMPUSE MATERIALELOR
Cerintele impuse materialelor
Cerinte ldquorigiderdquo sau nenegociabile
Cerinte ldquonerigiderdquo ldquorelativerdquo sau
negociabile
Sunt cerintele care trebuie satisfacute obligatoriu de
material pentru a fi luate in considerare la selectie
bull Disponibilitatebull Prelucrabilitatebull Caracteristici minime
In anumite limite sunt supuse compromisului Pot fi comparate dpdv al importantei lor relative pentru o
aplicatie data in cadrul metodelor cantitative de selectie a materialelor
bull Proprietati mecanicebull Densitatebull Costul
In functie de tipul aplicatiei aceste cerinte isi pot schimba caracterul (din ldquonegociabilerdquo in ldquonenegociabile
Modificarea clasei de material selectate in final
34
EXEMPLE
Butelie de aragaz
Rezistenta Ductilitate Cost
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Rezistenta Ductilitate ρmic
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Butelii pentru gaze utilizate in aviatie
Costul este nenegociabil Oteluri pentru recipienti sub
presiune la temperaturi joase ndash R37 R44
Greutate cat mai mica (considerata nenegociabila) Materiale compozite (Kevlar 49-matrice epoxidica armata
cu fibre de poliamida)
35
MODALITATI DE ABORDARE A SELECTIEI MATERIALELOR SI PROCEDEELOR DE PRELUCRARE
Aparitia unor materiale noi si a competitiei intre materiale
Abordari noi in selectia materialelor si a procedeelor de prelucrare
Materialele plastice folosite la obtinerea pieselor complexe si de buna calitate inalta tehnologie
Materialele compozite au condus la reducerea substantiala a
greutatii produsului
Materiale sinterizate utilizate la obtinerea pieselor fara pierderi de material si consum de enetgie
scazut
Ingineria suprafetelor ofera posibilitati de modificare a
suprafetelor si coferirea unor proprietati deosebite
Cu toate aceste proiectantii se limiteaza la selectia
materialelor si procedeelor de prelucrare cunoscute mai bine
- Evitarea riscurilor- Nu este cunoscuta existenta unor noi materiale- Nu sunt cunoscute noile tehnologii de fabricatie etc
Proiectarea industriala trebuie asociata cu design-ul realizarea unei forme estetice obtinerea unui aspect exterior
placut
Design-ul industrial include mai mult decat o stilizare
Alegerea materialului permite un anumit design sau altul
36
La selectarea functiunii produsului (comportarea lui in exploatare-C) a materialelor (M) a
procedeelor de prelucrare (P) a formei (F) trebuie sa se tina seama ca acestea se intrepatrund (trebuie
sa tin seama in acelasi timp de ele)
Dificil Pot fi urmate diferite
succesiuni
Succesiunea CFMP prezinta urmatoarea
ordine de luare in considerare
-functionalitatea produsului (C)-forma piesei-materialul piesei-procedeul de prelucrare
Pot exista diferite succesiuni
Conduce la solutii diferite
Cadrul face conexiunea intre roti
saua bicicletei pedale ghidon
EXEMPLU Succesiunea CFMP
Functionalitatea si forma sunt aceleasi
Teava de aluminiu
Sudare
Succesiunea CFPM
Functionalitatea si forma sunt aceleasi
Sudare Teava de otel-se sudeaza mai bine
Succesiunea CMPF
Functionalitatea este aceeasi
Ca material se poate alege unul compozit
Sudare lipire
Forma aceeasi sau nu
Succesiunea CPMF
Poate fi aleasa presarea unui material superplastic
Alegerea ca material aluminiul
Forma S asimetrica plata
37
Pe baza functiunilor impuse produsului proiectantul schiteaza o serie de solutii tinand seama
de-materialele ce pot fi folosite-procedeele de fabricatie ce pot fi aplicate-formele potrivite ca functionalitate si design
Fiecare combinatie materialprocedeu de prelucrare conduce la diferite forme
Pot fi generate un numar
diferit de forme
Este o abordare CPMF sau CMPF
38
STRATEGII DE SELECTIE A MATERIALELOR
O strategie de selectie are doua componente
Formularea marimi prin care sa se evaluare un set de cerinte impuse materialului
Un procedeu de evaluare a marimii cerintelor prin care sa
se poata face ierarhizarea acestora in functie de masura in
care acestea sunt indeplinite
Strategiile cauta cai de implementare a procesului si anume de a converti un set de date ldquode intrarerdquo (cerintele proiectarii)
intr-un set de date ldquode iesirerdquo- alegerea materialului si a procedeului de prelucrare
39
Cerintele proiectarii
Materiale si procedee de prelucrare selectate
Strategii de selectie
Date initiale Functie de transfer Date finale
Strategia 1 Cautare libera implicand analiza rationala
Strategia 2 Bazata pe chestionare Este o selectie prin expertiza
Strategia 3 Analogie bazata pe cazuri anterioare
Posibila inovatie
Ofera solutii cunoscute
Ofera solutii similare cu situatia prezenta
Ofera mare libertate de selectie dar putina ghidare in proces
Ofera multa ghidare in proces dar putina libertate de selectie
Ofera idei ale solutiilor anterioare pentru probleme similare
40
SELECTIA LIBERA BAZATA PE ANALIZA RATIONALA
Este rapida si eficienta
Ofera o mare libertate pentru aplicatii
Ofera solutii noi si inovative
Avantaje
Are nevoie de date de intrare precis detaliate intr-o forma ce pot fi analizate prin metode ingineresti
standard
EXEMPLU
Gasiti un material pentru o bara de lungime L care sa
suporte o forta F la temperatura T si sa fie cat mai usoara
Cerinte pentru proiectare
ANALIZA SCHITEIFunctia Ce trebuie sa faca piesaObiective Ce trebuie maximalizat sau minimalizatConstrangeri Ce conditii esentiale trebuie sa fie indepliniteVariabile libere Care variabile ale proiectului sunt libere (cerinte nerigide)
41
Functia Ce trebuie sa faca piesa
Obiective Ce trebuie maximalizat sau minimalizat
Variabile libere Care variabile ale proiectului sunt libere (cerinte nerigide)
De a rezista la momente de incovoiere trebuie sa suporta incarcatura pentru care a fost proiectata fara a se deforma
Constrangeri Ce conditii esentiale trebuie sa fie indeplinite
Lungimea L data Tigiditatea S data Sa reziste si sa nu se deformeze la temperatura T
Trebuie minimalizata greutate
Aria sectiunii Costul
Procesul de selectie a avea 3 pasi
Filtrarea Se folseste de constrangeri pentru inlaturarea materialelor care nu indeplinesc cerintele
IerarhizareaSe folseste de marimea performantelor materialelor ramase in discutie pentru a le ordona
Documentarea
Analizeaza informatiile nestructurate le structureaza si le introduce in structura ierarhizata realizand o fisa cu informatii care ajuta selectia finala a materialului
42
Ierarhizarea se face parcurgand mai multe faze
Identificarea unuia sau a mai multor indici de performanta corespunzatori functiei obiectivului si constrangerilor
Indicele de performanta permite optimizarea selectiei
Pentru identificarea acestor indici se parcurg urmatoarele etape
Transpunerea intr-o relatie a obiectivului (entitatea) ce trebuie minimalizata sau maximalizata
Analiza grupului de proprietati (indicele de performanta) care maximalizeaza obiectivul
Eliminarea din aceasta relatie a variabilelor libere utilizand constrangerile (ex valoarea impusa rigiditatii a incarcarii limita a unui moment a presiunii a temperaturii de lucru sau al tenacitatii
43
EXEMPLU
TEMAGasiti un material pentru o bara de lungime L care sa
suporte o forta F la temperatura T si sa fie cat mai usoara
b
b
Lδ
F
Sageata
Sectiunea
CERINTELE PROIECTARIIFunctia Bara incarcata la incovoiereObiectiv Minimalizarea greutatiiConstrangeri Lungimea L data Rigiditatea S data Temperatura de exploatare T data (500deg)Variabile libere Aria sectiunii A Materialul de selectat
Se alege masa ldquomrdquo ca indice de performanta (trebuie sa fie minimalizat)
Masa barei este
Constrangerea privind rigiditatea va determina aria sectiunii ASageata unei bare simplu rezemata (forta actionand la mijloc) este data de relatia
44
unde E-modulul de elasticitate al materialului barei I-momentul de inertie al sectiunii grinzii
CL-reprezinta o constanta ce depinde de modul de distributie a fortei F (CL=48)
Rigiditatea barei este data de relatia
Din aceasta ultima relatie rezulta aria sectiunii A
Prin substitutia acestei relatii in relatia de determinare a masei grinzii se obtine indicele de performanta m
Valorile S L CL sunt date de proiect
Cea mai usoara bara este acea realizata dintr-un material care are cea mai mare valoare pentru
raport numit si ldquoindice de materialrdquo
Functia Incarcarea ConstrangeriIndici de
performantaRelatia
indicelui
Structuri de masa minima
Tija
BaraStatica
Rigiditate
Tractiune Eρ
Compresiune Eρ
Incovoiere E12ρ
Torsiune E12ρ
Rezistenta
Tractiune σrρ
Compresiune σcρ
Incovoiere σr23ρ
Torsiune σc23ρ
Dinamica
Panou
45
Exista mai multi indici de performanta fiecare realizand o combinatie dintre obiectiv si constrangere
46
47
48
METODE CANTITATIVE DE SELECTIE A MATERIALELOR CANDIDATE
Materialele candidat sunt materialele care satisfac cerintele cuprinse in matricea de cerinte rezultate dinbull Cerintele functionalebull Siguranta in functionarebull Functionarea in conditii ambientale de exploatarebull Cerintele de prelucrabilitatebull Economicitatea piesei
Care din aceste materiale vor fi luate in considerare la realizarea piesei
Evaluarea materialelor candidat
Evaluarea presupune compararea materialelor candidat care indeplinesc cerintele negociabile cu caracteristicile efective ale materialului in vederea selectarii celui optim pentru o aplicatie data
49
Evaluarea materialelor candidat
Este mai simpla pentru metodele cantitative de evaluare
Trebuie sa tina seama de anumite avantaje (usurinta procurarii materialului distanta pana la furnizor seriozitatea furnizarii constanta in calitatea produselor etc) care pot introduce anumite limitari determinand anumite compromisuri
In cele mai multe cazuri metodele cantitative de selectie conduc la materialul optim pentru o aplicatie
Metodele cantitative pot fi reluate odata cu schimbarea importantei relative a cerintelor negociabile
ATENTIE Cerintele nenegociabile trebuie satisfacute in totalitate si intocmai
Daca niciun material nu satisfac cerintele negociabile atunci fie ca acestea trebuie relaxate fie se impune reproiectarea produsului
50
Selectia este o operatie complexa
Numar mare de materiale cu o plaja larga de proprietati
Daca se face intamplator
Apare riscul de a omite anumite materiale candidate
Reducerea riscului prin adoptarea unei metode sistematice de selectie a materialelor
Metodele cantitative
Permitbull analiza unui numar ridicat de datebull a multor specificatii implicate in selectia materialelorbull pot fi adaptate pentru o selectie asistata de calculator
dintr-o baza de date
Metodele nu elimina capacitatea de analiza si experienta ingineruluiAceste metode sprijina inginerul in alegerea optima
51
METODA COSTULUI RAPORTAT LA UNITATEA DE PROPRIETATE
Economicitatea piesei
Costul initial al materialului
Costul prelucrarii si montarii
Costul functionarii si intretinerii
Unele dintre aceste costuri cresc odata cu cresterea
valorii proprietatilor altele scad
Proprietatea (Rm)
Costul piesei
Alte costuri
Costul total
Cos
tul
Cost minim
Odata cu cresterea rezistentei- Prelucrare mai dificila- Greutatea pe piesa scade- Durabilitatea in exploatare
creste si deci numarul de piese in utilizate in timp mai mic
Costul total este suma costului piesei si a celorlalte costuri
52
Valoarea optima a proprietatii (aici Rm) apare la costul minim
In piata costul materialului este legat de greutatea sau volumul (dupa caz) materialului
Se poate stabili o comparatie a materialelor intre proprietatile relative (proprietatea raportata la
greutatea specifica) De exemplu rezistenta rigiditatea modul de elasticitate etc
Criteriul esential este costul raportat la unitatea de rezistenta la tractiune
C=pρσ
C- costul asigurarii unei rezistente de 1 MPap- costul unitatii de proprietate a materialului
ρ- densitatea materialului
σr- rezistenta la tractiune
Cu cat valoarea lui ldquoCrdquo este mai mica cu atat materialul
este mai economic
53
Relatii asemanatoare pot fi obtinute si pentru alte proprietati cum ar fi- limita la curgere- modulul de elastuicitate- factorul de intensitate a tensiunii etc
Costul unitatii de proprietate pentru diferite moduri de solicitare
54
Compararea materialelor privind aceste costuri este esentiala
Se compara materialele intre ele
Este dificilSe ia un material de referinta
Costul relativ pe unitatea de proprietate a materialului candidat ldquoirdquo raportat la costul relativ pe unitatea de proprietate a materialului de referinta ldquobrdquo este dat de relatia
Daca CR este subunitar materialul candidat este mai ieftin decat materialul de referinta
Materialul de referinta este eliminat si materialul candidat se ia ca material de referinta pentru urmatoarea comparatie
Daca CR este supra unitar materialul candidat este mai scump decat materialul de referinta
Materialul de referinta se ia ca material de comparatie pentru urmatoarea analiza
55
METODA PONDERARII PROPRIETATILOR
Este o metoda pentru rezolvarea unor solutii mai comlexe de materiale materiale si proprietati
Fiecarei proprietati a materialului i se acorda o pondere rdquoαrdquo
Ponderea este proportionala cu importanta relativa a proprietatii pentru performanta in exploatare a materialului pentru aplicatia data
Ponderea proprietatii este egala cu produsul dintre valoarea numerica a proprietatii materialului ldquoprdquo si ponderea ei ldquoαrdquo
γ=pα
Insumand toate aceste produse pentru un material se obtine un indice de performanta ldquoPrdquo al materialului
Aceasta metoda ia in considerare toate proprietatile materialului
Comparand mai multe materiale prin indicele de performanta se poate gasi cel mai performant material pentru o aplicatie
56
Dezavantajul acestei metode consta in faptul ca in cazul unei proprietati care are o valoare ridicata aceasta v-a avea o influenta mai mare asupra indicelui de performanta decat ponderea ei
Exemplu Un material A care are Rm=370 MPa si o duritate de 350 HRB si un alt material B care are Rm=400 MPa si o duritate de 300 HRBStabilind ponderea proprietatii de 100 pentru rezistenta si 90 pentru duritate se obtine un indice de performanta de 68500 pentru material ul A si 67000 pentru materialul B
Inseamna ca impotriva importantei rezistentei la tractiune (ca fiind primul criteriu de selectie) si care este mai mare pentru materialul B indicele de performanta al materialului A este mai mare si deci acest material v-a fi selectat
La evaluarea materialelor candidat se va lucra cu valori relative ldquoβrdquo ale unei anumite proprietati celei mai mari valori a proprietatii atribuindu-se valoarea 100 iar celelalte valori relative se determina cu relatia
57
Pentru proprietatile materialelor care nu se exprima in mod obisnuit prin valori numerice (rezistenta la uzare sudabilitatea aschiabilitatea diferite proprietati tehnologice etc) evaluarea se poate face relativ la una dintre proprietati astfel
Astfel fiecarei proprietati I se acorda o importanta egalasi ea va influenta indicii de performanta ai materialelor doar comparate doar in masura ponderii acordate
Pentru proprietati ale caror valori se doreste a fi cat mai mici (densitatea pierderea de greutate prin coroziune etc) evaluarea se face printr-un raport invers
ProprietateaMateriale alternative
A B C D
Sudabilitatea Foarte buna Buna Buna Satisfacatoare
Evaluarea relativa 5 3 3 1
Valoarea scalata 100 60 60 20
58
Exemplu In ceea ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru rezistenta la tractiune a materialului A este de 925 Pentru al doilea material aceasta valoare este de 100 In ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru duritate aceasta este de 100 pentru materialul A si de 857 pentru materialul B
Acest lucru poate schimba situatia ierarhica a materialelor sau le poate apropia atat de mult indicele de performanta incat sa se puna problema luari in considerare si a altor elemente pentru selectie
Astfel indicele de performanta a materialului este dat de relatia
unde P reprezinta indicele de performanta a materialuluildquoirdquo este suma celor ldquonrdquo proprietati considerate a materialul ui
59
Ponderea α poate fi considerata ca αilt1 astfel incat
(cazul cel mai frecvent) sau ei I se poate aloca o plaja de valori valoarea cea mai mare
corespunzand proprietatii cu cea mai mare importanta
Costul materialului poate fi considerat ca o proprietate (chiar importanta) acordandui-se o pondere ldquoαrdquo
In cazul luarii in considerare a unui numar mare de proprietati costul poate fi considerat un factor de corectie al indicelui de performanta a materialului rezultand indicele de merit al acestuia
in care ldquoprdquo reprezinta costul unitatii de greutate a materialului
60
Cand se doreste compararea mai multor materiale candidat (i) cu unul de baza (de referinta) se calculeaza indicele relativ de merit al fiecarui material astfel
Daca RMgt1 respectivul material candidat ldquoirdquo corespunde mai bine cerintelor decat materialul de referinta ldquobrdquoIn cazul in care Mb reprezinta minimul cerintelor impuse Materialele candidat avand RMlt1 pot fi eliminate de la inceput ca fiind necorespunzatoare
Cand trebuie luate in considerare mai multe proprietati ale materialului pentru evaluarea indicelui de performanta este dificila evaluarea ponderii acestora Rezolvarea aceste probleme poate fi realizata printr-o evaluare prin programe numerice
61
METODA CRESTERII INCREMENTALE
In anumite situatii pot aparea mai multe materiale care indeplinesc cerintele minime impuse de o anumita aplicatie
Dupa analiza acestor materiale se poate presupune ca performantele pieselor prelucrate sunt proportionale cu indicii de performanta ldquoPrdquo In acelasi timp costul piesei variaza proportional cu costul materialului si al prelucrarii acestora
Daca se doreste selectarea piesei care are cea mai mare performanta la cea mai rezonabila crestere a costului se poate face o analiza beneficiu-cost Procedeul se ia indeosebi cand se doreste inlocuirea unui material utilizat deja in fabricatie
Materialul cu cel mai scazut cost (1) se ca element de baza si este comparat cu materialul care are costul imediat superior (2) Comparatia se face determinand cresterea indicelui de performanta (ΔP=P2-P1) si a costului ldquoprdquo pe unitatea de volum (Δpρ=p2ρ2-p1ρ1)
Daca ΔPΔpρlt1 materialul 1 corespunde mai bine decat materialul 2 pentru aplicatia data si materialul 2 va fi eliminatDaca ΔPΔpρgt1 materialul 1 va fi eliminat deoarece materialul 2 corespunde mai bine cerintelor aplicatieiSe continua compararea cu al treilea material si rand pe rand vor fi eliminate materialele mai putin corespunzatoare ajungand la materialul optim
62
EXEMPLU DE SELECTIE A MATERIALELOR
Tema Realizarea piesesei din figura dintr-un otel ldquoOL37rdquo intr-o serie mare de fabricatie-Este o piesa cilindrica cu dimensiunile date-Are un butuc-Prezinta o gaura lunga si de diametre mic
oslash200oslash50
150oslash20
Se poate realiza din bara rotunda prin strunjire
Se poate realiza din bara rotunda prin forjare
80
Coeficientul de utilizare a materialului 055
Coeficientul de utilizare a materialului 098
63
Diametrul mm Inaltime mm Volum mm3 Volum mm3Coeficientul de
utilizare a materialului
Semif Pornire 200 150 4710000 4710000
Strunjire
200 80 2512000
2602275 055=5550 35 137375
20 150 47100
Forjare
200 80 25120002649375
098=9850 35 137375
20 150 47100 2602275
Coeficientul de utilizare a materialului K=greutatea piesei finitegreutatea materialului utilizat pentru realizarea lui (a semifabricatului de pornire)
In calcul s-a lucrat cu volumul materialului deoarece G=VρAdaosuriele de prelucrare s-u luat ca fiind egaleApare un mult mai bun grad de utilizare a materialului pentr prelucrarea prin forjare
PIESA SE VA REALIZA PRIN FORJARE
64
1
2
3
5
6
4
9
8
F
107F
1-semimatrita superioara2-semimatrita inferioara3-cavitatea semimatritei sup4-cavitatea semimatritei inf5-canalul de bavura6-canalul de refulare7-prinderea semimatritei sup8-prinderea semimatritei inf9-elemente de ghidare (stifturi)10-planul de separare
TEMA Sa se stabileasca materialul optim pentru realizarea elementelor active ale matrtei de forjare din figura Se urmreste obtinerea piesei prin forjare la cald
CERINTE PENTRU PROIECTARE
Analiza schiteiFunctia Elemete (semimatrite) de matrita de deformare plasticaObiectiv Trebuie maximalizata tenacitatea (rezilienta)Constrangeri Dimensiunile cavitatii matritei (depind de marimea piesei) dimensiunile exterioare si sistemul de prindere (depind de utilaj temperatura de lucruVariabile libere material
65
Se cauta in sursele de informatii structurate si nestructurate materialele care respecta cerintele
Elemente de matrita
Rezistente la cald
Tenacitate Duritate
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Materialele potrivite sunt metalele si aliajele lor
-Materialele ceramice nu au tenacitate-Materialele polimerice nu au rezistenta la cald-Materialele compozite sunt scumpe si nu au tenacitate
Depinde de compozitia lor
Se cauta materiale cu destinatie precisa Materiale pentru scule de deformare
66
Din baza de date se constata ca urmatoarele materiale satisfac
cerintele rigide adica sa poata fi utilizate la prelucrarea la cald
Sunt materiale cu destinatie precisaDaca nu sunt materiale cu destinatie
precisa se cauta in grupa materialelor cu destinatie generala
Material Rm min MPa HV A5 KCU Jcm3
C120 890 265 8 60
VMoC120 870 265 8 68
VC06 870 230 6 68
VCW85 870 265 6 80
MoCN15 830 250 7 75
VMoCN17 870 265 7 73
VSCW20 790 235 5 78
OSC7 640 195 12 56
OSC8 640 195 10 58
67
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU Jcm3 βKCU Indicele de
performanta PC120 890 265 8 60 101450
VMoC120 870 265 8 68 100650
VC06 870 230 6 68 97400
VCW85 870 265 6 80 101750
MoCN15 830 250 7 75 96750
VMoCN17 870 265 7 73 101100
VSCW20 790 235 5 78 92400
OSC7 640 195 12 56 74950
OSC8 640 195 10 58 75050Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza peoprietatii
68
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU
Jcm3 βKCU Indicele de performanta P
C120 890 100 265 10000 8 6667 60 75 25017000
VMoC120 870 9775 265 10000 8 6667 68 85 2835015356
VC06 870 9775 230 8679 6 5000 68 85 2126563155
VCW85 870 9775 265 10000 6 5000 80 100 2501682022
MoCN15 830 9326 250 9434 7 5833 75 9375 2735970124
VMoCN17 870 9775 265 10000 7 5833 73 9125 2663140356
VSCW20 790 8876 235 8868 5 4167 78 975 2032758226
OSC7 640 7191 195 7358 12 10000 56 70 3501237545
OSC8 640 7191 195 7358 10 8333 58 725 3022070878Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza proprietatii relative
69
Material Indicele de performanta P
VSCW20 2032758226
VC06 2126563155
VCW85 2501682022
C120 25017000
VMoCN17 2663140356
MoCN15 2735970124
VMoC120 2835015356
OSC8 3022070878
OSC7 3501237545
Material Indicele de performanta P
OSC7 74950
OSC8 75050
VSCW20 92400
MoCN15 96750
VC06 97400
VMoC120 100650
VMoCN17 101100
C120 101450
VCW85 101750
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile proprietatii materialului
ordonate crescator
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile relative ale proprietatii materialului ordonate crescator
70
Luand in considerare ca unele materiale sunt aliate cu siguranta acestea sunt mai scumpe
Daca luam in considerare costul unitar pentru otelurile carbon de scule iar densitatea de 785 (corespunzatoare fierului) se obtine indicele de merit
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
OSC7 74950 1 95477707 114
OSC8 75050 1 956050955 114
VSCW20 92400 14 840764331 100
MoCN15 96750 14 880345769 105
VC06 97400 12 103397028 123
VMoC120 100650 13 986281235 117
VMoCN17 101100 14 919927207 109
C120 101450 15 861571125 102
VCW85 101750 14 925841674 110
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea proprietatii materialului
71
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
VSCW20 2032758226 14 184964352 100
VC06 2126563155 12 225749804 122
VCW85 2501682022 14 227632577 123
C120 25017000 15 212458599 115
VMoCN17 2663140356 14 242323963 131
MoCN15 2735970124 14 248950876 135
VMoC120 2835015356 13 277806502 150
OSC8 3022070878 1 384977182 208
OSC7 3501237545 1 446017522 241
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea relativa a proprietatii materialului
72
Selectati materialele potrivite pentru piesele din imagine
Randul I 1 Serie mare de fabricatie-6p Randul II Serie mica (unicat) de fabricatie-6p
Randul I 2 Criterii de selectie a materialelor-1p3 Etapele selectiei materialelor ndash 1p4 Economicitatea piesei ndash 1p5 Strategii de selectie a materialelor ndash 1p
Randul II 2 Tipuri de date utilizate la selectia materialelor-1p3 Cum se face minimalizarea costurilor-1p4 Perofmantele piesei in functionare ndash 1p5 Care sunt cerintele fata de material ndash 1p
SUBIECTE EXAMEN
73
Date privind principalele proprietati tehnologice ale unor materiale
Material
Valorile proprietatii
Aschiabilitate Turnabilitate Sudabilitate Cost
F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba $tona
Otel de constructii (OL) X X X 140
Otel carbon de calitate (OLC) X X X
260
Fonte obisnuite (Fc) X X X 160
Punctaje 60 30 10 60 30 10 60 30 10
Avand in vedere ca pretul creste odata cu rezistenta la tractiune calculati costul fiecarui material prin inmultirea costului de baza cu valoarea proprietatii si impartiti la 100
74
Materiale ce pot fi luate in considerare spre analiza
Material Rm HV A Material Rm HV A Material Rm HV A
OL30 310 95 32 OLC8 324 140 33 Fc100 100 105 2
OL32 310 93 33 OLC10 321 150 31 Fc150 150 145 3
OL34 330 105 31 OLC15 373 155 27 Fc200 200 180 4
OL37 360 112 25 OLC20 410 165 25 Fc250 250 190 4
OL42 410 130 22 OLC25 450 175 24 Fc300 300 210 5
OL44 430 135 22 OLC30 490 180 21 Fc350 350 220 6
OL50 500 160 21 OLC35 530 195 21 Fc400 400 240 6
OL52 510 160 21 OLC40 570 200 19
OL60 590 185 16 OLC45 610 220 18
OL70 690 215 11 OLC50 640 230 16
OLC55 670 240 14
OLC60 700 255 14
Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50
Proprietatea tehnilogica intra cu o pondere de 100
VA UREZ SUCCES
21
Concluzii
Din punct de vedere al costului relativ la unitatea de greutate utilizarea otelului este cea mai avantajoasa
Cel mai mare consum mondial
Materialele polimerice si aluminiu tind sa se apropie de costurile otelului
Din punct de vedere al costului relativ la unitatea de volum costurile materialelor polimerice se apropie de cele ale otelurilor unele fiind mai ieftine
Apare o plaja larga a costurilor materialelor ingineresti
Uneori materialele nu sunt utilizate la adevarata lor capacitate deoarece o cerinta importanta este rigiditatea Din acest punct de vedere betonul are cel mai mic cost
Sunt aplicatii la care se cere rezistenta ridicata si greutate redusa Se constata ca materialele polimerice si piesele turnate din magneziu apar mai ieftine decat otelurile
22
In cazul unui produs evaluarea valorii lui se
face prin
Evaluarea calitativa a proprietatilor materialului
Cel mai ieftin
Cel mai usor de procutat
Care sa aiba aceeasi
functionalitate
In cazul selectiei materialelor
Pentru aceeasi functionalitate
La cel mai scazut cost
Sa se selecteze cel mai ieftin material
Sa se selecteze un material mai scump dar
care va simplifica prelucrare (eventual
eliminarea unor etape)
23
Otelurile slab aliate cu continut ridicat de mangan si
continut scazut de Ni si Cr
Inlocuiesc otelurile scumpe continand cantitati mai mari de Ni Cr Mo (elemente scumpe)
Acoperirile metalice Inlocuiesc (in conditii mai putin
severe de coroziune) otelurile inoxidabile
Durificarea superficiala sau ecruisarea prin deformare
plastica
Mareste rezistenta la uzare si la oboseala a otelurilor carbon evitand utilizarea otelurilor aliate scumpe
Acoperiri de tipul alitarii cromarii aplicate otelurilor
carbon
Confera rezistenta la temperaturi moderate elimina finisarea
(costisitoare)
24
Coeficientul de utilizare a materialului
Minimalizarea costului materialelor
Printr-o proiectare care sa reduca cantitatea necesara de materiale scumpe
Alegerea procedeelor de prelucrare adecvate
Stabilirea formei semifabricatului care sa maximalizeze coeficientul de utilizare a
materialelor in fabricatie
Materiale ieftine
- Cumparate in cantitati mari- Cele care au dimensiuni mari
Cand fabricatia cere piese de mai multe dimensiuni se poate
cumpara stoc mare de semifabricate la dimensiunea
cea mai mare a pieselor
Reulta deseuri si costuri suplimentare de
manopera
Punctul de rentabilitate in aceasta privinta este greu de evaluat
25
Coeficientul de utilizare a materialelor pentru diferite procedee de prelucrare este dat in urmatorul tabel
Metoda de prelucrare Coeficientul de utilizare
1 Fara modificarea masei
Turnare 70
Deformare plastica 75
Agregate de pulberi 90
2 Cu micsorare de masa
Aschiere 60
Eroziune 90
3 Prin marire de masa
Depuneri prin sudare 80
Depuneri prin metalizare 90
26
Competitia in domeniul materialelor
Odata cu aparitia unor materiale noi si scaderea pretului celor existente apare o COMPETITIE INTRE MATERIALE
Intre otel si aluminiu la obtinerea cutiilor
de bauturi
Intre aluminiu si materiale polimerice
(armate) la constructia aeronavelor
Intre materiale polimerice si cupru
plumb fonta la instalatiile de apa
ProprietateaAliaj ZnAl4 turnat sub presiune
Polistiren ABS
Naylon 66
Policar-bonat
Polipr-opilena
Rezistenta la tractiune MNmm2 260 54 52 70 35
Rezistenta la tractiune prin soc (relativ) 79 1 33 36 16
Rezistenta la fluaj (exprimata ca modul de elasticitate aparent la 100 h MNmm2) 51100 1470 420 2030 308
Rezistenta la oboseala prin incovoiere la 107 cicluri MNmm2 644 154 14 7 182
Temperatura de stabilitate termica la 18 MNmm2 (oC) gt488 345 324 403 332
Modificarea rezistentei la tractiune dupa 500h de expunere in conditii atmosferice ()
+05 -8 +10 -11 -30
Densitatea (relativa) 667 105 114 12 09
Costul unitatii de greutate (relativ Zn=1) 1 21 374 42 14
Costul unitatii de volum raportat la rezistenta la tractiune (relativ) 1 21 37 30 16
Costul unitatii de volum raportat la rezistenta la fluaj (relativ) 1 117 183 19 30
Costul unitatii de volum raportat la rezistenta la tractiune prin soc (relativ) 1 27 15 16 09
Costul unitatii de volum raportat la rezistenta la oboseala (relativ) 1 09 18 34 04
In situatia in care piesa are un rol decorativ ndash materialul plastic este
important
27
Costul prelucrarii poate juca un rol important in procesul
selectiei
Alama mai ieftina pentru anumite piese decat otelul laminat deoarece se prelucreaza cu viteza mai mare
Costul alamei este mai mare decat a otelului
Aluminiul se prelucreaza mai usor si are greutate specifica mai mica
Poate inlocui fonta otelul si aliajele lui chiar
daca sunt mai ieftine
Materialele plastice se prelucreaza foarte usor si devin economice la
serie mare
Pot inlocui orice tip de material la diferite
aplicatii
Criteriul economic privind costul materialului nu este
concludent la selectarea materialului
Devine important COSTUL REPERULUI
28
Costul de baza al materialului
Cheltuieli de dezvoltaresi utilizare a
echipamentelor
Cheltuieli de prelucrareDeterminate de material de procedeu de forma
de precizie
COSTUL REPERULUI
Costurile reperului
29
Reper Comportare Costuri
Cheltuieli de intretineresi reparatii cu reperul
UtilizareCheltuieli de exploatare
Durabilitate
ECONOMICITATEA REPERULUI
Economicitatea reperului
30
CERINTE IMPUSE MATERIALULUIPIESE
Problema selectiei materialului este complexa
datorita
Varietatii materialelor ingineresti
Severitatii cerintelor functionale impuse
Cerinta diminuarii costurilor
Severitatii cerintelor functionale impuse
Prelucrarile la care este supus materialul
Geometria pieselor
Solicitarile la care este supus materialul
INFLUENTEAZA PROPRIETATILE MATERIALELOR
31
Comportarea materialului in produsul finit este sensibil diferita de cea a semifabricatului din care a fost obtinut
Comportarea materialului in piesa
(C)
Proprietatile materialului (M)
Influenta procedeului de prelucrare (P)
Forma piesei si fortele exterioare la care este
supusa (F)
Arata influenta directa a proprietatilor
semifabricatului a procedeului de prelucrare
a formei geometrice si a actiunii fortelor exterioare
asupra comportarii materialelor in piesa finita
Influenteaza direct comportarea
materialului in piesa
Este foarte important a se apela la criterii de proiectare adecvata
32
Influenta procedeului de prelucrare (P)
Prezenta muchiilor ascutite si a filetelor
Rugozitatea suprafetei
Afecteaza intr-o masura mai mare comportarea otelurilor de inalta rezistenta
decat a celor moi
Afecteaza intr-o masura mai mare comportarea materialelor la solicitari
variabile (oboseala) decat la solicitari statice
Interesul se focalizeaza preponderent pe performanta piesei in functionare si mai putin pe comportarea materialului in piesa
Comportarea materialului in piesa (proprietatile piesei)
Performantele piesei in functionare
Comportarea materialului in functionareConditiile de functionare
Factori care influenteaza
performantele piesei in functionare
33
CLASIFICAREA CERINTELOR IMPUSE MATERIALELOR
Cerintele impuse materialelor
Cerinte ldquorigiderdquo sau nenegociabile
Cerinte ldquonerigiderdquo ldquorelativerdquo sau
negociabile
Sunt cerintele care trebuie satisfacute obligatoriu de
material pentru a fi luate in considerare la selectie
bull Disponibilitatebull Prelucrabilitatebull Caracteristici minime
In anumite limite sunt supuse compromisului Pot fi comparate dpdv al importantei lor relative pentru o
aplicatie data in cadrul metodelor cantitative de selectie a materialelor
bull Proprietati mecanicebull Densitatebull Costul
In functie de tipul aplicatiei aceste cerinte isi pot schimba caracterul (din ldquonegociabilerdquo in ldquonenegociabile
Modificarea clasei de material selectate in final
34
EXEMPLE
Butelie de aragaz
Rezistenta Ductilitate Cost
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Rezistenta Ductilitate ρmic
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Butelii pentru gaze utilizate in aviatie
Costul este nenegociabil Oteluri pentru recipienti sub
presiune la temperaturi joase ndash R37 R44
Greutate cat mai mica (considerata nenegociabila) Materiale compozite (Kevlar 49-matrice epoxidica armata
cu fibre de poliamida)
35
MODALITATI DE ABORDARE A SELECTIEI MATERIALELOR SI PROCEDEELOR DE PRELUCRARE
Aparitia unor materiale noi si a competitiei intre materiale
Abordari noi in selectia materialelor si a procedeelor de prelucrare
Materialele plastice folosite la obtinerea pieselor complexe si de buna calitate inalta tehnologie
Materialele compozite au condus la reducerea substantiala a
greutatii produsului
Materiale sinterizate utilizate la obtinerea pieselor fara pierderi de material si consum de enetgie
scazut
Ingineria suprafetelor ofera posibilitati de modificare a
suprafetelor si coferirea unor proprietati deosebite
Cu toate aceste proiectantii se limiteaza la selectia
materialelor si procedeelor de prelucrare cunoscute mai bine
- Evitarea riscurilor- Nu este cunoscuta existenta unor noi materiale- Nu sunt cunoscute noile tehnologii de fabricatie etc
Proiectarea industriala trebuie asociata cu design-ul realizarea unei forme estetice obtinerea unui aspect exterior
placut
Design-ul industrial include mai mult decat o stilizare
Alegerea materialului permite un anumit design sau altul
36
La selectarea functiunii produsului (comportarea lui in exploatare-C) a materialelor (M) a
procedeelor de prelucrare (P) a formei (F) trebuie sa se tina seama ca acestea se intrepatrund (trebuie
sa tin seama in acelasi timp de ele)
Dificil Pot fi urmate diferite
succesiuni
Succesiunea CFMP prezinta urmatoarea
ordine de luare in considerare
-functionalitatea produsului (C)-forma piesei-materialul piesei-procedeul de prelucrare
Pot exista diferite succesiuni
Conduce la solutii diferite
Cadrul face conexiunea intre roti
saua bicicletei pedale ghidon
EXEMPLU Succesiunea CFMP
Functionalitatea si forma sunt aceleasi
Teava de aluminiu
Sudare
Succesiunea CFPM
Functionalitatea si forma sunt aceleasi
Sudare Teava de otel-se sudeaza mai bine
Succesiunea CMPF
Functionalitatea este aceeasi
Ca material se poate alege unul compozit
Sudare lipire
Forma aceeasi sau nu
Succesiunea CPMF
Poate fi aleasa presarea unui material superplastic
Alegerea ca material aluminiul
Forma S asimetrica plata
37
Pe baza functiunilor impuse produsului proiectantul schiteaza o serie de solutii tinand seama
de-materialele ce pot fi folosite-procedeele de fabricatie ce pot fi aplicate-formele potrivite ca functionalitate si design
Fiecare combinatie materialprocedeu de prelucrare conduce la diferite forme
Pot fi generate un numar
diferit de forme
Este o abordare CPMF sau CMPF
38
STRATEGII DE SELECTIE A MATERIALELOR
O strategie de selectie are doua componente
Formularea marimi prin care sa se evaluare un set de cerinte impuse materialului
Un procedeu de evaluare a marimii cerintelor prin care sa
se poata face ierarhizarea acestora in functie de masura in
care acestea sunt indeplinite
Strategiile cauta cai de implementare a procesului si anume de a converti un set de date ldquode intrarerdquo (cerintele proiectarii)
intr-un set de date ldquode iesirerdquo- alegerea materialului si a procedeului de prelucrare
39
Cerintele proiectarii
Materiale si procedee de prelucrare selectate
Strategii de selectie
Date initiale Functie de transfer Date finale
Strategia 1 Cautare libera implicand analiza rationala
Strategia 2 Bazata pe chestionare Este o selectie prin expertiza
Strategia 3 Analogie bazata pe cazuri anterioare
Posibila inovatie
Ofera solutii cunoscute
Ofera solutii similare cu situatia prezenta
Ofera mare libertate de selectie dar putina ghidare in proces
Ofera multa ghidare in proces dar putina libertate de selectie
Ofera idei ale solutiilor anterioare pentru probleme similare
40
SELECTIA LIBERA BAZATA PE ANALIZA RATIONALA
Este rapida si eficienta
Ofera o mare libertate pentru aplicatii
Ofera solutii noi si inovative
Avantaje
Are nevoie de date de intrare precis detaliate intr-o forma ce pot fi analizate prin metode ingineresti
standard
EXEMPLU
Gasiti un material pentru o bara de lungime L care sa
suporte o forta F la temperatura T si sa fie cat mai usoara
Cerinte pentru proiectare
ANALIZA SCHITEIFunctia Ce trebuie sa faca piesaObiective Ce trebuie maximalizat sau minimalizatConstrangeri Ce conditii esentiale trebuie sa fie indepliniteVariabile libere Care variabile ale proiectului sunt libere (cerinte nerigide)
41
Functia Ce trebuie sa faca piesa
Obiective Ce trebuie maximalizat sau minimalizat
Variabile libere Care variabile ale proiectului sunt libere (cerinte nerigide)
De a rezista la momente de incovoiere trebuie sa suporta incarcatura pentru care a fost proiectata fara a se deforma
Constrangeri Ce conditii esentiale trebuie sa fie indeplinite
Lungimea L data Tigiditatea S data Sa reziste si sa nu se deformeze la temperatura T
Trebuie minimalizata greutate
Aria sectiunii Costul
Procesul de selectie a avea 3 pasi
Filtrarea Se folseste de constrangeri pentru inlaturarea materialelor care nu indeplinesc cerintele
IerarhizareaSe folseste de marimea performantelor materialelor ramase in discutie pentru a le ordona
Documentarea
Analizeaza informatiile nestructurate le structureaza si le introduce in structura ierarhizata realizand o fisa cu informatii care ajuta selectia finala a materialului
42
Ierarhizarea se face parcurgand mai multe faze
Identificarea unuia sau a mai multor indici de performanta corespunzatori functiei obiectivului si constrangerilor
Indicele de performanta permite optimizarea selectiei
Pentru identificarea acestor indici se parcurg urmatoarele etape
Transpunerea intr-o relatie a obiectivului (entitatea) ce trebuie minimalizata sau maximalizata
Analiza grupului de proprietati (indicele de performanta) care maximalizeaza obiectivul
Eliminarea din aceasta relatie a variabilelor libere utilizand constrangerile (ex valoarea impusa rigiditatii a incarcarii limita a unui moment a presiunii a temperaturii de lucru sau al tenacitatii
43
EXEMPLU
TEMAGasiti un material pentru o bara de lungime L care sa
suporte o forta F la temperatura T si sa fie cat mai usoara
b
b
Lδ
F
Sageata
Sectiunea
CERINTELE PROIECTARIIFunctia Bara incarcata la incovoiereObiectiv Minimalizarea greutatiiConstrangeri Lungimea L data Rigiditatea S data Temperatura de exploatare T data (500deg)Variabile libere Aria sectiunii A Materialul de selectat
Se alege masa ldquomrdquo ca indice de performanta (trebuie sa fie minimalizat)
Masa barei este
Constrangerea privind rigiditatea va determina aria sectiunii ASageata unei bare simplu rezemata (forta actionand la mijloc) este data de relatia
44
unde E-modulul de elasticitate al materialului barei I-momentul de inertie al sectiunii grinzii
CL-reprezinta o constanta ce depinde de modul de distributie a fortei F (CL=48)
Rigiditatea barei este data de relatia
Din aceasta ultima relatie rezulta aria sectiunii A
Prin substitutia acestei relatii in relatia de determinare a masei grinzii se obtine indicele de performanta m
Valorile S L CL sunt date de proiect
Cea mai usoara bara este acea realizata dintr-un material care are cea mai mare valoare pentru
raport numit si ldquoindice de materialrdquo
Functia Incarcarea ConstrangeriIndici de
performantaRelatia
indicelui
Structuri de masa minima
Tija
BaraStatica
Rigiditate
Tractiune Eρ
Compresiune Eρ
Incovoiere E12ρ
Torsiune E12ρ
Rezistenta
Tractiune σrρ
Compresiune σcρ
Incovoiere σr23ρ
Torsiune σc23ρ
Dinamica
Panou
45
Exista mai multi indici de performanta fiecare realizand o combinatie dintre obiectiv si constrangere
46
47
48
METODE CANTITATIVE DE SELECTIE A MATERIALELOR CANDIDATE
Materialele candidat sunt materialele care satisfac cerintele cuprinse in matricea de cerinte rezultate dinbull Cerintele functionalebull Siguranta in functionarebull Functionarea in conditii ambientale de exploatarebull Cerintele de prelucrabilitatebull Economicitatea piesei
Care din aceste materiale vor fi luate in considerare la realizarea piesei
Evaluarea materialelor candidat
Evaluarea presupune compararea materialelor candidat care indeplinesc cerintele negociabile cu caracteristicile efective ale materialului in vederea selectarii celui optim pentru o aplicatie data
49
Evaluarea materialelor candidat
Este mai simpla pentru metodele cantitative de evaluare
Trebuie sa tina seama de anumite avantaje (usurinta procurarii materialului distanta pana la furnizor seriozitatea furnizarii constanta in calitatea produselor etc) care pot introduce anumite limitari determinand anumite compromisuri
In cele mai multe cazuri metodele cantitative de selectie conduc la materialul optim pentru o aplicatie
Metodele cantitative pot fi reluate odata cu schimbarea importantei relative a cerintelor negociabile
ATENTIE Cerintele nenegociabile trebuie satisfacute in totalitate si intocmai
Daca niciun material nu satisfac cerintele negociabile atunci fie ca acestea trebuie relaxate fie se impune reproiectarea produsului
50
Selectia este o operatie complexa
Numar mare de materiale cu o plaja larga de proprietati
Daca se face intamplator
Apare riscul de a omite anumite materiale candidate
Reducerea riscului prin adoptarea unei metode sistematice de selectie a materialelor
Metodele cantitative
Permitbull analiza unui numar ridicat de datebull a multor specificatii implicate in selectia materialelorbull pot fi adaptate pentru o selectie asistata de calculator
dintr-o baza de date
Metodele nu elimina capacitatea de analiza si experienta ingineruluiAceste metode sprijina inginerul in alegerea optima
51
METODA COSTULUI RAPORTAT LA UNITATEA DE PROPRIETATE
Economicitatea piesei
Costul initial al materialului
Costul prelucrarii si montarii
Costul functionarii si intretinerii
Unele dintre aceste costuri cresc odata cu cresterea
valorii proprietatilor altele scad
Proprietatea (Rm)
Costul piesei
Alte costuri
Costul total
Cos
tul
Cost minim
Odata cu cresterea rezistentei- Prelucrare mai dificila- Greutatea pe piesa scade- Durabilitatea in exploatare
creste si deci numarul de piese in utilizate in timp mai mic
Costul total este suma costului piesei si a celorlalte costuri
52
Valoarea optima a proprietatii (aici Rm) apare la costul minim
In piata costul materialului este legat de greutatea sau volumul (dupa caz) materialului
Se poate stabili o comparatie a materialelor intre proprietatile relative (proprietatea raportata la
greutatea specifica) De exemplu rezistenta rigiditatea modul de elasticitate etc
Criteriul esential este costul raportat la unitatea de rezistenta la tractiune
C=pρσ
C- costul asigurarii unei rezistente de 1 MPap- costul unitatii de proprietate a materialului
ρ- densitatea materialului
σr- rezistenta la tractiune
Cu cat valoarea lui ldquoCrdquo este mai mica cu atat materialul
este mai economic
53
Relatii asemanatoare pot fi obtinute si pentru alte proprietati cum ar fi- limita la curgere- modulul de elastuicitate- factorul de intensitate a tensiunii etc
Costul unitatii de proprietate pentru diferite moduri de solicitare
54
Compararea materialelor privind aceste costuri este esentiala
Se compara materialele intre ele
Este dificilSe ia un material de referinta
Costul relativ pe unitatea de proprietate a materialului candidat ldquoirdquo raportat la costul relativ pe unitatea de proprietate a materialului de referinta ldquobrdquo este dat de relatia
Daca CR este subunitar materialul candidat este mai ieftin decat materialul de referinta
Materialul de referinta este eliminat si materialul candidat se ia ca material de referinta pentru urmatoarea comparatie
Daca CR este supra unitar materialul candidat este mai scump decat materialul de referinta
Materialul de referinta se ia ca material de comparatie pentru urmatoarea analiza
55
METODA PONDERARII PROPRIETATILOR
Este o metoda pentru rezolvarea unor solutii mai comlexe de materiale materiale si proprietati
Fiecarei proprietati a materialului i se acorda o pondere rdquoαrdquo
Ponderea este proportionala cu importanta relativa a proprietatii pentru performanta in exploatare a materialului pentru aplicatia data
Ponderea proprietatii este egala cu produsul dintre valoarea numerica a proprietatii materialului ldquoprdquo si ponderea ei ldquoαrdquo
γ=pα
Insumand toate aceste produse pentru un material se obtine un indice de performanta ldquoPrdquo al materialului
Aceasta metoda ia in considerare toate proprietatile materialului
Comparand mai multe materiale prin indicele de performanta se poate gasi cel mai performant material pentru o aplicatie
56
Dezavantajul acestei metode consta in faptul ca in cazul unei proprietati care are o valoare ridicata aceasta v-a avea o influenta mai mare asupra indicelui de performanta decat ponderea ei
Exemplu Un material A care are Rm=370 MPa si o duritate de 350 HRB si un alt material B care are Rm=400 MPa si o duritate de 300 HRBStabilind ponderea proprietatii de 100 pentru rezistenta si 90 pentru duritate se obtine un indice de performanta de 68500 pentru material ul A si 67000 pentru materialul B
Inseamna ca impotriva importantei rezistentei la tractiune (ca fiind primul criteriu de selectie) si care este mai mare pentru materialul B indicele de performanta al materialului A este mai mare si deci acest material v-a fi selectat
La evaluarea materialelor candidat se va lucra cu valori relative ldquoβrdquo ale unei anumite proprietati celei mai mari valori a proprietatii atribuindu-se valoarea 100 iar celelalte valori relative se determina cu relatia
57
Pentru proprietatile materialelor care nu se exprima in mod obisnuit prin valori numerice (rezistenta la uzare sudabilitatea aschiabilitatea diferite proprietati tehnologice etc) evaluarea se poate face relativ la una dintre proprietati astfel
Astfel fiecarei proprietati I se acorda o importanta egalasi ea va influenta indicii de performanta ai materialelor doar comparate doar in masura ponderii acordate
Pentru proprietati ale caror valori se doreste a fi cat mai mici (densitatea pierderea de greutate prin coroziune etc) evaluarea se face printr-un raport invers
ProprietateaMateriale alternative
A B C D
Sudabilitatea Foarte buna Buna Buna Satisfacatoare
Evaluarea relativa 5 3 3 1
Valoarea scalata 100 60 60 20
58
Exemplu In ceea ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru rezistenta la tractiune a materialului A este de 925 Pentru al doilea material aceasta valoare este de 100 In ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru duritate aceasta este de 100 pentru materialul A si de 857 pentru materialul B
Acest lucru poate schimba situatia ierarhica a materialelor sau le poate apropia atat de mult indicele de performanta incat sa se puna problema luari in considerare si a altor elemente pentru selectie
Astfel indicele de performanta a materialului este dat de relatia
unde P reprezinta indicele de performanta a materialuluildquoirdquo este suma celor ldquonrdquo proprietati considerate a materialul ui
59
Ponderea α poate fi considerata ca αilt1 astfel incat
(cazul cel mai frecvent) sau ei I se poate aloca o plaja de valori valoarea cea mai mare
corespunzand proprietatii cu cea mai mare importanta
Costul materialului poate fi considerat ca o proprietate (chiar importanta) acordandui-se o pondere ldquoαrdquo
In cazul luarii in considerare a unui numar mare de proprietati costul poate fi considerat un factor de corectie al indicelui de performanta a materialului rezultand indicele de merit al acestuia
in care ldquoprdquo reprezinta costul unitatii de greutate a materialului
60
Cand se doreste compararea mai multor materiale candidat (i) cu unul de baza (de referinta) se calculeaza indicele relativ de merit al fiecarui material astfel
Daca RMgt1 respectivul material candidat ldquoirdquo corespunde mai bine cerintelor decat materialul de referinta ldquobrdquoIn cazul in care Mb reprezinta minimul cerintelor impuse Materialele candidat avand RMlt1 pot fi eliminate de la inceput ca fiind necorespunzatoare
Cand trebuie luate in considerare mai multe proprietati ale materialului pentru evaluarea indicelui de performanta este dificila evaluarea ponderii acestora Rezolvarea aceste probleme poate fi realizata printr-o evaluare prin programe numerice
61
METODA CRESTERII INCREMENTALE
In anumite situatii pot aparea mai multe materiale care indeplinesc cerintele minime impuse de o anumita aplicatie
Dupa analiza acestor materiale se poate presupune ca performantele pieselor prelucrate sunt proportionale cu indicii de performanta ldquoPrdquo In acelasi timp costul piesei variaza proportional cu costul materialului si al prelucrarii acestora
Daca se doreste selectarea piesei care are cea mai mare performanta la cea mai rezonabila crestere a costului se poate face o analiza beneficiu-cost Procedeul se ia indeosebi cand se doreste inlocuirea unui material utilizat deja in fabricatie
Materialul cu cel mai scazut cost (1) se ca element de baza si este comparat cu materialul care are costul imediat superior (2) Comparatia se face determinand cresterea indicelui de performanta (ΔP=P2-P1) si a costului ldquoprdquo pe unitatea de volum (Δpρ=p2ρ2-p1ρ1)
Daca ΔPΔpρlt1 materialul 1 corespunde mai bine decat materialul 2 pentru aplicatia data si materialul 2 va fi eliminatDaca ΔPΔpρgt1 materialul 1 va fi eliminat deoarece materialul 2 corespunde mai bine cerintelor aplicatieiSe continua compararea cu al treilea material si rand pe rand vor fi eliminate materialele mai putin corespunzatoare ajungand la materialul optim
62
EXEMPLU DE SELECTIE A MATERIALELOR
Tema Realizarea piesesei din figura dintr-un otel ldquoOL37rdquo intr-o serie mare de fabricatie-Este o piesa cilindrica cu dimensiunile date-Are un butuc-Prezinta o gaura lunga si de diametre mic
oslash200oslash50
150oslash20
Se poate realiza din bara rotunda prin strunjire
Se poate realiza din bara rotunda prin forjare
80
Coeficientul de utilizare a materialului 055
Coeficientul de utilizare a materialului 098
63
Diametrul mm Inaltime mm Volum mm3 Volum mm3Coeficientul de
utilizare a materialului
Semif Pornire 200 150 4710000 4710000
Strunjire
200 80 2512000
2602275 055=5550 35 137375
20 150 47100
Forjare
200 80 25120002649375
098=9850 35 137375
20 150 47100 2602275
Coeficientul de utilizare a materialului K=greutatea piesei finitegreutatea materialului utilizat pentru realizarea lui (a semifabricatului de pornire)
In calcul s-a lucrat cu volumul materialului deoarece G=VρAdaosuriele de prelucrare s-u luat ca fiind egaleApare un mult mai bun grad de utilizare a materialului pentr prelucrarea prin forjare
PIESA SE VA REALIZA PRIN FORJARE
64
1
2
3
5
6
4
9
8
F
107F
1-semimatrita superioara2-semimatrita inferioara3-cavitatea semimatritei sup4-cavitatea semimatritei inf5-canalul de bavura6-canalul de refulare7-prinderea semimatritei sup8-prinderea semimatritei inf9-elemente de ghidare (stifturi)10-planul de separare
TEMA Sa se stabileasca materialul optim pentru realizarea elementelor active ale matrtei de forjare din figura Se urmreste obtinerea piesei prin forjare la cald
CERINTE PENTRU PROIECTARE
Analiza schiteiFunctia Elemete (semimatrite) de matrita de deformare plasticaObiectiv Trebuie maximalizata tenacitatea (rezilienta)Constrangeri Dimensiunile cavitatii matritei (depind de marimea piesei) dimensiunile exterioare si sistemul de prindere (depind de utilaj temperatura de lucruVariabile libere material
65
Se cauta in sursele de informatii structurate si nestructurate materialele care respecta cerintele
Elemente de matrita
Rezistente la cald
Tenacitate Duritate
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Materialele potrivite sunt metalele si aliajele lor
-Materialele ceramice nu au tenacitate-Materialele polimerice nu au rezistenta la cald-Materialele compozite sunt scumpe si nu au tenacitate
Depinde de compozitia lor
Se cauta materiale cu destinatie precisa Materiale pentru scule de deformare
66
Din baza de date se constata ca urmatoarele materiale satisfac
cerintele rigide adica sa poata fi utilizate la prelucrarea la cald
Sunt materiale cu destinatie precisaDaca nu sunt materiale cu destinatie
precisa se cauta in grupa materialelor cu destinatie generala
Material Rm min MPa HV A5 KCU Jcm3
C120 890 265 8 60
VMoC120 870 265 8 68
VC06 870 230 6 68
VCW85 870 265 6 80
MoCN15 830 250 7 75
VMoCN17 870 265 7 73
VSCW20 790 235 5 78
OSC7 640 195 12 56
OSC8 640 195 10 58
67
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU Jcm3 βKCU Indicele de
performanta PC120 890 265 8 60 101450
VMoC120 870 265 8 68 100650
VC06 870 230 6 68 97400
VCW85 870 265 6 80 101750
MoCN15 830 250 7 75 96750
VMoCN17 870 265 7 73 101100
VSCW20 790 235 5 78 92400
OSC7 640 195 12 56 74950
OSC8 640 195 10 58 75050Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza peoprietatii
68
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU
Jcm3 βKCU Indicele de performanta P
C120 890 100 265 10000 8 6667 60 75 25017000
VMoC120 870 9775 265 10000 8 6667 68 85 2835015356
VC06 870 9775 230 8679 6 5000 68 85 2126563155
VCW85 870 9775 265 10000 6 5000 80 100 2501682022
MoCN15 830 9326 250 9434 7 5833 75 9375 2735970124
VMoCN17 870 9775 265 10000 7 5833 73 9125 2663140356
VSCW20 790 8876 235 8868 5 4167 78 975 2032758226
OSC7 640 7191 195 7358 12 10000 56 70 3501237545
OSC8 640 7191 195 7358 10 8333 58 725 3022070878Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza proprietatii relative
69
Material Indicele de performanta P
VSCW20 2032758226
VC06 2126563155
VCW85 2501682022
C120 25017000
VMoCN17 2663140356
MoCN15 2735970124
VMoC120 2835015356
OSC8 3022070878
OSC7 3501237545
Material Indicele de performanta P
OSC7 74950
OSC8 75050
VSCW20 92400
MoCN15 96750
VC06 97400
VMoC120 100650
VMoCN17 101100
C120 101450
VCW85 101750
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile proprietatii materialului
ordonate crescator
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile relative ale proprietatii materialului ordonate crescator
70
Luand in considerare ca unele materiale sunt aliate cu siguranta acestea sunt mai scumpe
Daca luam in considerare costul unitar pentru otelurile carbon de scule iar densitatea de 785 (corespunzatoare fierului) se obtine indicele de merit
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
OSC7 74950 1 95477707 114
OSC8 75050 1 956050955 114
VSCW20 92400 14 840764331 100
MoCN15 96750 14 880345769 105
VC06 97400 12 103397028 123
VMoC120 100650 13 986281235 117
VMoCN17 101100 14 919927207 109
C120 101450 15 861571125 102
VCW85 101750 14 925841674 110
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea proprietatii materialului
71
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
VSCW20 2032758226 14 184964352 100
VC06 2126563155 12 225749804 122
VCW85 2501682022 14 227632577 123
C120 25017000 15 212458599 115
VMoCN17 2663140356 14 242323963 131
MoCN15 2735970124 14 248950876 135
VMoC120 2835015356 13 277806502 150
OSC8 3022070878 1 384977182 208
OSC7 3501237545 1 446017522 241
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea relativa a proprietatii materialului
72
Selectati materialele potrivite pentru piesele din imagine
Randul I 1 Serie mare de fabricatie-6p Randul II Serie mica (unicat) de fabricatie-6p
Randul I 2 Criterii de selectie a materialelor-1p3 Etapele selectiei materialelor ndash 1p4 Economicitatea piesei ndash 1p5 Strategii de selectie a materialelor ndash 1p
Randul II 2 Tipuri de date utilizate la selectia materialelor-1p3 Cum se face minimalizarea costurilor-1p4 Perofmantele piesei in functionare ndash 1p5 Care sunt cerintele fata de material ndash 1p
SUBIECTE EXAMEN
73
Date privind principalele proprietati tehnologice ale unor materiale
Material
Valorile proprietatii
Aschiabilitate Turnabilitate Sudabilitate Cost
F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba $tona
Otel de constructii (OL) X X X 140
Otel carbon de calitate (OLC) X X X
260
Fonte obisnuite (Fc) X X X 160
Punctaje 60 30 10 60 30 10 60 30 10
Avand in vedere ca pretul creste odata cu rezistenta la tractiune calculati costul fiecarui material prin inmultirea costului de baza cu valoarea proprietatii si impartiti la 100
74
Materiale ce pot fi luate in considerare spre analiza
Material Rm HV A Material Rm HV A Material Rm HV A
OL30 310 95 32 OLC8 324 140 33 Fc100 100 105 2
OL32 310 93 33 OLC10 321 150 31 Fc150 150 145 3
OL34 330 105 31 OLC15 373 155 27 Fc200 200 180 4
OL37 360 112 25 OLC20 410 165 25 Fc250 250 190 4
OL42 410 130 22 OLC25 450 175 24 Fc300 300 210 5
OL44 430 135 22 OLC30 490 180 21 Fc350 350 220 6
OL50 500 160 21 OLC35 530 195 21 Fc400 400 240 6
OL52 510 160 21 OLC40 570 200 19
OL60 590 185 16 OLC45 610 220 18
OL70 690 215 11 OLC50 640 230 16
OLC55 670 240 14
OLC60 700 255 14
Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50
Proprietatea tehnilogica intra cu o pondere de 100
VA UREZ SUCCES
22
In cazul unui produs evaluarea valorii lui se
face prin
Evaluarea calitativa a proprietatilor materialului
Cel mai ieftin
Cel mai usor de procutat
Care sa aiba aceeasi
functionalitate
In cazul selectiei materialelor
Pentru aceeasi functionalitate
La cel mai scazut cost
Sa se selecteze cel mai ieftin material
Sa se selecteze un material mai scump dar
care va simplifica prelucrare (eventual
eliminarea unor etape)
23
Otelurile slab aliate cu continut ridicat de mangan si
continut scazut de Ni si Cr
Inlocuiesc otelurile scumpe continand cantitati mai mari de Ni Cr Mo (elemente scumpe)
Acoperirile metalice Inlocuiesc (in conditii mai putin
severe de coroziune) otelurile inoxidabile
Durificarea superficiala sau ecruisarea prin deformare
plastica
Mareste rezistenta la uzare si la oboseala a otelurilor carbon evitand utilizarea otelurilor aliate scumpe
Acoperiri de tipul alitarii cromarii aplicate otelurilor
carbon
Confera rezistenta la temperaturi moderate elimina finisarea
(costisitoare)
24
Coeficientul de utilizare a materialului
Minimalizarea costului materialelor
Printr-o proiectare care sa reduca cantitatea necesara de materiale scumpe
Alegerea procedeelor de prelucrare adecvate
Stabilirea formei semifabricatului care sa maximalizeze coeficientul de utilizare a
materialelor in fabricatie
Materiale ieftine
- Cumparate in cantitati mari- Cele care au dimensiuni mari
Cand fabricatia cere piese de mai multe dimensiuni se poate
cumpara stoc mare de semifabricate la dimensiunea
cea mai mare a pieselor
Reulta deseuri si costuri suplimentare de
manopera
Punctul de rentabilitate in aceasta privinta este greu de evaluat
25
Coeficientul de utilizare a materialelor pentru diferite procedee de prelucrare este dat in urmatorul tabel
Metoda de prelucrare Coeficientul de utilizare
1 Fara modificarea masei
Turnare 70
Deformare plastica 75
Agregate de pulberi 90
2 Cu micsorare de masa
Aschiere 60
Eroziune 90
3 Prin marire de masa
Depuneri prin sudare 80
Depuneri prin metalizare 90
26
Competitia in domeniul materialelor
Odata cu aparitia unor materiale noi si scaderea pretului celor existente apare o COMPETITIE INTRE MATERIALE
Intre otel si aluminiu la obtinerea cutiilor
de bauturi
Intre aluminiu si materiale polimerice
(armate) la constructia aeronavelor
Intre materiale polimerice si cupru
plumb fonta la instalatiile de apa
ProprietateaAliaj ZnAl4 turnat sub presiune
Polistiren ABS
Naylon 66
Policar-bonat
Polipr-opilena
Rezistenta la tractiune MNmm2 260 54 52 70 35
Rezistenta la tractiune prin soc (relativ) 79 1 33 36 16
Rezistenta la fluaj (exprimata ca modul de elasticitate aparent la 100 h MNmm2) 51100 1470 420 2030 308
Rezistenta la oboseala prin incovoiere la 107 cicluri MNmm2 644 154 14 7 182
Temperatura de stabilitate termica la 18 MNmm2 (oC) gt488 345 324 403 332
Modificarea rezistentei la tractiune dupa 500h de expunere in conditii atmosferice ()
+05 -8 +10 -11 -30
Densitatea (relativa) 667 105 114 12 09
Costul unitatii de greutate (relativ Zn=1) 1 21 374 42 14
Costul unitatii de volum raportat la rezistenta la tractiune (relativ) 1 21 37 30 16
Costul unitatii de volum raportat la rezistenta la fluaj (relativ) 1 117 183 19 30
Costul unitatii de volum raportat la rezistenta la tractiune prin soc (relativ) 1 27 15 16 09
Costul unitatii de volum raportat la rezistenta la oboseala (relativ) 1 09 18 34 04
In situatia in care piesa are un rol decorativ ndash materialul plastic este
important
27
Costul prelucrarii poate juca un rol important in procesul
selectiei
Alama mai ieftina pentru anumite piese decat otelul laminat deoarece se prelucreaza cu viteza mai mare
Costul alamei este mai mare decat a otelului
Aluminiul se prelucreaza mai usor si are greutate specifica mai mica
Poate inlocui fonta otelul si aliajele lui chiar
daca sunt mai ieftine
Materialele plastice se prelucreaza foarte usor si devin economice la
serie mare
Pot inlocui orice tip de material la diferite
aplicatii
Criteriul economic privind costul materialului nu este
concludent la selectarea materialului
Devine important COSTUL REPERULUI
28
Costul de baza al materialului
Cheltuieli de dezvoltaresi utilizare a
echipamentelor
Cheltuieli de prelucrareDeterminate de material de procedeu de forma
de precizie
COSTUL REPERULUI
Costurile reperului
29
Reper Comportare Costuri
Cheltuieli de intretineresi reparatii cu reperul
UtilizareCheltuieli de exploatare
Durabilitate
ECONOMICITATEA REPERULUI
Economicitatea reperului
30
CERINTE IMPUSE MATERIALULUIPIESE
Problema selectiei materialului este complexa
datorita
Varietatii materialelor ingineresti
Severitatii cerintelor functionale impuse
Cerinta diminuarii costurilor
Severitatii cerintelor functionale impuse
Prelucrarile la care este supus materialul
Geometria pieselor
Solicitarile la care este supus materialul
INFLUENTEAZA PROPRIETATILE MATERIALELOR
31
Comportarea materialului in produsul finit este sensibil diferita de cea a semifabricatului din care a fost obtinut
Comportarea materialului in piesa
(C)
Proprietatile materialului (M)
Influenta procedeului de prelucrare (P)
Forma piesei si fortele exterioare la care este
supusa (F)
Arata influenta directa a proprietatilor
semifabricatului a procedeului de prelucrare
a formei geometrice si a actiunii fortelor exterioare
asupra comportarii materialelor in piesa finita
Influenteaza direct comportarea
materialului in piesa
Este foarte important a se apela la criterii de proiectare adecvata
32
Influenta procedeului de prelucrare (P)
Prezenta muchiilor ascutite si a filetelor
Rugozitatea suprafetei
Afecteaza intr-o masura mai mare comportarea otelurilor de inalta rezistenta
decat a celor moi
Afecteaza intr-o masura mai mare comportarea materialelor la solicitari
variabile (oboseala) decat la solicitari statice
Interesul se focalizeaza preponderent pe performanta piesei in functionare si mai putin pe comportarea materialului in piesa
Comportarea materialului in piesa (proprietatile piesei)
Performantele piesei in functionare
Comportarea materialului in functionareConditiile de functionare
Factori care influenteaza
performantele piesei in functionare
33
CLASIFICAREA CERINTELOR IMPUSE MATERIALELOR
Cerintele impuse materialelor
Cerinte ldquorigiderdquo sau nenegociabile
Cerinte ldquonerigiderdquo ldquorelativerdquo sau
negociabile
Sunt cerintele care trebuie satisfacute obligatoriu de
material pentru a fi luate in considerare la selectie
bull Disponibilitatebull Prelucrabilitatebull Caracteristici minime
In anumite limite sunt supuse compromisului Pot fi comparate dpdv al importantei lor relative pentru o
aplicatie data in cadrul metodelor cantitative de selectie a materialelor
bull Proprietati mecanicebull Densitatebull Costul
In functie de tipul aplicatiei aceste cerinte isi pot schimba caracterul (din ldquonegociabilerdquo in ldquonenegociabile
Modificarea clasei de material selectate in final
34
EXEMPLE
Butelie de aragaz
Rezistenta Ductilitate Cost
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Rezistenta Ductilitate ρmic
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Butelii pentru gaze utilizate in aviatie
Costul este nenegociabil Oteluri pentru recipienti sub
presiune la temperaturi joase ndash R37 R44
Greutate cat mai mica (considerata nenegociabila) Materiale compozite (Kevlar 49-matrice epoxidica armata
cu fibre de poliamida)
35
MODALITATI DE ABORDARE A SELECTIEI MATERIALELOR SI PROCEDEELOR DE PRELUCRARE
Aparitia unor materiale noi si a competitiei intre materiale
Abordari noi in selectia materialelor si a procedeelor de prelucrare
Materialele plastice folosite la obtinerea pieselor complexe si de buna calitate inalta tehnologie
Materialele compozite au condus la reducerea substantiala a
greutatii produsului
Materiale sinterizate utilizate la obtinerea pieselor fara pierderi de material si consum de enetgie
scazut
Ingineria suprafetelor ofera posibilitati de modificare a
suprafetelor si coferirea unor proprietati deosebite
Cu toate aceste proiectantii se limiteaza la selectia
materialelor si procedeelor de prelucrare cunoscute mai bine
- Evitarea riscurilor- Nu este cunoscuta existenta unor noi materiale- Nu sunt cunoscute noile tehnologii de fabricatie etc
Proiectarea industriala trebuie asociata cu design-ul realizarea unei forme estetice obtinerea unui aspect exterior
placut
Design-ul industrial include mai mult decat o stilizare
Alegerea materialului permite un anumit design sau altul
36
La selectarea functiunii produsului (comportarea lui in exploatare-C) a materialelor (M) a
procedeelor de prelucrare (P) a formei (F) trebuie sa se tina seama ca acestea se intrepatrund (trebuie
sa tin seama in acelasi timp de ele)
Dificil Pot fi urmate diferite
succesiuni
Succesiunea CFMP prezinta urmatoarea
ordine de luare in considerare
-functionalitatea produsului (C)-forma piesei-materialul piesei-procedeul de prelucrare
Pot exista diferite succesiuni
Conduce la solutii diferite
Cadrul face conexiunea intre roti
saua bicicletei pedale ghidon
EXEMPLU Succesiunea CFMP
Functionalitatea si forma sunt aceleasi
Teava de aluminiu
Sudare
Succesiunea CFPM
Functionalitatea si forma sunt aceleasi
Sudare Teava de otel-se sudeaza mai bine
Succesiunea CMPF
Functionalitatea este aceeasi
Ca material se poate alege unul compozit
Sudare lipire
Forma aceeasi sau nu
Succesiunea CPMF
Poate fi aleasa presarea unui material superplastic
Alegerea ca material aluminiul
Forma S asimetrica plata
37
Pe baza functiunilor impuse produsului proiectantul schiteaza o serie de solutii tinand seama
de-materialele ce pot fi folosite-procedeele de fabricatie ce pot fi aplicate-formele potrivite ca functionalitate si design
Fiecare combinatie materialprocedeu de prelucrare conduce la diferite forme
Pot fi generate un numar
diferit de forme
Este o abordare CPMF sau CMPF
38
STRATEGII DE SELECTIE A MATERIALELOR
O strategie de selectie are doua componente
Formularea marimi prin care sa se evaluare un set de cerinte impuse materialului
Un procedeu de evaluare a marimii cerintelor prin care sa
se poata face ierarhizarea acestora in functie de masura in
care acestea sunt indeplinite
Strategiile cauta cai de implementare a procesului si anume de a converti un set de date ldquode intrarerdquo (cerintele proiectarii)
intr-un set de date ldquode iesirerdquo- alegerea materialului si a procedeului de prelucrare
39
Cerintele proiectarii
Materiale si procedee de prelucrare selectate
Strategii de selectie
Date initiale Functie de transfer Date finale
Strategia 1 Cautare libera implicand analiza rationala
Strategia 2 Bazata pe chestionare Este o selectie prin expertiza
Strategia 3 Analogie bazata pe cazuri anterioare
Posibila inovatie
Ofera solutii cunoscute
Ofera solutii similare cu situatia prezenta
Ofera mare libertate de selectie dar putina ghidare in proces
Ofera multa ghidare in proces dar putina libertate de selectie
Ofera idei ale solutiilor anterioare pentru probleme similare
40
SELECTIA LIBERA BAZATA PE ANALIZA RATIONALA
Este rapida si eficienta
Ofera o mare libertate pentru aplicatii
Ofera solutii noi si inovative
Avantaje
Are nevoie de date de intrare precis detaliate intr-o forma ce pot fi analizate prin metode ingineresti
standard
EXEMPLU
Gasiti un material pentru o bara de lungime L care sa
suporte o forta F la temperatura T si sa fie cat mai usoara
Cerinte pentru proiectare
ANALIZA SCHITEIFunctia Ce trebuie sa faca piesaObiective Ce trebuie maximalizat sau minimalizatConstrangeri Ce conditii esentiale trebuie sa fie indepliniteVariabile libere Care variabile ale proiectului sunt libere (cerinte nerigide)
41
Functia Ce trebuie sa faca piesa
Obiective Ce trebuie maximalizat sau minimalizat
Variabile libere Care variabile ale proiectului sunt libere (cerinte nerigide)
De a rezista la momente de incovoiere trebuie sa suporta incarcatura pentru care a fost proiectata fara a se deforma
Constrangeri Ce conditii esentiale trebuie sa fie indeplinite
Lungimea L data Tigiditatea S data Sa reziste si sa nu se deformeze la temperatura T
Trebuie minimalizata greutate
Aria sectiunii Costul
Procesul de selectie a avea 3 pasi
Filtrarea Se folseste de constrangeri pentru inlaturarea materialelor care nu indeplinesc cerintele
IerarhizareaSe folseste de marimea performantelor materialelor ramase in discutie pentru a le ordona
Documentarea
Analizeaza informatiile nestructurate le structureaza si le introduce in structura ierarhizata realizand o fisa cu informatii care ajuta selectia finala a materialului
42
Ierarhizarea se face parcurgand mai multe faze
Identificarea unuia sau a mai multor indici de performanta corespunzatori functiei obiectivului si constrangerilor
Indicele de performanta permite optimizarea selectiei
Pentru identificarea acestor indici se parcurg urmatoarele etape
Transpunerea intr-o relatie a obiectivului (entitatea) ce trebuie minimalizata sau maximalizata
Analiza grupului de proprietati (indicele de performanta) care maximalizeaza obiectivul
Eliminarea din aceasta relatie a variabilelor libere utilizand constrangerile (ex valoarea impusa rigiditatii a incarcarii limita a unui moment a presiunii a temperaturii de lucru sau al tenacitatii
43
EXEMPLU
TEMAGasiti un material pentru o bara de lungime L care sa
suporte o forta F la temperatura T si sa fie cat mai usoara
b
b
Lδ
F
Sageata
Sectiunea
CERINTELE PROIECTARIIFunctia Bara incarcata la incovoiereObiectiv Minimalizarea greutatiiConstrangeri Lungimea L data Rigiditatea S data Temperatura de exploatare T data (500deg)Variabile libere Aria sectiunii A Materialul de selectat
Se alege masa ldquomrdquo ca indice de performanta (trebuie sa fie minimalizat)
Masa barei este
Constrangerea privind rigiditatea va determina aria sectiunii ASageata unei bare simplu rezemata (forta actionand la mijloc) este data de relatia
44
unde E-modulul de elasticitate al materialului barei I-momentul de inertie al sectiunii grinzii
CL-reprezinta o constanta ce depinde de modul de distributie a fortei F (CL=48)
Rigiditatea barei este data de relatia
Din aceasta ultima relatie rezulta aria sectiunii A
Prin substitutia acestei relatii in relatia de determinare a masei grinzii se obtine indicele de performanta m
Valorile S L CL sunt date de proiect
Cea mai usoara bara este acea realizata dintr-un material care are cea mai mare valoare pentru
raport numit si ldquoindice de materialrdquo
Functia Incarcarea ConstrangeriIndici de
performantaRelatia
indicelui
Structuri de masa minima
Tija
BaraStatica
Rigiditate
Tractiune Eρ
Compresiune Eρ
Incovoiere E12ρ
Torsiune E12ρ
Rezistenta
Tractiune σrρ
Compresiune σcρ
Incovoiere σr23ρ
Torsiune σc23ρ
Dinamica
Panou
45
Exista mai multi indici de performanta fiecare realizand o combinatie dintre obiectiv si constrangere
46
47
48
METODE CANTITATIVE DE SELECTIE A MATERIALELOR CANDIDATE
Materialele candidat sunt materialele care satisfac cerintele cuprinse in matricea de cerinte rezultate dinbull Cerintele functionalebull Siguranta in functionarebull Functionarea in conditii ambientale de exploatarebull Cerintele de prelucrabilitatebull Economicitatea piesei
Care din aceste materiale vor fi luate in considerare la realizarea piesei
Evaluarea materialelor candidat
Evaluarea presupune compararea materialelor candidat care indeplinesc cerintele negociabile cu caracteristicile efective ale materialului in vederea selectarii celui optim pentru o aplicatie data
49
Evaluarea materialelor candidat
Este mai simpla pentru metodele cantitative de evaluare
Trebuie sa tina seama de anumite avantaje (usurinta procurarii materialului distanta pana la furnizor seriozitatea furnizarii constanta in calitatea produselor etc) care pot introduce anumite limitari determinand anumite compromisuri
In cele mai multe cazuri metodele cantitative de selectie conduc la materialul optim pentru o aplicatie
Metodele cantitative pot fi reluate odata cu schimbarea importantei relative a cerintelor negociabile
ATENTIE Cerintele nenegociabile trebuie satisfacute in totalitate si intocmai
Daca niciun material nu satisfac cerintele negociabile atunci fie ca acestea trebuie relaxate fie se impune reproiectarea produsului
50
Selectia este o operatie complexa
Numar mare de materiale cu o plaja larga de proprietati
Daca se face intamplator
Apare riscul de a omite anumite materiale candidate
Reducerea riscului prin adoptarea unei metode sistematice de selectie a materialelor
Metodele cantitative
Permitbull analiza unui numar ridicat de datebull a multor specificatii implicate in selectia materialelorbull pot fi adaptate pentru o selectie asistata de calculator
dintr-o baza de date
Metodele nu elimina capacitatea de analiza si experienta ingineruluiAceste metode sprijina inginerul in alegerea optima
51
METODA COSTULUI RAPORTAT LA UNITATEA DE PROPRIETATE
Economicitatea piesei
Costul initial al materialului
Costul prelucrarii si montarii
Costul functionarii si intretinerii
Unele dintre aceste costuri cresc odata cu cresterea
valorii proprietatilor altele scad
Proprietatea (Rm)
Costul piesei
Alte costuri
Costul total
Cos
tul
Cost minim
Odata cu cresterea rezistentei- Prelucrare mai dificila- Greutatea pe piesa scade- Durabilitatea in exploatare
creste si deci numarul de piese in utilizate in timp mai mic
Costul total este suma costului piesei si a celorlalte costuri
52
Valoarea optima a proprietatii (aici Rm) apare la costul minim
In piata costul materialului este legat de greutatea sau volumul (dupa caz) materialului
Se poate stabili o comparatie a materialelor intre proprietatile relative (proprietatea raportata la
greutatea specifica) De exemplu rezistenta rigiditatea modul de elasticitate etc
Criteriul esential este costul raportat la unitatea de rezistenta la tractiune
C=pρσ
C- costul asigurarii unei rezistente de 1 MPap- costul unitatii de proprietate a materialului
ρ- densitatea materialului
σr- rezistenta la tractiune
Cu cat valoarea lui ldquoCrdquo este mai mica cu atat materialul
este mai economic
53
Relatii asemanatoare pot fi obtinute si pentru alte proprietati cum ar fi- limita la curgere- modulul de elastuicitate- factorul de intensitate a tensiunii etc
Costul unitatii de proprietate pentru diferite moduri de solicitare
54
Compararea materialelor privind aceste costuri este esentiala
Se compara materialele intre ele
Este dificilSe ia un material de referinta
Costul relativ pe unitatea de proprietate a materialului candidat ldquoirdquo raportat la costul relativ pe unitatea de proprietate a materialului de referinta ldquobrdquo este dat de relatia
Daca CR este subunitar materialul candidat este mai ieftin decat materialul de referinta
Materialul de referinta este eliminat si materialul candidat se ia ca material de referinta pentru urmatoarea comparatie
Daca CR este supra unitar materialul candidat este mai scump decat materialul de referinta
Materialul de referinta se ia ca material de comparatie pentru urmatoarea analiza
55
METODA PONDERARII PROPRIETATILOR
Este o metoda pentru rezolvarea unor solutii mai comlexe de materiale materiale si proprietati
Fiecarei proprietati a materialului i se acorda o pondere rdquoαrdquo
Ponderea este proportionala cu importanta relativa a proprietatii pentru performanta in exploatare a materialului pentru aplicatia data
Ponderea proprietatii este egala cu produsul dintre valoarea numerica a proprietatii materialului ldquoprdquo si ponderea ei ldquoαrdquo
γ=pα
Insumand toate aceste produse pentru un material se obtine un indice de performanta ldquoPrdquo al materialului
Aceasta metoda ia in considerare toate proprietatile materialului
Comparand mai multe materiale prin indicele de performanta se poate gasi cel mai performant material pentru o aplicatie
56
Dezavantajul acestei metode consta in faptul ca in cazul unei proprietati care are o valoare ridicata aceasta v-a avea o influenta mai mare asupra indicelui de performanta decat ponderea ei
Exemplu Un material A care are Rm=370 MPa si o duritate de 350 HRB si un alt material B care are Rm=400 MPa si o duritate de 300 HRBStabilind ponderea proprietatii de 100 pentru rezistenta si 90 pentru duritate se obtine un indice de performanta de 68500 pentru material ul A si 67000 pentru materialul B
Inseamna ca impotriva importantei rezistentei la tractiune (ca fiind primul criteriu de selectie) si care este mai mare pentru materialul B indicele de performanta al materialului A este mai mare si deci acest material v-a fi selectat
La evaluarea materialelor candidat se va lucra cu valori relative ldquoβrdquo ale unei anumite proprietati celei mai mari valori a proprietatii atribuindu-se valoarea 100 iar celelalte valori relative se determina cu relatia
57
Pentru proprietatile materialelor care nu se exprima in mod obisnuit prin valori numerice (rezistenta la uzare sudabilitatea aschiabilitatea diferite proprietati tehnologice etc) evaluarea se poate face relativ la una dintre proprietati astfel
Astfel fiecarei proprietati I se acorda o importanta egalasi ea va influenta indicii de performanta ai materialelor doar comparate doar in masura ponderii acordate
Pentru proprietati ale caror valori se doreste a fi cat mai mici (densitatea pierderea de greutate prin coroziune etc) evaluarea se face printr-un raport invers
ProprietateaMateriale alternative
A B C D
Sudabilitatea Foarte buna Buna Buna Satisfacatoare
Evaluarea relativa 5 3 3 1
Valoarea scalata 100 60 60 20
58
Exemplu In ceea ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru rezistenta la tractiune a materialului A este de 925 Pentru al doilea material aceasta valoare este de 100 In ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru duritate aceasta este de 100 pentru materialul A si de 857 pentru materialul B
Acest lucru poate schimba situatia ierarhica a materialelor sau le poate apropia atat de mult indicele de performanta incat sa se puna problema luari in considerare si a altor elemente pentru selectie
Astfel indicele de performanta a materialului este dat de relatia
unde P reprezinta indicele de performanta a materialuluildquoirdquo este suma celor ldquonrdquo proprietati considerate a materialul ui
59
Ponderea α poate fi considerata ca αilt1 astfel incat
(cazul cel mai frecvent) sau ei I se poate aloca o plaja de valori valoarea cea mai mare
corespunzand proprietatii cu cea mai mare importanta
Costul materialului poate fi considerat ca o proprietate (chiar importanta) acordandui-se o pondere ldquoαrdquo
In cazul luarii in considerare a unui numar mare de proprietati costul poate fi considerat un factor de corectie al indicelui de performanta a materialului rezultand indicele de merit al acestuia
in care ldquoprdquo reprezinta costul unitatii de greutate a materialului
60
Cand se doreste compararea mai multor materiale candidat (i) cu unul de baza (de referinta) se calculeaza indicele relativ de merit al fiecarui material astfel
Daca RMgt1 respectivul material candidat ldquoirdquo corespunde mai bine cerintelor decat materialul de referinta ldquobrdquoIn cazul in care Mb reprezinta minimul cerintelor impuse Materialele candidat avand RMlt1 pot fi eliminate de la inceput ca fiind necorespunzatoare
Cand trebuie luate in considerare mai multe proprietati ale materialului pentru evaluarea indicelui de performanta este dificila evaluarea ponderii acestora Rezolvarea aceste probleme poate fi realizata printr-o evaluare prin programe numerice
61
METODA CRESTERII INCREMENTALE
In anumite situatii pot aparea mai multe materiale care indeplinesc cerintele minime impuse de o anumita aplicatie
Dupa analiza acestor materiale se poate presupune ca performantele pieselor prelucrate sunt proportionale cu indicii de performanta ldquoPrdquo In acelasi timp costul piesei variaza proportional cu costul materialului si al prelucrarii acestora
Daca se doreste selectarea piesei care are cea mai mare performanta la cea mai rezonabila crestere a costului se poate face o analiza beneficiu-cost Procedeul se ia indeosebi cand se doreste inlocuirea unui material utilizat deja in fabricatie
Materialul cu cel mai scazut cost (1) se ca element de baza si este comparat cu materialul care are costul imediat superior (2) Comparatia se face determinand cresterea indicelui de performanta (ΔP=P2-P1) si a costului ldquoprdquo pe unitatea de volum (Δpρ=p2ρ2-p1ρ1)
Daca ΔPΔpρlt1 materialul 1 corespunde mai bine decat materialul 2 pentru aplicatia data si materialul 2 va fi eliminatDaca ΔPΔpρgt1 materialul 1 va fi eliminat deoarece materialul 2 corespunde mai bine cerintelor aplicatieiSe continua compararea cu al treilea material si rand pe rand vor fi eliminate materialele mai putin corespunzatoare ajungand la materialul optim
62
EXEMPLU DE SELECTIE A MATERIALELOR
Tema Realizarea piesesei din figura dintr-un otel ldquoOL37rdquo intr-o serie mare de fabricatie-Este o piesa cilindrica cu dimensiunile date-Are un butuc-Prezinta o gaura lunga si de diametre mic
oslash200oslash50
150oslash20
Se poate realiza din bara rotunda prin strunjire
Se poate realiza din bara rotunda prin forjare
80
Coeficientul de utilizare a materialului 055
Coeficientul de utilizare a materialului 098
63
Diametrul mm Inaltime mm Volum mm3 Volum mm3Coeficientul de
utilizare a materialului
Semif Pornire 200 150 4710000 4710000
Strunjire
200 80 2512000
2602275 055=5550 35 137375
20 150 47100
Forjare
200 80 25120002649375
098=9850 35 137375
20 150 47100 2602275
Coeficientul de utilizare a materialului K=greutatea piesei finitegreutatea materialului utilizat pentru realizarea lui (a semifabricatului de pornire)
In calcul s-a lucrat cu volumul materialului deoarece G=VρAdaosuriele de prelucrare s-u luat ca fiind egaleApare un mult mai bun grad de utilizare a materialului pentr prelucrarea prin forjare
PIESA SE VA REALIZA PRIN FORJARE
64
1
2
3
5
6
4
9
8
F
107F
1-semimatrita superioara2-semimatrita inferioara3-cavitatea semimatritei sup4-cavitatea semimatritei inf5-canalul de bavura6-canalul de refulare7-prinderea semimatritei sup8-prinderea semimatritei inf9-elemente de ghidare (stifturi)10-planul de separare
TEMA Sa se stabileasca materialul optim pentru realizarea elementelor active ale matrtei de forjare din figura Se urmreste obtinerea piesei prin forjare la cald
CERINTE PENTRU PROIECTARE
Analiza schiteiFunctia Elemete (semimatrite) de matrita de deformare plasticaObiectiv Trebuie maximalizata tenacitatea (rezilienta)Constrangeri Dimensiunile cavitatii matritei (depind de marimea piesei) dimensiunile exterioare si sistemul de prindere (depind de utilaj temperatura de lucruVariabile libere material
65
Se cauta in sursele de informatii structurate si nestructurate materialele care respecta cerintele
Elemente de matrita
Rezistente la cald
Tenacitate Duritate
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Materialele potrivite sunt metalele si aliajele lor
-Materialele ceramice nu au tenacitate-Materialele polimerice nu au rezistenta la cald-Materialele compozite sunt scumpe si nu au tenacitate
Depinde de compozitia lor
Se cauta materiale cu destinatie precisa Materiale pentru scule de deformare
66
Din baza de date se constata ca urmatoarele materiale satisfac
cerintele rigide adica sa poata fi utilizate la prelucrarea la cald
Sunt materiale cu destinatie precisaDaca nu sunt materiale cu destinatie
precisa se cauta in grupa materialelor cu destinatie generala
Material Rm min MPa HV A5 KCU Jcm3
C120 890 265 8 60
VMoC120 870 265 8 68
VC06 870 230 6 68
VCW85 870 265 6 80
MoCN15 830 250 7 75
VMoCN17 870 265 7 73
VSCW20 790 235 5 78
OSC7 640 195 12 56
OSC8 640 195 10 58
67
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU Jcm3 βKCU Indicele de
performanta PC120 890 265 8 60 101450
VMoC120 870 265 8 68 100650
VC06 870 230 6 68 97400
VCW85 870 265 6 80 101750
MoCN15 830 250 7 75 96750
VMoCN17 870 265 7 73 101100
VSCW20 790 235 5 78 92400
OSC7 640 195 12 56 74950
OSC8 640 195 10 58 75050Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza peoprietatii
68
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU
Jcm3 βKCU Indicele de performanta P
C120 890 100 265 10000 8 6667 60 75 25017000
VMoC120 870 9775 265 10000 8 6667 68 85 2835015356
VC06 870 9775 230 8679 6 5000 68 85 2126563155
VCW85 870 9775 265 10000 6 5000 80 100 2501682022
MoCN15 830 9326 250 9434 7 5833 75 9375 2735970124
VMoCN17 870 9775 265 10000 7 5833 73 9125 2663140356
VSCW20 790 8876 235 8868 5 4167 78 975 2032758226
OSC7 640 7191 195 7358 12 10000 56 70 3501237545
OSC8 640 7191 195 7358 10 8333 58 725 3022070878Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza proprietatii relative
69
Material Indicele de performanta P
VSCW20 2032758226
VC06 2126563155
VCW85 2501682022
C120 25017000
VMoCN17 2663140356
MoCN15 2735970124
VMoC120 2835015356
OSC8 3022070878
OSC7 3501237545
Material Indicele de performanta P
OSC7 74950
OSC8 75050
VSCW20 92400
MoCN15 96750
VC06 97400
VMoC120 100650
VMoCN17 101100
C120 101450
VCW85 101750
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile proprietatii materialului
ordonate crescator
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile relative ale proprietatii materialului ordonate crescator
70
Luand in considerare ca unele materiale sunt aliate cu siguranta acestea sunt mai scumpe
Daca luam in considerare costul unitar pentru otelurile carbon de scule iar densitatea de 785 (corespunzatoare fierului) se obtine indicele de merit
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
OSC7 74950 1 95477707 114
OSC8 75050 1 956050955 114
VSCW20 92400 14 840764331 100
MoCN15 96750 14 880345769 105
VC06 97400 12 103397028 123
VMoC120 100650 13 986281235 117
VMoCN17 101100 14 919927207 109
C120 101450 15 861571125 102
VCW85 101750 14 925841674 110
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea proprietatii materialului
71
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
VSCW20 2032758226 14 184964352 100
VC06 2126563155 12 225749804 122
VCW85 2501682022 14 227632577 123
C120 25017000 15 212458599 115
VMoCN17 2663140356 14 242323963 131
MoCN15 2735970124 14 248950876 135
VMoC120 2835015356 13 277806502 150
OSC8 3022070878 1 384977182 208
OSC7 3501237545 1 446017522 241
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea relativa a proprietatii materialului
72
Selectati materialele potrivite pentru piesele din imagine
Randul I 1 Serie mare de fabricatie-6p Randul II Serie mica (unicat) de fabricatie-6p
Randul I 2 Criterii de selectie a materialelor-1p3 Etapele selectiei materialelor ndash 1p4 Economicitatea piesei ndash 1p5 Strategii de selectie a materialelor ndash 1p
Randul II 2 Tipuri de date utilizate la selectia materialelor-1p3 Cum se face minimalizarea costurilor-1p4 Perofmantele piesei in functionare ndash 1p5 Care sunt cerintele fata de material ndash 1p
SUBIECTE EXAMEN
73
Date privind principalele proprietati tehnologice ale unor materiale
Material
Valorile proprietatii
Aschiabilitate Turnabilitate Sudabilitate Cost
F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba $tona
Otel de constructii (OL) X X X 140
Otel carbon de calitate (OLC) X X X
260
Fonte obisnuite (Fc) X X X 160
Punctaje 60 30 10 60 30 10 60 30 10
Avand in vedere ca pretul creste odata cu rezistenta la tractiune calculati costul fiecarui material prin inmultirea costului de baza cu valoarea proprietatii si impartiti la 100
74
Materiale ce pot fi luate in considerare spre analiza
Material Rm HV A Material Rm HV A Material Rm HV A
OL30 310 95 32 OLC8 324 140 33 Fc100 100 105 2
OL32 310 93 33 OLC10 321 150 31 Fc150 150 145 3
OL34 330 105 31 OLC15 373 155 27 Fc200 200 180 4
OL37 360 112 25 OLC20 410 165 25 Fc250 250 190 4
OL42 410 130 22 OLC25 450 175 24 Fc300 300 210 5
OL44 430 135 22 OLC30 490 180 21 Fc350 350 220 6
OL50 500 160 21 OLC35 530 195 21 Fc400 400 240 6
OL52 510 160 21 OLC40 570 200 19
OL60 590 185 16 OLC45 610 220 18
OL70 690 215 11 OLC50 640 230 16
OLC55 670 240 14
OLC60 700 255 14
Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50
Proprietatea tehnilogica intra cu o pondere de 100
VA UREZ SUCCES
23
Otelurile slab aliate cu continut ridicat de mangan si
continut scazut de Ni si Cr
Inlocuiesc otelurile scumpe continand cantitati mai mari de Ni Cr Mo (elemente scumpe)
Acoperirile metalice Inlocuiesc (in conditii mai putin
severe de coroziune) otelurile inoxidabile
Durificarea superficiala sau ecruisarea prin deformare
plastica
Mareste rezistenta la uzare si la oboseala a otelurilor carbon evitand utilizarea otelurilor aliate scumpe
Acoperiri de tipul alitarii cromarii aplicate otelurilor
carbon
Confera rezistenta la temperaturi moderate elimina finisarea
(costisitoare)
24
Coeficientul de utilizare a materialului
Minimalizarea costului materialelor
Printr-o proiectare care sa reduca cantitatea necesara de materiale scumpe
Alegerea procedeelor de prelucrare adecvate
Stabilirea formei semifabricatului care sa maximalizeze coeficientul de utilizare a
materialelor in fabricatie
Materiale ieftine
- Cumparate in cantitati mari- Cele care au dimensiuni mari
Cand fabricatia cere piese de mai multe dimensiuni se poate
cumpara stoc mare de semifabricate la dimensiunea
cea mai mare a pieselor
Reulta deseuri si costuri suplimentare de
manopera
Punctul de rentabilitate in aceasta privinta este greu de evaluat
25
Coeficientul de utilizare a materialelor pentru diferite procedee de prelucrare este dat in urmatorul tabel
Metoda de prelucrare Coeficientul de utilizare
1 Fara modificarea masei
Turnare 70
Deformare plastica 75
Agregate de pulberi 90
2 Cu micsorare de masa
Aschiere 60
Eroziune 90
3 Prin marire de masa
Depuneri prin sudare 80
Depuneri prin metalizare 90
26
Competitia in domeniul materialelor
Odata cu aparitia unor materiale noi si scaderea pretului celor existente apare o COMPETITIE INTRE MATERIALE
Intre otel si aluminiu la obtinerea cutiilor
de bauturi
Intre aluminiu si materiale polimerice
(armate) la constructia aeronavelor
Intre materiale polimerice si cupru
plumb fonta la instalatiile de apa
ProprietateaAliaj ZnAl4 turnat sub presiune
Polistiren ABS
Naylon 66
Policar-bonat
Polipr-opilena
Rezistenta la tractiune MNmm2 260 54 52 70 35
Rezistenta la tractiune prin soc (relativ) 79 1 33 36 16
Rezistenta la fluaj (exprimata ca modul de elasticitate aparent la 100 h MNmm2) 51100 1470 420 2030 308
Rezistenta la oboseala prin incovoiere la 107 cicluri MNmm2 644 154 14 7 182
Temperatura de stabilitate termica la 18 MNmm2 (oC) gt488 345 324 403 332
Modificarea rezistentei la tractiune dupa 500h de expunere in conditii atmosferice ()
+05 -8 +10 -11 -30
Densitatea (relativa) 667 105 114 12 09
Costul unitatii de greutate (relativ Zn=1) 1 21 374 42 14
Costul unitatii de volum raportat la rezistenta la tractiune (relativ) 1 21 37 30 16
Costul unitatii de volum raportat la rezistenta la fluaj (relativ) 1 117 183 19 30
Costul unitatii de volum raportat la rezistenta la tractiune prin soc (relativ) 1 27 15 16 09
Costul unitatii de volum raportat la rezistenta la oboseala (relativ) 1 09 18 34 04
In situatia in care piesa are un rol decorativ ndash materialul plastic este
important
27
Costul prelucrarii poate juca un rol important in procesul
selectiei
Alama mai ieftina pentru anumite piese decat otelul laminat deoarece se prelucreaza cu viteza mai mare
Costul alamei este mai mare decat a otelului
Aluminiul se prelucreaza mai usor si are greutate specifica mai mica
Poate inlocui fonta otelul si aliajele lui chiar
daca sunt mai ieftine
Materialele plastice se prelucreaza foarte usor si devin economice la
serie mare
Pot inlocui orice tip de material la diferite
aplicatii
Criteriul economic privind costul materialului nu este
concludent la selectarea materialului
Devine important COSTUL REPERULUI
28
Costul de baza al materialului
Cheltuieli de dezvoltaresi utilizare a
echipamentelor
Cheltuieli de prelucrareDeterminate de material de procedeu de forma
de precizie
COSTUL REPERULUI
Costurile reperului
29
Reper Comportare Costuri
Cheltuieli de intretineresi reparatii cu reperul
UtilizareCheltuieli de exploatare
Durabilitate
ECONOMICITATEA REPERULUI
Economicitatea reperului
30
CERINTE IMPUSE MATERIALULUIPIESE
Problema selectiei materialului este complexa
datorita
Varietatii materialelor ingineresti
Severitatii cerintelor functionale impuse
Cerinta diminuarii costurilor
Severitatii cerintelor functionale impuse
Prelucrarile la care este supus materialul
Geometria pieselor
Solicitarile la care este supus materialul
INFLUENTEAZA PROPRIETATILE MATERIALELOR
31
Comportarea materialului in produsul finit este sensibil diferita de cea a semifabricatului din care a fost obtinut
Comportarea materialului in piesa
(C)
Proprietatile materialului (M)
Influenta procedeului de prelucrare (P)
Forma piesei si fortele exterioare la care este
supusa (F)
Arata influenta directa a proprietatilor
semifabricatului a procedeului de prelucrare
a formei geometrice si a actiunii fortelor exterioare
asupra comportarii materialelor in piesa finita
Influenteaza direct comportarea
materialului in piesa
Este foarte important a se apela la criterii de proiectare adecvata
32
Influenta procedeului de prelucrare (P)
Prezenta muchiilor ascutite si a filetelor
Rugozitatea suprafetei
Afecteaza intr-o masura mai mare comportarea otelurilor de inalta rezistenta
decat a celor moi
Afecteaza intr-o masura mai mare comportarea materialelor la solicitari
variabile (oboseala) decat la solicitari statice
Interesul se focalizeaza preponderent pe performanta piesei in functionare si mai putin pe comportarea materialului in piesa
Comportarea materialului in piesa (proprietatile piesei)
Performantele piesei in functionare
Comportarea materialului in functionareConditiile de functionare
Factori care influenteaza
performantele piesei in functionare
33
CLASIFICAREA CERINTELOR IMPUSE MATERIALELOR
Cerintele impuse materialelor
Cerinte ldquorigiderdquo sau nenegociabile
Cerinte ldquonerigiderdquo ldquorelativerdquo sau
negociabile
Sunt cerintele care trebuie satisfacute obligatoriu de
material pentru a fi luate in considerare la selectie
bull Disponibilitatebull Prelucrabilitatebull Caracteristici minime
In anumite limite sunt supuse compromisului Pot fi comparate dpdv al importantei lor relative pentru o
aplicatie data in cadrul metodelor cantitative de selectie a materialelor
bull Proprietati mecanicebull Densitatebull Costul
In functie de tipul aplicatiei aceste cerinte isi pot schimba caracterul (din ldquonegociabilerdquo in ldquonenegociabile
Modificarea clasei de material selectate in final
34
EXEMPLE
Butelie de aragaz
Rezistenta Ductilitate Cost
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Rezistenta Ductilitate ρmic
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Butelii pentru gaze utilizate in aviatie
Costul este nenegociabil Oteluri pentru recipienti sub
presiune la temperaturi joase ndash R37 R44
Greutate cat mai mica (considerata nenegociabila) Materiale compozite (Kevlar 49-matrice epoxidica armata
cu fibre de poliamida)
35
MODALITATI DE ABORDARE A SELECTIEI MATERIALELOR SI PROCEDEELOR DE PRELUCRARE
Aparitia unor materiale noi si a competitiei intre materiale
Abordari noi in selectia materialelor si a procedeelor de prelucrare
Materialele plastice folosite la obtinerea pieselor complexe si de buna calitate inalta tehnologie
Materialele compozite au condus la reducerea substantiala a
greutatii produsului
Materiale sinterizate utilizate la obtinerea pieselor fara pierderi de material si consum de enetgie
scazut
Ingineria suprafetelor ofera posibilitati de modificare a
suprafetelor si coferirea unor proprietati deosebite
Cu toate aceste proiectantii se limiteaza la selectia
materialelor si procedeelor de prelucrare cunoscute mai bine
- Evitarea riscurilor- Nu este cunoscuta existenta unor noi materiale- Nu sunt cunoscute noile tehnologii de fabricatie etc
Proiectarea industriala trebuie asociata cu design-ul realizarea unei forme estetice obtinerea unui aspect exterior
placut
Design-ul industrial include mai mult decat o stilizare
Alegerea materialului permite un anumit design sau altul
36
La selectarea functiunii produsului (comportarea lui in exploatare-C) a materialelor (M) a
procedeelor de prelucrare (P) a formei (F) trebuie sa se tina seama ca acestea se intrepatrund (trebuie
sa tin seama in acelasi timp de ele)
Dificil Pot fi urmate diferite
succesiuni
Succesiunea CFMP prezinta urmatoarea
ordine de luare in considerare
-functionalitatea produsului (C)-forma piesei-materialul piesei-procedeul de prelucrare
Pot exista diferite succesiuni
Conduce la solutii diferite
Cadrul face conexiunea intre roti
saua bicicletei pedale ghidon
EXEMPLU Succesiunea CFMP
Functionalitatea si forma sunt aceleasi
Teava de aluminiu
Sudare
Succesiunea CFPM
Functionalitatea si forma sunt aceleasi
Sudare Teava de otel-se sudeaza mai bine
Succesiunea CMPF
Functionalitatea este aceeasi
Ca material se poate alege unul compozit
Sudare lipire
Forma aceeasi sau nu
Succesiunea CPMF
Poate fi aleasa presarea unui material superplastic
Alegerea ca material aluminiul
Forma S asimetrica plata
37
Pe baza functiunilor impuse produsului proiectantul schiteaza o serie de solutii tinand seama
de-materialele ce pot fi folosite-procedeele de fabricatie ce pot fi aplicate-formele potrivite ca functionalitate si design
Fiecare combinatie materialprocedeu de prelucrare conduce la diferite forme
Pot fi generate un numar
diferit de forme
Este o abordare CPMF sau CMPF
38
STRATEGII DE SELECTIE A MATERIALELOR
O strategie de selectie are doua componente
Formularea marimi prin care sa se evaluare un set de cerinte impuse materialului
Un procedeu de evaluare a marimii cerintelor prin care sa
se poata face ierarhizarea acestora in functie de masura in
care acestea sunt indeplinite
Strategiile cauta cai de implementare a procesului si anume de a converti un set de date ldquode intrarerdquo (cerintele proiectarii)
intr-un set de date ldquode iesirerdquo- alegerea materialului si a procedeului de prelucrare
39
Cerintele proiectarii
Materiale si procedee de prelucrare selectate
Strategii de selectie
Date initiale Functie de transfer Date finale
Strategia 1 Cautare libera implicand analiza rationala
Strategia 2 Bazata pe chestionare Este o selectie prin expertiza
Strategia 3 Analogie bazata pe cazuri anterioare
Posibila inovatie
Ofera solutii cunoscute
Ofera solutii similare cu situatia prezenta
Ofera mare libertate de selectie dar putina ghidare in proces
Ofera multa ghidare in proces dar putina libertate de selectie
Ofera idei ale solutiilor anterioare pentru probleme similare
40
SELECTIA LIBERA BAZATA PE ANALIZA RATIONALA
Este rapida si eficienta
Ofera o mare libertate pentru aplicatii
Ofera solutii noi si inovative
Avantaje
Are nevoie de date de intrare precis detaliate intr-o forma ce pot fi analizate prin metode ingineresti
standard
EXEMPLU
Gasiti un material pentru o bara de lungime L care sa
suporte o forta F la temperatura T si sa fie cat mai usoara
Cerinte pentru proiectare
ANALIZA SCHITEIFunctia Ce trebuie sa faca piesaObiective Ce trebuie maximalizat sau minimalizatConstrangeri Ce conditii esentiale trebuie sa fie indepliniteVariabile libere Care variabile ale proiectului sunt libere (cerinte nerigide)
41
Functia Ce trebuie sa faca piesa
Obiective Ce trebuie maximalizat sau minimalizat
Variabile libere Care variabile ale proiectului sunt libere (cerinte nerigide)
De a rezista la momente de incovoiere trebuie sa suporta incarcatura pentru care a fost proiectata fara a se deforma
Constrangeri Ce conditii esentiale trebuie sa fie indeplinite
Lungimea L data Tigiditatea S data Sa reziste si sa nu se deformeze la temperatura T
Trebuie minimalizata greutate
Aria sectiunii Costul
Procesul de selectie a avea 3 pasi
Filtrarea Se folseste de constrangeri pentru inlaturarea materialelor care nu indeplinesc cerintele
IerarhizareaSe folseste de marimea performantelor materialelor ramase in discutie pentru a le ordona
Documentarea
Analizeaza informatiile nestructurate le structureaza si le introduce in structura ierarhizata realizand o fisa cu informatii care ajuta selectia finala a materialului
42
Ierarhizarea se face parcurgand mai multe faze
Identificarea unuia sau a mai multor indici de performanta corespunzatori functiei obiectivului si constrangerilor
Indicele de performanta permite optimizarea selectiei
Pentru identificarea acestor indici se parcurg urmatoarele etape
Transpunerea intr-o relatie a obiectivului (entitatea) ce trebuie minimalizata sau maximalizata
Analiza grupului de proprietati (indicele de performanta) care maximalizeaza obiectivul
Eliminarea din aceasta relatie a variabilelor libere utilizand constrangerile (ex valoarea impusa rigiditatii a incarcarii limita a unui moment a presiunii a temperaturii de lucru sau al tenacitatii
43
EXEMPLU
TEMAGasiti un material pentru o bara de lungime L care sa
suporte o forta F la temperatura T si sa fie cat mai usoara
b
b
Lδ
F
Sageata
Sectiunea
CERINTELE PROIECTARIIFunctia Bara incarcata la incovoiereObiectiv Minimalizarea greutatiiConstrangeri Lungimea L data Rigiditatea S data Temperatura de exploatare T data (500deg)Variabile libere Aria sectiunii A Materialul de selectat
Se alege masa ldquomrdquo ca indice de performanta (trebuie sa fie minimalizat)
Masa barei este
Constrangerea privind rigiditatea va determina aria sectiunii ASageata unei bare simplu rezemata (forta actionand la mijloc) este data de relatia
44
unde E-modulul de elasticitate al materialului barei I-momentul de inertie al sectiunii grinzii
CL-reprezinta o constanta ce depinde de modul de distributie a fortei F (CL=48)
Rigiditatea barei este data de relatia
Din aceasta ultima relatie rezulta aria sectiunii A
Prin substitutia acestei relatii in relatia de determinare a masei grinzii se obtine indicele de performanta m
Valorile S L CL sunt date de proiect
Cea mai usoara bara este acea realizata dintr-un material care are cea mai mare valoare pentru
raport numit si ldquoindice de materialrdquo
Functia Incarcarea ConstrangeriIndici de
performantaRelatia
indicelui
Structuri de masa minima
Tija
BaraStatica
Rigiditate
Tractiune Eρ
Compresiune Eρ
Incovoiere E12ρ
Torsiune E12ρ
Rezistenta
Tractiune σrρ
Compresiune σcρ
Incovoiere σr23ρ
Torsiune σc23ρ
Dinamica
Panou
45
Exista mai multi indici de performanta fiecare realizand o combinatie dintre obiectiv si constrangere
46
47
48
METODE CANTITATIVE DE SELECTIE A MATERIALELOR CANDIDATE
Materialele candidat sunt materialele care satisfac cerintele cuprinse in matricea de cerinte rezultate dinbull Cerintele functionalebull Siguranta in functionarebull Functionarea in conditii ambientale de exploatarebull Cerintele de prelucrabilitatebull Economicitatea piesei
Care din aceste materiale vor fi luate in considerare la realizarea piesei
Evaluarea materialelor candidat
Evaluarea presupune compararea materialelor candidat care indeplinesc cerintele negociabile cu caracteristicile efective ale materialului in vederea selectarii celui optim pentru o aplicatie data
49
Evaluarea materialelor candidat
Este mai simpla pentru metodele cantitative de evaluare
Trebuie sa tina seama de anumite avantaje (usurinta procurarii materialului distanta pana la furnizor seriozitatea furnizarii constanta in calitatea produselor etc) care pot introduce anumite limitari determinand anumite compromisuri
In cele mai multe cazuri metodele cantitative de selectie conduc la materialul optim pentru o aplicatie
Metodele cantitative pot fi reluate odata cu schimbarea importantei relative a cerintelor negociabile
ATENTIE Cerintele nenegociabile trebuie satisfacute in totalitate si intocmai
Daca niciun material nu satisfac cerintele negociabile atunci fie ca acestea trebuie relaxate fie se impune reproiectarea produsului
50
Selectia este o operatie complexa
Numar mare de materiale cu o plaja larga de proprietati
Daca se face intamplator
Apare riscul de a omite anumite materiale candidate
Reducerea riscului prin adoptarea unei metode sistematice de selectie a materialelor
Metodele cantitative
Permitbull analiza unui numar ridicat de datebull a multor specificatii implicate in selectia materialelorbull pot fi adaptate pentru o selectie asistata de calculator
dintr-o baza de date
Metodele nu elimina capacitatea de analiza si experienta ingineruluiAceste metode sprijina inginerul in alegerea optima
51
METODA COSTULUI RAPORTAT LA UNITATEA DE PROPRIETATE
Economicitatea piesei
Costul initial al materialului
Costul prelucrarii si montarii
Costul functionarii si intretinerii
Unele dintre aceste costuri cresc odata cu cresterea
valorii proprietatilor altele scad
Proprietatea (Rm)
Costul piesei
Alte costuri
Costul total
Cos
tul
Cost minim
Odata cu cresterea rezistentei- Prelucrare mai dificila- Greutatea pe piesa scade- Durabilitatea in exploatare
creste si deci numarul de piese in utilizate in timp mai mic
Costul total este suma costului piesei si a celorlalte costuri
52
Valoarea optima a proprietatii (aici Rm) apare la costul minim
In piata costul materialului este legat de greutatea sau volumul (dupa caz) materialului
Se poate stabili o comparatie a materialelor intre proprietatile relative (proprietatea raportata la
greutatea specifica) De exemplu rezistenta rigiditatea modul de elasticitate etc
Criteriul esential este costul raportat la unitatea de rezistenta la tractiune
C=pρσ
C- costul asigurarii unei rezistente de 1 MPap- costul unitatii de proprietate a materialului
ρ- densitatea materialului
σr- rezistenta la tractiune
Cu cat valoarea lui ldquoCrdquo este mai mica cu atat materialul
este mai economic
53
Relatii asemanatoare pot fi obtinute si pentru alte proprietati cum ar fi- limita la curgere- modulul de elastuicitate- factorul de intensitate a tensiunii etc
Costul unitatii de proprietate pentru diferite moduri de solicitare
54
Compararea materialelor privind aceste costuri este esentiala
Se compara materialele intre ele
Este dificilSe ia un material de referinta
Costul relativ pe unitatea de proprietate a materialului candidat ldquoirdquo raportat la costul relativ pe unitatea de proprietate a materialului de referinta ldquobrdquo este dat de relatia
Daca CR este subunitar materialul candidat este mai ieftin decat materialul de referinta
Materialul de referinta este eliminat si materialul candidat se ia ca material de referinta pentru urmatoarea comparatie
Daca CR este supra unitar materialul candidat este mai scump decat materialul de referinta
Materialul de referinta se ia ca material de comparatie pentru urmatoarea analiza
55
METODA PONDERARII PROPRIETATILOR
Este o metoda pentru rezolvarea unor solutii mai comlexe de materiale materiale si proprietati
Fiecarei proprietati a materialului i se acorda o pondere rdquoαrdquo
Ponderea este proportionala cu importanta relativa a proprietatii pentru performanta in exploatare a materialului pentru aplicatia data
Ponderea proprietatii este egala cu produsul dintre valoarea numerica a proprietatii materialului ldquoprdquo si ponderea ei ldquoαrdquo
γ=pα
Insumand toate aceste produse pentru un material se obtine un indice de performanta ldquoPrdquo al materialului
Aceasta metoda ia in considerare toate proprietatile materialului
Comparand mai multe materiale prin indicele de performanta se poate gasi cel mai performant material pentru o aplicatie
56
Dezavantajul acestei metode consta in faptul ca in cazul unei proprietati care are o valoare ridicata aceasta v-a avea o influenta mai mare asupra indicelui de performanta decat ponderea ei
Exemplu Un material A care are Rm=370 MPa si o duritate de 350 HRB si un alt material B care are Rm=400 MPa si o duritate de 300 HRBStabilind ponderea proprietatii de 100 pentru rezistenta si 90 pentru duritate se obtine un indice de performanta de 68500 pentru material ul A si 67000 pentru materialul B
Inseamna ca impotriva importantei rezistentei la tractiune (ca fiind primul criteriu de selectie) si care este mai mare pentru materialul B indicele de performanta al materialului A este mai mare si deci acest material v-a fi selectat
La evaluarea materialelor candidat se va lucra cu valori relative ldquoβrdquo ale unei anumite proprietati celei mai mari valori a proprietatii atribuindu-se valoarea 100 iar celelalte valori relative se determina cu relatia
57
Pentru proprietatile materialelor care nu se exprima in mod obisnuit prin valori numerice (rezistenta la uzare sudabilitatea aschiabilitatea diferite proprietati tehnologice etc) evaluarea se poate face relativ la una dintre proprietati astfel
Astfel fiecarei proprietati I se acorda o importanta egalasi ea va influenta indicii de performanta ai materialelor doar comparate doar in masura ponderii acordate
Pentru proprietati ale caror valori se doreste a fi cat mai mici (densitatea pierderea de greutate prin coroziune etc) evaluarea se face printr-un raport invers
ProprietateaMateriale alternative
A B C D
Sudabilitatea Foarte buna Buna Buna Satisfacatoare
Evaluarea relativa 5 3 3 1
Valoarea scalata 100 60 60 20
58
Exemplu In ceea ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru rezistenta la tractiune a materialului A este de 925 Pentru al doilea material aceasta valoare este de 100 In ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru duritate aceasta este de 100 pentru materialul A si de 857 pentru materialul B
Acest lucru poate schimba situatia ierarhica a materialelor sau le poate apropia atat de mult indicele de performanta incat sa se puna problema luari in considerare si a altor elemente pentru selectie
Astfel indicele de performanta a materialului este dat de relatia
unde P reprezinta indicele de performanta a materialuluildquoirdquo este suma celor ldquonrdquo proprietati considerate a materialul ui
59
Ponderea α poate fi considerata ca αilt1 astfel incat
(cazul cel mai frecvent) sau ei I se poate aloca o plaja de valori valoarea cea mai mare
corespunzand proprietatii cu cea mai mare importanta
Costul materialului poate fi considerat ca o proprietate (chiar importanta) acordandui-se o pondere ldquoαrdquo
In cazul luarii in considerare a unui numar mare de proprietati costul poate fi considerat un factor de corectie al indicelui de performanta a materialului rezultand indicele de merit al acestuia
in care ldquoprdquo reprezinta costul unitatii de greutate a materialului
60
Cand se doreste compararea mai multor materiale candidat (i) cu unul de baza (de referinta) se calculeaza indicele relativ de merit al fiecarui material astfel
Daca RMgt1 respectivul material candidat ldquoirdquo corespunde mai bine cerintelor decat materialul de referinta ldquobrdquoIn cazul in care Mb reprezinta minimul cerintelor impuse Materialele candidat avand RMlt1 pot fi eliminate de la inceput ca fiind necorespunzatoare
Cand trebuie luate in considerare mai multe proprietati ale materialului pentru evaluarea indicelui de performanta este dificila evaluarea ponderii acestora Rezolvarea aceste probleme poate fi realizata printr-o evaluare prin programe numerice
61
METODA CRESTERII INCREMENTALE
In anumite situatii pot aparea mai multe materiale care indeplinesc cerintele minime impuse de o anumita aplicatie
Dupa analiza acestor materiale se poate presupune ca performantele pieselor prelucrate sunt proportionale cu indicii de performanta ldquoPrdquo In acelasi timp costul piesei variaza proportional cu costul materialului si al prelucrarii acestora
Daca se doreste selectarea piesei care are cea mai mare performanta la cea mai rezonabila crestere a costului se poate face o analiza beneficiu-cost Procedeul se ia indeosebi cand se doreste inlocuirea unui material utilizat deja in fabricatie
Materialul cu cel mai scazut cost (1) se ca element de baza si este comparat cu materialul care are costul imediat superior (2) Comparatia se face determinand cresterea indicelui de performanta (ΔP=P2-P1) si a costului ldquoprdquo pe unitatea de volum (Δpρ=p2ρ2-p1ρ1)
Daca ΔPΔpρlt1 materialul 1 corespunde mai bine decat materialul 2 pentru aplicatia data si materialul 2 va fi eliminatDaca ΔPΔpρgt1 materialul 1 va fi eliminat deoarece materialul 2 corespunde mai bine cerintelor aplicatieiSe continua compararea cu al treilea material si rand pe rand vor fi eliminate materialele mai putin corespunzatoare ajungand la materialul optim
62
EXEMPLU DE SELECTIE A MATERIALELOR
Tema Realizarea piesesei din figura dintr-un otel ldquoOL37rdquo intr-o serie mare de fabricatie-Este o piesa cilindrica cu dimensiunile date-Are un butuc-Prezinta o gaura lunga si de diametre mic
oslash200oslash50
150oslash20
Se poate realiza din bara rotunda prin strunjire
Se poate realiza din bara rotunda prin forjare
80
Coeficientul de utilizare a materialului 055
Coeficientul de utilizare a materialului 098
63
Diametrul mm Inaltime mm Volum mm3 Volum mm3Coeficientul de
utilizare a materialului
Semif Pornire 200 150 4710000 4710000
Strunjire
200 80 2512000
2602275 055=5550 35 137375
20 150 47100
Forjare
200 80 25120002649375
098=9850 35 137375
20 150 47100 2602275
Coeficientul de utilizare a materialului K=greutatea piesei finitegreutatea materialului utilizat pentru realizarea lui (a semifabricatului de pornire)
In calcul s-a lucrat cu volumul materialului deoarece G=VρAdaosuriele de prelucrare s-u luat ca fiind egaleApare un mult mai bun grad de utilizare a materialului pentr prelucrarea prin forjare
PIESA SE VA REALIZA PRIN FORJARE
64
1
2
3
5
6
4
9
8
F
107F
1-semimatrita superioara2-semimatrita inferioara3-cavitatea semimatritei sup4-cavitatea semimatritei inf5-canalul de bavura6-canalul de refulare7-prinderea semimatritei sup8-prinderea semimatritei inf9-elemente de ghidare (stifturi)10-planul de separare
TEMA Sa se stabileasca materialul optim pentru realizarea elementelor active ale matrtei de forjare din figura Se urmreste obtinerea piesei prin forjare la cald
CERINTE PENTRU PROIECTARE
Analiza schiteiFunctia Elemete (semimatrite) de matrita de deformare plasticaObiectiv Trebuie maximalizata tenacitatea (rezilienta)Constrangeri Dimensiunile cavitatii matritei (depind de marimea piesei) dimensiunile exterioare si sistemul de prindere (depind de utilaj temperatura de lucruVariabile libere material
65
Se cauta in sursele de informatii structurate si nestructurate materialele care respecta cerintele
Elemente de matrita
Rezistente la cald
Tenacitate Duritate
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Materialele potrivite sunt metalele si aliajele lor
-Materialele ceramice nu au tenacitate-Materialele polimerice nu au rezistenta la cald-Materialele compozite sunt scumpe si nu au tenacitate
Depinde de compozitia lor
Se cauta materiale cu destinatie precisa Materiale pentru scule de deformare
66
Din baza de date se constata ca urmatoarele materiale satisfac
cerintele rigide adica sa poata fi utilizate la prelucrarea la cald
Sunt materiale cu destinatie precisaDaca nu sunt materiale cu destinatie
precisa se cauta in grupa materialelor cu destinatie generala
Material Rm min MPa HV A5 KCU Jcm3
C120 890 265 8 60
VMoC120 870 265 8 68
VC06 870 230 6 68
VCW85 870 265 6 80
MoCN15 830 250 7 75
VMoCN17 870 265 7 73
VSCW20 790 235 5 78
OSC7 640 195 12 56
OSC8 640 195 10 58
67
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU Jcm3 βKCU Indicele de
performanta PC120 890 265 8 60 101450
VMoC120 870 265 8 68 100650
VC06 870 230 6 68 97400
VCW85 870 265 6 80 101750
MoCN15 830 250 7 75 96750
VMoCN17 870 265 7 73 101100
VSCW20 790 235 5 78 92400
OSC7 640 195 12 56 74950
OSC8 640 195 10 58 75050Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza peoprietatii
68
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU
Jcm3 βKCU Indicele de performanta P
C120 890 100 265 10000 8 6667 60 75 25017000
VMoC120 870 9775 265 10000 8 6667 68 85 2835015356
VC06 870 9775 230 8679 6 5000 68 85 2126563155
VCW85 870 9775 265 10000 6 5000 80 100 2501682022
MoCN15 830 9326 250 9434 7 5833 75 9375 2735970124
VMoCN17 870 9775 265 10000 7 5833 73 9125 2663140356
VSCW20 790 8876 235 8868 5 4167 78 975 2032758226
OSC7 640 7191 195 7358 12 10000 56 70 3501237545
OSC8 640 7191 195 7358 10 8333 58 725 3022070878Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza proprietatii relative
69
Material Indicele de performanta P
VSCW20 2032758226
VC06 2126563155
VCW85 2501682022
C120 25017000
VMoCN17 2663140356
MoCN15 2735970124
VMoC120 2835015356
OSC8 3022070878
OSC7 3501237545
Material Indicele de performanta P
OSC7 74950
OSC8 75050
VSCW20 92400
MoCN15 96750
VC06 97400
VMoC120 100650
VMoCN17 101100
C120 101450
VCW85 101750
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile proprietatii materialului
ordonate crescator
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile relative ale proprietatii materialului ordonate crescator
70
Luand in considerare ca unele materiale sunt aliate cu siguranta acestea sunt mai scumpe
Daca luam in considerare costul unitar pentru otelurile carbon de scule iar densitatea de 785 (corespunzatoare fierului) se obtine indicele de merit
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
OSC7 74950 1 95477707 114
OSC8 75050 1 956050955 114
VSCW20 92400 14 840764331 100
MoCN15 96750 14 880345769 105
VC06 97400 12 103397028 123
VMoC120 100650 13 986281235 117
VMoCN17 101100 14 919927207 109
C120 101450 15 861571125 102
VCW85 101750 14 925841674 110
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea proprietatii materialului
71
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
VSCW20 2032758226 14 184964352 100
VC06 2126563155 12 225749804 122
VCW85 2501682022 14 227632577 123
C120 25017000 15 212458599 115
VMoCN17 2663140356 14 242323963 131
MoCN15 2735970124 14 248950876 135
VMoC120 2835015356 13 277806502 150
OSC8 3022070878 1 384977182 208
OSC7 3501237545 1 446017522 241
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea relativa a proprietatii materialului
72
Selectati materialele potrivite pentru piesele din imagine
Randul I 1 Serie mare de fabricatie-6p Randul II Serie mica (unicat) de fabricatie-6p
Randul I 2 Criterii de selectie a materialelor-1p3 Etapele selectiei materialelor ndash 1p4 Economicitatea piesei ndash 1p5 Strategii de selectie a materialelor ndash 1p
Randul II 2 Tipuri de date utilizate la selectia materialelor-1p3 Cum se face minimalizarea costurilor-1p4 Perofmantele piesei in functionare ndash 1p5 Care sunt cerintele fata de material ndash 1p
SUBIECTE EXAMEN
73
Date privind principalele proprietati tehnologice ale unor materiale
Material
Valorile proprietatii
Aschiabilitate Turnabilitate Sudabilitate Cost
F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba $tona
Otel de constructii (OL) X X X 140
Otel carbon de calitate (OLC) X X X
260
Fonte obisnuite (Fc) X X X 160
Punctaje 60 30 10 60 30 10 60 30 10
Avand in vedere ca pretul creste odata cu rezistenta la tractiune calculati costul fiecarui material prin inmultirea costului de baza cu valoarea proprietatii si impartiti la 100
74
Materiale ce pot fi luate in considerare spre analiza
Material Rm HV A Material Rm HV A Material Rm HV A
OL30 310 95 32 OLC8 324 140 33 Fc100 100 105 2
OL32 310 93 33 OLC10 321 150 31 Fc150 150 145 3
OL34 330 105 31 OLC15 373 155 27 Fc200 200 180 4
OL37 360 112 25 OLC20 410 165 25 Fc250 250 190 4
OL42 410 130 22 OLC25 450 175 24 Fc300 300 210 5
OL44 430 135 22 OLC30 490 180 21 Fc350 350 220 6
OL50 500 160 21 OLC35 530 195 21 Fc400 400 240 6
OL52 510 160 21 OLC40 570 200 19
OL60 590 185 16 OLC45 610 220 18
OL70 690 215 11 OLC50 640 230 16
OLC55 670 240 14
OLC60 700 255 14
Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50
Proprietatea tehnilogica intra cu o pondere de 100
VA UREZ SUCCES
24
Coeficientul de utilizare a materialului
Minimalizarea costului materialelor
Printr-o proiectare care sa reduca cantitatea necesara de materiale scumpe
Alegerea procedeelor de prelucrare adecvate
Stabilirea formei semifabricatului care sa maximalizeze coeficientul de utilizare a
materialelor in fabricatie
Materiale ieftine
- Cumparate in cantitati mari- Cele care au dimensiuni mari
Cand fabricatia cere piese de mai multe dimensiuni se poate
cumpara stoc mare de semifabricate la dimensiunea
cea mai mare a pieselor
Reulta deseuri si costuri suplimentare de
manopera
Punctul de rentabilitate in aceasta privinta este greu de evaluat
25
Coeficientul de utilizare a materialelor pentru diferite procedee de prelucrare este dat in urmatorul tabel
Metoda de prelucrare Coeficientul de utilizare
1 Fara modificarea masei
Turnare 70
Deformare plastica 75
Agregate de pulberi 90
2 Cu micsorare de masa
Aschiere 60
Eroziune 90
3 Prin marire de masa
Depuneri prin sudare 80
Depuneri prin metalizare 90
26
Competitia in domeniul materialelor
Odata cu aparitia unor materiale noi si scaderea pretului celor existente apare o COMPETITIE INTRE MATERIALE
Intre otel si aluminiu la obtinerea cutiilor
de bauturi
Intre aluminiu si materiale polimerice
(armate) la constructia aeronavelor
Intre materiale polimerice si cupru
plumb fonta la instalatiile de apa
ProprietateaAliaj ZnAl4 turnat sub presiune
Polistiren ABS
Naylon 66
Policar-bonat
Polipr-opilena
Rezistenta la tractiune MNmm2 260 54 52 70 35
Rezistenta la tractiune prin soc (relativ) 79 1 33 36 16
Rezistenta la fluaj (exprimata ca modul de elasticitate aparent la 100 h MNmm2) 51100 1470 420 2030 308
Rezistenta la oboseala prin incovoiere la 107 cicluri MNmm2 644 154 14 7 182
Temperatura de stabilitate termica la 18 MNmm2 (oC) gt488 345 324 403 332
Modificarea rezistentei la tractiune dupa 500h de expunere in conditii atmosferice ()
+05 -8 +10 -11 -30
Densitatea (relativa) 667 105 114 12 09
Costul unitatii de greutate (relativ Zn=1) 1 21 374 42 14
Costul unitatii de volum raportat la rezistenta la tractiune (relativ) 1 21 37 30 16
Costul unitatii de volum raportat la rezistenta la fluaj (relativ) 1 117 183 19 30
Costul unitatii de volum raportat la rezistenta la tractiune prin soc (relativ) 1 27 15 16 09
Costul unitatii de volum raportat la rezistenta la oboseala (relativ) 1 09 18 34 04
In situatia in care piesa are un rol decorativ ndash materialul plastic este
important
27
Costul prelucrarii poate juca un rol important in procesul
selectiei
Alama mai ieftina pentru anumite piese decat otelul laminat deoarece se prelucreaza cu viteza mai mare
Costul alamei este mai mare decat a otelului
Aluminiul se prelucreaza mai usor si are greutate specifica mai mica
Poate inlocui fonta otelul si aliajele lui chiar
daca sunt mai ieftine
Materialele plastice se prelucreaza foarte usor si devin economice la
serie mare
Pot inlocui orice tip de material la diferite
aplicatii
Criteriul economic privind costul materialului nu este
concludent la selectarea materialului
Devine important COSTUL REPERULUI
28
Costul de baza al materialului
Cheltuieli de dezvoltaresi utilizare a
echipamentelor
Cheltuieli de prelucrareDeterminate de material de procedeu de forma
de precizie
COSTUL REPERULUI
Costurile reperului
29
Reper Comportare Costuri
Cheltuieli de intretineresi reparatii cu reperul
UtilizareCheltuieli de exploatare
Durabilitate
ECONOMICITATEA REPERULUI
Economicitatea reperului
30
CERINTE IMPUSE MATERIALULUIPIESE
Problema selectiei materialului este complexa
datorita
Varietatii materialelor ingineresti
Severitatii cerintelor functionale impuse
Cerinta diminuarii costurilor
Severitatii cerintelor functionale impuse
Prelucrarile la care este supus materialul
Geometria pieselor
Solicitarile la care este supus materialul
INFLUENTEAZA PROPRIETATILE MATERIALELOR
31
Comportarea materialului in produsul finit este sensibil diferita de cea a semifabricatului din care a fost obtinut
Comportarea materialului in piesa
(C)
Proprietatile materialului (M)
Influenta procedeului de prelucrare (P)
Forma piesei si fortele exterioare la care este
supusa (F)
Arata influenta directa a proprietatilor
semifabricatului a procedeului de prelucrare
a formei geometrice si a actiunii fortelor exterioare
asupra comportarii materialelor in piesa finita
Influenteaza direct comportarea
materialului in piesa
Este foarte important a se apela la criterii de proiectare adecvata
32
Influenta procedeului de prelucrare (P)
Prezenta muchiilor ascutite si a filetelor
Rugozitatea suprafetei
Afecteaza intr-o masura mai mare comportarea otelurilor de inalta rezistenta
decat a celor moi
Afecteaza intr-o masura mai mare comportarea materialelor la solicitari
variabile (oboseala) decat la solicitari statice
Interesul se focalizeaza preponderent pe performanta piesei in functionare si mai putin pe comportarea materialului in piesa
Comportarea materialului in piesa (proprietatile piesei)
Performantele piesei in functionare
Comportarea materialului in functionareConditiile de functionare
Factori care influenteaza
performantele piesei in functionare
33
CLASIFICAREA CERINTELOR IMPUSE MATERIALELOR
Cerintele impuse materialelor
Cerinte ldquorigiderdquo sau nenegociabile
Cerinte ldquonerigiderdquo ldquorelativerdquo sau
negociabile
Sunt cerintele care trebuie satisfacute obligatoriu de
material pentru a fi luate in considerare la selectie
bull Disponibilitatebull Prelucrabilitatebull Caracteristici minime
In anumite limite sunt supuse compromisului Pot fi comparate dpdv al importantei lor relative pentru o
aplicatie data in cadrul metodelor cantitative de selectie a materialelor
bull Proprietati mecanicebull Densitatebull Costul
In functie de tipul aplicatiei aceste cerinte isi pot schimba caracterul (din ldquonegociabilerdquo in ldquonenegociabile
Modificarea clasei de material selectate in final
34
EXEMPLE
Butelie de aragaz
Rezistenta Ductilitate Cost
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Rezistenta Ductilitate ρmic
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Butelii pentru gaze utilizate in aviatie
Costul este nenegociabil Oteluri pentru recipienti sub
presiune la temperaturi joase ndash R37 R44
Greutate cat mai mica (considerata nenegociabila) Materiale compozite (Kevlar 49-matrice epoxidica armata
cu fibre de poliamida)
35
MODALITATI DE ABORDARE A SELECTIEI MATERIALELOR SI PROCEDEELOR DE PRELUCRARE
Aparitia unor materiale noi si a competitiei intre materiale
Abordari noi in selectia materialelor si a procedeelor de prelucrare
Materialele plastice folosite la obtinerea pieselor complexe si de buna calitate inalta tehnologie
Materialele compozite au condus la reducerea substantiala a
greutatii produsului
Materiale sinterizate utilizate la obtinerea pieselor fara pierderi de material si consum de enetgie
scazut
Ingineria suprafetelor ofera posibilitati de modificare a
suprafetelor si coferirea unor proprietati deosebite
Cu toate aceste proiectantii se limiteaza la selectia
materialelor si procedeelor de prelucrare cunoscute mai bine
- Evitarea riscurilor- Nu este cunoscuta existenta unor noi materiale- Nu sunt cunoscute noile tehnologii de fabricatie etc
Proiectarea industriala trebuie asociata cu design-ul realizarea unei forme estetice obtinerea unui aspect exterior
placut
Design-ul industrial include mai mult decat o stilizare
Alegerea materialului permite un anumit design sau altul
36
La selectarea functiunii produsului (comportarea lui in exploatare-C) a materialelor (M) a
procedeelor de prelucrare (P) a formei (F) trebuie sa se tina seama ca acestea se intrepatrund (trebuie
sa tin seama in acelasi timp de ele)
Dificil Pot fi urmate diferite
succesiuni
Succesiunea CFMP prezinta urmatoarea
ordine de luare in considerare
-functionalitatea produsului (C)-forma piesei-materialul piesei-procedeul de prelucrare
Pot exista diferite succesiuni
Conduce la solutii diferite
Cadrul face conexiunea intre roti
saua bicicletei pedale ghidon
EXEMPLU Succesiunea CFMP
Functionalitatea si forma sunt aceleasi
Teava de aluminiu
Sudare
Succesiunea CFPM
Functionalitatea si forma sunt aceleasi
Sudare Teava de otel-se sudeaza mai bine
Succesiunea CMPF
Functionalitatea este aceeasi
Ca material se poate alege unul compozit
Sudare lipire
Forma aceeasi sau nu
Succesiunea CPMF
Poate fi aleasa presarea unui material superplastic
Alegerea ca material aluminiul
Forma S asimetrica plata
37
Pe baza functiunilor impuse produsului proiectantul schiteaza o serie de solutii tinand seama
de-materialele ce pot fi folosite-procedeele de fabricatie ce pot fi aplicate-formele potrivite ca functionalitate si design
Fiecare combinatie materialprocedeu de prelucrare conduce la diferite forme
Pot fi generate un numar
diferit de forme
Este o abordare CPMF sau CMPF
38
STRATEGII DE SELECTIE A MATERIALELOR
O strategie de selectie are doua componente
Formularea marimi prin care sa se evaluare un set de cerinte impuse materialului
Un procedeu de evaluare a marimii cerintelor prin care sa
se poata face ierarhizarea acestora in functie de masura in
care acestea sunt indeplinite
Strategiile cauta cai de implementare a procesului si anume de a converti un set de date ldquode intrarerdquo (cerintele proiectarii)
intr-un set de date ldquode iesirerdquo- alegerea materialului si a procedeului de prelucrare
39
Cerintele proiectarii
Materiale si procedee de prelucrare selectate
Strategii de selectie
Date initiale Functie de transfer Date finale
Strategia 1 Cautare libera implicand analiza rationala
Strategia 2 Bazata pe chestionare Este o selectie prin expertiza
Strategia 3 Analogie bazata pe cazuri anterioare
Posibila inovatie
Ofera solutii cunoscute
Ofera solutii similare cu situatia prezenta
Ofera mare libertate de selectie dar putina ghidare in proces
Ofera multa ghidare in proces dar putina libertate de selectie
Ofera idei ale solutiilor anterioare pentru probleme similare
40
SELECTIA LIBERA BAZATA PE ANALIZA RATIONALA
Este rapida si eficienta
Ofera o mare libertate pentru aplicatii
Ofera solutii noi si inovative
Avantaje
Are nevoie de date de intrare precis detaliate intr-o forma ce pot fi analizate prin metode ingineresti
standard
EXEMPLU
Gasiti un material pentru o bara de lungime L care sa
suporte o forta F la temperatura T si sa fie cat mai usoara
Cerinte pentru proiectare
ANALIZA SCHITEIFunctia Ce trebuie sa faca piesaObiective Ce trebuie maximalizat sau minimalizatConstrangeri Ce conditii esentiale trebuie sa fie indepliniteVariabile libere Care variabile ale proiectului sunt libere (cerinte nerigide)
41
Functia Ce trebuie sa faca piesa
Obiective Ce trebuie maximalizat sau minimalizat
Variabile libere Care variabile ale proiectului sunt libere (cerinte nerigide)
De a rezista la momente de incovoiere trebuie sa suporta incarcatura pentru care a fost proiectata fara a se deforma
Constrangeri Ce conditii esentiale trebuie sa fie indeplinite
Lungimea L data Tigiditatea S data Sa reziste si sa nu se deformeze la temperatura T
Trebuie minimalizata greutate
Aria sectiunii Costul
Procesul de selectie a avea 3 pasi
Filtrarea Se folseste de constrangeri pentru inlaturarea materialelor care nu indeplinesc cerintele
IerarhizareaSe folseste de marimea performantelor materialelor ramase in discutie pentru a le ordona
Documentarea
Analizeaza informatiile nestructurate le structureaza si le introduce in structura ierarhizata realizand o fisa cu informatii care ajuta selectia finala a materialului
42
Ierarhizarea se face parcurgand mai multe faze
Identificarea unuia sau a mai multor indici de performanta corespunzatori functiei obiectivului si constrangerilor
Indicele de performanta permite optimizarea selectiei
Pentru identificarea acestor indici se parcurg urmatoarele etape
Transpunerea intr-o relatie a obiectivului (entitatea) ce trebuie minimalizata sau maximalizata
Analiza grupului de proprietati (indicele de performanta) care maximalizeaza obiectivul
Eliminarea din aceasta relatie a variabilelor libere utilizand constrangerile (ex valoarea impusa rigiditatii a incarcarii limita a unui moment a presiunii a temperaturii de lucru sau al tenacitatii
43
EXEMPLU
TEMAGasiti un material pentru o bara de lungime L care sa
suporte o forta F la temperatura T si sa fie cat mai usoara
b
b
Lδ
F
Sageata
Sectiunea
CERINTELE PROIECTARIIFunctia Bara incarcata la incovoiereObiectiv Minimalizarea greutatiiConstrangeri Lungimea L data Rigiditatea S data Temperatura de exploatare T data (500deg)Variabile libere Aria sectiunii A Materialul de selectat
Se alege masa ldquomrdquo ca indice de performanta (trebuie sa fie minimalizat)
Masa barei este
Constrangerea privind rigiditatea va determina aria sectiunii ASageata unei bare simplu rezemata (forta actionand la mijloc) este data de relatia
44
unde E-modulul de elasticitate al materialului barei I-momentul de inertie al sectiunii grinzii
CL-reprezinta o constanta ce depinde de modul de distributie a fortei F (CL=48)
Rigiditatea barei este data de relatia
Din aceasta ultima relatie rezulta aria sectiunii A
Prin substitutia acestei relatii in relatia de determinare a masei grinzii se obtine indicele de performanta m
Valorile S L CL sunt date de proiect
Cea mai usoara bara este acea realizata dintr-un material care are cea mai mare valoare pentru
raport numit si ldquoindice de materialrdquo
Functia Incarcarea ConstrangeriIndici de
performantaRelatia
indicelui
Structuri de masa minima
Tija
BaraStatica
Rigiditate
Tractiune Eρ
Compresiune Eρ
Incovoiere E12ρ
Torsiune E12ρ
Rezistenta
Tractiune σrρ
Compresiune σcρ
Incovoiere σr23ρ
Torsiune σc23ρ
Dinamica
Panou
45
Exista mai multi indici de performanta fiecare realizand o combinatie dintre obiectiv si constrangere
46
47
48
METODE CANTITATIVE DE SELECTIE A MATERIALELOR CANDIDATE
Materialele candidat sunt materialele care satisfac cerintele cuprinse in matricea de cerinte rezultate dinbull Cerintele functionalebull Siguranta in functionarebull Functionarea in conditii ambientale de exploatarebull Cerintele de prelucrabilitatebull Economicitatea piesei
Care din aceste materiale vor fi luate in considerare la realizarea piesei
Evaluarea materialelor candidat
Evaluarea presupune compararea materialelor candidat care indeplinesc cerintele negociabile cu caracteristicile efective ale materialului in vederea selectarii celui optim pentru o aplicatie data
49
Evaluarea materialelor candidat
Este mai simpla pentru metodele cantitative de evaluare
Trebuie sa tina seama de anumite avantaje (usurinta procurarii materialului distanta pana la furnizor seriozitatea furnizarii constanta in calitatea produselor etc) care pot introduce anumite limitari determinand anumite compromisuri
In cele mai multe cazuri metodele cantitative de selectie conduc la materialul optim pentru o aplicatie
Metodele cantitative pot fi reluate odata cu schimbarea importantei relative a cerintelor negociabile
ATENTIE Cerintele nenegociabile trebuie satisfacute in totalitate si intocmai
Daca niciun material nu satisfac cerintele negociabile atunci fie ca acestea trebuie relaxate fie se impune reproiectarea produsului
50
Selectia este o operatie complexa
Numar mare de materiale cu o plaja larga de proprietati
Daca se face intamplator
Apare riscul de a omite anumite materiale candidate
Reducerea riscului prin adoptarea unei metode sistematice de selectie a materialelor
Metodele cantitative
Permitbull analiza unui numar ridicat de datebull a multor specificatii implicate in selectia materialelorbull pot fi adaptate pentru o selectie asistata de calculator
dintr-o baza de date
Metodele nu elimina capacitatea de analiza si experienta ingineruluiAceste metode sprijina inginerul in alegerea optima
51
METODA COSTULUI RAPORTAT LA UNITATEA DE PROPRIETATE
Economicitatea piesei
Costul initial al materialului
Costul prelucrarii si montarii
Costul functionarii si intretinerii
Unele dintre aceste costuri cresc odata cu cresterea
valorii proprietatilor altele scad
Proprietatea (Rm)
Costul piesei
Alte costuri
Costul total
Cos
tul
Cost minim
Odata cu cresterea rezistentei- Prelucrare mai dificila- Greutatea pe piesa scade- Durabilitatea in exploatare
creste si deci numarul de piese in utilizate in timp mai mic
Costul total este suma costului piesei si a celorlalte costuri
52
Valoarea optima a proprietatii (aici Rm) apare la costul minim
In piata costul materialului este legat de greutatea sau volumul (dupa caz) materialului
Se poate stabili o comparatie a materialelor intre proprietatile relative (proprietatea raportata la
greutatea specifica) De exemplu rezistenta rigiditatea modul de elasticitate etc
Criteriul esential este costul raportat la unitatea de rezistenta la tractiune
C=pρσ
C- costul asigurarii unei rezistente de 1 MPap- costul unitatii de proprietate a materialului
ρ- densitatea materialului
σr- rezistenta la tractiune
Cu cat valoarea lui ldquoCrdquo este mai mica cu atat materialul
este mai economic
53
Relatii asemanatoare pot fi obtinute si pentru alte proprietati cum ar fi- limita la curgere- modulul de elastuicitate- factorul de intensitate a tensiunii etc
Costul unitatii de proprietate pentru diferite moduri de solicitare
54
Compararea materialelor privind aceste costuri este esentiala
Se compara materialele intre ele
Este dificilSe ia un material de referinta
Costul relativ pe unitatea de proprietate a materialului candidat ldquoirdquo raportat la costul relativ pe unitatea de proprietate a materialului de referinta ldquobrdquo este dat de relatia
Daca CR este subunitar materialul candidat este mai ieftin decat materialul de referinta
Materialul de referinta este eliminat si materialul candidat se ia ca material de referinta pentru urmatoarea comparatie
Daca CR este supra unitar materialul candidat este mai scump decat materialul de referinta
Materialul de referinta se ia ca material de comparatie pentru urmatoarea analiza
55
METODA PONDERARII PROPRIETATILOR
Este o metoda pentru rezolvarea unor solutii mai comlexe de materiale materiale si proprietati
Fiecarei proprietati a materialului i se acorda o pondere rdquoαrdquo
Ponderea este proportionala cu importanta relativa a proprietatii pentru performanta in exploatare a materialului pentru aplicatia data
Ponderea proprietatii este egala cu produsul dintre valoarea numerica a proprietatii materialului ldquoprdquo si ponderea ei ldquoαrdquo
γ=pα
Insumand toate aceste produse pentru un material se obtine un indice de performanta ldquoPrdquo al materialului
Aceasta metoda ia in considerare toate proprietatile materialului
Comparand mai multe materiale prin indicele de performanta se poate gasi cel mai performant material pentru o aplicatie
56
Dezavantajul acestei metode consta in faptul ca in cazul unei proprietati care are o valoare ridicata aceasta v-a avea o influenta mai mare asupra indicelui de performanta decat ponderea ei
Exemplu Un material A care are Rm=370 MPa si o duritate de 350 HRB si un alt material B care are Rm=400 MPa si o duritate de 300 HRBStabilind ponderea proprietatii de 100 pentru rezistenta si 90 pentru duritate se obtine un indice de performanta de 68500 pentru material ul A si 67000 pentru materialul B
Inseamna ca impotriva importantei rezistentei la tractiune (ca fiind primul criteriu de selectie) si care este mai mare pentru materialul B indicele de performanta al materialului A este mai mare si deci acest material v-a fi selectat
La evaluarea materialelor candidat se va lucra cu valori relative ldquoβrdquo ale unei anumite proprietati celei mai mari valori a proprietatii atribuindu-se valoarea 100 iar celelalte valori relative se determina cu relatia
57
Pentru proprietatile materialelor care nu se exprima in mod obisnuit prin valori numerice (rezistenta la uzare sudabilitatea aschiabilitatea diferite proprietati tehnologice etc) evaluarea se poate face relativ la una dintre proprietati astfel
Astfel fiecarei proprietati I se acorda o importanta egalasi ea va influenta indicii de performanta ai materialelor doar comparate doar in masura ponderii acordate
Pentru proprietati ale caror valori se doreste a fi cat mai mici (densitatea pierderea de greutate prin coroziune etc) evaluarea se face printr-un raport invers
ProprietateaMateriale alternative
A B C D
Sudabilitatea Foarte buna Buna Buna Satisfacatoare
Evaluarea relativa 5 3 3 1
Valoarea scalata 100 60 60 20
58
Exemplu In ceea ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru rezistenta la tractiune a materialului A este de 925 Pentru al doilea material aceasta valoare este de 100 In ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru duritate aceasta este de 100 pentru materialul A si de 857 pentru materialul B
Acest lucru poate schimba situatia ierarhica a materialelor sau le poate apropia atat de mult indicele de performanta incat sa se puna problema luari in considerare si a altor elemente pentru selectie
Astfel indicele de performanta a materialului este dat de relatia
unde P reprezinta indicele de performanta a materialuluildquoirdquo este suma celor ldquonrdquo proprietati considerate a materialul ui
59
Ponderea α poate fi considerata ca αilt1 astfel incat
(cazul cel mai frecvent) sau ei I se poate aloca o plaja de valori valoarea cea mai mare
corespunzand proprietatii cu cea mai mare importanta
Costul materialului poate fi considerat ca o proprietate (chiar importanta) acordandui-se o pondere ldquoαrdquo
In cazul luarii in considerare a unui numar mare de proprietati costul poate fi considerat un factor de corectie al indicelui de performanta a materialului rezultand indicele de merit al acestuia
in care ldquoprdquo reprezinta costul unitatii de greutate a materialului
60
Cand se doreste compararea mai multor materiale candidat (i) cu unul de baza (de referinta) se calculeaza indicele relativ de merit al fiecarui material astfel
Daca RMgt1 respectivul material candidat ldquoirdquo corespunde mai bine cerintelor decat materialul de referinta ldquobrdquoIn cazul in care Mb reprezinta minimul cerintelor impuse Materialele candidat avand RMlt1 pot fi eliminate de la inceput ca fiind necorespunzatoare
Cand trebuie luate in considerare mai multe proprietati ale materialului pentru evaluarea indicelui de performanta este dificila evaluarea ponderii acestora Rezolvarea aceste probleme poate fi realizata printr-o evaluare prin programe numerice
61
METODA CRESTERII INCREMENTALE
In anumite situatii pot aparea mai multe materiale care indeplinesc cerintele minime impuse de o anumita aplicatie
Dupa analiza acestor materiale se poate presupune ca performantele pieselor prelucrate sunt proportionale cu indicii de performanta ldquoPrdquo In acelasi timp costul piesei variaza proportional cu costul materialului si al prelucrarii acestora
Daca se doreste selectarea piesei care are cea mai mare performanta la cea mai rezonabila crestere a costului se poate face o analiza beneficiu-cost Procedeul se ia indeosebi cand se doreste inlocuirea unui material utilizat deja in fabricatie
Materialul cu cel mai scazut cost (1) se ca element de baza si este comparat cu materialul care are costul imediat superior (2) Comparatia se face determinand cresterea indicelui de performanta (ΔP=P2-P1) si a costului ldquoprdquo pe unitatea de volum (Δpρ=p2ρ2-p1ρ1)
Daca ΔPΔpρlt1 materialul 1 corespunde mai bine decat materialul 2 pentru aplicatia data si materialul 2 va fi eliminatDaca ΔPΔpρgt1 materialul 1 va fi eliminat deoarece materialul 2 corespunde mai bine cerintelor aplicatieiSe continua compararea cu al treilea material si rand pe rand vor fi eliminate materialele mai putin corespunzatoare ajungand la materialul optim
62
EXEMPLU DE SELECTIE A MATERIALELOR
Tema Realizarea piesesei din figura dintr-un otel ldquoOL37rdquo intr-o serie mare de fabricatie-Este o piesa cilindrica cu dimensiunile date-Are un butuc-Prezinta o gaura lunga si de diametre mic
oslash200oslash50
150oslash20
Se poate realiza din bara rotunda prin strunjire
Se poate realiza din bara rotunda prin forjare
80
Coeficientul de utilizare a materialului 055
Coeficientul de utilizare a materialului 098
63
Diametrul mm Inaltime mm Volum mm3 Volum mm3Coeficientul de
utilizare a materialului
Semif Pornire 200 150 4710000 4710000
Strunjire
200 80 2512000
2602275 055=5550 35 137375
20 150 47100
Forjare
200 80 25120002649375
098=9850 35 137375
20 150 47100 2602275
Coeficientul de utilizare a materialului K=greutatea piesei finitegreutatea materialului utilizat pentru realizarea lui (a semifabricatului de pornire)
In calcul s-a lucrat cu volumul materialului deoarece G=VρAdaosuriele de prelucrare s-u luat ca fiind egaleApare un mult mai bun grad de utilizare a materialului pentr prelucrarea prin forjare
PIESA SE VA REALIZA PRIN FORJARE
64
1
2
3
5
6
4
9
8
F
107F
1-semimatrita superioara2-semimatrita inferioara3-cavitatea semimatritei sup4-cavitatea semimatritei inf5-canalul de bavura6-canalul de refulare7-prinderea semimatritei sup8-prinderea semimatritei inf9-elemente de ghidare (stifturi)10-planul de separare
TEMA Sa se stabileasca materialul optim pentru realizarea elementelor active ale matrtei de forjare din figura Se urmreste obtinerea piesei prin forjare la cald
CERINTE PENTRU PROIECTARE
Analiza schiteiFunctia Elemete (semimatrite) de matrita de deformare plasticaObiectiv Trebuie maximalizata tenacitatea (rezilienta)Constrangeri Dimensiunile cavitatii matritei (depind de marimea piesei) dimensiunile exterioare si sistemul de prindere (depind de utilaj temperatura de lucruVariabile libere material
65
Se cauta in sursele de informatii structurate si nestructurate materialele care respecta cerintele
Elemente de matrita
Rezistente la cald
Tenacitate Duritate
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Materialele potrivite sunt metalele si aliajele lor
-Materialele ceramice nu au tenacitate-Materialele polimerice nu au rezistenta la cald-Materialele compozite sunt scumpe si nu au tenacitate
Depinde de compozitia lor
Se cauta materiale cu destinatie precisa Materiale pentru scule de deformare
66
Din baza de date se constata ca urmatoarele materiale satisfac
cerintele rigide adica sa poata fi utilizate la prelucrarea la cald
Sunt materiale cu destinatie precisaDaca nu sunt materiale cu destinatie
precisa se cauta in grupa materialelor cu destinatie generala
Material Rm min MPa HV A5 KCU Jcm3
C120 890 265 8 60
VMoC120 870 265 8 68
VC06 870 230 6 68
VCW85 870 265 6 80
MoCN15 830 250 7 75
VMoCN17 870 265 7 73
VSCW20 790 235 5 78
OSC7 640 195 12 56
OSC8 640 195 10 58
67
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU Jcm3 βKCU Indicele de
performanta PC120 890 265 8 60 101450
VMoC120 870 265 8 68 100650
VC06 870 230 6 68 97400
VCW85 870 265 6 80 101750
MoCN15 830 250 7 75 96750
VMoCN17 870 265 7 73 101100
VSCW20 790 235 5 78 92400
OSC7 640 195 12 56 74950
OSC8 640 195 10 58 75050Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza peoprietatii
68
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU
Jcm3 βKCU Indicele de performanta P
C120 890 100 265 10000 8 6667 60 75 25017000
VMoC120 870 9775 265 10000 8 6667 68 85 2835015356
VC06 870 9775 230 8679 6 5000 68 85 2126563155
VCW85 870 9775 265 10000 6 5000 80 100 2501682022
MoCN15 830 9326 250 9434 7 5833 75 9375 2735970124
VMoCN17 870 9775 265 10000 7 5833 73 9125 2663140356
VSCW20 790 8876 235 8868 5 4167 78 975 2032758226
OSC7 640 7191 195 7358 12 10000 56 70 3501237545
OSC8 640 7191 195 7358 10 8333 58 725 3022070878Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza proprietatii relative
69
Material Indicele de performanta P
VSCW20 2032758226
VC06 2126563155
VCW85 2501682022
C120 25017000
VMoCN17 2663140356
MoCN15 2735970124
VMoC120 2835015356
OSC8 3022070878
OSC7 3501237545
Material Indicele de performanta P
OSC7 74950
OSC8 75050
VSCW20 92400
MoCN15 96750
VC06 97400
VMoC120 100650
VMoCN17 101100
C120 101450
VCW85 101750
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile proprietatii materialului
ordonate crescator
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile relative ale proprietatii materialului ordonate crescator
70
Luand in considerare ca unele materiale sunt aliate cu siguranta acestea sunt mai scumpe
Daca luam in considerare costul unitar pentru otelurile carbon de scule iar densitatea de 785 (corespunzatoare fierului) se obtine indicele de merit
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
OSC7 74950 1 95477707 114
OSC8 75050 1 956050955 114
VSCW20 92400 14 840764331 100
MoCN15 96750 14 880345769 105
VC06 97400 12 103397028 123
VMoC120 100650 13 986281235 117
VMoCN17 101100 14 919927207 109
C120 101450 15 861571125 102
VCW85 101750 14 925841674 110
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea proprietatii materialului
71
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
VSCW20 2032758226 14 184964352 100
VC06 2126563155 12 225749804 122
VCW85 2501682022 14 227632577 123
C120 25017000 15 212458599 115
VMoCN17 2663140356 14 242323963 131
MoCN15 2735970124 14 248950876 135
VMoC120 2835015356 13 277806502 150
OSC8 3022070878 1 384977182 208
OSC7 3501237545 1 446017522 241
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea relativa a proprietatii materialului
72
Selectati materialele potrivite pentru piesele din imagine
Randul I 1 Serie mare de fabricatie-6p Randul II Serie mica (unicat) de fabricatie-6p
Randul I 2 Criterii de selectie a materialelor-1p3 Etapele selectiei materialelor ndash 1p4 Economicitatea piesei ndash 1p5 Strategii de selectie a materialelor ndash 1p
Randul II 2 Tipuri de date utilizate la selectia materialelor-1p3 Cum se face minimalizarea costurilor-1p4 Perofmantele piesei in functionare ndash 1p5 Care sunt cerintele fata de material ndash 1p
SUBIECTE EXAMEN
73
Date privind principalele proprietati tehnologice ale unor materiale
Material
Valorile proprietatii
Aschiabilitate Turnabilitate Sudabilitate Cost
F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba $tona
Otel de constructii (OL) X X X 140
Otel carbon de calitate (OLC) X X X
260
Fonte obisnuite (Fc) X X X 160
Punctaje 60 30 10 60 30 10 60 30 10
Avand in vedere ca pretul creste odata cu rezistenta la tractiune calculati costul fiecarui material prin inmultirea costului de baza cu valoarea proprietatii si impartiti la 100
74
Materiale ce pot fi luate in considerare spre analiza
Material Rm HV A Material Rm HV A Material Rm HV A
OL30 310 95 32 OLC8 324 140 33 Fc100 100 105 2
OL32 310 93 33 OLC10 321 150 31 Fc150 150 145 3
OL34 330 105 31 OLC15 373 155 27 Fc200 200 180 4
OL37 360 112 25 OLC20 410 165 25 Fc250 250 190 4
OL42 410 130 22 OLC25 450 175 24 Fc300 300 210 5
OL44 430 135 22 OLC30 490 180 21 Fc350 350 220 6
OL50 500 160 21 OLC35 530 195 21 Fc400 400 240 6
OL52 510 160 21 OLC40 570 200 19
OL60 590 185 16 OLC45 610 220 18
OL70 690 215 11 OLC50 640 230 16
OLC55 670 240 14
OLC60 700 255 14
Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50
Proprietatea tehnilogica intra cu o pondere de 100
VA UREZ SUCCES
25
Coeficientul de utilizare a materialelor pentru diferite procedee de prelucrare este dat in urmatorul tabel
Metoda de prelucrare Coeficientul de utilizare
1 Fara modificarea masei
Turnare 70
Deformare plastica 75
Agregate de pulberi 90
2 Cu micsorare de masa
Aschiere 60
Eroziune 90
3 Prin marire de masa
Depuneri prin sudare 80
Depuneri prin metalizare 90
26
Competitia in domeniul materialelor
Odata cu aparitia unor materiale noi si scaderea pretului celor existente apare o COMPETITIE INTRE MATERIALE
Intre otel si aluminiu la obtinerea cutiilor
de bauturi
Intre aluminiu si materiale polimerice
(armate) la constructia aeronavelor
Intre materiale polimerice si cupru
plumb fonta la instalatiile de apa
ProprietateaAliaj ZnAl4 turnat sub presiune
Polistiren ABS
Naylon 66
Policar-bonat
Polipr-opilena
Rezistenta la tractiune MNmm2 260 54 52 70 35
Rezistenta la tractiune prin soc (relativ) 79 1 33 36 16
Rezistenta la fluaj (exprimata ca modul de elasticitate aparent la 100 h MNmm2) 51100 1470 420 2030 308
Rezistenta la oboseala prin incovoiere la 107 cicluri MNmm2 644 154 14 7 182
Temperatura de stabilitate termica la 18 MNmm2 (oC) gt488 345 324 403 332
Modificarea rezistentei la tractiune dupa 500h de expunere in conditii atmosferice ()
+05 -8 +10 -11 -30
Densitatea (relativa) 667 105 114 12 09
Costul unitatii de greutate (relativ Zn=1) 1 21 374 42 14
Costul unitatii de volum raportat la rezistenta la tractiune (relativ) 1 21 37 30 16
Costul unitatii de volum raportat la rezistenta la fluaj (relativ) 1 117 183 19 30
Costul unitatii de volum raportat la rezistenta la tractiune prin soc (relativ) 1 27 15 16 09
Costul unitatii de volum raportat la rezistenta la oboseala (relativ) 1 09 18 34 04
In situatia in care piesa are un rol decorativ ndash materialul plastic este
important
27
Costul prelucrarii poate juca un rol important in procesul
selectiei
Alama mai ieftina pentru anumite piese decat otelul laminat deoarece se prelucreaza cu viteza mai mare
Costul alamei este mai mare decat a otelului
Aluminiul se prelucreaza mai usor si are greutate specifica mai mica
Poate inlocui fonta otelul si aliajele lui chiar
daca sunt mai ieftine
Materialele plastice se prelucreaza foarte usor si devin economice la
serie mare
Pot inlocui orice tip de material la diferite
aplicatii
Criteriul economic privind costul materialului nu este
concludent la selectarea materialului
Devine important COSTUL REPERULUI
28
Costul de baza al materialului
Cheltuieli de dezvoltaresi utilizare a
echipamentelor
Cheltuieli de prelucrareDeterminate de material de procedeu de forma
de precizie
COSTUL REPERULUI
Costurile reperului
29
Reper Comportare Costuri
Cheltuieli de intretineresi reparatii cu reperul
UtilizareCheltuieli de exploatare
Durabilitate
ECONOMICITATEA REPERULUI
Economicitatea reperului
30
CERINTE IMPUSE MATERIALULUIPIESE
Problema selectiei materialului este complexa
datorita
Varietatii materialelor ingineresti
Severitatii cerintelor functionale impuse
Cerinta diminuarii costurilor
Severitatii cerintelor functionale impuse
Prelucrarile la care este supus materialul
Geometria pieselor
Solicitarile la care este supus materialul
INFLUENTEAZA PROPRIETATILE MATERIALELOR
31
Comportarea materialului in produsul finit este sensibil diferita de cea a semifabricatului din care a fost obtinut
Comportarea materialului in piesa
(C)
Proprietatile materialului (M)
Influenta procedeului de prelucrare (P)
Forma piesei si fortele exterioare la care este
supusa (F)
Arata influenta directa a proprietatilor
semifabricatului a procedeului de prelucrare
a formei geometrice si a actiunii fortelor exterioare
asupra comportarii materialelor in piesa finita
Influenteaza direct comportarea
materialului in piesa
Este foarte important a se apela la criterii de proiectare adecvata
32
Influenta procedeului de prelucrare (P)
Prezenta muchiilor ascutite si a filetelor
Rugozitatea suprafetei
Afecteaza intr-o masura mai mare comportarea otelurilor de inalta rezistenta
decat a celor moi
Afecteaza intr-o masura mai mare comportarea materialelor la solicitari
variabile (oboseala) decat la solicitari statice
Interesul se focalizeaza preponderent pe performanta piesei in functionare si mai putin pe comportarea materialului in piesa
Comportarea materialului in piesa (proprietatile piesei)
Performantele piesei in functionare
Comportarea materialului in functionareConditiile de functionare
Factori care influenteaza
performantele piesei in functionare
33
CLASIFICAREA CERINTELOR IMPUSE MATERIALELOR
Cerintele impuse materialelor
Cerinte ldquorigiderdquo sau nenegociabile
Cerinte ldquonerigiderdquo ldquorelativerdquo sau
negociabile
Sunt cerintele care trebuie satisfacute obligatoriu de
material pentru a fi luate in considerare la selectie
bull Disponibilitatebull Prelucrabilitatebull Caracteristici minime
In anumite limite sunt supuse compromisului Pot fi comparate dpdv al importantei lor relative pentru o
aplicatie data in cadrul metodelor cantitative de selectie a materialelor
bull Proprietati mecanicebull Densitatebull Costul
In functie de tipul aplicatiei aceste cerinte isi pot schimba caracterul (din ldquonegociabilerdquo in ldquonenegociabile
Modificarea clasei de material selectate in final
34
EXEMPLE
Butelie de aragaz
Rezistenta Ductilitate Cost
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Rezistenta Ductilitate ρmic
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Butelii pentru gaze utilizate in aviatie
Costul este nenegociabil Oteluri pentru recipienti sub
presiune la temperaturi joase ndash R37 R44
Greutate cat mai mica (considerata nenegociabila) Materiale compozite (Kevlar 49-matrice epoxidica armata
cu fibre de poliamida)
35
MODALITATI DE ABORDARE A SELECTIEI MATERIALELOR SI PROCEDEELOR DE PRELUCRARE
Aparitia unor materiale noi si a competitiei intre materiale
Abordari noi in selectia materialelor si a procedeelor de prelucrare
Materialele plastice folosite la obtinerea pieselor complexe si de buna calitate inalta tehnologie
Materialele compozite au condus la reducerea substantiala a
greutatii produsului
Materiale sinterizate utilizate la obtinerea pieselor fara pierderi de material si consum de enetgie
scazut
Ingineria suprafetelor ofera posibilitati de modificare a
suprafetelor si coferirea unor proprietati deosebite
Cu toate aceste proiectantii se limiteaza la selectia
materialelor si procedeelor de prelucrare cunoscute mai bine
- Evitarea riscurilor- Nu este cunoscuta existenta unor noi materiale- Nu sunt cunoscute noile tehnologii de fabricatie etc
Proiectarea industriala trebuie asociata cu design-ul realizarea unei forme estetice obtinerea unui aspect exterior
placut
Design-ul industrial include mai mult decat o stilizare
Alegerea materialului permite un anumit design sau altul
36
La selectarea functiunii produsului (comportarea lui in exploatare-C) a materialelor (M) a
procedeelor de prelucrare (P) a formei (F) trebuie sa se tina seama ca acestea se intrepatrund (trebuie
sa tin seama in acelasi timp de ele)
Dificil Pot fi urmate diferite
succesiuni
Succesiunea CFMP prezinta urmatoarea
ordine de luare in considerare
-functionalitatea produsului (C)-forma piesei-materialul piesei-procedeul de prelucrare
Pot exista diferite succesiuni
Conduce la solutii diferite
Cadrul face conexiunea intre roti
saua bicicletei pedale ghidon
EXEMPLU Succesiunea CFMP
Functionalitatea si forma sunt aceleasi
Teava de aluminiu
Sudare
Succesiunea CFPM
Functionalitatea si forma sunt aceleasi
Sudare Teava de otel-se sudeaza mai bine
Succesiunea CMPF
Functionalitatea este aceeasi
Ca material se poate alege unul compozit
Sudare lipire
Forma aceeasi sau nu
Succesiunea CPMF
Poate fi aleasa presarea unui material superplastic
Alegerea ca material aluminiul
Forma S asimetrica plata
37
Pe baza functiunilor impuse produsului proiectantul schiteaza o serie de solutii tinand seama
de-materialele ce pot fi folosite-procedeele de fabricatie ce pot fi aplicate-formele potrivite ca functionalitate si design
Fiecare combinatie materialprocedeu de prelucrare conduce la diferite forme
Pot fi generate un numar
diferit de forme
Este o abordare CPMF sau CMPF
38
STRATEGII DE SELECTIE A MATERIALELOR
O strategie de selectie are doua componente
Formularea marimi prin care sa se evaluare un set de cerinte impuse materialului
Un procedeu de evaluare a marimii cerintelor prin care sa
se poata face ierarhizarea acestora in functie de masura in
care acestea sunt indeplinite
Strategiile cauta cai de implementare a procesului si anume de a converti un set de date ldquode intrarerdquo (cerintele proiectarii)
intr-un set de date ldquode iesirerdquo- alegerea materialului si a procedeului de prelucrare
39
Cerintele proiectarii
Materiale si procedee de prelucrare selectate
Strategii de selectie
Date initiale Functie de transfer Date finale
Strategia 1 Cautare libera implicand analiza rationala
Strategia 2 Bazata pe chestionare Este o selectie prin expertiza
Strategia 3 Analogie bazata pe cazuri anterioare
Posibila inovatie
Ofera solutii cunoscute
Ofera solutii similare cu situatia prezenta
Ofera mare libertate de selectie dar putina ghidare in proces
Ofera multa ghidare in proces dar putina libertate de selectie
Ofera idei ale solutiilor anterioare pentru probleme similare
40
SELECTIA LIBERA BAZATA PE ANALIZA RATIONALA
Este rapida si eficienta
Ofera o mare libertate pentru aplicatii
Ofera solutii noi si inovative
Avantaje
Are nevoie de date de intrare precis detaliate intr-o forma ce pot fi analizate prin metode ingineresti
standard
EXEMPLU
Gasiti un material pentru o bara de lungime L care sa
suporte o forta F la temperatura T si sa fie cat mai usoara
Cerinte pentru proiectare
ANALIZA SCHITEIFunctia Ce trebuie sa faca piesaObiective Ce trebuie maximalizat sau minimalizatConstrangeri Ce conditii esentiale trebuie sa fie indepliniteVariabile libere Care variabile ale proiectului sunt libere (cerinte nerigide)
41
Functia Ce trebuie sa faca piesa
Obiective Ce trebuie maximalizat sau minimalizat
Variabile libere Care variabile ale proiectului sunt libere (cerinte nerigide)
De a rezista la momente de incovoiere trebuie sa suporta incarcatura pentru care a fost proiectata fara a se deforma
Constrangeri Ce conditii esentiale trebuie sa fie indeplinite
Lungimea L data Tigiditatea S data Sa reziste si sa nu se deformeze la temperatura T
Trebuie minimalizata greutate
Aria sectiunii Costul
Procesul de selectie a avea 3 pasi
Filtrarea Se folseste de constrangeri pentru inlaturarea materialelor care nu indeplinesc cerintele
IerarhizareaSe folseste de marimea performantelor materialelor ramase in discutie pentru a le ordona
Documentarea
Analizeaza informatiile nestructurate le structureaza si le introduce in structura ierarhizata realizand o fisa cu informatii care ajuta selectia finala a materialului
42
Ierarhizarea se face parcurgand mai multe faze
Identificarea unuia sau a mai multor indici de performanta corespunzatori functiei obiectivului si constrangerilor
Indicele de performanta permite optimizarea selectiei
Pentru identificarea acestor indici se parcurg urmatoarele etape
Transpunerea intr-o relatie a obiectivului (entitatea) ce trebuie minimalizata sau maximalizata
Analiza grupului de proprietati (indicele de performanta) care maximalizeaza obiectivul
Eliminarea din aceasta relatie a variabilelor libere utilizand constrangerile (ex valoarea impusa rigiditatii a incarcarii limita a unui moment a presiunii a temperaturii de lucru sau al tenacitatii
43
EXEMPLU
TEMAGasiti un material pentru o bara de lungime L care sa
suporte o forta F la temperatura T si sa fie cat mai usoara
b
b
Lδ
F
Sageata
Sectiunea
CERINTELE PROIECTARIIFunctia Bara incarcata la incovoiereObiectiv Minimalizarea greutatiiConstrangeri Lungimea L data Rigiditatea S data Temperatura de exploatare T data (500deg)Variabile libere Aria sectiunii A Materialul de selectat
Se alege masa ldquomrdquo ca indice de performanta (trebuie sa fie minimalizat)
Masa barei este
Constrangerea privind rigiditatea va determina aria sectiunii ASageata unei bare simplu rezemata (forta actionand la mijloc) este data de relatia
44
unde E-modulul de elasticitate al materialului barei I-momentul de inertie al sectiunii grinzii
CL-reprezinta o constanta ce depinde de modul de distributie a fortei F (CL=48)
Rigiditatea barei este data de relatia
Din aceasta ultima relatie rezulta aria sectiunii A
Prin substitutia acestei relatii in relatia de determinare a masei grinzii se obtine indicele de performanta m
Valorile S L CL sunt date de proiect
Cea mai usoara bara este acea realizata dintr-un material care are cea mai mare valoare pentru
raport numit si ldquoindice de materialrdquo
Functia Incarcarea ConstrangeriIndici de
performantaRelatia
indicelui
Structuri de masa minima
Tija
BaraStatica
Rigiditate
Tractiune Eρ
Compresiune Eρ
Incovoiere E12ρ
Torsiune E12ρ
Rezistenta
Tractiune σrρ
Compresiune σcρ
Incovoiere σr23ρ
Torsiune σc23ρ
Dinamica
Panou
45
Exista mai multi indici de performanta fiecare realizand o combinatie dintre obiectiv si constrangere
46
47
48
METODE CANTITATIVE DE SELECTIE A MATERIALELOR CANDIDATE
Materialele candidat sunt materialele care satisfac cerintele cuprinse in matricea de cerinte rezultate dinbull Cerintele functionalebull Siguranta in functionarebull Functionarea in conditii ambientale de exploatarebull Cerintele de prelucrabilitatebull Economicitatea piesei
Care din aceste materiale vor fi luate in considerare la realizarea piesei
Evaluarea materialelor candidat
Evaluarea presupune compararea materialelor candidat care indeplinesc cerintele negociabile cu caracteristicile efective ale materialului in vederea selectarii celui optim pentru o aplicatie data
49
Evaluarea materialelor candidat
Este mai simpla pentru metodele cantitative de evaluare
Trebuie sa tina seama de anumite avantaje (usurinta procurarii materialului distanta pana la furnizor seriozitatea furnizarii constanta in calitatea produselor etc) care pot introduce anumite limitari determinand anumite compromisuri
In cele mai multe cazuri metodele cantitative de selectie conduc la materialul optim pentru o aplicatie
Metodele cantitative pot fi reluate odata cu schimbarea importantei relative a cerintelor negociabile
ATENTIE Cerintele nenegociabile trebuie satisfacute in totalitate si intocmai
Daca niciun material nu satisfac cerintele negociabile atunci fie ca acestea trebuie relaxate fie se impune reproiectarea produsului
50
Selectia este o operatie complexa
Numar mare de materiale cu o plaja larga de proprietati
Daca se face intamplator
Apare riscul de a omite anumite materiale candidate
Reducerea riscului prin adoptarea unei metode sistematice de selectie a materialelor
Metodele cantitative
Permitbull analiza unui numar ridicat de datebull a multor specificatii implicate in selectia materialelorbull pot fi adaptate pentru o selectie asistata de calculator
dintr-o baza de date
Metodele nu elimina capacitatea de analiza si experienta ingineruluiAceste metode sprijina inginerul in alegerea optima
51
METODA COSTULUI RAPORTAT LA UNITATEA DE PROPRIETATE
Economicitatea piesei
Costul initial al materialului
Costul prelucrarii si montarii
Costul functionarii si intretinerii
Unele dintre aceste costuri cresc odata cu cresterea
valorii proprietatilor altele scad
Proprietatea (Rm)
Costul piesei
Alte costuri
Costul total
Cos
tul
Cost minim
Odata cu cresterea rezistentei- Prelucrare mai dificila- Greutatea pe piesa scade- Durabilitatea in exploatare
creste si deci numarul de piese in utilizate in timp mai mic
Costul total este suma costului piesei si a celorlalte costuri
52
Valoarea optima a proprietatii (aici Rm) apare la costul minim
In piata costul materialului este legat de greutatea sau volumul (dupa caz) materialului
Se poate stabili o comparatie a materialelor intre proprietatile relative (proprietatea raportata la
greutatea specifica) De exemplu rezistenta rigiditatea modul de elasticitate etc
Criteriul esential este costul raportat la unitatea de rezistenta la tractiune
C=pρσ
C- costul asigurarii unei rezistente de 1 MPap- costul unitatii de proprietate a materialului
ρ- densitatea materialului
σr- rezistenta la tractiune
Cu cat valoarea lui ldquoCrdquo este mai mica cu atat materialul
este mai economic
53
Relatii asemanatoare pot fi obtinute si pentru alte proprietati cum ar fi- limita la curgere- modulul de elastuicitate- factorul de intensitate a tensiunii etc
Costul unitatii de proprietate pentru diferite moduri de solicitare
54
Compararea materialelor privind aceste costuri este esentiala
Se compara materialele intre ele
Este dificilSe ia un material de referinta
Costul relativ pe unitatea de proprietate a materialului candidat ldquoirdquo raportat la costul relativ pe unitatea de proprietate a materialului de referinta ldquobrdquo este dat de relatia
Daca CR este subunitar materialul candidat este mai ieftin decat materialul de referinta
Materialul de referinta este eliminat si materialul candidat se ia ca material de referinta pentru urmatoarea comparatie
Daca CR este supra unitar materialul candidat este mai scump decat materialul de referinta
Materialul de referinta se ia ca material de comparatie pentru urmatoarea analiza
55
METODA PONDERARII PROPRIETATILOR
Este o metoda pentru rezolvarea unor solutii mai comlexe de materiale materiale si proprietati
Fiecarei proprietati a materialului i se acorda o pondere rdquoαrdquo
Ponderea este proportionala cu importanta relativa a proprietatii pentru performanta in exploatare a materialului pentru aplicatia data
Ponderea proprietatii este egala cu produsul dintre valoarea numerica a proprietatii materialului ldquoprdquo si ponderea ei ldquoαrdquo
γ=pα
Insumand toate aceste produse pentru un material se obtine un indice de performanta ldquoPrdquo al materialului
Aceasta metoda ia in considerare toate proprietatile materialului
Comparand mai multe materiale prin indicele de performanta se poate gasi cel mai performant material pentru o aplicatie
56
Dezavantajul acestei metode consta in faptul ca in cazul unei proprietati care are o valoare ridicata aceasta v-a avea o influenta mai mare asupra indicelui de performanta decat ponderea ei
Exemplu Un material A care are Rm=370 MPa si o duritate de 350 HRB si un alt material B care are Rm=400 MPa si o duritate de 300 HRBStabilind ponderea proprietatii de 100 pentru rezistenta si 90 pentru duritate se obtine un indice de performanta de 68500 pentru material ul A si 67000 pentru materialul B
Inseamna ca impotriva importantei rezistentei la tractiune (ca fiind primul criteriu de selectie) si care este mai mare pentru materialul B indicele de performanta al materialului A este mai mare si deci acest material v-a fi selectat
La evaluarea materialelor candidat se va lucra cu valori relative ldquoβrdquo ale unei anumite proprietati celei mai mari valori a proprietatii atribuindu-se valoarea 100 iar celelalte valori relative se determina cu relatia
57
Pentru proprietatile materialelor care nu se exprima in mod obisnuit prin valori numerice (rezistenta la uzare sudabilitatea aschiabilitatea diferite proprietati tehnologice etc) evaluarea se poate face relativ la una dintre proprietati astfel
Astfel fiecarei proprietati I se acorda o importanta egalasi ea va influenta indicii de performanta ai materialelor doar comparate doar in masura ponderii acordate
Pentru proprietati ale caror valori se doreste a fi cat mai mici (densitatea pierderea de greutate prin coroziune etc) evaluarea se face printr-un raport invers
ProprietateaMateriale alternative
A B C D
Sudabilitatea Foarte buna Buna Buna Satisfacatoare
Evaluarea relativa 5 3 3 1
Valoarea scalata 100 60 60 20
58
Exemplu In ceea ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru rezistenta la tractiune a materialului A este de 925 Pentru al doilea material aceasta valoare este de 100 In ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru duritate aceasta este de 100 pentru materialul A si de 857 pentru materialul B
Acest lucru poate schimba situatia ierarhica a materialelor sau le poate apropia atat de mult indicele de performanta incat sa se puna problema luari in considerare si a altor elemente pentru selectie
Astfel indicele de performanta a materialului este dat de relatia
unde P reprezinta indicele de performanta a materialuluildquoirdquo este suma celor ldquonrdquo proprietati considerate a materialul ui
59
Ponderea α poate fi considerata ca αilt1 astfel incat
(cazul cel mai frecvent) sau ei I se poate aloca o plaja de valori valoarea cea mai mare
corespunzand proprietatii cu cea mai mare importanta
Costul materialului poate fi considerat ca o proprietate (chiar importanta) acordandui-se o pondere ldquoαrdquo
In cazul luarii in considerare a unui numar mare de proprietati costul poate fi considerat un factor de corectie al indicelui de performanta a materialului rezultand indicele de merit al acestuia
in care ldquoprdquo reprezinta costul unitatii de greutate a materialului
60
Cand se doreste compararea mai multor materiale candidat (i) cu unul de baza (de referinta) se calculeaza indicele relativ de merit al fiecarui material astfel
Daca RMgt1 respectivul material candidat ldquoirdquo corespunde mai bine cerintelor decat materialul de referinta ldquobrdquoIn cazul in care Mb reprezinta minimul cerintelor impuse Materialele candidat avand RMlt1 pot fi eliminate de la inceput ca fiind necorespunzatoare
Cand trebuie luate in considerare mai multe proprietati ale materialului pentru evaluarea indicelui de performanta este dificila evaluarea ponderii acestora Rezolvarea aceste probleme poate fi realizata printr-o evaluare prin programe numerice
61
METODA CRESTERII INCREMENTALE
In anumite situatii pot aparea mai multe materiale care indeplinesc cerintele minime impuse de o anumita aplicatie
Dupa analiza acestor materiale se poate presupune ca performantele pieselor prelucrate sunt proportionale cu indicii de performanta ldquoPrdquo In acelasi timp costul piesei variaza proportional cu costul materialului si al prelucrarii acestora
Daca se doreste selectarea piesei care are cea mai mare performanta la cea mai rezonabila crestere a costului se poate face o analiza beneficiu-cost Procedeul se ia indeosebi cand se doreste inlocuirea unui material utilizat deja in fabricatie
Materialul cu cel mai scazut cost (1) se ca element de baza si este comparat cu materialul care are costul imediat superior (2) Comparatia se face determinand cresterea indicelui de performanta (ΔP=P2-P1) si a costului ldquoprdquo pe unitatea de volum (Δpρ=p2ρ2-p1ρ1)
Daca ΔPΔpρlt1 materialul 1 corespunde mai bine decat materialul 2 pentru aplicatia data si materialul 2 va fi eliminatDaca ΔPΔpρgt1 materialul 1 va fi eliminat deoarece materialul 2 corespunde mai bine cerintelor aplicatieiSe continua compararea cu al treilea material si rand pe rand vor fi eliminate materialele mai putin corespunzatoare ajungand la materialul optim
62
EXEMPLU DE SELECTIE A MATERIALELOR
Tema Realizarea piesesei din figura dintr-un otel ldquoOL37rdquo intr-o serie mare de fabricatie-Este o piesa cilindrica cu dimensiunile date-Are un butuc-Prezinta o gaura lunga si de diametre mic
oslash200oslash50
150oslash20
Se poate realiza din bara rotunda prin strunjire
Se poate realiza din bara rotunda prin forjare
80
Coeficientul de utilizare a materialului 055
Coeficientul de utilizare a materialului 098
63
Diametrul mm Inaltime mm Volum mm3 Volum mm3Coeficientul de
utilizare a materialului
Semif Pornire 200 150 4710000 4710000
Strunjire
200 80 2512000
2602275 055=5550 35 137375
20 150 47100
Forjare
200 80 25120002649375
098=9850 35 137375
20 150 47100 2602275
Coeficientul de utilizare a materialului K=greutatea piesei finitegreutatea materialului utilizat pentru realizarea lui (a semifabricatului de pornire)
In calcul s-a lucrat cu volumul materialului deoarece G=VρAdaosuriele de prelucrare s-u luat ca fiind egaleApare un mult mai bun grad de utilizare a materialului pentr prelucrarea prin forjare
PIESA SE VA REALIZA PRIN FORJARE
64
1
2
3
5
6
4
9
8
F
107F
1-semimatrita superioara2-semimatrita inferioara3-cavitatea semimatritei sup4-cavitatea semimatritei inf5-canalul de bavura6-canalul de refulare7-prinderea semimatritei sup8-prinderea semimatritei inf9-elemente de ghidare (stifturi)10-planul de separare
TEMA Sa se stabileasca materialul optim pentru realizarea elementelor active ale matrtei de forjare din figura Se urmreste obtinerea piesei prin forjare la cald
CERINTE PENTRU PROIECTARE
Analiza schiteiFunctia Elemete (semimatrite) de matrita de deformare plasticaObiectiv Trebuie maximalizata tenacitatea (rezilienta)Constrangeri Dimensiunile cavitatii matritei (depind de marimea piesei) dimensiunile exterioare si sistemul de prindere (depind de utilaj temperatura de lucruVariabile libere material
65
Se cauta in sursele de informatii structurate si nestructurate materialele care respecta cerintele
Elemente de matrita
Rezistente la cald
Tenacitate Duritate
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Materialele potrivite sunt metalele si aliajele lor
-Materialele ceramice nu au tenacitate-Materialele polimerice nu au rezistenta la cald-Materialele compozite sunt scumpe si nu au tenacitate
Depinde de compozitia lor
Se cauta materiale cu destinatie precisa Materiale pentru scule de deformare
66
Din baza de date se constata ca urmatoarele materiale satisfac
cerintele rigide adica sa poata fi utilizate la prelucrarea la cald
Sunt materiale cu destinatie precisaDaca nu sunt materiale cu destinatie
precisa se cauta in grupa materialelor cu destinatie generala
Material Rm min MPa HV A5 KCU Jcm3
C120 890 265 8 60
VMoC120 870 265 8 68
VC06 870 230 6 68
VCW85 870 265 6 80
MoCN15 830 250 7 75
VMoCN17 870 265 7 73
VSCW20 790 235 5 78
OSC7 640 195 12 56
OSC8 640 195 10 58
67
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU Jcm3 βKCU Indicele de
performanta PC120 890 265 8 60 101450
VMoC120 870 265 8 68 100650
VC06 870 230 6 68 97400
VCW85 870 265 6 80 101750
MoCN15 830 250 7 75 96750
VMoCN17 870 265 7 73 101100
VSCW20 790 235 5 78 92400
OSC7 640 195 12 56 74950
OSC8 640 195 10 58 75050Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza peoprietatii
68
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU
Jcm3 βKCU Indicele de performanta P
C120 890 100 265 10000 8 6667 60 75 25017000
VMoC120 870 9775 265 10000 8 6667 68 85 2835015356
VC06 870 9775 230 8679 6 5000 68 85 2126563155
VCW85 870 9775 265 10000 6 5000 80 100 2501682022
MoCN15 830 9326 250 9434 7 5833 75 9375 2735970124
VMoCN17 870 9775 265 10000 7 5833 73 9125 2663140356
VSCW20 790 8876 235 8868 5 4167 78 975 2032758226
OSC7 640 7191 195 7358 12 10000 56 70 3501237545
OSC8 640 7191 195 7358 10 8333 58 725 3022070878Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza proprietatii relative
69
Material Indicele de performanta P
VSCW20 2032758226
VC06 2126563155
VCW85 2501682022
C120 25017000
VMoCN17 2663140356
MoCN15 2735970124
VMoC120 2835015356
OSC8 3022070878
OSC7 3501237545
Material Indicele de performanta P
OSC7 74950
OSC8 75050
VSCW20 92400
MoCN15 96750
VC06 97400
VMoC120 100650
VMoCN17 101100
C120 101450
VCW85 101750
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile proprietatii materialului
ordonate crescator
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile relative ale proprietatii materialului ordonate crescator
70
Luand in considerare ca unele materiale sunt aliate cu siguranta acestea sunt mai scumpe
Daca luam in considerare costul unitar pentru otelurile carbon de scule iar densitatea de 785 (corespunzatoare fierului) se obtine indicele de merit
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
OSC7 74950 1 95477707 114
OSC8 75050 1 956050955 114
VSCW20 92400 14 840764331 100
MoCN15 96750 14 880345769 105
VC06 97400 12 103397028 123
VMoC120 100650 13 986281235 117
VMoCN17 101100 14 919927207 109
C120 101450 15 861571125 102
VCW85 101750 14 925841674 110
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea proprietatii materialului
71
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
VSCW20 2032758226 14 184964352 100
VC06 2126563155 12 225749804 122
VCW85 2501682022 14 227632577 123
C120 25017000 15 212458599 115
VMoCN17 2663140356 14 242323963 131
MoCN15 2735970124 14 248950876 135
VMoC120 2835015356 13 277806502 150
OSC8 3022070878 1 384977182 208
OSC7 3501237545 1 446017522 241
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea relativa a proprietatii materialului
72
Selectati materialele potrivite pentru piesele din imagine
Randul I 1 Serie mare de fabricatie-6p Randul II Serie mica (unicat) de fabricatie-6p
Randul I 2 Criterii de selectie a materialelor-1p3 Etapele selectiei materialelor ndash 1p4 Economicitatea piesei ndash 1p5 Strategii de selectie a materialelor ndash 1p
Randul II 2 Tipuri de date utilizate la selectia materialelor-1p3 Cum se face minimalizarea costurilor-1p4 Perofmantele piesei in functionare ndash 1p5 Care sunt cerintele fata de material ndash 1p
SUBIECTE EXAMEN
73
Date privind principalele proprietati tehnologice ale unor materiale
Material
Valorile proprietatii
Aschiabilitate Turnabilitate Sudabilitate Cost
F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba $tona
Otel de constructii (OL) X X X 140
Otel carbon de calitate (OLC) X X X
260
Fonte obisnuite (Fc) X X X 160
Punctaje 60 30 10 60 30 10 60 30 10
Avand in vedere ca pretul creste odata cu rezistenta la tractiune calculati costul fiecarui material prin inmultirea costului de baza cu valoarea proprietatii si impartiti la 100
74
Materiale ce pot fi luate in considerare spre analiza
Material Rm HV A Material Rm HV A Material Rm HV A
OL30 310 95 32 OLC8 324 140 33 Fc100 100 105 2
OL32 310 93 33 OLC10 321 150 31 Fc150 150 145 3
OL34 330 105 31 OLC15 373 155 27 Fc200 200 180 4
OL37 360 112 25 OLC20 410 165 25 Fc250 250 190 4
OL42 410 130 22 OLC25 450 175 24 Fc300 300 210 5
OL44 430 135 22 OLC30 490 180 21 Fc350 350 220 6
OL50 500 160 21 OLC35 530 195 21 Fc400 400 240 6
OL52 510 160 21 OLC40 570 200 19
OL60 590 185 16 OLC45 610 220 18
OL70 690 215 11 OLC50 640 230 16
OLC55 670 240 14
OLC60 700 255 14
Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50
Proprietatea tehnilogica intra cu o pondere de 100
VA UREZ SUCCES
26
Competitia in domeniul materialelor
Odata cu aparitia unor materiale noi si scaderea pretului celor existente apare o COMPETITIE INTRE MATERIALE
Intre otel si aluminiu la obtinerea cutiilor
de bauturi
Intre aluminiu si materiale polimerice
(armate) la constructia aeronavelor
Intre materiale polimerice si cupru
plumb fonta la instalatiile de apa
ProprietateaAliaj ZnAl4 turnat sub presiune
Polistiren ABS
Naylon 66
Policar-bonat
Polipr-opilena
Rezistenta la tractiune MNmm2 260 54 52 70 35
Rezistenta la tractiune prin soc (relativ) 79 1 33 36 16
Rezistenta la fluaj (exprimata ca modul de elasticitate aparent la 100 h MNmm2) 51100 1470 420 2030 308
Rezistenta la oboseala prin incovoiere la 107 cicluri MNmm2 644 154 14 7 182
Temperatura de stabilitate termica la 18 MNmm2 (oC) gt488 345 324 403 332
Modificarea rezistentei la tractiune dupa 500h de expunere in conditii atmosferice ()
+05 -8 +10 -11 -30
Densitatea (relativa) 667 105 114 12 09
Costul unitatii de greutate (relativ Zn=1) 1 21 374 42 14
Costul unitatii de volum raportat la rezistenta la tractiune (relativ) 1 21 37 30 16
Costul unitatii de volum raportat la rezistenta la fluaj (relativ) 1 117 183 19 30
Costul unitatii de volum raportat la rezistenta la tractiune prin soc (relativ) 1 27 15 16 09
Costul unitatii de volum raportat la rezistenta la oboseala (relativ) 1 09 18 34 04
In situatia in care piesa are un rol decorativ ndash materialul plastic este
important
27
Costul prelucrarii poate juca un rol important in procesul
selectiei
Alama mai ieftina pentru anumite piese decat otelul laminat deoarece se prelucreaza cu viteza mai mare
Costul alamei este mai mare decat a otelului
Aluminiul se prelucreaza mai usor si are greutate specifica mai mica
Poate inlocui fonta otelul si aliajele lui chiar
daca sunt mai ieftine
Materialele plastice se prelucreaza foarte usor si devin economice la
serie mare
Pot inlocui orice tip de material la diferite
aplicatii
Criteriul economic privind costul materialului nu este
concludent la selectarea materialului
Devine important COSTUL REPERULUI
28
Costul de baza al materialului
Cheltuieli de dezvoltaresi utilizare a
echipamentelor
Cheltuieli de prelucrareDeterminate de material de procedeu de forma
de precizie
COSTUL REPERULUI
Costurile reperului
29
Reper Comportare Costuri
Cheltuieli de intretineresi reparatii cu reperul
UtilizareCheltuieli de exploatare
Durabilitate
ECONOMICITATEA REPERULUI
Economicitatea reperului
30
CERINTE IMPUSE MATERIALULUIPIESE
Problema selectiei materialului este complexa
datorita
Varietatii materialelor ingineresti
Severitatii cerintelor functionale impuse
Cerinta diminuarii costurilor
Severitatii cerintelor functionale impuse
Prelucrarile la care este supus materialul
Geometria pieselor
Solicitarile la care este supus materialul
INFLUENTEAZA PROPRIETATILE MATERIALELOR
31
Comportarea materialului in produsul finit este sensibil diferita de cea a semifabricatului din care a fost obtinut
Comportarea materialului in piesa
(C)
Proprietatile materialului (M)
Influenta procedeului de prelucrare (P)
Forma piesei si fortele exterioare la care este
supusa (F)
Arata influenta directa a proprietatilor
semifabricatului a procedeului de prelucrare
a formei geometrice si a actiunii fortelor exterioare
asupra comportarii materialelor in piesa finita
Influenteaza direct comportarea
materialului in piesa
Este foarte important a se apela la criterii de proiectare adecvata
32
Influenta procedeului de prelucrare (P)
Prezenta muchiilor ascutite si a filetelor
Rugozitatea suprafetei
Afecteaza intr-o masura mai mare comportarea otelurilor de inalta rezistenta
decat a celor moi
Afecteaza intr-o masura mai mare comportarea materialelor la solicitari
variabile (oboseala) decat la solicitari statice
Interesul se focalizeaza preponderent pe performanta piesei in functionare si mai putin pe comportarea materialului in piesa
Comportarea materialului in piesa (proprietatile piesei)
Performantele piesei in functionare
Comportarea materialului in functionareConditiile de functionare
Factori care influenteaza
performantele piesei in functionare
33
CLASIFICAREA CERINTELOR IMPUSE MATERIALELOR
Cerintele impuse materialelor
Cerinte ldquorigiderdquo sau nenegociabile
Cerinte ldquonerigiderdquo ldquorelativerdquo sau
negociabile
Sunt cerintele care trebuie satisfacute obligatoriu de
material pentru a fi luate in considerare la selectie
bull Disponibilitatebull Prelucrabilitatebull Caracteristici minime
In anumite limite sunt supuse compromisului Pot fi comparate dpdv al importantei lor relative pentru o
aplicatie data in cadrul metodelor cantitative de selectie a materialelor
bull Proprietati mecanicebull Densitatebull Costul
In functie de tipul aplicatiei aceste cerinte isi pot schimba caracterul (din ldquonegociabilerdquo in ldquonenegociabile
Modificarea clasei de material selectate in final
34
EXEMPLE
Butelie de aragaz
Rezistenta Ductilitate Cost
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Rezistenta Ductilitate ρmic
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Butelii pentru gaze utilizate in aviatie
Costul este nenegociabil Oteluri pentru recipienti sub
presiune la temperaturi joase ndash R37 R44
Greutate cat mai mica (considerata nenegociabila) Materiale compozite (Kevlar 49-matrice epoxidica armata
cu fibre de poliamida)
35
MODALITATI DE ABORDARE A SELECTIEI MATERIALELOR SI PROCEDEELOR DE PRELUCRARE
Aparitia unor materiale noi si a competitiei intre materiale
Abordari noi in selectia materialelor si a procedeelor de prelucrare
Materialele plastice folosite la obtinerea pieselor complexe si de buna calitate inalta tehnologie
Materialele compozite au condus la reducerea substantiala a
greutatii produsului
Materiale sinterizate utilizate la obtinerea pieselor fara pierderi de material si consum de enetgie
scazut
Ingineria suprafetelor ofera posibilitati de modificare a
suprafetelor si coferirea unor proprietati deosebite
Cu toate aceste proiectantii se limiteaza la selectia
materialelor si procedeelor de prelucrare cunoscute mai bine
- Evitarea riscurilor- Nu este cunoscuta existenta unor noi materiale- Nu sunt cunoscute noile tehnologii de fabricatie etc
Proiectarea industriala trebuie asociata cu design-ul realizarea unei forme estetice obtinerea unui aspect exterior
placut
Design-ul industrial include mai mult decat o stilizare
Alegerea materialului permite un anumit design sau altul
36
La selectarea functiunii produsului (comportarea lui in exploatare-C) a materialelor (M) a
procedeelor de prelucrare (P) a formei (F) trebuie sa se tina seama ca acestea se intrepatrund (trebuie
sa tin seama in acelasi timp de ele)
Dificil Pot fi urmate diferite
succesiuni
Succesiunea CFMP prezinta urmatoarea
ordine de luare in considerare
-functionalitatea produsului (C)-forma piesei-materialul piesei-procedeul de prelucrare
Pot exista diferite succesiuni
Conduce la solutii diferite
Cadrul face conexiunea intre roti
saua bicicletei pedale ghidon
EXEMPLU Succesiunea CFMP
Functionalitatea si forma sunt aceleasi
Teava de aluminiu
Sudare
Succesiunea CFPM
Functionalitatea si forma sunt aceleasi
Sudare Teava de otel-se sudeaza mai bine
Succesiunea CMPF
Functionalitatea este aceeasi
Ca material se poate alege unul compozit
Sudare lipire
Forma aceeasi sau nu
Succesiunea CPMF
Poate fi aleasa presarea unui material superplastic
Alegerea ca material aluminiul
Forma S asimetrica plata
37
Pe baza functiunilor impuse produsului proiectantul schiteaza o serie de solutii tinand seama
de-materialele ce pot fi folosite-procedeele de fabricatie ce pot fi aplicate-formele potrivite ca functionalitate si design
Fiecare combinatie materialprocedeu de prelucrare conduce la diferite forme
Pot fi generate un numar
diferit de forme
Este o abordare CPMF sau CMPF
38
STRATEGII DE SELECTIE A MATERIALELOR
O strategie de selectie are doua componente
Formularea marimi prin care sa se evaluare un set de cerinte impuse materialului
Un procedeu de evaluare a marimii cerintelor prin care sa
se poata face ierarhizarea acestora in functie de masura in
care acestea sunt indeplinite
Strategiile cauta cai de implementare a procesului si anume de a converti un set de date ldquode intrarerdquo (cerintele proiectarii)
intr-un set de date ldquode iesirerdquo- alegerea materialului si a procedeului de prelucrare
39
Cerintele proiectarii
Materiale si procedee de prelucrare selectate
Strategii de selectie
Date initiale Functie de transfer Date finale
Strategia 1 Cautare libera implicand analiza rationala
Strategia 2 Bazata pe chestionare Este o selectie prin expertiza
Strategia 3 Analogie bazata pe cazuri anterioare
Posibila inovatie
Ofera solutii cunoscute
Ofera solutii similare cu situatia prezenta
Ofera mare libertate de selectie dar putina ghidare in proces
Ofera multa ghidare in proces dar putina libertate de selectie
Ofera idei ale solutiilor anterioare pentru probleme similare
40
SELECTIA LIBERA BAZATA PE ANALIZA RATIONALA
Este rapida si eficienta
Ofera o mare libertate pentru aplicatii
Ofera solutii noi si inovative
Avantaje
Are nevoie de date de intrare precis detaliate intr-o forma ce pot fi analizate prin metode ingineresti
standard
EXEMPLU
Gasiti un material pentru o bara de lungime L care sa
suporte o forta F la temperatura T si sa fie cat mai usoara
Cerinte pentru proiectare
ANALIZA SCHITEIFunctia Ce trebuie sa faca piesaObiective Ce trebuie maximalizat sau minimalizatConstrangeri Ce conditii esentiale trebuie sa fie indepliniteVariabile libere Care variabile ale proiectului sunt libere (cerinte nerigide)
41
Functia Ce trebuie sa faca piesa
Obiective Ce trebuie maximalizat sau minimalizat
Variabile libere Care variabile ale proiectului sunt libere (cerinte nerigide)
De a rezista la momente de incovoiere trebuie sa suporta incarcatura pentru care a fost proiectata fara a se deforma
Constrangeri Ce conditii esentiale trebuie sa fie indeplinite
Lungimea L data Tigiditatea S data Sa reziste si sa nu se deformeze la temperatura T
Trebuie minimalizata greutate
Aria sectiunii Costul
Procesul de selectie a avea 3 pasi
Filtrarea Se folseste de constrangeri pentru inlaturarea materialelor care nu indeplinesc cerintele
IerarhizareaSe folseste de marimea performantelor materialelor ramase in discutie pentru a le ordona
Documentarea
Analizeaza informatiile nestructurate le structureaza si le introduce in structura ierarhizata realizand o fisa cu informatii care ajuta selectia finala a materialului
42
Ierarhizarea se face parcurgand mai multe faze
Identificarea unuia sau a mai multor indici de performanta corespunzatori functiei obiectivului si constrangerilor
Indicele de performanta permite optimizarea selectiei
Pentru identificarea acestor indici se parcurg urmatoarele etape
Transpunerea intr-o relatie a obiectivului (entitatea) ce trebuie minimalizata sau maximalizata
Analiza grupului de proprietati (indicele de performanta) care maximalizeaza obiectivul
Eliminarea din aceasta relatie a variabilelor libere utilizand constrangerile (ex valoarea impusa rigiditatii a incarcarii limita a unui moment a presiunii a temperaturii de lucru sau al tenacitatii
43
EXEMPLU
TEMAGasiti un material pentru o bara de lungime L care sa
suporte o forta F la temperatura T si sa fie cat mai usoara
b
b
Lδ
F
Sageata
Sectiunea
CERINTELE PROIECTARIIFunctia Bara incarcata la incovoiereObiectiv Minimalizarea greutatiiConstrangeri Lungimea L data Rigiditatea S data Temperatura de exploatare T data (500deg)Variabile libere Aria sectiunii A Materialul de selectat
Se alege masa ldquomrdquo ca indice de performanta (trebuie sa fie minimalizat)
Masa barei este
Constrangerea privind rigiditatea va determina aria sectiunii ASageata unei bare simplu rezemata (forta actionand la mijloc) este data de relatia
44
unde E-modulul de elasticitate al materialului barei I-momentul de inertie al sectiunii grinzii
CL-reprezinta o constanta ce depinde de modul de distributie a fortei F (CL=48)
Rigiditatea barei este data de relatia
Din aceasta ultima relatie rezulta aria sectiunii A
Prin substitutia acestei relatii in relatia de determinare a masei grinzii se obtine indicele de performanta m
Valorile S L CL sunt date de proiect
Cea mai usoara bara este acea realizata dintr-un material care are cea mai mare valoare pentru
raport numit si ldquoindice de materialrdquo
Functia Incarcarea ConstrangeriIndici de
performantaRelatia
indicelui
Structuri de masa minima
Tija
BaraStatica
Rigiditate
Tractiune Eρ
Compresiune Eρ
Incovoiere E12ρ
Torsiune E12ρ
Rezistenta
Tractiune σrρ
Compresiune σcρ
Incovoiere σr23ρ
Torsiune σc23ρ
Dinamica
Panou
45
Exista mai multi indici de performanta fiecare realizand o combinatie dintre obiectiv si constrangere
46
47
48
METODE CANTITATIVE DE SELECTIE A MATERIALELOR CANDIDATE
Materialele candidat sunt materialele care satisfac cerintele cuprinse in matricea de cerinte rezultate dinbull Cerintele functionalebull Siguranta in functionarebull Functionarea in conditii ambientale de exploatarebull Cerintele de prelucrabilitatebull Economicitatea piesei
Care din aceste materiale vor fi luate in considerare la realizarea piesei
Evaluarea materialelor candidat
Evaluarea presupune compararea materialelor candidat care indeplinesc cerintele negociabile cu caracteristicile efective ale materialului in vederea selectarii celui optim pentru o aplicatie data
49
Evaluarea materialelor candidat
Este mai simpla pentru metodele cantitative de evaluare
Trebuie sa tina seama de anumite avantaje (usurinta procurarii materialului distanta pana la furnizor seriozitatea furnizarii constanta in calitatea produselor etc) care pot introduce anumite limitari determinand anumite compromisuri
In cele mai multe cazuri metodele cantitative de selectie conduc la materialul optim pentru o aplicatie
Metodele cantitative pot fi reluate odata cu schimbarea importantei relative a cerintelor negociabile
ATENTIE Cerintele nenegociabile trebuie satisfacute in totalitate si intocmai
Daca niciun material nu satisfac cerintele negociabile atunci fie ca acestea trebuie relaxate fie se impune reproiectarea produsului
50
Selectia este o operatie complexa
Numar mare de materiale cu o plaja larga de proprietati
Daca se face intamplator
Apare riscul de a omite anumite materiale candidate
Reducerea riscului prin adoptarea unei metode sistematice de selectie a materialelor
Metodele cantitative
Permitbull analiza unui numar ridicat de datebull a multor specificatii implicate in selectia materialelorbull pot fi adaptate pentru o selectie asistata de calculator
dintr-o baza de date
Metodele nu elimina capacitatea de analiza si experienta ingineruluiAceste metode sprijina inginerul in alegerea optima
51
METODA COSTULUI RAPORTAT LA UNITATEA DE PROPRIETATE
Economicitatea piesei
Costul initial al materialului
Costul prelucrarii si montarii
Costul functionarii si intretinerii
Unele dintre aceste costuri cresc odata cu cresterea
valorii proprietatilor altele scad
Proprietatea (Rm)
Costul piesei
Alte costuri
Costul total
Cos
tul
Cost minim
Odata cu cresterea rezistentei- Prelucrare mai dificila- Greutatea pe piesa scade- Durabilitatea in exploatare
creste si deci numarul de piese in utilizate in timp mai mic
Costul total este suma costului piesei si a celorlalte costuri
52
Valoarea optima a proprietatii (aici Rm) apare la costul minim
In piata costul materialului este legat de greutatea sau volumul (dupa caz) materialului
Se poate stabili o comparatie a materialelor intre proprietatile relative (proprietatea raportata la
greutatea specifica) De exemplu rezistenta rigiditatea modul de elasticitate etc
Criteriul esential este costul raportat la unitatea de rezistenta la tractiune
C=pρσ
C- costul asigurarii unei rezistente de 1 MPap- costul unitatii de proprietate a materialului
ρ- densitatea materialului
σr- rezistenta la tractiune
Cu cat valoarea lui ldquoCrdquo este mai mica cu atat materialul
este mai economic
53
Relatii asemanatoare pot fi obtinute si pentru alte proprietati cum ar fi- limita la curgere- modulul de elastuicitate- factorul de intensitate a tensiunii etc
Costul unitatii de proprietate pentru diferite moduri de solicitare
54
Compararea materialelor privind aceste costuri este esentiala
Se compara materialele intre ele
Este dificilSe ia un material de referinta
Costul relativ pe unitatea de proprietate a materialului candidat ldquoirdquo raportat la costul relativ pe unitatea de proprietate a materialului de referinta ldquobrdquo este dat de relatia
Daca CR este subunitar materialul candidat este mai ieftin decat materialul de referinta
Materialul de referinta este eliminat si materialul candidat se ia ca material de referinta pentru urmatoarea comparatie
Daca CR este supra unitar materialul candidat este mai scump decat materialul de referinta
Materialul de referinta se ia ca material de comparatie pentru urmatoarea analiza
55
METODA PONDERARII PROPRIETATILOR
Este o metoda pentru rezolvarea unor solutii mai comlexe de materiale materiale si proprietati
Fiecarei proprietati a materialului i se acorda o pondere rdquoαrdquo
Ponderea este proportionala cu importanta relativa a proprietatii pentru performanta in exploatare a materialului pentru aplicatia data
Ponderea proprietatii este egala cu produsul dintre valoarea numerica a proprietatii materialului ldquoprdquo si ponderea ei ldquoαrdquo
γ=pα
Insumand toate aceste produse pentru un material se obtine un indice de performanta ldquoPrdquo al materialului
Aceasta metoda ia in considerare toate proprietatile materialului
Comparand mai multe materiale prin indicele de performanta se poate gasi cel mai performant material pentru o aplicatie
56
Dezavantajul acestei metode consta in faptul ca in cazul unei proprietati care are o valoare ridicata aceasta v-a avea o influenta mai mare asupra indicelui de performanta decat ponderea ei
Exemplu Un material A care are Rm=370 MPa si o duritate de 350 HRB si un alt material B care are Rm=400 MPa si o duritate de 300 HRBStabilind ponderea proprietatii de 100 pentru rezistenta si 90 pentru duritate se obtine un indice de performanta de 68500 pentru material ul A si 67000 pentru materialul B
Inseamna ca impotriva importantei rezistentei la tractiune (ca fiind primul criteriu de selectie) si care este mai mare pentru materialul B indicele de performanta al materialului A este mai mare si deci acest material v-a fi selectat
La evaluarea materialelor candidat se va lucra cu valori relative ldquoβrdquo ale unei anumite proprietati celei mai mari valori a proprietatii atribuindu-se valoarea 100 iar celelalte valori relative se determina cu relatia
57
Pentru proprietatile materialelor care nu se exprima in mod obisnuit prin valori numerice (rezistenta la uzare sudabilitatea aschiabilitatea diferite proprietati tehnologice etc) evaluarea se poate face relativ la una dintre proprietati astfel
Astfel fiecarei proprietati I se acorda o importanta egalasi ea va influenta indicii de performanta ai materialelor doar comparate doar in masura ponderii acordate
Pentru proprietati ale caror valori se doreste a fi cat mai mici (densitatea pierderea de greutate prin coroziune etc) evaluarea se face printr-un raport invers
ProprietateaMateriale alternative
A B C D
Sudabilitatea Foarte buna Buna Buna Satisfacatoare
Evaluarea relativa 5 3 3 1
Valoarea scalata 100 60 60 20
58
Exemplu In ceea ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru rezistenta la tractiune a materialului A este de 925 Pentru al doilea material aceasta valoare este de 100 In ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru duritate aceasta este de 100 pentru materialul A si de 857 pentru materialul B
Acest lucru poate schimba situatia ierarhica a materialelor sau le poate apropia atat de mult indicele de performanta incat sa se puna problema luari in considerare si a altor elemente pentru selectie
Astfel indicele de performanta a materialului este dat de relatia
unde P reprezinta indicele de performanta a materialuluildquoirdquo este suma celor ldquonrdquo proprietati considerate a materialul ui
59
Ponderea α poate fi considerata ca αilt1 astfel incat
(cazul cel mai frecvent) sau ei I se poate aloca o plaja de valori valoarea cea mai mare
corespunzand proprietatii cu cea mai mare importanta
Costul materialului poate fi considerat ca o proprietate (chiar importanta) acordandui-se o pondere ldquoαrdquo
In cazul luarii in considerare a unui numar mare de proprietati costul poate fi considerat un factor de corectie al indicelui de performanta a materialului rezultand indicele de merit al acestuia
in care ldquoprdquo reprezinta costul unitatii de greutate a materialului
60
Cand se doreste compararea mai multor materiale candidat (i) cu unul de baza (de referinta) se calculeaza indicele relativ de merit al fiecarui material astfel
Daca RMgt1 respectivul material candidat ldquoirdquo corespunde mai bine cerintelor decat materialul de referinta ldquobrdquoIn cazul in care Mb reprezinta minimul cerintelor impuse Materialele candidat avand RMlt1 pot fi eliminate de la inceput ca fiind necorespunzatoare
Cand trebuie luate in considerare mai multe proprietati ale materialului pentru evaluarea indicelui de performanta este dificila evaluarea ponderii acestora Rezolvarea aceste probleme poate fi realizata printr-o evaluare prin programe numerice
61
METODA CRESTERII INCREMENTALE
In anumite situatii pot aparea mai multe materiale care indeplinesc cerintele minime impuse de o anumita aplicatie
Dupa analiza acestor materiale se poate presupune ca performantele pieselor prelucrate sunt proportionale cu indicii de performanta ldquoPrdquo In acelasi timp costul piesei variaza proportional cu costul materialului si al prelucrarii acestora
Daca se doreste selectarea piesei care are cea mai mare performanta la cea mai rezonabila crestere a costului se poate face o analiza beneficiu-cost Procedeul se ia indeosebi cand se doreste inlocuirea unui material utilizat deja in fabricatie
Materialul cu cel mai scazut cost (1) se ca element de baza si este comparat cu materialul care are costul imediat superior (2) Comparatia se face determinand cresterea indicelui de performanta (ΔP=P2-P1) si a costului ldquoprdquo pe unitatea de volum (Δpρ=p2ρ2-p1ρ1)
Daca ΔPΔpρlt1 materialul 1 corespunde mai bine decat materialul 2 pentru aplicatia data si materialul 2 va fi eliminatDaca ΔPΔpρgt1 materialul 1 va fi eliminat deoarece materialul 2 corespunde mai bine cerintelor aplicatieiSe continua compararea cu al treilea material si rand pe rand vor fi eliminate materialele mai putin corespunzatoare ajungand la materialul optim
62
EXEMPLU DE SELECTIE A MATERIALELOR
Tema Realizarea piesesei din figura dintr-un otel ldquoOL37rdquo intr-o serie mare de fabricatie-Este o piesa cilindrica cu dimensiunile date-Are un butuc-Prezinta o gaura lunga si de diametre mic
oslash200oslash50
150oslash20
Se poate realiza din bara rotunda prin strunjire
Se poate realiza din bara rotunda prin forjare
80
Coeficientul de utilizare a materialului 055
Coeficientul de utilizare a materialului 098
63
Diametrul mm Inaltime mm Volum mm3 Volum mm3Coeficientul de
utilizare a materialului
Semif Pornire 200 150 4710000 4710000
Strunjire
200 80 2512000
2602275 055=5550 35 137375
20 150 47100
Forjare
200 80 25120002649375
098=9850 35 137375
20 150 47100 2602275
Coeficientul de utilizare a materialului K=greutatea piesei finitegreutatea materialului utilizat pentru realizarea lui (a semifabricatului de pornire)
In calcul s-a lucrat cu volumul materialului deoarece G=VρAdaosuriele de prelucrare s-u luat ca fiind egaleApare un mult mai bun grad de utilizare a materialului pentr prelucrarea prin forjare
PIESA SE VA REALIZA PRIN FORJARE
64
1
2
3
5
6
4
9
8
F
107F
1-semimatrita superioara2-semimatrita inferioara3-cavitatea semimatritei sup4-cavitatea semimatritei inf5-canalul de bavura6-canalul de refulare7-prinderea semimatritei sup8-prinderea semimatritei inf9-elemente de ghidare (stifturi)10-planul de separare
TEMA Sa se stabileasca materialul optim pentru realizarea elementelor active ale matrtei de forjare din figura Se urmreste obtinerea piesei prin forjare la cald
CERINTE PENTRU PROIECTARE
Analiza schiteiFunctia Elemete (semimatrite) de matrita de deformare plasticaObiectiv Trebuie maximalizata tenacitatea (rezilienta)Constrangeri Dimensiunile cavitatii matritei (depind de marimea piesei) dimensiunile exterioare si sistemul de prindere (depind de utilaj temperatura de lucruVariabile libere material
65
Se cauta in sursele de informatii structurate si nestructurate materialele care respecta cerintele
Elemente de matrita
Rezistente la cald
Tenacitate Duritate
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Materialele potrivite sunt metalele si aliajele lor
-Materialele ceramice nu au tenacitate-Materialele polimerice nu au rezistenta la cald-Materialele compozite sunt scumpe si nu au tenacitate
Depinde de compozitia lor
Se cauta materiale cu destinatie precisa Materiale pentru scule de deformare
66
Din baza de date se constata ca urmatoarele materiale satisfac
cerintele rigide adica sa poata fi utilizate la prelucrarea la cald
Sunt materiale cu destinatie precisaDaca nu sunt materiale cu destinatie
precisa se cauta in grupa materialelor cu destinatie generala
Material Rm min MPa HV A5 KCU Jcm3
C120 890 265 8 60
VMoC120 870 265 8 68
VC06 870 230 6 68
VCW85 870 265 6 80
MoCN15 830 250 7 75
VMoCN17 870 265 7 73
VSCW20 790 235 5 78
OSC7 640 195 12 56
OSC8 640 195 10 58
67
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU Jcm3 βKCU Indicele de
performanta PC120 890 265 8 60 101450
VMoC120 870 265 8 68 100650
VC06 870 230 6 68 97400
VCW85 870 265 6 80 101750
MoCN15 830 250 7 75 96750
VMoCN17 870 265 7 73 101100
VSCW20 790 235 5 78 92400
OSC7 640 195 12 56 74950
OSC8 640 195 10 58 75050Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza peoprietatii
68
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU
Jcm3 βKCU Indicele de performanta P
C120 890 100 265 10000 8 6667 60 75 25017000
VMoC120 870 9775 265 10000 8 6667 68 85 2835015356
VC06 870 9775 230 8679 6 5000 68 85 2126563155
VCW85 870 9775 265 10000 6 5000 80 100 2501682022
MoCN15 830 9326 250 9434 7 5833 75 9375 2735970124
VMoCN17 870 9775 265 10000 7 5833 73 9125 2663140356
VSCW20 790 8876 235 8868 5 4167 78 975 2032758226
OSC7 640 7191 195 7358 12 10000 56 70 3501237545
OSC8 640 7191 195 7358 10 8333 58 725 3022070878Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza proprietatii relative
69
Material Indicele de performanta P
VSCW20 2032758226
VC06 2126563155
VCW85 2501682022
C120 25017000
VMoCN17 2663140356
MoCN15 2735970124
VMoC120 2835015356
OSC8 3022070878
OSC7 3501237545
Material Indicele de performanta P
OSC7 74950
OSC8 75050
VSCW20 92400
MoCN15 96750
VC06 97400
VMoC120 100650
VMoCN17 101100
C120 101450
VCW85 101750
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile proprietatii materialului
ordonate crescator
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile relative ale proprietatii materialului ordonate crescator
70
Luand in considerare ca unele materiale sunt aliate cu siguranta acestea sunt mai scumpe
Daca luam in considerare costul unitar pentru otelurile carbon de scule iar densitatea de 785 (corespunzatoare fierului) se obtine indicele de merit
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
OSC7 74950 1 95477707 114
OSC8 75050 1 956050955 114
VSCW20 92400 14 840764331 100
MoCN15 96750 14 880345769 105
VC06 97400 12 103397028 123
VMoC120 100650 13 986281235 117
VMoCN17 101100 14 919927207 109
C120 101450 15 861571125 102
VCW85 101750 14 925841674 110
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea proprietatii materialului
71
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
VSCW20 2032758226 14 184964352 100
VC06 2126563155 12 225749804 122
VCW85 2501682022 14 227632577 123
C120 25017000 15 212458599 115
VMoCN17 2663140356 14 242323963 131
MoCN15 2735970124 14 248950876 135
VMoC120 2835015356 13 277806502 150
OSC8 3022070878 1 384977182 208
OSC7 3501237545 1 446017522 241
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea relativa a proprietatii materialului
72
Selectati materialele potrivite pentru piesele din imagine
Randul I 1 Serie mare de fabricatie-6p Randul II Serie mica (unicat) de fabricatie-6p
Randul I 2 Criterii de selectie a materialelor-1p3 Etapele selectiei materialelor ndash 1p4 Economicitatea piesei ndash 1p5 Strategii de selectie a materialelor ndash 1p
Randul II 2 Tipuri de date utilizate la selectia materialelor-1p3 Cum se face minimalizarea costurilor-1p4 Perofmantele piesei in functionare ndash 1p5 Care sunt cerintele fata de material ndash 1p
SUBIECTE EXAMEN
73
Date privind principalele proprietati tehnologice ale unor materiale
Material
Valorile proprietatii
Aschiabilitate Turnabilitate Sudabilitate Cost
F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba $tona
Otel de constructii (OL) X X X 140
Otel carbon de calitate (OLC) X X X
260
Fonte obisnuite (Fc) X X X 160
Punctaje 60 30 10 60 30 10 60 30 10
Avand in vedere ca pretul creste odata cu rezistenta la tractiune calculati costul fiecarui material prin inmultirea costului de baza cu valoarea proprietatii si impartiti la 100
74
Materiale ce pot fi luate in considerare spre analiza
Material Rm HV A Material Rm HV A Material Rm HV A
OL30 310 95 32 OLC8 324 140 33 Fc100 100 105 2
OL32 310 93 33 OLC10 321 150 31 Fc150 150 145 3
OL34 330 105 31 OLC15 373 155 27 Fc200 200 180 4
OL37 360 112 25 OLC20 410 165 25 Fc250 250 190 4
OL42 410 130 22 OLC25 450 175 24 Fc300 300 210 5
OL44 430 135 22 OLC30 490 180 21 Fc350 350 220 6
OL50 500 160 21 OLC35 530 195 21 Fc400 400 240 6
OL52 510 160 21 OLC40 570 200 19
OL60 590 185 16 OLC45 610 220 18
OL70 690 215 11 OLC50 640 230 16
OLC55 670 240 14
OLC60 700 255 14
Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50
Proprietatea tehnilogica intra cu o pondere de 100
VA UREZ SUCCES
27
Costul prelucrarii poate juca un rol important in procesul
selectiei
Alama mai ieftina pentru anumite piese decat otelul laminat deoarece se prelucreaza cu viteza mai mare
Costul alamei este mai mare decat a otelului
Aluminiul se prelucreaza mai usor si are greutate specifica mai mica
Poate inlocui fonta otelul si aliajele lui chiar
daca sunt mai ieftine
Materialele plastice se prelucreaza foarte usor si devin economice la
serie mare
Pot inlocui orice tip de material la diferite
aplicatii
Criteriul economic privind costul materialului nu este
concludent la selectarea materialului
Devine important COSTUL REPERULUI
28
Costul de baza al materialului
Cheltuieli de dezvoltaresi utilizare a
echipamentelor
Cheltuieli de prelucrareDeterminate de material de procedeu de forma
de precizie
COSTUL REPERULUI
Costurile reperului
29
Reper Comportare Costuri
Cheltuieli de intretineresi reparatii cu reperul
UtilizareCheltuieli de exploatare
Durabilitate
ECONOMICITATEA REPERULUI
Economicitatea reperului
30
CERINTE IMPUSE MATERIALULUIPIESE
Problema selectiei materialului este complexa
datorita
Varietatii materialelor ingineresti
Severitatii cerintelor functionale impuse
Cerinta diminuarii costurilor
Severitatii cerintelor functionale impuse
Prelucrarile la care este supus materialul
Geometria pieselor
Solicitarile la care este supus materialul
INFLUENTEAZA PROPRIETATILE MATERIALELOR
31
Comportarea materialului in produsul finit este sensibil diferita de cea a semifabricatului din care a fost obtinut
Comportarea materialului in piesa
(C)
Proprietatile materialului (M)
Influenta procedeului de prelucrare (P)
Forma piesei si fortele exterioare la care este
supusa (F)
Arata influenta directa a proprietatilor
semifabricatului a procedeului de prelucrare
a formei geometrice si a actiunii fortelor exterioare
asupra comportarii materialelor in piesa finita
Influenteaza direct comportarea
materialului in piesa
Este foarte important a se apela la criterii de proiectare adecvata
32
Influenta procedeului de prelucrare (P)
Prezenta muchiilor ascutite si a filetelor
Rugozitatea suprafetei
Afecteaza intr-o masura mai mare comportarea otelurilor de inalta rezistenta
decat a celor moi
Afecteaza intr-o masura mai mare comportarea materialelor la solicitari
variabile (oboseala) decat la solicitari statice
Interesul se focalizeaza preponderent pe performanta piesei in functionare si mai putin pe comportarea materialului in piesa
Comportarea materialului in piesa (proprietatile piesei)
Performantele piesei in functionare
Comportarea materialului in functionareConditiile de functionare
Factori care influenteaza
performantele piesei in functionare
33
CLASIFICAREA CERINTELOR IMPUSE MATERIALELOR
Cerintele impuse materialelor
Cerinte ldquorigiderdquo sau nenegociabile
Cerinte ldquonerigiderdquo ldquorelativerdquo sau
negociabile
Sunt cerintele care trebuie satisfacute obligatoriu de
material pentru a fi luate in considerare la selectie
bull Disponibilitatebull Prelucrabilitatebull Caracteristici minime
In anumite limite sunt supuse compromisului Pot fi comparate dpdv al importantei lor relative pentru o
aplicatie data in cadrul metodelor cantitative de selectie a materialelor
bull Proprietati mecanicebull Densitatebull Costul
In functie de tipul aplicatiei aceste cerinte isi pot schimba caracterul (din ldquonegociabilerdquo in ldquonenegociabile
Modificarea clasei de material selectate in final
34
EXEMPLE
Butelie de aragaz
Rezistenta Ductilitate Cost
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Rezistenta Ductilitate ρmic
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Butelii pentru gaze utilizate in aviatie
Costul este nenegociabil Oteluri pentru recipienti sub
presiune la temperaturi joase ndash R37 R44
Greutate cat mai mica (considerata nenegociabila) Materiale compozite (Kevlar 49-matrice epoxidica armata
cu fibre de poliamida)
35
MODALITATI DE ABORDARE A SELECTIEI MATERIALELOR SI PROCEDEELOR DE PRELUCRARE
Aparitia unor materiale noi si a competitiei intre materiale
Abordari noi in selectia materialelor si a procedeelor de prelucrare
Materialele plastice folosite la obtinerea pieselor complexe si de buna calitate inalta tehnologie
Materialele compozite au condus la reducerea substantiala a
greutatii produsului
Materiale sinterizate utilizate la obtinerea pieselor fara pierderi de material si consum de enetgie
scazut
Ingineria suprafetelor ofera posibilitati de modificare a
suprafetelor si coferirea unor proprietati deosebite
Cu toate aceste proiectantii se limiteaza la selectia
materialelor si procedeelor de prelucrare cunoscute mai bine
- Evitarea riscurilor- Nu este cunoscuta existenta unor noi materiale- Nu sunt cunoscute noile tehnologii de fabricatie etc
Proiectarea industriala trebuie asociata cu design-ul realizarea unei forme estetice obtinerea unui aspect exterior
placut
Design-ul industrial include mai mult decat o stilizare
Alegerea materialului permite un anumit design sau altul
36
La selectarea functiunii produsului (comportarea lui in exploatare-C) a materialelor (M) a
procedeelor de prelucrare (P) a formei (F) trebuie sa se tina seama ca acestea se intrepatrund (trebuie
sa tin seama in acelasi timp de ele)
Dificil Pot fi urmate diferite
succesiuni
Succesiunea CFMP prezinta urmatoarea
ordine de luare in considerare
-functionalitatea produsului (C)-forma piesei-materialul piesei-procedeul de prelucrare
Pot exista diferite succesiuni
Conduce la solutii diferite
Cadrul face conexiunea intre roti
saua bicicletei pedale ghidon
EXEMPLU Succesiunea CFMP
Functionalitatea si forma sunt aceleasi
Teava de aluminiu
Sudare
Succesiunea CFPM
Functionalitatea si forma sunt aceleasi
Sudare Teava de otel-se sudeaza mai bine
Succesiunea CMPF
Functionalitatea este aceeasi
Ca material se poate alege unul compozit
Sudare lipire
Forma aceeasi sau nu
Succesiunea CPMF
Poate fi aleasa presarea unui material superplastic
Alegerea ca material aluminiul
Forma S asimetrica plata
37
Pe baza functiunilor impuse produsului proiectantul schiteaza o serie de solutii tinand seama
de-materialele ce pot fi folosite-procedeele de fabricatie ce pot fi aplicate-formele potrivite ca functionalitate si design
Fiecare combinatie materialprocedeu de prelucrare conduce la diferite forme
Pot fi generate un numar
diferit de forme
Este o abordare CPMF sau CMPF
38
STRATEGII DE SELECTIE A MATERIALELOR
O strategie de selectie are doua componente
Formularea marimi prin care sa se evaluare un set de cerinte impuse materialului
Un procedeu de evaluare a marimii cerintelor prin care sa
se poata face ierarhizarea acestora in functie de masura in
care acestea sunt indeplinite
Strategiile cauta cai de implementare a procesului si anume de a converti un set de date ldquode intrarerdquo (cerintele proiectarii)
intr-un set de date ldquode iesirerdquo- alegerea materialului si a procedeului de prelucrare
39
Cerintele proiectarii
Materiale si procedee de prelucrare selectate
Strategii de selectie
Date initiale Functie de transfer Date finale
Strategia 1 Cautare libera implicand analiza rationala
Strategia 2 Bazata pe chestionare Este o selectie prin expertiza
Strategia 3 Analogie bazata pe cazuri anterioare
Posibila inovatie
Ofera solutii cunoscute
Ofera solutii similare cu situatia prezenta
Ofera mare libertate de selectie dar putina ghidare in proces
Ofera multa ghidare in proces dar putina libertate de selectie
Ofera idei ale solutiilor anterioare pentru probleme similare
40
SELECTIA LIBERA BAZATA PE ANALIZA RATIONALA
Este rapida si eficienta
Ofera o mare libertate pentru aplicatii
Ofera solutii noi si inovative
Avantaje
Are nevoie de date de intrare precis detaliate intr-o forma ce pot fi analizate prin metode ingineresti
standard
EXEMPLU
Gasiti un material pentru o bara de lungime L care sa
suporte o forta F la temperatura T si sa fie cat mai usoara
Cerinte pentru proiectare
ANALIZA SCHITEIFunctia Ce trebuie sa faca piesaObiective Ce trebuie maximalizat sau minimalizatConstrangeri Ce conditii esentiale trebuie sa fie indepliniteVariabile libere Care variabile ale proiectului sunt libere (cerinte nerigide)
41
Functia Ce trebuie sa faca piesa
Obiective Ce trebuie maximalizat sau minimalizat
Variabile libere Care variabile ale proiectului sunt libere (cerinte nerigide)
De a rezista la momente de incovoiere trebuie sa suporta incarcatura pentru care a fost proiectata fara a se deforma
Constrangeri Ce conditii esentiale trebuie sa fie indeplinite
Lungimea L data Tigiditatea S data Sa reziste si sa nu se deformeze la temperatura T
Trebuie minimalizata greutate
Aria sectiunii Costul
Procesul de selectie a avea 3 pasi
Filtrarea Se folseste de constrangeri pentru inlaturarea materialelor care nu indeplinesc cerintele
IerarhizareaSe folseste de marimea performantelor materialelor ramase in discutie pentru a le ordona
Documentarea
Analizeaza informatiile nestructurate le structureaza si le introduce in structura ierarhizata realizand o fisa cu informatii care ajuta selectia finala a materialului
42
Ierarhizarea se face parcurgand mai multe faze
Identificarea unuia sau a mai multor indici de performanta corespunzatori functiei obiectivului si constrangerilor
Indicele de performanta permite optimizarea selectiei
Pentru identificarea acestor indici se parcurg urmatoarele etape
Transpunerea intr-o relatie a obiectivului (entitatea) ce trebuie minimalizata sau maximalizata
Analiza grupului de proprietati (indicele de performanta) care maximalizeaza obiectivul
Eliminarea din aceasta relatie a variabilelor libere utilizand constrangerile (ex valoarea impusa rigiditatii a incarcarii limita a unui moment a presiunii a temperaturii de lucru sau al tenacitatii
43
EXEMPLU
TEMAGasiti un material pentru o bara de lungime L care sa
suporte o forta F la temperatura T si sa fie cat mai usoara
b
b
Lδ
F
Sageata
Sectiunea
CERINTELE PROIECTARIIFunctia Bara incarcata la incovoiereObiectiv Minimalizarea greutatiiConstrangeri Lungimea L data Rigiditatea S data Temperatura de exploatare T data (500deg)Variabile libere Aria sectiunii A Materialul de selectat
Se alege masa ldquomrdquo ca indice de performanta (trebuie sa fie minimalizat)
Masa barei este
Constrangerea privind rigiditatea va determina aria sectiunii ASageata unei bare simplu rezemata (forta actionand la mijloc) este data de relatia
44
unde E-modulul de elasticitate al materialului barei I-momentul de inertie al sectiunii grinzii
CL-reprezinta o constanta ce depinde de modul de distributie a fortei F (CL=48)
Rigiditatea barei este data de relatia
Din aceasta ultima relatie rezulta aria sectiunii A
Prin substitutia acestei relatii in relatia de determinare a masei grinzii se obtine indicele de performanta m
Valorile S L CL sunt date de proiect
Cea mai usoara bara este acea realizata dintr-un material care are cea mai mare valoare pentru
raport numit si ldquoindice de materialrdquo
Functia Incarcarea ConstrangeriIndici de
performantaRelatia
indicelui
Structuri de masa minima
Tija
BaraStatica
Rigiditate
Tractiune Eρ
Compresiune Eρ
Incovoiere E12ρ
Torsiune E12ρ
Rezistenta
Tractiune σrρ
Compresiune σcρ
Incovoiere σr23ρ
Torsiune σc23ρ
Dinamica
Panou
45
Exista mai multi indici de performanta fiecare realizand o combinatie dintre obiectiv si constrangere
46
47
48
METODE CANTITATIVE DE SELECTIE A MATERIALELOR CANDIDATE
Materialele candidat sunt materialele care satisfac cerintele cuprinse in matricea de cerinte rezultate dinbull Cerintele functionalebull Siguranta in functionarebull Functionarea in conditii ambientale de exploatarebull Cerintele de prelucrabilitatebull Economicitatea piesei
Care din aceste materiale vor fi luate in considerare la realizarea piesei
Evaluarea materialelor candidat
Evaluarea presupune compararea materialelor candidat care indeplinesc cerintele negociabile cu caracteristicile efective ale materialului in vederea selectarii celui optim pentru o aplicatie data
49
Evaluarea materialelor candidat
Este mai simpla pentru metodele cantitative de evaluare
Trebuie sa tina seama de anumite avantaje (usurinta procurarii materialului distanta pana la furnizor seriozitatea furnizarii constanta in calitatea produselor etc) care pot introduce anumite limitari determinand anumite compromisuri
In cele mai multe cazuri metodele cantitative de selectie conduc la materialul optim pentru o aplicatie
Metodele cantitative pot fi reluate odata cu schimbarea importantei relative a cerintelor negociabile
ATENTIE Cerintele nenegociabile trebuie satisfacute in totalitate si intocmai
Daca niciun material nu satisfac cerintele negociabile atunci fie ca acestea trebuie relaxate fie se impune reproiectarea produsului
50
Selectia este o operatie complexa
Numar mare de materiale cu o plaja larga de proprietati
Daca se face intamplator
Apare riscul de a omite anumite materiale candidate
Reducerea riscului prin adoptarea unei metode sistematice de selectie a materialelor
Metodele cantitative
Permitbull analiza unui numar ridicat de datebull a multor specificatii implicate in selectia materialelorbull pot fi adaptate pentru o selectie asistata de calculator
dintr-o baza de date
Metodele nu elimina capacitatea de analiza si experienta ingineruluiAceste metode sprijina inginerul in alegerea optima
51
METODA COSTULUI RAPORTAT LA UNITATEA DE PROPRIETATE
Economicitatea piesei
Costul initial al materialului
Costul prelucrarii si montarii
Costul functionarii si intretinerii
Unele dintre aceste costuri cresc odata cu cresterea
valorii proprietatilor altele scad
Proprietatea (Rm)
Costul piesei
Alte costuri
Costul total
Cos
tul
Cost minim
Odata cu cresterea rezistentei- Prelucrare mai dificila- Greutatea pe piesa scade- Durabilitatea in exploatare
creste si deci numarul de piese in utilizate in timp mai mic
Costul total este suma costului piesei si a celorlalte costuri
52
Valoarea optima a proprietatii (aici Rm) apare la costul minim
In piata costul materialului este legat de greutatea sau volumul (dupa caz) materialului
Se poate stabili o comparatie a materialelor intre proprietatile relative (proprietatea raportata la
greutatea specifica) De exemplu rezistenta rigiditatea modul de elasticitate etc
Criteriul esential este costul raportat la unitatea de rezistenta la tractiune
C=pρσ
C- costul asigurarii unei rezistente de 1 MPap- costul unitatii de proprietate a materialului
ρ- densitatea materialului
σr- rezistenta la tractiune
Cu cat valoarea lui ldquoCrdquo este mai mica cu atat materialul
este mai economic
53
Relatii asemanatoare pot fi obtinute si pentru alte proprietati cum ar fi- limita la curgere- modulul de elastuicitate- factorul de intensitate a tensiunii etc
Costul unitatii de proprietate pentru diferite moduri de solicitare
54
Compararea materialelor privind aceste costuri este esentiala
Se compara materialele intre ele
Este dificilSe ia un material de referinta
Costul relativ pe unitatea de proprietate a materialului candidat ldquoirdquo raportat la costul relativ pe unitatea de proprietate a materialului de referinta ldquobrdquo este dat de relatia
Daca CR este subunitar materialul candidat este mai ieftin decat materialul de referinta
Materialul de referinta este eliminat si materialul candidat se ia ca material de referinta pentru urmatoarea comparatie
Daca CR este supra unitar materialul candidat este mai scump decat materialul de referinta
Materialul de referinta se ia ca material de comparatie pentru urmatoarea analiza
55
METODA PONDERARII PROPRIETATILOR
Este o metoda pentru rezolvarea unor solutii mai comlexe de materiale materiale si proprietati
Fiecarei proprietati a materialului i se acorda o pondere rdquoαrdquo
Ponderea este proportionala cu importanta relativa a proprietatii pentru performanta in exploatare a materialului pentru aplicatia data
Ponderea proprietatii este egala cu produsul dintre valoarea numerica a proprietatii materialului ldquoprdquo si ponderea ei ldquoαrdquo
γ=pα
Insumand toate aceste produse pentru un material se obtine un indice de performanta ldquoPrdquo al materialului
Aceasta metoda ia in considerare toate proprietatile materialului
Comparand mai multe materiale prin indicele de performanta se poate gasi cel mai performant material pentru o aplicatie
56
Dezavantajul acestei metode consta in faptul ca in cazul unei proprietati care are o valoare ridicata aceasta v-a avea o influenta mai mare asupra indicelui de performanta decat ponderea ei
Exemplu Un material A care are Rm=370 MPa si o duritate de 350 HRB si un alt material B care are Rm=400 MPa si o duritate de 300 HRBStabilind ponderea proprietatii de 100 pentru rezistenta si 90 pentru duritate se obtine un indice de performanta de 68500 pentru material ul A si 67000 pentru materialul B
Inseamna ca impotriva importantei rezistentei la tractiune (ca fiind primul criteriu de selectie) si care este mai mare pentru materialul B indicele de performanta al materialului A este mai mare si deci acest material v-a fi selectat
La evaluarea materialelor candidat se va lucra cu valori relative ldquoβrdquo ale unei anumite proprietati celei mai mari valori a proprietatii atribuindu-se valoarea 100 iar celelalte valori relative se determina cu relatia
57
Pentru proprietatile materialelor care nu se exprima in mod obisnuit prin valori numerice (rezistenta la uzare sudabilitatea aschiabilitatea diferite proprietati tehnologice etc) evaluarea se poate face relativ la una dintre proprietati astfel
Astfel fiecarei proprietati I se acorda o importanta egalasi ea va influenta indicii de performanta ai materialelor doar comparate doar in masura ponderii acordate
Pentru proprietati ale caror valori se doreste a fi cat mai mici (densitatea pierderea de greutate prin coroziune etc) evaluarea se face printr-un raport invers
ProprietateaMateriale alternative
A B C D
Sudabilitatea Foarte buna Buna Buna Satisfacatoare
Evaluarea relativa 5 3 3 1
Valoarea scalata 100 60 60 20
58
Exemplu In ceea ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru rezistenta la tractiune a materialului A este de 925 Pentru al doilea material aceasta valoare este de 100 In ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru duritate aceasta este de 100 pentru materialul A si de 857 pentru materialul B
Acest lucru poate schimba situatia ierarhica a materialelor sau le poate apropia atat de mult indicele de performanta incat sa se puna problema luari in considerare si a altor elemente pentru selectie
Astfel indicele de performanta a materialului este dat de relatia
unde P reprezinta indicele de performanta a materialuluildquoirdquo este suma celor ldquonrdquo proprietati considerate a materialul ui
59
Ponderea α poate fi considerata ca αilt1 astfel incat
(cazul cel mai frecvent) sau ei I se poate aloca o plaja de valori valoarea cea mai mare
corespunzand proprietatii cu cea mai mare importanta
Costul materialului poate fi considerat ca o proprietate (chiar importanta) acordandui-se o pondere ldquoαrdquo
In cazul luarii in considerare a unui numar mare de proprietati costul poate fi considerat un factor de corectie al indicelui de performanta a materialului rezultand indicele de merit al acestuia
in care ldquoprdquo reprezinta costul unitatii de greutate a materialului
60
Cand se doreste compararea mai multor materiale candidat (i) cu unul de baza (de referinta) se calculeaza indicele relativ de merit al fiecarui material astfel
Daca RMgt1 respectivul material candidat ldquoirdquo corespunde mai bine cerintelor decat materialul de referinta ldquobrdquoIn cazul in care Mb reprezinta minimul cerintelor impuse Materialele candidat avand RMlt1 pot fi eliminate de la inceput ca fiind necorespunzatoare
Cand trebuie luate in considerare mai multe proprietati ale materialului pentru evaluarea indicelui de performanta este dificila evaluarea ponderii acestora Rezolvarea aceste probleme poate fi realizata printr-o evaluare prin programe numerice
61
METODA CRESTERII INCREMENTALE
In anumite situatii pot aparea mai multe materiale care indeplinesc cerintele minime impuse de o anumita aplicatie
Dupa analiza acestor materiale se poate presupune ca performantele pieselor prelucrate sunt proportionale cu indicii de performanta ldquoPrdquo In acelasi timp costul piesei variaza proportional cu costul materialului si al prelucrarii acestora
Daca se doreste selectarea piesei care are cea mai mare performanta la cea mai rezonabila crestere a costului se poate face o analiza beneficiu-cost Procedeul se ia indeosebi cand se doreste inlocuirea unui material utilizat deja in fabricatie
Materialul cu cel mai scazut cost (1) se ca element de baza si este comparat cu materialul care are costul imediat superior (2) Comparatia se face determinand cresterea indicelui de performanta (ΔP=P2-P1) si a costului ldquoprdquo pe unitatea de volum (Δpρ=p2ρ2-p1ρ1)
Daca ΔPΔpρlt1 materialul 1 corespunde mai bine decat materialul 2 pentru aplicatia data si materialul 2 va fi eliminatDaca ΔPΔpρgt1 materialul 1 va fi eliminat deoarece materialul 2 corespunde mai bine cerintelor aplicatieiSe continua compararea cu al treilea material si rand pe rand vor fi eliminate materialele mai putin corespunzatoare ajungand la materialul optim
62
EXEMPLU DE SELECTIE A MATERIALELOR
Tema Realizarea piesesei din figura dintr-un otel ldquoOL37rdquo intr-o serie mare de fabricatie-Este o piesa cilindrica cu dimensiunile date-Are un butuc-Prezinta o gaura lunga si de diametre mic
oslash200oslash50
150oslash20
Se poate realiza din bara rotunda prin strunjire
Se poate realiza din bara rotunda prin forjare
80
Coeficientul de utilizare a materialului 055
Coeficientul de utilizare a materialului 098
63
Diametrul mm Inaltime mm Volum mm3 Volum mm3Coeficientul de
utilizare a materialului
Semif Pornire 200 150 4710000 4710000
Strunjire
200 80 2512000
2602275 055=5550 35 137375
20 150 47100
Forjare
200 80 25120002649375
098=9850 35 137375
20 150 47100 2602275
Coeficientul de utilizare a materialului K=greutatea piesei finitegreutatea materialului utilizat pentru realizarea lui (a semifabricatului de pornire)
In calcul s-a lucrat cu volumul materialului deoarece G=VρAdaosuriele de prelucrare s-u luat ca fiind egaleApare un mult mai bun grad de utilizare a materialului pentr prelucrarea prin forjare
PIESA SE VA REALIZA PRIN FORJARE
64
1
2
3
5
6
4
9
8
F
107F
1-semimatrita superioara2-semimatrita inferioara3-cavitatea semimatritei sup4-cavitatea semimatritei inf5-canalul de bavura6-canalul de refulare7-prinderea semimatritei sup8-prinderea semimatritei inf9-elemente de ghidare (stifturi)10-planul de separare
TEMA Sa se stabileasca materialul optim pentru realizarea elementelor active ale matrtei de forjare din figura Se urmreste obtinerea piesei prin forjare la cald
CERINTE PENTRU PROIECTARE
Analiza schiteiFunctia Elemete (semimatrite) de matrita de deformare plasticaObiectiv Trebuie maximalizata tenacitatea (rezilienta)Constrangeri Dimensiunile cavitatii matritei (depind de marimea piesei) dimensiunile exterioare si sistemul de prindere (depind de utilaj temperatura de lucruVariabile libere material
65
Se cauta in sursele de informatii structurate si nestructurate materialele care respecta cerintele
Elemente de matrita
Rezistente la cald
Tenacitate Duritate
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Materialele potrivite sunt metalele si aliajele lor
-Materialele ceramice nu au tenacitate-Materialele polimerice nu au rezistenta la cald-Materialele compozite sunt scumpe si nu au tenacitate
Depinde de compozitia lor
Se cauta materiale cu destinatie precisa Materiale pentru scule de deformare
66
Din baza de date se constata ca urmatoarele materiale satisfac
cerintele rigide adica sa poata fi utilizate la prelucrarea la cald
Sunt materiale cu destinatie precisaDaca nu sunt materiale cu destinatie
precisa se cauta in grupa materialelor cu destinatie generala
Material Rm min MPa HV A5 KCU Jcm3
C120 890 265 8 60
VMoC120 870 265 8 68
VC06 870 230 6 68
VCW85 870 265 6 80
MoCN15 830 250 7 75
VMoCN17 870 265 7 73
VSCW20 790 235 5 78
OSC7 640 195 12 56
OSC8 640 195 10 58
67
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU Jcm3 βKCU Indicele de
performanta PC120 890 265 8 60 101450
VMoC120 870 265 8 68 100650
VC06 870 230 6 68 97400
VCW85 870 265 6 80 101750
MoCN15 830 250 7 75 96750
VMoCN17 870 265 7 73 101100
VSCW20 790 235 5 78 92400
OSC7 640 195 12 56 74950
OSC8 640 195 10 58 75050Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza peoprietatii
68
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU
Jcm3 βKCU Indicele de performanta P
C120 890 100 265 10000 8 6667 60 75 25017000
VMoC120 870 9775 265 10000 8 6667 68 85 2835015356
VC06 870 9775 230 8679 6 5000 68 85 2126563155
VCW85 870 9775 265 10000 6 5000 80 100 2501682022
MoCN15 830 9326 250 9434 7 5833 75 9375 2735970124
VMoCN17 870 9775 265 10000 7 5833 73 9125 2663140356
VSCW20 790 8876 235 8868 5 4167 78 975 2032758226
OSC7 640 7191 195 7358 12 10000 56 70 3501237545
OSC8 640 7191 195 7358 10 8333 58 725 3022070878Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza proprietatii relative
69
Material Indicele de performanta P
VSCW20 2032758226
VC06 2126563155
VCW85 2501682022
C120 25017000
VMoCN17 2663140356
MoCN15 2735970124
VMoC120 2835015356
OSC8 3022070878
OSC7 3501237545
Material Indicele de performanta P
OSC7 74950
OSC8 75050
VSCW20 92400
MoCN15 96750
VC06 97400
VMoC120 100650
VMoCN17 101100
C120 101450
VCW85 101750
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile proprietatii materialului
ordonate crescator
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile relative ale proprietatii materialului ordonate crescator
70
Luand in considerare ca unele materiale sunt aliate cu siguranta acestea sunt mai scumpe
Daca luam in considerare costul unitar pentru otelurile carbon de scule iar densitatea de 785 (corespunzatoare fierului) se obtine indicele de merit
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
OSC7 74950 1 95477707 114
OSC8 75050 1 956050955 114
VSCW20 92400 14 840764331 100
MoCN15 96750 14 880345769 105
VC06 97400 12 103397028 123
VMoC120 100650 13 986281235 117
VMoCN17 101100 14 919927207 109
C120 101450 15 861571125 102
VCW85 101750 14 925841674 110
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea proprietatii materialului
71
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
VSCW20 2032758226 14 184964352 100
VC06 2126563155 12 225749804 122
VCW85 2501682022 14 227632577 123
C120 25017000 15 212458599 115
VMoCN17 2663140356 14 242323963 131
MoCN15 2735970124 14 248950876 135
VMoC120 2835015356 13 277806502 150
OSC8 3022070878 1 384977182 208
OSC7 3501237545 1 446017522 241
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea relativa a proprietatii materialului
72
Selectati materialele potrivite pentru piesele din imagine
Randul I 1 Serie mare de fabricatie-6p Randul II Serie mica (unicat) de fabricatie-6p
Randul I 2 Criterii de selectie a materialelor-1p3 Etapele selectiei materialelor ndash 1p4 Economicitatea piesei ndash 1p5 Strategii de selectie a materialelor ndash 1p
Randul II 2 Tipuri de date utilizate la selectia materialelor-1p3 Cum se face minimalizarea costurilor-1p4 Perofmantele piesei in functionare ndash 1p5 Care sunt cerintele fata de material ndash 1p
SUBIECTE EXAMEN
73
Date privind principalele proprietati tehnologice ale unor materiale
Material
Valorile proprietatii
Aschiabilitate Turnabilitate Sudabilitate Cost
F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba $tona
Otel de constructii (OL) X X X 140
Otel carbon de calitate (OLC) X X X
260
Fonte obisnuite (Fc) X X X 160
Punctaje 60 30 10 60 30 10 60 30 10
Avand in vedere ca pretul creste odata cu rezistenta la tractiune calculati costul fiecarui material prin inmultirea costului de baza cu valoarea proprietatii si impartiti la 100
74
Materiale ce pot fi luate in considerare spre analiza
Material Rm HV A Material Rm HV A Material Rm HV A
OL30 310 95 32 OLC8 324 140 33 Fc100 100 105 2
OL32 310 93 33 OLC10 321 150 31 Fc150 150 145 3
OL34 330 105 31 OLC15 373 155 27 Fc200 200 180 4
OL37 360 112 25 OLC20 410 165 25 Fc250 250 190 4
OL42 410 130 22 OLC25 450 175 24 Fc300 300 210 5
OL44 430 135 22 OLC30 490 180 21 Fc350 350 220 6
OL50 500 160 21 OLC35 530 195 21 Fc400 400 240 6
OL52 510 160 21 OLC40 570 200 19
OL60 590 185 16 OLC45 610 220 18
OL70 690 215 11 OLC50 640 230 16
OLC55 670 240 14
OLC60 700 255 14
Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50
Proprietatea tehnilogica intra cu o pondere de 100
VA UREZ SUCCES
28
Costul de baza al materialului
Cheltuieli de dezvoltaresi utilizare a
echipamentelor
Cheltuieli de prelucrareDeterminate de material de procedeu de forma
de precizie
COSTUL REPERULUI
Costurile reperului
29
Reper Comportare Costuri
Cheltuieli de intretineresi reparatii cu reperul
UtilizareCheltuieli de exploatare
Durabilitate
ECONOMICITATEA REPERULUI
Economicitatea reperului
30
CERINTE IMPUSE MATERIALULUIPIESE
Problema selectiei materialului este complexa
datorita
Varietatii materialelor ingineresti
Severitatii cerintelor functionale impuse
Cerinta diminuarii costurilor
Severitatii cerintelor functionale impuse
Prelucrarile la care este supus materialul
Geometria pieselor
Solicitarile la care este supus materialul
INFLUENTEAZA PROPRIETATILE MATERIALELOR
31
Comportarea materialului in produsul finit este sensibil diferita de cea a semifabricatului din care a fost obtinut
Comportarea materialului in piesa
(C)
Proprietatile materialului (M)
Influenta procedeului de prelucrare (P)
Forma piesei si fortele exterioare la care este
supusa (F)
Arata influenta directa a proprietatilor
semifabricatului a procedeului de prelucrare
a formei geometrice si a actiunii fortelor exterioare
asupra comportarii materialelor in piesa finita
Influenteaza direct comportarea
materialului in piesa
Este foarte important a se apela la criterii de proiectare adecvata
32
Influenta procedeului de prelucrare (P)
Prezenta muchiilor ascutite si a filetelor
Rugozitatea suprafetei
Afecteaza intr-o masura mai mare comportarea otelurilor de inalta rezistenta
decat a celor moi
Afecteaza intr-o masura mai mare comportarea materialelor la solicitari
variabile (oboseala) decat la solicitari statice
Interesul se focalizeaza preponderent pe performanta piesei in functionare si mai putin pe comportarea materialului in piesa
Comportarea materialului in piesa (proprietatile piesei)
Performantele piesei in functionare
Comportarea materialului in functionareConditiile de functionare
Factori care influenteaza
performantele piesei in functionare
33
CLASIFICAREA CERINTELOR IMPUSE MATERIALELOR
Cerintele impuse materialelor
Cerinte ldquorigiderdquo sau nenegociabile
Cerinte ldquonerigiderdquo ldquorelativerdquo sau
negociabile
Sunt cerintele care trebuie satisfacute obligatoriu de
material pentru a fi luate in considerare la selectie
bull Disponibilitatebull Prelucrabilitatebull Caracteristici minime
In anumite limite sunt supuse compromisului Pot fi comparate dpdv al importantei lor relative pentru o
aplicatie data in cadrul metodelor cantitative de selectie a materialelor
bull Proprietati mecanicebull Densitatebull Costul
In functie de tipul aplicatiei aceste cerinte isi pot schimba caracterul (din ldquonegociabilerdquo in ldquonenegociabile
Modificarea clasei de material selectate in final
34
EXEMPLE
Butelie de aragaz
Rezistenta Ductilitate Cost
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Rezistenta Ductilitate ρmic
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Butelii pentru gaze utilizate in aviatie
Costul este nenegociabil Oteluri pentru recipienti sub
presiune la temperaturi joase ndash R37 R44
Greutate cat mai mica (considerata nenegociabila) Materiale compozite (Kevlar 49-matrice epoxidica armata
cu fibre de poliamida)
35
MODALITATI DE ABORDARE A SELECTIEI MATERIALELOR SI PROCEDEELOR DE PRELUCRARE
Aparitia unor materiale noi si a competitiei intre materiale
Abordari noi in selectia materialelor si a procedeelor de prelucrare
Materialele plastice folosite la obtinerea pieselor complexe si de buna calitate inalta tehnologie
Materialele compozite au condus la reducerea substantiala a
greutatii produsului
Materiale sinterizate utilizate la obtinerea pieselor fara pierderi de material si consum de enetgie
scazut
Ingineria suprafetelor ofera posibilitati de modificare a
suprafetelor si coferirea unor proprietati deosebite
Cu toate aceste proiectantii se limiteaza la selectia
materialelor si procedeelor de prelucrare cunoscute mai bine
- Evitarea riscurilor- Nu este cunoscuta existenta unor noi materiale- Nu sunt cunoscute noile tehnologii de fabricatie etc
Proiectarea industriala trebuie asociata cu design-ul realizarea unei forme estetice obtinerea unui aspect exterior
placut
Design-ul industrial include mai mult decat o stilizare
Alegerea materialului permite un anumit design sau altul
36
La selectarea functiunii produsului (comportarea lui in exploatare-C) a materialelor (M) a
procedeelor de prelucrare (P) a formei (F) trebuie sa se tina seama ca acestea se intrepatrund (trebuie
sa tin seama in acelasi timp de ele)
Dificil Pot fi urmate diferite
succesiuni
Succesiunea CFMP prezinta urmatoarea
ordine de luare in considerare
-functionalitatea produsului (C)-forma piesei-materialul piesei-procedeul de prelucrare
Pot exista diferite succesiuni
Conduce la solutii diferite
Cadrul face conexiunea intre roti
saua bicicletei pedale ghidon
EXEMPLU Succesiunea CFMP
Functionalitatea si forma sunt aceleasi
Teava de aluminiu
Sudare
Succesiunea CFPM
Functionalitatea si forma sunt aceleasi
Sudare Teava de otel-se sudeaza mai bine
Succesiunea CMPF
Functionalitatea este aceeasi
Ca material se poate alege unul compozit
Sudare lipire
Forma aceeasi sau nu
Succesiunea CPMF
Poate fi aleasa presarea unui material superplastic
Alegerea ca material aluminiul
Forma S asimetrica plata
37
Pe baza functiunilor impuse produsului proiectantul schiteaza o serie de solutii tinand seama
de-materialele ce pot fi folosite-procedeele de fabricatie ce pot fi aplicate-formele potrivite ca functionalitate si design
Fiecare combinatie materialprocedeu de prelucrare conduce la diferite forme
Pot fi generate un numar
diferit de forme
Este o abordare CPMF sau CMPF
38
STRATEGII DE SELECTIE A MATERIALELOR
O strategie de selectie are doua componente
Formularea marimi prin care sa se evaluare un set de cerinte impuse materialului
Un procedeu de evaluare a marimii cerintelor prin care sa
se poata face ierarhizarea acestora in functie de masura in
care acestea sunt indeplinite
Strategiile cauta cai de implementare a procesului si anume de a converti un set de date ldquode intrarerdquo (cerintele proiectarii)
intr-un set de date ldquode iesirerdquo- alegerea materialului si a procedeului de prelucrare
39
Cerintele proiectarii
Materiale si procedee de prelucrare selectate
Strategii de selectie
Date initiale Functie de transfer Date finale
Strategia 1 Cautare libera implicand analiza rationala
Strategia 2 Bazata pe chestionare Este o selectie prin expertiza
Strategia 3 Analogie bazata pe cazuri anterioare
Posibila inovatie
Ofera solutii cunoscute
Ofera solutii similare cu situatia prezenta
Ofera mare libertate de selectie dar putina ghidare in proces
Ofera multa ghidare in proces dar putina libertate de selectie
Ofera idei ale solutiilor anterioare pentru probleme similare
40
SELECTIA LIBERA BAZATA PE ANALIZA RATIONALA
Este rapida si eficienta
Ofera o mare libertate pentru aplicatii
Ofera solutii noi si inovative
Avantaje
Are nevoie de date de intrare precis detaliate intr-o forma ce pot fi analizate prin metode ingineresti
standard
EXEMPLU
Gasiti un material pentru o bara de lungime L care sa
suporte o forta F la temperatura T si sa fie cat mai usoara
Cerinte pentru proiectare
ANALIZA SCHITEIFunctia Ce trebuie sa faca piesaObiective Ce trebuie maximalizat sau minimalizatConstrangeri Ce conditii esentiale trebuie sa fie indepliniteVariabile libere Care variabile ale proiectului sunt libere (cerinte nerigide)
41
Functia Ce trebuie sa faca piesa
Obiective Ce trebuie maximalizat sau minimalizat
Variabile libere Care variabile ale proiectului sunt libere (cerinte nerigide)
De a rezista la momente de incovoiere trebuie sa suporta incarcatura pentru care a fost proiectata fara a se deforma
Constrangeri Ce conditii esentiale trebuie sa fie indeplinite
Lungimea L data Tigiditatea S data Sa reziste si sa nu se deformeze la temperatura T
Trebuie minimalizata greutate
Aria sectiunii Costul
Procesul de selectie a avea 3 pasi
Filtrarea Se folseste de constrangeri pentru inlaturarea materialelor care nu indeplinesc cerintele
IerarhizareaSe folseste de marimea performantelor materialelor ramase in discutie pentru a le ordona
Documentarea
Analizeaza informatiile nestructurate le structureaza si le introduce in structura ierarhizata realizand o fisa cu informatii care ajuta selectia finala a materialului
42
Ierarhizarea se face parcurgand mai multe faze
Identificarea unuia sau a mai multor indici de performanta corespunzatori functiei obiectivului si constrangerilor
Indicele de performanta permite optimizarea selectiei
Pentru identificarea acestor indici se parcurg urmatoarele etape
Transpunerea intr-o relatie a obiectivului (entitatea) ce trebuie minimalizata sau maximalizata
Analiza grupului de proprietati (indicele de performanta) care maximalizeaza obiectivul
Eliminarea din aceasta relatie a variabilelor libere utilizand constrangerile (ex valoarea impusa rigiditatii a incarcarii limita a unui moment a presiunii a temperaturii de lucru sau al tenacitatii
43
EXEMPLU
TEMAGasiti un material pentru o bara de lungime L care sa
suporte o forta F la temperatura T si sa fie cat mai usoara
b
b
Lδ
F
Sageata
Sectiunea
CERINTELE PROIECTARIIFunctia Bara incarcata la incovoiereObiectiv Minimalizarea greutatiiConstrangeri Lungimea L data Rigiditatea S data Temperatura de exploatare T data (500deg)Variabile libere Aria sectiunii A Materialul de selectat
Se alege masa ldquomrdquo ca indice de performanta (trebuie sa fie minimalizat)
Masa barei este
Constrangerea privind rigiditatea va determina aria sectiunii ASageata unei bare simplu rezemata (forta actionand la mijloc) este data de relatia
44
unde E-modulul de elasticitate al materialului barei I-momentul de inertie al sectiunii grinzii
CL-reprezinta o constanta ce depinde de modul de distributie a fortei F (CL=48)
Rigiditatea barei este data de relatia
Din aceasta ultima relatie rezulta aria sectiunii A
Prin substitutia acestei relatii in relatia de determinare a masei grinzii se obtine indicele de performanta m
Valorile S L CL sunt date de proiect
Cea mai usoara bara este acea realizata dintr-un material care are cea mai mare valoare pentru
raport numit si ldquoindice de materialrdquo
Functia Incarcarea ConstrangeriIndici de
performantaRelatia
indicelui
Structuri de masa minima
Tija
BaraStatica
Rigiditate
Tractiune Eρ
Compresiune Eρ
Incovoiere E12ρ
Torsiune E12ρ
Rezistenta
Tractiune σrρ
Compresiune σcρ
Incovoiere σr23ρ
Torsiune σc23ρ
Dinamica
Panou
45
Exista mai multi indici de performanta fiecare realizand o combinatie dintre obiectiv si constrangere
46
47
48
METODE CANTITATIVE DE SELECTIE A MATERIALELOR CANDIDATE
Materialele candidat sunt materialele care satisfac cerintele cuprinse in matricea de cerinte rezultate dinbull Cerintele functionalebull Siguranta in functionarebull Functionarea in conditii ambientale de exploatarebull Cerintele de prelucrabilitatebull Economicitatea piesei
Care din aceste materiale vor fi luate in considerare la realizarea piesei
Evaluarea materialelor candidat
Evaluarea presupune compararea materialelor candidat care indeplinesc cerintele negociabile cu caracteristicile efective ale materialului in vederea selectarii celui optim pentru o aplicatie data
49
Evaluarea materialelor candidat
Este mai simpla pentru metodele cantitative de evaluare
Trebuie sa tina seama de anumite avantaje (usurinta procurarii materialului distanta pana la furnizor seriozitatea furnizarii constanta in calitatea produselor etc) care pot introduce anumite limitari determinand anumite compromisuri
In cele mai multe cazuri metodele cantitative de selectie conduc la materialul optim pentru o aplicatie
Metodele cantitative pot fi reluate odata cu schimbarea importantei relative a cerintelor negociabile
ATENTIE Cerintele nenegociabile trebuie satisfacute in totalitate si intocmai
Daca niciun material nu satisfac cerintele negociabile atunci fie ca acestea trebuie relaxate fie se impune reproiectarea produsului
50
Selectia este o operatie complexa
Numar mare de materiale cu o plaja larga de proprietati
Daca se face intamplator
Apare riscul de a omite anumite materiale candidate
Reducerea riscului prin adoptarea unei metode sistematice de selectie a materialelor
Metodele cantitative
Permitbull analiza unui numar ridicat de datebull a multor specificatii implicate in selectia materialelorbull pot fi adaptate pentru o selectie asistata de calculator
dintr-o baza de date
Metodele nu elimina capacitatea de analiza si experienta ingineruluiAceste metode sprijina inginerul in alegerea optima
51
METODA COSTULUI RAPORTAT LA UNITATEA DE PROPRIETATE
Economicitatea piesei
Costul initial al materialului
Costul prelucrarii si montarii
Costul functionarii si intretinerii
Unele dintre aceste costuri cresc odata cu cresterea
valorii proprietatilor altele scad
Proprietatea (Rm)
Costul piesei
Alte costuri
Costul total
Cos
tul
Cost minim
Odata cu cresterea rezistentei- Prelucrare mai dificila- Greutatea pe piesa scade- Durabilitatea in exploatare
creste si deci numarul de piese in utilizate in timp mai mic
Costul total este suma costului piesei si a celorlalte costuri
52
Valoarea optima a proprietatii (aici Rm) apare la costul minim
In piata costul materialului este legat de greutatea sau volumul (dupa caz) materialului
Se poate stabili o comparatie a materialelor intre proprietatile relative (proprietatea raportata la
greutatea specifica) De exemplu rezistenta rigiditatea modul de elasticitate etc
Criteriul esential este costul raportat la unitatea de rezistenta la tractiune
C=pρσ
C- costul asigurarii unei rezistente de 1 MPap- costul unitatii de proprietate a materialului
ρ- densitatea materialului
σr- rezistenta la tractiune
Cu cat valoarea lui ldquoCrdquo este mai mica cu atat materialul
este mai economic
53
Relatii asemanatoare pot fi obtinute si pentru alte proprietati cum ar fi- limita la curgere- modulul de elastuicitate- factorul de intensitate a tensiunii etc
Costul unitatii de proprietate pentru diferite moduri de solicitare
54
Compararea materialelor privind aceste costuri este esentiala
Se compara materialele intre ele
Este dificilSe ia un material de referinta
Costul relativ pe unitatea de proprietate a materialului candidat ldquoirdquo raportat la costul relativ pe unitatea de proprietate a materialului de referinta ldquobrdquo este dat de relatia
Daca CR este subunitar materialul candidat este mai ieftin decat materialul de referinta
Materialul de referinta este eliminat si materialul candidat se ia ca material de referinta pentru urmatoarea comparatie
Daca CR este supra unitar materialul candidat este mai scump decat materialul de referinta
Materialul de referinta se ia ca material de comparatie pentru urmatoarea analiza
55
METODA PONDERARII PROPRIETATILOR
Este o metoda pentru rezolvarea unor solutii mai comlexe de materiale materiale si proprietati
Fiecarei proprietati a materialului i se acorda o pondere rdquoαrdquo
Ponderea este proportionala cu importanta relativa a proprietatii pentru performanta in exploatare a materialului pentru aplicatia data
Ponderea proprietatii este egala cu produsul dintre valoarea numerica a proprietatii materialului ldquoprdquo si ponderea ei ldquoαrdquo
γ=pα
Insumand toate aceste produse pentru un material se obtine un indice de performanta ldquoPrdquo al materialului
Aceasta metoda ia in considerare toate proprietatile materialului
Comparand mai multe materiale prin indicele de performanta se poate gasi cel mai performant material pentru o aplicatie
56
Dezavantajul acestei metode consta in faptul ca in cazul unei proprietati care are o valoare ridicata aceasta v-a avea o influenta mai mare asupra indicelui de performanta decat ponderea ei
Exemplu Un material A care are Rm=370 MPa si o duritate de 350 HRB si un alt material B care are Rm=400 MPa si o duritate de 300 HRBStabilind ponderea proprietatii de 100 pentru rezistenta si 90 pentru duritate se obtine un indice de performanta de 68500 pentru material ul A si 67000 pentru materialul B
Inseamna ca impotriva importantei rezistentei la tractiune (ca fiind primul criteriu de selectie) si care este mai mare pentru materialul B indicele de performanta al materialului A este mai mare si deci acest material v-a fi selectat
La evaluarea materialelor candidat se va lucra cu valori relative ldquoβrdquo ale unei anumite proprietati celei mai mari valori a proprietatii atribuindu-se valoarea 100 iar celelalte valori relative se determina cu relatia
57
Pentru proprietatile materialelor care nu se exprima in mod obisnuit prin valori numerice (rezistenta la uzare sudabilitatea aschiabilitatea diferite proprietati tehnologice etc) evaluarea se poate face relativ la una dintre proprietati astfel
Astfel fiecarei proprietati I se acorda o importanta egalasi ea va influenta indicii de performanta ai materialelor doar comparate doar in masura ponderii acordate
Pentru proprietati ale caror valori se doreste a fi cat mai mici (densitatea pierderea de greutate prin coroziune etc) evaluarea se face printr-un raport invers
ProprietateaMateriale alternative
A B C D
Sudabilitatea Foarte buna Buna Buna Satisfacatoare
Evaluarea relativa 5 3 3 1
Valoarea scalata 100 60 60 20
58
Exemplu In ceea ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru rezistenta la tractiune a materialului A este de 925 Pentru al doilea material aceasta valoare este de 100 In ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru duritate aceasta este de 100 pentru materialul A si de 857 pentru materialul B
Acest lucru poate schimba situatia ierarhica a materialelor sau le poate apropia atat de mult indicele de performanta incat sa se puna problema luari in considerare si a altor elemente pentru selectie
Astfel indicele de performanta a materialului este dat de relatia
unde P reprezinta indicele de performanta a materialuluildquoirdquo este suma celor ldquonrdquo proprietati considerate a materialul ui
59
Ponderea α poate fi considerata ca αilt1 astfel incat
(cazul cel mai frecvent) sau ei I se poate aloca o plaja de valori valoarea cea mai mare
corespunzand proprietatii cu cea mai mare importanta
Costul materialului poate fi considerat ca o proprietate (chiar importanta) acordandui-se o pondere ldquoαrdquo
In cazul luarii in considerare a unui numar mare de proprietati costul poate fi considerat un factor de corectie al indicelui de performanta a materialului rezultand indicele de merit al acestuia
in care ldquoprdquo reprezinta costul unitatii de greutate a materialului
60
Cand se doreste compararea mai multor materiale candidat (i) cu unul de baza (de referinta) se calculeaza indicele relativ de merit al fiecarui material astfel
Daca RMgt1 respectivul material candidat ldquoirdquo corespunde mai bine cerintelor decat materialul de referinta ldquobrdquoIn cazul in care Mb reprezinta minimul cerintelor impuse Materialele candidat avand RMlt1 pot fi eliminate de la inceput ca fiind necorespunzatoare
Cand trebuie luate in considerare mai multe proprietati ale materialului pentru evaluarea indicelui de performanta este dificila evaluarea ponderii acestora Rezolvarea aceste probleme poate fi realizata printr-o evaluare prin programe numerice
61
METODA CRESTERII INCREMENTALE
In anumite situatii pot aparea mai multe materiale care indeplinesc cerintele minime impuse de o anumita aplicatie
Dupa analiza acestor materiale se poate presupune ca performantele pieselor prelucrate sunt proportionale cu indicii de performanta ldquoPrdquo In acelasi timp costul piesei variaza proportional cu costul materialului si al prelucrarii acestora
Daca se doreste selectarea piesei care are cea mai mare performanta la cea mai rezonabila crestere a costului se poate face o analiza beneficiu-cost Procedeul se ia indeosebi cand se doreste inlocuirea unui material utilizat deja in fabricatie
Materialul cu cel mai scazut cost (1) se ca element de baza si este comparat cu materialul care are costul imediat superior (2) Comparatia se face determinand cresterea indicelui de performanta (ΔP=P2-P1) si a costului ldquoprdquo pe unitatea de volum (Δpρ=p2ρ2-p1ρ1)
Daca ΔPΔpρlt1 materialul 1 corespunde mai bine decat materialul 2 pentru aplicatia data si materialul 2 va fi eliminatDaca ΔPΔpρgt1 materialul 1 va fi eliminat deoarece materialul 2 corespunde mai bine cerintelor aplicatieiSe continua compararea cu al treilea material si rand pe rand vor fi eliminate materialele mai putin corespunzatoare ajungand la materialul optim
62
EXEMPLU DE SELECTIE A MATERIALELOR
Tema Realizarea piesesei din figura dintr-un otel ldquoOL37rdquo intr-o serie mare de fabricatie-Este o piesa cilindrica cu dimensiunile date-Are un butuc-Prezinta o gaura lunga si de diametre mic
oslash200oslash50
150oslash20
Se poate realiza din bara rotunda prin strunjire
Se poate realiza din bara rotunda prin forjare
80
Coeficientul de utilizare a materialului 055
Coeficientul de utilizare a materialului 098
63
Diametrul mm Inaltime mm Volum mm3 Volum mm3Coeficientul de
utilizare a materialului
Semif Pornire 200 150 4710000 4710000
Strunjire
200 80 2512000
2602275 055=5550 35 137375
20 150 47100
Forjare
200 80 25120002649375
098=9850 35 137375
20 150 47100 2602275
Coeficientul de utilizare a materialului K=greutatea piesei finitegreutatea materialului utilizat pentru realizarea lui (a semifabricatului de pornire)
In calcul s-a lucrat cu volumul materialului deoarece G=VρAdaosuriele de prelucrare s-u luat ca fiind egaleApare un mult mai bun grad de utilizare a materialului pentr prelucrarea prin forjare
PIESA SE VA REALIZA PRIN FORJARE
64
1
2
3
5
6
4
9
8
F
107F
1-semimatrita superioara2-semimatrita inferioara3-cavitatea semimatritei sup4-cavitatea semimatritei inf5-canalul de bavura6-canalul de refulare7-prinderea semimatritei sup8-prinderea semimatritei inf9-elemente de ghidare (stifturi)10-planul de separare
TEMA Sa se stabileasca materialul optim pentru realizarea elementelor active ale matrtei de forjare din figura Se urmreste obtinerea piesei prin forjare la cald
CERINTE PENTRU PROIECTARE
Analiza schiteiFunctia Elemete (semimatrite) de matrita de deformare plasticaObiectiv Trebuie maximalizata tenacitatea (rezilienta)Constrangeri Dimensiunile cavitatii matritei (depind de marimea piesei) dimensiunile exterioare si sistemul de prindere (depind de utilaj temperatura de lucruVariabile libere material
65
Se cauta in sursele de informatii structurate si nestructurate materialele care respecta cerintele
Elemente de matrita
Rezistente la cald
Tenacitate Duritate
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Materialele potrivite sunt metalele si aliajele lor
-Materialele ceramice nu au tenacitate-Materialele polimerice nu au rezistenta la cald-Materialele compozite sunt scumpe si nu au tenacitate
Depinde de compozitia lor
Se cauta materiale cu destinatie precisa Materiale pentru scule de deformare
66
Din baza de date se constata ca urmatoarele materiale satisfac
cerintele rigide adica sa poata fi utilizate la prelucrarea la cald
Sunt materiale cu destinatie precisaDaca nu sunt materiale cu destinatie
precisa se cauta in grupa materialelor cu destinatie generala
Material Rm min MPa HV A5 KCU Jcm3
C120 890 265 8 60
VMoC120 870 265 8 68
VC06 870 230 6 68
VCW85 870 265 6 80
MoCN15 830 250 7 75
VMoCN17 870 265 7 73
VSCW20 790 235 5 78
OSC7 640 195 12 56
OSC8 640 195 10 58
67
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU Jcm3 βKCU Indicele de
performanta PC120 890 265 8 60 101450
VMoC120 870 265 8 68 100650
VC06 870 230 6 68 97400
VCW85 870 265 6 80 101750
MoCN15 830 250 7 75 96750
VMoCN17 870 265 7 73 101100
VSCW20 790 235 5 78 92400
OSC7 640 195 12 56 74950
OSC8 640 195 10 58 75050Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza peoprietatii
68
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU
Jcm3 βKCU Indicele de performanta P
C120 890 100 265 10000 8 6667 60 75 25017000
VMoC120 870 9775 265 10000 8 6667 68 85 2835015356
VC06 870 9775 230 8679 6 5000 68 85 2126563155
VCW85 870 9775 265 10000 6 5000 80 100 2501682022
MoCN15 830 9326 250 9434 7 5833 75 9375 2735970124
VMoCN17 870 9775 265 10000 7 5833 73 9125 2663140356
VSCW20 790 8876 235 8868 5 4167 78 975 2032758226
OSC7 640 7191 195 7358 12 10000 56 70 3501237545
OSC8 640 7191 195 7358 10 8333 58 725 3022070878Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza proprietatii relative
69
Material Indicele de performanta P
VSCW20 2032758226
VC06 2126563155
VCW85 2501682022
C120 25017000
VMoCN17 2663140356
MoCN15 2735970124
VMoC120 2835015356
OSC8 3022070878
OSC7 3501237545
Material Indicele de performanta P
OSC7 74950
OSC8 75050
VSCW20 92400
MoCN15 96750
VC06 97400
VMoC120 100650
VMoCN17 101100
C120 101450
VCW85 101750
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile proprietatii materialului
ordonate crescator
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile relative ale proprietatii materialului ordonate crescator
70
Luand in considerare ca unele materiale sunt aliate cu siguranta acestea sunt mai scumpe
Daca luam in considerare costul unitar pentru otelurile carbon de scule iar densitatea de 785 (corespunzatoare fierului) se obtine indicele de merit
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
OSC7 74950 1 95477707 114
OSC8 75050 1 956050955 114
VSCW20 92400 14 840764331 100
MoCN15 96750 14 880345769 105
VC06 97400 12 103397028 123
VMoC120 100650 13 986281235 117
VMoCN17 101100 14 919927207 109
C120 101450 15 861571125 102
VCW85 101750 14 925841674 110
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea proprietatii materialului
71
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
VSCW20 2032758226 14 184964352 100
VC06 2126563155 12 225749804 122
VCW85 2501682022 14 227632577 123
C120 25017000 15 212458599 115
VMoCN17 2663140356 14 242323963 131
MoCN15 2735970124 14 248950876 135
VMoC120 2835015356 13 277806502 150
OSC8 3022070878 1 384977182 208
OSC7 3501237545 1 446017522 241
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea relativa a proprietatii materialului
72
Selectati materialele potrivite pentru piesele din imagine
Randul I 1 Serie mare de fabricatie-6p Randul II Serie mica (unicat) de fabricatie-6p
Randul I 2 Criterii de selectie a materialelor-1p3 Etapele selectiei materialelor ndash 1p4 Economicitatea piesei ndash 1p5 Strategii de selectie a materialelor ndash 1p
Randul II 2 Tipuri de date utilizate la selectia materialelor-1p3 Cum se face minimalizarea costurilor-1p4 Perofmantele piesei in functionare ndash 1p5 Care sunt cerintele fata de material ndash 1p
SUBIECTE EXAMEN
73
Date privind principalele proprietati tehnologice ale unor materiale
Material
Valorile proprietatii
Aschiabilitate Turnabilitate Sudabilitate Cost
F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba $tona
Otel de constructii (OL) X X X 140
Otel carbon de calitate (OLC) X X X
260
Fonte obisnuite (Fc) X X X 160
Punctaje 60 30 10 60 30 10 60 30 10
Avand in vedere ca pretul creste odata cu rezistenta la tractiune calculati costul fiecarui material prin inmultirea costului de baza cu valoarea proprietatii si impartiti la 100
74
Materiale ce pot fi luate in considerare spre analiza
Material Rm HV A Material Rm HV A Material Rm HV A
OL30 310 95 32 OLC8 324 140 33 Fc100 100 105 2
OL32 310 93 33 OLC10 321 150 31 Fc150 150 145 3
OL34 330 105 31 OLC15 373 155 27 Fc200 200 180 4
OL37 360 112 25 OLC20 410 165 25 Fc250 250 190 4
OL42 410 130 22 OLC25 450 175 24 Fc300 300 210 5
OL44 430 135 22 OLC30 490 180 21 Fc350 350 220 6
OL50 500 160 21 OLC35 530 195 21 Fc400 400 240 6
OL52 510 160 21 OLC40 570 200 19
OL60 590 185 16 OLC45 610 220 18
OL70 690 215 11 OLC50 640 230 16
OLC55 670 240 14
OLC60 700 255 14
Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50
Proprietatea tehnilogica intra cu o pondere de 100
VA UREZ SUCCES
29
Reper Comportare Costuri
Cheltuieli de intretineresi reparatii cu reperul
UtilizareCheltuieli de exploatare
Durabilitate
ECONOMICITATEA REPERULUI
Economicitatea reperului
30
CERINTE IMPUSE MATERIALULUIPIESE
Problema selectiei materialului este complexa
datorita
Varietatii materialelor ingineresti
Severitatii cerintelor functionale impuse
Cerinta diminuarii costurilor
Severitatii cerintelor functionale impuse
Prelucrarile la care este supus materialul
Geometria pieselor
Solicitarile la care este supus materialul
INFLUENTEAZA PROPRIETATILE MATERIALELOR
31
Comportarea materialului in produsul finit este sensibil diferita de cea a semifabricatului din care a fost obtinut
Comportarea materialului in piesa
(C)
Proprietatile materialului (M)
Influenta procedeului de prelucrare (P)
Forma piesei si fortele exterioare la care este
supusa (F)
Arata influenta directa a proprietatilor
semifabricatului a procedeului de prelucrare
a formei geometrice si a actiunii fortelor exterioare
asupra comportarii materialelor in piesa finita
Influenteaza direct comportarea
materialului in piesa
Este foarte important a se apela la criterii de proiectare adecvata
32
Influenta procedeului de prelucrare (P)
Prezenta muchiilor ascutite si a filetelor
Rugozitatea suprafetei
Afecteaza intr-o masura mai mare comportarea otelurilor de inalta rezistenta
decat a celor moi
Afecteaza intr-o masura mai mare comportarea materialelor la solicitari
variabile (oboseala) decat la solicitari statice
Interesul se focalizeaza preponderent pe performanta piesei in functionare si mai putin pe comportarea materialului in piesa
Comportarea materialului in piesa (proprietatile piesei)
Performantele piesei in functionare
Comportarea materialului in functionareConditiile de functionare
Factori care influenteaza
performantele piesei in functionare
33
CLASIFICAREA CERINTELOR IMPUSE MATERIALELOR
Cerintele impuse materialelor
Cerinte ldquorigiderdquo sau nenegociabile
Cerinte ldquonerigiderdquo ldquorelativerdquo sau
negociabile
Sunt cerintele care trebuie satisfacute obligatoriu de
material pentru a fi luate in considerare la selectie
bull Disponibilitatebull Prelucrabilitatebull Caracteristici minime
In anumite limite sunt supuse compromisului Pot fi comparate dpdv al importantei lor relative pentru o
aplicatie data in cadrul metodelor cantitative de selectie a materialelor
bull Proprietati mecanicebull Densitatebull Costul
In functie de tipul aplicatiei aceste cerinte isi pot schimba caracterul (din ldquonegociabilerdquo in ldquonenegociabile
Modificarea clasei de material selectate in final
34
EXEMPLE
Butelie de aragaz
Rezistenta Ductilitate Cost
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Rezistenta Ductilitate ρmic
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Butelii pentru gaze utilizate in aviatie
Costul este nenegociabil Oteluri pentru recipienti sub
presiune la temperaturi joase ndash R37 R44
Greutate cat mai mica (considerata nenegociabila) Materiale compozite (Kevlar 49-matrice epoxidica armata
cu fibre de poliamida)
35
MODALITATI DE ABORDARE A SELECTIEI MATERIALELOR SI PROCEDEELOR DE PRELUCRARE
Aparitia unor materiale noi si a competitiei intre materiale
Abordari noi in selectia materialelor si a procedeelor de prelucrare
Materialele plastice folosite la obtinerea pieselor complexe si de buna calitate inalta tehnologie
Materialele compozite au condus la reducerea substantiala a
greutatii produsului
Materiale sinterizate utilizate la obtinerea pieselor fara pierderi de material si consum de enetgie
scazut
Ingineria suprafetelor ofera posibilitati de modificare a
suprafetelor si coferirea unor proprietati deosebite
Cu toate aceste proiectantii se limiteaza la selectia
materialelor si procedeelor de prelucrare cunoscute mai bine
- Evitarea riscurilor- Nu este cunoscuta existenta unor noi materiale- Nu sunt cunoscute noile tehnologii de fabricatie etc
Proiectarea industriala trebuie asociata cu design-ul realizarea unei forme estetice obtinerea unui aspect exterior
placut
Design-ul industrial include mai mult decat o stilizare
Alegerea materialului permite un anumit design sau altul
36
La selectarea functiunii produsului (comportarea lui in exploatare-C) a materialelor (M) a
procedeelor de prelucrare (P) a formei (F) trebuie sa se tina seama ca acestea se intrepatrund (trebuie
sa tin seama in acelasi timp de ele)
Dificil Pot fi urmate diferite
succesiuni
Succesiunea CFMP prezinta urmatoarea
ordine de luare in considerare
-functionalitatea produsului (C)-forma piesei-materialul piesei-procedeul de prelucrare
Pot exista diferite succesiuni
Conduce la solutii diferite
Cadrul face conexiunea intre roti
saua bicicletei pedale ghidon
EXEMPLU Succesiunea CFMP
Functionalitatea si forma sunt aceleasi
Teava de aluminiu
Sudare
Succesiunea CFPM
Functionalitatea si forma sunt aceleasi
Sudare Teava de otel-se sudeaza mai bine
Succesiunea CMPF
Functionalitatea este aceeasi
Ca material se poate alege unul compozit
Sudare lipire
Forma aceeasi sau nu
Succesiunea CPMF
Poate fi aleasa presarea unui material superplastic
Alegerea ca material aluminiul
Forma S asimetrica plata
37
Pe baza functiunilor impuse produsului proiectantul schiteaza o serie de solutii tinand seama
de-materialele ce pot fi folosite-procedeele de fabricatie ce pot fi aplicate-formele potrivite ca functionalitate si design
Fiecare combinatie materialprocedeu de prelucrare conduce la diferite forme
Pot fi generate un numar
diferit de forme
Este o abordare CPMF sau CMPF
38
STRATEGII DE SELECTIE A MATERIALELOR
O strategie de selectie are doua componente
Formularea marimi prin care sa se evaluare un set de cerinte impuse materialului
Un procedeu de evaluare a marimii cerintelor prin care sa
se poata face ierarhizarea acestora in functie de masura in
care acestea sunt indeplinite
Strategiile cauta cai de implementare a procesului si anume de a converti un set de date ldquode intrarerdquo (cerintele proiectarii)
intr-un set de date ldquode iesirerdquo- alegerea materialului si a procedeului de prelucrare
39
Cerintele proiectarii
Materiale si procedee de prelucrare selectate
Strategii de selectie
Date initiale Functie de transfer Date finale
Strategia 1 Cautare libera implicand analiza rationala
Strategia 2 Bazata pe chestionare Este o selectie prin expertiza
Strategia 3 Analogie bazata pe cazuri anterioare
Posibila inovatie
Ofera solutii cunoscute
Ofera solutii similare cu situatia prezenta
Ofera mare libertate de selectie dar putina ghidare in proces
Ofera multa ghidare in proces dar putina libertate de selectie
Ofera idei ale solutiilor anterioare pentru probleme similare
40
SELECTIA LIBERA BAZATA PE ANALIZA RATIONALA
Este rapida si eficienta
Ofera o mare libertate pentru aplicatii
Ofera solutii noi si inovative
Avantaje
Are nevoie de date de intrare precis detaliate intr-o forma ce pot fi analizate prin metode ingineresti
standard
EXEMPLU
Gasiti un material pentru o bara de lungime L care sa
suporte o forta F la temperatura T si sa fie cat mai usoara
Cerinte pentru proiectare
ANALIZA SCHITEIFunctia Ce trebuie sa faca piesaObiective Ce trebuie maximalizat sau minimalizatConstrangeri Ce conditii esentiale trebuie sa fie indepliniteVariabile libere Care variabile ale proiectului sunt libere (cerinte nerigide)
41
Functia Ce trebuie sa faca piesa
Obiective Ce trebuie maximalizat sau minimalizat
Variabile libere Care variabile ale proiectului sunt libere (cerinte nerigide)
De a rezista la momente de incovoiere trebuie sa suporta incarcatura pentru care a fost proiectata fara a se deforma
Constrangeri Ce conditii esentiale trebuie sa fie indeplinite
Lungimea L data Tigiditatea S data Sa reziste si sa nu se deformeze la temperatura T
Trebuie minimalizata greutate
Aria sectiunii Costul
Procesul de selectie a avea 3 pasi
Filtrarea Se folseste de constrangeri pentru inlaturarea materialelor care nu indeplinesc cerintele
IerarhizareaSe folseste de marimea performantelor materialelor ramase in discutie pentru a le ordona
Documentarea
Analizeaza informatiile nestructurate le structureaza si le introduce in structura ierarhizata realizand o fisa cu informatii care ajuta selectia finala a materialului
42
Ierarhizarea se face parcurgand mai multe faze
Identificarea unuia sau a mai multor indici de performanta corespunzatori functiei obiectivului si constrangerilor
Indicele de performanta permite optimizarea selectiei
Pentru identificarea acestor indici se parcurg urmatoarele etape
Transpunerea intr-o relatie a obiectivului (entitatea) ce trebuie minimalizata sau maximalizata
Analiza grupului de proprietati (indicele de performanta) care maximalizeaza obiectivul
Eliminarea din aceasta relatie a variabilelor libere utilizand constrangerile (ex valoarea impusa rigiditatii a incarcarii limita a unui moment a presiunii a temperaturii de lucru sau al tenacitatii
43
EXEMPLU
TEMAGasiti un material pentru o bara de lungime L care sa
suporte o forta F la temperatura T si sa fie cat mai usoara
b
b
Lδ
F
Sageata
Sectiunea
CERINTELE PROIECTARIIFunctia Bara incarcata la incovoiereObiectiv Minimalizarea greutatiiConstrangeri Lungimea L data Rigiditatea S data Temperatura de exploatare T data (500deg)Variabile libere Aria sectiunii A Materialul de selectat
Se alege masa ldquomrdquo ca indice de performanta (trebuie sa fie minimalizat)
Masa barei este
Constrangerea privind rigiditatea va determina aria sectiunii ASageata unei bare simplu rezemata (forta actionand la mijloc) este data de relatia
44
unde E-modulul de elasticitate al materialului barei I-momentul de inertie al sectiunii grinzii
CL-reprezinta o constanta ce depinde de modul de distributie a fortei F (CL=48)
Rigiditatea barei este data de relatia
Din aceasta ultima relatie rezulta aria sectiunii A
Prin substitutia acestei relatii in relatia de determinare a masei grinzii se obtine indicele de performanta m
Valorile S L CL sunt date de proiect
Cea mai usoara bara este acea realizata dintr-un material care are cea mai mare valoare pentru
raport numit si ldquoindice de materialrdquo
Functia Incarcarea ConstrangeriIndici de
performantaRelatia
indicelui
Structuri de masa minima
Tija
BaraStatica
Rigiditate
Tractiune Eρ
Compresiune Eρ
Incovoiere E12ρ
Torsiune E12ρ
Rezistenta
Tractiune σrρ
Compresiune σcρ
Incovoiere σr23ρ
Torsiune σc23ρ
Dinamica
Panou
45
Exista mai multi indici de performanta fiecare realizand o combinatie dintre obiectiv si constrangere
46
47
48
METODE CANTITATIVE DE SELECTIE A MATERIALELOR CANDIDATE
Materialele candidat sunt materialele care satisfac cerintele cuprinse in matricea de cerinte rezultate dinbull Cerintele functionalebull Siguranta in functionarebull Functionarea in conditii ambientale de exploatarebull Cerintele de prelucrabilitatebull Economicitatea piesei
Care din aceste materiale vor fi luate in considerare la realizarea piesei
Evaluarea materialelor candidat
Evaluarea presupune compararea materialelor candidat care indeplinesc cerintele negociabile cu caracteristicile efective ale materialului in vederea selectarii celui optim pentru o aplicatie data
49
Evaluarea materialelor candidat
Este mai simpla pentru metodele cantitative de evaluare
Trebuie sa tina seama de anumite avantaje (usurinta procurarii materialului distanta pana la furnizor seriozitatea furnizarii constanta in calitatea produselor etc) care pot introduce anumite limitari determinand anumite compromisuri
In cele mai multe cazuri metodele cantitative de selectie conduc la materialul optim pentru o aplicatie
Metodele cantitative pot fi reluate odata cu schimbarea importantei relative a cerintelor negociabile
ATENTIE Cerintele nenegociabile trebuie satisfacute in totalitate si intocmai
Daca niciun material nu satisfac cerintele negociabile atunci fie ca acestea trebuie relaxate fie se impune reproiectarea produsului
50
Selectia este o operatie complexa
Numar mare de materiale cu o plaja larga de proprietati
Daca se face intamplator
Apare riscul de a omite anumite materiale candidate
Reducerea riscului prin adoptarea unei metode sistematice de selectie a materialelor
Metodele cantitative
Permitbull analiza unui numar ridicat de datebull a multor specificatii implicate in selectia materialelorbull pot fi adaptate pentru o selectie asistata de calculator
dintr-o baza de date
Metodele nu elimina capacitatea de analiza si experienta ingineruluiAceste metode sprijina inginerul in alegerea optima
51
METODA COSTULUI RAPORTAT LA UNITATEA DE PROPRIETATE
Economicitatea piesei
Costul initial al materialului
Costul prelucrarii si montarii
Costul functionarii si intretinerii
Unele dintre aceste costuri cresc odata cu cresterea
valorii proprietatilor altele scad
Proprietatea (Rm)
Costul piesei
Alte costuri
Costul total
Cos
tul
Cost minim
Odata cu cresterea rezistentei- Prelucrare mai dificila- Greutatea pe piesa scade- Durabilitatea in exploatare
creste si deci numarul de piese in utilizate in timp mai mic
Costul total este suma costului piesei si a celorlalte costuri
52
Valoarea optima a proprietatii (aici Rm) apare la costul minim
In piata costul materialului este legat de greutatea sau volumul (dupa caz) materialului
Se poate stabili o comparatie a materialelor intre proprietatile relative (proprietatea raportata la
greutatea specifica) De exemplu rezistenta rigiditatea modul de elasticitate etc
Criteriul esential este costul raportat la unitatea de rezistenta la tractiune
C=pρσ
C- costul asigurarii unei rezistente de 1 MPap- costul unitatii de proprietate a materialului
ρ- densitatea materialului
σr- rezistenta la tractiune
Cu cat valoarea lui ldquoCrdquo este mai mica cu atat materialul
este mai economic
53
Relatii asemanatoare pot fi obtinute si pentru alte proprietati cum ar fi- limita la curgere- modulul de elastuicitate- factorul de intensitate a tensiunii etc
Costul unitatii de proprietate pentru diferite moduri de solicitare
54
Compararea materialelor privind aceste costuri este esentiala
Se compara materialele intre ele
Este dificilSe ia un material de referinta
Costul relativ pe unitatea de proprietate a materialului candidat ldquoirdquo raportat la costul relativ pe unitatea de proprietate a materialului de referinta ldquobrdquo este dat de relatia
Daca CR este subunitar materialul candidat este mai ieftin decat materialul de referinta
Materialul de referinta este eliminat si materialul candidat se ia ca material de referinta pentru urmatoarea comparatie
Daca CR este supra unitar materialul candidat este mai scump decat materialul de referinta
Materialul de referinta se ia ca material de comparatie pentru urmatoarea analiza
55
METODA PONDERARII PROPRIETATILOR
Este o metoda pentru rezolvarea unor solutii mai comlexe de materiale materiale si proprietati
Fiecarei proprietati a materialului i se acorda o pondere rdquoαrdquo
Ponderea este proportionala cu importanta relativa a proprietatii pentru performanta in exploatare a materialului pentru aplicatia data
Ponderea proprietatii este egala cu produsul dintre valoarea numerica a proprietatii materialului ldquoprdquo si ponderea ei ldquoαrdquo
γ=pα
Insumand toate aceste produse pentru un material se obtine un indice de performanta ldquoPrdquo al materialului
Aceasta metoda ia in considerare toate proprietatile materialului
Comparand mai multe materiale prin indicele de performanta se poate gasi cel mai performant material pentru o aplicatie
56
Dezavantajul acestei metode consta in faptul ca in cazul unei proprietati care are o valoare ridicata aceasta v-a avea o influenta mai mare asupra indicelui de performanta decat ponderea ei
Exemplu Un material A care are Rm=370 MPa si o duritate de 350 HRB si un alt material B care are Rm=400 MPa si o duritate de 300 HRBStabilind ponderea proprietatii de 100 pentru rezistenta si 90 pentru duritate se obtine un indice de performanta de 68500 pentru material ul A si 67000 pentru materialul B
Inseamna ca impotriva importantei rezistentei la tractiune (ca fiind primul criteriu de selectie) si care este mai mare pentru materialul B indicele de performanta al materialului A este mai mare si deci acest material v-a fi selectat
La evaluarea materialelor candidat se va lucra cu valori relative ldquoβrdquo ale unei anumite proprietati celei mai mari valori a proprietatii atribuindu-se valoarea 100 iar celelalte valori relative se determina cu relatia
57
Pentru proprietatile materialelor care nu se exprima in mod obisnuit prin valori numerice (rezistenta la uzare sudabilitatea aschiabilitatea diferite proprietati tehnologice etc) evaluarea se poate face relativ la una dintre proprietati astfel
Astfel fiecarei proprietati I se acorda o importanta egalasi ea va influenta indicii de performanta ai materialelor doar comparate doar in masura ponderii acordate
Pentru proprietati ale caror valori se doreste a fi cat mai mici (densitatea pierderea de greutate prin coroziune etc) evaluarea se face printr-un raport invers
ProprietateaMateriale alternative
A B C D
Sudabilitatea Foarte buna Buna Buna Satisfacatoare
Evaluarea relativa 5 3 3 1
Valoarea scalata 100 60 60 20
58
Exemplu In ceea ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru rezistenta la tractiune a materialului A este de 925 Pentru al doilea material aceasta valoare este de 100 In ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru duritate aceasta este de 100 pentru materialul A si de 857 pentru materialul B
Acest lucru poate schimba situatia ierarhica a materialelor sau le poate apropia atat de mult indicele de performanta incat sa se puna problema luari in considerare si a altor elemente pentru selectie
Astfel indicele de performanta a materialului este dat de relatia
unde P reprezinta indicele de performanta a materialuluildquoirdquo este suma celor ldquonrdquo proprietati considerate a materialul ui
59
Ponderea α poate fi considerata ca αilt1 astfel incat
(cazul cel mai frecvent) sau ei I se poate aloca o plaja de valori valoarea cea mai mare
corespunzand proprietatii cu cea mai mare importanta
Costul materialului poate fi considerat ca o proprietate (chiar importanta) acordandui-se o pondere ldquoαrdquo
In cazul luarii in considerare a unui numar mare de proprietati costul poate fi considerat un factor de corectie al indicelui de performanta a materialului rezultand indicele de merit al acestuia
in care ldquoprdquo reprezinta costul unitatii de greutate a materialului
60
Cand se doreste compararea mai multor materiale candidat (i) cu unul de baza (de referinta) se calculeaza indicele relativ de merit al fiecarui material astfel
Daca RMgt1 respectivul material candidat ldquoirdquo corespunde mai bine cerintelor decat materialul de referinta ldquobrdquoIn cazul in care Mb reprezinta minimul cerintelor impuse Materialele candidat avand RMlt1 pot fi eliminate de la inceput ca fiind necorespunzatoare
Cand trebuie luate in considerare mai multe proprietati ale materialului pentru evaluarea indicelui de performanta este dificila evaluarea ponderii acestora Rezolvarea aceste probleme poate fi realizata printr-o evaluare prin programe numerice
61
METODA CRESTERII INCREMENTALE
In anumite situatii pot aparea mai multe materiale care indeplinesc cerintele minime impuse de o anumita aplicatie
Dupa analiza acestor materiale se poate presupune ca performantele pieselor prelucrate sunt proportionale cu indicii de performanta ldquoPrdquo In acelasi timp costul piesei variaza proportional cu costul materialului si al prelucrarii acestora
Daca se doreste selectarea piesei care are cea mai mare performanta la cea mai rezonabila crestere a costului se poate face o analiza beneficiu-cost Procedeul se ia indeosebi cand se doreste inlocuirea unui material utilizat deja in fabricatie
Materialul cu cel mai scazut cost (1) se ca element de baza si este comparat cu materialul care are costul imediat superior (2) Comparatia se face determinand cresterea indicelui de performanta (ΔP=P2-P1) si a costului ldquoprdquo pe unitatea de volum (Δpρ=p2ρ2-p1ρ1)
Daca ΔPΔpρlt1 materialul 1 corespunde mai bine decat materialul 2 pentru aplicatia data si materialul 2 va fi eliminatDaca ΔPΔpρgt1 materialul 1 va fi eliminat deoarece materialul 2 corespunde mai bine cerintelor aplicatieiSe continua compararea cu al treilea material si rand pe rand vor fi eliminate materialele mai putin corespunzatoare ajungand la materialul optim
62
EXEMPLU DE SELECTIE A MATERIALELOR
Tema Realizarea piesesei din figura dintr-un otel ldquoOL37rdquo intr-o serie mare de fabricatie-Este o piesa cilindrica cu dimensiunile date-Are un butuc-Prezinta o gaura lunga si de diametre mic
oslash200oslash50
150oslash20
Se poate realiza din bara rotunda prin strunjire
Se poate realiza din bara rotunda prin forjare
80
Coeficientul de utilizare a materialului 055
Coeficientul de utilizare a materialului 098
63
Diametrul mm Inaltime mm Volum mm3 Volum mm3Coeficientul de
utilizare a materialului
Semif Pornire 200 150 4710000 4710000
Strunjire
200 80 2512000
2602275 055=5550 35 137375
20 150 47100
Forjare
200 80 25120002649375
098=9850 35 137375
20 150 47100 2602275
Coeficientul de utilizare a materialului K=greutatea piesei finitegreutatea materialului utilizat pentru realizarea lui (a semifabricatului de pornire)
In calcul s-a lucrat cu volumul materialului deoarece G=VρAdaosuriele de prelucrare s-u luat ca fiind egaleApare un mult mai bun grad de utilizare a materialului pentr prelucrarea prin forjare
PIESA SE VA REALIZA PRIN FORJARE
64
1
2
3
5
6
4
9
8
F
107F
1-semimatrita superioara2-semimatrita inferioara3-cavitatea semimatritei sup4-cavitatea semimatritei inf5-canalul de bavura6-canalul de refulare7-prinderea semimatritei sup8-prinderea semimatritei inf9-elemente de ghidare (stifturi)10-planul de separare
TEMA Sa se stabileasca materialul optim pentru realizarea elementelor active ale matrtei de forjare din figura Se urmreste obtinerea piesei prin forjare la cald
CERINTE PENTRU PROIECTARE
Analiza schiteiFunctia Elemete (semimatrite) de matrita de deformare plasticaObiectiv Trebuie maximalizata tenacitatea (rezilienta)Constrangeri Dimensiunile cavitatii matritei (depind de marimea piesei) dimensiunile exterioare si sistemul de prindere (depind de utilaj temperatura de lucruVariabile libere material
65
Se cauta in sursele de informatii structurate si nestructurate materialele care respecta cerintele
Elemente de matrita
Rezistente la cald
Tenacitate Duritate
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Materialele potrivite sunt metalele si aliajele lor
-Materialele ceramice nu au tenacitate-Materialele polimerice nu au rezistenta la cald-Materialele compozite sunt scumpe si nu au tenacitate
Depinde de compozitia lor
Se cauta materiale cu destinatie precisa Materiale pentru scule de deformare
66
Din baza de date se constata ca urmatoarele materiale satisfac
cerintele rigide adica sa poata fi utilizate la prelucrarea la cald
Sunt materiale cu destinatie precisaDaca nu sunt materiale cu destinatie
precisa se cauta in grupa materialelor cu destinatie generala
Material Rm min MPa HV A5 KCU Jcm3
C120 890 265 8 60
VMoC120 870 265 8 68
VC06 870 230 6 68
VCW85 870 265 6 80
MoCN15 830 250 7 75
VMoCN17 870 265 7 73
VSCW20 790 235 5 78
OSC7 640 195 12 56
OSC8 640 195 10 58
67
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU Jcm3 βKCU Indicele de
performanta PC120 890 265 8 60 101450
VMoC120 870 265 8 68 100650
VC06 870 230 6 68 97400
VCW85 870 265 6 80 101750
MoCN15 830 250 7 75 96750
VMoCN17 870 265 7 73 101100
VSCW20 790 235 5 78 92400
OSC7 640 195 12 56 74950
OSC8 640 195 10 58 75050Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza peoprietatii
68
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU
Jcm3 βKCU Indicele de performanta P
C120 890 100 265 10000 8 6667 60 75 25017000
VMoC120 870 9775 265 10000 8 6667 68 85 2835015356
VC06 870 9775 230 8679 6 5000 68 85 2126563155
VCW85 870 9775 265 10000 6 5000 80 100 2501682022
MoCN15 830 9326 250 9434 7 5833 75 9375 2735970124
VMoCN17 870 9775 265 10000 7 5833 73 9125 2663140356
VSCW20 790 8876 235 8868 5 4167 78 975 2032758226
OSC7 640 7191 195 7358 12 10000 56 70 3501237545
OSC8 640 7191 195 7358 10 8333 58 725 3022070878Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza proprietatii relative
69
Material Indicele de performanta P
VSCW20 2032758226
VC06 2126563155
VCW85 2501682022
C120 25017000
VMoCN17 2663140356
MoCN15 2735970124
VMoC120 2835015356
OSC8 3022070878
OSC7 3501237545
Material Indicele de performanta P
OSC7 74950
OSC8 75050
VSCW20 92400
MoCN15 96750
VC06 97400
VMoC120 100650
VMoCN17 101100
C120 101450
VCW85 101750
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile proprietatii materialului
ordonate crescator
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile relative ale proprietatii materialului ordonate crescator
70
Luand in considerare ca unele materiale sunt aliate cu siguranta acestea sunt mai scumpe
Daca luam in considerare costul unitar pentru otelurile carbon de scule iar densitatea de 785 (corespunzatoare fierului) se obtine indicele de merit
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
OSC7 74950 1 95477707 114
OSC8 75050 1 956050955 114
VSCW20 92400 14 840764331 100
MoCN15 96750 14 880345769 105
VC06 97400 12 103397028 123
VMoC120 100650 13 986281235 117
VMoCN17 101100 14 919927207 109
C120 101450 15 861571125 102
VCW85 101750 14 925841674 110
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea proprietatii materialului
71
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
VSCW20 2032758226 14 184964352 100
VC06 2126563155 12 225749804 122
VCW85 2501682022 14 227632577 123
C120 25017000 15 212458599 115
VMoCN17 2663140356 14 242323963 131
MoCN15 2735970124 14 248950876 135
VMoC120 2835015356 13 277806502 150
OSC8 3022070878 1 384977182 208
OSC7 3501237545 1 446017522 241
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea relativa a proprietatii materialului
72
Selectati materialele potrivite pentru piesele din imagine
Randul I 1 Serie mare de fabricatie-6p Randul II Serie mica (unicat) de fabricatie-6p
Randul I 2 Criterii de selectie a materialelor-1p3 Etapele selectiei materialelor ndash 1p4 Economicitatea piesei ndash 1p5 Strategii de selectie a materialelor ndash 1p
Randul II 2 Tipuri de date utilizate la selectia materialelor-1p3 Cum se face minimalizarea costurilor-1p4 Perofmantele piesei in functionare ndash 1p5 Care sunt cerintele fata de material ndash 1p
SUBIECTE EXAMEN
73
Date privind principalele proprietati tehnologice ale unor materiale
Material
Valorile proprietatii
Aschiabilitate Turnabilitate Sudabilitate Cost
F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba $tona
Otel de constructii (OL) X X X 140
Otel carbon de calitate (OLC) X X X
260
Fonte obisnuite (Fc) X X X 160
Punctaje 60 30 10 60 30 10 60 30 10
Avand in vedere ca pretul creste odata cu rezistenta la tractiune calculati costul fiecarui material prin inmultirea costului de baza cu valoarea proprietatii si impartiti la 100
74
Materiale ce pot fi luate in considerare spre analiza
Material Rm HV A Material Rm HV A Material Rm HV A
OL30 310 95 32 OLC8 324 140 33 Fc100 100 105 2
OL32 310 93 33 OLC10 321 150 31 Fc150 150 145 3
OL34 330 105 31 OLC15 373 155 27 Fc200 200 180 4
OL37 360 112 25 OLC20 410 165 25 Fc250 250 190 4
OL42 410 130 22 OLC25 450 175 24 Fc300 300 210 5
OL44 430 135 22 OLC30 490 180 21 Fc350 350 220 6
OL50 500 160 21 OLC35 530 195 21 Fc400 400 240 6
OL52 510 160 21 OLC40 570 200 19
OL60 590 185 16 OLC45 610 220 18
OL70 690 215 11 OLC50 640 230 16
OLC55 670 240 14
OLC60 700 255 14
Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50
Proprietatea tehnilogica intra cu o pondere de 100
VA UREZ SUCCES
30
CERINTE IMPUSE MATERIALULUIPIESE
Problema selectiei materialului este complexa
datorita
Varietatii materialelor ingineresti
Severitatii cerintelor functionale impuse
Cerinta diminuarii costurilor
Severitatii cerintelor functionale impuse
Prelucrarile la care este supus materialul
Geometria pieselor
Solicitarile la care este supus materialul
INFLUENTEAZA PROPRIETATILE MATERIALELOR
31
Comportarea materialului in produsul finit este sensibil diferita de cea a semifabricatului din care a fost obtinut
Comportarea materialului in piesa
(C)
Proprietatile materialului (M)
Influenta procedeului de prelucrare (P)
Forma piesei si fortele exterioare la care este
supusa (F)
Arata influenta directa a proprietatilor
semifabricatului a procedeului de prelucrare
a formei geometrice si a actiunii fortelor exterioare
asupra comportarii materialelor in piesa finita
Influenteaza direct comportarea
materialului in piesa
Este foarte important a se apela la criterii de proiectare adecvata
32
Influenta procedeului de prelucrare (P)
Prezenta muchiilor ascutite si a filetelor
Rugozitatea suprafetei
Afecteaza intr-o masura mai mare comportarea otelurilor de inalta rezistenta
decat a celor moi
Afecteaza intr-o masura mai mare comportarea materialelor la solicitari
variabile (oboseala) decat la solicitari statice
Interesul se focalizeaza preponderent pe performanta piesei in functionare si mai putin pe comportarea materialului in piesa
Comportarea materialului in piesa (proprietatile piesei)
Performantele piesei in functionare
Comportarea materialului in functionareConditiile de functionare
Factori care influenteaza
performantele piesei in functionare
33
CLASIFICAREA CERINTELOR IMPUSE MATERIALELOR
Cerintele impuse materialelor
Cerinte ldquorigiderdquo sau nenegociabile
Cerinte ldquonerigiderdquo ldquorelativerdquo sau
negociabile
Sunt cerintele care trebuie satisfacute obligatoriu de
material pentru a fi luate in considerare la selectie
bull Disponibilitatebull Prelucrabilitatebull Caracteristici minime
In anumite limite sunt supuse compromisului Pot fi comparate dpdv al importantei lor relative pentru o
aplicatie data in cadrul metodelor cantitative de selectie a materialelor
bull Proprietati mecanicebull Densitatebull Costul
In functie de tipul aplicatiei aceste cerinte isi pot schimba caracterul (din ldquonegociabilerdquo in ldquonenegociabile
Modificarea clasei de material selectate in final
34
EXEMPLE
Butelie de aragaz
Rezistenta Ductilitate Cost
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Rezistenta Ductilitate ρmic
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Butelii pentru gaze utilizate in aviatie
Costul este nenegociabil Oteluri pentru recipienti sub
presiune la temperaturi joase ndash R37 R44
Greutate cat mai mica (considerata nenegociabila) Materiale compozite (Kevlar 49-matrice epoxidica armata
cu fibre de poliamida)
35
MODALITATI DE ABORDARE A SELECTIEI MATERIALELOR SI PROCEDEELOR DE PRELUCRARE
Aparitia unor materiale noi si a competitiei intre materiale
Abordari noi in selectia materialelor si a procedeelor de prelucrare
Materialele plastice folosite la obtinerea pieselor complexe si de buna calitate inalta tehnologie
Materialele compozite au condus la reducerea substantiala a
greutatii produsului
Materiale sinterizate utilizate la obtinerea pieselor fara pierderi de material si consum de enetgie
scazut
Ingineria suprafetelor ofera posibilitati de modificare a
suprafetelor si coferirea unor proprietati deosebite
Cu toate aceste proiectantii se limiteaza la selectia
materialelor si procedeelor de prelucrare cunoscute mai bine
- Evitarea riscurilor- Nu este cunoscuta existenta unor noi materiale- Nu sunt cunoscute noile tehnologii de fabricatie etc
Proiectarea industriala trebuie asociata cu design-ul realizarea unei forme estetice obtinerea unui aspect exterior
placut
Design-ul industrial include mai mult decat o stilizare
Alegerea materialului permite un anumit design sau altul
36
La selectarea functiunii produsului (comportarea lui in exploatare-C) a materialelor (M) a
procedeelor de prelucrare (P) a formei (F) trebuie sa se tina seama ca acestea se intrepatrund (trebuie
sa tin seama in acelasi timp de ele)
Dificil Pot fi urmate diferite
succesiuni
Succesiunea CFMP prezinta urmatoarea
ordine de luare in considerare
-functionalitatea produsului (C)-forma piesei-materialul piesei-procedeul de prelucrare
Pot exista diferite succesiuni
Conduce la solutii diferite
Cadrul face conexiunea intre roti
saua bicicletei pedale ghidon
EXEMPLU Succesiunea CFMP
Functionalitatea si forma sunt aceleasi
Teava de aluminiu
Sudare
Succesiunea CFPM
Functionalitatea si forma sunt aceleasi
Sudare Teava de otel-se sudeaza mai bine
Succesiunea CMPF
Functionalitatea este aceeasi
Ca material se poate alege unul compozit
Sudare lipire
Forma aceeasi sau nu
Succesiunea CPMF
Poate fi aleasa presarea unui material superplastic
Alegerea ca material aluminiul
Forma S asimetrica plata
37
Pe baza functiunilor impuse produsului proiectantul schiteaza o serie de solutii tinand seama
de-materialele ce pot fi folosite-procedeele de fabricatie ce pot fi aplicate-formele potrivite ca functionalitate si design
Fiecare combinatie materialprocedeu de prelucrare conduce la diferite forme
Pot fi generate un numar
diferit de forme
Este o abordare CPMF sau CMPF
38
STRATEGII DE SELECTIE A MATERIALELOR
O strategie de selectie are doua componente
Formularea marimi prin care sa se evaluare un set de cerinte impuse materialului
Un procedeu de evaluare a marimii cerintelor prin care sa
se poata face ierarhizarea acestora in functie de masura in
care acestea sunt indeplinite
Strategiile cauta cai de implementare a procesului si anume de a converti un set de date ldquode intrarerdquo (cerintele proiectarii)
intr-un set de date ldquode iesirerdquo- alegerea materialului si a procedeului de prelucrare
39
Cerintele proiectarii
Materiale si procedee de prelucrare selectate
Strategii de selectie
Date initiale Functie de transfer Date finale
Strategia 1 Cautare libera implicand analiza rationala
Strategia 2 Bazata pe chestionare Este o selectie prin expertiza
Strategia 3 Analogie bazata pe cazuri anterioare
Posibila inovatie
Ofera solutii cunoscute
Ofera solutii similare cu situatia prezenta
Ofera mare libertate de selectie dar putina ghidare in proces
Ofera multa ghidare in proces dar putina libertate de selectie
Ofera idei ale solutiilor anterioare pentru probleme similare
40
SELECTIA LIBERA BAZATA PE ANALIZA RATIONALA
Este rapida si eficienta
Ofera o mare libertate pentru aplicatii
Ofera solutii noi si inovative
Avantaje
Are nevoie de date de intrare precis detaliate intr-o forma ce pot fi analizate prin metode ingineresti
standard
EXEMPLU
Gasiti un material pentru o bara de lungime L care sa
suporte o forta F la temperatura T si sa fie cat mai usoara
Cerinte pentru proiectare
ANALIZA SCHITEIFunctia Ce trebuie sa faca piesaObiective Ce trebuie maximalizat sau minimalizatConstrangeri Ce conditii esentiale trebuie sa fie indepliniteVariabile libere Care variabile ale proiectului sunt libere (cerinte nerigide)
41
Functia Ce trebuie sa faca piesa
Obiective Ce trebuie maximalizat sau minimalizat
Variabile libere Care variabile ale proiectului sunt libere (cerinte nerigide)
De a rezista la momente de incovoiere trebuie sa suporta incarcatura pentru care a fost proiectata fara a se deforma
Constrangeri Ce conditii esentiale trebuie sa fie indeplinite
Lungimea L data Tigiditatea S data Sa reziste si sa nu se deformeze la temperatura T
Trebuie minimalizata greutate
Aria sectiunii Costul
Procesul de selectie a avea 3 pasi
Filtrarea Se folseste de constrangeri pentru inlaturarea materialelor care nu indeplinesc cerintele
IerarhizareaSe folseste de marimea performantelor materialelor ramase in discutie pentru a le ordona
Documentarea
Analizeaza informatiile nestructurate le structureaza si le introduce in structura ierarhizata realizand o fisa cu informatii care ajuta selectia finala a materialului
42
Ierarhizarea se face parcurgand mai multe faze
Identificarea unuia sau a mai multor indici de performanta corespunzatori functiei obiectivului si constrangerilor
Indicele de performanta permite optimizarea selectiei
Pentru identificarea acestor indici se parcurg urmatoarele etape
Transpunerea intr-o relatie a obiectivului (entitatea) ce trebuie minimalizata sau maximalizata
Analiza grupului de proprietati (indicele de performanta) care maximalizeaza obiectivul
Eliminarea din aceasta relatie a variabilelor libere utilizand constrangerile (ex valoarea impusa rigiditatii a incarcarii limita a unui moment a presiunii a temperaturii de lucru sau al tenacitatii
43
EXEMPLU
TEMAGasiti un material pentru o bara de lungime L care sa
suporte o forta F la temperatura T si sa fie cat mai usoara
b
b
Lδ
F
Sageata
Sectiunea
CERINTELE PROIECTARIIFunctia Bara incarcata la incovoiereObiectiv Minimalizarea greutatiiConstrangeri Lungimea L data Rigiditatea S data Temperatura de exploatare T data (500deg)Variabile libere Aria sectiunii A Materialul de selectat
Se alege masa ldquomrdquo ca indice de performanta (trebuie sa fie minimalizat)
Masa barei este
Constrangerea privind rigiditatea va determina aria sectiunii ASageata unei bare simplu rezemata (forta actionand la mijloc) este data de relatia
44
unde E-modulul de elasticitate al materialului barei I-momentul de inertie al sectiunii grinzii
CL-reprezinta o constanta ce depinde de modul de distributie a fortei F (CL=48)
Rigiditatea barei este data de relatia
Din aceasta ultima relatie rezulta aria sectiunii A
Prin substitutia acestei relatii in relatia de determinare a masei grinzii se obtine indicele de performanta m
Valorile S L CL sunt date de proiect
Cea mai usoara bara este acea realizata dintr-un material care are cea mai mare valoare pentru
raport numit si ldquoindice de materialrdquo
Functia Incarcarea ConstrangeriIndici de
performantaRelatia
indicelui
Structuri de masa minima
Tija
BaraStatica
Rigiditate
Tractiune Eρ
Compresiune Eρ
Incovoiere E12ρ
Torsiune E12ρ
Rezistenta
Tractiune σrρ
Compresiune σcρ
Incovoiere σr23ρ
Torsiune σc23ρ
Dinamica
Panou
45
Exista mai multi indici de performanta fiecare realizand o combinatie dintre obiectiv si constrangere
46
47
48
METODE CANTITATIVE DE SELECTIE A MATERIALELOR CANDIDATE
Materialele candidat sunt materialele care satisfac cerintele cuprinse in matricea de cerinte rezultate dinbull Cerintele functionalebull Siguranta in functionarebull Functionarea in conditii ambientale de exploatarebull Cerintele de prelucrabilitatebull Economicitatea piesei
Care din aceste materiale vor fi luate in considerare la realizarea piesei
Evaluarea materialelor candidat
Evaluarea presupune compararea materialelor candidat care indeplinesc cerintele negociabile cu caracteristicile efective ale materialului in vederea selectarii celui optim pentru o aplicatie data
49
Evaluarea materialelor candidat
Este mai simpla pentru metodele cantitative de evaluare
Trebuie sa tina seama de anumite avantaje (usurinta procurarii materialului distanta pana la furnizor seriozitatea furnizarii constanta in calitatea produselor etc) care pot introduce anumite limitari determinand anumite compromisuri
In cele mai multe cazuri metodele cantitative de selectie conduc la materialul optim pentru o aplicatie
Metodele cantitative pot fi reluate odata cu schimbarea importantei relative a cerintelor negociabile
ATENTIE Cerintele nenegociabile trebuie satisfacute in totalitate si intocmai
Daca niciun material nu satisfac cerintele negociabile atunci fie ca acestea trebuie relaxate fie se impune reproiectarea produsului
50
Selectia este o operatie complexa
Numar mare de materiale cu o plaja larga de proprietati
Daca se face intamplator
Apare riscul de a omite anumite materiale candidate
Reducerea riscului prin adoptarea unei metode sistematice de selectie a materialelor
Metodele cantitative
Permitbull analiza unui numar ridicat de datebull a multor specificatii implicate in selectia materialelorbull pot fi adaptate pentru o selectie asistata de calculator
dintr-o baza de date
Metodele nu elimina capacitatea de analiza si experienta ingineruluiAceste metode sprijina inginerul in alegerea optima
51
METODA COSTULUI RAPORTAT LA UNITATEA DE PROPRIETATE
Economicitatea piesei
Costul initial al materialului
Costul prelucrarii si montarii
Costul functionarii si intretinerii
Unele dintre aceste costuri cresc odata cu cresterea
valorii proprietatilor altele scad
Proprietatea (Rm)
Costul piesei
Alte costuri
Costul total
Cos
tul
Cost minim
Odata cu cresterea rezistentei- Prelucrare mai dificila- Greutatea pe piesa scade- Durabilitatea in exploatare
creste si deci numarul de piese in utilizate in timp mai mic
Costul total este suma costului piesei si a celorlalte costuri
52
Valoarea optima a proprietatii (aici Rm) apare la costul minim
In piata costul materialului este legat de greutatea sau volumul (dupa caz) materialului
Se poate stabili o comparatie a materialelor intre proprietatile relative (proprietatea raportata la
greutatea specifica) De exemplu rezistenta rigiditatea modul de elasticitate etc
Criteriul esential este costul raportat la unitatea de rezistenta la tractiune
C=pρσ
C- costul asigurarii unei rezistente de 1 MPap- costul unitatii de proprietate a materialului
ρ- densitatea materialului
σr- rezistenta la tractiune
Cu cat valoarea lui ldquoCrdquo este mai mica cu atat materialul
este mai economic
53
Relatii asemanatoare pot fi obtinute si pentru alte proprietati cum ar fi- limita la curgere- modulul de elastuicitate- factorul de intensitate a tensiunii etc
Costul unitatii de proprietate pentru diferite moduri de solicitare
54
Compararea materialelor privind aceste costuri este esentiala
Se compara materialele intre ele
Este dificilSe ia un material de referinta
Costul relativ pe unitatea de proprietate a materialului candidat ldquoirdquo raportat la costul relativ pe unitatea de proprietate a materialului de referinta ldquobrdquo este dat de relatia
Daca CR este subunitar materialul candidat este mai ieftin decat materialul de referinta
Materialul de referinta este eliminat si materialul candidat se ia ca material de referinta pentru urmatoarea comparatie
Daca CR este supra unitar materialul candidat este mai scump decat materialul de referinta
Materialul de referinta se ia ca material de comparatie pentru urmatoarea analiza
55
METODA PONDERARII PROPRIETATILOR
Este o metoda pentru rezolvarea unor solutii mai comlexe de materiale materiale si proprietati
Fiecarei proprietati a materialului i se acorda o pondere rdquoαrdquo
Ponderea este proportionala cu importanta relativa a proprietatii pentru performanta in exploatare a materialului pentru aplicatia data
Ponderea proprietatii este egala cu produsul dintre valoarea numerica a proprietatii materialului ldquoprdquo si ponderea ei ldquoαrdquo
γ=pα
Insumand toate aceste produse pentru un material se obtine un indice de performanta ldquoPrdquo al materialului
Aceasta metoda ia in considerare toate proprietatile materialului
Comparand mai multe materiale prin indicele de performanta se poate gasi cel mai performant material pentru o aplicatie
56
Dezavantajul acestei metode consta in faptul ca in cazul unei proprietati care are o valoare ridicata aceasta v-a avea o influenta mai mare asupra indicelui de performanta decat ponderea ei
Exemplu Un material A care are Rm=370 MPa si o duritate de 350 HRB si un alt material B care are Rm=400 MPa si o duritate de 300 HRBStabilind ponderea proprietatii de 100 pentru rezistenta si 90 pentru duritate se obtine un indice de performanta de 68500 pentru material ul A si 67000 pentru materialul B
Inseamna ca impotriva importantei rezistentei la tractiune (ca fiind primul criteriu de selectie) si care este mai mare pentru materialul B indicele de performanta al materialului A este mai mare si deci acest material v-a fi selectat
La evaluarea materialelor candidat se va lucra cu valori relative ldquoβrdquo ale unei anumite proprietati celei mai mari valori a proprietatii atribuindu-se valoarea 100 iar celelalte valori relative se determina cu relatia
57
Pentru proprietatile materialelor care nu se exprima in mod obisnuit prin valori numerice (rezistenta la uzare sudabilitatea aschiabilitatea diferite proprietati tehnologice etc) evaluarea se poate face relativ la una dintre proprietati astfel
Astfel fiecarei proprietati I se acorda o importanta egalasi ea va influenta indicii de performanta ai materialelor doar comparate doar in masura ponderii acordate
Pentru proprietati ale caror valori se doreste a fi cat mai mici (densitatea pierderea de greutate prin coroziune etc) evaluarea se face printr-un raport invers
ProprietateaMateriale alternative
A B C D
Sudabilitatea Foarte buna Buna Buna Satisfacatoare
Evaluarea relativa 5 3 3 1
Valoarea scalata 100 60 60 20
58
Exemplu In ceea ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru rezistenta la tractiune a materialului A este de 925 Pentru al doilea material aceasta valoare este de 100 In ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru duritate aceasta este de 100 pentru materialul A si de 857 pentru materialul B
Acest lucru poate schimba situatia ierarhica a materialelor sau le poate apropia atat de mult indicele de performanta incat sa se puna problema luari in considerare si a altor elemente pentru selectie
Astfel indicele de performanta a materialului este dat de relatia
unde P reprezinta indicele de performanta a materialuluildquoirdquo este suma celor ldquonrdquo proprietati considerate a materialul ui
59
Ponderea α poate fi considerata ca αilt1 astfel incat
(cazul cel mai frecvent) sau ei I se poate aloca o plaja de valori valoarea cea mai mare
corespunzand proprietatii cu cea mai mare importanta
Costul materialului poate fi considerat ca o proprietate (chiar importanta) acordandui-se o pondere ldquoαrdquo
In cazul luarii in considerare a unui numar mare de proprietati costul poate fi considerat un factor de corectie al indicelui de performanta a materialului rezultand indicele de merit al acestuia
in care ldquoprdquo reprezinta costul unitatii de greutate a materialului
60
Cand se doreste compararea mai multor materiale candidat (i) cu unul de baza (de referinta) se calculeaza indicele relativ de merit al fiecarui material astfel
Daca RMgt1 respectivul material candidat ldquoirdquo corespunde mai bine cerintelor decat materialul de referinta ldquobrdquoIn cazul in care Mb reprezinta minimul cerintelor impuse Materialele candidat avand RMlt1 pot fi eliminate de la inceput ca fiind necorespunzatoare
Cand trebuie luate in considerare mai multe proprietati ale materialului pentru evaluarea indicelui de performanta este dificila evaluarea ponderii acestora Rezolvarea aceste probleme poate fi realizata printr-o evaluare prin programe numerice
61
METODA CRESTERII INCREMENTALE
In anumite situatii pot aparea mai multe materiale care indeplinesc cerintele minime impuse de o anumita aplicatie
Dupa analiza acestor materiale se poate presupune ca performantele pieselor prelucrate sunt proportionale cu indicii de performanta ldquoPrdquo In acelasi timp costul piesei variaza proportional cu costul materialului si al prelucrarii acestora
Daca se doreste selectarea piesei care are cea mai mare performanta la cea mai rezonabila crestere a costului se poate face o analiza beneficiu-cost Procedeul se ia indeosebi cand se doreste inlocuirea unui material utilizat deja in fabricatie
Materialul cu cel mai scazut cost (1) se ca element de baza si este comparat cu materialul care are costul imediat superior (2) Comparatia se face determinand cresterea indicelui de performanta (ΔP=P2-P1) si a costului ldquoprdquo pe unitatea de volum (Δpρ=p2ρ2-p1ρ1)
Daca ΔPΔpρlt1 materialul 1 corespunde mai bine decat materialul 2 pentru aplicatia data si materialul 2 va fi eliminatDaca ΔPΔpρgt1 materialul 1 va fi eliminat deoarece materialul 2 corespunde mai bine cerintelor aplicatieiSe continua compararea cu al treilea material si rand pe rand vor fi eliminate materialele mai putin corespunzatoare ajungand la materialul optim
62
EXEMPLU DE SELECTIE A MATERIALELOR
Tema Realizarea piesesei din figura dintr-un otel ldquoOL37rdquo intr-o serie mare de fabricatie-Este o piesa cilindrica cu dimensiunile date-Are un butuc-Prezinta o gaura lunga si de diametre mic
oslash200oslash50
150oslash20
Se poate realiza din bara rotunda prin strunjire
Se poate realiza din bara rotunda prin forjare
80
Coeficientul de utilizare a materialului 055
Coeficientul de utilizare a materialului 098
63
Diametrul mm Inaltime mm Volum mm3 Volum mm3Coeficientul de
utilizare a materialului
Semif Pornire 200 150 4710000 4710000
Strunjire
200 80 2512000
2602275 055=5550 35 137375
20 150 47100
Forjare
200 80 25120002649375
098=9850 35 137375
20 150 47100 2602275
Coeficientul de utilizare a materialului K=greutatea piesei finitegreutatea materialului utilizat pentru realizarea lui (a semifabricatului de pornire)
In calcul s-a lucrat cu volumul materialului deoarece G=VρAdaosuriele de prelucrare s-u luat ca fiind egaleApare un mult mai bun grad de utilizare a materialului pentr prelucrarea prin forjare
PIESA SE VA REALIZA PRIN FORJARE
64
1
2
3
5
6
4
9
8
F
107F
1-semimatrita superioara2-semimatrita inferioara3-cavitatea semimatritei sup4-cavitatea semimatritei inf5-canalul de bavura6-canalul de refulare7-prinderea semimatritei sup8-prinderea semimatritei inf9-elemente de ghidare (stifturi)10-planul de separare
TEMA Sa se stabileasca materialul optim pentru realizarea elementelor active ale matrtei de forjare din figura Se urmreste obtinerea piesei prin forjare la cald
CERINTE PENTRU PROIECTARE
Analiza schiteiFunctia Elemete (semimatrite) de matrita de deformare plasticaObiectiv Trebuie maximalizata tenacitatea (rezilienta)Constrangeri Dimensiunile cavitatii matritei (depind de marimea piesei) dimensiunile exterioare si sistemul de prindere (depind de utilaj temperatura de lucruVariabile libere material
65
Se cauta in sursele de informatii structurate si nestructurate materialele care respecta cerintele
Elemente de matrita
Rezistente la cald
Tenacitate Duritate
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Materialele potrivite sunt metalele si aliajele lor
-Materialele ceramice nu au tenacitate-Materialele polimerice nu au rezistenta la cald-Materialele compozite sunt scumpe si nu au tenacitate
Depinde de compozitia lor
Se cauta materiale cu destinatie precisa Materiale pentru scule de deformare
66
Din baza de date se constata ca urmatoarele materiale satisfac
cerintele rigide adica sa poata fi utilizate la prelucrarea la cald
Sunt materiale cu destinatie precisaDaca nu sunt materiale cu destinatie
precisa se cauta in grupa materialelor cu destinatie generala
Material Rm min MPa HV A5 KCU Jcm3
C120 890 265 8 60
VMoC120 870 265 8 68
VC06 870 230 6 68
VCW85 870 265 6 80
MoCN15 830 250 7 75
VMoCN17 870 265 7 73
VSCW20 790 235 5 78
OSC7 640 195 12 56
OSC8 640 195 10 58
67
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU Jcm3 βKCU Indicele de
performanta PC120 890 265 8 60 101450
VMoC120 870 265 8 68 100650
VC06 870 230 6 68 97400
VCW85 870 265 6 80 101750
MoCN15 830 250 7 75 96750
VMoCN17 870 265 7 73 101100
VSCW20 790 235 5 78 92400
OSC7 640 195 12 56 74950
OSC8 640 195 10 58 75050Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza peoprietatii
68
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU
Jcm3 βKCU Indicele de performanta P
C120 890 100 265 10000 8 6667 60 75 25017000
VMoC120 870 9775 265 10000 8 6667 68 85 2835015356
VC06 870 9775 230 8679 6 5000 68 85 2126563155
VCW85 870 9775 265 10000 6 5000 80 100 2501682022
MoCN15 830 9326 250 9434 7 5833 75 9375 2735970124
VMoCN17 870 9775 265 10000 7 5833 73 9125 2663140356
VSCW20 790 8876 235 8868 5 4167 78 975 2032758226
OSC7 640 7191 195 7358 12 10000 56 70 3501237545
OSC8 640 7191 195 7358 10 8333 58 725 3022070878Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza proprietatii relative
69
Material Indicele de performanta P
VSCW20 2032758226
VC06 2126563155
VCW85 2501682022
C120 25017000
VMoCN17 2663140356
MoCN15 2735970124
VMoC120 2835015356
OSC8 3022070878
OSC7 3501237545
Material Indicele de performanta P
OSC7 74950
OSC8 75050
VSCW20 92400
MoCN15 96750
VC06 97400
VMoC120 100650
VMoCN17 101100
C120 101450
VCW85 101750
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile proprietatii materialului
ordonate crescator
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile relative ale proprietatii materialului ordonate crescator
70
Luand in considerare ca unele materiale sunt aliate cu siguranta acestea sunt mai scumpe
Daca luam in considerare costul unitar pentru otelurile carbon de scule iar densitatea de 785 (corespunzatoare fierului) se obtine indicele de merit
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
OSC7 74950 1 95477707 114
OSC8 75050 1 956050955 114
VSCW20 92400 14 840764331 100
MoCN15 96750 14 880345769 105
VC06 97400 12 103397028 123
VMoC120 100650 13 986281235 117
VMoCN17 101100 14 919927207 109
C120 101450 15 861571125 102
VCW85 101750 14 925841674 110
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea proprietatii materialului
71
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
VSCW20 2032758226 14 184964352 100
VC06 2126563155 12 225749804 122
VCW85 2501682022 14 227632577 123
C120 25017000 15 212458599 115
VMoCN17 2663140356 14 242323963 131
MoCN15 2735970124 14 248950876 135
VMoC120 2835015356 13 277806502 150
OSC8 3022070878 1 384977182 208
OSC7 3501237545 1 446017522 241
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea relativa a proprietatii materialului
72
Selectati materialele potrivite pentru piesele din imagine
Randul I 1 Serie mare de fabricatie-6p Randul II Serie mica (unicat) de fabricatie-6p
Randul I 2 Criterii de selectie a materialelor-1p3 Etapele selectiei materialelor ndash 1p4 Economicitatea piesei ndash 1p5 Strategii de selectie a materialelor ndash 1p
Randul II 2 Tipuri de date utilizate la selectia materialelor-1p3 Cum se face minimalizarea costurilor-1p4 Perofmantele piesei in functionare ndash 1p5 Care sunt cerintele fata de material ndash 1p
SUBIECTE EXAMEN
73
Date privind principalele proprietati tehnologice ale unor materiale
Material
Valorile proprietatii
Aschiabilitate Turnabilitate Sudabilitate Cost
F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba $tona
Otel de constructii (OL) X X X 140
Otel carbon de calitate (OLC) X X X
260
Fonte obisnuite (Fc) X X X 160
Punctaje 60 30 10 60 30 10 60 30 10
Avand in vedere ca pretul creste odata cu rezistenta la tractiune calculati costul fiecarui material prin inmultirea costului de baza cu valoarea proprietatii si impartiti la 100
74
Materiale ce pot fi luate in considerare spre analiza
Material Rm HV A Material Rm HV A Material Rm HV A
OL30 310 95 32 OLC8 324 140 33 Fc100 100 105 2
OL32 310 93 33 OLC10 321 150 31 Fc150 150 145 3
OL34 330 105 31 OLC15 373 155 27 Fc200 200 180 4
OL37 360 112 25 OLC20 410 165 25 Fc250 250 190 4
OL42 410 130 22 OLC25 450 175 24 Fc300 300 210 5
OL44 430 135 22 OLC30 490 180 21 Fc350 350 220 6
OL50 500 160 21 OLC35 530 195 21 Fc400 400 240 6
OL52 510 160 21 OLC40 570 200 19
OL60 590 185 16 OLC45 610 220 18
OL70 690 215 11 OLC50 640 230 16
OLC55 670 240 14
OLC60 700 255 14
Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50
Proprietatea tehnilogica intra cu o pondere de 100
VA UREZ SUCCES
31
Comportarea materialului in produsul finit este sensibil diferita de cea a semifabricatului din care a fost obtinut
Comportarea materialului in piesa
(C)
Proprietatile materialului (M)
Influenta procedeului de prelucrare (P)
Forma piesei si fortele exterioare la care este
supusa (F)
Arata influenta directa a proprietatilor
semifabricatului a procedeului de prelucrare
a formei geometrice si a actiunii fortelor exterioare
asupra comportarii materialelor in piesa finita
Influenteaza direct comportarea
materialului in piesa
Este foarte important a se apela la criterii de proiectare adecvata
32
Influenta procedeului de prelucrare (P)
Prezenta muchiilor ascutite si a filetelor
Rugozitatea suprafetei
Afecteaza intr-o masura mai mare comportarea otelurilor de inalta rezistenta
decat a celor moi
Afecteaza intr-o masura mai mare comportarea materialelor la solicitari
variabile (oboseala) decat la solicitari statice
Interesul se focalizeaza preponderent pe performanta piesei in functionare si mai putin pe comportarea materialului in piesa
Comportarea materialului in piesa (proprietatile piesei)
Performantele piesei in functionare
Comportarea materialului in functionareConditiile de functionare
Factori care influenteaza
performantele piesei in functionare
33
CLASIFICAREA CERINTELOR IMPUSE MATERIALELOR
Cerintele impuse materialelor
Cerinte ldquorigiderdquo sau nenegociabile
Cerinte ldquonerigiderdquo ldquorelativerdquo sau
negociabile
Sunt cerintele care trebuie satisfacute obligatoriu de
material pentru a fi luate in considerare la selectie
bull Disponibilitatebull Prelucrabilitatebull Caracteristici minime
In anumite limite sunt supuse compromisului Pot fi comparate dpdv al importantei lor relative pentru o
aplicatie data in cadrul metodelor cantitative de selectie a materialelor
bull Proprietati mecanicebull Densitatebull Costul
In functie de tipul aplicatiei aceste cerinte isi pot schimba caracterul (din ldquonegociabilerdquo in ldquonenegociabile
Modificarea clasei de material selectate in final
34
EXEMPLE
Butelie de aragaz
Rezistenta Ductilitate Cost
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Rezistenta Ductilitate ρmic
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Butelii pentru gaze utilizate in aviatie
Costul este nenegociabil Oteluri pentru recipienti sub
presiune la temperaturi joase ndash R37 R44
Greutate cat mai mica (considerata nenegociabila) Materiale compozite (Kevlar 49-matrice epoxidica armata
cu fibre de poliamida)
35
MODALITATI DE ABORDARE A SELECTIEI MATERIALELOR SI PROCEDEELOR DE PRELUCRARE
Aparitia unor materiale noi si a competitiei intre materiale
Abordari noi in selectia materialelor si a procedeelor de prelucrare
Materialele plastice folosite la obtinerea pieselor complexe si de buna calitate inalta tehnologie
Materialele compozite au condus la reducerea substantiala a
greutatii produsului
Materiale sinterizate utilizate la obtinerea pieselor fara pierderi de material si consum de enetgie
scazut
Ingineria suprafetelor ofera posibilitati de modificare a
suprafetelor si coferirea unor proprietati deosebite
Cu toate aceste proiectantii se limiteaza la selectia
materialelor si procedeelor de prelucrare cunoscute mai bine
- Evitarea riscurilor- Nu este cunoscuta existenta unor noi materiale- Nu sunt cunoscute noile tehnologii de fabricatie etc
Proiectarea industriala trebuie asociata cu design-ul realizarea unei forme estetice obtinerea unui aspect exterior
placut
Design-ul industrial include mai mult decat o stilizare
Alegerea materialului permite un anumit design sau altul
36
La selectarea functiunii produsului (comportarea lui in exploatare-C) a materialelor (M) a
procedeelor de prelucrare (P) a formei (F) trebuie sa se tina seama ca acestea se intrepatrund (trebuie
sa tin seama in acelasi timp de ele)
Dificil Pot fi urmate diferite
succesiuni
Succesiunea CFMP prezinta urmatoarea
ordine de luare in considerare
-functionalitatea produsului (C)-forma piesei-materialul piesei-procedeul de prelucrare
Pot exista diferite succesiuni
Conduce la solutii diferite
Cadrul face conexiunea intre roti
saua bicicletei pedale ghidon
EXEMPLU Succesiunea CFMP
Functionalitatea si forma sunt aceleasi
Teava de aluminiu
Sudare
Succesiunea CFPM
Functionalitatea si forma sunt aceleasi
Sudare Teava de otel-se sudeaza mai bine
Succesiunea CMPF
Functionalitatea este aceeasi
Ca material se poate alege unul compozit
Sudare lipire
Forma aceeasi sau nu
Succesiunea CPMF
Poate fi aleasa presarea unui material superplastic
Alegerea ca material aluminiul
Forma S asimetrica plata
37
Pe baza functiunilor impuse produsului proiectantul schiteaza o serie de solutii tinand seama
de-materialele ce pot fi folosite-procedeele de fabricatie ce pot fi aplicate-formele potrivite ca functionalitate si design
Fiecare combinatie materialprocedeu de prelucrare conduce la diferite forme
Pot fi generate un numar
diferit de forme
Este o abordare CPMF sau CMPF
38
STRATEGII DE SELECTIE A MATERIALELOR
O strategie de selectie are doua componente
Formularea marimi prin care sa se evaluare un set de cerinte impuse materialului
Un procedeu de evaluare a marimii cerintelor prin care sa
se poata face ierarhizarea acestora in functie de masura in
care acestea sunt indeplinite
Strategiile cauta cai de implementare a procesului si anume de a converti un set de date ldquode intrarerdquo (cerintele proiectarii)
intr-un set de date ldquode iesirerdquo- alegerea materialului si a procedeului de prelucrare
39
Cerintele proiectarii
Materiale si procedee de prelucrare selectate
Strategii de selectie
Date initiale Functie de transfer Date finale
Strategia 1 Cautare libera implicand analiza rationala
Strategia 2 Bazata pe chestionare Este o selectie prin expertiza
Strategia 3 Analogie bazata pe cazuri anterioare
Posibila inovatie
Ofera solutii cunoscute
Ofera solutii similare cu situatia prezenta
Ofera mare libertate de selectie dar putina ghidare in proces
Ofera multa ghidare in proces dar putina libertate de selectie
Ofera idei ale solutiilor anterioare pentru probleme similare
40
SELECTIA LIBERA BAZATA PE ANALIZA RATIONALA
Este rapida si eficienta
Ofera o mare libertate pentru aplicatii
Ofera solutii noi si inovative
Avantaje
Are nevoie de date de intrare precis detaliate intr-o forma ce pot fi analizate prin metode ingineresti
standard
EXEMPLU
Gasiti un material pentru o bara de lungime L care sa
suporte o forta F la temperatura T si sa fie cat mai usoara
Cerinte pentru proiectare
ANALIZA SCHITEIFunctia Ce trebuie sa faca piesaObiective Ce trebuie maximalizat sau minimalizatConstrangeri Ce conditii esentiale trebuie sa fie indepliniteVariabile libere Care variabile ale proiectului sunt libere (cerinte nerigide)
41
Functia Ce trebuie sa faca piesa
Obiective Ce trebuie maximalizat sau minimalizat
Variabile libere Care variabile ale proiectului sunt libere (cerinte nerigide)
De a rezista la momente de incovoiere trebuie sa suporta incarcatura pentru care a fost proiectata fara a se deforma
Constrangeri Ce conditii esentiale trebuie sa fie indeplinite
Lungimea L data Tigiditatea S data Sa reziste si sa nu se deformeze la temperatura T
Trebuie minimalizata greutate
Aria sectiunii Costul
Procesul de selectie a avea 3 pasi
Filtrarea Se folseste de constrangeri pentru inlaturarea materialelor care nu indeplinesc cerintele
IerarhizareaSe folseste de marimea performantelor materialelor ramase in discutie pentru a le ordona
Documentarea
Analizeaza informatiile nestructurate le structureaza si le introduce in structura ierarhizata realizand o fisa cu informatii care ajuta selectia finala a materialului
42
Ierarhizarea se face parcurgand mai multe faze
Identificarea unuia sau a mai multor indici de performanta corespunzatori functiei obiectivului si constrangerilor
Indicele de performanta permite optimizarea selectiei
Pentru identificarea acestor indici se parcurg urmatoarele etape
Transpunerea intr-o relatie a obiectivului (entitatea) ce trebuie minimalizata sau maximalizata
Analiza grupului de proprietati (indicele de performanta) care maximalizeaza obiectivul
Eliminarea din aceasta relatie a variabilelor libere utilizand constrangerile (ex valoarea impusa rigiditatii a incarcarii limita a unui moment a presiunii a temperaturii de lucru sau al tenacitatii
43
EXEMPLU
TEMAGasiti un material pentru o bara de lungime L care sa
suporte o forta F la temperatura T si sa fie cat mai usoara
b
b
Lδ
F
Sageata
Sectiunea
CERINTELE PROIECTARIIFunctia Bara incarcata la incovoiereObiectiv Minimalizarea greutatiiConstrangeri Lungimea L data Rigiditatea S data Temperatura de exploatare T data (500deg)Variabile libere Aria sectiunii A Materialul de selectat
Se alege masa ldquomrdquo ca indice de performanta (trebuie sa fie minimalizat)
Masa barei este
Constrangerea privind rigiditatea va determina aria sectiunii ASageata unei bare simplu rezemata (forta actionand la mijloc) este data de relatia
44
unde E-modulul de elasticitate al materialului barei I-momentul de inertie al sectiunii grinzii
CL-reprezinta o constanta ce depinde de modul de distributie a fortei F (CL=48)
Rigiditatea barei este data de relatia
Din aceasta ultima relatie rezulta aria sectiunii A
Prin substitutia acestei relatii in relatia de determinare a masei grinzii se obtine indicele de performanta m
Valorile S L CL sunt date de proiect
Cea mai usoara bara este acea realizata dintr-un material care are cea mai mare valoare pentru
raport numit si ldquoindice de materialrdquo
Functia Incarcarea ConstrangeriIndici de
performantaRelatia
indicelui
Structuri de masa minima
Tija
BaraStatica
Rigiditate
Tractiune Eρ
Compresiune Eρ
Incovoiere E12ρ
Torsiune E12ρ
Rezistenta
Tractiune σrρ
Compresiune σcρ
Incovoiere σr23ρ
Torsiune σc23ρ
Dinamica
Panou
45
Exista mai multi indici de performanta fiecare realizand o combinatie dintre obiectiv si constrangere
46
47
48
METODE CANTITATIVE DE SELECTIE A MATERIALELOR CANDIDATE
Materialele candidat sunt materialele care satisfac cerintele cuprinse in matricea de cerinte rezultate dinbull Cerintele functionalebull Siguranta in functionarebull Functionarea in conditii ambientale de exploatarebull Cerintele de prelucrabilitatebull Economicitatea piesei
Care din aceste materiale vor fi luate in considerare la realizarea piesei
Evaluarea materialelor candidat
Evaluarea presupune compararea materialelor candidat care indeplinesc cerintele negociabile cu caracteristicile efective ale materialului in vederea selectarii celui optim pentru o aplicatie data
49
Evaluarea materialelor candidat
Este mai simpla pentru metodele cantitative de evaluare
Trebuie sa tina seama de anumite avantaje (usurinta procurarii materialului distanta pana la furnizor seriozitatea furnizarii constanta in calitatea produselor etc) care pot introduce anumite limitari determinand anumite compromisuri
In cele mai multe cazuri metodele cantitative de selectie conduc la materialul optim pentru o aplicatie
Metodele cantitative pot fi reluate odata cu schimbarea importantei relative a cerintelor negociabile
ATENTIE Cerintele nenegociabile trebuie satisfacute in totalitate si intocmai
Daca niciun material nu satisfac cerintele negociabile atunci fie ca acestea trebuie relaxate fie se impune reproiectarea produsului
50
Selectia este o operatie complexa
Numar mare de materiale cu o plaja larga de proprietati
Daca se face intamplator
Apare riscul de a omite anumite materiale candidate
Reducerea riscului prin adoptarea unei metode sistematice de selectie a materialelor
Metodele cantitative
Permitbull analiza unui numar ridicat de datebull a multor specificatii implicate in selectia materialelorbull pot fi adaptate pentru o selectie asistata de calculator
dintr-o baza de date
Metodele nu elimina capacitatea de analiza si experienta ingineruluiAceste metode sprijina inginerul in alegerea optima
51
METODA COSTULUI RAPORTAT LA UNITATEA DE PROPRIETATE
Economicitatea piesei
Costul initial al materialului
Costul prelucrarii si montarii
Costul functionarii si intretinerii
Unele dintre aceste costuri cresc odata cu cresterea
valorii proprietatilor altele scad
Proprietatea (Rm)
Costul piesei
Alte costuri
Costul total
Cos
tul
Cost minim
Odata cu cresterea rezistentei- Prelucrare mai dificila- Greutatea pe piesa scade- Durabilitatea in exploatare
creste si deci numarul de piese in utilizate in timp mai mic
Costul total este suma costului piesei si a celorlalte costuri
52
Valoarea optima a proprietatii (aici Rm) apare la costul minim
In piata costul materialului este legat de greutatea sau volumul (dupa caz) materialului
Se poate stabili o comparatie a materialelor intre proprietatile relative (proprietatea raportata la
greutatea specifica) De exemplu rezistenta rigiditatea modul de elasticitate etc
Criteriul esential este costul raportat la unitatea de rezistenta la tractiune
C=pρσ
C- costul asigurarii unei rezistente de 1 MPap- costul unitatii de proprietate a materialului
ρ- densitatea materialului
σr- rezistenta la tractiune
Cu cat valoarea lui ldquoCrdquo este mai mica cu atat materialul
este mai economic
53
Relatii asemanatoare pot fi obtinute si pentru alte proprietati cum ar fi- limita la curgere- modulul de elastuicitate- factorul de intensitate a tensiunii etc
Costul unitatii de proprietate pentru diferite moduri de solicitare
54
Compararea materialelor privind aceste costuri este esentiala
Se compara materialele intre ele
Este dificilSe ia un material de referinta
Costul relativ pe unitatea de proprietate a materialului candidat ldquoirdquo raportat la costul relativ pe unitatea de proprietate a materialului de referinta ldquobrdquo este dat de relatia
Daca CR este subunitar materialul candidat este mai ieftin decat materialul de referinta
Materialul de referinta este eliminat si materialul candidat se ia ca material de referinta pentru urmatoarea comparatie
Daca CR este supra unitar materialul candidat este mai scump decat materialul de referinta
Materialul de referinta se ia ca material de comparatie pentru urmatoarea analiza
55
METODA PONDERARII PROPRIETATILOR
Este o metoda pentru rezolvarea unor solutii mai comlexe de materiale materiale si proprietati
Fiecarei proprietati a materialului i se acorda o pondere rdquoαrdquo
Ponderea este proportionala cu importanta relativa a proprietatii pentru performanta in exploatare a materialului pentru aplicatia data
Ponderea proprietatii este egala cu produsul dintre valoarea numerica a proprietatii materialului ldquoprdquo si ponderea ei ldquoαrdquo
γ=pα
Insumand toate aceste produse pentru un material se obtine un indice de performanta ldquoPrdquo al materialului
Aceasta metoda ia in considerare toate proprietatile materialului
Comparand mai multe materiale prin indicele de performanta se poate gasi cel mai performant material pentru o aplicatie
56
Dezavantajul acestei metode consta in faptul ca in cazul unei proprietati care are o valoare ridicata aceasta v-a avea o influenta mai mare asupra indicelui de performanta decat ponderea ei
Exemplu Un material A care are Rm=370 MPa si o duritate de 350 HRB si un alt material B care are Rm=400 MPa si o duritate de 300 HRBStabilind ponderea proprietatii de 100 pentru rezistenta si 90 pentru duritate se obtine un indice de performanta de 68500 pentru material ul A si 67000 pentru materialul B
Inseamna ca impotriva importantei rezistentei la tractiune (ca fiind primul criteriu de selectie) si care este mai mare pentru materialul B indicele de performanta al materialului A este mai mare si deci acest material v-a fi selectat
La evaluarea materialelor candidat se va lucra cu valori relative ldquoβrdquo ale unei anumite proprietati celei mai mari valori a proprietatii atribuindu-se valoarea 100 iar celelalte valori relative se determina cu relatia
57
Pentru proprietatile materialelor care nu se exprima in mod obisnuit prin valori numerice (rezistenta la uzare sudabilitatea aschiabilitatea diferite proprietati tehnologice etc) evaluarea se poate face relativ la una dintre proprietati astfel
Astfel fiecarei proprietati I se acorda o importanta egalasi ea va influenta indicii de performanta ai materialelor doar comparate doar in masura ponderii acordate
Pentru proprietati ale caror valori se doreste a fi cat mai mici (densitatea pierderea de greutate prin coroziune etc) evaluarea se face printr-un raport invers
ProprietateaMateriale alternative
A B C D
Sudabilitatea Foarte buna Buna Buna Satisfacatoare
Evaluarea relativa 5 3 3 1
Valoarea scalata 100 60 60 20
58
Exemplu In ceea ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru rezistenta la tractiune a materialului A este de 925 Pentru al doilea material aceasta valoare este de 100 In ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru duritate aceasta este de 100 pentru materialul A si de 857 pentru materialul B
Acest lucru poate schimba situatia ierarhica a materialelor sau le poate apropia atat de mult indicele de performanta incat sa se puna problema luari in considerare si a altor elemente pentru selectie
Astfel indicele de performanta a materialului este dat de relatia
unde P reprezinta indicele de performanta a materialuluildquoirdquo este suma celor ldquonrdquo proprietati considerate a materialul ui
59
Ponderea α poate fi considerata ca αilt1 astfel incat
(cazul cel mai frecvent) sau ei I se poate aloca o plaja de valori valoarea cea mai mare
corespunzand proprietatii cu cea mai mare importanta
Costul materialului poate fi considerat ca o proprietate (chiar importanta) acordandui-se o pondere ldquoαrdquo
In cazul luarii in considerare a unui numar mare de proprietati costul poate fi considerat un factor de corectie al indicelui de performanta a materialului rezultand indicele de merit al acestuia
in care ldquoprdquo reprezinta costul unitatii de greutate a materialului
60
Cand se doreste compararea mai multor materiale candidat (i) cu unul de baza (de referinta) se calculeaza indicele relativ de merit al fiecarui material astfel
Daca RMgt1 respectivul material candidat ldquoirdquo corespunde mai bine cerintelor decat materialul de referinta ldquobrdquoIn cazul in care Mb reprezinta minimul cerintelor impuse Materialele candidat avand RMlt1 pot fi eliminate de la inceput ca fiind necorespunzatoare
Cand trebuie luate in considerare mai multe proprietati ale materialului pentru evaluarea indicelui de performanta este dificila evaluarea ponderii acestora Rezolvarea aceste probleme poate fi realizata printr-o evaluare prin programe numerice
61
METODA CRESTERII INCREMENTALE
In anumite situatii pot aparea mai multe materiale care indeplinesc cerintele minime impuse de o anumita aplicatie
Dupa analiza acestor materiale se poate presupune ca performantele pieselor prelucrate sunt proportionale cu indicii de performanta ldquoPrdquo In acelasi timp costul piesei variaza proportional cu costul materialului si al prelucrarii acestora
Daca se doreste selectarea piesei care are cea mai mare performanta la cea mai rezonabila crestere a costului se poate face o analiza beneficiu-cost Procedeul se ia indeosebi cand se doreste inlocuirea unui material utilizat deja in fabricatie
Materialul cu cel mai scazut cost (1) se ca element de baza si este comparat cu materialul care are costul imediat superior (2) Comparatia se face determinand cresterea indicelui de performanta (ΔP=P2-P1) si a costului ldquoprdquo pe unitatea de volum (Δpρ=p2ρ2-p1ρ1)
Daca ΔPΔpρlt1 materialul 1 corespunde mai bine decat materialul 2 pentru aplicatia data si materialul 2 va fi eliminatDaca ΔPΔpρgt1 materialul 1 va fi eliminat deoarece materialul 2 corespunde mai bine cerintelor aplicatieiSe continua compararea cu al treilea material si rand pe rand vor fi eliminate materialele mai putin corespunzatoare ajungand la materialul optim
62
EXEMPLU DE SELECTIE A MATERIALELOR
Tema Realizarea piesesei din figura dintr-un otel ldquoOL37rdquo intr-o serie mare de fabricatie-Este o piesa cilindrica cu dimensiunile date-Are un butuc-Prezinta o gaura lunga si de diametre mic
oslash200oslash50
150oslash20
Se poate realiza din bara rotunda prin strunjire
Se poate realiza din bara rotunda prin forjare
80
Coeficientul de utilizare a materialului 055
Coeficientul de utilizare a materialului 098
63
Diametrul mm Inaltime mm Volum mm3 Volum mm3Coeficientul de
utilizare a materialului
Semif Pornire 200 150 4710000 4710000
Strunjire
200 80 2512000
2602275 055=5550 35 137375
20 150 47100
Forjare
200 80 25120002649375
098=9850 35 137375
20 150 47100 2602275
Coeficientul de utilizare a materialului K=greutatea piesei finitegreutatea materialului utilizat pentru realizarea lui (a semifabricatului de pornire)
In calcul s-a lucrat cu volumul materialului deoarece G=VρAdaosuriele de prelucrare s-u luat ca fiind egaleApare un mult mai bun grad de utilizare a materialului pentr prelucrarea prin forjare
PIESA SE VA REALIZA PRIN FORJARE
64
1
2
3
5
6
4
9
8
F
107F
1-semimatrita superioara2-semimatrita inferioara3-cavitatea semimatritei sup4-cavitatea semimatritei inf5-canalul de bavura6-canalul de refulare7-prinderea semimatritei sup8-prinderea semimatritei inf9-elemente de ghidare (stifturi)10-planul de separare
TEMA Sa se stabileasca materialul optim pentru realizarea elementelor active ale matrtei de forjare din figura Se urmreste obtinerea piesei prin forjare la cald
CERINTE PENTRU PROIECTARE
Analiza schiteiFunctia Elemete (semimatrite) de matrita de deformare plasticaObiectiv Trebuie maximalizata tenacitatea (rezilienta)Constrangeri Dimensiunile cavitatii matritei (depind de marimea piesei) dimensiunile exterioare si sistemul de prindere (depind de utilaj temperatura de lucruVariabile libere material
65
Se cauta in sursele de informatii structurate si nestructurate materialele care respecta cerintele
Elemente de matrita
Rezistente la cald
Tenacitate Duritate
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Materialele potrivite sunt metalele si aliajele lor
-Materialele ceramice nu au tenacitate-Materialele polimerice nu au rezistenta la cald-Materialele compozite sunt scumpe si nu au tenacitate
Depinde de compozitia lor
Se cauta materiale cu destinatie precisa Materiale pentru scule de deformare
66
Din baza de date se constata ca urmatoarele materiale satisfac
cerintele rigide adica sa poata fi utilizate la prelucrarea la cald
Sunt materiale cu destinatie precisaDaca nu sunt materiale cu destinatie
precisa se cauta in grupa materialelor cu destinatie generala
Material Rm min MPa HV A5 KCU Jcm3
C120 890 265 8 60
VMoC120 870 265 8 68
VC06 870 230 6 68
VCW85 870 265 6 80
MoCN15 830 250 7 75
VMoCN17 870 265 7 73
VSCW20 790 235 5 78
OSC7 640 195 12 56
OSC8 640 195 10 58
67
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU Jcm3 βKCU Indicele de
performanta PC120 890 265 8 60 101450
VMoC120 870 265 8 68 100650
VC06 870 230 6 68 97400
VCW85 870 265 6 80 101750
MoCN15 830 250 7 75 96750
VMoCN17 870 265 7 73 101100
VSCW20 790 235 5 78 92400
OSC7 640 195 12 56 74950
OSC8 640 195 10 58 75050Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza peoprietatii
68
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU
Jcm3 βKCU Indicele de performanta P
C120 890 100 265 10000 8 6667 60 75 25017000
VMoC120 870 9775 265 10000 8 6667 68 85 2835015356
VC06 870 9775 230 8679 6 5000 68 85 2126563155
VCW85 870 9775 265 10000 6 5000 80 100 2501682022
MoCN15 830 9326 250 9434 7 5833 75 9375 2735970124
VMoCN17 870 9775 265 10000 7 5833 73 9125 2663140356
VSCW20 790 8876 235 8868 5 4167 78 975 2032758226
OSC7 640 7191 195 7358 12 10000 56 70 3501237545
OSC8 640 7191 195 7358 10 8333 58 725 3022070878Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza proprietatii relative
69
Material Indicele de performanta P
VSCW20 2032758226
VC06 2126563155
VCW85 2501682022
C120 25017000
VMoCN17 2663140356
MoCN15 2735970124
VMoC120 2835015356
OSC8 3022070878
OSC7 3501237545
Material Indicele de performanta P
OSC7 74950
OSC8 75050
VSCW20 92400
MoCN15 96750
VC06 97400
VMoC120 100650
VMoCN17 101100
C120 101450
VCW85 101750
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile proprietatii materialului
ordonate crescator
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile relative ale proprietatii materialului ordonate crescator
70
Luand in considerare ca unele materiale sunt aliate cu siguranta acestea sunt mai scumpe
Daca luam in considerare costul unitar pentru otelurile carbon de scule iar densitatea de 785 (corespunzatoare fierului) se obtine indicele de merit
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
OSC7 74950 1 95477707 114
OSC8 75050 1 956050955 114
VSCW20 92400 14 840764331 100
MoCN15 96750 14 880345769 105
VC06 97400 12 103397028 123
VMoC120 100650 13 986281235 117
VMoCN17 101100 14 919927207 109
C120 101450 15 861571125 102
VCW85 101750 14 925841674 110
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea proprietatii materialului
71
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
VSCW20 2032758226 14 184964352 100
VC06 2126563155 12 225749804 122
VCW85 2501682022 14 227632577 123
C120 25017000 15 212458599 115
VMoCN17 2663140356 14 242323963 131
MoCN15 2735970124 14 248950876 135
VMoC120 2835015356 13 277806502 150
OSC8 3022070878 1 384977182 208
OSC7 3501237545 1 446017522 241
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea relativa a proprietatii materialului
72
Selectati materialele potrivite pentru piesele din imagine
Randul I 1 Serie mare de fabricatie-6p Randul II Serie mica (unicat) de fabricatie-6p
Randul I 2 Criterii de selectie a materialelor-1p3 Etapele selectiei materialelor ndash 1p4 Economicitatea piesei ndash 1p5 Strategii de selectie a materialelor ndash 1p
Randul II 2 Tipuri de date utilizate la selectia materialelor-1p3 Cum se face minimalizarea costurilor-1p4 Perofmantele piesei in functionare ndash 1p5 Care sunt cerintele fata de material ndash 1p
SUBIECTE EXAMEN
73
Date privind principalele proprietati tehnologice ale unor materiale
Material
Valorile proprietatii
Aschiabilitate Turnabilitate Sudabilitate Cost
F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba $tona
Otel de constructii (OL) X X X 140
Otel carbon de calitate (OLC) X X X
260
Fonte obisnuite (Fc) X X X 160
Punctaje 60 30 10 60 30 10 60 30 10
Avand in vedere ca pretul creste odata cu rezistenta la tractiune calculati costul fiecarui material prin inmultirea costului de baza cu valoarea proprietatii si impartiti la 100
74
Materiale ce pot fi luate in considerare spre analiza
Material Rm HV A Material Rm HV A Material Rm HV A
OL30 310 95 32 OLC8 324 140 33 Fc100 100 105 2
OL32 310 93 33 OLC10 321 150 31 Fc150 150 145 3
OL34 330 105 31 OLC15 373 155 27 Fc200 200 180 4
OL37 360 112 25 OLC20 410 165 25 Fc250 250 190 4
OL42 410 130 22 OLC25 450 175 24 Fc300 300 210 5
OL44 430 135 22 OLC30 490 180 21 Fc350 350 220 6
OL50 500 160 21 OLC35 530 195 21 Fc400 400 240 6
OL52 510 160 21 OLC40 570 200 19
OL60 590 185 16 OLC45 610 220 18
OL70 690 215 11 OLC50 640 230 16
OLC55 670 240 14
OLC60 700 255 14
Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50
Proprietatea tehnilogica intra cu o pondere de 100
VA UREZ SUCCES
32
Influenta procedeului de prelucrare (P)
Prezenta muchiilor ascutite si a filetelor
Rugozitatea suprafetei
Afecteaza intr-o masura mai mare comportarea otelurilor de inalta rezistenta
decat a celor moi
Afecteaza intr-o masura mai mare comportarea materialelor la solicitari
variabile (oboseala) decat la solicitari statice
Interesul se focalizeaza preponderent pe performanta piesei in functionare si mai putin pe comportarea materialului in piesa
Comportarea materialului in piesa (proprietatile piesei)
Performantele piesei in functionare
Comportarea materialului in functionareConditiile de functionare
Factori care influenteaza
performantele piesei in functionare
33
CLASIFICAREA CERINTELOR IMPUSE MATERIALELOR
Cerintele impuse materialelor
Cerinte ldquorigiderdquo sau nenegociabile
Cerinte ldquonerigiderdquo ldquorelativerdquo sau
negociabile
Sunt cerintele care trebuie satisfacute obligatoriu de
material pentru a fi luate in considerare la selectie
bull Disponibilitatebull Prelucrabilitatebull Caracteristici minime
In anumite limite sunt supuse compromisului Pot fi comparate dpdv al importantei lor relative pentru o
aplicatie data in cadrul metodelor cantitative de selectie a materialelor
bull Proprietati mecanicebull Densitatebull Costul
In functie de tipul aplicatiei aceste cerinte isi pot schimba caracterul (din ldquonegociabilerdquo in ldquonenegociabile
Modificarea clasei de material selectate in final
34
EXEMPLE
Butelie de aragaz
Rezistenta Ductilitate Cost
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Rezistenta Ductilitate ρmic
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Butelii pentru gaze utilizate in aviatie
Costul este nenegociabil Oteluri pentru recipienti sub
presiune la temperaturi joase ndash R37 R44
Greutate cat mai mica (considerata nenegociabila) Materiale compozite (Kevlar 49-matrice epoxidica armata
cu fibre de poliamida)
35
MODALITATI DE ABORDARE A SELECTIEI MATERIALELOR SI PROCEDEELOR DE PRELUCRARE
Aparitia unor materiale noi si a competitiei intre materiale
Abordari noi in selectia materialelor si a procedeelor de prelucrare
Materialele plastice folosite la obtinerea pieselor complexe si de buna calitate inalta tehnologie
Materialele compozite au condus la reducerea substantiala a
greutatii produsului
Materiale sinterizate utilizate la obtinerea pieselor fara pierderi de material si consum de enetgie
scazut
Ingineria suprafetelor ofera posibilitati de modificare a
suprafetelor si coferirea unor proprietati deosebite
Cu toate aceste proiectantii se limiteaza la selectia
materialelor si procedeelor de prelucrare cunoscute mai bine
- Evitarea riscurilor- Nu este cunoscuta existenta unor noi materiale- Nu sunt cunoscute noile tehnologii de fabricatie etc
Proiectarea industriala trebuie asociata cu design-ul realizarea unei forme estetice obtinerea unui aspect exterior
placut
Design-ul industrial include mai mult decat o stilizare
Alegerea materialului permite un anumit design sau altul
36
La selectarea functiunii produsului (comportarea lui in exploatare-C) a materialelor (M) a
procedeelor de prelucrare (P) a formei (F) trebuie sa se tina seama ca acestea se intrepatrund (trebuie
sa tin seama in acelasi timp de ele)
Dificil Pot fi urmate diferite
succesiuni
Succesiunea CFMP prezinta urmatoarea
ordine de luare in considerare
-functionalitatea produsului (C)-forma piesei-materialul piesei-procedeul de prelucrare
Pot exista diferite succesiuni
Conduce la solutii diferite
Cadrul face conexiunea intre roti
saua bicicletei pedale ghidon
EXEMPLU Succesiunea CFMP
Functionalitatea si forma sunt aceleasi
Teava de aluminiu
Sudare
Succesiunea CFPM
Functionalitatea si forma sunt aceleasi
Sudare Teava de otel-se sudeaza mai bine
Succesiunea CMPF
Functionalitatea este aceeasi
Ca material se poate alege unul compozit
Sudare lipire
Forma aceeasi sau nu
Succesiunea CPMF
Poate fi aleasa presarea unui material superplastic
Alegerea ca material aluminiul
Forma S asimetrica plata
37
Pe baza functiunilor impuse produsului proiectantul schiteaza o serie de solutii tinand seama
de-materialele ce pot fi folosite-procedeele de fabricatie ce pot fi aplicate-formele potrivite ca functionalitate si design
Fiecare combinatie materialprocedeu de prelucrare conduce la diferite forme
Pot fi generate un numar
diferit de forme
Este o abordare CPMF sau CMPF
38
STRATEGII DE SELECTIE A MATERIALELOR
O strategie de selectie are doua componente
Formularea marimi prin care sa se evaluare un set de cerinte impuse materialului
Un procedeu de evaluare a marimii cerintelor prin care sa
se poata face ierarhizarea acestora in functie de masura in
care acestea sunt indeplinite
Strategiile cauta cai de implementare a procesului si anume de a converti un set de date ldquode intrarerdquo (cerintele proiectarii)
intr-un set de date ldquode iesirerdquo- alegerea materialului si a procedeului de prelucrare
39
Cerintele proiectarii
Materiale si procedee de prelucrare selectate
Strategii de selectie
Date initiale Functie de transfer Date finale
Strategia 1 Cautare libera implicand analiza rationala
Strategia 2 Bazata pe chestionare Este o selectie prin expertiza
Strategia 3 Analogie bazata pe cazuri anterioare
Posibila inovatie
Ofera solutii cunoscute
Ofera solutii similare cu situatia prezenta
Ofera mare libertate de selectie dar putina ghidare in proces
Ofera multa ghidare in proces dar putina libertate de selectie
Ofera idei ale solutiilor anterioare pentru probleme similare
40
SELECTIA LIBERA BAZATA PE ANALIZA RATIONALA
Este rapida si eficienta
Ofera o mare libertate pentru aplicatii
Ofera solutii noi si inovative
Avantaje
Are nevoie de date de intrare precis detaliate intr-o forma ce pot fi analizate prin metode ingineresti
standard
EXEMPLU
Gasiti un material pentru o bara de lungime L care sa
suporte o forta F la temperatura T si sa fie cat mai usoara
Cerinte pentru proiectare
ANALIZA SCHITEIFunctia Ce trebuie sa faca piesaObiective Ce trebuie maximalizat sau minimalizatConstrangeri Ce conditii esentiale trebuie sa fie indepliniteVariabile libere Care variabile ale proiectului sunt libere (cerinte nerigide)
41
Functia Ce trebuie sa faca piesa
Obiective Ce trebuie maximalizat sau minimalizat
Variabile libere Care variabile ale proiectului sunt libere (cerinte nerigide)
De a rezista la momente de incovoiere trebuie sa suporta incarcatura pentru care a fost proiectata fara a se deforma
Constrangeri Ce conditii esentiale trebuie sa fie indeplinite
Lungimea L data Tigiditatea S data Sa reziste si sa nu se deformeze la temperatura T
Trebuie minimalizata greutate
Aria sectiunii Costul
Procesul de selectie a avea 3 pasi
Filtrarea Se folseste de constrangeri pentru inlaturarea materialelor care nu indeplinesc cerintele
IerarhizareaSe folseste de marimea performantelor materialelor ramase in discutie pentru a le ordona
Documentarea
Analizeaza informatiile nestructurate le structureaza si le introduce in structura ierarhizata realizand o fisa cu informatii care ajuta selectia finala a materialului
42
Ierarhizarea se face parcurgand mai multe faze
Identificarea unuia sau a mai multor indici de performanta corespunzatori functiei obiectivului si constrangerilor
Indicele de performanta permite optimizarea selectiei
Pentru identificarea acestor indici se parcurg urmatoarele etape
Transpunerea intr-o relatie a obiectivului (entitatea) ce trebuie minimalizata sau maximalizata
Analiza grupului de proprietati (indicele de performanta) care maximalizeaza obiectivul
Eliminarea din aceasta relatie a variabilelor libere utilizand constrangerile (ex valoarea impusa rigiditatii a incarcarii limita a unui moment a presiunii a temperaturii de lucru sau al tenacitatii
43
EXEMPLU
TEMAGasiti un material pentru o bara de lungime L care sa
suporte o forta F la temperatura T si sa fie cat mai usoara
b
b
Lδ
F
Sageata
Sectiunea
CERINTELE PROIECTARIIFunctia Bara incarcata la incovoiereObiectiv Minimalizarea greutatiiConstrangeri Lungimea L data Rigiditatea S data Temperatura de exploatare T data (500deg)Variabile libere Aria sectiunii A Materialul de selectat
Se alege masa ldquomrdquo ca indice de performanta (trebuie sa fie minimalizat)
Masa barei este
Constrangerea privind rigiditatea va determina aria sectiunii ASageata unei bare simplu rezemata (forta actionand la mijloc) este data de relatia
44
unde E-modulul de elasticitate al materialului barei I-momentul de inertie al sectiunii grinzii
CL-reprezinta o constanta ce depinde de modul de distributie a fortei F (CL=48)
Rigiditatea barei este data de relatia
Din aceasta ultima relatie rezulta aria sectiunii A
Prin substitutia acestei relatii in relatia de determinare a masei grinzii se obtine indicele de performanta m
Valorile S L CL sunt date de proiect
Cea mai usoara bara este acea realizata dintr-un material care are cea mai mare valoare pentru
raport numit si ldquoindice de materialrdquo
Functia Incarcarea ConstrangeriIndici de
performantaRelatia
indicelui
Structuri de masa minima
Tija
BaraStatica
Rigiditate
Tractiune Eρ
Compresiune Eρ
Incovoiere E12ρ
Torsiune E12ρ
Rezistenta
Tractiune σrρ
Compresiune σcρ
Incovoiere σr23ρ
Torsiune σc23ρ
Dinamica
Panou
45
Exista mai multi indici de performanta fiecare realizand o combinatie dintre obiectiv si constrangere
46
47
48
METODE CANTITATIVE DE SELECTIE A MATERIALELOR CANDIDATE
Materialele candidat sunt materialele care satisfac cerintele cuprinse in matricea de cerinte rezultate dinbull Cerintele functionalebull Siguranta in functionarebull Functionarea in conditii ambientale de exploatarebull Cerintele de prelucrabilitatebull Economicitatea piesei
Care din aceste materiale vor fi luate in considerare la realizarea piesei
Evaluarea materialelor candidat
Evaluarea presupune compararea materialelor candidat care indeplinesc cerintele negociabile cu caracteristicile efective ale materialului in vederea selectarii celui optim pentru o aplicatie data
49
Evaluarea materialelor candidat
Este mai simpla pentru metodele cantitative de evaluare
Trebuie sa tina seama de anumite avantaje (usurinta procurarii materialului distanta pana la furnizor seriozitatea furnizarii constanta in calitatea produselor etc) care pot introduce anumite limitari determinand anumite compromisuri
In cele mai multe cazuri metodele cantitative de selectie conduc la materialul optim pentru o aplicatie
Metodele cantitative pot fi reluate odata cu schimbarea importantei relative a cerintelor negociabile
ATENTIE Cerintele nenegociabile trebuie satisfacute in totalitate si intocmai
Daca niciun material nu satisfac cerintele negociabile atunci fie ca acestea trebuie relaxate fie se impune reproiectarea produsului
50
Selectia este o operatie complexa
Numar mare de materiale cu o plaja larga de proprietati
Daca se face intamplator
Apare riscul de a omite anumite materiale candidate
Reducerea riscului prin adoptarea unei metode sistematice de selectie a materialelor
Metodele cantitative
Permitbull analiza unui numar ridicat de datebull a multor specificatii implicate in selectia materialelorbull pot fi adaptate pentru o selectie asistata de calculator
dintr-o baza de date
Metodele nu elimina capacitatea de analiza si experienta ingineruluiAceste metode sprijina inginerul in alegerea optima
51
METODA COSTULUI RAPORTAT LA UNITATEA DE PROPRIETATE
Economicitatea piesei
Costul initial al materialului
Costul prelucrarii si montarii
Costul functionarii si intretinerii
Unele dintre aceste costuri cresc odata cu cresterea
valorii proprietatilor altele scad
Proprietatea (Rm)
Costul piesei
Alte costuri
Costul total
Cos
tul
Cost minim
Odata cu cresterea rezistentei- Prelucrare mai dificila- Greutatea pe piesa scade- Durabilitatea in exploatare
creste si deci numarul de piese in utilizate in timp mai mic
Costul total este suma costului piesei si a celorlalte costuri
52
Valoarea optima a proprietatii (aici Rm) apare la costul minim
In piata costul materialului este legat de greutatea sau volumul (dupa caz) materialului
Se poate stabili o comparatie a materialelor intre proprietatile relative (proprietatea raportata la
greutatea specifica) De exemplu rezistenta rigiditatea modul de elasticitate etc
Criteriul esential este costul raportat la unitatea de rezistenta la tractiune
C=pρσ
C- costul asigurarii unei rezistente de 1 MPap- costul unitatii de proprietate a materialului
ρ- densitatea materialului
σr- rezistenta la tractiune
Cu cat valoarea lui ldquoCrdquo este mai mica cu atat materialul
este mai economic
53
Relatii asemanatoare pot fi obtinute si pentru alte proprietati cum ar fi- limita la curgere- modulul de elastuicitate- factorul de intensitate a tensiunii etc
Costul unitatii de proprietate pentru diferite moduri de solicitare
54
Compararea materialelor privind aceste costuri este esentiala
Se compara materialele intre ele
Este dificilSe ia un material de referinta
Costul relativ pe unitatea de proprietate a materialului candidat ldquoirdquo raportat la costul relativ pe unitatea de proprietate a materialului de referinta ldquobrdquo este dat de relatia
Daca CR este subunitar materialul candidat este mai ieftin decat materialul de referinta
Materialul de referinta este eliminat si materialul candidat se ia ca material de referinta pentru urmatoarea comparatie
Daca CR este supra unitar materialul candidat este mai scump decat materialul de referinta
Materialul de referinta se ia ca material de comparatie pentru urmatoarea analiza
55
METODA PONDERARII PROPRIETATILOR
Este o metoda pentru rezolvarea unor solutii mai comlexe de materiale materiale si proprietati
Fiecarei proprietati a materialului i se acorda o pondere rdquoαrdquo
Ponderea este proportionala cu importanta relativa a proprietatii pentru performanta in exploatare a materialului pentru aplicatia data
Ponderea proprietatii este egala cu produsul dintre valoarea numerica a proprietatii materialului ldquoprdquo si ponderea ei ldquoαrdquo
γ=pα
Insumand toate aceste produse pentru un material se obtine un indice de performanta ldquoPrdquo al materialului
Aceasta metoda ia in considerare toate proprietatile materialului
Comparand mai multe materiale prin indicele de performanta se poate gasi cel mai performant material pentru o aplicatie
56
Dezavantajul acestei metode consta in faptul ca in cazul unei proprietati care are o valoare ridicata aceasta v-a avea o influenta mai mare asupra indicelui de performanta decat ponderea ei
Exemplu Un material A care are Rm=370 MPa si o duritate de 350 HRB si un alt material B care are Rm=400 MPa si o duritate de 300 HRBStabilind ponderea proprietatii de 100 pentru rezistenta si 90 pentru duritate se obtine un indice de performanta de 68500 pentru material ul A si 67000 pentru materialul B
Inseamna ca impotriva importantei rezistentei la tractiune (ca fiind primul criteriu de selectie) si care este mai mare pentru materialul B indicele de performanta al materialului A este mai mare si deci acest material v-a fi selectat
La evaluarea materialelor candidat se va lucra cu valori relative ldquoβrdquo ale unei anumite proprietati celei mai mari valori a proprietatii atribuindu-se valoarea 100 iar celelalte valori relative se determina cu relatia
57
Pentru proprietatile materialelor care nu se exprima in mod obisnuit prin valori numerice (rezistenta la uzare sudabilitatea aschiabilitatea diferite proprietati tehnologice etc) evaluarea se poate face relativ la una dintre proprietati astfel
Astfel fiecarei proprietati I se acorda o importanta egalasi ea va influenta indicii de performanta ai materialelor doar comparate doar in masura ponderii acordate
Pentru proprietati ale caror valori se doreste a fi cat mai mici (densitatea pierderea de greutate prin coroziune etc) evaluarea se face printr-un raport invers
ProprietateaMateriale alternative
A B C D
Sudabilitatea Foarte buna Buna Buna Satisfacatoare
Evaluarea relativa 5 3 3 1
Valoarea scalata 100 60 60 20
58
Exemplu In ceea ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru rezistenta la tractiune a materialului A este de 925 Pentru al doilea material aceasta valoare este de 100 In ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru duritate aceasta este de 100 pentru materialul A si de 857 pentru materialul B
Acest lucru poate schimba situatia ierarhica a materialelor sau le poate apropia atat de mult indicele de performanta incat sa se puna problema luari in considerare si a altor elemente pentru selectie
Astfel indicele de performanta a materialului este dat de relatia
unde P reprezinta indicele de performanta a materialuluildquoirdquo este suma celor ldquonrdquo proprietati considerate a materialul ui
59
Ponderea α poate fi considerata ca αilt1 astfel incat
(cazul cel mai frecvent) sau ei I se poate aloca o plaja de valori valoarea cea mai mare
corespunzand proprietatii cu cea mai mare importanta
Costul materialului poate fi considerat ca o proprietate (chiar importanta) acordandui-se o pondere ldquoαrdquo
In cazul luarii in considerare a unui numar mare de proprietati costul poate fi considerat un factor de corectie al indicelui de performanta a materialului rezultand indicele de merit al acestuia
in care ldquoprdquo reprezinta costul unitatii de greutate a materialului
60
Cand se doreste compararea mai multor materiale candidat (i) cu unul de baza (de referinta) se calculeaza indicele relativ de merit al fiecarui material astfel
Daca RMgt1 respectivul material candidat ldquoirdquo corespunde mai bine cerintelor decat materialul de referinta ldquobrdquoIn cazul in care Mb reprezinta minimul cerintelor impuse Materialele candidat avand RMlt1 pot fi eliminate de la inceput ca fiind necorespunzatoare
Cand trebuie luate in considerare mai multe proprietati ale materialului pentru evaluarea indicelui de performanta este dificila evaluarea ponderii acestora Rezolvarea aceste probleme poate fi realizata printr-o evaluare prin programe numerice
61
METODA CRESTERII INCREMENTALE
In anumite situatii pot aparea mai multe materiale care indeplinesc cerintele minime impuse de o anumita aplicatie
Dupa analiza acestor materiale se poate presupune ca performantele pieselor prelucrate sunt proportionale cu indicii de performanta ldquoPrdquo In acelasi timp costul piesei variaza proportional cu costul materialului si al prelucrarii acestora
Daca se doreste selectarea piesei care are cea mai mare performanta la cea mai rezonabila crestere a costului se poate face o analiza beneficiu-cost Procedeul se ia indeosebi cand se doreste inlocuirea unui material utilizat deja in fabricatie
Materialul cu cel mai scazut cost (1) se ca element de baza si este comparat cu materialul care are costul imediat superior (2) Comparatia se face determinand cresterea indicelui de performanta (ΔP=P2-P1) si a costului ldquoprdquo pe unitatea de volum (Δpρ=p2ρ2-p1ρ1)
Daca ΔPΔpρlt1 materialul 1 corespunde mai bine decat materialul 2 pentru aplicatia data si materialul 2 va fi eliminatDaca ΔPΔpρgt1 materialul 1 va fi eliminat deoarece materialul 2 corespunde mai bine cerintelor aplicatieiSe continua compararea cu al treilea material si rand pe rand vor fi eliminate materialele mai putin corespunzatoare ajungand la materialul optim
62
EXEMPLU DE SELECTIE A MATERIALELOR
Tema Realizarea piesesei din figura dintr-un otel ldquoOL37rdquo intr-o serie mare de fabricatie-Este o piesa cilindrica cu dimensiunile date-Are un butuc-Prezinta o gaura lunga si de diametre mic
oslash200oslash50
150oslash20
Se poate realiza din bara rotunda prin strunjire
Se poate realiza din bara rotunda prin forjare
80
Coeficientul de utilizare a materialului 055
Coeficientul de utilizare a materialului 098
63
Diametrul mm Inaltime mm Volum mm3 Volum mm3Coeficientul de
utilizare a materialului
Semif Pornire 200 150 4710000 4710000
Strunjire
200 80 2512000
2602275 055=5550 35 137375
20 150 47100
Forjare
200 80 25120002649375
098=9850 35 137375
20 150 47100 2602275
Coeficientul de utilizare a materialului K=greutatea piesei finitegreutatea materialului utilizat pentru realizarea lui (a semifabricatului de pornire)
In calcul s-a lucrat cu volumul materialului deoarece G=VρAdaosuriele de prelucrare s-u luat ca fiind egaleApare un mult mai bun grad de utilizare a materialului pentr prelucrarea prin forjare
PIESA SE VA REALIZA PRIN FORJARE
64
1
2
3
5
6
4
9
8
F
107F
1-semimatrita superioara2-semimatrita inferioara3-cavitatea semimatritei sup4-cavitatea semimatritei inf5-canalul de bavura6-canalul de refulare7-prinderea semimatritei sup8-prinderea semimatritei inf9-elemente de ghidare (stifturi)10-planul de separare
TEMA Sa se stabileasca materialul optim pentru realizarea elementelor active ale matrtei de forjare din figura Se urmreste obtinerea piesei prin forjare la cald
CERINTE PENTRU PROIECTARE
Analiza schiteiFunctia Elemete (semimatrite) de matrita de deformare plasticaObiectiv Trebuie maximalizata tenacitatea (rezilienta)Constrangeri Dimensiunile cavitatii matritei (depind de marimea piesei) dimensiunile exterioare si sistemul de prindere (depind de utilaj temperatura de lucruVariabile libere material
65
Se cauta in sursele de informatii structurate si nestructurate materialele care respecta cerintele
Elemente de matrita
Rezistente la cald
Tenacitate Duritate
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Materialele potrivite sunt metalele si aliajele lor
-Materialele ceramice nu au tenacitate-Materialele polimerice nu au rezistenta la cald-Materialele compozite sunt scumpe si nu au tenacitate
Depinde de compozitia lor
Se cauta materiale cu destinatie precisa Materiale pentru scule de deformare
66
Din baza de date se constata ca urmatoarele materiale satisfac
cerintele rigide adica sa poata fi utilizate la prelucrarea la cald
Sunt materiale cu destinatie precisaDaca nu sunt materiale cu destinatie
precisa se cauta in grupa materialelor cu destinatie generala
Material Rm min MPa HV A5 KCU Jcm3
C120 890 265 8 60
VMoC120 870 265 8 68
VC06 870 230 6 68
VCW85 870 265 6 80
MoCN15 830 250 7 75
VMoCN17 870 265 7 73
VSCW20 790 235 5 78
OSC7 640 195 12 56
OSC8 640 195 10 58
67
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU Jcm3 βKCU Indicele de
performanta PC120 890 265 8 60 101450
VMoC120 870 265 8 68 100650
VC06 870 230 6 68 97400
VCW85 870 265 6 80 101750
MoCN15 830 250 7 75 96750
VMoCN17 870 265 7 73 101100
VSCW20 790 235 5 78 92400
OSC7 640 195 12 56 74950
OSC8 640 195 10 58 75050Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza peoprietatii
68
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU
Jcm3 βKCU Indicele de performanta P
C120 890 100 265 10000 8 6667 60 75 25017000
VMoC120 870 9775 265 10000 8 6667 68 85 2835015356
VC06 870 9775 230 8679 6 5000 68 85 2126563155
VCW85 870 9775 265 10000 6 5000 80 100 2501682022
MoCN15 830 9326 250 9434 7 5833 75 9375 2735970124
VMoCN17 870 9775 265 10000 7 5833 73 9125 2663140356
VSCW20 790 8876 235 8868 5 4167 78 975 2032758226
OSC7 640 7191 195 7358 12 10000 56 70 3501237545
OSC8 640 7191 195 7358 10 8333 58 725 3022070878Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza proprietatii relative
69
Material Indicele de performanta P
VSCW20 2032758226
VC06 2126563155
VCW85 2501682022
C120 25017000
VMoCN17 2663140356
MoCN15 2735970124
VMoC120 2835015356
OSC8 3022070878
OSC7 3501237545
Material Indicele de performanta P
OSC7 74950
OSC8 75050
VSCW20 92400
MoCN15 96750
VC06 97400
VMoC120 100650
VMoCN17 101100
C120 101450
VCW85 101750
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile proprietatii materialului
ordonate crescator
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile relative ale proprietatii materialului ordonate crescator
70
Luand in considerare ca unele materiale sunt aliate cu siguranta acestea sunt mai scumpe
Daca luam in considerare costul unitar pentru otelurile carbon de scule iar densitatea de 785 (corespunzatoare fierului) se obtine indicele de merit
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
OSC7 74950 1 95477707 114
OSC8 75050 1 956050955 114
VSCW20 92400 14 840764331 100
MoCN15 96750 14 880345769 105
VC06 97400 12 103397028 123
VMoC120 100650 13 986281235 117
VMoCN17 101100 14 919927207 109
C120 101450 15 861571125 102
VCW85 101750 14 925841674 110
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea proprietatii materialului
71
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
VSCW20 2032758226 14 184964352 100
VC06 2126563155 12 225749804 122
VCW85 2501682022 14 227632577 123
C120 25017000 15 212458599 115
VMoCN17 2663140356 14 242323963 131
MoCN15 2735970124 14 248950876 135
VMoC120 2835015356 13 277806502 150
OSC8 3022070878 1 384977182 208
OSC7 3501237545 1 446017522 241
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea relativa a proprietatii materialului
72
Selectati materialele potrivite pentru piesele din imagine
Randul I 1 Serie mare de fabricatie-6p Randul II Serie mica (unicat) de fabricatie-6p
Randul I 2 Criterii de selectie a materialelor-1p3 Etapele selectiei materialelor ndash 1p4 Economicitatea piesei ndash 1p5 Strategii de selectie a materialelor ndash 1p
Randul II 2 Tipuri de date utilizate la selectia materialelor-1p3 Cum se face minimalizarea costurilor-1p4 Perofmantele piesei in functionare ndash 1p5 Care sunt cerintele fata de material ndash 1p
SUBIECTE EXAMEN
73
Date privind principalele proprietati tehnologice ale unor materiale
Material
Valorile proprietatii
Aschiabilitate Turnabilitate Sudabilitate Cost
F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba $tona
Otel de constructii (OL) X X X 140
Otel carbon de calitate (OLC) X X X
260
Fonte obisnuite (Fc) X X X 160
Punctaje 60 30 10 60 30 10 60 30 10
Avand in vedere ca pretul creste odata cu rezistenta la tractiune calculati costul fiecarui material prin inmultirea costului de baza cu valoarea proprietatii si impartiti la 100
74
Materiale ce pot fi luate in considerare spre analiza
Material Rm HV A Material Rm HV A Material Rm HV A
OL30 310 95 32 OLC8 324 140 33 Fc100 100 105 2
OL32 310 93 33 OLC10 321 150 31 Fc150 150 145 3
OL34 330 105 31 OLC15 373 155 27 Fc200 200 180 4
OL37 360 112 25 OLC20 410 165 25 Fc250 250 190 4
OL42 410 130 22 OLC25 450 175 24 Fc300 300 210 5
OL44 430 135 22 OLC30 490 180 21 Fc350 350 220 6
OL50 500 160 21 OLC35 530 195 21 Fc400 400 240 6
OL52 510 160 21 OLC40 570 200 19
OL60 590 185 16 OLC45 610 220 18
OL70 690 215 11 OLC50 640 230 16
OLC55 670 240 14
OLC60 700 255 14
Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50
Proprietatea tehnilogica intra cu o pondere de 100
VA UREZ SUCCES
33
CLASIFICAREA CERINTELOR IMPUSE MATERIALELOR
Cerintele impuse materialelor
Cerinte ldquorigiderdquo sau nenegociabile
Cerinte ldquonerigiderdquo ldquorelativerdquo sau
negociabile
Sunt cerintele care trebuie satisfacute obligatoriu de
material pentru a fi luate in considerare la selectie
bull Disponibilitatebull Prelucrabilitatebull Caracteristici minime
In anumite limite sunt supuse compromisului Pot fi comparate dpdv al importantei lor relative pentru o
aplicatie data in cadrul metodelor cantitative de selectie a materialelor
bull Proprietati mecanicebull Densitatebull Costul
In functie de tipul aplicatiei aceste cerinte isi pot schimba caracterul (din ldquonegociabilerdquo in ldquonenegociabile
Modificarea clasei de material selectate in final
34
EXEMPLE
Butelie de aragaz
Rezistenta Ductilitate Cost
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Rezistenta Ductilitate ρmic
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Butelii pentru gaze utilizate in aviatie
Costul este nenegociabil Oteluri pentru recipienti sub
presiune la temperaturi joase ndash R37 R44
Greutate cat mai mica (considerata nenegociabila) Materiale compozite (Kevlar 49-matrice epoxidica armata
cu fibre de poliamida)
35
MODALITATI DE ABORDARE A SELECTIEI MATERIALELOR SI PROCEDEELOR DE PRELUCRARE
Aparitia unor materiale noi si a competitiei intre materiale
Abordari noi in selectia materialelor si a procedeelor de prelucrare
Materialele plastice folosite la obtinerea pieselor complexe si de buna calitate inalta tehnologie
Materialele compozite au condus la reducerea substantiala a
greutatii produsului
Materiale sinterizate utilizate la obtinerea pieselor fara pierderi de material si consum de enetgie
scazut
Ingineria suprafetelor ofera posibilitati de modificare a
suprafetelor si coferirea unor proprietati deosebite
Cu toate aceste proiectantii se limiteaza la selectia
materialelor si procedeelor de prelucrare cunoscute mai bine
- Evitarea riscurilor- Nu este cunoscuta existenta unor noi materiale- Nu sunt cunoscute noile tehnologii de fabricatie etc
Proiectarea industriala trebuie asociata cu design-ul realizarea unei forme estetice obtinerea unui aspect exterior
placut
Design-ul industrial include mai mult decat o stilizare
Alegerea materialului permite un anumit design sau altul
36
La selectarea functiunii produsului (comportarea lui in exploatare-C) a materialelor (M) a
procedeelor de prelucrare (P) a formei (F) trebuie sa se tina seama ca acestea se intrepatrund (trebuie
sa tin seama in acelasi timp de ele)
Dificil Pot fi urmate diferite
succesiuni
Succesiunea CFMP prezinta urmatoarea
ordine de luare in considerare
-functionalitatea produsului (C)-forma piesei-materialul piesei-procedeul de prelucrare
Pot exista diferite succesiuni
Conduce la solutii diferite
Cadrul face conexiunea intre roti
saua bicicletei pedale ghidon
EXEMPLU Succesiunea CFMP
Functionalitatea si forma sunt aceleasi
Teava de aluminiu
Sudare
Succesiunea CFPM
Functionalitatea si forma sunt aceleasi
Sudare Teava de otel-se sudeaza mai bine
Succesiunea CMPF
Functionalitatea este aceeasi
Ca material se poate alege unul compozit
Sudare lipire
Forma aceeasi sau nu
Succesiunea CPMF
Poate fi aleasa presarea unui material superplastic
Alegerea ca material aluminiul
Forma S asimetrica plata
37
Pe baza functiunilor impuse produsului proiectantul schiteaza o serie de solutii tinand seama
de-materialele ce pot fi folosite-procedeele de fabricatie ce pot fi aplicate-formele potrivite ca functionalitate si design
Fiecare combinatie materialprocedeu de prelucrare conduce la diferite forme
Pot fi generate un numar
diferit de forme
Este o abordare CPMF sau CMPF
38
STRATEGII DE SELECTIE A MATERIALELOR
O strategie de selectie are doua componente
Formularea marimi prin care sa se evaluare un set de cerinte impuse materialului
Un procedeu de evaluare a marimii cerintelor prin care sa
se poata face ierarhizarea acestora in functie de masura in
care acestea sunt indeplinite
Strategiile cauta cai de implementare a procesului si anume de a converti un set de date ldquode intrarerdquo (cerintele proiectarii)
intr-un set de date ldquode iesirerdquo- alegerea materialului si a procedeului de prelucrare
39
Cerintele proiectarii
Materiale si procedee de prelucrare selectate
Strategii de selectie
Date initiale Functie de transfer Date finale
Strategia 1 Cautare libera implicand analiza rationala
Strategia 2 Bazata pe chestionare Este o selectie prin expertiza
Strategia 3 Analogie bazata pe cazuri anterioare
Posibila inovatie
Ofera solutii cunoscute
Ofera solutii similare cu situatia prezenta
Ofera mare libertate de selectie dar putina ghidare in proces
Ofera multa ghidare in proces dar putina libertate de selectie
Ofera idei ale solutiilor anterioare pentru probleme similare
40
SELECTIA LIBERA BAZATA PE ANALIZA RATIONALA
Este rapida si eficienta
Ofera o mare libertate pentru aplicatii
Ofera solutii noi si inovative
Avantaje
Are nevoie de date de intrare precis detaliate intr-o forma ce pot fi analizate prin metode ingineresti
standard
EXEMPLU
Gasiti un material pentru o bara de lungime L care sa
suporte o forta F la temperatura T si sa fie cat mai usoara
Cerinte pentru proiectare
ANALIZA SCHITEIFunctia Ce trebuie sa faca piesaObiective Ce trebuie maximalizat sau minimalizatConstrangeri Ce conditii esentiale trebuie sa fie indepliniteVariabile libere Care variabile ale proiectului sunt libere (cerinte nerigide)
41
Functia Ce trebuie sa faca piesa
Obiective Ce trebuie maximalizat sau minimalizat
Variabile libere Care variabile ale proiectului sunt libere (cerinte nerigide)
De a rezista la momente de incovoiere trebuie sa suporta incarcatura pentru care a fost proiectata fara a se deforma
Constrangeri Ce conditii esentiale trebuie sa fie indeplinite
Lungimea L data Tigiditatea S data Sa reziste si sa nu se deformeze la temperatura T
Trebuie minimalizata greutate
Aria sectiunii Costul
Procesul de selectie a avea 3 pasi
Filtrarea Se folseste de constrangeri pentru inlaturarea materialelor care nu indeplinesc cerintele
IerarhizareaSe folseste de marimea performantelor materialelor ramase in discutie pentru a le ordona
Documentarea
Analizeaza informatiile nestructurate le structureaza si le introduce in structura ierarhizata realizand o fisa cu informatii care ajuta selectia finala a materialului
42
Ierarhizarea se face parcurgand mai multe faze
Identificarea unuia sau a mai multor indici de performanta corespunzatori functiei obiectivului si constrangerilor
Indicele de performanta permite optimizarea selectiei
Pentru identificarea acestor indici se parcurg urmatoarele etape
Transpunerea intr-o relatie a obiectivului (entitatea) ce trebuie minimalizata sau maximalizata
Analiza grupului de proprietati (indicele de performanta) care maximalizeaza obiectivul
Eliminarea din aceasta relatie a variabilelor libere utilizand constrangerile (ex valoarea impusa rigiditatii a incarcarii limita a unui moment a presiunii a temperaturii de lucru sau al tenacitatii
43
EXEMPLU
TEMAGasiti un material pentru o bara de lungime L care sa
suporte o forta F la temperatura T si sa fie cat mai usoara
b
b
Lδ
F
Sageata
Sectiunea
CERINTELE PROIECTARIIFunctia Bara incarcata la incovoiereObiectiv Minimalizarea greutatiiConstrangeri Lungimea L data Rigiditatea S data Temperatura de exploatare T data (500deg)Variabile libere Aria sectiunii A Materialul de selectat
Se alege masa ldquomrdquo ca indice de performanta (trebuie sa fie minimalizat)
Masa barei este
Constrangerea privind rigiditatea va determina aria sectiunii ASageata unei bare simplu rezemata (forta actionand la mijloc) este data de relatia
44
unde E-modulul de elasticitate al materialului barei I-momentul de inertie al sectiunii grinzii
CL-reprezinta o constanta ce depinde de modul de distributie a fortei F (CL=48)
Rigiditatea barei este data de relatia
Din aceasta ultima relatie rezulta aria sectiunii A
Prin substitutia acestei relatii in relatia de determinare a masei grinzii se obtine indicele de performanta m
Valorile S L CL sunt date de proiect
Cea mai usoara bara este acea realizata dintr-un material care are cea mai mare valoare pentru
raport numit si ldquoindice de materialrdquo
Functia Incarcarea ConstrangeriIndici de
performantaRelatia
indicelui
Structuri de masa minima
Tija
BaraStatica
Rigiditate
Tractiune Eρ
Compresiune Eρ
Incovoiere E12ρ
Torsiune E12ρ
Rezistenta
Tractiune σrρ
Compresiune σcρ
Incovoiere σr23ρ
Torsiune σc23ρ
Dinamica
Panou
45
Exista mai multi indici de performanta fiecare realizand o combinatie dintre obiectiv si constrangere
46
47
48
METODE CANTITATIVE DE SELECTIE A MATERIALELOR CANDIDATE
Materialele candidat sunt materialele care satisfac cerintele cuprinse in matricea de cerinte rezultate dinbull Cerintele functionalebull Siguranta in functionarebull Functionarea in conditii ambientale de exploatarebull Cerintele de prelucrabilitatebull Economicitatea piesei
Care din aceste materiale vor fi luate in considerare la realizarea piesei
Evaluarea materialelor candidat
Evaluarea presupune compararea materialelor candidat care indeplinesc cerintele negociabile cu caracteristicile efective ale materialului in vederea selectarii celui optim pentru o aplicatie data
49
Evaluarea materialelor candidat
Este mai simpla pentru metodele cantitative de evaluare
Trebuie sa tina seama de anumite avantaje (usurinta procurarii materialului distanta pana la furnizor seriozitatea furnizarii constanta in calitatea produselor etc) care pot introduce anumite limitari determinand anumite compromisuri
In cele mai multe cazuri metodele cantitative de selectie conduc la materialul optim pentru o aplicatie
Metodele cantitative pot fi reluate odata cu schimbarea importantei relative a cerintelor negociabile
ATENTIE Cerintele nenegociabile trebuie satisfacute in totalitate si intocmai
Daca niciun material nu satisfac cerintele negociabile atunci fie ca acestea trebuie relaxate fie se impune reproiectarea produsului
50
Selectia este o operatie complexa
Numar mare de materiale cu o plaja larga de proprietati
Daca se face intamplator
Apare riscul de a omite anumite materiale candidate
Reducerea riscului prin adoptarea unei metode sistematice de selectie a materialelor
Metodele cantitative
Permitbull analiza unui numar ridicat de datebull a multor specificatii implicate in selectia materialelorbull pot fi adaptate pentru o selectie asistata de calculator
dintr-o baza de date
Metodele nu elimina capacitatea de analiza si experienta ingineruluiAceste metode sprijina inginerul in alegerea optima
51
METODA COSTULUI RAPORTAT LA UNITATEA DE PROPRIETATE
Economicitatea piesei
Costul initial al materialului
Costul prelucrarii si montarii
Costul functionarii si intretinerii
Unele dintre aceste costuri cresc odata cu cresterea
valorii proprietatilor altele scad
Proprietatea (Rm)
Costul piesei
Alte costuri
Costul total
Cos
tul
Cost minim
Odata cu cresterea rezistentei- Prelucrare mai dificila- Greutatea pe piesa scade- Durabilitatea in exploatare
creste si deci numarul de piese in utilizate in timp mai mic
Costul total este suma costului piesei si a celorlalte costuri
52
Valoarea optima a proprietatii (aici Rm) apare la costul minim
In piata costul materialului este legat de greutatea sau volumul (dupa caz) materialului
Se poate stabili o comparatie a materialelor intre proprietatile relative (proprietatea raportata la
greutatea specifica) De exemplu rezistenta rigiditatea modul de elasticitate etc
Criteriul esential este costul raportat la unitatea de rezistenta la tractiune
C=pρσ
C- costul asigurarii unei rezistente de 1 MPap- costul unitatii de proprietate a materialului
ρ- densitatea materialului
σr- rezistenta la tractiune
Cu cat valoarea lui ldquoCrdquo este mai mica cu atat materialul
este mai economic
53
Relatii asemanatoare pot fi obtinute si pentru alte proprietati cum ar fi- limita la curgere- modulul de elastuicitate- factorul de intensitate a tensiunii etc
Costul unitatii de proprietate pentru diferite moduri de solicitare
54
Compararea materialelor privind aceste costuri este esentiala
Se compara materialele intre ele
Este dificilSe ia un material de referinta
Costul relativ pe unitatea de proprietate a materialului candidat ldquoirdquo raportat la costul relativ pe unitatea de proprietate a materialului de referinta ldquobrdquo este dat de relatia
Daca CR este subunitar materialul candidat este mai ieftin decat materialul de referinta
Materialul de referinta este eliminat si materialul candidat se ia ca material de referinta pentru urmatoarea comparatie
Daca CR este supra unitar materialul candidat este mai scump decat materialul de referinta
Materialul de referinta se ia ca material de comparatie pentru urmatoarea analiza
55
METODA PONDERARII PROPRIETATILOR
Este o metoda pentru rezolvarea unor solutii mai comlexe de materiale materiale si proprietati
Fiecarei proprietati a materialului i se acorda o pondere rdquoαrdquo
Ponderea este proportionala cu importanta relativa a proprietatii pentru performanta in exploatare a materialului pentru aplicatia data
Ponderea proprietatii este egala cu produsul dintre valoarea numerica a proprietatii materialului ldquoprdquo si ponderea ei ldquoαrdquo
γ=pα
Insumand toate aceste produse pentru un material se obtine un indice de performanta ldquoPrdquo al materialului
Aceasta metoda ia in considerare toate proprietatile materialului
Comparand mai multe materiale prin indicele de performanta se poate gasi cel mai performant material pentru o aplicatie
56
Dezavantajul acestei metode consta in faptul ca in cazul unei proprietati care are o valoare ridicata aceasta v-a avea o influenta mai mare asupra indicelui de performanta decat ponderea ei
Exemplu Un material A care are Rm=370 MPa si o duritate de 350 HRB si un alt material B care are Rm=400 MPa si o duritate de 300 HRBStabilind ponderea proprietatii de 100 pentru rezistenta si 90 pentru duritate se obtine un indice de performanta de 68500 pentru material ul A si 67000 pentru materialul B
Inseamna ca impotriva importantei rezistentei la tractiune (ca fiind primul criteriu de selectie) si care este mai mare pentru materialul B indicele de performanta al materialului A este mai mare si deci acest material v-a fi selectat
La evaluarea materialelor candidat se va lucra cu valori relative ldquoβrdquo ale unei anumite proprietati celei mai mari valori a proprietatii atribuindu-se valoarea 100 iar celelalte valori relative se determina cu relatia
57
Pentru proprietatile materialelor care nu se exprima in mod obisnuit prin valori numerice (rezistenta la uzare sudabilitatea aschiabilitatea diferite proprietati tehnologice etc) evaluarea se poate face relativ la una dintre proprietati astfel
Astfel fiecarei proprietati I se acorda o importanta egalasi ea va influenta indicii de performanta ai materialelor doar comparate doar in masura ponderii acordate
Pentru proprietati ale caror valori se doreste a fi cat mai mici (densitatea pierderea de greutate prin coroziune etc) evaluarea se face printr-un raport invers
ProprietateaMateriale alternative
A B C D
Sudabilitatea Foarte buna Buna Buna Satisfacatoare
Evaluarea relativa 5 3 3 1
Valoarea scalata 100 60 60 20
58
Exemplu In ceea ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru rezistenta la tractiune a materialului A este de 925 Pentru al doilea material aceasta valoare este de 100 In ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru duritate aceasta este de 100 pentru materialul A si de 857 pentru materialul B
Acest lucru poate schimba situatia ierarhica a materialelor sau le poate apropia atat de mult indicele de performanta incat sa se puna problema luari in considerare si a altor elemente pentru selectie
Astfel indicele de performanta a materialului este dat de relatia
unde P reprezinta indicele de performanta a materialuluildquoirdquo este suma celor ldquonrdquo proprietati considerate a materialul ui
59
Ponderea α poate fi considerata ca αilt1 astfel incat
(cazul cel mai frecvent) sau ei I se poate aloca o plaja de valori valoarea cea mai mare
corespunzand proprietatii cu cea mai mare importanta
Costul materialului poate fi considerat ca o proprietate (chiar importanta) acordandui-se o pondere ldquoαrdquo
In cazul luarii in considerare a unui numar mare de proprietati costul poate fi considerat un factor de corectie al indicelui de performanta a materialului rezultand indicele de merit al acestuia
in care ldquoprdquo reprezinta costul unitatii de greutate a materialului
60
Cand se doreste compararea mai multor materiale candidat (i) cu unul de baza (de referinta) se calculeaza indicele relativ de merit al fiecarui material astfel
Daca RMgt1 respectivul material candidat ldquoirdquo corespunde mai bine cerintelor decat materialul de referinta ldquobrdquoIn cazul in care Mb reprezinta minimul cerintelor impuse Materialele candidat avand RMlt1 pot fi eliminate de la inceput ca fiind necorespunzatoare
Cand trebuie luate in considerare mai multe proprietati ale materialului pentru evaluarea indicelui de performanta este dificila evaluarea ponderii acestora Rezolvarea aceste probleme poate fi realizata printr-o evaluare prin programe numerice
61
METODA CRESTERII INCREMENTALE
In anumite situatii pot aparea mai multe materiale care indeplinesc cerintele minime impuse de o anumita aplicatie
Dupa analiza acestor materiale se poate presupune ca performantele pieselor prelucrate sunt proportionale cu indicii de performanta ldquoPrdquo In acelasi timp costul piesei variaza proportional cu costul materialului si al prelucrarii acestora
Daca se doreste selectarea piesei care are cea mai mare performanta la cea mai rezonabila crestere a costului se poate face o analiza beneficiu-cost Procedeul se ia indeosebi cand se doreste inlocuirea unui material utilizat deja in fabricatie
Materialul cu cel mai scazut cost (1) se ca element de baza si este comparat cu materialul care are costul imediat superior (2) Comparatia se face determinand cresterea indicelui de performanta (ΔP=P2-P1) si a costului ldquoprdquo pe unitatea de volum (Δpρ=p2ρ2-p1ρ1)
Daca ΔPΔpρlt1 materialul 1 corespunde mai bine decat materialul 2 pentru aplicatia data si materialul 2 va fi eliminatDaca ΔPΔpρgt1 materialul 1 va fi eliminat deoarece materialul 2 corespunde mai bine cerintelor aplicatieiSe continua compararea cu al treilea material si rand pe rand vor fi eliminate materialele mai putin corespunzatoare ajungand la materialul optim
62
EXEMPLU DE SELECTIE A MATERIALELOR
Tema Realizarea piesesei din figura dintr-un otel ldquoOL37rdquo intr-o serie mare de fabricatie-Este o piesa cilindrica cu dimensiunile date-Are un butuc-Prezinta o gaura lunga si de diametre mic
oslash200oslash50
150oslash20
Se poate realiza din bara rotunda prin strunjire
Se poate realiza din bara rotunda prin forjare
80
Coeficientul de utilizare a materialului 055
Coeficientul de utilizare a materialului 098
63
Diametrul mm Inaltime mm Volum mm3 Volum mm3Coeficientul de
utilizare a materialului
Semif Pornire 200 150 4710000 4710000
Strunjire
200 80 2512000
2602275 055=5550 35 137375
20 150 47100
Forjare
200 80 25120002649375
098=9850 35 137375
20 150 47100 2602275
Coeficientul de utilizare a materialului K=greutatea piesei finitegreutatea materialului utilizat pentru realizarea lui (a semifabricatului de pornire)
In calcul s-a lucrat cu volumul materialului deoarece G=VρAdaosuriele de prelucrare s-u luat ca fiind egaleApare un mult mai bun grad de utilizare a materialului pentr prelucrarea prin forjare
PIESA SE VA REALIZA PRIN FORJARE
64
1
2
3
5
6
4
9
8
F
107F
1-semimatrita superioara2-semimatrita inferioara3-cavitatea semimatritei sup4-cavitatea semimatritei inf5-canalul de bavura6-canalul de refulare7-prinderea semimatritei sup8-prinderea semimatritei inf9-elemente de ghidare (stifturi)10-planul de separare
TEMA Sa se stabileasca materialul optim pentru realizarea elementelor active ale matrtei de forjare din figura Se urmreste obtinerea piesei prin forjare la cald
CERINTE PENTRU PROIECTARE
Analiza schiteiFunctia Elemete (semimatrite) de matrita de deformare plasticaObiectiv Trebuie maximalizata tenacitatea (rezilienta)Constrangeri Dimensiunile cavitatii matritei (depind de marimea piesei) dimensiunile exterioare si sistemul de prindere (depind de utilaj temperatura de lucruVariabile libere material
65
Se cauta in sursele de informatii structurate si nestructurate materialele care respecta cerintele
Elemente de matrita
Rezistente la cald
Tenacitate Duritate
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Materialele potrivite sunt metalele si aliajele lor
-Materialele ceramice nu au tenacitate-Materialele polimerice nu au rezistenta la cald-Materialele compozite sunt scumpe si nu au tenacitate
Depinde de compozitia lor
Se cauta materiale cu destinatie precisa Materiale pentru scule de deformare
66
Din baza de date se constata ca urmatoarele materiale satisfac
cerintele rigide adica sa poata fi utilizate la prelucrarea la cald
Sunt materiale cu destinatie precisaDaca nu sunt materiale cu destinatie
precisa se cauta in grupa materialelor cu destinatie generala
Material Rm min MPa HV A5 KCU Jcm3
C120 890 265 8 60
VMoC120 870 265 8 68
VC06 870 230 6 68
VCW85 870 265 6 80
MoCN15 830 250 7 75
VMoCN17 870 265 7 73
VSCW20 790 235 5 78
OSC7 640 195 12 56
OSC8 640 195 10 58
67
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU Jcm3 βKCU Indicele de
performanta PC120 890 265 8 60 101450
VMoC120 870 265 8 68 100650
VC06 870 230 6 68 97400
VCW85 870 265 6 80 101750
MoCN15 830 250 7 75 96750
VMoCN17 870 265 7 73 101100
VSCW20 790 235 5 78 92400
OSC7 640 195 12 56 74950
OSC8 640 195 10 58 75050Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza peoprietatii
68
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU
Jcm3 βKCU Indicele de performanta P
C120 890 100 265 10000 8 6667 60 75 25017000
VMoC120 870 9775 265 10000 8 6667 68 85 2835015356
VC06 870 9775 230 8679 6 5000 68 85 2126563155
VCW85 870 9775 265 10000 6 5000 80 100 2501682022
MoCN15 830 9326 250 9434 7 5833 75 9375 2735970124
VMoCN17 870 9775 265 10000 7 5833 73 9125 2663140356
VSCW20 790 8876 235 8868 5 4167 78 975 2032758226
OSC7 640 7191 195 7358 12 10000 56 70 3501237545
OSC8 640 7191 195 7358 10 8333 58 725 3022070878Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza proprietatii relative
69
Material Indicele de performanta P
VSCW20 2032758226
VC06 2126563155
VCW85 2501682022
C120 25017000
VMoCN17 2663140356
MoCN15 2735970124
VMoC120 2835015356
OSC8 3022070878
OSC7 3501237545
Material Indicele de performanta P
OSC7 74950
OSC8 75050
VSCW20 92400
MoCN15 96750
VC06 97400
VMoC120 100650
VMoCN17 101100
C120 101450
VCW85 101750
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile proprietatii materialului
ordonate crescator
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile relative ale proprietatii materialului ordonate crescator
70
Luand in considerare ca unele materiale sunt aliate cu siguranta acestea sunt mai scumpe
Daca luam in considerare costul unitar pentru otelurile carbon de scule iar densitatea de 785 (corespunzatoare fierului) se obtine indicele de merit
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
OSC7 74950 1 95477707 114
OSC8 75050 1 956050955 114
VSCW20 92400 14 840764331 100
MoCN15 96750 14 880345769 105
VC06 97400 12 103397028 123
VMoC120 100650 13 986281235 117
VMoCN17 101100 14 919927207 109
C120 101450 15 861571125 102
VCW85 101750 14 925841674 110
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea proprietatii materialului
71
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
VSCW20 2032758226 14 184964352 100
VC06 2126563155 12 225749804 122
VCW85 2501682022 14 227632577 123
C120 25017000 15 212458599 115
VMoCN17 2663140356 14 242323963 131
MoCN15 2735970124 14 248950876 135
VMoC120 2835015356 13 277806502 150
OSC8 3022070878 1 384977182 208
OSC7 3501237545 1 446017522 241
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea relativa a proprietatii materialului
72
Selectati materialele potrivite pentru piesele din imagine
Randul I 1 Serie mare de fabricatie-6p Randul II Serie mica (unicat) de fabricatie-6p
Randul I 2 Criterii de selectie a materialelor-1p3 Etapele selectiei materialelor ndash 1p4 Economicitatea piesei ndash 1p5 Strategii de selectie a materialelor ndash 1p
Randul II 2 Tipuri de date utilizate la selectia materialelor-1p3 Cum se face minimalizarea costurilor-1p4 Perofmantele piesei in functionare ndash 1p5 Care sunt cerintele fata de material ndash 1p
SUBIECTE EXAMEN
73
Date privind principalele proprietati tehnologice ale unor materiale
Material
Valorile proprietatii
Aschiabilitate Turnabilitate Sudabilitate Cost
F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba $tona
Otel de constructii (OL) X X X 140
Otel carbon de calitate (OLC) X X X
260
Fonte obisnuite (Fc) X X X 160
Punctaje 60 30 10 60 30 10 60 30 10
Avand in vedere ca pretul creste odata cu rezistenta la tractiune calculati costul fiecarui material prin inmultirea costului de baza cu valoarea proprietatii si impartiti la 100
74
Materiale ce pot fi luate in considerare spre analiza
Material Rm HV A Material Rm HV A Material Rm HV A
OL30 310 95 32 OLC8 324 140 33 Fc100 100 105 2
OL32 310 93 33 OLC10 321 150 31 Fc150 150 145 3
OL34 330 105 31 OLC15 373 155 27 Fc200 200 180 4
OL37 360 112 25 OLC20 410 165 25 Fc250 250 190 4
OL42 410 130 22 OLC25 450 175 24 Fc300 300 210 5
OL44 430 135 22 OLC30 490 180 21 Fc350 350 220 6
OL50 500 160 21 OLC35 530 195 21 Fc400 400 240 6
OL52 510 160 21 OLC40 570 200 19
OL60 590 185 16 OLC45 610 220 18
OL70 690 215 11 OLC50 640 230 16
OLC55 670 240 14
OLC60 700 255 14
Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50
Proprietatea tehnilogica intra cu o pondere de 100
VA UREZ SUCCES
34
EXEMPLE
Butelie de aragaz
Rezistenta Ductilitate Cost
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Rezistenta Ductilitate ρmic
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Butelii pentru gaze utilizate in aviatie
Costul este nenegociabil Oteluri pentru recipienti sub
presiune la temperaturi joase ndash R37 R44
Greutate cat mai mica (considerata nenegociabila) Materiale compozite (Kevlar 49-matrice epoxidica armata
cu fibre de poliamida)
35
MODALITATI DE ABORDARE A SELECTIEI MATERIALELOR SI PROCEDEELOR DE PRELUCRARE
Aparitia unor materiale noi si a competitiei intre materiale
Abordari noi in selectia materialelor si a procedeelor de prelucrare
Materialele plastice folosite la obtinerea pieselor complexe si de buna calitate inalta tehnologie
Materialele compozite au condus la reducerea substantiala a
greutatii produsului
Materiale sinterizate utilizate la obtinerea pieselor fara pierderi de material si consum de enetgie
scazut
Ingineria suprafetelor ofera posibilitati de modificare a
suprafetelor si coferirea unor proprietati deosebite
Cu toate aceste proiectantii se limiteaza la selectia
materialelor si procedeelor de prelucrare cunoscute mai bine
- Evitarea riscurilor- Nu este cunoscuta existenta unor noi materiale- Nu sunt cunoscute noile tehnologii de fabricatie etc
Proiectarea industriala trebuie asociata cu design-ul realizarea unei forme estetice obtinerea unui aspect exterior
placut
Design-ul industrial include mai mult decat o stilizare
Alegerea materialului permite un anumit design sau altul
36
La selectarea functiunii produsului (comportarea lui in exploatare-C) a materialelor (M) a
procedeelor de prelucrare (P) a formei (F) trebuie sa se tina seama ca acestea se intrepatrund (trebuie
sa tin seama in acelasi timp de ele)
Dificil Pot fi urmate diferite
succesiuni
Succesiunea CFMP prezinta urmatoarea
ordine de luare in considerare
-functionalitatea produsului (C)-forma piesei-materialul piesei-procedeul de prelucrare
Pot exista diferite succesiuni
Conduce la solutii diferite
Cadrul face conexiunea intre roti
saua bicicletei pedale ghidon
EXEMPLU Succesiunea CFMP
Functionalitatea si forma sunt aceleasi
Teava de aluminiu
Sudare
Succesiunea CFPM
Functionalitatea si forma sunt aceleasi
Sudare Teava de otel-se sudeaza mai bine
Succesiunea CMPF
Functionalitatea este aceeasi
Ca material se poate alege unul compozit
Sudare lipire
Forma aceeasi sau nu
Succesiunea CPMF
Poate fi aleasa presarea unui material superplastic
Alegerea ca material aluminiul
Forma S asimetrica plata
37
Pe baza functiunilor impuse produsului proiectantul schiteaza o serie de solutii tinand seama
de-materialele ce pot fi folosite-procedeele de fabricatie ce pot fi aplicate-formele potrivite ca functionalitate si design
Fiecare combinatie materialprocedeu de prelucrare conduce la diferite forme
Pot fi generate un numar
diferit de forme
Este o abordare CPMF sau CMPF
38
STRATEGII DE SELECTIE A MATERIALELOR
O strategie de selectie are doua componente
Formularea marimi prin care sa se evaluare un set de cerinte impuse materialului
Un procedeu de evaluare a marimii cerintelor prin care sa
se poata face ierarhizarea acestora in functie de masura in
care acestea sunt indeplinite
Strategiile cauta cai de implementare a procesului si anume de a converti un set de date ldquode intrarerdquo (cerintele proiectarii)
intr-un set de date ldquode iesirerdquo- alegerea materialului si a procedeului de prelucrare
39
Cerintele proiectarii
Materiale si procedee de prelucrare selectate
Strategii de selectie
Date initiale Functie de transfer Date finale
Strategia 1 Cautare libera implicand analiza rationala
Strategia 2 Bazata pe chestionare Este o selectie prin expertiza
Strategia 3 Analogie bazata pe cazuri anterioare
Posibila inovatie
Ofera solutii cunoscute
Ofera solutii similare cu situatia prezenta
Ofera mare libertate de selectie dar putina ghidare in proces
Ofera multa ghidare in proces dar putina libertate de selectie
Ofera idei ale solutiilor anterioare pentru probleme similare
40
SELECTIA LIBERA BAZATA PE ANALIZA RATIONALA
Este rapida si eficienta
Ofera o mare libertate pentru aplicatii
Ofera solutii noi si inovative
Avantaje
Are nevoie de date de intrare precis detaliate intr-o forma ce pot fi analizate prin metode ingineresti
standard
EXEMPLU
Gasiti un material pentru o bara de lungime L care sa
suporte o forta F la temperatura T si sa fie cat mai usoara
Cerinte pentru proiectare
ANALIZA SCHITEIFunctia Ce trebuie sa faca piesaObiective Ce trebuie maximalizat sau minimalizatConstrangeri Ce conditii esentiale trebuie sa fie indepliniteVariabile libere Care variabile ale proiectului sunt libere (cerinte nerigide)
41
Functia Ce trebuie sa faca piesa
Obiective Ce trebuie maximalizat sau minimalizat
Variabile libere Care variabile ale proiectului sunt libere (cerinte nerigide)
De a rezista la momente de incovoiere trebuie sa suporta incarcatura pentru care a fost proiectata fara a se deforma
Constrangeri Ce conditii esentiale trebuie sa fie indeplinite
Lungimea L data Tigiditatea S data Sa reziste si sa nu se deformeze la temperatura T
Trebuie minimalizata greutate
Aria sectiunii Costul
Procesul de selectie a avea 3 pasi
Filtrarea Se folseste de constrangeri pentru inlaturarea materialelor care nu indeplinesc cerintele
IerarhizareaSe folseste de marimea performantelor materialelor ramase in discutie pentru a le ordona
Documentarea
Analizeaza informatiile nestructurate le structureaza si le introduce in structura ierarhizata realizand o fisa cu informatii care ajuta selectia finala a materialului
42
Ierarhizarea se face parcurgand mai multe faze
Identificarea unuia sau a mai multor indici de performanta corespunzatori functiei obiectivului si constrangerilor
Indicele de performanta permite optimizarea selectiei
Pentru identificarea acestor indici se parcurg urmatoarele etape
Transpunerea intr-o relatie a obiectivului (entitatea) ce trebuie minimalizata sau maximalizata
Analiza grupului de proprietati (indicele de performanta) care maximalizeaza obiectivul
Eliminarea din aceasta relatie a variabilelor libere utilizand constrangerile (ex valoarea impusa rigiditatii a incarcarii limita a unui moment a presiunii a temperaturii de lucru sau al tenacitatii
43
EXEMPLU
TEMAGasiti un material pentru o bara de lungime L care sa
suporte o forta F la temperatura T si sa fie cat mai usoara
b
b
Lδ
F
Sageata
Sectiunea
CERINTELE PROIECTARIIFunctia Bara incarcata la incovoiereObiectiv Minimalizarea greutatiiConstrangeri Lungimea L data Rigiditatea S data Temperatura de exploatare T data (500deg)Variabile libere Aria sectiunii A Materialul de selectat
Se alege masa ldquomrdquo ca indice de performanta (trebuie sa fie minimalizat)
Masa barei este
Constrangerea privind rigiditatea va determina aria sectiunii ASageata unei bare simplu rezemata (forta actionand la mijloc) este data de relatia
44
unde E-modulul de elasticitate al materialului barei I-momentul de inertie al sectiunii grinzii
CL-reprezinta o constanta ce depinde de modul de distributie a fortei F (CL=48)
Rigiditatea barei este data de relatia
Din aceasta ultima relatie rezulta aria sectiunii A
Prin substitutia acestei relatii in relatia de determinare a masei grinzii se obtine indicele de performanta m
Valorile S L CL sunt date de proiect
Cea mai usoara bara este acea realizata dintr-un material care are cea mai mare valoare pentru
raport numit si ldquoindice de materialrdquo
Functia Incarcarea ConstrangeriIndici de
performantaRelatia
indicelui
Structuri de masa minima
Tija
BaraStatica
Rigiditate
Tractiune Eρ
Compresiune Eρ
Incovoiere E12ρ
Torsiune E12ρ
Rezistenta
Tractiune σrρ
Compresiune σcρ
Incovoiere σr23ρ
Torsiune σc23ρ
Dinamica
Panou
45
Exista mai multi indici de performanta fiecare realizand o combinatie dintre obiectiv si constrangere
46
47
48
METODE CANTITATIVE DE SELECTIE A MATERIALELOR CANDIDATE
Materialele candidat sunt materialele care satisfac cerintele cuprinse in matricea de cerinte rezultate dinbull Cerintele functionalebull Siguranta in functionarebull Functionarea in conditii ambientale de exploatarebull Cerintele de prelucrabilitatebull Economicitatea piesei
Care din aceste materiale vor fi luate in considerare la realizarea piesei
Evaluarea materialelor candidat
Evaluarea presupune compararea materialelor candidat care indeplinesc cerintele negociabile cu caracteristicile efective ale materialului in vederea selectarii celui optim pentru o aplicatie data
49
Evaluarea materialelor candidat
Este mai simpla pentru metodele cantitative de evaluare
Trebuie sa tina seama de anumite avantaje (usurinta procurarii materialului distanta pana la furnizor seriozitatea furnizarii constanta in calitatea produselor etc) care pot introduce anumite limitari determinand anumite compromisuri
In cele mai multe cazuri metodele cantitative de selectie conduc la materialul optim pentru o aplicatie
Metodele cantitative pot fi reluate odata cu schimbarea importantei relative a cerintelor negociabile
ATENTIE Cerintele nenegociabile trebuie satisfacute in totalitate si intocmai
Daca niciun material nu satisfac cerintele negociabile atunci fie ca acestea trebuie relaxate fie se impune reproiectarea produsului
50
Selectia este o operatie complexa
Numar mare de materiale cu o plaja larga de proprietati
Daca se face intamplator
Apare riscul de a omite anumite materiale candidate
Reducerea riscului prin adoptarea unei metode sistematice de selectie a materialelor
Metodele cantitative
Permitbull analiza unui numar ridicat de datebull a multor specificatii implicate in selectia materialelorbull pot fi adaptate pentru o selectie asistata de calculator
dintr-o baza de date
Metodele nu elimina capacitatea de analiza si experienta ingineruluiAceste metode sprijina inginerul in alegerea optima
51
METODA COSTULUI RAPORTAT LA UNITATEA DE PROPRIETATE
Economicitatea piesei
Costul initial al materialului
Costul prelucrarii si montarii
Costul functionarii si intretinerii
Unele dintre aceste costuri cresc odata cu cresterea
valorii proprietatilor altele scad
Proprietatea (Rm)
Costul piesei
Alte costuri
Costul total
Cos
tul
Cost minim
Odata cu cresterea rezistentei- Prelucrare mai dificila- Greutatea pe piesa scade- Durabilitatea in exploatare
creste si deci numarul de piese in utilizate in timp mai mic
Costul total este suma costului piesei si a celorlalte costuri
52
Valoarea optima a proprietatii (aici Rm) apare la costul minim
In piata costul materialului este legat de greutatea sau volumul (dupa caz) materialului
Se poate stabili o comparatie a materialelor intre proprietatile relative (proprietatea raportata la
greutatea specifica) De exemplu rezistenta rigiditatea modul de elasticitate etc
Criteriul esential este costul raportat la unitatea de rezistenta la tractiune
C=pρσ
C- costul asigurarii unei rezistente de 1 MPap- costul unitatii de proprietate a materialului
ρ- densitatea materialului
σr- rezistenta la tractiune
Cu cat valoarea lui ldquoCrdquo este mai mica cu atat materialul
este mai economic
53
Relatii asemanatoare pot fi obtinute si pentru alte proprietati cum ar fi- limita la curgere- modulul de elastuicitate- factorul de intensitate a tensiunii etc
Costul unitatii de proprietate pentru diferite moduri de solicitare
54
Compararea materialelor privind aceste costuri este esentiala
Se compara materialele intre ele
Este dificilSe ia un material de referinta
Costul relativ pe unitatea de proprietate a materialului candidat ldquoirdquo raportat la costul relativ pe unitatea de proprietate a materialului de referinta ldquobrdquo este dat de relatia
Daca CR este subunitar materialul candidat este mai ieftin decat materialul de referinta
Materialul de referinta este eliminat si materialul candidat se ia ca material de referinta pentru urmatoarea comparatie
Daca CR este supra unitar materialul candidat este mai scump decat materialul de referinta
Materialul de referinta se ia ca material de comparatie pentru urmatoarea analiza
55
METODA PONDERARII PROPRIETATILOR
Este o metoda pentru rezolvarea unor solutii mai comlexe de materiale materiale si proprietati
Fiecarei proprietati a materialului i se acorda o pondere rdquoαrdquo
Ponderea este proportionala cu importanta relativa a proprietatii pentru performanta in exploatare a materialului pentru aplicatia data
Ponderea proprietatii este egala cu produsul dintre valoarea numerica a proprietatii materialului ldquoprdquo si ponderea ei ldquoαrdquo
γ=pα
Insumand toate aceste produse pentru un material se obtine un indice de performanta ldquoPrdquo al materialului
Aceasta metoda ia in considerare toate proprietatile materialului
Comparand mai multe materiale prin indicele de performanta se poate gasi cel mai performant material pentru o aplicatie
56
Dezavantajul acestei metode consta in faptul ca in cazul unei proprietati care are o valoare ridicata aceasta v-a avea o influenta mai mare asupra indicelui de performanta decat ponderea ei
Exemplu Un material A care are Rm=370 MPa si o duritate de 350 HRB si un alt material B care are Rm=400 MPa si o duritate de 300 HRBStabilind ponderea proprietatii de 100 pentru rezistenta si 90 pentru duritate se obtine un indice de performanta de 68500 pentru material ul A si 67000 pentru materialul B
Inseamna ca impotriva importantei rezistentei la tractiune (ca fiind primul criteriu de selectie) si care este mai mare pentru materialul B indicele de performanta al materialului A este mai mare si deci acest material v-a fi selectat
La evaluarea materialelor candidat se va lucra cu valori relative ldquoβrdquo ale unei anumite proprietati celei mai mari valori a proprietatii atribuindu-se valoarea 100 iar celelalte valori relative se determina cu relatia
57
Pentru proprietatile materialelor care nu se exprima in mod obisnuit prin valori numerice (rezistenta la uzare sudabilitatea aschiabilitatea diferite proprietati tehnologice etc) evaluarea se poate face relativ la una dintre proprietati astfel
Astfel fiecarei proprietati I se acorda o importanta egalasi ea va influenta indicii de performanta ai materialelor doar comparate doar in masura ponderii acordate
Pentru proprietati ale caror valori se doreste a fi cat mai mici (densitatea pierderea de greutate prin coroziune etc) evaluarea se face printr-un raport invers
ProprietateaMateriale alternative
A B C D
Sudabilitatea Foarte buna Buna Buna Satisfacatoare
Evaluarea relativa 5 3 3 1
Valoarea scalata 100 60 60 20
58
Exemplu In ceea ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru rezistenta la tractiune a materialului A este de 925 Pentru al doilea material aceasta valoare este de 100 In ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru duritate aceasta este de 100 pentru materialul A si de 857 pentru materialul B
Acest lucru poate schimba situatia ierarhica a materialelor sau le poate apropia atat de mult indicele de performanta incat sa se puna problema luari in considerare si a altor elemente pentru selectie
Astfel indicele de performanta a materialului este dat de relatia
unde P reprezinta indicele de performanta a materialuluildquoirdquo este suma celor ldquonrdquo proprietati considerate a materialul ui
59
Ponderea α poate fi considerata ca αilt1 astfel incat
(cazul cel mai frecvent) sau ei I se poate aloca o plaja de valori valoarea cea mai mare
corespunzand proprietatii cu cea mai mare importanta
Costul materialului poate fi considerat ca o proprietate (chiar importanta) acordandui-se o pondere ldquoαrdquo
In cazul luarii in considerare a unui numar mare de proprietati costul poate fi considerat un factor de corectie al indicelui de performanta a materialului rezultand indicele de merit al acestuia
in care ldquoprdquo reprezinta costul unitatii de greutate a materialului
60
Cand se doreste compararea mai multor materiale candidat (i) cu unul de baza (de referinta) se calculeaza indicele relativ de merit al fiecarui material astfel
Daca RMgt1 respectivul material candidat ldquoirdquo corespunde mai bine cerintelor decat materialul de referinta ldquobrdquoIn cazul in care Mb reprezinta minimul cerintelor impuse Materialele candidat avand RMlt1 pot fi eliminate de la inceput ca fiind necorespunzatoare
Cand trebuie luate in considerare mai multe proprietati ale materialului pentru evaluarea indicelui de performanta este dificila evaluarea ponderii acestora Rezolvarea aceste probleme poate fi realizata printr-o evaluare prin programe numerice
61
METODA CRESTERII INCREMENTALE
In anumite situatii pot aparea mai multe materiale care indeplinesc cerintele minime impuse de o anumita aplicatie
Dupa analiza acestor materiale se poate presupune ca performantele pieselor prelucrate sunt proportionale cu indicii de performanta ldquoPrdquo In acelasi timp costul piesei variaza proportional cu costul materialului si al prelucrarii acestora
Daca se doreste selectarea piesei care are cea mai mare performanta la cea mai rezonabila crestere a costului se poate face o analiza beneficiu-cost Procedeul se ia indeosebi cand se doreste inlocuirea unui material utilizat deja in fabricatie
Materialul cu cel mai scazut cost (1) se ca element de baza si este comparat cu materialul care are costul imediat superior (2) Comparatia se face determinand cresterea indicelui de performanta (ΔP=P2-P1) si a costului ldquoprdquo pe unitatea de volum (Δpρ=p2ρ2-p1ρ1)
Daca ΔPΔpρlt1 materialul 1 corespunde mai bine decat materialul 2 pentru aplicatia data si materialul 2 va fi eliminatDaca ΔPΔpρgt1 materialul 1 va fi eliminat deoarece materialul 2 corespunde mai bine cerintelor aplicatieiSe continua compararea cu al treilea material si rand pe rand vor fi eliminate materialele mai putin corespunzatoare ajungand la materialul optim
62
EXEMPLU DE SELECTIE A MATERIALELOR
Tema Realizarea piesesei din figura dintr-un otel ldquoOL37rdquo intr-o serie mare de fabricatie-Este o piesa cilindrica cu dimensiunile date-Are un butuc-Prezinta o gaura lunga si de diametre mic
oslash200oslash50
150oslash20
Se poate realiza din bara rotunda prin strunjire
Se poate realiza din bara rotunda prin forjare
80
Coeficientul de utilizare a materialului 055
Coeficientul de utilizare a materialului 098
63
Diametrul mm Inaltime mm Volum mm3 Volum mm3Coeficientul de
utilizare a materialului
Semif Pornire 200 150 4710000 4710000
Strunjire
200 80 2512000
2602275 055=5550 35 137375
20 150 47100
Forjare
200 80 25120002649375
098=9850 35 137375
20 150 47100 2602275
Coeficientul de utilizare a materialului K=greutatea piesei finitegreutatea materialului utilizat pentru realizarea lui (a semifabricatului de pornire)
In calcul s-a lucrat cu volumul materialului deoarece G=VρAdaosuriele de prelucrare s-u luat ca fiind egaleApare un mult mai bun grad de utilizare a materialului pentr prelucrarea prin forjare
PIESA SE VA REALIZA PRIN FORJARE
64
1
2
3
5
6
4
9
8
F
107F
1-semimatrita superioara2-semimatrita inferioara3-cavitatea semimatritei sup4-cavitatea semimatritei inf5-canalul de bavura6-canalul de refulare7-prinderea semimatritei sup8-prinderea semimatritei inf9-elemente de ghidare (stifturi)10-planul de separare
TEMA Sa se stabileasca materialul optim pentru realizarea elementelor active ale matrtei de forjare din figura Se urmreste obtinerea piesei prin forjare la cald
CERINTE PENTRU PROIECTARE
Analiza schiteiFunctia Elemete (semimatrite) de matrita de deformare plasticaObiectiv Trebuie maximalizata tenacitatea (rezilienta)Constrangeri Dimensiunile cavitatii matritei (depind de marimea piesei) dimensiunile exterioare si sistemul de prindere (depind de utilaj temperatura de lucruVariabile libere material
65
Se cauta in sursele de informatii structurate si nestructurate materialele care respecta cerintele
Elemente de matrita
Rezistente la cald
Tenacitate Duritate
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Materialele potrivite sunt metalele si aliajele lor
-Materialele ceramice nu au tenacitate-Materialele polimerice nu au rezistenta la cald-Materialele compozite sunt scumpe si nu au tenacitate
Depinde de compozitia lor
Se cauta materiale cu destinatie precisa Materiale pentru scule de deformare
66
Din baza de date se constata ca urmatoarele materiale satisfac
cerintele rigide adica sa poata fi utilizate la prelucrarea la cald
Sunt materiale cu destinatie precisaDaca nu sunt materiale cu destinatie
precisa se cauta in grupa materialelor cu destinatie generala
Material Rm min MPa HV A5 KCU Jcm3
C120 890 265 8 60
VMoC120 870 265 8 68
VC06 870 230 6 68
VCW85 870 265 6 80
MoCN15 830 250 7 75
VMoCN17 870 265 7 73
VSCW20 790 235 5 78
OSC7 640 195 12 56
OSC8 640 195 10 58
67
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU Jcm3 βKCU Indicele de
performanta PC120 890 265 8 60 101450
VMoC120 870 265 8 68 100650
VC06 870 230 6 68 97400
VCW85 870 265 6 80 101750
MoCN15 830 250 7 75 96750
VMoCN17 870 265 7 73 101100
VSCW20 790 235 5 78 92400
OSC7 640 195 12 56 74950
OSC8 640 195 10 58 75050Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza peoprietatii
68
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU
Jcm3 βKCU Indicele de performanta P
C120 890 100 265 10000 8 6667 60 75 25017000
VMoC120 870 9775 265 10000 8 6667 68 85 2835015356
VC06 870 9775 230 8679 6 5000 68 85 2126563155
VCW85 870 9775 265 10000 6 5000 80 100 2501682022
MoCN15 830 9326 250 9434 7 5833 75 9375 2735970124
VMoCN17 870 9775 265 10000 7 5833 73 9125 2663140356
VSCW20 790 8876 235 8868 5 4167 78 975 2032758226
OSC7 640 7191 195 7358 12 10000 56 70 3501237545
OSC8 640 7191 195 7358 10 8333 58 725 3022070878Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza proprietatii relative
69
Material Indicele de performanta P
VSCW20 2032758226
VC06 2126563155
VCW85 2501682022
C120 25017000
VMoCN17 2663140356
MoCN15 2735970124
VMoC120 2835015356
OSC8 3022070878
OSC7 3501237545
Material Indicele de performanta P
OSC7 74950
OSC8 75050
VSCW20 92400
MoCN15 96750
VC06 97400
VMoC120 100650
VMoCN17 101100
C120 101450
VCW85 101750
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile proprietatii materialului
ordonate crescator
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile relative ale proprietatii materialului ordonate crescator
70
Luand in considerare ca unele materiale sunt aliate cu siguranta acestea sunt mai scumpe
Daca luam in considerare costul unitar pentru otelurile carbon de scule iar densitatea de 785 (corespunzatoare fierului) se obtine indicele de merit
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
OSC7 74950 1 95477707 114
OSC8 75050 1 956050955 114
VSCW20 92400 14 840764331 100
MoCN15 96750 14 880345769 105
VC06 97400 12 103397028 123
VMoC120 100650 13 986281235 117
VMoCN17 101100 14 919927207 109
C120 101450 15 861571125 102
VCW85 101750 14 925841674 110
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea proprietatii materialului
71
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
VSCW20 2032758226 14 184964352 100
VC06 2126563155 12 225749804 122
VCW85 2501682022 14 227632577 123
C120 25017000 15 212458599 115
VMoCN17 2663140356 14 242323963 131
MoCN15 2735970124 14 248950876 135
VMoC120 2835015356 13 277806502 150
OSC8 3022070878 1 384977182 208
OSC7 3501237545 1 446017522 241
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea relativa a proprietatii materialului
72
Selectati materialele potrivite pentru piesele din imagine
Randul I 1 Serie mare de fabricatie-6p Randul II Serie mica (unicat) de fabricatie-6p
Randul I 2 Criterii de selectie a materialelor-1p3 Etapele selectiei materialelor ndash 1p4 Economicitatea piesei ndash 1p5 Strategii de selectie a materialelor ndash 1p
Randul II 2 Tipuri de date utilizate la selectia materialelor-1p3 Cum se face minimalizarea costurilor-1p4 Perofmantele piesei in functionare ndash 1p5 Care sunt cerintele fata de material ndash 1p
SUBIECTE EXAMEN
73
Date privind principalele proprietati tehnologice ale unor materiale
Material
Valorile proprietatii
Aschiabilitate Turnabilitate Sudabilitate Cost
F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba $tona
Otel de constructii (OL) X X X 140
Otel carbon de calitate (OLC) X X X
260
Fonte obisnuite (Fc) X X X 160
Punctaje 60 30 10 60 30 10 60 30 10
Avand in vedere ca pretul creste odata cu rezistenta la tractiune calculati costul fiecarui material prin inmultirea costului de baza cu valoarea proprietatii si impartiti la 100
74
Materiale ce pot fi luate in considerare spre analiza
Material Rm HV A Material Rm HV A Material Rm HV A
OL30 310 95 32 OLC8 324 140 33 Fc100 100 105 2
OL32 310 93 33 OLC10 321 150 31 Fc150 150 145 3
OL34 330 105 31 OLC15 373 155 27 Fc200 200 180 4
OL37 360 112 25 OLC20 410 165 25 Fc250 250 190 4
OL42 410 130 22 OLC25 450 175 24 Fc300 300 210 5
OL44 430 135 22 OLC30 490 180 21 Fc350 350 220 6
OL50 500 160 21 OLC35 530 195 21 Fc400 400 240 6
OL52 510 160 21 OLC40 570 200 19
OL60 590 185 16 OLC45 610 220 18
OL70 690 215 11 OLC50 640 230 16
OLC55 670 240 14
OLC60 700 255 14
Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50
Proprietatea tehnilogica intra cu o pondere de 100
VA UREZ SUCCES
35
MODALITATI DE ABORDARE A SELECTIEI MATERIALELOR SI PROCEDEELOR DE PRELUCRARE
Aparitia unor materiale noi si a competitiei intre materiale
Abordari noi in selectia materialelor si a procedeelor de prelucrare
Materialele plastice folosite la obtinerea pieselor complexe si de buna calitate inalta tehnologie
Materialele compozite au condus la reducerea substantiala a
greutatii produsului
Materiale sinterizate utilizate la obtinerea pieselor fara pierderi de material si consum de enetgie
scazut
Ingineria suprafetelor ofera posibilitati de modificare a
suprafetelor si coferirea unor proprietati deosebite
Cu toate aceste proiectantii se limiteaza la selectia
materialelor si procedeelor de prelucrare cunoscute mai bine
- Evitarea riscurilor- Nu este cunoscuta existenta unor noi materiale- Nu sunt cunoscute noile tehnologii de fabricatie etc
Proiectarea industriala trebuie asociata cu design-ul realizarea unei forme estetice obtinerea unui aspect exterior
placut
Design-ul industrial include mai mult decat o stilizare
Alegerea materialului permite un anumit design sau altul
36
La selectarea functiunii produsului (comportarea lui in exploatare-C) a materialelor (M) a
procedeelor de prelucrare (P) a formei (F) trebuie sa se tina seama ca acestea se intrepatrund (trebuie
sa tin seama in acelasi timp de ele)
Dificil Pot fi urmate diferite
succesiuni
Succesiunea CFMP prezinta urmatoarea
ordine de luare in considerare
-functionalitatea produsului (C)-forma piesei-materialul piesei-procedeul de prelucrare
Pot exista diferite succesiuni
Conduce la solutii diferite
Cadrul face conexiunea intre roti
saua bicicletei pedale ghidon
EXEMPLU Succesiunea CFMP
Functionalitatea si forma sunt aceleasi
Teava de aluminiu
Sudare
Succesiunea CFPM
Functionalitatea si forma sunt aceleasi
Sudare Teava de otel-se sudeaza mai bine
Succesiunea CMPF
Functionalitatea este aceeasi
Ca material se poate alege unul compozit
Sudare lipire
Forma aceeasi sau nu
Succesiunea CPMF
Poate fi aleasa presarea unui material superplastic
Alegerea ca material aluminiul
Forma S asimetrica plata
37
Pe baza functiunilor impuse produsului proiectantul schiteaza o serie de solutii tinand seama
de-materialele ce pot fi folosite-procedeele de fabricatie ce pot fi aplicate-formele potrivite ca functionalitate si design
Fiecare combinatie materialprocedeu de prelucrare conduce la diferite forme
Pot fi generate un numar
diferit de forme
Este o abordare CPMF sau CMPF
38
STRATEGII DE SELECTIE A MATERIALELOR
O strategie de selectie are doua componente
Formularea marimi prin care sa se evaluare un set de cerinte impuse materialului
Un procedeu de evaluare a marimii cerintelor prin care sa
se poata face ierarhizarea acestora in functie de masura in
care acestea sunt indeplinite
Strategiile cauta cai de implementare a procesului si anume de a converti un set de date ldquode intrarerdquo (cerintele proiectarii)
intr-un set de date ldquode iesirerdquo- alegerea materialului si a procedeului de prelucrare
39
Cerintele proiectarii
Materiale si procedee de prelucrare selectate
Strategii de selectie
Date initiale Functie de transfer Date finale
Strategia 1 Cautare libera implicand analiza rationala
Strategia 2 Bazata pe chestionare Este o selectie prin expertiza
Strategia 3 Analogie bazata pe cazuri anterioare
Posibila inovatie
Ofera solutii cunoscute
Ofera solutii similare cu situatia prezenta
Ofera mare libertate de selectie dar putina ghidare in proces
Ofera multa ghidare in proces dar putina libertate de selectie
Ofera idei ale solutiilor anterioare pentru probleme similare
40
SELECTIA LIBERA BAZATA PE ANALIZA RATIONALA
Este rapida si eficienta
Ofera o mare libertate pentru aplicatii
Ofera solutii noi si inovative
Avantaje
Are nevoie de date de intrare precis detaliate intr-o forma ce pot fi analizate prin metode ingineresti
standard
EXEMPLU
Gasiti un material pentru o bara de lungime L care sa
suporte o forta F la temperatura T si sa fie cat mai usoara
Cerinte pentru proiectare
ANALIZA SCHITEIFunctia Ce trebuie sa faca piesaObiective Ce trebuie maximalizat sau minimalizatConstrangeri Ce conditii esentiale trebuie sa fie indepliniteVariabile libere Care variabile ale proiectului sunt libere (cerinte nerigide)
41
Functia Ce trebuie sa faca piesa
Obiective Ce trebuie maximalizat sau minimalizat
Variabile libere Care variabile ale proiectului sunt libere (cerinte nerigide)
De a rezista la momente de incovoiere trebuie sa suporta incarcatura pentru care a fost proiectata fara a se deforma
Constrangeri Ce conditii esentiale trebuie sa fie indeplinite
Lungimea L data Tigiditatea S data Sa reziste si sa nu se deformeze la temperatura T
Trebuie minimalizata greutate
Aria sectiunii Costul
Procesul de selectie a avea 3 pasi
Filtrarea Se folseste de constrangeri pentru inlaturarea materialelor care nu indeplinesc cerintele
IerarhizareaSe folseste de marimea performantelor materialelor ramase in discutie pentru a le ordona
Documentarea
Analizeaza informatiile nestructurate le structureaza si le introduce in structura ierarhizata realizand o fisa cu informatii care ajuta selectia finala a materialului
42
Ierarhizarea se face parcurgand mai multe faze
Identificarea unuia sau a mai multor indici de performanta corespunzatori functiei obiectivului si constrangerilor
Indicele de performanta permite optimizarea selectiei
Pentru identificarea acestor indici se parcurg urmatoarele etape
Transpunerea intr-o relatie a obiectivului (entitatea) ce trebuie minimalizata sau maximalizata
Analiza grupului de proprietati (indicele de performanta) care maximalizeaza obiectivul
Eliminarea din aceasta relatie a variabilelor libere utilizand constrangerile (ex valoarea impusa rigiditatii a incarcarii limita a unui moment a presiunii a temperaturii de lucru sau al tenacitatii
43
EXEMPLU
TEMAGasiti un material pentru o bara de lungime L care sa
suporte o forta F la temperatura T si sa fie cat mai usoara
b
b
Lδ
F
Sageata
Sectiunea
CERINTELE PROIECTARIIFunctia Bara incarcata la incovoiereObiectiv Minimalizarea greutatiiConstrangeri Lungimea L data Rigiditatea S data Temperatura de exploatare T data (500deg)Variabile libere Aria sectiunii A Materialul de selectat
Se alege masa ldquomrdquo ca indice de performanta (trebuie sa fie minimalizat)
Masa barei este
Constrangerea privind rigiditatea va determina aria sectiunii ASageata unei bare simplu rezemata (forta actionand la mijloc) este data de relatia
44
unde E-modulul de elasticitate al materialului barei I-momentul de inertie al sectiunii grinzii
CL-reprezinta o constanta ce depinde de modul de distributie a fortei F (CL=48)
Rigiditatea barei este data de relatia
Din aceasta ultima relatie rezulta aria sectiunii A
Prin substitutia acestei relatii in relatia de determinare a masei grinzii se obtine indicele de performanta m
Valorile S L CL sunt date de proiect
Cea mai usoara bara este acea realizata dintr-un material care are cea mai mare valoare pentru
raport numit si ldquoindice de materialrdquo
Functia Incarcarea ConstrangeriIndici de
performantaRelatia
indicelui
Structuri de masa minima
Tija
BaraStatica
Rigiditate
Tractiune Eρ
Compresiune Eρ
Incovoiere E12ρ
Torsiune E12ρ
Rezistenta
Tractiune σrρ
Compresiune σcρ
Incovoiere σr23ρ
Torsiune σc23ρ
Dinamica
Panou
45
Exista mai multi indici de performanta fiecare realizand o combinatie dintre obiectiv si constrangere
46
47
48
METODE CANTITATIVE DE SELECTIE A MATERIALELOR CANDIDATE
Materialele candidat sunt materialele care satisfac cerintele cuprinse in matricea de cerinte rezultate dinbull Cerintele functionalebull Siguranta in functionarebull Functionarea in conditii ambientale de exploatarebull Cerintele de prelucrabilitatebull Economicitatea piesei
Care din aceste materiale vor fi luate in considerare la realizarea piesei
Evaluarea materialelor candidat
Evaluarea presupune compararea materialelor candidat care indeplinesc cerintele negociabile cu caracteristicile efective ale materialului in vederea selectarii celui optim pentru o aplicatie data
49
Evaluarea materialelor candidat
Este mai simpla pentru metodele cantitative de evaluare
Trebuie sa tina seama de anumite avantaje (usurinta procurarii materialului distanta pana la furnizor seriozitatea furnizarii constanta in calitatea produselor etc) care pot introduce anumite limitari determinand anumite compromisuri
In cele mai multe cazuri metodele cantitative de selectie conduc la materialul optim pentru o aplicatie
Metodele cantitative pot fi reluate odata cu schimbarea importantei relative a cerintelor negociabile
ATENTIE Cerintele nenegociabile trebuie satisfacute in totalitate si intocmai
Daca niciun material nu satisfac cerintele negociabile atunci fie ca acestea trebuie relaxate fie se impune reproiectarea produsului
50
Selectia este o operatie complexa
Numar mare de materiale cu o plaja larga de proprietati
Daca se face intamplator
Apare riscul de a omite anumite materiale candidate
Reducerea riscului prin adoptarea unei metode sistematice de selectie a materialelor
Metodele cantitative
Permitbull analiza unui numar ridicat de datebull a multor specificatii implicate in selectia materialelorbull pot fi adaptate pentru o selectie asistata de calculator
dintr-o baza de date
Metodele nu elimina capacitatea de analiza si experienta ingineruluiAceste metode sprijina inginerul in alegerea optima
51
METODA COSTULUI RAPORTAT LA UNITATEA DE PROPRIETATE
Economicitatea piesei
Costul initial al materialului
Costul prelucrarii si montarii
Costul functionarii si intretinerii
Unele dintre aceste costuri cresc odata cu cresterea
valorii proprietatilor altele scad
Proprietatea (Rm)
Costul piesei
Alte costuri
Costul total
Cos
tul
Cost minim
Odata cu cresterea rezistentei- Prelucrare mai dificila- Greutatea pe piesa scade- Durabilitatea in exploatare
creste si deci numarul de piese in utilizate in timp mai mic
Costul total este suma costului piesei si a celorlalte costuri
52
Valoarea optima a proprietatii (aici Rm) apare la costul minim
In piata costul materialului este legat de greutatea sau volumul (dupa caz) materialului
Se poate stabili o comparatie a materialelor intre proprietatile relative (proprietatea raportata la
greutatea specifica) De exemplu rezistenta rigiditatea modul de elasticitate etc
Criteriul esential este costul raportat la unitatea de rezistenta la tractiune
C=pρσ
C- costul asigurarii unei rezistente de 1 MPap- costul unitatii de proprietate a materialului
ρ- densitatea materialului
σr- rezistenta la tractiune
Cu cat valoarea lui ldquoCrdquo este mai mica cu atat materialul
este mai economic
53
Relatii asemanatoare pot fi obtinute si pentru alte proprietati cum ar fi- limita la curgere- modulul de elastuicitate- factorul de intensitate a tensiunii etc
Costul unitatii de proprietate pentru diferite moduri de solicitare
54
Compararea materialelor privind aceste costuri este esentiala
Se compara materialele intre ele
Este dificilSe ia un material de referinta
Costul relativ pe unitatea de proprietate a materialului candidat ldquoirdquo raportat la costul relativ pe unitatea de proprietate a materialului de referinta ldquobrdquo este dat de relatia
Daca CR este subunitar materialul candidat este mai ieftin decat materialul de referinta
Materialul de referinta este eliminat si materialul candidat se ia ca material de referinta pentru urmatoarea comparatie
Daca CR este supra unitar materialul candidat este mai scump decat materialul de referinta
Materialul de referinta se ia ca material de comparatie pentru urmatoarea analiza
55
METODA PONDERARII PROPRIETATILOR
Este o metoda pentru rezolvarea unor solutii mai comlexe de materiale materiale si proprietati
Fiecarei proprietati a materialului i se acorda o pondere rdquoαrdquo
Ponderea este proportionala cu importanta relativa a proprietatii pentru performanta in exploatare a materialului pentru aplicatia data
Ponderea proprietatii este egala cu produsul dintre valoarea numerica a proprietatii materialului ldquoprdquo si ponderea ei ldquoαrdquo
γ=pα
Insumand toate aceste produse pentru un material se obtine un indice de performanta ldquoPrdquo al materialului
Aceasta metoda ia in considerare toate proprietatile materialului
Comparand mai multe materiale prin indicele de performanta se poate gasi cel mai performant material pentru o aplicatie
56
Dezavantajul acestei metode consta in faptul ca in cazul unei proprietati care are o valoare ridicata aceasta v-a avea o influenta mai mare asupra indicelui de performanta decat ponderea ei
Exemplu Un material A care are Rm=370 MPa si o duritate de 350 HRB si un alt material B care are Rm=400 MPa si o duritate de 300 HRBStabilind ponderea proprietatii de 100 pentru rezistenta si 90 pentru duritate se obtine un indice de performanta de 68500 pentru material ul A si 67000 pentru materialul B
Inseamna ca impotriva importantei rezistentei la tractiune (ca fiind primul criteriu de selectie) si care este mai mare pentru materialul B indicele de performanta al materialului A este mai mare si deci acest material v-a fi selectat
La evaluarea materialelor candidat se va lucra cu valori relative ldquoβrdquo ale unei anumite proprietati celei mai mari valori a proprietatii atribuindu-se valoarea 100 iar celelalte valori relative se determina cu relatia
57
Pentru proprietatile materialelor care nu se exprima in mod obisnuit prin valori numerice (rezistenta la uzare sudabilitatea aschiabilitatea diferite proprietati tehnologice etc) evaluarea se poate face relativ la una dintre proprietati astfel
Astfel fiecarei proprietati I se acorda o importanta egalasi ea va influenta indicii de performanta ai materialelor doar comparate doar in masura ponderii acordate
Pentru proprietati ale caror valori se doreste a fi cat mai mici (densitatea pierderea de greutate prin coroziune etc) evaluarea se face printr-un raport invers
ProprietateaMateriale alternative
A B C D
Sudabilitatea Foarte buna Buna Buna Satisfacatoare
Evaluarea relativa 5 3 3 1
Valoarea scalata 100 60 60 20
58
Exemplu In ceea ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru rezistenta la tractiune a materialului A este de 925 Pentru al doilea material aceasta valoare este de 100 In ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru duritate aceasta este de 100 pentru materialul A si de 857 pentru materialul B
Acest lucru poate schimba situatia ierarhica a materialelor sau le poate apropia atat de mult indicele de performanta incat sa se puna problema luari in considerare si a altor elemente pentru selectie
Astfel indicele de performanta a materialului este dat de relatia
unde P reprezinta indicele de performanta a materialuluildquoirdquo este suma celor ldquonrdquo proprietati considerate a materialul ui
59
Ponderea α poate fi considerata ca αilt1 astfel incat
(cazul cel mai frecvent) sau ei I se poate aloca o plaja de valori valoarea cea mai mare
corespunzand proprietatii cu cea mai mare importanta
Costul materialului poate fi considerat ca o proprietate (chiar importanta) acordandui-se o pondere ldquoαrdquo
In cazul luarii in considerare a unui numar mare de proprietati costul poate fi considerat un factor de corectie al indicelui de performanta a materialului rezultand indicele de merit al acestuia
in care ldquoprdquo reprezinta costul unitatii de greutate a materialului
60
Cand se doreste compararea mai multor materiale candidat (i) cu unul de baza (de referinta) se calculeaza indicele relativ de merit al fiecarui material astfel
Daca RMgt1 respectivul material candidat ldquoirdquo corespunde mai bine cerintelor decat materialul de referinta ldquobrdquoIn cazul in care Mb reprezinta minimul cerintelor impuse Materialele candidat avand RMlt1 pot fi eliminate de la inceput ca fiind necorespunzatoare
Cand trebuie luate in considerare mai multe proprietati ale materialului pentru evaluarea indicelui de performanta este dificila evaluarea ponderii acestora Rezolvarea aceste probleme poate fi realizata printr-o evaluare prin programe numerice
61
METODA CRESTERII INCREMENTALE
In anumite situatii pot aparea mai multe materiale care indeplinesc cerintele minime impuse de o anumita aplicatie
Dupa analiza acestor materiale se poate presupune ca performantele pieselor prelucrate sunt proportionale cu indicii de performanta ldquoPrdquo In acelasi timp costul piesei variaza proportional cu costul materialului si al prelucrarii acestora
Daca se doreste selectarea piesei care are cea mai mare performanta la cea mai rezonabila crestere a costului se poate face o analiza beneficiu-cost Procedeul se ia indeosebi cand se doreste inlocuirea unui material utilizat deja in fabricatie
Materialul cu cel mai scazut cost (1) se ca element de baza si este comparat cu materialul care are costul imediat superior (2) Comparatia se face determinand cresterea indicelui de performanta (ΔP=P2-P1) si a costului ldquoprdquo pe unitatea de volum (Δpρ=p2ρ2-p1ρ1)
Daca ΔPΔpρlt1 materialul 1 corespunde mai bine decat materialul 2 pentru aplicatia data si materialul 2 va fi eliminatDaca ΔPΔpρgt1 materialul 1 va fi eliminat deoarece materialul 2 corespunde mai bine cerintelor aplicatieiSe continua compararea cu al treilea material si rand pe rand vor fi eliminate materialele mai putin corespunzatoare ajungand la materialul optim
62
EXEMPLU DE SELECTIE A MATERIALELOR
Tema Realizarea piesesei din figura dintr-un otel ldquoOL37rdquo intr-o serie mare de fabricatie-Este o piesa cilindrica cu dimensiunile date-Are un butuc-Prezinta o gaura lunga si de diametre mic
oslash200oslash50
150oslash20
Se poate realiza din bara rotunda prin strunjire
Se poate realiza din bara rotunda prin forjare
80
Coeficientul de utilizare a materialului 055
Coeficientul de utilizare a materialului 098
63
Diametrul mm Inaltime mm Volum mm3 Volum mm3Coeficientul de
utilizare a materialului
Semif Pornire 200 150 4710000 4710000
Strunjire
200 80 2512000
2602275 055=5550 35 137375
20 150 47100
Forjare
200 80 25120002649375
098=9850 35 137375
20 150 47100 2602275
Coeficientul de utilizare a materialului K=greutatea piesei finitegreutatea materialului utilizat pentru realizarea lui (a semifabricatului de pornire)
In calcul s-a lucrat cu volumul materialului deoarece G=VρAdaosuriele de prelucrare s-u luat ca fiind egaleApare un mult mai bun grad de utilizare a materialului pentr prelucrarea prin forjare
PIESA SE VA REALIZA PRIN FORJARE
64
1
2
3
5
6
4
9
8
F
107F
1-semimatrita superioara2-semimatrita inferioara3-cavitatea semimatritei sup4-cavitatea semimatritei inf5-canalul de bavura6-canalul de refulare7-prinderea semimatritei sup8-prinderea semimatritei inf9-elemente de ghidare (stifturi)10-planul de separare
TEMA Sa se stabileasca materialul optim pentru realizarea elementelor active ale matrtei de forjare din figura Se urmreste obtinerea piesei prin forjare la cald
CERINTE PENTRU PROIECTARE
Analiza schiteiFunctia Elemete (semimatrite) de matrita de deformare plasticaObiectiv Trebuie maximalizata tenacitatea (rezilienta)Constrangeri Dimensiunile cavitatii matritei (depind de marimea piesei) dimensiunile exterioare si sistemul de prindere (depind de utilaj temperatura de lucruVariabile libere material
65
Se cauta in sursele de informatii structurate si nestructurate materialele care respecta cerintele
Elemente de matrita
Rezistente la cald
Tenacitate Duritate
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Materialele potrivite sunt metalele si aliajele lor
-Materialele ceramice nu au tenacitate-Materialele polimerice nu au rezistenta la cald-Materialele compozite sunt scumpe si nu au tenacitate
Depinde de compozitia lor
Se cauta materiale cu destinatie precisa Materiale pentru scule de deformare
66
Din baza de date se constata ca urmatoarele materiale satisfac
cerintele rigide adica sa poata fi utilizate la prelucrarea la cald
Sunt materiale cu destinatie precisaDaca nu sunt materiale cu destinatie
precisa se cauta in grupa materialelor cu destinatie generala
Material Rm min MPa HV A5 KCU Jcm3
C120 890 265 8 60
VMoC120 870 265 8 68
VC06 870 230 6 68
VCW85 870 265 6 80
MoCN15 830 250 7 75
VMoCN17 870 265 7 73
VSCW20 790 235 5 78
OSC7 640 195 12 56
OSC8 640 195 10 58
67
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU Jcm3 βKCU Indicele de
performanta PC120 890 265 8 60 101450
VMoC120 870 265 8 68 100650
VC06 870 230 6 68 97400
VCW85 870 265 6 80 101750
MoCN15 830 250 7 75 96750
VMoCN17 870 265 7 73 101100
VSCW20 790 235 5 78 92400
OSC7 640 195 12 56 74950
OSC8 640 195 10 58 75050Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza peoprietatii
68
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU
Jcm3 βKCU Indicele de performanta P
C120 890 100 265 10000 8 6667 60 75 25017000
VMoC120 870 9775 265 10000 8 6667 68 85 2835015356
VC06 870 9775 230 8679 6 5000 68 85 2126563155
VCW85 870 9775 265 10000 6 5000 80 100 2501682022
MoCN15 830 9326 250 9434 7 5833 75 9375 2735970124
VMoCN17 870 9775 265 10000 7 5833 73 9125 2663140356
VSCW20 790 8876 235 8868 5 4167 78 975 2032758226
OSC7 640 7191 195 7358 12 10000 56 70 3501237545
OSC8 640 7191 195 7358 10 8333 58 725 3022070878Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza proprietatii relative
69
Material Indicele de performanta P
VSCW20 2032758226
VC06 2126563155
VCW85 2501682022
C120 25017000
VMoCN17 2663140356
MoCN15 2735970124
VMoC120 2835015356
OSC8 3022070878
OSC7 3501237545
Material Indicele de performanta P
OSC7 74950
OSC8 75050
VSCW20 92400
MoCN15 96750
VC06 97400
VMoC120 100650
VMoCN17 101100
C120 101450
VCW85 101750
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile proprietatii materialului
ordonate crescator
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile relative ale proprietatii materialului ordonate crescator
70
Luand in considerare ca unele materiale sunt aliate cu siguranta acestea sunt mai scumpe
Daca luam in considerare costul unitar pentru otelurile carbon de scule iar densitatea de 785 (corespunzatoare fierului) se obtine indicele de merit
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
OSC7 74950 1 95477707 114
OSC8 75050 1 956050955 114
VSCW20 92400 14 840764331 100
MoCN15 96750 14 880345769 105
VC06 97400 12 103397028 123
VMoC120 100650 13 986281235 117
VMoCN17 101100 14 919927207 109
C120 101450 15 861571125 102
VCW85 101750 14 925841674 110
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea proprietatii materialului
71
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
VSCW20 2032758226 14 184964352 100
VC06 2126563155 12 225749804 122
VCW85 2501682022 14 227632577 123
C120 25017000 15 212458599 115
VMoCN17 2663140356 14 242323963 131
MoCN15 2735970124 14 248950876 135
VMoC120 2835015356 13 277806502 150
OSC8 3022070878 1 384977182 208
OSC7 3501237545 1 446017522 241
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea relativa a proprietatii materialului
72
Selectati materialele potrivite pentru piesele din imagine
Randul I 1 Serie mare de fabricatie-6p Randul II Serie mica (unicat) de fabricatie-6p
Randul I 2 Criterii de selectie a materialelor-1p3 Etapele selectiei materialelor ndash 1p4 Economicitatea piesei ndash 1p5 Strategii de selectie a materialelor ndash 1p
Randul II 2 Tipuri de date utilizate la selectia materialelor-1p3 Cum se face minimalizarea costurilor-1p4 Perofmantele piesei in functionare ndash 1p5 Care sunt cerintele fata de material ndash 1p
SUBIECTE EXAMEN
73
Date privind principalele proprietati tehnologice ale unor materiale
Material
Valorile proprietatii
Aschiabilitate Turnabilitate Sudabilitate Cost
F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba $tona
Otel de constructii (OL) X X X 140
Otel carbon de calitate (OLC) X X X
260
Fonte obisnuite (Fc) X X X 160
Punctaje 60 30 10 60 30 10 60 30 10
Avand in vedere ca pretul creste odata cu rezistenta la tractiune calculati costul fiecarui material prin inmultirea costului de baza cu valoarea proprietatii si impartiti la 100
74
Materiale ce pot fi luate in considerare spre analiza
Material Rm HV A Material Rm HV A Material Rm HV A
OL30 310 95 32 OLC8 324 140 33 Fc100 100 105 2
OL32 310 93 33 OLC10 321 150 31 Fc150 150 145 3
OL34 330 105 31 OLC15 373 155 27 Fc200 200 180 4
OL37 360 112 25 OLC20 410 165 25 Fc250 250 190 4
OL42 410 130 22 OLC25 450 175 24 Fc300 300 210 5
OL44 430 135 22 OLC30 490 180 21 Fc350 350 220 6
OL50 500 160 21 OLC35 530 195 21 Fc400 400 240 6
OL52 510 160 21 OLC40 570 200 19
OL60 590 185 16 OLC45 610 220 18
OL70 690 215 11 OLC50 640 230 16
OLC55 670 240 14
OLC60 700 255 14
Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50
Proprietatea tehnilogica intra cu o pondere de 100
VA UREZ SUCCES
36
La selectarea functiunii produsului (comportarea lui in exploatare-C) a materialelor (M) a
procedeelor de prelucrare (P) a formei (F) trebuie sa se tina seama ca acestea se intrepatrund (trebuie
sa tin seama in acelasi timp de ele)
Dificil Pot fi urmate diferite
succesiuni
Succesiunea CFMP prezinta urmatoarea
ordine de luare in considerare
-functionalitatea produsului (C)-forma piesei-materialul piesei-procedeul de prelucrare
Pot exista diferite succesiuni
Conduce la solutii diferite
Cadrul face conexiunea intre roti
saua bicicletei pedale ghidon
EXEMPLU Succesiunea CFMP
Functionalitatea si forma sunt aceleasi
Teava de aluminiu
Sudare
Succesiunea CFPM
Functionalitatea si forma sunt aceleasi
Sudare Teava de otel-se sudeaza mai bine
Succesiunea CMPF
Functionalitatea este aceeasi
Ca material se poate alege unul compozit
Sudare lipire
Forma aceeasi sau nu
Succesiunea CPMF
Poate fi aleasa presarea unui material superplastic
Alegerea ca material aluminiul
Forma S asimetrica plata
37
Pe baza functiunilor impuse produsului proiectantul schiteaza o serie de solutii tinand seama
de-materialele ce pot fi folosite-procedeele de fabricatie ce pot fi aplicate-formele potrivite ca functionalitate si design
Fiecare combinatie materialprocedeu de prelucrare conduce la diferite forme
Pot fi generate un numar
diferit de forme
Este o abordare CPMF sau CMPF
38
STRATEGII DE SELECTIE A MATERIALELOR
O strategie de selectie are doua componente
Formularea marimi prin care sa se evaluare un set de cerinte impuse materialului
Un procedeu de evaluare a marimii cerintelor prin care sa
se poata face ierarhizarea acestora in functie de masura in
care acestea sunt indeplinite
Strategiile cauta cai de implementare a procesului si anume de a converti un set de date ldquode intrarerdquo (cerintele proiectarii)
intr-un set de date ldquode iesirerdquo- alegerea materialului si a procedeului de prelucrare
39
Cerintele proiectarii
Materiale si procedee de prelucrare selectate
Strategii de selectie
Date initiale Functie de transfer Date finale
Strategia 1 Cautare libera implicand analiza rationala
Strategia 2 Bazata pe chestionare Este o selectie prin expertiza
Strategia 3 Analogie bazata pe cazuri anterioare
Posibila inovatie
Ofera solutii cunoscute
Ofera solutii similare cu situatia prezenta
Ofera mare libertate de selectie dar putina ghidare in proces
Ofera multa ghidare in proces dar putina libertate de selectie
Ofera idei ale solutiilor anterioare pentru probleme similare
40
SELECTIA LIBERA BAZATA PE ANALIZA RATIONALA
Este rapida si eficienta
Ofera o mare libertate pentru aplicatii
Ofera solutii noi si inovative
Avantaje
Are nevoie de date de intrare precis detaliate intr-o forma ce pot fi analizate prin metode ingineresti
standard
EXEMPLU
Gasiti un material pentru o bara de lungime L care sa
suporte o forta F la temperatura T si sa fie cat mai usoara
Cerinte pentru proiectare
ANALIZA SCHITEIFunctia Ce trebuie sa faca piesaObiective Ce trebuie maximalizat sau minimalizatConstrangeri Ce conditii esentiale trebuie sa fie indepliniteVariabile libere Care variabile ale proiectului sunt libere (cerinte nerigide)
41
Functia Ce trebuie sa faca piesa
Obiective Ce trebuie maximalizat sau minimalizat
Variabile libere Care variabile ale proiectului sunt libere (cerinte nerigide)
De a rezista la momente de incovoiere trebuie sa suporta incarcatura pentru care a fost proiectata fara a se deforma
Constrangeri Ce conditii esentiale trebuie sa fie indeplinite
Lungimea L data Tigiditatea S data Sa reziste si sa nu se deformeze la temperatura T
Trebuie minimalizata greutate
Aria sectiunii Costul
Procesul de selectie a avea 3 pasi
Filtrarea Se folseste de constrangeri pentru inlaturarea materialelor care nu indeplinesc cerintele
IerarhizareaSe folseste de marimea performantelor materialelor ramase in discutie pentru a le ordona
Documentarea
Analizeaza informatiile nestructurate le structureaza si le introduce in structura ierarhizata realizand o fisa cu informatii care ajuta selectia finala a materialului
42
Ierarhizarea se face parcurgand mai multe faze
Identificarea unuia sau a mai multor indici de performanta corespunzatori functiei obiectivului si constrangerilor
Indicele de performanta permite optimizarea selectiei
Pentru identificarea acestor indici se parcurg urmatoarele etape
Transpunerea intr-o relatie a obiectivului (entitatea) ce trebuie minimalizata sau maximalizata
Analiza grupului de proprietati (indicele de performanta) care maximalizeaza obiectivul
Eliminarea din aceasta relatie a variabilelor libere utilizand constrangerile (ex valoarea impusa rigiditatii a incarcarii limita a unui moment a presiunii a temperaturii de lucru sau al tenacitatii
43
EXEMPLU
TEMAGasiti un material pentru o bara de lungime L care sa
suporte o forta F la temperatura T si sa fie cat mai usoara
b
b
Lδ
F
Sageata
Sectiunea
CERINTELE PROIECTARIIFunctia Bara incarcata la incovoiereObiectiv Minimalizarea greutatiiConstrangeri Lungimea L data Rigiditatea S data Temperatura de exploatare T data (500deg)Variabile libere Aria sectiunii A Materialul de selectat
Se alege masa ldquomrdquo ca indice de performanta (trebuie sa fie minimalizat)
Masa barei este
Constrangerea privind rigiditatea va determina aria sectiunii ASageata unei bare simplu rezemata (forta actionand la mijloc) este data de relatia
44
unde E-modulul de elasticitate al materialului barei I-momentul de inertie al sectiunii grinzii
CL-reprezinta o constanta ce depinde de modul de distributie a fortei F (CL=48)
Rigiditatea barei este data de relatia
Din aceasta ultima relatie rezulta aria sectiunii A
Prin substitutia acestei relatii in relatia de determinare a masei grinzii se obtine indicele de performanta m
Valorile S L CL sunt date de proiect
Cea mai usoara bara este acea realizata dintr-un material care are cea mai mare valoare pentru
raport numit si ldquoindice de materialrdquo
Functia Incarcarea ConstrangeriIndici de
performantaRelatia
indicelui
Structuri de masa minima
Tija
BaraStatica
Rigiditate
Tractiune Eρ
Compresiune Eρ
Incovoiere E12ρ
Torsiune E12ρ
Rezistenta
Tractiune σrρ
Compresiune σcρ
Incovoiere σr23ρ
Torsiune σc23ρ
Dinamica
Panou
45
Exista mai multi indici de performanta fiecare realizand o combinatie dintre obiectiv si constrangere
46
47
48
METODE CANTITATIVE DE SELECTIE A MATERIALELOR CANDIDATE
Materialele candidat sunt materialele care satisfac cerintele cuprinse in matricea de cerinte rezultate dinbull Cerintele functionalebull Siguranta in functionarebull Functionarea in conditii ambientale de exploatarebull Cerintele de prelucrabilitatebull Economicitatea piesei
Care din aceste materiale vor fi luate in considerare la realizarea piesei
Evaluarea materialelor candidat
Evaluarea presupune compararea materialelor candidat care indeplinesc cerintele negociabile cu caracteristicile efective ale materialului in vederea selectarii celui optim pentru o aplicatie data
49
Evaluarea materialelor candidat
Este mai simpla pentru metodele cantitative de evaluare
Trebuie sa tina seama de anumite avantaje (usurinta procurarii materialului distanta pana la furnizor seriozitatea furnizarii constanta in calitatea produselor etc) care pot introduce anumite limitari determinand anumite compromisuri
In cele mai multe cazuri metodele cantitative de selectie conduc la materialul optim pentru o aplicatie
Metodele cantitative pot fi reluate odata cu schimbarea importantei relative a cerintelor negociabile
ATENTIE Cerintele nenegociabile trebuie satisfacute in totalitate si intocmai
Daca niciun material nu satisfac cerintele negociabile atunci fie ca acestea trebuie relaxate fie se impune reproiectarea produsului
50
Selectia este o operatie complexa
Numar mare de materiale cu o plaja larga de proprietati
Daca se face intamplator
Apare riscul de a omite anumite materiale candidate
Reducerea riscului prin adoptarea unei metode sistematice de selectie a materialelor
Metodele cantitative
Permitbull analiza unui numar ridicat de datebull a multor specificatii implicate in selectia materialelorbull pot fi adaptate pentru o selectie asistata de calculator
dintr-o baza de date
Metodele nu elimina capacitatea de analiza si experienta ingineruluiAceste metode sprijina inginerul in alegerea optima
51
METODA COSTULUI RAPORTAT LA UNITATEA DE PROPRIETATE
Economicitatea piesei
Costul initial al materialului
Costul prelucrarii si montarii
Costul functionarii si intretinerii
Unele dintre aceste costuri cresc odata cu cresterea
valorii proprietatilor altele scad
Proprietatea (Rm)
Costul piesei
Alte costuri
Costul total
Cos
tul
Cost minim
Odata cu cresterea rezistentei- Prelucrare mai dificila- Greutatea pe piesa scade- Durabilitatea in exploatare
creste si deci numarul de piese in utilizate in timp mai mic
Costul total este suma costului piesei si a celorlalte costuri
52
Valoarea optima a proprietatii (aici Rm) apare la costul minim
In piata costul materialului este legat de greutatea sau volumul (dupa caz) materialului
Se poate stabili o comparatie a materialelor intre proprietatile relative (proprietatea raportata la
greutatea specifica) De exemplu rezistenta rigiditatea modul de elasticitate etc
Criteriul esential este costul raportat la unitatea de rezistenta la tractiune
C=pρσ
C- costul asigurarii unei rezistente de 1 MPap- costul unitatii de proprietate a materialului
ρ- densitatea materialului
σr- rezistenta la tractiune
Cu cat valoarea lui ldquoCrdquo este mai mica cu atat materialul
este mai economic
53
Relatii asemanatoare pot fi obtinute si pentru alte proprietati cum ar fi- limita la curgere- modulul de elastuicitate- factorul de intensitate a tensiunii etc
Costul unitatii de proprietate pentru diferite moduri de solicitare
54
Compararea materialelor privind aceste costuri este esentiala
Se compara materialele intre ele
Este dificilSe ia un material de referinta
Costul relativ pe unitatea de proprietate a materialului candidat ldquoirdquo raportat la costul relativ pe unitatea de proprietate a materialului de referinta ldquobrdquo este dat de relatia
Daca CR este subunitar materialul candidat este mai ieftin decat materialul de referinta
Materialul de referinta este eliminat si materialul candidat se ia ca material de referinta pentru urmatoarea comparatie
Daca CR este supra unitar materialul candidat este mai scump decat materialul de referinta
Materialul de referinta se ia ca material de comparatie pentru urmatoarea analiza
55
METODA PONDERARII PROPRIETATILOR
Este o metoda pentru rezolvarea unor solutii mai comlexe de materiale materiale si proprietati
Fiecarei proprietati a materialului i se acorda o pondere rdquoαrdquo
Ponderea este proportionala cu importanta relativa a proprietatii pentru performanta in exploatare a materialului pentru aplicatia data
Ponderea proprietatii este egala cu produsul dintre valoarea numerica a proprietatii materialului ldquoprdquo si ponderea ei ldquoαrdquo
γ=pα
Insumand toate aceste produse pentru un material se obtine un indice de performanta ldquoPrdquo al materialului
Aceasta metoda ia in considerare toate proprietatile materialului
Comparand mai multe materiale prin indicele de performanta se poate gasi cel mai performant material pentru o aplicatie
56
Dezavantajul acestei metode consta in faptul ca in cazul unei proprietati care are o valoare ridicata aceasta v-a avea o influenta mai mare asupra indicelui de performanta decat ponderea ei
Exemplu Un material A care are Rm=370 MPa si o duritate de 350 HRB si un alt material B care are Rm=400 MPa si o duritate de 300 HRBStabilind ponderea proprietatii de 100 pentru rezistenta si 90 pentru duritate se obtine un indice de performanta de 68500 pentru material ul A si 67000 pentru materialul B
Inseamna ca impotriva importantei rezistentei la tractiune (ca fiind primul criteriu de selectie) si care este mai mare pentru materialul B indicele de performanta al materialului A este mai mare si deci acest material v-a fi selectat
La evaluarea materialelor candidat se va lucra cu valori relative ldquoβrdquo ale unei anumite proprietati celei mai mari valori a proprietatii atribuindu-se valoarea 100 iar celelalte valori relative se determina cu relatia
57
Pentru proprietatile materialelor care nu se exprima in mod obisnuit prin valori numerice (rezistenta la uzare sudabilitatea aschiabilitatea diferite proprietati tehnologice etc) evaluarea se poate face relativ la una dintre proprietati astfel
Astfel fiecarei proprietati I se acorda o importanta egalasi ea va influenta indicii de performanta ai materialelor doar comparate doar in masura ponderii acordate
Pentru proprietati ale caror valori se doreste a fi cat mai mici (densitatea pierderea de greutate prin coroziune etc) evaluarea se face printr-un raport invers
ProprietateaMateriale alternative
A B C D
Sudabilitatea Foarte buna Buna Buna Satisfacatoare
Evaluarea relativa 5 3 3 1
Valoarea scalata 100 60 60 20
58
Exemplu In ceea ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru rezistenta la tractiune a materialului A este de 925 Pentru al doilea material aceasta valoare este de 100 In ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru duritate aceasta este de 100 pentru materialul A si de 857 pentru materialul B
Acest lucru poate schimba situatia ierarhica a materialelor sau le poate apropia atat de mult indicele de performanta incat sa se puna problema luari in considerare si a altor elemente pentru selectie
Astfel indicele de performanta a materialului este dat de relatia
unde P reprezinta indicele de performanta a materialuluildquoirdquo este suma celor ldquonrdquo proprietati considerate a materialul ui
59
Ponderea α poate fi considerata ca αilt1 astfel incat
(cazul cel mai frecvent) sau ei I se poate aloca o plaja de valori valoarea cea mai mare
corespunzand proprietatii cu cea mai mare importanta
Costul materialului poate fi considerat ca o proprietate (chiar importanta) acordandui-se o pondere ldquoαrdquo
In cazul luarii in considerare a unui numar mare de proprietati costul poate fi considerat un factor de corectie al indicelui de performanta a materialului rezultand indicele de merit al acestuia
in care ldquoprdquo reprezinta costul unitatii de greutate a materialului
60
Cand se doreste compararea mai multor materiale candidat (i) cu unul de baza (de referinta) se calculeaza indicele relativ de merit al fiecarui material astfel
Daca RMgt1 respectivul material candidat ldquoirdquo corespunde mai bine cerintelor decat materialul de referinta ldquobrdquoIn cazul in care Mb reprezinta minimul cerintelor impuse Materialele candidat avand RMlt1 pot fi eliminate de la inceput ca fiind necorespunzatoare
Cand trebuie luate in considerare mai multe proprietati ale materialului pentru evaluarea indicelui de performanta este dificila evaluarea ponderii acestora Rezolvarea aceste probleme poate fi realizata printr-o evaluare prin programe numerice
61
METODA CRESTERII INCREMENTALE
In anumite situatii pot aparea mai multe materiale care indeplinesc cerintele minime impuse de o anumita aplicatie
Dupa analiza acestor materiale se poate presupune ca performantele pieselor prelucrate sunt proportionale cu indicii de performanta ldquoPrdquo In acelasi timp costul piesei variaza proportional cu costul materialului si al prelucrarii acestora
Daca se doreste selectarea piesei care are cea mai mare performanta la cea mai rezonabila crestere a costului se poate face o analiza beneficiu-cost Procedeul se ia indeosebi cand se doreste inlocuirea unui material utilizat deja in fabricatie
Materialul cu cel mai scazut cost (1) se ca element de baza si este comparat cu materialul care are costul imediat superior (2) Comparatia se face determinand cresterea indicelui de performanta (ΔP=P2-P1) si a costului ldquoprdquo pe unitatea de volum (Δpρ=p2ρ2-p1ρ1)
Daca ΔPΔpρlt1 materialul 1 corespunde mai bine decat materialul 2 pentru aplicatia data si materialul 2 va fi eliminatDaca ΔPΔpρgt1 materialul 1 va fi eliminat deoarece materialul 2 corespunde mai bine cerintelor aplicatieiSe continua compararea cu al treilea material si rand pe rand vor fi eliminate materialele mai putin corespunzatoare ajungand la materialul optim
62
EXEMPLU DE SELECTIE A MATERIALELOR
Tema Realizarea piesesei din figura dintr-un otel ldquoOL37rdquo intr-o serie mare de fabricatie-Este o piesa cilindrica cu dimensiunile date-Are un butuc-Prezinta o gaura lunga si de diametre mic
oslash200oslash50
150oslash20
Se poate realiza din bara rotunda prin strunjire
Se poate realiza din bara rotunda prin forjare
80
Coeficientul de utilizare a materialului 055
Coeficientul de utilizare a materialului 098
63
Diametrul mm Inaltime mm Volum mm3 Volum mm3Coeficientul de
utilizare a materialului
Semif Pornire 200 150 4710000 4710000
Strunjire
200 80 2512000
2602275 055=5550 35 137375
20 150 47100
Forjare
200 80 25120002649375
098=9850 35 137375
20 150 47100 2602275
Coeficientul de utilizare a materialului K=greutatea piesei finitegreutatea materialului utilizat pentru realizarea lui (a semifabricatului de pornire)
In calcul s-a lucrat cu volumul materialului deoarece G=VρAdaosuriele de prelucrare s-u luat ca fiind egaleApare un mult mai bun grad de utilizare a materialului pentr prelucrarea prin forjare
PIESA SE VA REALIZA PRIN FORJARE
64
1
2
3
5
6
4
9
8
F
107F
1-semimatrita superioara2-semimatrita inferioara3-cavitatea semimatritei sup4-cavitatea semimatritei inf5-canalul de bavura6-canalul de refulare7-prinderea semimatritei sup8-prinderea semimatritei inf9-elemente de ghidare (stifturi)10-planul de separare
TEMA Sa se stabileasca materialul optim pentru realizarea elementelor active ale matrtei de forjare din figura Se urmreste obtinerea piesei prin forjare la cald
CERINTE PENTRU PROIECTARE
Analiza schiteiFunctia Elemete (semimatrite) de matrita de deformare plasticaObiectiv Trebuie maximalizata tenacitatea (rezilienta)Constrangeri Dimensiunile cavitatii matritei (depind de marimea piesei) dimensiunile exterioare si sistemul de prindere (depind de utilaj temperatura de lucruVariabile libere material
65
Se cauta in sursele de informatii structurate si nestructurate materialele care respecta cerintele
Elemente de matrita
Rezistente la cald
Tenacitate Duritate
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Materialele potrivite sunt metalele si aliajele lor
-Materialele ceramice nu au tenacitate-Materialele polimerice nu au rezistenta la cald-Materialele compozite sunt scumpe si nu au tenacitate
Depinde de compozitia lor
Se cauta materiale cu destinatie precisa Materiale pentru scule de deformare
66
Din baza de date se constata ca urmatoarele materiale satisfac
cerintele rigide adica sa poata fi utilizate la prelucrarea la cald
Sunt materiale cu destinatie precisaDaca nu sunt materiale cu destinatie
precisa se cauta in grupa materialelor cu destinatie generala
Material Rm min MPa HV A5 KCU Jcm3
C120 890 265 8 60
VMoC120 870 265 8 68
VC06 870 230 6 68
VCW85 870 265 6 80
MoCN15 830 250 7 75
VMoCN17 870 265 7 73
VSCW20 790 235 5 78
OSC7 640 195 12 56
OSC8 640 195 10 58
67
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU Jcm3 βKCU Indicele de
performanta PC120 890 265 8 60 101450
VMoC120 870 265 8 68 100650
VC06 870 230 6 68 97400
VCW85 870 265 6 80 101750
MoCN15 830 250 7 75 96750
VMoCN17 870 265 7 73 101100
VSCW20 790 235 5 78 92400
OSC7 640 195 12 56 74950
OSC8 640 195 10 58 75050Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza peoprietatii
68
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU
Jcm3 βKCU Indicele de performanta P
C120 890 100 265 10000 8 6667 60 75 25017000
VMoC120 870 9775 265 10000 8 6667 68 85 2835015356
VC06 870 9775 230 8679 6 5000 68 85 2126563155
VCW85 870 9775 265 10000 6 5000 80 100 2501682022
MoCN15 830 9326 250 9434 7 5833 75 9375 2735970124
VMoCN17 870 9775 265 10000 7 5833 73 9125 2663140356
VSCW20 790 8876 235 8868 5 4167 78 975 2032758226
OSC7 640 7191 195 7358 12 10000 56 70 3501237545
OSC8 640 7191 195 7358 10 8333 58 725 3022070878Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza proprietatii relative
69
Material Indicele de performanta P
VSCW20 2032758226
VC06 2126563155
VCW85 2501682022
C120 25017000
VMoCN17 2663140356
MoCN15 2735970124
VMoC120 2835015356
OSC8 3022070878
OSC7 3501237545
Material Indicele de performanta P
OSC7 74950
OSC8 75050
VSCW20 92400
MoCN15 96750
VC06 97400
VMoC120 100650
VMoCN17 101100
C120 101450
VCW85 101750
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile proprietatii materialului
ordonate crescator
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile relative ale proprietatii materialului ordonate crescator
70
Luand in considerare ca unele materiale sunt aliate cu siguranta acestea sunt mai scumpe
Daca luam in considerare costul unitar pentru otelurile carbon de scule iar densitatea de 785 (corespunzatoare fierului) se obtine indicele de merit
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
OSC7 74950 1 95477707 114
OSC8 75050 1 956050955 114
VSCW20 92400 14 840764331 100
MoCN15 96750 14 880345769 105
VC06 97400 12 103397028 123
VMoC120 100650 13 986281235 117
VMoCN17 101100 14 919927207 109
C120 101450 15 861571125 102
VCW85 101750 14 925841674 110
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea proprietatii materialului
71
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
VSCW20 2032758226 14 184964352 100
VC06 2126563155 12 225749804 122
VCW85 2501682022 14 227632577 123
C120 25017000 15 212458599 115
VMoCN17 2663140356 14 242323963 131
MoCN15 2735970124 14 248950876 135
VMoC120 2835015356 13 277806502 150
OSC8 3022070878 1 384977182 208
OSC7 3501237545 1 446017522 241
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea relativa a proprietatii materialului
72
Selectati materialele potrivite pentru piesele din imagine
Randul I 1 Serie mare de fabricatie-6p Randul II Serie mica (unicat) de fabricatie-6p
Randul I 2 Criterii de selectie a materialelor-1p3 Etapele selectiei materialelor ndash 1p4 Economicitatea piesei ndash 1p5 Strategii de selectie a materialelor ndash 1p
Randul II 2 Tipuri de date utilizate la selectia materialelor-1p3 Cum se face minimalizarea costurilor-1p4 Perofmantele piesei in functionare ndash 1p5 Care sunt cerintele fata de material ndash 1p
SUBIECTE EXAMEN
73
Date privind principalele proprietati tehnologice ale unor materiale
Material
Valorile proprietatii
Aschiabilitate Turnabilitate Sudabilitate Cost
F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba $tona
Otel de constructii (OL) X X X 140
Otel carbon de calitate (OLC) X X X
260
Fonte obisnuite (Fc) X X X 160
Punctaje 60 30 10 60 30 10 60 30 10
Avand in vedere ca pretul creste odata cu rezistenta la tractiune calculati costul fiecarui material prin inmultirea costului de baza cu valoarea proprietatii si impartiti la 100
74
Materiale ce pot fi luate in considerare spre analiza
Material Rm HV A Material Rm HV A Material Rm HV A
OL30 310 95 32 OLC8 324 140 33 Fc100 100 105 2
OL32 310 93 33 OLC10 321 150 31 Fc150 150 145 3
OL34 330 105 31 OLC15 373 155 27 Fc200 200 180 4
OL37 360 112 25 OLC20 410 165 25 Fc250 250 190 4
OL42 410 130 22 OLC25 450 175 24 Fc300 300 210 5
OL44 430 135 22 OLC30 490 180 21 Fc350 350 220 6
OL50 500 160 21 OLC35 530 195 21 Fc400 400 240 6
OL52 510 160 21 OLC40 570 200 19
OL60 590 185 16 OLC45 610 220 18
OL70 690 215 11 OLC50 640 230 16
OLC55 670 240 14
OLC60 700 255 14
Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50
Proprietatea tehnilogica intra cu o pondere de 100
VA UREZ SUCCES
37
Pe baza functiunilor impuse produsului proiectantul schiteaza o serie de solutii tinand seama
de-materialele ce pot fi folosite-procedeele de fabricatie ce pot fi aplicate-formele potrivite ca functionalitate si design
Fiecare combinatie materialprocedeu de prelucrare conduce la diferite forme
Pot fi generate un numar
diferit de forme
Este o abordare CPMF sau CMPF
38
STRATEGII DE SELECTIE A MATERIALELOR
O strategie de selectie are doua componente
Formularea marimi prin care sa se evaluare un set de cerinte impuse materialului
Un procedeu de evaluare a marimii cerintelor prin care sa
se poata face ierarhizarea acestora in functie de masura in
care acestea sunt indeplinite
Strategiile cauta cai de implementare a procesului si anume de a converti un set de date ldquode intrarerdquo (cerintele proiectarii)
intr-un set de date ldquode iesirerdquo- alegerea materialului si a procedeului de prelucrare
39
Cerintele proiectarii
Materiale si procedee de prelucrare selectate
Strategii de selectie
Date initiale Functie de transfer Date finale
Strategia 1 Cautare libera implicand analiza rationala
Strategia 2 Bazata pe chestionare Este o selectie prin expertiza
Strategia 3 Analogie bazata pe cazuri anterioare
Posibila inovatie
Ofera solutii cunoscute
Ofera solutii similare cu situatia prezenta
Ofera mare libertate de selectie dar putina ghidare in proces
Ofera multa ghidare in proces dar putina libertate de selectie
Ofera idei ale solutiilor anterioare pentru probleme similare
40
SELECTIA LIBERA BAZATA PE ANALIZA RATIONALA
Este rapida si eficienta
Ofera o mare libertate pentru aplicatii
Ofera solutii noi si inovative
Avantaje
Are nevoie de date de intrare precis detaliate intr-o forma ce pot fi analizate prin metode ingineresti
standard
EXEMPLU
Gasiti un material pentru o bara de lungime L care sa
suporte o forta F la temperatura T si sa fie cat mai usoara
Cerinte pentru proiectare
ANALIZA SCHITEIFunctia Ce trebuie sa faca piesaObiective Ce trebuie maximalizat sau minimalizatConstrangeri Ce conditii esentiale trebuie sa fie indepliniteVariabile libere Care variabile ale proiectului sunt libere (cerinte nerigide)
41
Functia Ce trebuie sa faca piesa
Obiective Ce trebuie maximalizat sau minimalizat
Variabile libere Care variabile ale proiectului sunt libere (cerinte nerigide)
De a rezista la momente de incovoiere trebuie sa suporta incarcatura pentru care a fost proiectata fara a se deforma
Constrangeri Ce conditii esentiale trebuie sa fie indeplinite
Lungimea L data Tigiditatea S data Sa reziste si sa nu se deformeze la temperatura T
Trebuie minimalizata greutate
Aria sectiunii Costul
Procesul de selectie a avea 3 pasi
Filtrarea Se folseste de constrangeri pentru inlaturarea materialelor care nu indeplinesc cerintele
IerarhizareaSe folseste de marimea performantelor materialelor ramase in discutie pentru a le ordona
Documentarea
Analizeaza informatiile nestructurate le structureaza si le introduce in structura ierarhizata realizand o fisa cu informatii care ajuta selectia finala a materialului
42
Ierarhizarea se face parcurgand mai multe faze
Identificarea unuia sau a mai multor indici de performanta corespunzatori functiei obiectivului si constrangerilor
Indicele de performanta permite optimizarea selectiei
Pentru identificarea acestor indici se parcurg urmatoarele etape
Transpunerea intr-o relatie a obiectivului (entitatea) ce trebuie minimalizata sau maximalizata
Analiza grupului de proprietati (indicele de performanta) care maximalizeaza obiectivul
Eliminarea din aceasta relatie a variabilelor libere utilizand constrangerile (ex valoarea impusa rigiditatii a incarcarii limita a unui moment a presiunii a temperaturii de lucru sau al tenacitatii
43
EXEMPLU
TEMAGasiti un material pentru o bara de lungime L care sa
suporte o forta F la temperatura T si sa fie cat mai usoara
b
b
Lδ
F
Sageata
Sectiunea
CERINTELE PROIECTARIIFunctia Bara incarcata la incovoiereObiectiv Minimalizarea greutatiiConstrangeri Lungimea L data Rigiditatea S data Temperatura de exploatare T data (500deg)Variabile libere Aria sectiunii A Materialul de selectat
Se alege masa ldquomrdquo ca indice de performanta (trebuie sa fie minimalizat)
Masa barei este
Constrangerea privind rigiditatea va determina aria sectiunii ASageata unei bare simplu rezemata (forta actionand la mijloc) este data de relatia
44
unde E-modulul de elasticitate al materialului barei I-momentul de inertie al sectiunii grinzii
CL-reprezinta o constanta ce depinde de modul de distributie a fortei F (CL=48)
Rigiditatea barei este data de relatia
Din aceasta ultima relatie rezulta aria sectiunii A
Prin substitutia acestei relatii in relatia de determinare a masei grinzii se obtine indicele de performanta m
Valorile S L CL sunt date de proiect
Cea mai usoara bara este acea realizata dintr-un material care are cea mai mare valoare pentru
raport numit si ldquoindice de materialrdquo
Functia Incarcarea ConstrangeriIndici de
performantaRelatia
indicelui
Structuri de masa minima
Tija
BaraStatica
Rigiditate
Tractiune Eρ
Compresiune Eρ
Incovoiere E12ρ
Torsiune E12ρ
Rezistenta
Tractiune σrρ
Compresiune σcρ
Incovoiere σr23ρ
Torsiune σc23ρ
Dinamica
Panou
45
Exista mai multi indici de performanta fiecare realizand o combinatie dintre obiectiv si constrangere
46
47
48
METODE CANTITATIVE DE SELECTIE A MATERIALELOR CANDIDATE
Materialele candidat sunt materialele care satisfac cerintele cuprinse in matricea de cerinte rezultate dinbull Cerintele functionalebull Siguranta in functionarebull Functionarea in conditii ambientale de exploatarebull Cerintele de prelucrabilitatebull Economicitatea piesei
Care din aceste materiale vor fi luate in considerare la realizarea piesei
Evaluarea materialelor candidat
Evaluarea presupune compararea materialelor candidat care indeplinesc cerintele negociabile cu caracteristicile efective ale materialului in vederea selectarii celui optim pentru o aplicatie data
49
Evaluarea materialelor candidat
Este mai simpla pentru metodele cantitative de evaluare
Trebuie sa tina seama de anumite avantaje (usurinta procurarii materialului distanta pana la furnizor seriozitatea furnizarii constanta in calitatea produselor etc) care pot introduce anumite limitari determinand anumite compromisuri
In cele mai multe cazuri metodele cantitative de selectie conduc la materialul optim pentru o aplicatie
Metodele cantitative pot fi reluate odata cu schimbarea importantei relative a cerintelor negociabile
ATENTIE Cerintele nenegociabile trebuie satisfacute in totalitate si intocmai
Daca niciun material nu satisfac cerintele negociabile atunci fie ca acestea trebuie relaxate fie se impune reproiectarea produsului
50
Selectia este o operatie complexa
Numar mare de materiale cu o plaja larga de proprietati
Daca se face intamplator
Apare riscul de a omite anumite materiale candidate
Reducerea riscului prin adoptarea unei metode sistematice de selectie a materialelor
Metodele cantitative
Permitbull analiza unui numar ridicat de datebull a multor specificatii implicate in selectia materialelorbull pot fi adaptate pentru o selectie asistata de calculator
dintr-o baza de date
Metodele nu elimina capacitatea de analiza si experienta ingineruluiAceste metode sprijina inginerul in alegerea optima
51
METODA COSTULUI RAPORTAT LA UNITATEA DE PROPRIETATE
Economicitatea piesei
Costul initial al materialului
Costul prelucrarii si montarii
Costul functionarii si intretinerii
Unele dintre aceste costuri cresc odata cu cresterea
valorii proprietatilor altele scad
Proprietatea (Rm)
Costul piesei
Alte costuri
Costul total
Cos
tul
Cost minim
Odata cu cresterea rezistentei- Prelucrare mai dificila- Greutatea pe piesa scade- Durabilitatea in exploatare
creste si deci numarul de piese in utilizate in timp mai mic
Costul total este suma costului piesei si a celorlalte costuri
52
Valoarea optima a proprietatii (aici Rm) apare la costul minim
In piata costul materialului este legat de greutatea sau volumul (dupa caz) materialului
Se poate stabili o comparatie a materialelor intre proprietatile relative (proprietatea raportata la
greutatea specifica) De exemplu rezistenta rigiditatea modul de elasticitate etc
Criteriul esential este costul raportat la unitatea de rezistenta la tractiune
C=pρσ
C- costul asigurarii unei rezistente de 1 MPap- costul unitatii de proprietate a materialului
ρ- densitatea materialului
σr- rezistenta la tractiune
Cu cat valoarea lui ldquoCrdquo este mai mica cu atat materialul
este mai economic
53
Relatii asemanatoare pot fi obtinute si pentru alte proprietati cum ar fi- limita la curgere- modulul de elastuicitate- factorul de intensitate a tensiunii etc
Costul unitatii de proprietate pentru diferite moduri de solicitare
54
Compararea materialelor privind aceste costuri este esentiala
Se compara materialele intre ele
Este dificilSe ia un material de referinta
Costul relativ pe unitatea de proprietate a materialului candidat ldquoirdquo raportat la costul relativ pe unitatea de proprietate a materialului de referinta ldquobrdquo este dat de relatia
Daca CR este subunitar materialul candidat este mai ieftin decat materialul de referinta
Materialul de referinta este eliminat si materialul candidat se ia ca material de referinta pentru urmatoarea comparatie
Daca CR este supra unitar materialul candidat este mai scump decat materialul de referinta
Materialul de referinta se ia ca material de comparatie pentru urmatoarea analiza
55
METODA PONDERARII PROPRIETATILOR
Este o metoda pentru rezolvarea unor solutii mai comlexe de materiale materiale si proprietati
Fiecarei proprietati a materialului i se acorda o pondere rdquoαrdquo
Ponderea este proportionala cu importanta relativa a proprietatii pentru performanta in exploatare a materialului pentru aplicatia data
Ponderea proprietatii este egala cu produsul dintre valoarea numerica a proprietatii materialului ldquoprdquo si ponderea ei ldquoαrdquo
γ=pα
Insumand toate aceste produse pentru un material se obtine un indice de performanta ldquoPrdquo al materialului
Aceasta metoda ia in considerare toate proprietatile materialului
Comparand mai multe materiale prin indicele de performanta se poate gasi cel mai performant material pentru o aplicatie
56
Dezavantajul acestei metode consta in faptul ca in cazul unei proprietati care are o valoare ridicata aceasta v-a avea o influenta mai mare asupra indicelui de performanta decat ponderea ei
Exemplu Un material A care are Rm=370 MPa si o duritate de 350 HRB si un alt material B care are Rm=400 MPa si o duritate de 300 HRBStabilind ponderea proprietatii de 100 pentru rezistenta si 90 pentru duritate se obtine un indice de performanta de 68500 pentru material ul A si 67000 pentru materialul B
Inseamna ca impotriva importantei rezistentei la tractiune (ca fiind primul criteriu de selectie) si care este mai mare pentru materialul B indicele de performanta al materialului A este mai mare si deci acest material v-a fi selectat
La evaluarea materialelor candidat se va lucra cu valori relative ldquoβrdquo ale unei anumite proprietati celei mai mari valori a proprietatii atribuindu-se valoarea 100 iar celelalte valori relative se determina cu relatia
57
Pentru proprietatile materialelor care nu se exprima in mod obisnuit prin valori numerice (rezistenta la uzare sudabilitatea aschiabilitatea diferite proprietati tehnologice etc) evaluarea se poate face relativ la una dintre proprietati astfel
Astfel fiecarei proprietati I se acorda o importanta egalasi ea va influenta indicii de performanta ai materialelor doar comparate doar in masura ponderii acordate
Pentru proprietati ale caror valori se doreste a fi cat mai mici (densitatea pierderea de greutate prin coroziune etc) evaluarea se face printr-un raport invers
ProprietateaMateriale alternative
A B C D
Sudabilitatea Foarte buna Buna Buna Satisfacatoare
Evaluarea relativa 5 3 3 1
Valoarea scalata 100 60 60 20
58
Exemplu In ceea ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru rezistenta la tractiune a materialului A este de 925 Pentru al doilea material aceasta valoare este de 100 In ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru duritate aceasta este de 100 pentru materialul A si de 857 pentru materialul B
Acest lucru poate schimba situatia ierarhica a materialelor sau le poate apropia atat de mult indicele de performanta incat sa se puna problema luari in considerare si a altor elemente pentru selectie
Astfel indicele de performanta a materialului este dat de relatia
unde P reprezinta indicele de performanta a materialuluildquoirdquo este suma celor ldquonrdquo proprietati considerate a materialul ui
59
Ponderea α poate fi considerata ca αilt1 astfel incat
(cazul cel mai frecvent) sau ei I se poate aloca o plaja de valori valoarea cea mai mare
corespunzand proprietatii cu cea mai mare importanta
Costul materialului poate fi considerat ca o proprietate (chiar importanta) acordandui-se o pondere ldquoαrdquo
In cazul luarii in considerare a unui numar mare de proprietati costul poate fi considerat un factor de corectie al indicelui de performanta a materialului rezultand indicele de merit al acestuia
in care ldquoprdquo reprezinta costul unitatii de greutate a materialului
60
Cand se doreste compararea mai multor materiale candidat (i) cu unul de baza (de referinta) se calculeaza indicele relativ de merit al fiecarui material astfel
Daca RMgt1 respectivul material candidat ldquoirdquo corespunde mai bine cerintelor decat materialul de referinta ldquobrdquoIn cazul in care Mb reprezinta minimul cerintelor impuse Materialele candidat avand RMlt1 pot fi eliminate de la inceput ca fiind necorespunzatoare
Cand trebuie luate in considerare mai multe proprietati ale materialului pentru evaluarea indicelui de performanta este dificila evaluarea ponderii acestora Rezolvarea aceste probleme poate fi realizata printr-o evaluare prin programe numerice
61
METODA CRESTERII INCREMENTALE
In anumite situatii pot aparea mai multe materiale care indeplinesc cerintele minime impuse de o anumita aplicatie
Dupa analiza acestor materiale se poate presupune ca performantele pieselor prelucrate sunt proportionale cu indicii de performanta ldquoPrdquo In acelasi timp costul piesei variaza proportional cu costul materialului si al prelucrarii acestora
Daca se doreste selectarea piesei care are cea mai mare performanta la cea mai rezonabila crestere a costului se poate face o analiza beneficiu-cost Procedeul se ia indeosebi cand se doreste inlocuirea unui material utilizat deja in fabricatie
Materialul cu cel mai scazut cost (1) se ca element de baza si este comparat cu materialul care are costul imediat superior (2) Comparatia se face determinand cresterea indicelui de performanta (ΔP=P2-P1) si a costului ldquoprdquo pe unitatea de volum (Δpρ=p2ρ2-p1ρ1)
Daca ΔPΔpρlt1 materialul 1 corespunde mai bine decat materialul 2 pentru aplicatia data si materialul 2 va fi eliminatDaca ΔPΔpρgt1 materialul 1 va fi eliminat deoarece materialul 2 corespunde mai bine cerintelor aplicatieiSe continua compararea cu al treilea material si rand pe rand vor fi eliminate materialele mai putin corespunzatoare ajungand la materialul optim
62
EXEMPLU DE SELECTIE A MATERIALELOR
Tema Realizarea piesesei din figura dintr-un otel ldquoOL37rdquo intr-o serie mare de fabricatie-Este o piesa cilindrica cu dimensiunile date-Are un butuc-Prezinta o gaura lunga si de diametre mic
oslash200oslash50
150oslash20
Se poate realiza din bara rotunda prin strunjire
Se poate realiza din bara rotunda prin forjare
80
Coeficientul de utilizare a materialului 055
Coeficientul de utilizare a materialului 098
63
Diametrul mm Inaltime mm Volum mm3 Volum mm3Coeficientul de
utilizare a materialului
Semif Pornire 200 150 4710000 4710000
Strunjire
200 80 2512000
2602275 055=5550 35 137375
20 150 47100
Forjare
200 80 25120002649375
098=9850 35 137375
20 150 47100 2602275
Coeficientul de utilizare a materialului K=greutatea piesei finitegreutatea materialului utilizat pentru realizarea lui (a semifabricatului de pornire)
In calcul s-a lucrat cu volumul materialului deoarece G=VρAdaosuriele de prelucrare s-u luat ca fiind egaleApare un mult mai bun grad de utilizare a materialului pentr prelucrarea prin forjare
PIESA SE VA REALIZA PRIN FORJARE
64
1
2
3
5
6
4
9
8
F
107F
1-semimatrita superioara2-semimatrita inferioara3-cavitatea semimatritei sup4-cavitatea semimatritei inf5-canalul de bavura6-canalul de refulare7-prinderea semimatritei sup8-prinderea semimatritei inf9-elemente de ghidare (stifturi)10-planul de separare
TEMA Sa se stabileasca materialul optim pentru realizarea elementelor active ale matrtei de forjare din figura Se urmreste obtinerea piesei prin forjare la cald
CERINTE PENTRU PROIECTARE
Analiza schiteiFunctia Elemete (semimatrite) de matrita de deformare plasticaObiectiv Trebuie maximalizata tenacitatea (rezilienta)Constrangeri Dimensiunile cavitatii matritei (depind de marimea piesei) dimensiunile exterioare si sistemul de prindere (depind de utilaj temperatura de lucruVariabile libere material
65
Se cauta in sursele de informatii structurate si nestructurate materialele care respecta cerintele
Elemente de matrita
Rezistente la cald
Tenacitate Duritate
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Materialele potrivite sunt metalele si aliajele lor
-Materialele ceramice nu au tenacitate-Materialele polimerice nu au rezistenta la cald-Materialele compozite sunt scumpe si nu au tenacitate
Depinde de compozitia lor
Se cauta materiale cu destinatie precisa Materiale pentru scule de deformare
66
Din baza de date se constata ca urmatoarele materiale satisfac
cerintele rigide adica sa poata fi utilizate la prelucrarea la cald
Sunt materiale cu destinatie precisaDaca nu sunt materiale cu destinatie
precisa se cauta in grupa materialelor cu destinatie generala
Material Rm min MPa HV A5 KCU Jcm3
C120 890 265 8 60
VMoC120 870 265 8 68
VC06 870 230 6 68
VCW85 870 265 6 80
MoCN15 830 250 7 75
VMoCN17 870 265 7 73
VSCW20 790 235 5 78
OSC7 640 195 12 56
OSC8 640 195 10 58
67
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU Jcm3 βKCU Indicele de
performanta PC120 890 265 8 60 101450
VMoC120 870 265 8 68 100650
VC06 870 230 6 68 97400
VCW85 870 265 6 80 101750
MoCN15 830 250 7 75 96750
VMoCN17 870 265 7 73 101100
VSCW20 790 235 5 78 92400
OSC7 640 195 12 56 74950
OSC8 640 195 10 58 75050Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza peoprietatii
68
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU
Jcm3 βKCU Indicele de performanta P
C120 890 100 265 10000 8 6667 60 75 25017000
VMoC120 870 9775 265 10000 8 6667 68 85 2835015356
VC06 870 9775 230 8679 6 5000 68 85 2126563155
VCW85 870 9775 265 10000 6 5000 80 100 2501682022
MoCN15 830 9326 250 9434 7 5833 75 9375 2735970124
VMoCN17 870 9775 265 10000 7 5833 73 9125 2663140356
VSCW20 790 8876 235 8868 5 4167 78 975 2032758226
OSC7 640 7191 195 7358 12 10000 56 70 3501237545
OSC8 640 7191 195 7358 10 8333 58 725 3022070878Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza proprietatii relative
69
Material Indicele de performanta P
VSCW20 2032758226
VC06 2126563155
VCW85 2501682022
C120 25017000
VMoCN17 2663140356
MoCN15 2735970124
VMoC120 2835015356
OSC8 3022070878
OSC7 3501237545
Material Indicele de performanta P
OSC7 74950
OSC8 75050
VSCW20 92400
MoCN15 96750
VC06 97400
VMoC120 100650
VMoCN17 101100
C120 101450
VCW85 101750
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile proprietatii materialului
ordonate crescator
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile relative ale proprietatii materialului ordonate crescator
70
Luand in considerare ca unele materiale sunt aliate cu siguranta acestea sunt mai scumpe
Daca luam in considerare costul unitar pentru otelurile carbon de scule iar densitatea de 785 (corespunzatoare fierului) se obtine indicele de merit
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
OSC7 74950 1 95477707 114
OSC8 75050 1 956050955 114
VSCW20 92400 14 840764331 100
MoCN15 96750 14 880345769 105
VC06 97400 12 103397028 123
VMoC120 100650 13 986281235 117
VMoCN17 101100 14 919927207 109
C120 101450 15 861571125 102
VCW85 101750 14 925841674 110
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea proprietatii materialului
71
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
VSCW20 2032758226 14 184964352 100
VC06 2126563155 12 225749804 122
VCW85 2501682022 14 227632577 123
C120 25017000 15 212458599 115
VMoCN17 2663140356 14 242323963 131
MoCN15 2735970124 14 248950876 135
VMoC120 2835015356 13 277806502 150
OSC8 3022070878 1 384977182 208
OSC7 3501237545 1 446017522 241
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea relativa a proprietatii materialului
72
Selectati materialele potrivite pentru piesele din imagine
Randul I 1 Serie mare de fabricatie-6p Randul II Serie mica (unicat) de fabricatie-6p
Randul I 2 Criterii de selectie a materialelor-1p3 Etapele selectiei materialelor ndash 1p4 Economicitatea piesei ndash 1p5 Strategii de selectie a materialelor ndash 1p
Randul II 2 Tipuri de date utilizate la selectia materialelor-1p3 Cum se face minimalizarea costurilor-1p4 Perofmantele piesei in functionare ndash 1p5 Care sunt cerintele fata de material ndash 1p
SUBIECTE EXAMEN
73
Date privind principalele proprietati tehnologice ale unor materiale
Material
Valorile proprietatii
Aschiabilitate Turnabilitate Sudabilitate Cost
F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba $tona
Otel de constructii (OL) X X X 140
Otel carbon de calitate (OLC) X X X
260
Fonte obisnuite (Fc) X X X 160
Punctaje 60 30 10 60 30 10 60 30 10
Avand in vedere ca pretul creste odata cu rezistenta la tractiune calculati costul fiecarui material prin inmultirea costului de baza cu valoarea proprietatii si impartiti la 100
74
Materiale ce pot fi luate in considerare spre analiza
Material Rm HV A Material Rm HV A Material Rm HV A
OL30 310 95 32 OLC8 324 140 33 Fc100 100 105 2
OL32 310 93 33 OLC10 321 150 31 Fc150 150 145 3
OL34 330 105 31 OLC15 373 155 27 Fc200 200 180 4
OL37 360 112 25 OLC20 410 165 25 Fc250 250 190 4
OL42 410 130 22 OLC25 450 175 24 Fc300 300 210 5
OL44 430 135 22 OLC30 490 180 21 Fc350 350 220 6
OL50 500 160 21 OLC35 530 195 21 Fc400 400 240 6
OL52 510 160 21 OLC40 570 200 19
OL60 590 185 16 OLC45 610 220 18
OL70 690 215 11 OLC50 640 230 16
OLC55 670 240 14
OLC60 700 255 14
Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50
Proprietatea tehnilogica intra cu o pondere de 100
VA UREZ SUCCES
38
STRATEGII DE SELECTIE A MATERIALELOR
O strategie de selectie are doua componente
Formularea marimi prin care sa se evaluare un set de cerinte impuse materialului
Un procedeu de evaluare a marimii cerintelor prin care sa
se poata face ierarhizarea acestora in functie de masura in
care acestea sunt indeplinite
Strategiile cauta cai de implementare a procesului si anume de a converti un set de date ldquode intrarerdquo (cerintele proiectarii)
intr-un set de date ldquode iesirerdquo- alegerea materialului si a procedeului de prelucrare
39
Cerintele proiectarii
Materiale si procedee de prelucrare selectate
Strategii de selectie
Date initiale Functie de transfer Date finale
Strategia 1 Cautare libera implicand analiza rationala
Strategia 2 Bazata pe chestionare Este o selectie prin expertiza
Strategia 3 Analogie bazata pe cazuri anterioare
Posibila inovatie
Ofera solutii cunoscute
Ofera solutii similare cu situatia prezenta
Ofera mare libertate de selectie dar putina ghidare in proces
Ofera multa ghidare in proces dar putina libertate de selectie
Ofera idei ale solutiilor anterioare pentru probleme similare
40
SELECTIA LIBERA BAZATA PE ANALIZA RATIONALA
Este rapida si eficienta
Ofera o mare libertate pentru aplicatii
Ofera solutii noi si inovative
Avantaje
Are nevoie de date de intrare precis detaliate intr-o forma ce pot fi analizate prin metode ingineresti
standard
EXEMPLU
Gasiti un material pentru o bara de lungime L care sa
suporte o forta F la temperatura T si sa fie cat mai usoara
Cerinte pentru proiectare
ANALIZA SCHITEIFunctia Ce trebuie sa faca piesaObiective Ce trebuie maximalizat sau minimalizatConstrangeri Ce conditii esentiale trebuie sa fie indepliniteVariabile libere Care variabile ale proiectului sunt libere (cerinte nerigide)
41
Functia Ce trebuie sa faca piesa
Obiective Ce trebuie maximalizat sau minimalizat
Variabile libere Care variabile ale proiectului sunt libere (cerinte nerigide)
De a rezista la momente de incovoiere trebuie sa suporta incarcatura pentru care a fost proiectata fara a se deforma
Constrangeri Ce conditii esentiale trebuie sa fie indeplinite
Lungimea L data Tigiditatea S data Sa reziste si sa nu se deformeze la temperatura T
Trebuie minimalizata greutate
Aria sectiunii Costul
Procesul de selectie a avea 3 pasi
Filtrarea Se folseste de constrangeri pentru inlaturarea materialelor care nu indeplinesc cerintele
IerarhizareaSe folseste de marimea performantelor materialelor ramase in discutie pentru a le ordona
Documentarea
Analizeaza informatiile nestructurate le structureaza si le introduce in structura ierarhizata realizand o fisa cu informatii care ajuta selectia finala a materialului
42
Ierarhizarea se face parcurgand mai multe faze
Identificarea unuia sau a mai multor indici de performanta corespunzatori functiei obiectivului si constrangerilor
Indicele de performanta permite optimizarea selectiei
Pentru identificarea acestor indici se parcurg urmatoarele etape
Transpunerea intr-o relatie a obiectivului (entitatea) ce trebuie minimalizata sau maximalizata
Analiza grupului de proprietati (indicele de performanta) care maximalizeaza obiectivul
Eliminarea din aceasta relatie a variabilelor libere utilizand constrangerile (ex valoarea impusa rigiditatii a incarcarii limita a unui moment a presiunii a temperaturii de lucru sau al tenacitatii
43
EXEMPLU
TEMAGasiti un material pentru o bara de lungime L care sa
suporte o forta F la temperatura T si sa fie cat mai usoara
b
b
Lδ
F
Sageata
Sectiunea
CERINTELE PROIECTARIIFunctia Bara incarcata la incovoiereObiectiv Minimalizarea greutatiiConstrangeri Lungimea L data Rigiditatea S data Temperatura de exploatare T data (500deg)Variabile libere Aria sectiunii A Materialul de selectat
Se alege masa ldquomrdquo ca indice de performanta (trebuie sa fie minimalizat)
Masa barei este
Constrangerea privind rigiditatea va determina aria sectiunii ASageata unei bare simplu rezemata (forta actionand la mijloc) este data de relatia
44
unde E-modulul de elasticitate al materialului barei I-momentul de inertie al sectiunii grinzii
CL-reprezinta o constanta ce depinde de modul de distributie a fortei F (CL=48)
Rigiditatea barei este data de relatia
Din aceasta ultima relatie rezulta aria sectiunii A
Prin substitutia acestei relatii in relatia de determinare a masei grinzii se obtine indicele de performanta m
Valorile S L CL sunt date de proiect
Cea mai usoara bara este acea realizata dintr-un material care are cea mai mare valoare pentru
raport numit si ldquoindice de materialrdquo
Functia Incarcarea ConstrangeriIndici de
performantaRelatia
indicelui
Structuri de masa minima
Tija
BaraStatica
Rigiditate
Tractiune Eρ
Compresiune Eρ
Incovoiere E12ρ
Torsiune E12ρ
Rezistenta
Tractiune σrρ
Compresiune σcρ
Incovoiere σr23ρ
Torsiune σc23ρ
Dinamica
Panou
45
Exista mai multi indici de performanta fiecare realizand o combinatie dintre obiectiv si constrangere
46
47
48
METODE CANTITATIVE DE SELECTIE A MATERIALELOR CANDIDATE
Materialele candidat sunt materialele care satisfac cerintele cuprinse in matricea de cerinte rezultate dinbull Cerintele functionalebull Siguranta in functionarebull Functionarea in conditii ambientale de exploatarebull Cerintele de prelucrabilitatebull Economicitatea piesei
Care din aceste materiale vor fi luate in considerare la realizarea piesei
Evaluarea materialelor candidat
Evaluarea presupune compararea materialelor candidat care indeplinesc cerintele negociabile cu caracteristicile efective ale materialului in vederea selectarii celui optim pentru o aplicatie data
49
Evaluarea materialelor candidat
Este mai simpla pentru metodele cantitative de evaluare
Trebuie sa tina seama de anumite avantaje (usurinta procurarii materialului distanta pana la furnizor seriozitatea furnizarii constanta in calitatea produselor etc) care pot introduce anumite limitari determinand anumite compromisuri
In cele mai multe cazuri metodele cantitative de selectie conduc la materialul optim pentru o aplicatie
Metodele cantitative pot fi reluate odata cu schimbarea importantei relative a cerintelor negociabile
ATENTIE Cerintele nenegociabile trebuie satisfacute in totalitate si intocmai
Daca niciun material nu satisfac cerintele negociabile atunci fie ca acestea trebuie relaxate fie se impune reproiectarea produsului
50
Selectia este o operatie complexa
Numar mare de materiale cu o plaja larga de proprietati
Daca se face intamplator
Apare riscul de a omite anumite materiale candidate
Reducerea riscului prin adoptarea unei metode sistematice de selectie a materialelor
Metodele cantitative
Permitbull analiza unui numar ridicat de datebull a multor specificatii implicate in selectia materialelorbull pot fi adaptate pentru o selectie asistata de calculator
dintr-o baza de date
Metodele nu elimina capacitatea de analiza si experienta ingineruluiAceste metode sprijina inginerul in alegerea optima
51
METODA COSTULUI RAPORTAT LA UNITATEA DE PROPRIETATE
Economicitatea piesei
Costul initial al materialului
Costul prelucrarii si montarii
Costul functionarii si intretinerii
Unele dintre aceste costuri cresc odata cu cresterea
valorii proprietatilor altele scad
Proprietatea (Rm)
Costul piesei
Alte costuri
Costul total
Cos
tul
Cost minim
Odata cu cresterea rezistentei- Prelucrare mai dificila- Greutatea pe piesa scade- Durabilitatea in exploatare
creste si deci numarul de piese in utilizate in timp mai mic
Costul total este suma costului piesei si a celorlalte costuri
52
Valoarea optima a proprietatii (aici Rm) apare la costul minim
In piata costul materialului este legat de greutatea sau volumul (dupa caz) materialului
Se poate stabili o comparatie a materialelor intre proprietatile relative (proprietatea raportata la
greutatea specifica) De exemplu rezistenta rigiditatea modul de elasticitate etc
Criteriul esential este costul raportat la unitatea de rezistenta la tractiune
C=pρσ
C- costul asigurarii unei rezistente de 1 MPap- costul unitatii de proprietate a materialului
ρ- densitatea materialului
σr- rezistenta la tractiune
Cu cat valoarea lui ldquoCrdquo este mai mica cu atat materialul
este mai economic
53
Relatii asemanatoare pot fi obtinute si pentru alte proprietati cum ar fi- limita la curgere- modulul de elastuicitate- factorul de intensitate a tensiunii etc
Costul unitatii de proprietate pentru diferite moduri de solicitare
54
Compararea materialelor privind aceste costuri este esentiala
Se compara materialele intre ele
Este dificilSe ia un material de referinta
Costul relativ pe unitatea de proprietate a materialului candidat ldquoirdquo raportat la costul relativ pe unitatea de proprietate a materialului de referinta ldquobrdquo este dat de relatia
Daca CR este subunitar materialul candidat este mai ieftin decat materialul de referinta
Materialul de referinta este eliminat si materialul candidat se ia ca material de referinta pentru urmatoarea comparatie
Daca CR este supra unitar materialul candidat este mai scump decat materialul de referinta
Materialul de referinta se ia ca material de comparatie pentru urmatoarea analiza
55
METODA PONDERARII PROPRIETATILOR
Este o metoda pentru rezolvarea unor solutii mai comlexe de materiale materiale si proprietati
Fiecarei proprietati a materialului i se acorda o pondere rdquoαrdquo
Ponderea este proportionala cu importanta relativa a proprietatii pentru performanta in exploatare a materialului pentru aplicatia data
Ponderea proprietatii este egala cu produsul dintre valoarea numerica a proprietatii materialului ldquoprdquo si ponderea ei ldquoαrdquo
γ=pα
Insumand toate aceste produse pentru un material se obtine un indice de performanta ldquoPrdquo al materialului
Aceasta metoda ia in considerare toate proprietatile materialului
Comparand mai multe materiale prin indicele de performanta se poate gasi cel mai performant material pentru o aplicatie
56
Dezavantajul acestei metode consta in faptul ca in cazul unei proprietati care are o valoare ridicata aceasta v-a avea o influenta mai mare asupra indicelui de performanta decat ponderea ei
Exemplu Un material A care are Rm=370 MPa si o duritate de 350 HRB si un alt material B care are Rm=400 MPa si o duritate de 300 HRBStabilind ponderea proprietatii de 100 pentru rezistenta si 90 pentru duritate se obtine un indice de performanta de 68500 pentru material ul A si 67000 pentru materialul B
Inseamna ca impotriva importantei rezistentei la tractiune (ca fiind primul criteriu de selectie) si care este mai mare pentru materialul B indicele de performanta al materialului A este mai mare si deci acest material v-a fi selectat
La evaluarea materialelor candidat se va lucra cu valori relative ldquoβrdquo ale unei anumite proprietati celei mai mari valori a proprietatii atribuindu-se valoarea 100 iar celelalte valori relative se determina cu relatia
57
Pentru proprietatile materialelor care nu se exprima in mod obisnuit prin valori numerice (rezistenta la uzare sudabilitatea aschiabilitatea diferite proprietati tehnologice etc) evaluarea se poate face relativ la una dintre proprietati astfel
Astfel fiecarei proprietati I se acorda o importanta egalasi ea va influenta indicii de performanta ai materialelor doar comparate doar in masura ponderii acordate
Pentru proprietati ale caror valori se doreste a fi cat mai mici (densitatea pierderea de greutate prin coroziune etc) evaluarea se face printr-un raport invers
ProprietateaMateriale alternative
A B C D
Sudabilitatea Foarte buna Buna Buna Satisfacatoare
Evaluarea relativa 5 3 3 1
Valoarea scalata 100 60 60 20
58
Exemplu In ceea ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru rezistenta la tractiune a materialului A este de 925 Pentru al doilea material aceasta valoare este de 100 In ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru duritate aceasta este de 100 pentru materialul A si de 857 pentru materialul B
Acest lucru poate schimba situatia ierarhica a materialelor sau le poate apropia atat de mult indicele de performanta incat sa se puna problema luari in considerare si a altor elemente pentru selectie
Astfel indicele de performanta a materialului este dat de relatia
unde P reprezinta indicele de performanta a materialuluildquoirdquo este suma celor ldquonrdquo proprietati considerate a materialul ui
59
Ponderea α poate fi considerata ca αilt1 astfel incat
(cazul cel mai frecvent) sau ei I se poate aloca o plaja de valori valoarea cea mai mare
corespunzand proprietatii cu cea mai mare importanta
Costul materialului poate fi considerat ca o proprietate (chiar importanta) acordandui-se o pondere ldquoαrdquo
In cazul luarii in considerare a unui numar mare de proprietati costul poate fi considerat un factor de corectie al indicelui de performanta a materialului rezultand indicele de merit al acestuia
in care ldquoprdquo reprezinta costul unitatii de greutate a materialului
60
Cand se doreste compararea mai multor materiale candidat (i) cu unul de baza (de referinta) se calculeaza indicele relativ de merit al fiecarui material astfel
Daca RMgt1 respectivul material candidat ldquoirdquo corespunde mai bine cerintelor decat materialul de referinta ldquobrdquoIn cazul in care Mb reprezinta minimul cerintelor impuse Materialele candidat avand RMlt1 pot fi eliminate de la inceput ca fiind necorespunzatoare
Cand trebuie luate in considerare mai multe proprietati ale materialului pentru evaluarea indicelui de performanta este dificila evaluarea ponderii acestora Rezolvarea aceste probleme poate fi realizata printr-o evaluare prin programe numerice
61
METODA CRESTERII INCREMENTALE
In anumite situatii pot aparea mai multe materiale care indeplinesc cerintele minime impuse de o anumita aplicatie
Dupa analiza acestor materiale se poate presupune ca performantele pieselor prelucrate sunt proportionale cu indicii de performanta ldquoPrdquo In acelasi timp costul piesei variaza proportional cu costul materialului si al prelucrarii acestora
Daca se doreste selectarea piesei care are cea mai mare performanta la cea mai rezonabila crestere a costului se poate face o analiza beneficiu-cost Procedeul se ia indeosebi cand se doreste inlocuirea unui material utilizat deja in fabricatie
Materialul cu cel mai scazut cost (1) se ca element de baza si este comparat cu materialul care are costul imediat superior (2) Comparatia se face determinand cresterea indicelui de performanta (ΔP=P2-P1) si a costului ldquoprdquo pe unitatea de volum (Δpρ=p2ρ2-p1ρ1)
Daca ΔPΔpρlt1 materialul 1 corespunde mai bine decat materialul 2 pentru aplicatia data si materialul 2 va fi eliminatDaca ΔPΔpρgt1 materialul 1 va fi eliminat deoarece materialul 2 corespunde mai bine cerintelor aplicatieiSe continua compararea cu al treilea material si rand pe rand vor fi eliminate materialele mai putin corespunzatoare ajungand la materialul optim
62
EXEMPLU DE SELECTIE A MATERIALELOR
Tema Realizarea piesesei din figura dintr-un otel ldquoOL37rdquo intr-o serie mare de fabricatie-Este o piesa cilindrica cu dimensiunile date-Are un butuc-Prezinta o gaura lunga si de diametre mic
oslash200oslash50
150oslash20
Se poate realiza din bara rotunda prin strunjire
Se poate realiza din bara rotunda prin forjare
80
Coeficientul de utilizare a materialului 055
Coeficientul de utilizare a materialului 098
63
Diametrul mm Inaltime mm Volum mm3 Volum mm3Coeficientul de
utilizare a materialului
Semif Pornire 200 150 4710000 4710000
Strunjire
200 80 2512000
2602275 055=5550 35 137375
20 150 47100
Forjare
200 80 25120002649375
098=9850 35 137375
20 150 47100 2602275
Coeficientul de utilizare a materialului K=greutatea piesei finitegreutatea materialului utilizat pentru realizarea lui (a semifabricatului de pornire)
In calcul s-a lucrat cu volumul materialului deoarece G=VρAdaosuriele de prelucrare s-u luat ca fiind egaleApare un mult mai bun grad de utilizare a materialului pentr prelucrarea prin forjare
PIESA SE VA REALIZA PRIN FORJARE
64
1
2
3
5
6
4
9
8
F
107F
1-semimatrita superioara2-semimatrita inferioara3-cavitatea semimatritei sup4-cavitatea semimatritei inf5-canalul de bavura6-canalul de refulare7-prinderea semimatritei sup8-prinderea semimatritei inf9-elemente de ghidare (stifturi)10-planul de separare
TEMA Sa se stabileasca materialul optim pentru realizarea elementelor active ale matrtei de forjare din figura Se urmreste obtinerea piesei prin forjare la cald
CERINTE PENTRU PROIECTARE
Analiza schiteiFunctia Elemete (semimatrite) de matrita de deformare plasticaObiectiv Trebuie maximalizata tenacitatea (rezilienta)Constrangeri Dimensiunile cavitatii matritei (depind de marimea piesei) dimensiunile exterioare si sistemul de prindere (depind de utilaj temperatura de lucruVariabile libere material
65
Se cauta in sursele de informatii structurate si nestructurate materialele care respecta cerintele
Elemente de matrita
Rezistente la cald
Tenacitate Duritate
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Materialele potrivite sunt metalele si aliajele lor
-Materialele ceramice nu au tenacitate-Materialele polimerice nu au rezistenta la cald-Materialele compozite sunt scumpe si nu au tenacitate
Depinde de compozitia lor
Se cauta materiale cu destinatie precisa Materiale pentru scule de deformare
66
Din baza de date se constata ca urmatoarele materiale satisfac
cerintele rigide adica sa poata fi utilizate la prelucrarea la cald
Sunt materiale cu destinatie precisaDaca nu sunt materiale cu destinatie
precisa se cauta in grupa materialelor cu destinatie generala
Material Rm min MPa HV A5 KCU Jcm3
C120 890 265 8 60
VMoC120 870 265 8 68
VC06 870 230 6 68
VCW85 870 265 6 80
MoCN15 830 250 7 75
VMoCN17 870 265 7 73
VSCW20 790 235 5 78
OSC7 640 195 12 56
OSC8 640 195 10 58
67
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU Jcm3 βKCU Indicele de
performanta PC120 890 265 8 60 101450
VMoC120 870 265 8 68 100650
VC06 870 230 6 68 97400
VCW85 870 265 6 80 101750
MoCN15 830 250 7 75 96750
VMoCN17 870 265 7 73 101100
VSCW20 790 235 5 78 92400
OSC7 640 195 12 56 74950
OSC8 640 195 10 58 75050Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza peoprietatii
68
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU
Jcm3 βKCU Indicele de performanta P
C120 890 100 265 10000 8 6667 60 75 25017000
VMoC120 870 9775 265 10000 8 6667 68 85 2835015356
VC06 870 9775 230 8679 6 5000 68 85 2126563155
VCW85 870 9775 265 10000 6 5000 80 100 2501682022
MoCN15 830 9326 250 9434 7 5833 75 9375 2735970124
VMoCN17 870 9775 265 10000 7 5833 73 9125 2663140356
VSCW20 790 8876 235 8868 5 4167 78 975 2032758226
OSC7 640 7191 195 7358 12 10000 56 70 3501237545
OSC8 640 7191 195 7358 10 8333 58 725 3022070878Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza proprietatii relative
69
Material Indicele de performanta P
VSCW20 2032758226
VC06 2126563155
VCW85 2501682022
C120 25017000
VMoCN17 2663140356
MoCN15 2735970124
VMoC120 2835015356
OSC8 3022070878
OSC7 3501237545
Material Indicele de performanta P
OSC7 74950
OSC8 75050
VSCW20 92400
MoCN15 96750
VC06 97400
VMoC120 100650
VMoCN17 101100
C120 101450
VCW85 101750
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile proprietatii materialului
ordonate crescator
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile relative ale proprietatii materialului ordonate crescator
70
Luand in considerare ca unele materiale sunt aliate cu siguranta acestea sunt mai scumpe
Daca luam in considerare costul unitar pentru otelurile carbon de scule iar densitatea de 785 (corespunzatoare fierului) se obtine indicele de merit
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
OSC7 74950 1 95477707 114
OSC8 75050 1 956050955 114
VSCW20 92400 14 840764331 100
MoCN15 96750 14 880345769 105
VC06 97400 12 103397028 123
VMoC120 100650 13 986281235 117
VMoCN17 101100 14 919927207 109
C120 101450 15 861571125 102
VCW85 101750 14 925841674 110
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea proprietatii materialului
71
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
VSCW20 2032758226 14 184964352 100
VC06 2126563155 12 225749804 122
VCW85 2501682022 14 227632577 123
C120 25017000 15 212458599 115
VMoCN17 2663140356 14 242323963 131
MoCN15 2735970124 14 248950876 135
VMoC120 2835015356 13 277806502 150
OSC8 3022070878 1 384977182 208
OSC7 3501237545 1 446017522 241
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea relativa a proprietatii materialului
72
Selectati materialele potrivite pentru piesele din imagine
Randul I 1 Serie mare de fabricatie-6p Randul II Serie mica (unicat) de fabricatie-6p
Randul I 2 Criterii de selectie a materialelor-1p3 Etapele selectiei materialelor ndash 1p4 Economicitatea piesei ndash 1p5 Strategii de selectie a materialelor ndash 1p
Randul II 2 Tipuri de date utilizate la selectia materialelor-1p3 Cum se face minimalizarea costurilor-1p4 Perofmantele piesei in functionare ndash 1p5 Care sunt cerintele fata de material ndash 1p
SUBIECTE EXAMEN
73
Date privind principalele proprietati tehnologice ale unor materiale
Material
Valorile proprietatii
Aschiabilitate Turnabilitate Sudabilitate Cost
F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba $tona
Otel de constructii (OL) X X X 140
Otel carbon de calitate (OLC) X X X
260
Fonte obisnuite (Fc) X X X 160
Punctaje 60 30 10 60 30 10 60 30 10
Avand in vedere ca pretul creste odata cu rezistenta la tractiune calculati costul fiecarui material prin inmultirea costului de baza cu valoarea proprietatii si impartiti la 100
74
Materiale ce pot fi luate in considerare spre analiza
Material Rm HV A Material Rm HV A Material Rm HV A
OL30 310 95 32 OLC8 324 140 33 Fc100 100 105 2
OL32 310 93 33 OLC10 321 150 31 Fc150 150 145 3
OL34 330 105 31 OLC15 373 155 27 Fc200 200 180 4
OL37 360 112 25 OLC20 410 165 25 Fc250 250 190 4
OL42 410 130 22 OLC25 450 175 24 Fc300 300 210 5
OL44 430 135 22 OLC30 490 180 21 Fc350 350 220 6
OL50 500 160 21 OLC35 530 195 21 Fc400 400 240 6
OL52 510 160 21 OLC40 570 200 19
OL60 590 185 16 OLC45 610 220 18
OL70 690 215 11 OLC50 640 230 16
OLC55 670 240 14
OLC60 700 255 14
Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50
Proprietatea tehnilogica intra cu o pondere de 100
VA UREZ SUCCES
39
Cerintele proiectarii
Materiale si procedee de prelucrare selectate
Strategii de selectie
Date initiale Functie de transfer Date finale
Strategia 1 Cautare libera implicand analiza rationala
Strategia 2 Bazata pe chestionare Este o selectie prin expertiza
Strategia 3 Analogie bazata pe cazuri anterioare
Posibila inovatie
Ofera solutii cunoscute
Ofera solutii similare cu situatia prezenta
Ofera mare libertate de selectie dar putina ghidare in proces
Ofera multa ghidare in proces dar putina libertate de selectie
Ofera idei ale solutiilor anterioare pentru probleme similare
40
SELECTIA LIBERA BAZATA PE ANALIZA RATIONALA
Este rapida si eficienta
Ofera o mare libertate pentru aplicatii
Ofera solutii noi si inovative
Avantaje
Are nevoie de date de intrare precis detaliate intr-o forma ce pot fi analizate prin metode ingineresti
standard
EXEMPLU
Gasiti un material pentru o bara de lungime L care sa
suporte o forta F la temperatura T si sa fie cat mai usoara
Cerinte pentru proiectare
ANALIZA SCHITEIFunctia Ce trebuie sa faca piesaObiective Ce trebuie maximalizat sau minimalizatConstrangeri Ce conditii esentiale trebuie sa fie indepliniteVariabile libere Care variabile ale proiectului sunt libere (cerinte nerigide)
41
Functia Ce trebuie sa faca piesa
Obiective Ce trebuie maximalizat sau minimalizat
Variabile libere Care variabile ale proiectului sunt libere (cerinte nerigide)
De a rezista la momente de incovoiere trebuie sa suporta incarcatura pentru care a fost proiectata fara a se deforma
Constrangeri Ce conditii esentiale trebuie sa fie indeplinite
Lungimea L data Tigiditatea S data Sa reziste si sa nu se deformeze la temperatura T
Trebuie minimalizata greutate
Aria sectiunii Costul
Procesul de selectie a avea 3 pasi
Filtrarea Se folseste de constrangeri pentru inlaturarea materialelor care nu indeplinesc cerintele
IerarhizareaSe folseste de marimea performantelor materialelor ramase in discutie pentru a le ordona
Documentarea
Analizeaza informatiile nestructurate le structureaza si le introduce in structura ierarhizata realizand o fisa cu informatii care ajuta selectia finala a materialului
42
Ierarhizarea se face parcurgand mai multe faze
Identificarea unuia sau a mai multor indici de performanta corespunzatori functiei obiectivului si constrangerilor
Indicele de performanta permite optimizarea selectiei
Pentru identificarea acestor indici se parcurg urmatoarele etape
Transpunerea intr-o relatie a obiectivului (entitatea) ce trebuie minimalizata sau maximalizata
Analiza grupului de proprietati (indicele de performanta) care maximalizeaza obiectivul
Eliminarea din aceasta relatie a variabilelor libere utilizand constrangerile (ex valoarea impusa rigiditatii a incarcarii limita a unui moment a presiunii a temperaturii de lucru sau al tenacitatii
43
EXEMPLU
TEMAGasiti un material pentru o bara de lungime L care sa
suporte o forta F la temperatura T si sa fie cat mai usoara
b
b
Lδ
F
Sageata
Sectiunea
CERINTELE PROIECTARIIFunctia Bara incarcata la incovoiereObiectiv Minimalizarea greutatiiConstrangeri Lungimea L data Rigiditatea S data Temperatura de exploatare T data (500deg)Variabile libere Aria sectiunii A Materialul de selectat
Se alege masa ldquomrdquo ca indice de performanta (trebuie sa fie minimalizat)
Masa barei este
Constrangerea privind rigiditatea va determina aria sectiunii ASageata unei bare simplu rezemata (forta actionand la mijloc) este data de relatia
44
unde E-modulul de elasticitate al materialului barei I-momentul de inertie al sectiunii grinzii
CL-reprezinta o constanta ce depinde de modul de distributie a fortei F (CL=48)
Rigiditatea barei este data de relatia
Din aceasta ultima relatie rezulta aria sectiunii A
Prin substitutia acestei relatii in relatia de determinare a masei grinzii se obtine indicele de performanta m
Valorile S L CL sunt date de proiect
Cea mai usoara bara este acea realizata dintr-un material care are cea mai mare valoare pentru
raport numit si ldquoindice de materialrdquo
Functia Incarcarea ConstrangeriIndici de
performantaRelatia
indicelui
Structuri de masa minima
Tija
BaraStatica
Rigiditate
Tractiune Eρ
Compresiune Eρ
Incovoiere E12ρ
Torsiune E12ρ
Rezistenta
Tractiune σrρ
Compresiune σcρ
Incovoiere σr23ρ
Torsiune σc23ρ
Dinamica
Panou
45
Exista mai multi indici de performanta fiecare realizand o combinatie dintre obiectiv si constrangere
46
47
48
METODE CANTITATIVE DE SELECTIE A MATERIALELOR CANDIDATE
Materialele candidat sunt materialele care satisfac cerintele cuprinse in matricea de cerinte rezultate dinbull Cerintele functionalebull Siguranta in functionarebull Functionarea in conditii ambientale de exploatarebull Cerintele de prelucrabilitatebull Economicitatea piesei
Care din aceste materiale vor fi luate in considerare la realizarea piesei
Evaluarea materialelor candidat
Evaluarea presupune compararea materialelor candidat care indeplinesc cerintele negociabile cu caracteristicile efective ale materialului in vederea selectarii celui optim pentru o aplicatie data
49
Evaluarea materialelor candidat
Este mai simpla pentru metodele cantitative de evaluare
Trebuie sa tina seama de anumite avantaje (usurinta procurarii materialului distanta pana la furnizor seriozitatea furnizarii constanta in calitatea produselor etc) care pot introduce anumite limitari determinand anumite compromisuri
In cele mai multe cazuri metodele cantitative de selectie conduc la materialul optim pentru o aplicatie
Metodele cantitative pot fi reluate odata cu schimbarea importantei relative a cerintelor negociabile
ATENTIE Cerintele nenegociabile trebuie satisfacute in totalitate si intocmai
Daca niciun material nu satisfac cerintele negociabile atunci fie ca acestea trebuie relaxate fie se impune reproiectarea produsului
50
Selectia este o operatie complexa
Numar mare de materiale cu o plaja larga de proprietati
Daca se face intamplator
Apare riscul de a omite anumite materiale candidate
Reducerea riscului prin adoptarea unei metode sistematice de selectie a materialelor
Metodele cantitative
Permitbull analiza unui numar ridicat de datebull a multor specificatii implicate in selectia materialelorbull pot fi adaptate pentru o selectie asistata de calculator
dintr-o baza de date
Metodele nu elimina capacitatea de analiza si experienta ingineruluiAceste metode sprijina inginerul in alegerea optima
51
METODA COSTULUI RAPORTAT LA UNITATEA DE PROPRIETATE
Economicitatea piesei
Costul initial al materialului
Costul prelucrarii si montarii
Costul functionarii si intretinerii
Unele dintre aceste costuri cresc odata cu cresterea
valorii proprietatilor altele scad
Proprietatea (Rm)
Costul piesei
Alte costuri
Costul total
Cos
tul
Cost minim
Odata cu cresterea rezistentei- Prelucrare mai dificila- Greutatea pe piesa scade- Durabilitatea in exploatare
creste si deci numarul de piese in utilizate in timp mai mic
Costul total este suma costului piesei si a celorlalte costuri
52
Valoarea optima a proprietatii (aici Rm) apare la costul minim
In piata costul materialului este legat de greutatea sau volumul (dupa caz) materialului
Se poate stabili o comparatie a materialelor intre proprietatile relative (proprietatea raportata la
greutatea specifica) De exemplu rezistenta rigiditatea modul de elasticitate etc
Criteriul esential este costul raportat la unitatea de rezistenta la tractiune
C=pρσ
C- costul asigurarii unei rezistente de 1 MPap- costul unitatii de proprietate a materialului
ρ- densitatea materialului
σr- rezistenta la tractiune
Cu cat valoarea lui ldquoCrdquo este mai mica cu atat materialul
este mai economic
53
Relatii asemanatoare pot fi obtinute si pentru alte proprietati cum ar fi- limita la curgere- modulul de elastuicitate- factorul de intensitate a tensiunii etc
Costul unitatii de proprietate pentru diferite moduri de solicitare
54
Compararea materialelor privind aceste costuri este esentiala
Se compara materialele intre ele
Este dificilSe ia un material de referinta
Costul relativ pe unitatea de proprietate a materialului candidat ldquoirdquo raportat la costul relativ pe unitatea de proprietate a materialului de referinta ldquobrdquo este dat de relatia
Daca CR este subunitar materialul candidat este mai ieftin decat materialul de referinta
Materialul de referinta este eliminat si materialul candidat se ia ca material de referinta pentru urmatoarea comparatie
Daca CR este supra unitar materialul candidat este mai scump decat materialul de referinta
Materialul de referinta se ia ca material de comparatie pentru urmatoarea analiza
55
METODA PONDERARII PROPRIETATILOR
Este o metoda pentru rezolvarea unor solutii mai comlexe de materiale materiale si proprietati
Fiecarei proprietati a materialului i se acorda o pondere rdquoαrdquo
Ponderea este proportionala cu importanta relativa a proprietatii pentru performanta in exploatare a materialului pentru aplicatia data
Ponderea proprietatii este egala cu produsul dintre valoarea numerica a proprietatii materialului ldquoprdquo si ponderea ei ldquoαrdquo
γ=pα
Insumand toate aceste produse pentru un material se obtine un indice de performanta ldquoPrdquo al materialului
Aceasta metoda ia in considerare toate proprietatile materialului
Comparand mai multe materiale prin indicele de performanta se poate gasi cel mai performant material pentru o aplicatie
56
Dezavantajul acestei metode consta in faptul ca in cazul unei proprietati care are o valoare ridicata aceasta v-a avea o influenta mai mare asupra indicelui de performanta decat ponderea ei
Exemplu Un material A care are Rm=370 MPa si o duritate de 350 HRB si un alt material B care are Rm=400 MPa si o duritate de 300 HRBStabilind ponderea proprietatii de 100 pentru rezistenta si 90 pentru duritate se obtine un indice de performanta de 68500 pentru material ul A si 67000 pentru materialul B
Inseamna ca impotriva importantei rezistentei la tractiune (ca fiind primul criteriu de selectie) si care este mai mare pentru materialul B indicele de performanta al materialului A este mai mare si deci acest material v-a fi selectat
La evaluarea materialelor candidat se va lucra cu valori relative ldquoβrdquo ale unei anumite proprietati celei mai mari valori a proprietatii atribuindu-se valoarea 100 iar celelalte valori relative se determina cu relatia
57
Pentru proprietatile materialelor care nu se exprima in mod obisnuit prin valori numerice (rezistenta la uzare sudabilitatea aschiabilitatea diferite proprietati tehnologice etc) evaluarea se poate face relativ la una dintre proprietati astfel
Astfel fiecarei proprietati I se acorda o importanta egalasi ea va influenta indicii de performanta ai materialelor doar comparate doar in masura ponderii acordate
Pentru proprietati ale caror valori se doreste a fi cat mai mici (densitatea pierderea de greutate prin coroziune etc) evaluarea se face printr-un raport invers
ProprietateaMateriale alternative
A B C D
Sudabilitatea Foarte buna Buna Buna Satisfacatoare
Evaluarea relativa 5 3 3 1
Valoarea scalata 100 60 60 20
58
Exemplu In ceea ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru rezistenta la tractiune a materialului A este de 925 Pentru al doilea material aceasta valoare este de 100 In ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru duritate aceasta este de 100 pentru materialul A si de 857 pentru materialul B
Acest lucru poate schimba situatia ierarhica a materialelor sau le poate apropia atat de mult indicele de performanta incat sa se puna problema luari in considerare si a altor elemente pentru selectie
Astfel indicele de performanta a materialului este dat de relatia
unde P reprezinta indicele de performanta a materialuluildquoirdquo este suma celor ldquonrdquo proprietati considerate a materialul ui
59
Ponderea α poate fi considerata ca αilt1 astfel incat
(cazul cel mai frecvent) sau ei I se poate aloca o plaja de valori valoarea cea mai mare
corespunzand proprietatii cu cea mai mare importanta
Costul materialului poate fi considerat ca o proprietate (chiar importanta) acordandui-se o pondere ldquoαrdquo
In cazul luarii in considerare a unui numar mare de proprietati costul poate fi considerat un factor de corectie al indicelui de performanta a materialului rezultand indicele de merit al acestuia
in care ldquoprdquo reprezinta costul unitatii de greutate a materialului
60
Cand se doreste compararea mai multor materiale candidat (i) cu unul de baza (de referinta) se calculeaza indicele relativ de merit al fiecarui material astfel
Daca RMgt1 respectivul material candidat ldquoirdquo corespunde mai bine cerintelor decat materialul de referinta ldquobrdquoIn cazul in care Mb reprezinta minimul cerintelor impuse Materialele candidat avand RMlt1 pot fi eliminate de la inceput ca fiind necorespunzatoare
Cand trebuie luate in considerare mai multe proprietati ale materialului pentru evaluarea indicelui de performanta este dificila evaluarea ponderii acestora Rezolvarea aceste probleme poate fi realizata printr-o evaluare prin programe numerice
61
METODA CRESTERII INCREMENTALE
In anumite situatii pot aparea mai multe materiale care indeplinesc cerintele minime impuse de o anumita aplicatie
Dupa analiza acestor materiale se poate presupune ca performantele pieselor prelucrate sunt proportionale cu indicii de performanta ldquoPrdquo In acelasi timp costul piesei variaza proportional cu costul materialului si al prelucrarii acestora
Daca se doreste selectarea piesei care are cea mai mare performanta la cea mai rezonabila crestere a costului se poate face o analiza beneficiu-cost Procedeul se ia indeosebi cand se doreste inlocuirea unui material utilizat deja in fabricatie
Materialul cu cel mai scazut cost (1) se ca element de baza si este comparat cu materialul care are costul imediat superior (2) Comparatia se face determinand cresterea indicelui de performanta (ΔP=P2-P1) si a costului ldquoprdquo pe unitatea de volum (Δpρ=p2ρ2-p1ρ1)
Daca ΔPΔpρlt1 materialul 1 corespunde mai bine decat materialul 2 pentru aplicatia data si materialul 2 va fi eliminatDaca ΔPΔpρgt1 materialul 1 va fi eliminat deoarece materialul 2 corespunde mai bine cerintelor aplicatieiSe continua compararea cu al treilea material si rand pe rand vor fi eliminate materialele mai putin corespunzatoare ajungand la materialul optim
62
EXEMPLU DE SELECTIE A MATERIALELOR
Tema Realizarea piesesei din figura dintr-un otel ldquoOL37rdquo intr-o serie mare de fabricatie-Este o piesa cilindrica cu dimensiunile date-Are un butuc-Prezinta o gaura lunga si de diametre mic
oslash200oslash50
150oslash20
Se poate realiza din bara rotunda prin strunjire
Se poate realiza din bara rotunda prin forjare
80
Coeficientul de utilizare a materialului 055
Coeficientul de utilizare a materialului 098
63
Diametrul mm Inaltime mm Volum mm3 Volum mm3Coeficientul de
utilizare a materialului
Semif Pornire 200 150 4710000 4710000
Strunjire
200 80 2512000
2602275 055=5550 35 137375
20 150 47100
Forjare
200 80 25120002649375
098=9850 35 137375
20 150 47100 2602275
Coeficientul de utilizare a materialului K=greutatea piesei finitegreutatea materialului utilizat pentru realizarea lui (a semifabricatului de pornire)
In calcul s-a lucrat cu volumul materialului deoarece G=VρAdaosuriele de prelucrare s-u luat ca fiind egaleApare un mult mai bun grad de utilizare a materialului pentr prelucrarea prin forjare
PIESA SE VA REALIZA PRIN FORJARE
64
1
2
3
5
6
4
9
8
F
107F
1-semimatrita superioara2-semimatrita inferioara3-cavitatea semimatritei sup4-cavitatea semimatritei inf5-canalul de bavura6-canalul de refulare7-prinderea semimatritei sup8-prinderea semimatritei inf9-elemente de ghidare (stifturi)10-planul de separare
TEMA Sa se stabileasca materialul optim pentru realizarea elementelor active ale matrtei de forjare din figura Se urmreste obtinerea piesei prin forjare la cald
CERINTE PENTRU PROIECTARE
Analiza schiteiFunctia Elemete (semimatrite) de matrita de deformare plasticaObiectiv Trebuie maximalizata tenacitatea (rezilienta)Constrangeri Dimensiunile cavitatii matritei (depind de marimea piesei) dimensiunile exterioare si sistemul de prindere (depind de utilaj temperatura de lucruVariabile libere material
65
Se cauta in sursele de informatii structurate si nestructurate materialele care respecta cerintele
Elemente de matrita
Rezistente la cald
Tenacitate Duritate
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Materialele potrivite sunt metalele si aliajele lor
-Materialele ceramice nu au tenacitate-Materialele polimerice nu au rezistenta la cald-Materialele compozite sunt scumpe si nu au tenacitate
Depinde de compozitia lor
Se cauta materiale cu destinatie precisa Materiale pentru scule de deformare
66
Din baza de date se constata ca urmatoarele materiale satisfac
cerintele rigide adica sa poata fi utilizate la prelucrarea la cald
Sunt materiale cu destinatie precisaDaca nu sunt materiale cu destinatie
precisa se cauta in grupa materialelor cu destinatie generala
Material Rm min MPa HV A5 KCU Jcm3
C120 890 265 8 60
VMoC120 870 265 8 68
VC06 870 230 6 68
VCW85 870 265 6 80
MoCN15 830 250 7 75
VMoCN17 870 265 7 73
VSCW20 790 235 5 78
OSC7 640 195 12 56
OSC8 640 195 10 58
67
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU Jcm3 βKCU Indicele de
performanta PC120 890 265 8 60 101450
VMoC120 870 265 8 68 100650
VC06 870 230 6 68 97400
VCW85 870 265 6 80 101750
MoCN15 830 250 7 75 96750
VMoCN17 870 265 7 73 101100
VSCW20 790 235 5 78 92400
OSC7 640 195 12 56 74950
OSC8 640 195 10 58 75050Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza peoprietatii
68
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU
Jcm3 βKCU Indicele de performanta P
C120 890 100 265 10000 8 6667 60 75 25017000
VMoC120 870 9775 265 10000 8 6667 68 85 2835015356
VC06 870 9775 230 8679 6 5000 68 85 2126563155
VCW85 870 9775 265 10000 6 5000 80 100 2501682022
MoCN15 830 9326 250 9434 7 5833 75 9375 2735970124
VMoCN17 870 9775 265 10000 7 5833 73 9125 2663140356
VSCW20 790 8876 235 8868 5 4167 78 975 2032758226
OSC7 640 7191 195 7358 12 10000 56 70 3501237545
OSC8 640 7191 195 7358 10 8333 58 725 3022070878Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza proprietatii relative
69
Material Indicele de performanta P
VSCW20 2032758226
VC06 2126563155
VCW85 2501682022
C120 25017000
VMoCN17 2663140356
MoCN15 2735970124
VMoC120 2835015356
OSC8 3022070878
OSC7 3501237545
Material Indicele de performanta P
OSC7 74950
OSC8 75050
VSCW20 92400
MoCN15 96750
VC06 97400
VMoC120 100650
VMoCN17 101100
C120 101450
VCW85 101750
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile proprietatii materialului
ordonate crescator
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile relative ale proprietatii materialului ordonate crescator
70
Luand in considerare ca unele materiale sunt aliate cu siguranta acestea sunt mai scumpe
Daca luam in considerare costul unitar pentru otelurile carbon de scule iar densitatea de 785 (corespunzatoare fierului) se obtine indicele de merit
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
OSC7 74950 1 95477707 114
OSC8 75050 1 956050955 114
VSCW20 92400 14 840764331 100
MoCN15 96750 14 880345769 105
VC06 97400 12 103397028 123
VMoC120 100650 13 986281235 117
VMoCN17 101100 14 919927207 109
C120 101450 15 861571125 102
VCW85 101750 14 925841674 110
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea proprietatii materialului
71
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
VSCW20 2032758226 14 184964352 100
VC06 2126563155 12 225749804 122
VCW85 2501682022 14 227632577 123
C120 25017000 15 212458599 115
VMoCN17 2663140356 14 242323963 131
MoCN15 2735970124 14 248950876 135
VMoC120 2835015356 13 277806502 150
OSC8 3022070878 1 384977182 208
OSC7 3501237545 1 446017522 241
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea relativa a proprietatii materialului
72
Selectati materialele potrivite pentru piesele din imagine
Randul I 1 Serie mare de fabricatie-6p Randul II Serie mica (unicat) de fabricatie-6p
Randul I 2 Criterii de selectie a materialelor-1p3 Etapele selectiei materialelor ndash 1p4 Economicitatea piesei ndash 1p5 Strategii de selectie a materialelor ndash 1p
Randul II 2 Tipuri de date utilizate la selectia materialelor-1p3 Cum se face minimalizarea costurilor-1p4 Perofmantele piesei in functionare ndash 1p5 Care sunt cerintele fata de material ndash 1p
SUBIECTE EXAMEN
73
Date privind principalele proprietati tehnologice ale unor materiale
Material
Valorile proprietatii
Aschiabilitate Turnabilitate Sudabilitate Cost
F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba $tona
Otel de constructii (OL) X X X 140
Otel carbon de calitate (OLC) X X X
260
Fonte obisnuite (Fc) X X X 160
Punctaje 60 30 10 60 30 10 60 30 10
Avand in vedere ca pretul creste odata cu rezistenta la tractiune calculati costul fiecarui material prin inmultirea costului de baza cu valoarea proprietatii si impartiti la 100
74
Materiale ce pot fi luate in considerare spre analiza
Material Rm HV A Material Rm HV A Material Rm HV A
OL30 310 95 32 OLC8 324 140 33 Fc100 100 105 2
OL32 310 93 33 OLC10 321 150 31 Fc150 150 145 3
OL34 330 105 31 OLC15 373 155 27 Fc200 200 180 4
OL37 360 112 25 OLC20 410 165 25 Fc250 250 190 4
OL42 410 130 22 OLC25 450 175 24 Fc300 300 210 5
OL44 430 135 22 OLC30 490 180 21 Fc350 350 220 6
OL50 500 160 21 OLC35 530 195 21 Fc400 400 240 6
OL52 510 160 21 OLC40 570 200 19
OL60 590 185 16 OLC45 610 220 18
OL70 690 215 11 OLC50 640 230 16
OLC55 670 240 14
OLC60 700 255 14
Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50
Proprietatea tehnilogica intra cu o pondere de 100
VA UREZ SUCCES
40
SELECTIA LIBERA BAZATA PE ANALIZA RATIONALA
Este rapida si eficienta
Ofera o mare libertate pentru aplicatii
Ofera solutii noi si inovative
Avantaje
Are nevoie de date de intrare precis detaliate intr-o forma ce pot fi analizate prin metode ingineresti
standard
EXEMPLU
Gasiti un material pentru o bara de lungime L care sa
suporte o forta F la temperatura T si sa fie cat mai usoara
Cerinte pentru proiectare
ANALIZA SCHITEIFunctia Ce trebuie sa faca piesaObiective Ce trebuie maximalizat sau minimalizatConstrangeri Ce conditii esentiale trebuie sa fie indepliniteVariabile libere Care variabile ale proiectului sunt libere (cerinte nerigide)
41
Functia Ce trebuie sa faca piesa
Obiective Ce trebuie maximalizat sau minimalizat
Variabile libere Care variabile ale proiectului sunt libere (cerinte nerigide)
De a rezista la momente de incovoiere trebuie sa suporta incarcatura pentru care a fost proiectata fara a se deforma
Constrangeri Ce conditii esentiale trebuie sa fie indeplinite
Lungimea L data Tigiditatea S data Sa reziste si sa nu se deformeze la temperatura T
Trebuie minimalizata greutate
Aria sectiunii Costul
Procesul de selectie a avea 3 pasi
Filtrarea Se folseste de constrangeri pentru inlaturarea materialelor care nu indeplinesc cerintele
IerarhizareaSe folseste de marimea performantelor materialelor ramase in discutie pentru a le ordona
Documentarea
Analizeaza informatiile nestructurate le structureaza si le introduce in structura ierarhizata realizand o fisa cu informatii care ajuta selectia finala a materialului
42
Ierarhizarea se face parcurgand mai multe faze
Identificarea unuia sau a mai multor indici de performanta corespunzatori functiei obiectivului si constrangerilor
Indicele de performanta permite optimizarea selectiei
Pentru identificarea acestor indici se parcurg urmatoarele etape
Transpunerea intr-o relatie a obiectivului (entitatea) ce trebuie minimalizata sau maximalizata
Analiza grupului de proprietati (indicele de performanta) care maximalizeaza obiectivul
Eliminarea din aceasta relatie a variabilelor libere utilizand constrangerile (ex valoarea impusa rigiditatii a incarcarii limita a unui moment a presiunii a temperaturii de lucru sau al tenacitatii
43
EXEMPLU
TEMAGasiti un material pentru o bara de lungime L care sa
suporte o forta F la temperatura T si sa fie cat mai usoara
b
b
Lδ
F
Sageata
Sectiunea
CERINTELE PROIECTARIIFunctia Bara incarcata la incovoiereObiectiv Minimalizarea greutatiiConstrangeri Lungimea L data Rigiditatea S data Temperatura de exploatare T data (500deg)Variabile libere Aria sectiunii A Materialul de selectat
Se alege masa ldquomrdquo ca indice de performanta (trebuie sa fie minimalizat)
Masa barei este
Constrangerea privind rigiditatea va determina aria sectiunii ASageata unei bare simplu rezemata (forta actionand la mijloc) este data de relatia
44
unde E-modulul de elasticitate al materialului barei I-momentul de inertie al sectiunii grinzii
CL-reprezinta o constanta ce depinde de modul de distributie a fortei F (CL=48)
Rigiditatea barei este data de relatia
Din aceasta ultima relatie rezulta aria sectiunii A
Prin substitutia acestei relatii in relatia de determinare a masei grinzii se obtine indicele de performanta m
Valorile S L CL sunt date de proiect
Cea mai usoara bara este acea realizata dintr-un material care are cea mai mare valoare pentru
raport numit si ldquoindice de materialrdquo
Functia Incarcarea ConstrangeriIndici de
performantaRelatia
indicelui
Structuri de masa minima
Tija
BaraStatica
Rigiditate
Tractiune Eρ
Compresiune Eρ
Incovoiere E12ρ
Torsiune E12ρ
Rezistenta
Tractiune σrρ
Compresiune σcρ
Incovoiere σr23ρ
Torsiune σc23ρ
Dinamica
Panou
45
Exista mai multi indici de performanta fiecare realizand o combinatie dintre obiectiv si constrangere
46
47
48
METODE CANTITATIVE DE SELECTIE A MATERIALELOR CANDIDATE
Materialele candidat sunt materialele care satisfac cerintele cuprinse in matricea de cerinte rezultate dinbull Cerintele functionalebull Siguranta in functionarebull Functionarea in conditii ambientale de exploatarebull Cerintele de prelucrabilitatebull Economicitatea piesei
Care din aceste materiale vor fi luate in considerare la realizarea piesei
Evaluarea materialelor candidat
Evaluarea presupune compararea materialelor candidat care indeplinesc cerintele negociabile cu caracteristicile efective ale materialului in vederea selectarii celui optim pentru o aplicatie data
49
Evaluarea materialelor candidat
Este mai simpla pentru metodele cantitative de evaluare
Trebuie sa tina seama de anumite avantaje (usurinta procurarii materialului distanta pana la furnizor seriozitatea furnizarii constanta in calitatea produselor etc) care pot introduce anumite limitari determinand anumite compromisuri
In cele mai multe cazuri metodele cantitative de selectie conduc la materialul optim pentru o aplicatie
Metodele cantitative pot fi reluate odata cu schimbarea importantei relative a cerintelor negociabile
ATENTIE Cerintele nenegociabile trebuie satisfacute in totalitate si intocmai
Daca niciun material nu satisfac cerintele negociabile atunci fie ca acestea trebuie relaxate fie se impune reproiectarea produsului
50
Selectia este o operatie complexa
Numar mare de materiale cu o plaja larga de proprietati
Daca se face intamplator
Apare riscul de a omite anumite materiale candidate
Reducerea riscului prin adoptarea unei metode sistematice de selectie a materialelor
Metodele cantitative
Permitbull analiza unui numar ridicat de datebull a multor specificatii implicate in selectia materialelorbull pot fi adaptate pentru o selectie asistata de calculator
dintr-o baza de date
Metodele nu elimina capacitatea de analiza si experienta ingineruluiAceste metode sprijina inginerul in alegerea optima
51
METODA COSTULUI RAPORTAT LA UNITATEA DE PROPRIETATE
Economicitatea piesei
Costul initial al materialului
Costul prelucrarii si montarii
Costul functionarii si intretinerii
Unele dintre aceste costuri cresc odata cu cresterea
valorii proprietatilor altele scad
Proprietatea (Rm)
Costul piesei
Alte costuri
Costul total
Cos
tul
Cost minim
Odata cu cresterea rezistentei- Prelucrare mai dificila- Greutatea pe piesa scade- Durabilitatea in exploatare
creste si deci numarul de piese in utilizate in timp mai mic
Costul total este suma costului piesei si a celorlalte costuri
52
Valoarea optima a proprietatii (aici Rm) apare la costul minim
In piata costul materialului este legat de greutatea sau volumul (dupa caz) materialului
Se poate stabili o comparatie a materialelor intre proprietatile relative (proprietatea raportata la
greutatea specifica) De exemplu rezistenta rigiditatea modul de elasticitate etc
Criteriul esential este costul raportat la unitatea de rezistenta la tractiune
C=pρσ
C- costul asigurarii unei rezistente de 1 MPap- costul unitatii de proprietate a materialului
ρ- densitatea materialului
σr- rezistenta la tractiune
Cu cat valoarea lui ldquoCrdquo este mai mica cu atat materialul
este mai economic
53
Relatii asemanatoare pot fi obtinute si pentru alte proprietati cum ar fi- limita la curgere- modulul de elastuicitate- factorul de intensitate a tensiunii etc
Costul unitatii de proprietate pentru diferite moduri de solicitare
54
Compararea materialelor privind aceste costuri este esentiala
Se compara materialele intre ele
Este dificilSe ia un material de referinta
Costul relativ pe unitatea de proprietate a materialului candidat ldquoirdquo raportat la costul relativ pe unitatea de proprietate a materialului de referinta ldquobrdquo este dat de relatia
Daca CR este subunitar materialul candidat este mai ieftin decat materialul de referinta
Materialul de referinta este eliminat si materialul candidat se ia ca material de referinta pentru urmatoarea comparatie
Daca CR este supra unitar materialul candidat este mai scump decat materialul de referinta
Materialul de referinta se ia ca material de comparatie pentru urmatoarea analiza
55
METODA PONDERARII PROPRIETATILOR
Este o metoda pentru rezolvarea unor solutii mai comlexe de materiale materiale si proprietati
Fiecarei proprietati a materialului i se acorda o pondere rdquoαrdquo
Ponderea este proportionala cu importanta relativa a proprietatii pentru performanta in exploatare a materialului pentru aplicatia data
Ponderea proprietatii este egala cu produsul dintre valoarea numerica a proprietatii materialului ldquoprdquo si ponderea ei ldquoαrdquo
γ=pα
Insumand toate aceste produse pentru un material se obtine un indice de performanta ldquoPrdquo al materialului
Aceasta metoda ia in considerare toate proprietatile materialului
Comparand mai multe materiale prin indicele de performanta se poate gasi cel mai performant material pentru o aplicatie
56
Dezavantajul acestei metode consta in faptul ca in cazul unei proprietati care are o valoare ridicata aceasta v-a avea o influenta mai mare asupra indicelui de performanta decat ponderea ei
Exemplu Un material A care are Rm=370 MPa si o duritate de 350 HRB si un alt material B care are Rm=400 MPa si o duritate de 300 HRBStabilind ponderea proprietatii de 100 pentru rezistenta si 90 pentru duritate se obtine un indice de performanta de 68500 pentru material ul A si 67000 pentru materialul B
Inseamna ca impotriva importantei rezistentei la tractiune (ca fiind primul criteriu de selectie) si care este mai mare pentru materialul B indicele de performanta al materialului A este mai mare si deci acest material v-a fi selectat
La evaluarea materialelor candidat se va lucra cu valori relative ldquoβrdquo ale unei anumite proprietati celei mai mari valori a proprietatii atribuindu-se valoarea 100 iar celelalte valori relative se determina cu relatia
57
Pentru proprietatile materialelor care nu se exprima in mod obisnuit prin valori numerice (rezistenta la uzare sudabilitatea aschiabilitatea diferite proprietati tehnologice etc) evaluarea se poate face relativ la una dintre proprietati astfel
Astfel fiecarei proprietati I se acorda o importanta egalasi ea va influenta indicii de performanta ai materialelor doar comparate doar in masura ponderii acordate
Pentru proprietati ale caror valori se doreste a fi cat mai mici (densitatea pierderea de greutate prin coroziune etc) evaluarea se face printr-un raport invers
ProprietateaMateriale alternative
A B C D
Sudabilitatea Foarte buna Buna Buna Satisfacatoare
Evaluarea relativa 5 3 3 1
Valoarea scalata 100 60 60 20
58
Exemplu In ceea ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru rezistenta la tractiune a materialului A este de 925 Pentru al doilea material aceasta valoare este de 100 In ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru duritate aceasta este de 100 pentru materialul A si de 857 pentru materialul B
Acest lucru poate schimba situatia ierarhica a materialelor sau le poate apropia atat de mult indicele de performanta incat sa se puna problema luari in considerare si a altor elemente pentru selectie
Astfel indicele de performanta a materialului este dat de relatia
unde P reprezinta indicele de performanta a materialuluildquoirdquo este suma celor ldquonrdquo proprietati considerate a materialul ui
59
Ponderea α poate fi considerata ca αilt1 astfel incat
(cazul cel mai frecvent) sau ei I se poate aloca o plaja de valori valoarea cea mai mare
corespunzand proprietatii cu cea mai mare importanta
Costul materialului poate fi considerat ca o proprietate (chiar importanta) acordandui-se o pondere ldquoαrdquo
In cazul luarii in considerare a unui numar mare de proprietati costul poate fi considerat un factor de corectie al indicelui de performanta a materialului rezultand indicele de merit al acestuia
in care ldquoprdquo reprezinta costul unitatii de greutate a materialului
60
Cand se doreste compararea mai multor materiale candidat (i) cu unul de baza (de referinta) se calculeaza indicele relativ de merit al fiecarui material astfel
Daca RMgt1 respectivul material candidat ldquoirdquo corespunde mai bine cerintelor decat materialul de referinta ldquobrdquoIn cazul in care Mb reprezinta minimul cerintelor impuse Materialele candidat avand RMlt1 pot fi eliminate de la inceput ca fiind necorespunzatoare
Cand trebuie luate in considerare mai multe proprietati ale materialului pentru evaluarea indicelui de performanta este dificila evaluarea ponderii acestora Rezolvarea aceste probleme poate fi realizata printr-o evaluare prin programe numerice
61
METODA CRESTERII INCREMENTALE
In anumite situatii pot aparea mai multe materiale care indeplinesc cerintele minime impuse de o anumita aplicatie
Dupa analiza acestor materiale se poate presupune ca performantele pieselor prelucrate sunt proportionale cu indicii de performanta ldquoPrdquo In acelasi timp costul piesei variaza proportional cu costul materialului si al prelucrarii acestora
Daca se doreste selectarea piesei care are cea mai mare performanta la cea mai rezonabila crestere a costului se poate face o analiza beneficiu-cost Procedeul se ia indeosebi cand se doreste inlocuirea unui material utilizat deja in fabricatie
Materialul cu cel mai scazut cost (1) se ca element de baza si este comparat cu materialul care are costul imediat superior (2) Comparatia se face determinand cresterea indicelui de performanta (ΔP=P2-P1) si a costului ldquoprdquo pe unitatea de volum (Δpρ=p2ρ2-p1ρ1)
Daca ΔPΔpρlt1 materialul 1 corespunde mai bine decat materialul 2 pentru aplicatia data si materialul 2 va fi eliminatDaca ΔPΔpρgt1 materialul 1 va fi eliminat deoarece materialul 2 corespunde mai bine cerintelor aplicatieiSe continua compararea cu al treilea material si rand pe rand vor fi eliminate materialele mai putin corespunzatoare ajungand la materialul optim
62
EXEMPLU DE SELECTIE A MATERIALELOR
Tema Realizarea piesesei din figura dintr-un otel ldquoOL37rdquo intr-o serie mare de fabricatie-Este o piesa cilindrica cu dimensiunile date-Are un butuc-Prezinta o gaura lunga si de diametre mic
oslash200oslash50
150oslash20
Se poate realiza din bara rotunda prin strunjire
Se poate realiza din bara rotunda prin forjare
80
Coeficientul de utilizare a materialului 055
Coeficientul de utilizare a materialului 098
63
Diametrul mm Inaltime mm Volum mm3 Volum mm3Coeficientul de
utilizare a materialului
Semif Pornire 200 150 4710000 4710000
Strunjire
200 80 2512000
2602275 055=5550 35 137375
20 150 47100
Forjare
200 80 25120002649375
098=9850 35 137375
20 150 47100 2602275
Coeficientul de utilizare a materialului K=greutatea piesei finitegreutatea materialului utilizat pentru realizarea lui (a semifabricatului de pornire)
In calcul s-a lucrat cu volumul materialului deoarece G=VρAdaosuriele de prelucrare s-u luat ca fiind egaleApare un mult mai bun grad de utilizare a materialului pentr prelucrarea prin forjare
PIESA SE VA REALIZA PRIN FORJARE
64
1
2
3
5
6
4
9
8
F
107F
1-semimatrita superioara2-semimatrita inferioara3-cavitatea semimatritei sup4-cavitatea semimatritei inf5-canalul de bavura6-canalul de refulare7-prinderea semimatritei sup8-prinderea semimatritei inf9-elemente de ghidare (stifturi)10-planul de separare
TEMA Sa se stabileasca materialul optim pentru realizarea elementelor active ale matrtei de forjare din figura Se urmreste obtinerea piesei prin forjare la cald
CERINTE PENTRU PROIECTARE
Analiza schiteiFunctia Elemete (semimatrite) de matrita de deformare plasticaObiectiv Trebuie maximalizata tenacitatea (rezilienta)Constrangeri Dimensiunile cavitatii matritei (depind de marimea piesei) dimensiunile exterioare si sistemul de prindere (depind de utilaj temperatura de lucruVariabile libere material
65
Se cauta in sursele de informatii structurate si nestructurate materialele care respecta cerintele
Elemente de matrita
Rezistente la cald
Tenacitate Duritate
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Materialele potrivite sunt metalele si aliajele lor
-Materialele ceramice nu au tenacitate-Materialele polimerice nu au rezistenta la cald-Materialele compozite sunt scumpe si nu au tenacitate
Depinde de compozitia lor
Se cauta materiale cu destinatie precisa Materiale pentru scule de deformare
66
Din baza de date se constata ca urmatoarele materiale satisfac
cerintele rigide adica sa poata fi utilizate la prelucrarea la cald
Sunt materiale cu destinatie precisaDaca nu sunt materiale cu destinatie
precisa se cauta in grupa materialelor cu destinatie generala
Material Rm min MPa HV A5 KCU Jcm3
C120 890 265 8 60
VMoC120 870 265 8 68
VC06 870 230 6 68
VCW85 870 265 6 80
MoCN15 830 250 7 75
VMoCN17 870 265 7 73
VSCW20 790 235 5 78
OSC7 640 195 12 56
OSC8 640 195 10 58
67
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU Jcm3 βKCU Indicele de
performanta PC120 890 265 8 60 101450
VMoC120 870 265 8 68 100650
VC06 870 230 6 68 97400
VCW85 870 265 6 80 101750
MoCN15 830 250 7 75 96750
VMoCN17 870 265 7 73 101100
VSCW20 790 235 5 78 92400
OSC7 640 195 12 56 74950
OSC8 640 195 10 58 75050Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza peoprietatii
68
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU
Jcm3 βKCU Indicele de performanta P
C120 890 100 265 10000 8 6667 60 75 25017000
VMoC120 870 9775 265 10000 8 6667 68 85 2835015356
VC06 870 9775 230 8679 6 5000 68 85 2126563155
VCW85 870 9775 265 10000 6 5000 80 100 2501682022
MoCN15 830 9326 250 9434 7 5833 75 9375 2735970124
VMoCN17 870 9775 265 10000 7 5833 73 9125 2663140356
VSCW20 790 8876 235 8868 5 4167 78 975 2032758226
OSC7 640 7191 195 7358 12 10000 56 70 3501237545
OSC8 640 7191 195 7358 10 8333 58 725 3022070878Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza proprietatii relative
69
Material Indicele de performanta P
VSCW20 2032758226
VC06 2126563155
VCW85 2501682022
C120 25017000
VMoCN17 2663140356
MoCN15 2735970124
VMoC120 2835015356
OSC8 3022070878
OSC7 3501237545
Material Indicele de performanta P
OSC7 74950
OSC8 75050
VSCW20 92400
MoCN15 96750
VC06 97400
VMoC120 100650
VMoCN17 101100
C120 101450
VCW85 101750
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile proprietatii materialului
ordonate crescator
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile relative ale proprietatii materialului ordonate crescator
70
Luand in considerare ca unele materiale sunt aliate cu siguranta acestea sunt mai scumpe
Daca luam in considerare costul unitar pentru otelurile carbon de scule iar densitatea de 785 (corespunzatoare fierului) se obtine indicele de merit
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
OSC7 74950 1 95477707 114
OSC8 75050 1 956050955 114
VSCW20 92400 14 840764331 100
MoCN15 96750 14 880345769 105
VC06 97400 12 103397028 123
VMoC120 100650 13 986281235 117
VMoCN17 101100 14 919927207 109
C120 101450 15 861571125 102
VCW85 101750 14 925841674 110
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea proprietatii materialului
71
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
VSCW20 2032758226 14 184964352 100
VC06 2126563155 12 225749804 122
VCW85 2501682022 14 227632577 123
C120 25017000 15 212458599 115
VMoCN17 2663140356 14 242323963 131
MoCN15 2735970124 14 248950876 135
VMoC120 2835015356 13 277806502 150
OSC8 3022070878 1 384977182 208
OSC7 3501237545 1 446017522 241
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea relativa a proprietatii materialului
72
Selectati materialele potrivite pentru piesele din imagine
Randul I 1 Serie mare de fabricatie-6p Randul II Serie mica (unicat) de fabricatie-6p
Randul I 2 Criterii de selectie a materialelor-1p3 Etapele selectiei materialelor ndash 1p4 Economicitatea piesei ndash 1p5 Strategii de selectie a materialelor ndash 1p
Randul II 2 Tipuri de date utilizate la selectia materialelor-1p3 Cum se face minimalizarea costurilor-1p4 Perofmantele piesei in functionare ndash 1p5 Care sunt cerintele fata de material ndash 1p
SUBIECTE EXAMEN
73
Date privind principalele proprietati tehnologice ale unor materiale
Material
Valorile proprietatii
Aschiabilitate Turnabilitate Sudabilitate Cost
F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba $tona
Otel de constructii (OL) X X X 140
Otel carbon de calitate (OLC) X X X
260
Fonte obisnuite (Fc) X X X 160
Punctaje 60 30 10 60 30 10 60 30 10
Avand in vedere ca pretul creste odata cu rezistenta la tractiune calculati costul fiecarui material prin inmultirea costului de baza cu valoarea proprietatii si impartiti la 100
74
Materiale ce pot fi luate in considerare spre analiza
Material Rm HV A Material Rm HV A Material Rm HV A
OL30 310 95 32 OLC8 324 140 33 Fc100 100 105 2
OL32 310 93 33 OLC10 321 150 31 Fc150 150 145 3
OL34 330 105 31 OLC15 373 155 27 Fc200 200 180 4
OL37 360 112 25 OLC20 410 165 25 Fc250 250 190 4
OL42 410 130 22 OLC25 450 175 24 Fc300 300 210 5
OL44 430 135 22 OLC30 490 180 21 Fc350 350 220 6
OL50 500 160 21 OLC35 530 195 21 Fc400 400 240 6
OL52 510 160 21 OLC40 570 200 19
OL60 590 185 16 OLC45 610 220 18
OL70 690 215 11 OLC50 640 230 16
OLC55 670 240 14
OLC60 700 255 14
Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50
Proprietatea tehnilogica intra cu o pondere de 100
VA UREZ SUCCES
41
Functia Ce trebuie sa faca piesa
Obiective Ce trebuie maximalizat sau minimalizat
Variabile libere Care variabile ale proiectului sunt libere (cerinte nerigide)
De a rezista la momente de incovoiere trebuie sa suporta incarcatura pentru care a fost proiectata fara a se deforma
Constrangeri Ce conditii esentiale trebuie sa fie indeplinite
Lungimea L data Tigiditatea S data Sa reziste si sa nu se deformeze la temperatura T
Trebuie minimalizata greutate
Aria sectiunii Costul
Procesul de selectie a avea 3 pasi
Filtrarea Se folseste de constrangeri pentru inlaturarea materialelor care nu indeplinesc cerintele
IerarhizareaSe folseste de marimea performantelor materialelor ramase in discutie pentru a le ordona
Documentarea
Analizeaza informatiile nestructurate le structureaza si le introduce in structura ierarhizata realizand o fisa cu informatii care ajuta selectia finala a materialului
42
Ierarhizarea se face parcurgand mai multe faze
Identificarea unuia sau a mai multor indici de performanta corespunzatori functiei obiectivului si constrangerilor
Indicele de performanta permite optimizarea selectiei
Pentru identificarea acestor indici se parcurg urmatoarele etape
Transpunerea intr-o relatie a obiectivului (entitatea) ce trebuie minimalizata sau maximalizata
Analiza grupului de proprietati (indicele de performanta) care maximalizeaza obiectivul
Eliminarea din aceasta relatie a variabilelor libere utilizand constrangerile (ex valoarea impusa rigiditatii a incarcarii limita a unui moment a presiunii a temperaturii de lucru sau al tenacitatii
43
EXEMPLU
TEMAGasiti un material pentru o bara de lungime L care sa
suporte o forta F la temperatura T si sa fie cat mai usoara
b
b
Lδ
F
Sageata
Sectiunea
CERINTELE PROIECTARIIFunctia Bara incarcata la incovoiereObiectiv Minimalizarea greutatiiConstrangeri Lungimea L data Rigiditatea S data Temperatura de exploatare T data (500deg)Variabile libere Aria sectiunii A Materialul de selectat
Se alege masa ldquomrdquo ca indice de performanta (trebuie sa fie minimalizat)
Masa barei este
Constrangerea privind rigiditatea va determina aria sectiunii ASageata unei bare simplu rezemata (forta actionand la mijloc) este data de relatia
44
unde E-modulul de elasticitate al materialului barei I-momentul de inertie al sectiunii grinzii
CL-reprezinta o constanta ce depinde de modul de distributie a fortei F (CL=48)
Rigiditatea barei este data de relatia
Din aceasta ultima relatie rezulta aria sectiunii A
Prin substitutia acestei relatii in relatia de determinare a masei grinzii se obtine indicele de performanta m
Valorile S L CL sunt date de proiect
Cea mai usoara bara este acea realizata dintr-un material care are cea mai mare valoare pentru
raport numit si ldquoindice de materialrdquo
Functia Incarcarea ConstrangeriIndici de
performantaRelatia
indicelui
Structuri de masa minima
Tija
BaraStatica
Rigiditate
Tractiune Eρ
Compresiune Eρ
Incovoiere E12ρ
Torsiune E12ρ
Rezistenta
Tractiune σrρ
Compresiune σcρ
Incovoiere σr23ρ
Torsiune σc23ρ
Dinamica
Panou
45
Exista mai multi indici de performanta fiecare realizand o combinatie dintre obiectiv si constrangere
46
47
48
METODE CANTITATIVE DE SELECTIE A MATERIALELOR CANDIDATE
Materialele candidat sunt materialele care satisfac cerintele cuprinse in matricea de cerinte rezultate dinbull Cerintele functionalebull Siguranta in functionarebull Functionarea in conditii ambientale de exploatarebull Cerintele de prelucrabilitatebull Economicitatea piesei
Care din aceste materiale vor fi luate in considerare la realizarea piesei
Evaluarea materialelor candidat
Evaluarea presupune compararea materialelor candidat care indeplinesc cerintele negociabile cu caracteristicile efective ale materialului in vederea selectarii celui optim pentru o aplicatie data
49
Evaluarea materialelor candidat
Este mai simpla pentru metodele cantitative de evaluare
Trebuie sa tina seama de anumite avantaje (usurinta procurarii materialului distanta pana la furnizor seriozitatea furnizarii constanta in calitatea produselor etc) care pot introduce anumite limitari determinand anumite compromisuri
In cele mai multe cazuri metodele cantitative de selectie conduc la materialul optim pentru o aplicatie
Metodele cantitative pot fi reluate odata cu schimbarea importantei relative a cerintelor negociabile
ATENTIE Cerintele nenegociabile trebuie satisfacute in totalitate si intocmai
Daca niciun material nu satisfac cerintele negociabile atunci fie ca acestea trebuie relaxate fie se impune reproiectarea produsului
50
Selectia este o operatie complexa
Numar mare de materiale cu o plaja larga de proprietati
Daca se face intamplator
Apare riscul de a omite anumite materiale candidate
Reducerea riscului prin adoptarea unei metode sistematice de selectie a materialelor
Metodele cantitative
Permitbull analiza unui numar ridicat de datebull a multor specificatii implicate in selectia materialelorbull pot fi adaptate pentru o selectie asistata de calculator
dintr-o baza de date
Metodele nu elimina capacitatea de analiza si experienta ingineruluiAceste metode sprijina inginerul in alegerea optima
51
METODA COSTULUI RAPORTAT LA UNITATEA DE PROPRIETATE
Economicitatea piesei
Costul initial al materialului
Costul prelucrarii si montarii
Costul functionarii si intretinerii
Unele dintre aceste costuri cresc odata cu cresterea
valorii proprietatilor altele scad
Proprietatea (Rm)
Costul piesei
Alte costuri
Costul total
Cos
tul
Cost minim
Odata cu cresterea rezistentei- Prelucrare mai dificila- Greutatea pe piesa scade- Durabilitatea in exploatare
creste si deci numarul de piese in utilizate in timp mai mic
Costul total este suma costului piesei si a celorlalte costuri
52
Valoarea optima a proprietatii (aici Rm) apare la costul minim
In piata costul materialului este legat de greutatea sau volumul (dupa caz) materialului
Se poate stabili o comparatie a materialelor intre proprietatile relative (proprietatea raportata la
greutatea specifica) De exemplu rezistenta rigiditatea modul de elasticitate etc
Criteriul esential este costul raportat la unitatea de rezistenta la tractiune
C=pρσ
C- costul asigurarii unei rezistente de 1 MPap- costul unitatii de proprietate a materialului
ρ- densitatea materialului
σr- rezistenta la tractiune
Cu cat valoarea lui ldquoCrdquo este mai mica cu atat materialul
este mai economic
53
Relatii asemanatoare pot fi obtinute si pentru alte proprietati cum ar fi- limita la curgere- modulul de elastuicitate- factorul de intensitate a tensiunii etc
Costul unitatii de proprietate pentru diferite moduri de solicitare
54
Compararea materialelor privind aceste costuri este esentiala
Se compara materialele intre ele
Este dificilSe ia un material de referinta
Costul relativ pe unitatea de proprietate a materialului candidat ldquoirdquo raportat la costul relativ pe unitatea de proprietate a materialului de referinta ldquobrdquo este dat de relatia
Daca CR este subunitar materialul candidat este mai ieftin decat materialul de referinta
Materialul de referinta este eliminat si materialul candidat se ia ca material de referinta pentru urmatoarea comparatie
Daca CR este supra unitar materialul candidat este mai scump decat materialul de referinta
Materialul de referinta se ia ca material de comparatie pentru urmatoarea analiza
55
METODA PONDERARII PROPRIETATILOR
Este o metoda pentru rezolvarea unor solutii mai comlexe de materiale materiale si proprietati
Fiecarei proprietati a materialului i se acorda o pondere rdquoαrdquo
Ponderea este proportionala cu importanta relativa a proprietatii pentru performanta in exploatare a materialului pentru aplicatia data
Ponderea proprietatii este egala cu produsul dintre valoarea numerica a proprietatii materialului ldquoprdquo si ponderea ei ldquoαrdquo
γ=pα
Insumand toate aceste produse pentru un material se obtine un indice de performanta ldquoPrdquo al materialului
Aceasta metoda ia in considerare toate proprietatile materialului
Comparand mai multe materiale prin indicele de performanta se poate gasi cel mai performant material pentru o aplicatie
56
Dezavantajul acestei metode consta in faptul ca in cazul unei proprietati care are o valoare ridicata aceasta v-a avea o influenta mai mare asupra indicelui de performanta decat ponderea ei
Exemplu Un material A care are Rm=370 MPa si o duritate de 350 HRB si un alt material B care are Rm=400 MPa si o duritate de 300 HRBStabilind ponderea proprietatii de 100 pentru rezistenta si 90 pentru duritate se obtine un indice de performanta de 68500 pentru material ul A si 67000 pentru materialul B
Inseamna ca impotriva importantei rezistentei la tractiune (ca fiind primul criteriu de selectie) si care este mai mare pentru materialul B indicele de performanta al materialului A este mai mare si deci acest material v-a fi selectat
La evaluarea materialelor candidat se va lucra cu valori relative ldquoβrdquo ale unei anumite proprietati celei mai mari valori a proprietatii atribuindu-se valoarea 100 iar celelalte valori relative se determina cu relatia
57
Pentru proprietatile materialelor care nu se exprima in mod obisnuit prin valori numerice (rezistenta la uzare sudabilitatea aschiabilitatea diferite proprietati tehnologice etc) evaluarea se poate face relativ la una dintre proprietati astfel
Astfel fiecarei proprietati I se acorda o importanta egalasi ea va influenta indicii de performanta ai materialelor doar comparate doar in masura ponderii acordate
Pentru proprietati ale caror valori se doreste a fi cat mai mici (densitatea pierderea de greutate prin coroziune etc) evaluarea se face printr-un raport invers
ProprietateaMateriale alternative
A B C D
Sudabilitatea Foarte buna Buna Buna Satisfacatoare
Evaluarea relativa 5 3 3 1
Valoarea scalata 100 60 60 20
58
Exemplu In ceea ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru rezistenta la tractiune a materialului A este de 925 Pentru al doilea material aceasta valoare este de 100 In ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru duritate aceasta este de 100 pentru materialul A si de 857 pentru materialul B
Acest lucru poate schimba situatia ierarhica a materialelor sau le poate apropia atat de mult indicele de performanta incat sa se puna problema luari in considerare si a altor elemente pentru selectie
Astfel indicele de performanta a materialului este dat de relatia
unde P reprezinta indicele de performanta a materialuluildquoirdquo este suma celor ldquonrdquo proprietati considerate a materialul ui
59
Ponderea α poate fi considerata ca αilt1 astfel incat
(cazul cel mai frecvent) sau ei I se poate aloca o plaja de valori valoarea cea mai mare
corespunzand proprietatii cu cea mai mare importanta
Costul materialului poate fi considerat ca o proprietate (chiar importanta) acordandui-se o pondere ldquoαrdquo
In cazul luarii in considerare a unui numar mare de proprietati costul poate fi considerat un factor de corectie al indicelui de performanta a materialului rezultand indicele de merit al acestuia
in care ldquoprdquo reprezinta costul unitatii de greutate a materialului
60
Cand se doreste compararea mai multor materiale candidat (i) cu unul de baza (de referinta) se calculeaza indicele relativ de merit al fiecarui material astfel
Daca RMgt1 respectivul material candidat ldquoirdquo corespunde mai bine cerintelor decat materialul de referinta ldquobrdquoIn cazul in care Mb reprezinta minimul cerintelor impuse Materialele candidat avand RMlt1 pot fi eliminate de la inceput ca fiind necorespunzatoare
Cand trebuie luate in considerare mai multe proprietati ale materialului pentru evaluarea indicelui de performanta este dificila evaluarea ponderii acestora Rezolvarea aceste probleme poate fi realizata printr-o evaluare prin programe numerice
61
METODA CRESTERII INCREMENTALE
In anumite situatii pot aparea mai multe materiale care indeplinesc cerintele minime impuse de o anumita aplicatie
Dupa analiza acestor materiale se poate presupune ca performantele pieselor prelucrate sunt proportionale cu indicii de performanta ldquoPrdquo In acelasi timp costul piesei variaza proportional cu costul materialului si al prelucrarii acestora
Daca se doreste selectarea piesei care are cea mai mare performanta la cea mai rezonabila crestere a costului se poate face o analiza beneficiu-cost Procedeul se ia indeosebi cand se doreste inlocuirea unui material utilizat deja in fabricatie
Materialul cu cel mai scazut cost (1) se ca element de baza si este comparat cu materialul care are costul imediat superior (2) Comparatia se face determinand cresterea indicelui de performanta (ΔP=P2-P1) si a costului ldquoprdquo pe unitatea de volum (Δpρ=p2ρ2-p1ρ1)
Daca ΔPΔpρlt1 materialul 1 corespunde mai bine decat materialul 2 pentru aplicatia data si materialul 2 va fi eliminatDaca ΔPΔpρgt1 materialul 1 va fi eliminat deoarece materialul 2 corespunde mai bine cerintelor aplicatieiSe continua compararea cu al treilea material si rand pe rand vor fi eliminate materialele mai putin corespunzatoare ajungand la materialul optim
62
EXEMPLU DE SELECTIE A MATERIALELOR
Tema Realizarea piesesei din figura dintr-un otel ldquoOL37rdquo intr-o serie mare de fabricatie-Este o piesa cilindrica cu dimensiunile date-Are un butuc-Prezinta o gaura lunga si de diametre mic
oslash200oslash50
150oslash20
Se poate realiza din bara rotunda prin strunjire
Se poate realiza din bara rotunda prin forjare
80
Coeficientul de utilizare a materialului 055
Coeficientul de utilizare a materialului 098
63
Diametrul mm Inaltime mm Volum mm3 Volum mm3Coeficientul de
utilizare a materialului
Semif Pornire 200 150 4710000 4710000
Strunjire
200 80 2512000
2602275 055=5550 35 137375
20 150 47100
Forjare
200 80 25120002649375
098=9850 35 137375
20 150 47100 2602275
Coeficientul de utilizare a materialului K=greutatea piesei finitegreutatea materialului utilizat pentru realizarea lui (a semifabricatului de pornire)
In calcul s-a lucrat cu volumul materialului deoarece G=VρAdaosuriele de prelucrare s-u luat ca fiind egaleApare un mult mai bun grad de utilizare a materialului pentr prelucrarea prin forjare
PIESA SE VA REALIZA PRIN FORJARE
64
1
2
3
5
6
4
9
8
F
107F
1-semimatrita superioara2-semimatrita inferioara3-cavitatea semimatritei sup4-cavitatea semimatritei inf5-canalul de bavura6-canalul de refulare7-prinderea semimatritei sup8-prinderea semimatritei inf9-elemente de ghidare (stifturi)10-planul de separare
TEMA Sa se stabileasca materialul optim pentru realizarea elementelor active ale matrtei de forjare din figura Se urmreste obtinerea piesei prin forjare la cald
CERINTE PENTRU PROIECTARE
Analiza schiteiFunctia Elemete (semimatrite) de matrita de deformare plasticaObiectiv Trebuie maximalizata tenacitatea (rezilienta)Constrangeri Dimensiunile cavitatii matritei (depind de marimea piesei) dimensiunile exterioare si sistemul de prindere (depind de utilaj temperatura de lucruVariabile libere material
65
Se cauta in sursele de informatii structurate si nestructurate materialele care respecta cerintele
Elemente de matrita
Rezistente la cald
Tenacitate Duritate
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Materialele potrivite sunt metalele si aliajele lor
-Materialele ceramice nu au tenacitate-Materialele polimerice nu au rezistenta la cald-Materialele compozite sunt scumpe si nu au tenacitate
Depinde de compozitia lor
Se cauta materiale cu destinatie precisa Materiale pentru scule de deformare
66
Din baza de date se constata ca urmatoarele materiale satisfac
cerintele rigide adica sa poata fi utilizate la prelucrarea la cald
Sunt materiale cu destinatie precisaDaca nu sunt materiale cu destinatie
precisa se cauta in grupa materialelor cu destinatie generala
Material Rm min MPa HV A5 KCU Jcm3
C120 890 265 8 60
VMoC120 870 265 8 68
VC06 870 230 6 68
VCW85 870 265 6 80
MoCN15 830 250 7 75
VMoCN17 870 265 7 73
VSCW20 790 235 5 78
OSC7 640 195 12 56
OSC8 640 195 10 58
67
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU Jcm3 βKCU Indicele de
performanta PC120 890 265 8 60 101450
VMoC120 870 265 8 68 100650
VC06 870 230 6 68 97400
VCW85 870 265 6 80 101750
MoCN15 830 250 7 75 96750
VMoCN17 870 265 7 73 101100
VSCW20 790 235 5 78 92400
OSC7 640 195 12 56 74950
OSC8 640 195 10 58 75050Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza peoprietatii
68
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU
Jcm3 βKCU Indicele de performanta P
C120 890 100 265 10000 8 6667 60 75 25017000
VMoC120 870 9775 265 10000 8 6667 68 85 2835015356
VC06 870 9775 230 8679 6 5000 68 85 2126563155
VCW85 870 9775 265 10000 6 5000 80 100 2501682022
MoCN15 830 9326 250 9434 7 5833 75 9375 2735970124
VMoCN17 870 9775 265 10000 7 5833 73 9125 2663140356
VSCW20 790 8876 235 8868 5 4167 78 975 2032758226
OSC7 640 7191 195 7358 12 10000 56 70 3501237545
OSC8 640 7191 195 7358 10 8333 58 725 3022070878Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza proprietatii relative
69
Material Indicele de performanta P
VSCW20 2032758226
VC06 2126563155
VCW85 2501682022
C120 25017000
VMoCN17 2663140356
MoCN15 2735970124
VMoC120 2835015356
OSC8 3022070878
OSC7 3501237545
Material Indicele de performanta P
OSC7 74950
OSC8 75050
VSCW20 92400
MoCN15 96750
VC06 97400
VMoC120 100650
VMoCN17 101100
C120 101450
VCW85 101750
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile proprietatii materialului
ordonate crescator
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile relative ale proprietatii materialului ordonate crescator
70
Luand in considerare ca unele materiale sunt aliate cu siguranta acestea sunt mai scumpe
Daca luam in considerare costul unitar pentru otelurile carbon de scule iar densitatea de 785 (corespunzatoare fierului) se obtine indicele de merit
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
OSC7 74950 1 95477707 114
OSC8 75050 1 956050955 114
VSCW20 92400 14 840764331 100
MoCN15 96750 14 880345769 105
VC06 97400 12 103397028 123
VMoC120 100650 13 986281235 117
VMoCN17 101100 14 919927207 109
C120 101450 15 861571125 102
VCW85 101750 14 925841674 110
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea proprietatii materialului
71
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
VSCW20 2032758226 14 184964352 100
VC06 2126563155 12 225749804 122
VCW85 2501682022 14 227632577 123
C120 25017000 15 212458599 115
VMoCN17 2663140356 14 242323963 131
MoCN15 2735970124 14 248950876 135
VMoC120 2835015356 13 277806502 150
OSC8 3022070878 1 384977182 208
OSC7 3501237545 1 446017522 241
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea relativa a proprietatii materialului
72
Selectati materialele potrivite pentru piesele din imagine
Randul I 1 Serie mare de fabricatie-6p Randul II Serie mica (unicat) de fabricatie-6p
Randul I 2 Criterii de selectie a materialelor-1p3 Etapele selectiei materialelor ndash 1p4 Economicitatea piesei ndash 1p5 Strategii de selectie a materialelor ndash 1p
Randul II 2 Tipuri de date utilizate la selectia materialelor-1p3 Cum se face minimalizarea costurilor-1p4 Perofmantele piesei in functionare ndash 1p5 Care sunt cerintele fata de material ndash 1p
SUBIECTE EXAMEN
73
Date privind principalele proprietati tehnologice ale unor materiale
Material
Valorile proprietatii
Aschiabilitate Turnabilitate Sudabilitate Cost
F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba $tona
Otel de constructii (OL) X X X 140
Otel carbon de calitate (OLC) X X X
260
Fonte obisnuite (Fc) X X X 160
Punctaje 60 30 10 60 30 10 60 30 10
Avand in vedere ca pretul creste odata cu rezistenta la tractiune calculati costul fiecarui material prin inmultirea costului de baza cu valoarea proprietatii si impartiti la 100
74
Materiale ce pot fi luate in considerare spre analiza
Material Rm HV A Material Rm HV A Material Rm HV A
OL30 310 95 32 OLC8 324 140 33 Fc100 100 105 2
OL32 310 93 33 OLC10 321 150 31 Fc150 150 145 3
OL34 330 105 31 OLC15 373 155 27 Fc200 200 180 4
OL37 360 112 25 OLC20 410 165 25 Fc250 250 190 4
OL42 410 130 22 OLC25 450 175 24 Fc300 300 210 5
OL44 430 135 22 OLC30 490 180 21 Fc350 350 220 6
OL50 500 160 21 OLC35 530 195 21 Fc400 400 240 6
OL52 510 160 21 OLC40 570 200 19
OL60 590 185 16 OLC45 610 220 18
OL70 690 215 11 OLC50 640 230 16
OLC55 670 240 14
OLC60 700 255 14
Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50
Proprietatea tehnilogica intra cu o pondere de 100
VA UREZ SUCCES
42
Ierarhizarea se face parcurgand mai multe faze
Identificarea unuia sau a mai multor indici de performanta corespunzatori functiei obiectivului si constrangerilor
Indicele de performanta permite optimizarea selectiei
Pentru identificarea acestor indici se parcurg urmatoarele etape
Transpunerea intr-o relatie a obiectivului (entitatea) ce trebuie minimalizata sau maximalizata
Analiza grupului de proprietati (indicele de performanta) care maximalizeaza obiectivul
Eliminarea din aceasta relatie a variabilelor libere utilizand constrangerile (ex valoarea impusa rigiditatii a incarcarii limita a unui moment a presiunii a temperaturii de lucru sau al tenacitatii
43
EXEMPLU
TEMAGasiti un material pentru o bara de lungime L care sa
suporte o forta F la temperatura T si sa fie cat mai usoara
b
b
Lδ
F
Sageata
Sectiunea
CERINTELE PROIECTARIIFunctia Bara incarcata la incovoiereObiectiv Minimalizarea greutatiiConstrangeri Lungimea L data Rigiditatea S data Temperatura de exploatare T data (500deg)Variabile libere Aria sectiunii A Materialul de selectat
Se alege masa ldquomrdquo ca indice de performanta (trebuie sa fie minimalizat)
Masa barei este
Constrangerea privind rigiditatea va determina aria sectiunii ASageata unei bare simplu rezemata (forta actionand la mijloc) este data de relatia
44
unde E-modulul de elasticitate al materialului barei I-momentul de inertie al sectiunii grinzii
CL-reprezinta o constanta ce depinde de modul de distributie a fortei F (CL=48)
Rigiditatea barei este data de relatia
Din aceasta ultima relatie rezulta aria sectiunii A
Prin substitutia acestei relatii in relatia de determinare a masei grinzii se obtine indicele de performanta m
Valorile S L CL sunt date de proiect
Cea mai usoara bara este acea realizata dintr-un material care are cea mai mare valoare pentru
raport numit si ldquoindice de materialrdquo
Functia Incarcarea ConstrangeriIndici de
performantaRelatia
indicelui
Structuri de masa minima
Tija
BaraStatica
Rigiditate
Tractiune Eρ
Compresiune Eρ
Incovoiere E12ρ
Torsiune E12ρ
Rezistenta
Tractiune σrρ
Compresiune σcρ
Incovoiere σr23ρ
Torsiune σc23ρ
Dinamica
Panou
45
Exista mai multi indici de performanta fiecare realizand o combinatie dintre obiectiv si constrangere
46
47
48
METODE CANTITATIVE DE SELECTIE A MATERIALELOR CANDIDATE
Materialele candidat sunt materialele care satisfac cerintele cuprinse in matricea de cerinte rezultate dinbull Cerintele functionalebull Siguranta in functionarebull Functionarea in conditii ambientale de exploatarebull Cerintele de prelucrabilitatebull Economicitatea piesei
Care din aceste materiale vor fi luate in considerare la realizarea piesei
Evaluarea materialelor candidat
Evaluarea presupune compararea materialelor candidat care indeplinesc cerintele negociabile cu caracteristicile efective ale materialului in vederea selectarii celui optim pentru o aplicatie data
49
Evaluarea materialelor candidat
Este mai simpla pentru metodele cantitative de evaluare
Trebuie sa tina seama de anumite avantaje (usurinta procurarii materialului distanta pana la furnizor seriozitatea furnizarii constanta in calitatea produselor etc) care pot introduce anumite limitari determinand anumite compromisuri
In cele mai multe cazuri metodele cantitative de selectie conduc la materialul optim pentru o aplicatie
Metodele cantitative pot fi reluate odata cu schimbarea importantei relative a cerintelor negociabile
ATENTIE Cerintele nenegociabile trebuie satisfacute in totalitate si intocmai
Daca niciun material nu satisfac cerintele negociabile atunci fie ca acestea trebuie relaxate fie se impune reproiectarea produsului
50
Selectia este o operatie complexa
Numar mare de materiale cu o plaja larga de proprietati
Daca se face intamplator
Apare riscul de a omite anumite materiale candidate
Reducerea riscului prin adoptarea unei metode sistematice de selectie a materialelor
Metodele cantitative
Permitbull analiza unui numar ridicat de datebull a multor specificatii implicate in selectia materialelorbull pot fi adaptate pentru o selectie asistata de calculator
dintr-o baza de date
Metodele nu elimina capacitatea de analiza si experienta ingineruluiAceste metode sprijina inginerul in alegerea optima
51
METODA COSTULUI RAPORTAT LA UNITATEA DE PROPRIETATE
Economicitatea piesei
Costul initial al materialului
Costul prelucrarii si montarii
Costul functionarii si intretinerii
Unele dintre aceste costuri cresc odata cu cresterea
valorii proprietatilor altele scad
Proprietatea (Rm)
Costul piesei
Alte costuri
Costul total
Cos
tul
Cost minim
Odata cu cresterea rezistentei- Prelucrare mai dificila- Greutatea pe piesa scade- Durabilitatea in exploatare
creste si deci numarul de piese in utilizate in timp mai mic
Costul total este suma costului piesei si a celorlalte costuri
52
Valoarea optima a proprietatii (aici Rm) apare la costul minim
In piata costul materialului este legat de greutatea sau volumul (dupa caz) materialului
Se poate stabili o comparatie a materialelor intre proprietatile relative (proprietatea raportata la
greutatea specifica) De exemplu rezistenta rigiditatea modul de elasticitate etc
Criteriul esential este costul raportat la unitatea de rezistenta la tractiune
C=pρσ
C- costul asigurarii unei rezistente de 1 MPap- costul unitatii de proprietate a materialului
ρ- densitatea materialului
σr- rezistenta la tractiune
Cu cat valoarea lui ldquoCrdquo este mai mica cu atat materialul
este mai economic
53
Relatii asemanatoare pot fi obtinute si pentru alte proprietati cum ar fi- limita la curgere- modulul de elastuicitate- factorul de intensitate a tensiunii etc
Costul unitatii de proprietate pentru diferite moduri de solicitare
54
Compararea materialelor privind aceste costuri este esentiala
Se compara materialele intre ele
Este dificilSe ia un material de referinta
Costul relativ pe unitatea de proprietate a materialului candidat ldquoirdquo raportat la costul relativ pe unitatea de proprietate a materialului de referinta ldquobrdquo este dat de relatia
Daca CR este subunitar materialul candidat este mai ieftin decat materialul de referinta
Materialul de referinta este eliminat si materialul candidat se ia ca material de referinta pentru urmatoarea comparatie
Daca CR este supra unitar materialul candidat este mai scump decat materialul de referinta
Materialul de referinta se ia ca material de comparatie pentru urmatoarea analiza
55
METODA PONDERARII PROPRIETATILOR
Este o metoda pentru rezolvarea unor solutii mai comlexe de materiale materiale si proprietati
Fiecarei proprietati a materialului i se acorda o pondere rdquoαrdquo
Ponderea este proportionala cu importanta relativa a proprietatii pentru performanta in exploatare a materialului pentru aplicatia data
Ponderea proprietatii este egala cu produsul dintre valoarea numerica a proprietatii materialului ldquoprdquo si ponderea ei ldquoαrdquo
γ=pα
Insumand toate aceste produse pentru un material se obtine un indice de performanta ldquoPrdquo al materialului
Aceasta metoda ia in considerare toate proprietatile materialului
Comparand mai multe materiale prin indicele de performanta se poate gasi cel mai performant material pentru o aplicatie
56
Dezavantajul acestei metode consta in faptul ca in cazul unei proprietati care are o valoare ridicata aceasta v-a avea o influenta mai mare asupra indicelui de performanta decat ponderea ei
Exemplu Un material A care are Rm=370 MPa si o duritate de 350 HRB si un alt material B care are Rm=400 MPa si o duritate de 300 HRBStabilind ponderea proprietatii de 100 pentru rezistenta si 90 pentru duritate se obtine un indice de performanta de 68500 pentru material ul A si 67000 pentru materialul B
Inseamna ca impotriva importantei rezistentei la tractiune (ca fiind primul criteriu de selectie) si care este mai mare pentru materialul B indicele de performanta al materialului A este mai mare si deci acest material v-a fi selectat
La evaluarea materialelor candidat se va lucra cu valori relative ldquoβrdquo ale unei anumite proprietati celei mai mari valori a proprietatii atribuindu-se valoarea 100 iar celelalte valori relative se determina cu relatia
57
Pentru proprietatile materialelor care nu se exprima in mod obisnuit prin valori numerice (rezistenta la uzare sudabilitatea aschiabilitatea diferite proprietati tehnologice etc) evaluarea se poate face relativ la una dintre proprietati astfel
Astfel fiecarei proprietati I se acorda o importanta egalasi ea va influenta indicii de performanta ai materialelor doar comparate doar in masura ponderii acordate
Pentru proprietati ale caror valori se doreste a fi cat mai mici (densitatea pierderea de greutate prin coroziune etc) evaluarea se face printr-un raport invers
ProprietateaMateriale alternative
A B C D
Sudabilitatea Foarte buna Buna Buna Satisfacatoare
Evaluarea relativa 5 3 3 1
Valoarea scalata 100 60 60 20
58
Exemplu In ceea ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru rezistenta la tractiune a materialului A este de 925 Pentru al doilea material aceasta valoare este de 100 In ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru duritate aceasta este de 100 pentru materialul A si de 857 pentru materialul B
Acest lucru poate schimba situatia ierarhica a materialelor sau le poate apropia atat de mult indicele de performanta incat sa se puna problema luari in considerare si a altor elemente pentru selectie
Astfel indicele de performanta a materialului este dat de relatia
unde P reprezinta indicele de performanta a materialuluildquoirdquo este suma celor ldquonrdquo proprietati considerate a materialul ui
59
Ponderea α poate fi considerata ca αilt1 astfel incat
(cazul cel mai frecvent) sau ei I se poate aloca o plaja de valori valoarea cea mai mare
corespunzand proprietatii cu cea mai mare importanta
Costul materialului poate fi considerat ca o proprietate (chiar importanta) acordandui-se o pondere ldquoαrdquo
In cazul luarii in considerare a unui numar mare de proprietati costul poate fi considerat un factor de corectie al indicelui de performanta a materialului rezultand indicele de merit al acestuia
in care ldquoprdquo reprezinta costul unitatii de greutate a materialului
60
Cand se doreste compararea mai multor materiale candidat (i) cu unul de baza (de referinta) se calculeaza indicele relativ de merit al fiecarui material astfel
Daca RMgt1 respectivul material candidat ldquoirdquo corespunde mai bine cerintelor decat materialul de referinta ldquobrdquoIn cazul in care Mb reprezinta minimul cerintelor impuse Materialele candidat avand RMlt1 pot fi eliminate de la inceput ca fiind necorespunzatoare
Cand trebuie luate in considerare mai multe proprietati ale materialului pentru evaluarea indicelui de performanta este dificila evaluarea ponderii acestora Rezolvarea aceste probleme poate fi realizata printr-o evaluare prin programe numerice
61
METODA CRESTERII INCREMENTALE
In anumite situatii pot aparea mai multe materiale care indeplinesc cerintele minime impuse de o anumita aplicatie
Dupa analiza acestor materiale se poate presupune ca performantele pieselor prelucrate sunt proportionale cu indicii de performanta ldquoPrdquo In acelasi timp costul piesei variaza proportional cu costul materialului si al prelucrarii acestora
Daca se doreste selectarea piesei care are cea mai mare performanta la cea mai rezonabila crestere a costului se poate face o analiza beneficiu-cost Procedeul se ia indeosebi cand se doreste inlocuirea unui material utilizat deja in fabricatie
Materialul cu cel mai scazut cost (1) se ca element de baza si este comparat cu materialul care are costul imediat superior (2) Comparatia se face determinand cresterea indicelui de performanta (ΔP=P2-P1) si a costului ldquoprdquo pe unitatea de volum (Δpρ=p2ρ2-p1ρ1)
Daca ΔPΔpρlt1 materialul 1 corespunde mai bine decat materialul 2 pentru aplicatia data si materialul 2 va fi eliminatDaca ΔPΔpρgt1 materialul 1 va fi eliminat deoarece materialul 2 corespunde mai bine cerintelor aplicatieiSe continua compararea cu al treilea material si rand pe rand vor fi eliminate materialele mai putin corespunzatoare ajungand la materialul optim
62
EXEMPLU DE SELECTIE A MATERIALELOR
Tema Realizarea piesesei din figura dintr-un otel ldquoOL37rdquo intr-o serie mare de fabricatie-Este o piesa cilindrica cu dimensiunile date-Are un butuc-Prezinta o gaura lunga si de diametre mic
oslash200oslash50
150oslash20
Se poate realiza din bara rotunda prin strunjire
Se poate realiza din bara rotunda prin forjare
80
Coeficientul de utilizare a materialului 055
Coeficientul de utilizare a materialului 098
63
Diametrul mm Inaltime mm Volum mm3 Volum mm3Coeficientul de
utilizare a materialului
Semif Pornire 200 150 4710000 4710000
Strunjire
200 80 2512000
2602275 055=5550 35 137375
20 150 47100
Forjare
200 80 25120002649375
098=9850 35 137375
20 150 47100 2602275
Coeficientul de utilizare a materialului K=greutatea piesei finitegreutatea materialului utilizat pentru realizarea lui (a semifabricatului de pornire)
In calcul s-a lucrat cu volumul materialului deoarece G=VρAdaosuriele de prelucrare s-u luat ca fiind egaleApare un mult mai bun grad de utilizare a materialului pentr prelucrarea prin forjare
PIESA SE VA REALIZA PRIN FORJARE
64
1
2
3
5
6
4
9
8
F
107F
1-semimatrita superioara2-semimatrita inferioara3-cavitatea semimatritei sup4-cavitatea semimatritei inf5-canalul de bavura6-canalul de refulare7-prinderea semimatritei sup8-prinderea semimatritei inf9-elemente de ghidare (stifturi)10-planul de separare
TEMA Sa se stabileasca materialul optim pentru realizarea elementelor active ale matrtei de forjare din figura Se urmreste obtinerea piesei prin forjare la cald
CERINTE PENTRU PROIECTARE
Analiza schiteiFunctia Elemete (semimatrite) de matrita de deformare plasticaObiectiv Trebuie maximalizata tenacitatea (rezilienta)Constrangeri Dimensiunile cavitatii matritei (depind de marimea piesei) dimensiunile exterioare si sistemul de prindere (depind de utilaj temperatura de lucruVariabile libere material
65
Se cauta in sursele de informatii structurate si nestructurate materialele care respecta cerintele
Elemente de matrita
Rezistente la cald
Tenacitate Duritate
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Materialele potrivite sunt metalele si aliajele lor
-Materialele ceramice nu au tenacitate-Materialele polimerice nu au rezistenta la cald-Materialele compozite sunt scumpe si nu au tenacitate
Depinde de compozitia lor
Se cauta materiale cu destinatie precisa Materiale pentru scule de deformare
66
Din baza de date se constata ca urmatoarele materiale satisfac
cerintele rigide adica sa poata fi utilizate la prelucrarea la cald
Sunt materiale cu destinatie precisaDaca nu sunt materiale cu destinatie
precisa se cauta in grupa materialelor cu destinatie generala
Material Rm min MPa HV A5 KCU Jcm3
C120 890 265 8 60
VMoC120 870 265 8 68
VC06 870 230 6 68
VCW85 870 265 6 80
MoCN15 830 250 7 75
VMoCN17 870 265 7 73
VSCW20 790 235 5 78
OSC7 640 195 12 56
OSC8 640 195 10 58
67
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU Jcm3 βKCU Indicele de
performanta PC120 890 265 8 60 101450
VMoC120 870 265 8 68 100650
VC06 870 230 6 68 97400
VCW85 870 265 6 80 101750
MoCN15 830 250 7 75 96750
VMoCN17 870 265 7 73 101100
VSCW20 790 235 5 78 92400
OSC7 640 195 12 56 74950
OSC8 640 195 10 58 75050Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza peoprietatii
68
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU
Jcm3 βKCU Indicele de performanta P
C120 890 100 265 10000 8 6667 60 75 25017000
VMoC120 870 9775 265 10000 8 6667 68 85 2835015356
VC06 870 9775 230 8679 6 5000 68 85 2126563155
VCW85 870 9775 265 10000 6 5000 80 100 2501682022
MoCN15 830 9326 250 9434 7 5833 75 9375 2735970124
VMoCN17 870 9775 265 10000 7 5833 73 9125 2663140356
VSCW20 790 8876 235 8868 5 4167 78 975 2032758226
OSC7 640 7191 195 7358 12 10000 56 70 3501237545
OSC8 640 7191 195 7358 10 8333 58 725 3022070878Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza proprietatii relative
69
Material Indicele de performanta P
VSCW20 2032758226
VC06 2126563155
VCW85 2501682022
C120 25017000
VMoCN17 2663140356
MoCN15 2735970124
VMoC120 2835015356
OSC8 3022070878
OSC7 3501237545
Material Indicele de performanta P
OSC7 74950
OSC8 75050
VSCW20 92400
MoCN15 96750
VC06 97400
VMoC120 100650
VMoCN17 101100
C120 101450
VCW85 101750
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile proprietatii materialului
ordonate crescator
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile relative ale proprietatii materialului ordonate crescator
70
Luand in considerare ca unele materiale sunt aliate cu siguranta acestea sunt mai scumpe
Daca luam in considerare costul unitar pentru otelurile carbon de scule iar densitatea de 785 (corespunzatoare fierului) se obtine indicele de merit
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
OSC7 74950 1 95477707 114
OSC8 75050 1 956050955 114
VSCW20 92400 14 840764331 100
MoCN15 96750 14 880345769 105
VC06 97400 12 103397028 123
VMoC120 100650 13 986281235 117
VMoCN17 101100 14 919927207 109
C120 101450 15 861571125 102
VCW85 101750 14 925841674 110
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea proprietatii materialului
71
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
VSCW20 2032758226 14 184964352 100
VC06 2126563155 12 225749804 122
VCW85 2501682022 14 227632577 123
C120 25017000 15 212458599 115
VMoCN17 2663140356 14 242323963 131
MoCN15 2735970124 14 248950876 135
VMoC120 2835015356 13 277806502 150
OSC8 3022070878 1 384977182 208
OSC7 3501237545 1 446017522 241
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea relativa a proprietatii materialului
72
Selectati materialele potrivite pentru piesele din imagine
Randul I 1 Serie mare de fabricatie-6p Randul II Serie mica (unicat) de fabricatie-6p
Randul I 2 Criterii de selectie a materialelor-1p3 Etapele selectiei materialelor ndash 1p4 Economicitatea piesei ndash 1p5 Strategii de selectie a materialelor ndash 1p
Randul II 2 Tipuri de date utilizate la selectia materialelor-1p3 Cum se face minimalizarea costurilor-1p4 Perofmantele piesei in functionare ndash 1p5 Care sunt cerintele fata de material ndash 1p
SUBIECTE EXAMEN
73
Date privind principalele proprietati tehnologice ale unor materiale
Material
Valorile proprietatii
Aschiabilitate Turnabilitate Sudabilitate Cost
F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba $tona
Otel de constructii (OL) X X X 140
Otel carbon de calitate (OLC) X X X
260
Fonte obisnuite (Fc) X X X 160
Punctaje 60 30 10 60 30 10 60 30 10
Avand in vedere ca pretul creste odata cu rezistenta la tractiune calculati costul fiecarui material prin inmultirea costului de baza cu valoarea proprietatii si impartiti la 100
74
Materiale ce pot fi luate in considerare spre analiza
Material Rm HV A Material Rm HV A Material Rm HV A
OL30 310 95 32 OLC8 324 140 33 Fc100 100 105 2
OL32 310 93 33 OLC10 321 150 31 Fc150 150 145 3
OL34 330 105 31 OLC15 373 155 27 Fc200 200 180 4
OL37 360 112 25 OLC20 410 165 25 Fc250 250 190 4
OL42 410 130 22 OLC25 450 175 24 Fc300 300 210 5
OL44 430 135 22 OLC30 490 180 21 Fc350 350 220 6
OL50 500 160 21 OLC35 530 195 21 Fc400 400 240 6
OL52 510 160 21 OLC40 570 200 19
OL60 590 185 16 OLC45 610 220 18
OL70 690 215 11 OLC50 640 230 16
OLC55 670 240 14
OLC60 700 255 14
Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50
Proprietatea tehnilogica intra cu o pondere de 100
VA UREZ SUCCES
43
EXEMPLU
TEMAGasiti un material pentru o bara de lungime L care sa
suporte o forta F la temperatura T si sa fie cat mai usoara
b
b
Lδ
F
Sageata
Sectiunea
CERINTELE PROIECTARIIFunctia Bara incarcata la incovoiereObiectiv Minimalizarea greutatiiConstrangeri Lungimea L data Rigiditatea S data Temperatura de exploatare T data (500deg)Variabile libere Aria sectiunii A Materialul de selectat
Se alege masa ldquomrdquo ca indice de performanta (trebuie sa fie minimalizat)
Masa barei este
Constrangerea privind rigiditatea va determina aria sectiunii ASageata unei bare simplu rezemata (forta actionand la mijloc) este data de relatia
44
unde E-modulul de elasticitate al materialului barei I-momentul de inertie al sectiunii grinzii
CL-reprezinta o constanta ce depinde de modul de distributie a fortei F (CL=48)
Rigiditatea barei este data de relatia
Din aceasta ultima relatie rezulta aria sectiunii A
Prin substitutia acestei relatii in relatia de determinare a masei grinzii se obtine indicele de performanta m
Valorile S L CL sunt date de proiect
Cea mai usoara bara este acea realizata dintr-un material care are cea mai mare valoare pentru
raport numit si ldquoindice de materialrdquo
Functia Incarcarea ConstrangeriIndici de
performantaRelatia
indicelui
Structuri de masa minima
Tija
BaraStatica
Rigiditate
Tractiune Eρ
Compresiune Eρ
Incovoiere E12ρ
Torsiune E12ρ
Rezistenta
Tractiune σrρ
Compresiune σcρ
Incovoiere σr23ρ
Torsiune σc23ρ
Dinamica
Panou
45
Exista mai multi indici de performanta fiecare realizand o combinatie dintre obiectiv si constrangere
46
47
48
METODE CANTITATIVE DE SELECTIE A MATERIALELOR CANDIDATE
Materialele candidat sunt materialele care satisfac cerintele cuprinse in matricea de cerinte rezultate dinbull Cerintele functionalebull Siguranta in functionarebull Functionarea in conditii ambientale de exploatarebull Cerintele de prelucrabilitatebull Economicitatea piesei
Care din aceste materiale vor fi luate in considerare la realizarea piesei
Evaluarea materialelor candidat
Evaluarea presupune compararea materialelor candidat care indeplinesc cerintele negociabile cu caracteristicile efective ale materialului in vederea selectarii celui optim pentru o aplicatie data
49
Evaluarea materialelor candidat
Este mai simpla pentru metodele cantitative de evaluare
Trebuie sa tina seama de anumite avantaje (usurinta procurarii materialului distanta pana la furnizor seriozitatea furnizarii constanta in calitatea produselor etc) care pot introduce anumite limitari determinand anumite compromisuri
In cele mai multe cazuri metodele cantitative de selectie conduc la materialul optim pentru o aplicatie
Metodele cantitative pot fi reluate odata cu schimbarea importantei relative a cerintelor negociabile
ATENTIE Cerintele nenegociabile trebuie satisfacute in totalitate si intocmai
Daca niciun material nu satisfac cerintele negociabile atunci fie ca acestea trebuie relaxate fie se impune reproiectarea produsului
50
Selectia este o operatie complexa
Numar mare de materiale cu o plaja larga de proprietati
Daca se face intamplator
Apare riscul de a omite anumite materiale candidate
Reducerea riscului prin adoptarea unei metode sistematice de selectie a materialelor
Metodele cantitative
Permitbull analiza unui numar ridicat de datebull a multor specificatii implicate in selectia materialelorbull pot fi adaptate pentru o selectie asistata de calculator
dintr-o baza de date
Metodele nu elimina capacitatea de analiza si experienta ingineruluiAceste metode sprijina inginerul in alegerea optima
51
METODA COSTULUI RAPORTAT LA UNITATEA DE PROPRIETATE
Economicitatea piesei
Costul initial al materialului
Costul prelucrarii si montarii
Costul functionarii si intretinerii
Unele dintre aceste costuri cresc odata cu cresterea
valorii proprietatilor altele scad
Proprietatea (Rm)
Costul piesei
Alte costuri
Costul total
Cos
tul
Cost minim
Odata cu cresterea rezistentei- Prelucrare mai dificila- Greutatea pe piesa scade- Durabilitatea in exploatare
creste si deci numarul de piese in utilizate in timp mai mic
Costul total este suma costului piesei si a celorlalte costuri
52
Valoarea optima a proprietatii (aici Rm) apare la costul minim
In piata costul materialului este legat de greutatea sau volumul (dupa caz) materialului
Se poate stabili o comparatie a materialelor intre proprietatile relative (proprietatea raportata la
greutatea specifica) De exemplu rezistenta rigiditatea modul de elasticitate etc
Criteriul esential este costul raportat la unitatea de rezistenta la tractiune
C=pρσ
C- costul asigurarii unei rezistente de 1 MPap- costul unitatii de proprietate a materialului
ρ- densitatea materialului
σr- rezistenta la tractiune
Cu cat valoarea lui ldquoCrdquo este mai mica cu atat materialul
este mai economic
53
Relatii asemanatoare pot fi obtinute si pentru alte proprietati cum ar fi- limita la curgere- modulul de elastuicitate- factorul de intensitate a tensiunii etc
Costul unitatii de proprietate pentru diferite moduri de solicitare
54
Compararea materialelor privind aceste costuri este esentiala
Se compara materialele intre ele
Este dificilSe ia un material de referinta
Costul relativ pe unitatea de proprietate a materialului candidat ldquoirdquo raportat la costul relativ pe unitatea de proprietate a materialului de referinta ldquobrdquo este dat de relatia
Daca CR este subunitar materialul candidat este mai ieftin decat materialul de referinta
Materialul de referinta este eliminat si materialul candidat se ia ca material de referinta pentru urmatoarea comparatie
Daca CR este supra unitar materialul candidat este mai scump decat materialul de referinta
Materialul de referinta se ia ca material de comparatie pentru urmatoarea analiza
55
METODA PONDERARII PROPRIETATILOR
Este o metoda pentru rezolvarea unor solutii mai comlexe de materiale materiale si proprietati
Fiecarei proprietati a materialului i se acorda o pondere rdquoαrdquo
Ponderea este proportionala cu importanta relativa a proprietatii pentru performanta in exploatare a materialului pentru aplicatia data
Ponderea proprietatii este egala cu produsul dintre valoarea numerica a proprietatii materialului ldquoprdquo si ponderea ei ldquoαrdquo
γ=pα
Insumand toate aceste produse pentru un material se obtine un indice de performanta ldquoPrdquo al materialului
Aceasta metoda ia in considerare toate proprietatile materialului
Comparand mai multe materiale prin indicele de performanta se poate gasi cel mai performant material pentru o aplicatie
56
Dezavantajul acestei metode consta in faptul ca in cazul unei proprietati care are o valoare ridicata aceasta v-a avea o influenta mai mare asupra indicelui de performanta decat ponderea ei
Exemplu Un material A care are Rm=370 MPa si o duritate de 350 HRB si un alt material B care are Rm=400 MPa si o duritate de 300 HRBStabilind ponderea proprietatii de 100 pentru rezistenta si 90 pentru duritate se obtine un indice de performanta de 68500 pentru material ul A si 67000 pentru materialul B
Inseamna ca impotriva importantei rezistentei la tractiune (ca fiind primul criteriu de selectie) si care este mai mare pentru materialul B indicele de performanta al materialului A este mai mare si deci acest material v-a fi selectat
La evaluarea materialelor candidat se va lucra cu valori relative ldquoβrdquo ale unei anumite proprietati celei mai mari valori a proprietatii atribuindu-se valoarea 100 iar celelalte valori relative se determina cu relatia
57
Pentru proprietatile materialelor care nu se exprima in mod obisnuit prin valori numerice (rezistenta la uzare sudabilitatea aschiabilitatea diferite proprietati tehnologice etc) evaluarea se poate face relativ la una dintre proprietati astfel
Astfel fiecarei proprietati I se acorda o importanta egalasi ea va influenta indicii de performanta ai materialelor doar comparate doar in masura ponderii acordate
Pentru proprietati ale caror valori se doreste a fi cat mai mici (densitatea pierderea de greutate prin coroziune etc) evaluarea se face printr-un raport invers
ProprietateaMateriale alternative
A B C D
Sudabilitatea Foarte buna Buna Buna Satisfacatoare
Evaluarea relativa 5 3 3 1
Valoarea scalata 100 60 60 20
58
Exemplu In ceea ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru rezistenta la tractiune a materialului A este de 925 Pentru al doilea material aceasta valoare este de 100 In ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru duritate aceasta este de 100 pentru materialul A si de 857 pentru materialul B
Acest lucru poate schimba situatia ierarhica a materialelor sau le poate apropia atat de mult indicele de performanta incat sa se puna problema luari in considerare si a altor elemente pentru selectie
Astfel indicele de performanta a materialului este dat de relatia
unde P reprezinta indicele de performanta a materialuluildquoirdquo este suma celor ldquonrdquo proprietati considerate a materialul ui
59
Ponderea α poate fi considerata ca αilt1 astfel incat
(cazul cel mai frecvent) sau ei I se poate aloca o plaja de valori valoarea cea mai mare
corespunzand proprietatii cu cea mai mare importanta
Costul materialului poate fi considerat ca o proprietate (chiar importanta) acordandui-se o pondere ldquoαrdquo
In cazul luarii in considerare a unui numar mare de proprietati costul poate fi considerat un factor de corectie al indicelui de performanta a materialului rezultand indicele de merit al acestuia
in care ldquoprdquo reprezinta costul unitatii de greutate a materialului
60
Cand se doreste compararea mai multor materiale candidat (i) cu unul de baza (de referinta) se calculeaza indicele relativ de merit al fiecarui material astfel
Daca RMgt1 respectivul material candidat ldquoirdquo corespunde mai bine cerintelor decat materialul de referinta ldquobrdquoIn cazul in care Mb reprezinta minimul cerintelor impuse Materialele candidat avand RMlt1 pot fi eliminate de la inceput ca fiind necorespunzatoare
Cand trebuie luate in considerare mai multe proprietati ale materialului pentru evaluarea indicelui de performanta este dificila evaluarea ponderii acestora Rezolvarea aceste probleme poate fi realizata printr-o evaluare prin programe numerice
61
METODA CRESTERII INCREMENTALE
In anumite situatii pot aparea mai multe materiale care indeplinesc cerintele minime impuse de o anumita aplicatie
Dupa analiza acestor materiale se poate presupune ca performantele pieselor prelucrate sunt proportionale cu indicii de performanta ldquoPrdquo In acelasi timp costul piesei variaza proportional cu costul materialului si al prelucrarii acestora
Daca se doreste selectarea piesei care are cea mai mare performanta la cea mai rezonabila crestere a costului se poate face o analiza beneficiu-cost Procedeul se ia indeosebi cand se doreste inlocuirea unui material utilizat deja in fabricatie
Materialul cu cel mai scazut cost (1) se ca element de baza si este comparat cu materialul care are costul imediat superior (2) Comparatia se face determinand cresterea indicelui de performanta (ΔP=P2-P1) si a costului ldquoprdquo pe unitatea de volum (Δpρ=p2ρ2-p1ρ1)
Daca ΔPΔpρlt1 materialul 1 corespunde mai bine decat materialul 2 pentru aplicatia data si materialul 2 va fi eliminatDaca ΔPΔpρgt1 materialul 1 va fi eliminat deoarece materialul 2 corespunde mai bine cerintelor aplicatieiSe continua compararea cu al treilea material si rand pe rand vor fi eliminate materialele mai putin corespunzatoare ajungand la materialul optim
62
EXEMPLU DE SELECTIE A MATERIALELOR
Tema Realizarea piesesei din figura dintr-un otel ldquoOL37rdquo intr-o serie mare de fabricatie-Este o piesa cilindrica cu dimensiunile date-Are un butuc-Prezinta o gaura lunga si de diametre mic
oslash200oslash50
150oslash20
Se poate realiza din bara rotunda prin strunjire
Se poate realiza din bara rotunda prin forjare
80
Coeficientul de utilizare a materialului 055
Coeficientul de utilizare a materialului 098
63
Diametrul mm Inaltime mm Volum mm3 Volum mm3Coeficientul de
utilizare a materialului
Semif Pornire 200 150 4710000 4710000
Strunjire
200 80 2512000
2602275 055=5550 35 137375
20 150 47100
Forjare
200 80 25120002649375
098=9850 35 137375
20 150 47100 2602275
Coeficientul de utilizare a materialului K=greutatea piesei finitegreutatea materialului utilizat pentru realizarea lui (a semifabricatului de pornire)
In calcul s-a lucrat cu volumul materialului deoarece G=VρAdaosuriele de prelucrare s-u luat ca fiind egaleApare un mult mai bun grad de utilizare a materialului pentr prelucrarea prin forjare
PIESA SE VA REALIZA PRIN FORJARE
64
1
2
3
5
6
4
9
8
F
107F
1-semimatrita superioara2-semimatrita inferioara3-cavitatea semimatritei sup4-cavitatea semimatritei inf5-canalul de bavura6-canalul de refulare7-prinderea semimatritei sup8-prinderea semimatritei inf9-elemente de ghidare (stifturi)10-planul de separare
TEMA Sa se stabileasca materialul optim pentru realizarea elementelor active ale matrtei de forjare din figura Se urmreste obtinerea piesei prin forjare la cald
CERINTE PENTRU PROIECTARE
Analiza schiteiFunctia Elemete (semimatrite) de matrita de deformare plasticaObiectiv Trebuie maximalizata tenacitatea (rezilienta)Constrangeri Dimensiunile cavitatii matritei (depind de marimea piesei) dimensiunile exterioare si sistemul de prindere (depind de utilaj temperatura de lucruVariabile libere material
65
Se cauta in sursele de informatii structurate si nestructurate materialele care respecta cerintele
Elemente de matrita
Rezistente la cald
Tenacitate Duritate
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Materialele potrivite sunt metalele si aliajele lor
-Materialele ceramice nu au tenacitate-Materialele polimerice nu au rezistenta la cald-Materialele compozite sunt scumpe si nu au tenacitate
Depinde de compozitia lor
Se cauta materiale cu destinatie precisa Materiale pentru scule de deformare
66
Din baza de date se constata ca urmatoarele materiale satisfac
cerintele rigide adica sa poata fi utilizate la prelucrarea la cald
Sunt materiale cu destinatie precisaDaca nu sunt materiale cu destinatie
precisa se cauta in grupa materialelor cu destinatie generala
Material Rm min MPa HV A5 KCU Jcm3
C120 890 265 8 60
VMoC120 870 265 8 68
VC06 870 230 6 68
VCW85 870 265 6 80
MoCN15 830 250 7 75
VMoCN17 870 265 7 73
VSCW20 790 235 5 78
OSC7 640 195 12 56
OSC8 640 195 10 58
67
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU Jcm3 βKCU Indicele de
performanta PC120 890 265 8 60 101450
VMoC120 870 265 8 68 100650
VC06 870 230 6 68 97400
VCW85 870 265 6 80 101750
MoCN15 830 250 7 75 96750
VMoCN17 870 265 7 73 101100
VSCW20 790 235 5 78 92400
OSC7 640 195 12 56 74950
OSC8 640 195 10 58 75050Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza peoprietatii
68
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU
Jcm3 βKCU Indicele de performanta P
C120 890 100 265 10000 8 6667 60 75 25017000
VMoC120 870 9775 265 10000 8 6667 68 85 2835015356
VC06 870 9775 230 8679 6 5000 68 85 2126563155
VCW85 870 9775 265 10000 6 5000 80 100 2501682022
MoCN15 830 9326 250 9434 7 5833 75 9375 2735970124
VMoCN17 870 9775 265 10000 7 5833 73 9125 2663140356
VSCW20 790 8876 235 8868 5 4167 78 975 2032758226
OSC7 640 7191 195 7358 12 10000 56 70 3501237545
OSC8 640 7191 195 7358 10 8333 58 725 3022070878Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza proprietatii relative
69
Material Indicele de performanta P
VSCW20 2032758226
VC06 2126563155
VCW85 2501682022
C120 25017000
VMoCN17 2663140356
MoCN15 2735970124
VMoC120 2835015356
OSC8 3022070878
OSC7 3501237545
Material Indicele de performanta P
OSC7 74950
OSC8 75050
VSCW20 92400
MoCN15 96750
VC06 97400
VMoC120 100650
VMoCN17 101100
C120 101450
VCW85 101750
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile proprietatii materialului
ordonate crescator
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile relative ale proprietatii materialului ordonate crescator
70
Luand in considerare ca unele materiale sunt aliate cu siguranta acestea sunt mai scumpe
Daca luam in considerare costul unitar pentru otelurile carbon de scule iar densitatea de 785 (corespunzatoare fierului) se obtine indicele de merit
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
OSC7 74950 1 95477707 114
OSC8 75050 1 956050955 114
VSCW20 92400 14 840764331 100
MoCN15 96750 14 880345769 105
VC06 97400 12 103397028 123
VMoC120 100650 13 986281235 117
VMoCN17 101100 14 919927207 109
C120 101450 15 861571125 102
VCW85 101750 14 925841674 110
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea proprietatii materialului
71
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
VSCW20 2032758226 14 184964352 100
VC06 2126563155 12 225749804 122
VCW85 2501682022 14 227632577 123
C120 25017000 15 212458599 115
VMoCN17 2663140356 14 242323963 131
MoCN15 2735970124 14 248950876 135
VMoC120 2835015356 13 277806502 150
OSC8 3022070878 1 384977182 208
OSC7 3501237545 1 446017522 241
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea relativa a proprietatii materialului
72
Selectati materialele potrivite pentru piesele din imagine
Randul I 1 Serie mare de fabricatie-6p Randul II Serie mica (unicat) de fabricatie-6p
Randul I 2 Criterii de selectie a materialelor-1p3 Etapele selectiei materialelor ndash 1p4 Economicitatea piesei ndash 1p5 Strategii de selectie a materialelor ndash 1p
Randul II 2 Tipuri de date utilizate la selectia materialelor-1p3 Cum se face minimalizarea costurilor-1p4 Perofmantele piesei in functionare ndash 1p5 Care sunt cerintele fata de material ndash 1p
SUBIECTE EXAMEN
73
Date privind principalele proprietati tehnologice ale unor materiale
Material
Valorile proprietatii
Aschiabilitate Turnabilitate Sudabilitate Cost
F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba $tona
Otel de constructii (OL) X X X 140
Otel carbon de calitate (OLC) X X X
260
Fonte obisnuite (Fc) X X X 160
Punctaje 60 30 10 60 30 10 60 30 10
Avand in vedere ca pretul creste odata cu rezistenta la tractiune calculati costul fiecarui material prin inmultirea costului de baza cu valoarea proprietatii si impartiti la 100
74
Materiale ce pot fi luate in considerare spre analiza
Material Rm HV A Material Rm HV A Material Rm HV A
OL30 310 95 32 OLC8 324 140 33 Fc100 100 105 2
OL32 310 93 33 OLC10 321 150 31 Fc150 150 145 3
OL34 330 105 31 OLC15 373 155 27 Fc200 200 180 4
OL37 360 112 25 OLC20 410 165 25 Fc250 250 190 4
OL42 410 130 22 OLC25 450 175 24 Fc300 300 210 5
OL44 430 135 22 OLC30 490 180 21 Fc350 350 220 6
OL50 500 160 21 OLC35 530 195 21 Fc400 400 240 6
OL52 510 160 21 OLC40 570 200 19
OL60 590 185 16 OLC45 610 220 18
OL70 690 215 11 OLC50 640 230 16
OLC55 670 240 14
OLC60 700 255 14
Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50
Proprietatea tehnilogica intra cu o pondere de 100
VA UREZ SUCCES
44
unde E-modulul de elasticitate al materialului barei I-momentul de inertie al sectiunii grinzii
CL-reprezinta o constanta ce depinde de modul de distributie a fortei F (CL=48)
Rigiditatea barei este data de relatia
Din aceasta ultima relatie rezulta aria sectiunii A
Prin substitutia acestei relatii in relatia de determinare a masei grinzii se obtine indicele de performanta m
Valorile S L CL sunt date de proiect
Cea mai usoara bara este acea realizata dintr-un material care are cea mai mare valoare pentru
raport numit si ldquoindice de materialrdquo
Functia Incarcarea ConstrangeriIndici de
performantaRelatia
indicelui
Structuri de masa minima
Tija
BaraStatica
Rigiditate
Tractiune Eρ
Compresiune Eρ
Incovoiere E12ρ
Torsiune E12ρ
Rezistenta
Tractiune σrρ
Compresiune σcρ
Incovoiere σr23ρ
Torsiune σc23ρ
Dinamica
Panou
45
Exista mai multi indici de performanta fiecare realizand o combinatie dintre obiectiv si constrangere
46
47
48
METODE CANTITATIVE DE SELECTIE A MATERIALELOR CANDIDATE
Materialele candidat sunt materialele care satisfac cerintele cuprinse in matricea de cerinte rezultate dinbull Cerintele functionalebull Siguranta in functionarebull Functionarea in conditii ambientale de exploatarebull Cerintele de prelucrabilitatebull Economicitatea piesei
Care din aceste materiale vor fi luate in considerare la realizarea piesei
Evaluarea materialelor candidat
Evaluarea presupune compararea materialelor candidat care indeplinesc cerintele negociabile cu caracteristicile efective ale materialului in vederea selectarii celui optim pentru o aplicatie data
49
Evaluarea materialelor candidat
Este mai simpla pentru metodele cantitative de evaluare
Trebuie sa tina seama de anumite avantaje (usurinta procurarii materialului distanta pana la furnizor seriozitatea furnizarii constanta in calitatea produselor etc) care pot introduce anumite limitari determinand anumite compromisuri
In cele mai multe cazuri metodele cantitative de selectie conduc la materialul optim pentru o aplicatie
Metodele cantitative pot fi reluate odata cu schimbarea importantei relative a cerintelor negociabile
ATENTIE Cerintele nenegociabile trebuie satisfacute in totalitate si intocmai
Daca niciun material nu satisfac cerintele negociabile atunci fie ca acestea trebuie relaxate fie se impune reproiectarea produsului
50
Selectia este o operatie complexa
Numar mare de materiale cu o plaja larga de proprietati
Daca se face intamplator
Apare riscul de a omite anumite materiale candidate
Reducerea riscului prin adoptarea unei metode sistematice de selectie a materialelor
Metodele cantitative
Permitbull analiza unui numar ridicat de datebull a multor specificatii implicate in selectia materialelorbull pot fi adaptate pentru o selectie asistata de calculator
dintr-o baza de date
Metodele nu elimina capacitatea de analiza si experienta ingineruluiAceste metode sprijina inginerul in alegerea optima
51
METODA COSTULUI RAPORTAT LA UNITATEA DE PROPRIETATE
Economicitatea piesei
Costul initial al materialului
Costul prelucrarii si montarii
Costul functionarii si intretinerii
Unele dintre aceste costuri cresc odata cu cresterea
valorii proprietatilor altele scad
Proprietatea (Rm)
Costul piesei
Alte costuri
Costul total
Cos
tul
Cost minim
Odata cu cresterea rezistentei- Prelucrare mai dificila- Greutatea pe piesa scade- Durabilitatea in exploatare
creste si deci numarul de piese in utilizate in timp mai mic
Costul total este suma costului piesei si a celorlalte costuri
52
Valoarea optima a proprietatii (aici Rm) apare la costul minim
In piata costul materialului este legat de greutatea sau volumul (dupa caz) materialului
Se poate stabili o comparatie a materialelor intre proprietatile relative (proprietatea raportata la
greutatea specifica) De exemplu rezistenta rigiditatea modul de elasticitate etc
Criteriul esential este costul raportat la unitatea de rezistenta la tractiune
C=pρσ
C- costul asigurarii unei rezistente de 1 MPap- costul unitatii de proprietate a materialului
ρ- densitatea materialului
σr- rezistenta la tractiune
Cu cat valoarea lui ldquoCrdquo este mai mica cu atat materialul
este mai economic
53
Relatii asemanatoare pot fi obtinute si pentru alte proprietati cum ar fi- limita la curgere- modulul de elastuicitate- factorul de intensitate a tensiunii etc
Costul unitatii de proprietate pentru diferite moduri de solicitare
54
Compararea materialelor privind aceste costuri este esentiala
Se compara materialele intre ele
Este dificilSe ia un material de referinta
Costul relativ pe unitatea de proprietate a materialului candidat ldquoirdquo raportat la costul relativ pe unitatea de proprietate a materialului de referinta ldquobrdquo este dat de relatia
Daca CR este subunitar materialul candidat este mai ieftin decat materialul de referinta
Materialul de referinta este eliminat si materialul candidat se ia ca material de referinta pentru urmatoarea comparatie
Daca CR este supra unitar materialul candidat este mai scump decat materialul de referinta
Materialul de referinta se ia ca material de comparatie pentru urmatoarea analiza
55
METODA PONDERARII PROPRIETATILOR
Este o metoda pentru rezolvarea unor solutii mai comlexe de materiale materiale si proprietati
Fiecarei proprietati a materialului i se acorda o pondere rdquoαrdquo
Ponderea este proportionala cu importanta relativa a proprietatii pentru performanta in exploatare a materialului pentru aplicatia data
Ponderea proprietatii este egala cu produsul dintre valoarea numerica a proprietatii materialului ldquoprdquo si ponderea ei ldquoαrdquo
γ=pα
Insumand toate aceste produse pentru un material se obtine un indice de performanta ldquoPrdquo al materialului
Aceasta metoda ia in considerare toate proprietatile materialului
Comparand mai multe materiale prin indicele de performanta se poate gasi cel mai performant material pentru o aplicatie
56
Dezavantajul acestei metode consta in faptul ca in cazul unei proprietati care are o valoare ridicata aceasta v-a avea o influenta mai mare asupra indicelui de performanta decat ponderea ei
Exemplu Un material A care are Rm=370 MPa si o duritate de 350 HRB si un alt material B care are Rm=400 MPa si o duritate de 300 HRBStabilind ponderea proprietatii de 100 pentru rezistenta si 90 pentru duritate se obtine un indice de performanta de 68500 pentru material ul A si 67000 pentru materialul B
Inseamna ca impotriva importantei rezistentei la tractiune (ca fiind primul criteriu de selectie) si care este mai mare pentru materialul B indicele de performanta al materialului A este mai mare si deci acest material v-a fi selectat
La evaluarea materialelor candidat se va lucra cu valori relative ldquoβrdquo ale unei anumite proprietati celei mai mari valori a proprietatii atribuindu-se valoarea 100 iar celelalte valori relative se determina cu relatia
57
Pentru proprietatile materialelor care nu se exprima in mod obisnuit prin valori numerice (rezistenta la uzare sudabilitatea aschiabilitatea diferite proprietati tehnologice etc) evaluarea se poate face relativ la una dintre proprietati astfel
Astfel fiecarei proprietati I se acorda o importanta egalasi ea va influenta indicii de performanta ai materialelor doar comparate doar in masura ponderii acordate
Pentru proprietati ale caror valori se doreste a fi cat mai mici (densitatea pierderea de greutate prin coroziune etc) evaluarea se face printr-un raport invers
ProprietateaMateriale alternative
A B C D
Sudabilitatea Foarte buna Buna Buna Satisfacatoare
Evaluarea relativa 5 3 3 1
Valoarea scalata 100 60 60 20
58
Exemplu In ceea ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru rezistenta la tractiune a materialului A este de 925 Pentru al doilea material aceasta valoare este de 100 In ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru duritate aceasta este de 100 pentru materialul A si de 857 pentru materialul B
Acest lucru poate schimba situatia ierarhica a materialelor sau le poate apropia atat de mult indicele de performanta incat sa se puna problema luari in considerare si a altor elemente pentru selectie
Astfel indicele de performanta a materialului este dat de relatia
unde P reprezinta indicele de performanta a materialuluildquoirdquo este suma celor ldquonrdquo proprietati considerate a materialul ui
59
Ponderea α poate fi considerata ca αilt1 astfel incat
(cazul cel mai frecvent) sau ei I se poate aloca o plaja de valori valoarea cea mai mare
corespunzand proprietatii cu cea mai mare importanta
Costul materialului poate fi considerat ca o proprietate (chiar importanta) acordandui-se o pondere ldquoαrdquo
In cazul luarii in considerare a unui numar mare de proprietati costul poate fi considerat un factor de corectie al indicelui de performanta a materialului rezultand indicele de merit al acestuia
in care ldquoprdquo reprezinta costul unitatii de greutate a materialului
60
Cand se doreste compararea mai multor materiale candidat (i) cu unul de baza (de referinta) se calculeaza indicele relativ de merit al fiecarui material astfel
Daca RMgt1 respectivul material candidat ldquoirdquo corespunde mai bine cerintelor decat materialul de referinta ldquobrdquoIn cazul in care Mb reprezinta minimul cerintelor impuse Materialele candidat avand RMlt1 pot fi eliminate de la inceput ca fiind necorespunzatoare
Cand trebuie luate in considerare mai multe proprietati ale materialului pentru evaluarea indicelui de performanta este dificila evaluarea ponderii acestora Rezolvarea aceste probleme poate fi realizata printr-o evaluare prin programe numerice
61
METODA CRESTERII INCREMENTALE
In anumite situatii pot aparea mai multe materiale care indeplinesc cerintele minime impuse de o anumita aplicatie
Dupa analiza acestor materiale se poate presupune ca performantele pieselor prelucrate sunt proportionale cu indicii de performanta ldquoPrdquo In acelasi timp costul piesei variaza proportional cu costul materialului si al prelucrarii acestora
Daca se doreste selectarea piesei care are cea mai mare performanta la cea mai rezonabila crestere a costului se poate face o analiza beneficiu-cost Procedeul se ia indeosebi cand se doreste inlocuirea unui material utilizat deja in fabricatie
Materialul cu cel mai scazut cost (1) se ca element de baza si este comparat cu materialul care are costul imediat superior (2) Comparatia se face determinand cresterea indicelui de performanta (ΔP=P2-P1) si a costului ldquoprdquo pe unitatea de volum (Δpρ=p2ρ2-p1ρ1)
Daca ΔPΔpρlt1 materialul 1 corespunde mai bine decat materialul 2 pentru aplicatia data si materialul 2 va fi eliminatDaca ΔPΔpρgt1 materialul 1 va fi eliminat deoarece materialul 2 corespunde mai bine cerintelor aplicatieiSe continua compararea cu al treilea material si rand pe rand vor fi eliminate materialele mai putin corespunzatoare ajungand la materialul optim
62
EXEMPLU DE SELECTIE A MATERIALELOR
Tema Realizarea piesesei din figura dintr-un otel ldquoOL37rdquo intr-o serie mare de fabricatie-Este o piesa cilindrica cu dimensiunile date-Are un butuc-Prezinta o gaura lunga si de diametre mic
oslash200oslash50
150oslash20
Se poate realiza din bara rotunda prin strunjire
Se poate realiza din bara rotunda prin forjare
80
Coeficientul de utilizare a materialului 055
Coeficientul de utilizare a materialului 098
63
Diametrul mm Inaltime mm Volum mm3 Volum mm3Coeficientul de
utilizare a materialului
Semif Pornire 200 150 4710000 4710000
Strunjire
200 80 2512000
2602275 055=5550 35 137375
20 150 47100
Forjare
200 80 25120002649375
098=9850 35 137375
20 150 47100 2602275
Coeficientul de utilizare a materialului K=greutatea piesei finitegreutatea materialului utilizat pentru realizarea lui (a semifabricatului de pornire)
In calcul s-a lucrat cu volumul materialului deoarece G=VρAdaosuriele de prelucrare s-u luat ca fiind egaleApare un mult mai bun grad de utilizare a materialului pentr prelucrarea prin forjare
PIESA SE VA REALIZA PRIN FORJARE
64
1
2
3
5
6
4
9
8
F
107F
1-semimatrita superioara2-semimatrita inferioara3-cavitatea semimatritei sup4-cavitatea semimatritei inf5-canalul de bavura6-canalul de refulare7-prinderea semimatritei sup8-prinderea semimatritei inf9-elemente de ghidare (stifturi)10-planul de separare
TEMA Sa se stabileasca materialul optim pentru realizarea elementelor active ale matrtei de forjare din figura Se urmreste obtinerea piesei prin forjare la cald
CERINTE PENTRU PROIECTARE
Analiza schiteiFunctia Elemete (semimatrite) de matrita de deformare plasticaObiectiv Trebuie maximalizata tenacitatea (rezilienta)Constrangeri Dimensiunile cavitatii matritei (depind de marimea piesei) dimensiunile exterioare si sistemul de prindere (depind de utilaj temperatura de lucruVariabile libere material
65
Se cauta in sursele de informatii structurate si nestructurate materialele care respecta cerintele
Elemente de matrita
Rezistente la cald
Tenacitate Duritate
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Materialele potrivite sunt metalele si aliajele lor
-Materialele ceramice nu au tenacitate-Materialele polimerice nu au rezistenta la cald-Materialele compozite sunt scumpe si nu au tenacitate
Depinde de compozitia lor
Se cauta materiale cu destinatie precisa Materiale pentru scule de deformare
66
Din baza de date se constata ca urmatoarele materiale satisfac
cerintele rigide adica sa poata fi utilizate la prelucrarea la cald
Sunt materiale cu destinatie precisaDaca nu sunt materiale cu destinatie
precisa se cauta in grupa materialelor cu destinatie generala
Material Rm min MPa HV A5 KCU Jcm3
C120 890 265 8 60
VMoC120 870 265 8 68
VC06 870 230 6 68
VCW85 870 265 6 80
MoCN15 830 250 7 75
VMoCN17 870 265 7 73
VSCW20 790 235 5 78
OSC7 640 195 12 56
OSC8 640 195 10 58
67
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU Jcm3 βKCU Indicele de
performanta PC120 890 265 8 60 101450
VMoC120 870 265 8 68 100650
VC06 870 230 6 68 97400
VCW85 870 265 6 80 101750
MoCN15 830 250 7 75 96750
VMoCN17 870 265 7 73 101100
VSCW20 790 235 5 78 92400
OSC7 640 195 12 56 74950
OSC8 640 195 10 58 75050Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza peoprietatii
68
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU
Jcm3 βKCU Indicele de performanta P
C120 890 100 265 10000 8 6667 60 75 25017000
VMoC120 870 9775 265 10000 8 6667 68 85 2835015356
VC06 870 9775 230 8679 6 5000 68 85 2126563155
VCW85 870 9775 265 10000 6 5000 80 100 2501682022
MoCN15 830 9326 250 9434 7 5833 75 9375 2735970124
VMoCN17 870 9775 265 10000 7 5833 73 9125 2663140356
VSCW20 790 8876 235 8868 5 4167 78 975 2032758226
OSC7 640 7191 195 7358 12 10000 56 70 3501237545
OSC8 640 7191 195 7358 10 8333 58 725 3022070878Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza proprietatii relative
69
Material Indicele de performanta P
VSCW20 2032758226
VC06 2126563155
VCW85 2501682022
C120 25017000
VMoCN17 2663140356
MoCN15 2735970124
VMoC120 2835015356
OSC8 3022070878
OSC7 3501237545
Material Indicele de performanta P
OSC7 74950
OSC8 75050
VSCW20 92400
MoCN15 96750
VC06 97400
VMoC120 100650
VMoCN17 101100
C120 101450
VCW85 101750
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile proprietatii materialului
ordonate crescator
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile relative ale proprietatii materialului ordonate crescator
70
Luand in considerare ca unele materiale sunt aliate cu siguranta acestea sunt mai scumpe
Daca luam in considerare costul unitar pentru otelurile carbon de scule iar densitatea de 785 (corespunzatoare fierului) se obtine indicele de merit
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
OSC7 74950 1 95477707 114
OSC8 75050 1 956050955 114
VSCW20 92400 14 840764331 100
MoCN15 96750 14 880345769 105
VC06 97400 12 103397028 123
VMoC120 100650 13 986281235 117
VMoCN17 101100 14 919927207 109
C120 101450 15 861571125 102
VCW85 101750 14 925841674 110
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea proprietatii materialului
71
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
VSCW20 2032758226 14 184964352 100
VC06 2126563155 12 225749804 122
VCW85 2501682022 14 227632577 123
C120 25017000 15 212458599 115
VMoCN17 2663140356 14 242323963 131
MoCN15 2735970124 14 248950876 135
VMoC120 2835015356 13 277806502 150
OSC8 3022070878 1 384977182 208
OSC7 3501237545 1 446017522 241
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea relativa a proprietatii materialului
72
Selectati materialele potrivite pentru piesele din imagine
Randul I 1 Serie mare de fabricatie-6p Randul II Serie mica (unicat) de fabricatie-6p
Randul I 2 Criterii de selectie a materialelor-1p3 Etapele selectiei materialelor ndash 1p4 Economicitatea piesei ndash 1p5 Strategii de selectie a materialelor ndash 1p
Randul II 2 Tipuri de date utilizate la selectia materialelor-1p3 Cum se face minimalizarea costurilor-1p4 Perofmantele piesei in functionare ndash 1p5 Care sunt cerintele fata de material ndash 1p
SUBIECTE EXAMEN
73
Date privind principalele proprietati tehnologice ale unor materiale
Material
Valorile proprietatii
Aschiabilitate Turnabilitate Sudabilitate Cost
F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba $tona
Otel de constructii (OL) X X X 140
Otel carbon de calitate (OLC) X X X
260
Fonte obisnuite (Fc) X X X 160
Punctaje 60 30 10 60 30 10 60 30 10
Avand in vedere ca pretul creste odata cu rezistenta la tractiune calculati costul fiecarui material prin inmultirea costului de baza cu valoarea proprietatii si impartiti la 100
74
Materiale ce pot fi luate in considerare spre analiza
Material Rm HV A Material Rm HV A Material Rm HV A
OL30 310 95 32 OLC8 324 140 33 Fc100 100 105 2
OL32 310 93 33 OLC10 321 150 31 Fc150 150 145 3
OL34 330 105 31 OLC15 373 155 27 Fc200 200 180 4
OL37 360 112 25 OLC20 410 165 25 Fc250 250 190 4
OL42 410 130 22 OLC25 450 175 24 Fc300 300 210 5
OL44 430 135 22 OLC30 490 180 21 Fc350 350 220 6
OL50 500 160 21 OLC35 530 195 21 Fc400 400 240 6
OL52 510 160 21 OLC40 570 200 19
OL60 590 185 16 OLC45 610 220 18
OL70 690 215 11 OLC50 640 230 16
OLC55 670 240 14
OLC60 700 255 14
Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50
Proprietatea tehnilogica intra cu o pondere de 100
VA UREZ SUCCES
Functia Incarcarea ConstrangeriIndici de
performantaRelatia
indicelui
Structuri de masa minima
Tija
BaraStatica
Rigiditate
Tractiune Eρ
Compresiune Eρ
Incovoiere E12ρ
Torsiune E12ρ
Rezistenta
Tractiune σrρ
Compresiune σcρ
Incovoiere σr23ρ
Torsiune σc23ρ
Dinamica
Panou
45
Exista mai multi indici de performanta fiecare realizand o combinatie dintre obiectiv si constrangere
46
47
48
METODE CANTITATIVE DE SELECTIE A MATERIALELOR CANDIDATE
Materialele candidat sunt materialele care satisfac cerintele cuprinse in matricea de cerinte rezultate dinbull Cerintele functionalebull Siguranta in functionarebull Functionarea in conditii ambientale de exploatarebull Cerintele de prelucrabilitatebull Economicitatea piesei
Care din aceste materiale vor fi luate in considerare la realizarea piesei
Evaluarea materialelor candidat
Evaluarea presupune compararea materialelor candidat care indeplinesc cerintele negociabile cu caracteristicile efective ale materialului in vederea selectarii celui optim pentru o aplicatie data
49
Evaluarea materialelor candidat
Este mai simpla pentru metodele cantitative de evaluare
Trebuie sa tina seama de anumite avantaje (usurinta procurarii materialului distanta pana la furnizor seriozitatea furnizarii constanta in calitatea produselor etc) care pot introduce anumite limitari determinand anumite compromisuri
In cele mai multe cazuri metodele cantitative de selectie conduc la materialul optim pentru o aplicatie
Metodele cantitative pot fi reluate odata cu schimbarea importantei relative a cerintelor negociabile
ATENTIE Cerintele nenegociabile trebuie satisfacute in totalitate si intocmai
Daca niciun material nu satisfac cerintele negociabile atunci fie ca acestea trebuie relaxate fie se impune reproiectarea produsului
50
Selectia este o operatie complexa
Numar mare de materiale cu o plaja larga de proprietati
Daca se face intamplator
Apare riscul de a omite anumite materiale candidate
Reducerea riscului prin adoptarea unei metode sistematice de selectie a materialelor
Metodele cantitative
Permitbull analiza unui numar ridicat de datebull a multor specificatii implicate in selectia materialelorbull pot fi adaptate pentru o selectie asistata de calculator
dintr-o baza de date
Metodele nu elimina capacitatea de analiza si experienta ingineruluiAceste metode sprijina inginerul in alegerea optima
51
METODA COSTULUI RAPORTAT LA UNITATEA DE PROPRIETATE
Economicitatea piesei
Costul initial al materialului
Costul prelucrarii si montarii
Costul functionarii si intretinerii
Unele dintre aceste costuri cresc odata cu cresterea
valorii proprietatilor altele scad
Proprietatea (Rm)
Costul piesei
Alte costuri
Costul total
Cos
tul
Cost minim
Odata cu cresterea rezistentei- Prelucrare mai dificila- Greutatea pe piesa scade- Durabilitatea in exploatare
creste si deci numarul de piese in utilizate in timp mai mic
Costul total este suma costului piesei si a celorlalte costuri
52
Valoarea optima a proprietatii (aici Rm) apare la costul minim
In piata costul materialului este legat de greutatea sau volumul (dupa caz) materialului
Se poate stabili o comparatie a materialelor intre proprietatile relative (proprietatea raportata la
greutatea specifica) De exemplu rezistenta rigiditatea modul de elasticitate etc
Criteriul esential este costul raportat la unitatea de rezistenta la tractiune
C=pρσ
C- costul asigurarii unei rezistente de 1 MPap- costul unitatii de proprietate a materialului
ρ- densitatea materialului
σr- rezistenta la tractiune
Cu cat valoarea lui ldquoCrdquo este mai mica cu atat materialul
este mai economic
53
Relatii asemanatoare pot fi obtinute si pentru alte proprietati cum ar fi- limita la curgere- modulul de elastuicitate- factorul de intensitate a tensiunii etc
Costul unitatii de proprietate pentru diferite moduri de solicitare
54
Compararea materialelor privind aceste costuri este esentiala
Se compara materialele intre ele
Este dificilSe ia un material de referinta
Costul relativ pe unitatea de proprietate a materialului candidat ldquoirdquo raportat la costul relativ pe unitatea de proprietate a materialului de referinta ldquobrdquo este dat de relatia
Daca CR este subunitar materialul candidat este mai ieftin decat materialul de referinta
Materialul de referinta este eliminat si materialul candidat se ia ca material de referinta pentru urmatoarea comparatie
Daca CR este supra unitar materialul candidat este mai scump decat materialul de referinta
Materialul de referinta se ia ca material de comparatie pentru urmatoarea analiza
55
METODA PONDERARII PROPRIETATILOR
Este o metoda pentru rezolvarea unor solutii mai comlexe de materiale materiale si proprietati
Fiecarei proprietati a materialului i se acorda o pondere rdquoαrdquo
Ponderea este proportionala cu importanta relativa a proprietatii pentru performanta in exploatare a materialului pentru aplicatia data
Ponderea proprietatii este egala cu produsul dintre valoarea numerica a proprietatii materialului ldquoprdquo si ponderea ei ldquoαrdquo
γ=pα
Insumand toate aceste produse pentru un material se obtine un indice de performanta ldquoPrdquo al materialului
Aceasta metoda ia in considerare toate proprietatile materialului
Comparand mai multe materiale prin indicele de performanta se poate gasi cel mai performant material pentru o aplicatie
56
Dezavantajul acestei metode consta in faptul ca in cazul unei proprietati care are o valoare ridicata aceasta v-a avea o influenta mai mare asupra indicelui de performanta decat ponderea ei
Exemplu Un material A care are Rm=370 MPa si o duritate de 350 HRB si un alt material B care are Rm=400 MPa si o duritate de 300 HRBStabilind ponderea proprietatii de 100 pentru rezistenta si 90 pentru duritate se obtine un indice de performanta de 68500 pentru material ul A si 67000 pentru materialul B
Inseamna ca impotriva importantei rezistentei la tractiune (ca fiind primul criteriu de selectie) si care este mai mare pentru materialul B indicele de performanta al materialului A este mai mare si deci acest material v-a fi selectat
La evaluarea materialelor candidat se va lucra cu valori relative ldquoβrdquo ale unei anumite proprietati celei mai mari valori a proprietatii atribuindu-se valoarea 100 iar celelalte valori relative se determina cu relatia
57
Pentru proprietatile materialelor care nu se exprima in mod obisnuit prin valori numerice (rezistenta la uzare sudabilitatea aschiabilitatea diferite proprietati tehnologice etc) evaluarea se poate face relativ la una dintre proprietati astfel
Astfel fiecarei proprietati I se acorda o importanta egalasi ea va influenta indicii de performanta ai materialelor doar comparate doar in masura ponderii acordate
Pentru proprietati ale caror valori se doreste a fi cat mai mici (densitatea pierderea de greutate prin coroziune etc) evaluarea se face printr-un raport invers
ProprietateaMateriale alternative
A B C D
Sudabilitatea Foarte buna Buna Buna Satisfacatoare
Evaluarea relativa 5 3 3 1
Valoarea scalata 100 60 60 20
58
Exemplu In ceea ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru rezistenta la tractiune a materialului A este de 925 Pentru al doilea material aceasta valoare este de 100 In ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru duritate aceasta este de 100 pentru materialul A si de 857 pentru materialul B
Acest lucru poate schimba situatia ierarhica a materialelor sau le poate apropia atat de mult indicele de performanta incat sa se puna problema luari in considerare si a altor elemente pentru selectie
Astfel indicele de performanta a materialului este dat de relatia
unde P reprezinta indicele de performanta a materialuluildquoirdquo este suma celor ldquonrdquo proprietati considerate a materialul ui
59
Ponderea α poate fi considerata ca αilt1 astfel incat
(cazul cel mai frecvent) sau ei I se poate aloca o plaja de valori valoarea cea mai mare
corespunzand proprietatii cu cea mai mare importanta
Costul materialului poate fi considerat ca o proprietate (chiar importanta) acordandui-se o pondere ldquoαrdquo
In cazul luarii in considerare a unui numar mare de proprietati costul poate fi considerat un factor de corectie al indicelui de performanta a materialului rezultand indicele de merit al acestuia
in care ldquoprdquo reprezinta costul unitatii de greutate a materialului
60
Cand se doreste compararea mai multor materiale candidat (i) cu unul de baza (de referinta) se calculeaza indicele relativ de merit al fiecarui material astfel
Daca RMgt1 respectivul material candidat ldquoirdquo corespunde mai bine cerintelor decat materialul de referinta ldquobrdquoIn cazul in care Mb reprezinta minimul cerintelor impuse Materialele candidat avand RMlt1 pot fi eliminate de la inceput ca fiind necorespunzatoare
Cand trebuie luate in considerare mai multe proprietati ale materialului pentru evaluarea indicelui de performanta este dificila evaluarea ponderii acestora Rezolvarea aceste probleme poate fi realizata printr-o evaluare prin programe numerice
61
METODA CRESTERII INCREMENTALE
In anumite situatii pot aparea mai multe materiale care indeplinesc cerintele minime impuse de o anumita aplicatie
Dupa analiza acestor materiale se poate presupune ca performantele pieselor prelucrate sunt proportionale cu indicii de performanta ldquoPrdquo In acelasi timp costul piesei variaza proportional cu costul materialului si al prelucrarii acestora
Daca se doreste selectarea piesei care are cea mai mare performanta la cea mai rezonabila crestere a costului se poate face o analiza beneficiu-cost Procedeul se ia indeosebi cand se doreste inlocuirea unui material utilizat deja in fabricatie
Materialul cu cel mai scazut cost (1) se ca element de baza si este comparat cu materialul care are costul imediat superior (2) Comparatia se face determinand cresterea indicelui de performanta (ΔP=P2-P1) si a costului ldquoprdquo pe unitatea de volum (Δpρ=p2ρ2-p1ρ1)
Daca ΔPΔpρlt1 materialul 1 corespunde mai bine decat materialul 2 pentru aplicatia data si materialul 2 va fi eliminatDaca ΔPΔpρgt1 materialul 1 va fi eliminat deoarece materialul 2 corespunde mai bine cerintelor aplicatieiSe continua compararea cu al treilea material si rand pe rand vor fi eliminate materialele mai putin corespunzatoare ajungand la materialul optim
62
EXEMPLU DE SELECTIE A MATERIALELOR
Tema Realizarea piesesei din figura dintr-un otel ldquoOL37rdquo intr-o serie mare de fabricatie-Este o piesa cilindrica cu dimensiunile date-Are un butuc-Prezinta o gaura lunga si de diametre mic
oslash200oslash50
150oslash20
Se poate realiza din bara rotunda prin strunjire
Se poate realiza din bara rotunda prin forjare
80
Coeficientul de utilizare a materialului 055
Coeficientul de utilizare a materialului 098
63
Diametrul mm Inaltime mm Volum mm3 Volum mm3Coeficientul de
utilizare a materialului
Semif Pornire 200 150 4710000 4710000
Strunjire
200 80 2512000
2602275 055=5550 35 137375
20 150 47100
Forjare
200 80 25120002649375
098=9850 35 137375
20 150 47100 2602275
Coeficientul de utilizare a materialului K=greutatea piesei finitegreutatea materialului utilizat pentru realizarea lui (a semifabricatului de pornire)
In calcul s-a lucrat cu volumul materialului deoarece G=VρAdaosuriele de prelucrare s-u luat ca fiind egaleApare un mult mai bun grad de utilizare a materialului pentr prelucrarea prin forjare
PIESA SE VA REALIZA PRIN FORJARE
64
1
2
3
5
6
4
9
8
F
107F
1-semimatrita superioara2-semimatrita inferioara3-cavitatea semimatritei sup4-cavitatea semimatritei inf5-canalul de bavura6-canalul de refulare7-prinderea semimatritei sup8-prinderea semimatritei inf9-elemente de ghidare (stifturi)10-planul de separare
TEMA Sa se stabileasca materialul optim pentru realizarea elementelor active ale matrtei de forjare din figura Se urmreste obtinerea piesei prin forjare la cald
CERINTE PENTRU PROIECTARE
Analiza schiteiFunctia Elemete (semimatrite) de matrita de deformare plasticaObiectiv Trebuie maximalizata tenacitatea (rezilienta)Constrangeri Dimensiunile cavitatii matritei (depind de marimea piesei) dimensiunile exterioare si sistemul de prindere (depind de utilaj temperatura de lucruVariabile libere material
65
Se cauta in sursele de informatii structurate si nestructurate materialele care respecta cerintele
Elemente de matrita
Rezistente la cald
Tenacitate Duritate
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Materialele potrivite sunt metalele si aliajele lor
-Materialele ceramice nu au tenacitate-Materialele polimerice nu au rezistenta la cald-Materialele compozite sunt scumpe si nu au tenacitate
Depinde de compozitia lor
Se cauta materiale cu destinatie precisa Materiale pentru scule de deformare
66
Din baza de date se constata ca urmatoarele materiale satisfac
cerintele rigide adica sa poata fi utilizate la prelucrarea la cald
Sunt materiale cu destinatie precisaDaca nu sunt materiale cu destinatie
precisa se cauta in grupa materialelor cu destinatie generala
Material Rm min MPa HV A5 KCU Jcm3
C120 890 265 8 60
VMoC120 870 265 8 68
VC06 870 230 6 68
VCW85 870 265 6 80
MoCN15 830 250 7 75
VMoCN17 870 265 7 73
VSCW20 790 235 5 78
OSC7 640 195 12 56
OSC8 640 195 10 58
67
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU Jcm3 βKCU Indicele de
performanta PC120 890 265 8 60 101450
VMoC120 870 265 8 68 100650
VC06 870 230 6 68 97400
VCW85 870 265 6 80 101750
MoCN15 830 250 7 75 96750
VMoCN17 870 265 7 73 101100
VSCW20 790 235 5 78 92400
OSC7 640 195 12 56 74950
OSC8 640 195 10 58 75050Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza peoprietatii
68
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU
Jcm3 βKCU Indicele de performanta P
C120 890 100 265 10000 8 6667 60 75 25017000
VMoC120 870 9775 265 10000 8 6667 68 85 2835015356
VC06 870 9775 230 8679 6 5000 68 85 2126563155
VCW85 870 9775 265 10000 6 5000 80 100 2501682022
MoCN15 830 9326 250 9434 7 5833 75 9375 2735970124
VMoCN17 870 9775 265 10000 7 5833 73 9125 2663140356
VSCW20 790 8876 235 8868 5 4167 78 975 2032758226
OSC7 640 7191 195 7358 12 10000 56 70 3501237545
OSC8 640 7191 195 7358 10 8333 58 725 3022070878Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza proprietatii relative
69
Material Indicele de performanta P
VSCW20 2032758226
VC06 2126563155
VCW85 2501682022
C120 25017000
VMoCN17 2663140356
MoCN15 2735970124
VMoC120 2835015356
OSC8 3022070878
OSC7 3501237545
Material Indicele de performanta P
OSC7 74950
OSC8 75050
VSCW20 92400
MoCN15 96750
VC06 97400
VMoC120 100650
VMoCN17 101100
C120 101450
VCW85 101750
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile proprietatii materialului
ordonate crescator
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile relative ale proprietatii materialului ordonate crescator
70
Luand in considerare ca unele materiale sunt aliate cu siguranta acestea sunt mai scumpe
Daca luam in considerare costul unitar pentru otelurile carbon de scule iar densitatea de 785 (corespunzatoare fierului) se obtine indicele de merit
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
OSC7 74950 1 95477707 114
OSC8 75050 1 956050955 114
VSCW20 92400 14 840764331 100
MoCN15 96750 14 880345769 105
VC06 97400 12 103397028 123
VMoC120 100650 13 986281235 117
VMoCN17 101100 14 919927207 109
C120 101450 15 861571125 102
VCW85 101750 14 925841674 110
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea proprietatii materialului
71
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
VSCW20 2032758226 14 184964352 100
VC06 2126563155 12 225749804 122
VCW85 2501682022 14 227632577 123
C120 25017000 15 212458599 115
VMoCN17 2663140356 14 242323963 131
MoCN15 2735970124 14 248950876 135
VMoC120 2835015356 13 277806502 150
OSC8 3022070878 1 384977182 208
OSC7 3501237545 1 446017522 241
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea relativa a proprietatii materialului
72
Selectati materialele potrivite pentru piesele din imagine
Randul I 1 Serie mare de fabricatie-6p Randul II Serie mica (unicat) de fabricatie-6p
Randul I 2 Criterii de selectie a materialelor-1p3 Etapele selectiei materialelor ndash 1p4 Economicitatea piesei ndash 1p5 Strategii de selectie a materialelor ndash 1p
Randul II 2 Tipuri de date utilizate la selectia materialelor-1p3 Cum se face minimalizarea costurilor-1p4 Perofmantele piesei in functionare ndash 1p5 Care sunt cerintele fata de material ndash 1p
SUBIECTE EXAMEN
73
Date privind principalele proprietati tehnologice ale unor materiale
Material
Valorile proprietatii
Aschiabilitate Turnabilitate Sudabilitate Cost
F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba $tona
Otel de constructii (OL) X X X 140
Otel carbon de calitate (OLC) X X X
260
Fonte obisnuite (Fc) X X X 160
Punctaje 60 30 10 60 30 10 60 30 10
Avand in vedere ca pretul creste odata cu rezistenta la tractiune calculati costul fiecarui material prin inmultirea costului de baza cu valoarea proprietatii si impartiti la 100
74
Materiale ce pot fi luate in considerare spre analiza
Material Rm HV A Material Rm HV A Material Rm HV A
OL30 310 95 32 OLC8 324 140 33 Fc100 100 105 2
OL32 310 93 33 OLC10 321 150 31 Fc150 150 145 3
OL34 330 105 31 OLC15 373 155 27 Fc200 200 180 4
OL37 360 112 25 OLC20 410 165 25 Fc250 250 190 4
OL42 410 130 22 OLC25 450 175 24 Fc300 300 210 5
OL44 430 135 22 OLC30 490 180 21 Fc350 350 220 6
OL50 500 160 21 OLC35 530 195 21 Fc400 400 240 6
OL52 510 160 21 OLC40 570 200 19
OL60 590 185 16 OLC45 610 220 18
OL70 690 215 11 OLC50 640 230 16
OLC55 670 240 14
OLC60 700 255 14
Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50
Proprietatea tehnilogica intra cu o pondere de 100
VA UREZ SUCCES
46
47
48
METODE CANTITATIVE DE SELECTIE A MATERIALELOR CANDIDATE
Materialele candidat sunt materialele care satisfac cerintele cuprinse in matricea de cerinte rezultate dinbull Cerintele functionalebull Siguranta in functionarebull Functionarea in conditii ambientale de exploatarebull Cerintele de prelucrabilitatebull Economicitatea piesei
Care din aceste materiale vor fi luate in considerare la realizarea piesei
Evaluarea materialelor candidat
Evaluarea presupune compararea materialelor candidat care indeplinesc cerintele negociabile cu caracteristicile efective ale materialului in vederea selectarii celui optim pentru o aplicatie data
49
Evaluarea materialelor candidat
Este mai simpla pentru metodele cantitative de evaluare
Trebuie sa tina seama de anumite avantaje (usurinta procurarii materialului distanta pana la furnizor seriozitatea furnizarii constanta in calitatea produselor etc) care pot introduce anumite limitari determinand anumite compromisuri
In cele mai multe cazuri metodele cantitative de selectie conduc la materialul optim pentru o aplicatie
Metodele cantitative pot fi reluate odata cu schimbarea importantei relative a cerintelor negociabile
ATENTIE Cerintele nenegociabile trebuie satisfacute in totalitate si intocmai
Daca niciun material nu satisfac cerintele negociabile atunci fie ca acestea trebuie relaxate fie se impune reproiectarea produsului
50
Selectia este o operatie complexa
Numar mare de materiale cu o plaja larga de proprietati
Daca se face intamplator
Apare riscul de a omite anumite materiale candidate
Reducerea riscului prin adoptarea unei metode sistematice de selectie a materialelor
Metodele cantitative
Permitbull analiza unui numar ridicat de datebull a multor specificatii implicate in selectia materialelorbull pot fi adaptate pentru o selectie asistata de calculator
dintr-o baza de date
Metodele nu elimina capacitatea de analiza si experienta ingineruluiAceste metode sprijina inginerul in alegerea optima
51
METODA COSTULUI RAPORTAT LA UNITATEA DE PROPRIETATE
Economicitatea piesei
Costul initial al materialului
Costul prelucrarii si montarii
Costul functionarii si intretinerii
Unele dintre aceste costuri cresc odata cu cresterea
valorii proprietatilor altele scad
Proprietatea (Rm)
Costul piesei
Alte costuri
Costul total
Cos
tul
Cost minim
Odata cu cresterea rezistentei- Prelucrare mai dificila- Greutatea pe piesa scade- Durabilitatea in exploatare
creste si deci numarul de piese in utilizate in timp mai mic
Costul total este suma costului piesei si a celorlalte costuri
52
Valoarea optima a proprietatii (aici Rm) apare la costul minim
In piata costul materialului este legat de greutatea sau volumul (dupa caz) materialului
Se poate stabili o comparatie a materialelor intre proprietatile relative (proprietatea raportata la
greutatea specifica) De exemplu rezistenta rigiditatea modul de elasticitate etc
Criteriul esential este costul raportat la unitatea de rezistenta la tractiune
C=pρσ
C- costul asigurarii unei rezistente de 1 MPap- costul unitatii de proprietate a materialului
ρ- densitatea materialului
σr- rezistenta la tractiune
Cu cat valoarea lui ldquoCrdquo este mai mica cu atat materialul
este mai economic
53
Relatii asemanatoare pot fi obtinute si pentru alte proprietati cum ar fi- limita la curgere- modulul de elastuicitate- factorul de intensitate a tensiunii etc
Costul unitatii de proprietate pentru diferite moduri de solicitare
54
Compararea materialelor privind aceste costuri este esentiala
Se compara materialele intre ele
Este dificilSe ia un material de referinta
Costul relativ pe unitatea de proprietate a materialului candidat ldquoirdquo raportat la costul relativ pe unitatea de proprietate a materialului de referinta ldquobrdquo este dat de relatia
Daca CR este subunitar materialul candidat este mai ieftin decat materialul de referinta
Materialul de referinta este eliminat si materialul candidat se ia ca material de referinta pentru urmatoarea comparatie
Daca CR este supra unitar materialul candidat este mai scump decat materialul de referinta
Materialul de referinta se ia ca material de comparatie pentru urmatoarea analiza
55
METODA PONDERARII PROPRIETATILOR
Este o metoda pentru rezolvarea unor solutii mai comlexe de materiale materiale si proprietati
Fiecarei proprietati a materialului i se acorda o pondere rdquoαrdquo
Ponderea este proportionala cu importanta relativa a proprietatii pentru performanta in exploatare a materialului pentru aplicatia data
Ponderea proprietatii este egala cu produsul dintre valoarea numerica a proprietatii materialului ldquoprdquo si ponderea ei ldquoαrdquo
γ=pα
Insumand toate aceste produse pentru un material se obtine un indice de performanta ldquoPrdquo al materialului
Aceasta metoda ia in considerare toate proprietatile materialului
Comparand mai multe materiale prin indicele de performanta se poate gasi cel mai performant material pentru o aplicatie
56
Dezavantajul acestei metode consta in faptul ca in cazul unei proprietati care are o valoare ridicata aceasta v-a avea o influenta mai mare asupra indicelui de performanta decat ponderea ei
Exemplu Un material A care are Rm=370 MPa si o duritate de 350 HRB si un alt material B care are Rm=400 MPa si o duritate de 300 HRBStabilind ponderea proprietatii de 100 pentru rezistenta si 90 pentru duritate se obtine un indice de performanta de 68500 pentru material ul A si 67000 pentru materialul B
Inseamna ca impotriva importantei rezistentei la tractiune (ca fiind primul criteriu de selectie) si care este mai mare pentru materialul B indicele de performanta al materialului A este mai mare si deci acest material v-a fi selectat
La evaluarea materialelor candidat se va lucra cu valori relative ldquoβrdquo ale unei anumite proprietati celei mai mari valori a proprietatii atribuindu-se valoarea 100 iar celelalte valori relative se determina cu relatia
57
Pentru proprietatile materialelor care nu se exprima in mod obisnuit prin valori numerice (rezistenta la uzare sudabilitatea aschiabilitatea diferite proprietati tehnologice etc) evaluarea se poate face relativ la una dintre proprietati astfel
Astfel fiecarei proprietati I se acorda o importanta egalasi ea va influenta indicii de performanta ai materialelor doar comparate doar in masura ponderii acordate
Pentru proprietati ale caror valori se doreste a fi cat mai mici (densitatea pierderea de greutate prin coroziune etc) evaluarea se face printr-un raport invers
ProprietateaMateriale alternative
A B C D
Sudabilitatea Foarte buna Buna Buna Satisfacatoare
Evaluarea relativa 5 3 3 1
Valoarea scalata 100 60 60 20
58
Exemplu In ceea ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru rezistenta la tractiune a materialului A este de 925 Pentru al doilea material aceasta valoare este de 100 In ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru duritate aceasta este de 100 pentru materialul A si de 857 pentru materialul B
Acest lucru poate schimba situatia ierarhica a materialelor sau le poate apropia atat de mult indicele de performanta incat sa se puna problema luari in considerare si a altor elemente pentru selectie
Astfel indicele de performanta a materialului este dat de relatia
unde P reprezinta indicele de performanta a materialuluildquoirdquo este suma celor ldquonrdquo proprietati considerate a materialul ui
59
Ponderea α poate fi considerata ca αilt1 astfel incat
(cazul cel mai frecvent) sau ei I se poate aloca o plaja de valori valoarea cea mai mare
corespunzand proprietatii cu cea mai mare importanta
Costul materialului poate fi considerat ca o proprietate (chiar importanta) acordandui-se o pondere ldquoαrdquo
In cazul luarii in considerare a unui numar mare de proprietati costul poate fi considerat un factor de corectie al indicelui de performanta a materialului rezultand indicele de merit al acestuia
in care ldquoprdquo reprezinta costul unitatii de greutate a materialului
60
Cand se doreste compararea mai multor materiale candidat (i) cu unul de baza (de referinta) se calculeaza indicele relativ de merit al fiecarui material astfel
Daca RMgt1 respectivul material candidat ldquoirdquo corespunde mai bine cerintelor decat materialul de referinta ldquobrdquoIn cazul in care Mb reprezinta minimul cerintelor impuse Materialele candidat avand RMlt1 pot fi eliminate de la inceput ca fiind necorespunzatoare
Cand trebuie luate in considerare mai multe proprietati ale materialului pentru evaluarea indicelui de performanta este dificila evaluarea ponderii acestora Rezolvarea aceste probleme poate fi realizata printr-o evaluare prin programe numerice
61
METODA CRESTERII INCREMENTALE
In anumite situatii pot aparea mai multe materiale care indeplinesc cerintele minime impuse de o anumita aplicatie
Dupa analiza acestor materiale se poate presupune ca performantele pieselor prelucrate sunt proportionale cu indicii de performanta ldquoPrdquo In acelasi timp costul piesei variaza proportional cu costul materialului si al prelucrarii acestora
Daca se doreste selectarea piesei care are cea mai mare performanta la cea mai rezonabila crestere a costului se poate face o analiza beneficiu-cost Procedeul se ia indeosebi cand se doreste inlocuirea unui material utilizat deja in fabricatie
Materialul cu cel mai scazut cost (1) se ca element de baza si este comparat cu materialul care are costul imediat superior (2) Comparatia se face determinand cresterea indicelui de performanta (ΔP=P2-P1) si a costului ldquoprdquo pe unitatea de volum (Δpρ=p2ρ2-p1ρ1)
Daca ΔPΔpρlt1 materialul 1 corespunde mai bine decat materialul 2 pentru aplicatia data si materialul 2 va fi eliminatDaca ΔPΔpρgt1 materialul 1 va fi eliminat deoarece materialul 2 corespunde mai bine cerintelor aplicatieiSe continua compararea cu al treilea material si rand pe rand vor fi eliminate materialele mai putin corespunzatoare ajungand la materialul optim
62
EXEMPLU DE SELECTIE A MATERIALELOR
Tema Realizarea piesesei din figura dintr-un otel ldquoOL37rdquo intr-o serie mare de fabricatie-Este o piesa cilindrica cu dimensiunile date-Are un butuc-Prezinta o gaura lunga si de diametre mic
oslash200oslash50
150oslash20
Se poate realiza din bara rotunda prin strunjire
Se poate realiza din bara rotunda prin forjare
80
Coeficientul de utilizare a materialului 055
Coeficientul de utilizare a materialului 098
63
Diametrul mm Inaltime mm Volum mm3 Volum mm3Coeficientul de
utilizare a materialului
Semif Pornire 200 150 4710000 4710000
Strunjire
200 80 2512000
2602275 055=5550 35 137375
20 150 47100
Forjare
200 80 25120002649375
098=9850 35 137375
20 150 47100 2602275
Coeficientul de utilizare a materialului K=greutatea piesei finitegreutatea materialului utilizat pentru realizarea lui (a semifabricatului de pornire)
In calcul s-a lucrat cu volumul materialului deoarece G=VρAdaosuriele de prelucrare s-u luat ca fiind egaleApare un mult mai bun grad de utilizare a materialului pentr prelucrarea prin forjare
PIESA SE VA REALIZA PRIN FORJARE
64
1
2
3
5
6
4
9
8
F
107F
1-semimatrita superioara2-semimatrita inferioara3-cavitatea semimatritei sup4-cavitatea semimatritei inf5-canalul de bavura6-canalul de refulare7-prinderea semimatritei sup8-prinderea semimatritei inf9-elemente de ghidare (stifturi)10-planul de separare
TEMA Sa se stabileasca materialul optim pentru realizarea elementelor active ale matrtei de forjare din figura Se urmreste obtinerea piesei prin forjare la cald
CERINTE PENTRU PROIECTARE
Analiza schiteiFunctia Elemete (semimatrite) de matrita de deformare plasticaObiectiv Trebuie maximalizata tenacitatea (rezilienta)Constrangeri Dimensiunile cavitatii matritei (depind de marimea piesei) dimensiunile exterioare si sistemul de prindere (depind de utilaj temperatura de lucruVariabile libere material
65
Se cauta in sursele de informatii structurate si nestructurate materialele care respecta cerintele
Elemente de matrita
Rezistente la cald
Tenacitate Duritate
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Materialele potrivite sunt metalele si aliajele lor
-Materialele ceramice nu au tenacitate-Materialele polimerice nu au rezistenta la cald-Materialele compozite sunt scumpe si nu au tenacitate
Depinde de compozitia lor
Se cauta materiale cu destinatie precisa Materiale pentru scule de deformare
66
Din baza de date se constata ca urmatoarele materiale satisfac
cerintele rigide adica sa poata fi utilizate la prelucrarea la cald
Sunt materiale cu destinatie precisaDaca nu sunt materiale cu destinatie
precisa se cauta in grupa materialelor cu destinatie generala
Material Rm min MPa HV A5 KCU Jcm3
C120 890 265 8 60
VMoC120 870 265 8 68
VC06 870 230 6 68
VCW85 870 265 6 80
MoCN15 830 250 7 75
VMoCN17 870 265 7 73
VSCW20 790 235 5 78
OSC7 640 195 12 56
OSC8 640 195 10 58
67
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU Jcm3 βKCU Indicele de
performanta PC120 890 265 8 60 101450
VMoC120 870 265 8 68 100650
VC06 870 230 6 68 97400
VCW85 870 265 6 80 101750
MoCN15 830 250 7 75 96750
VMoCN17 870 265 7 73 101100
VSCW20 790 235 5 78 92400
OSC7 640 195 12 56 74950
OSC8 640 195 10 58 75050Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza peoprietatii
68
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU
Jcm3 βKCU Indicele de performanta P
C120 890 100 265 10000 8 6667 60 75 25017000
VMoC120 870 9775 265 10000 8 6667 68 85 2835015356
VC06 870 9775 230 8679 6 5000 68 85 2126563155
VCW85 870 9775 265 10000 6 5000 80 100 2501682022
MoCN15 830 9326 250 9434 7 5833 75 9375 2735970124
VMoCN17 870 9775 265 10000 7 5833 73 9125 2663140356
VSCW20 790 8876 235 8868 5 4167 78 975 2032758226
OSC7 640 7191 195 7358 12 10000 56 70 3501237545
OSC8 640 7191 195 7358 10 8333 58 725 3022070878Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza proprietatii relative
69
Material Indicele de performanta P
VSCW20 2032758226
VC06 2126563155
VCW85 2501682022
C120 25017000
VMoCN17 2663140356
MoCN15 2735970124
VMoC120 2835015356
OSC8 3022070878
OSC7 3501237545
Material Indicele de performanta P
OSC7 74950
OSC8 75050
VSCW20 92400
MoCN15 96750
VC06 97400
VMoC120 100650
VMoCN17 101100
C120 101450
VCW85 101750
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile proprietatii materialului
ordonate crescator
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile relative ale proprietatii materialului ordonate crescator
70
Luand in considerare ca unele materiale sunt aliate cu siguranta acestea sunt mai scumpe
Daca luam in considerare costul unitar pentru otelurile carbon de scule iar densitatea de 785 (corespunzatoare fierului) se obtine indicele de merit
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
OSC7 74950 1 95477707 114
OSC8 75050 1 956050955 114
VSCW20 92400 14 840764331 100
MoCN15 96750 14 880345769 105
VC06 97400 12 103397028 123
VMoC120 100650 13 986281235 117
VMoCN17 101100 14 919927207 109
C120 101450 15 861571125 102
VCW85 101750 14 925841674 110
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea proprietatii materialului
71
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
VSCW20 2032758226 14 184964352 100
VC06 2126563155 12 225749804 122
VCW85 2501682022 14 227632577 123
C120 25017000 15 212458599 115
VMoCN17 2663140356 14 242323963 131
MoCN15 2735970124 14 248950876 135
VMoC120 2835015356 13 277806502 150
OSC8 3022070878 1 384977182 208
OSC7 3501237545 1 446017522 241
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea relativa a proprietatii materialului
72
Selectati materialele potrivite pentru piesele din imagine
Randul I 1 Serie mare de fabricatie-6p Randul II Serie mica (unicat) de fabricatie-6p
Randul I 2 Criterii de selectie a materialelor-1p3 Etapele selectiei materialelor ndash 1p4 Economicitatea piesei ndash 1p5 Strategii de selectie a materialelor ndash 1p
Randul II 2 Tipuri de date utilizate la selectia materialelor-1p3 Cum se face minimalizarea costurilor-1p4 Perofmantele piesei in functionare ndash 1p5 Care sunt cerintele fata de material ndash 1p
SUBIECTE EXAMEN
73
Date privind principalele proprietati tehnologice ale unor materiale
Material
Valorile proprietatii
Aschiabilitate Turnabilitate Sudabilitate Cost
F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba $tona
Otel de constructii (OL) X X X 140
Otel carbon de calitate (OLC) X X X
260
Fonte obisnuite (Fc) X X X 160
Punctaje 60 30 10 60 30 10 60 30 10
Avand in vedere ca pretul creste odata cu rezistenta la tractiune calculati costul fiecarui material prin inmultirea costului de baza cu valoarea proprietatii si impartiti la 100
74
Materiale ce pot fi luate in considerare spre analiza
Material Rm HV A Material Rm HV A Material Rm HV A
OL30 310 95 32 OLC8 324 140 33 Fc100 100 105 2
OL32 310 93 33 OLC10 321 150 31 Fc150 150 145 3
OL34 330 105 31 OLC15 373 155 27 Fc200 200 180 4
OL37 360 112 25 OLC20 410 165 25 Fc250 250 190 4
OL42 410 130 22 OLC25 450 175 24 Fc300 300 210 5
OL44 430 135 22 OLC30 490 180 21 Fc350 350 220 6
OL50 500 160 21 OLC35 530 195 21 Fc400 400 240 6
OL52 510 160 21 OLC40 570 200 19
OL60 590 185 16 OLC45 610 220 18
OL70 690 215 11 OLC50 640 230 16
OLC55 670 240 14
OLC60 700 255 14
Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50
Proprietatea tehnilogica intra cu o pondere de 100
VA UREZ SUCCES
47
48
METODE CANTITATIVE DE SELECTIE A MATERIALELOR CANDIDATE
Materialele candidat sunt materialele care satisfac cerintele cuprinse in matricea de cerinte rezultate dinbull Cerintele functionalebull Siguranta in functionarebull Functionarea in conditii ambientale de exploatarebull Cerintele de prelucrabilitatebull Economicitatea piesei
Care din aceste materiale vor fi luate in considerare la realizarea piesei
Evaluarea materialelor candidat
Evaluarea presupune compararea materialelor candidat care indeplinesc cerintele negociabile cu caracteristicile efective ale materialului in vederea selectarii celui optim pentru o aplicatie data
49
Evaluarea materialelor candidat
Este mai simpla pentru metodele cantitative de evaluare
Trebuie sa tina seama de anumite avantaje (usurinta procurarii materialului distanta pana la furnizor seriozitatea furnizarii constanta in calitatea produselor etc) care pot introduce anumite limitari determinand anumite compromisuri
In cele mai multe cazuri metodele cantitative de selectie conduc la materialul optim pentru o aplicatie
Metodele cantitative pot fi reluate odata cu schimbarea importantei relative a cerintelor negociabile
ATENTIE Cerintele nenegociabile trebuie satisfacute in totalitate si intocmai
Daca niciun material nu satisfac cerintele negociabile atunci fie ca acestea trebuie relaxate fie se impune reproiectarea produsului
50
Selectia este o operatie complexa
Numar mare de materiale cu o plaja larga de proprietati
Daca se face intamplator
Apare riscul de a omite anumite materiale candidate
Reducerea riscului prin adoptarea unei metode sistematice de selectie a materialelor
Metodele cantitative
Permitbull analiza unui numar ridicat de datebull a multor specificatii implicate in selectia materialelorbull pot fi adaptate pentru o selectie asistata de calculator
dintr-o baza de date
Metodele nu elimina capacitatea de analiza si experienta ingineruluiAceste metode sprijina inginerul in alegerea optima
51
METODA COSTULUI RAPORTAT LA UNITATEA DE PROPRIETATE
Economicitatea piesei
Costul initial al materialului
Costul prelucrarii si montarii
Costul functionarii si intretinerii
Unele dintre aceste costuri cresc odata cu cresterea
valorii proprietatilor altele scad
Proprietatea (Rm)
Costul piesei
Alte costuri
Costul total
Cos
tul
Cost minim
Odata cu cresterea rezistentei- Prelucrare mai dificila- Greutatea pe piesa scade- Durabilitatea in exploatare
creste si deci numarul de piese in utilizate in timp mai mic
Costul total este suma costului piesei si a celorlalte costuri
52
Valoarea optima a proprietatii (aici Rm) apare la costul minim
In piata costul materialului este legat de greutatea sau volumul (dupa caz) materialului
Se poate stabili o comparatie a materialelor intre proprietatile relative (proprietatea raportata la
greutatea specifica) De exemplu rezistenta rigiditatea modul de elasticitate etc
Criteriul esential este costul raportat la unitatea de rezistenta la tractiune
C=pρσ
C- costul asigurarii unei rezistente de 1 MPap- costul unitatii de proprietate a materialului
ρ- densitatea materialului
σr- rezistenta la tractiune
Cu cat valoarea lui ldquoCrdquo este mai mica cu atat materialul
este mai economic
53
Relatii asemanatoare pot fi obtinute si pentru alte proprietati cum ar fi- limita la curgere- modulul de elastuicitate- factorul de intensitate a tensiunii etc
Costul unitatii de proprietate pentru diferite moduri de solicitare
54
Compararea materialelor privind aceste costuri este esentiala
Se compara materialele intre ele
Este dificilSe ia un material de referinta
Costul relativ pe unitatea de proprietate a materialului candidat ldquoirdquo raportat la costul relativ pe unitatea de proprietate a materialului de referinta ldquobrdquo este dat de relatia
Daca CR este subunitar materialul candidat este mai ieftin decat materialul de referinta
Materialul de referinta este eliminat si materialul candidat se ia ca material de referinta pentru urmatoarea comparatie
Daca CR este supra unitar materialul candidat este mai scump decat materialul de referinta
Materialul de referinta se ia ca material de comparatie pentru urmatoarea analiza
55
METODA PONDERARII PROPRIETATILOR
Este o metoda pentru rezolvarea unor solutii mai comlexe de materiale materiale si proprietati
Fiecarei proprietati a materialului i se acorda o pondere rdquoαrdquo
Ponderea este proportionala cu importanta relativa a proprietatii pentru performanta in exploatare a materialului pentru aplicatia data
Ponderea proprietatii este egala cu produsul dintre valoarea numerica a proprietatii materialului ldquoprdquo si ponderea ei ldquoαrdquo
γ=pα
Insumand toate aceste produse pentru un material se obtine un indice de performanta ldquoPrdquo al materialului
Aceasta metoda ia in considerare toate proprietatile materialului
Comparand mai multe materiale prin indicele de performanta se poate gasi cel mai performant material pentru o aplicatie
56
Dezavantajul acestei metode consta in faptul ca in cazul unei proprietati care are o valoare ridicata aceasta v-a avea o influenta mai mare asupra indicelui de performanta decat ponderea ei
Exemplu Un material A care are Rm=370 MPa si o duritate de 350 HRB si un alt material B care are Rm=400 MPa si o duritate de 300 HRBStabilind ponderea proprietatii de 100 pentru rezistenta si 90 pentru duritate se obtine un indice de performanta de 68500 pentru material ul A si 67000 pentru materialul B
Inseamna ca impotriva importantei rezistentei la tractiune (ca fiind primul criteriu de selectie) si care este mai mare pentru materialul B indicele de performanta al materialului A este mai mare si deci acest material v-a fi selectat
La evaluarea materialelor candidat se va lucra cu valori relative ldquoβrdquo ale unei anumite proprietati celei mai mari valori a proprietatii atribuindu-se valoarea 100 iar celelalte valori relative se determina cu relatia
57
Pentru proprietatile materialelor care nu se exprima in mod obisnuit prin valori numerice (rezistenta la uzare sudabilitatea aschiabilitatea diferite proprietati tehnologice etc) evaluarea se poate face relativ la una dintre proprietati astfel
Astfel fiecarei proprietati I se acorda o importanta egalasi ea va influenta indicii de performanta ai materialelor doar comparate doar in masura ponderii acordate
Pentru proprietati ale caror valori se doreste a fi cat mai mici (densitatea pierderea de greutate prin coroziune etc) evaluarea se face printr-un raport invers
ProprietateaMateriale alternative
A B C D
Sudabilitatea Foarte buna Buna Buna Satisfacatoare
Evaluarea relativa 5 3 3 1
Valoarea scalata 100 60 60 20
58
Exemplu In ceea ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru rezistenta la tractiune a materialului A este de 925 Pentru al doilea material aceasta valoare este de 100 In ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru duritate aceasta este de 100 pentru materialul A si de 857 pentru materialul B
Acest lucru poate schimba situatia ierarhica a materialelor sau le poate apropia atat de mult indicele de performanta incat sa se puna problema luari in considerare si a altor elemente pentru selectie
Astfel indicele de performanta a materialului este dat de relatia
unde P reprezinta indicele de performanta a materialuluildquoirdquo este suma celor ldquonrdquo proprietati considerate a materialul ui
59
Ponderea α poate fi considerata ca αilt1 astfel incat
(cazul cel mai frecvent) sau ei I se poate aloca o plaja de valori valoarea cea mai mare
corespunzand proprietatii cu cea mai mare importanta
Costul materialului poate fi considerat ca o proprietate (chiar importanta) acordandui-se o pondere ldquoαrdquo
In cazul luarii in considerare a unui numar mare de proprietati costul poate fi considerat un factor de corectie al indicelui de performanta a materialului rezultand indicele de merit al acestuia
in care ldquoprdquo reprezinta costul unitatii de greutate a materialului
60
Cand se doreste compararea mai multor materiale candidat (i) cu unul de baza (de referinta) se calculeaza indicele relativ de merit al fiecarui material astfel
Daca RMgt1 respectivul material candidat ldquoirdquo corespunde mai bine cerintelor decat materialul de referinta ldquobrdquoIn cazul in care Mb reprezinta minimul cerintelor impuse Materialele candidat avand RMlt1 pot fi eliminate de la inceput ca fiind necorespunzatoare
Cand trebuie luate in considerare mai multe proprietati ale materialului pentru evaluarea indicelui de performanta este dificila evaluarea ponderii acestora Rezolvarea aceste probleme poate fi realizata printr-o evaluare prin programe numerice
61
METODA CRESTERII INCREMENTALE
In anumite situatii pot aparea mai multe materiale care indeplinesc cerintele minime impuse de o anumita aplicatie
Dupa analiza acestor materiale se poate presupune ca performantele pieselor prelucrate sunt proportionale cu indicii de performanta ldquoPrdquo In acelasi timp costul piesei variaza proportional cu costul materialului si al prelucrarii acestora
Daca se doreste selectarea piesei care are cea mai mare performanta la cea mai rezonabila crestere a costului se poate face o analiza beneficiu-cost Procedeul se ia indeosebi cand se doreste inlocuirea unui material utilizat deja in fabricatie
Materialul cu cel mai scazut cost (1) se ca element de baza si este comparat cu materialul care are costul imediat superior (2) Comparatia se face determinand cresterea indicelui de performanta (ΔP=P2-P1) si a costului ldquoprdquo pe unitatea de volum (Δpρ=p2ρ2-p1ρ1)
Daca ΔPΔpρlt1 materialul 1 corespunde mai bine decat materialul 2 pentru aplicatia data si materialul 2 va fi eliminatDaca ΔPΔpρgt1 materialul 1 va fi eliminat deoarece materialul 2 corespunde mai bine cerintelor aplicatieiSe continua compararea cu al treilea material si rand pe rand vor fi eliminate materialele mai putin corespunzatoare ajungand la materialul optim
62
EXEMPLU DE SELECTIE A MATERIALELOR
Tema Realizarea piesesei din figura dintr-un otel ldquoOL37rdquo intr-o serie mare de fabricatie-Este o piesa cilindrica cu dimensiunile date-Are un butuc-Prezinta o gaura lunga si de diametre mic
oslash200oslash50
150oslash20
Se poate realiza din bara rotunda prin strunjire
Se poate realiza din bara rotunda prin forjare
80
Coeficientul de utilizare a materialului 055
Coeficientul de utilizare a materialului 098
63
Diametrul mm Inaltime mm Volum mm3 Volum mm3Coeficientul de
utilizare a materialului
Semif Pornire 200 150 4710000 4710000
Strunjire
200 80 2512000
2602275 055=5550 35 137375
20 150 47100
Forjare
200 80 25120002649375
098=9850 35 137375
20 150 47100 2602275
Coeficientul de utilizare a materialului K=greutatea piesei finitegreutatea materialului utilizat pentru realizarea lui (a semifabricatului de pornire)
In calcul s-a lucrat cu volumul materialului deoarece G=VρAdaosuriele de prelucrare s-u luat ca fiind egaleApare un mult mai bun grad de utilizare a materialului pentr prelucrarea prin forjare
PIESA SE VA REALIZA PRIN FORJARE
64
1
2
3
5
6
4
9
8
F
107F
1-semimatrita superioara2-semimatrita inferioara3-cavitatea semimatritei sup4-cavitatea semimatritei inf5-canalul de bavura6-canalul de refulare7-prinderea semimatritei sup8-prinderea semimatritei inf9-elemente de ghidare (stifturi)10-planul de separare
TEMA Sa se stabileasca materialul optim pentru realizarea elementelor active ale matrtei de forjare din figura Se urmreste obtinerea piesei prin forjare la cald
CERINTE PENTRU PROIECTARE
Analiza schiteiFunctia Elemete (semimatrite) de matrita de deformare plasticaObiectiv Trebuie maximalizata tenacitatea (rezilienta)Constrangeri Dimensiunile cavitatii matritei (depind de marimea piesei) dimensiunile exterioare si sistemul de prindere (depind de utilaj temperatura de lucruVariabile libere material
65
Se cauta in sursele de informatii structurate si nestructurate materialele care respecta cerintele
Elemente de matrita
Rezistente la cald
Tenacitate Duritate
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Materialele potrivite sunt metalele si aliajele lor
-Materialele ceramice nu au tenacitate-Materialele polimerice nu au rezistenta la cald-Materialele compozite sunt scumpe si nu au tenacitate
Depinde de compozitia lor
Se cauta materiale cu destinatie precisa Materiale pentru scule de deformare
66
Din baza de date se constata ca urmatoarele materiale satisfac
cerintele rigide adica sa poata fi utilizate la prelucrarea la cald
Sunt materiale cu destinatie precisaDaca nu sunt materiale cu destinatie
precisa se cauta in grupa materialelor cu destinatie generala
Material Rm min MPa HV A5 KCU Jcm3
C120 890 265 8 60
VMoC120 870 265 8 68
VC06 870 230 6 68
VCW85 870 265 6 80
MoCN15 830 250 7 75
VMoCN17 870 265 7 73
VSCW20 790 235 5 78
OSC7 640 195 12 56
OSC8 640 195 10 58
67
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU Jcm3 βKCU Indicele de
performanta PC120 890 265 8 60 101450
VMoC120 870 265 8 68 100650
VC06 870 230 6 68 97400
VCW85 870 265 6 80 101750
MoCN15 830 250 7 75 96750
VMoCN17 870 265 7 73 101100
VSCW20 790 235 5 78 92400
OSC7 640 195 12 56 74950
OSC8 640 195 10 58 75050Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza peoprietatii
68
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU
Jcm3 βKCU Indicele de performanta P
C120 890 100 265 10000 8 6667 60 75 25017000
VMoC120 870 9775 265 10000 8 6667 68 85 2835015356
VC06 870 9775 230 8679 6 5000 68 85 2126563155
VCW85 870 9775 265 10000 6 5000 80 100 2501682022
MoCN15 830 9326 250 9434 7 5833 75 9375 2735970124
VMoCN17 870 9775 265 10000 7 5833 73 9125 2663140356
VSCW20 790 8876 235 8868 5 4167 78 975 2032758226
OSC7 640 7191 195 7358 12 10000 56 70 3501237545
OSC8 640 7191 195 7358 10 8333 58 725 3022070878Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza proprietatii relative
69
Material Indicele de performanta P
VSCW20 2032758226
VC06 2126563155
VCW85 2501682022
C120 25017000
VMoCN17 2663140356
MoCN15 2735970124
VMoC120 2835015356
OSC8 3022070878
OSC7 3501237545
Material Indicele de performanta P
OSC7 74950
OSC8 75050
VSCW20 92400
MoCN15 96750
VC06 97400
VMoC120 100650
VMoCN17 101100
C120 101450
VCW85 101750
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile proprietatii materialului
ordonate crescator
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile relative ale proprietatii materialului ordonate crescator
70
Luand in considerare ca unele materiale sunt aliate cu siguranta acestea sunt mai scumpe
Daca luam in considerare costul unitar pentru otelurile carbon de scule iar densitatea de 785 (corespunzatoare fierului) se obtine indicele de merit
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
OSC7 74950 1 95477707 114
OSC8 75050 1 956050955 114
VSCW20 92400 14 840764331 100
MoCN15 96750 14 880345769 105
VC06 97400 12 103397028 123
VMoC120 100650 13 986281235 117
VMoCN17 101100 14 919927207 109
C120 101450 15 861571125 102
VCW85 101750 14 925841674 110
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea proprietatii materialului
71
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
VSCW20 2032758226 14 184964352 100
VC06 2126563155 12 225749804 122
VCW85 2501682022 14 227632577 123
C120 25017000 15 212458599 115
VMoCN17 2663140356 14 242323963 131
MoCN15 2735970124 14 248950876 135
VMoC120 2835015356 13 277806502 150
OSC8 3022070878 1 384977182 208
OSC7 3501237545 1 446017522 241
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea relativa a proprietatii materialului
72
Selectati materialele potrivite pentru piesele din imagine
Randul I 1 Serie mare de fabricatie-6p Randul II Serie mica (unicat) de fabricatie-6p
Randul I 2 Criterii de selectie a materialelor-1p3 Etapele selectiei materialelor ndash 1p4 Economicitatea piesei ndash 1p5 Strategii de selectie a materialelor ndash 1p
Randul II 2 Tipuri de date utilizate la selectia materialelor-1p3 Cum se face minimalizarea costurilor-1p4 Perofmantele piesei in functionare ndash 1p5 Care sunt cerintele fata de material ndash 1p
SUBIECTE EXAMEN
73
Date privind principalele proprietati tehnologice ale unor materiale
Material
Valorile proprietatii
Aschiabilitate Turnabilitate Sudabilitate Cost
F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba $tona
Otel de constructii (OL) X X X 140
Otel carbon de calitate (OLC) X X X
260
Fonte obisnuite (Fc) X X X 160
Punctaje 60 30 10 60 30 10 60 30 10
Avand in vedere ca pretul creste odata cu rezistenta la tractiune calculati costul fiecarui material prin inmultirea costului de baza cu valoarea proprietatii si impartiti la 100
74
Materiale ce pot fi luate in considerare spre analiza
Material Rm HV A Material Rm HV A Material Rm HV A
OL30 310 95 32 OLC8 324 140 33 Fc100 100 105 2
OL32 310 93 33 OLC10 321 150 31 Fc150 150 145 3
OL34 330 105 31 OLC15 373 155 27 Fc200 200 180 4
OL37 360 112 25 OLC20 410 165 25 Fc250 250 190 4
OL42 410 130 22 OLC25 450 175 24 Fc300 300 210 5
OL44 430 135 22 OLC30 490 180 21 Fc350 350 220 6
OL50 500 160 21 OLC35 530 195 21 Fc400 400 240 6
OL52 510 160 21 OLC40 570 200 19
OL60 590 185 16 OLC45 610 220 18
OL70 690 215 11 OLC50 640 230 16
OLC55 670 240 14
OLC60 700 255 14
Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50
Proprietatea tehnilogica intra cu o pondere de 100
VA UREZ SUCCES
48
METODE CANTITATIVE DE SELECTIE A MATERIALELOR CANDIDATE
Materialele candidat sunt materialele care satisfac cerintele cuprinse in matricea de cerinte rezultate dinbull Cerintele functionalebull Siguranta in functionarebull Functionarea in conditii ambientale de exploatarebull Cerintele de prelucrabilitatebull Economicitatea piesei
Care din aceste materiale vor fi luate in considerare la realizarea piesei
Evaluarea materialelor candidat
Evaluarea presupune compararea materialelor candidat care indeplinesc cerintele negociabile cu caracteristicile efective ale materialului in vederea selectarii celui optim pentru o aplicatie data
49
Evaluarea materialelor candidat
Este mai simpla pentru metodele cantitative de evaluare
Trebuie sa tina seama de anumite avantaje (usurinta procurarii materialului distanta pana la furnizor seriozitatea furnizarii constanta in calitatea produselor etc) care pot introduce anumite limitari determinand anumite compromisuri
In cele mai multe cazuri metodele cantitative de selectie conduc la materialul optim pentru o aplicatie
Metodele cantitative pot fi reluate odata cu schimbarea importantei relative a cerintelor negociabile
ATENTIE Cerintele nenegociabile trebuie satisfacute in totalitate si intocmai
Daca niciun material nu satisfac cerintele negociabile atunci fie ca acestea trebuie relaxate fie se impune reproiectarea produsului
50
Selectia este o operatie complexa
Numar mare de materiale cu o plaja larga de proprietati
Daca se face intamplator
Apare riscul de a omite anumite materiale candidate
Reducerea riscului prin adoptarea unei metode sistematice de selectie a materialelor
Metodele cantitative
Permitbull analiza unui numar ridicat de datebull a multor specificatii implicate in selectia materialelorbull pot fi adaptate pentru o selectie asistata de calculator
dintr-o baza de date
Metodele nu elimina capacitatea de analiza si experienta ingineruluiAceste metode sprijina inginerul in alegerea optima
51
METODA COSTULUI RAPORTAT LA UNITATEA DE PROPRIETATE
Economicitatea piesei
Costul initial al materialului
Costul prelucrarii si montarii
Costul functionarii si intretinerii
Unele dintre aceste costuri cresc odata cu cresterea
valorii proprietatilor altele scad
Proprietatea (Rm)
Costul piesei
Alte costuri
Costul total
Cos
tul
Cost minim
Odata cu cresterea rezistentei- Prelucrare mai dificila- Greutatea pe piesa scade- Durabilitatea in exploatare
creste si deci numarul de piese in utilizate in timp mai mic
Costul total este suma costului piesei si a celorlalte costuri
52
Valoarea optima a proprietatii (aici Rm) apare la costul minim
In piata costul materialului este legat de greutatea sau volumul (dupa caz) materialului
Se poate stabili o comparatie a materialelor intre proprietatile relative (proprietatea raportata la
greutatea specifica) De exemplu rezistenta rigiditatea modul de elasticitate etc
Criteriul esential este costul raportat la unitatea de rezistenta la tractiune
C=pρσ
C- costul asigurarii unei rezistente de 1 MPap- costul unitatii de proprietate a materialului
ρ- densitatea materialului
σr- rezistenta la tractiune
Cu cat valoarea lui ldquoCrdquo este mai mica cu atat materialul
este mai economic
53
Relatii asemanatoare pot fi obtinute si pentru alte proprietati cum ar fi- limita la curgere- modulul de elastuicitate- factorul de intensitate a tensiunii etc
Costul unitatii de proprietate pentru diferite moduri de solicitare
54
Compararea materialelor privind aceste costuri este esentiala
Se compara materialele intre ele
Este dificilSe ia un material de referinta
Costul relativ pe unitatea de proprietate a materialului candidat ldquoirdquo raportat la costul relativ pe unitatea de proprietate a materialului de referinta ldquobrdquo este dat de relatia
Daca CR este subunitar materialul candidat este mai ieftin decat materialul de referinta
Materialul de referinta este eliminat si materialul candidat se ia ca material de referinta pentru urmatoarea comparatie
Daca CR este supra unitar materialul candidat este mai scump decat materialul de referinta
Materialul de referinta se ia ca material de comparatie pentru urmatoarea analiza
55
METODA PONDERARII PROPRIETATILOR
Este o metoda pentru rezolvarea unor solutii mai comlexe de materiale materiale si proprietati
Fiecarei proprietati a materialului i se acorda o pondere rdquoαrdquo
Ponderea este proportionala cu importanta relativa a proprietatii pentru performanta in exploatare a materialului pentru aplicatia data
Ponderea proprietatii este egala cu produsul dintre valoarea numerica a proprietatii materialului ldquoprdquo si ponderea ei ldquoαrdquo
γ=pα
Insumand toate aceste produse pentru un material se obtine un indice de performanta ldquoPrdquo al materialului
Aceasta metoda ia in considerare toate proprietatile materialului
Comparand mai multe materiale prin indicele de performanta se poate gasi cel mai performant material pentru o aplicatie
56
Dezavantajul acestei metode consta in faptul ca in cazul unei proprietati care are o valoare ridicata aceasta v-a avea o influenta mai mare asupra indicelui de performanta decat ponderea ei
Exemplu Un material A care are Rm=370 MPa si o duritate de 350 HRB si un alt material B care are Rm=400 MPa si o duritate de 300 HRBStabilind ponderea proprietatii de 100 pentru rezistenta si 90 pentru duritate se obtine un indice de performanta de 68500 pentru material ul A si 67000 pentru materialul B
Inseamna ca impotriva importantei rezistentei la tractiune (ca fiind primul criteriu de selectie) si care este mai mare pentru materialul B indicele de performanta al materialului A este mai mare si deci acest material v-a fi selectat
La evaluarea materialelor candidat se va lucra cu valori relative ldquoβrdquo ale unei anumite proprietati celei mai mari valori a proprietatii atribuindu-se valoarea 100 iar celelalte valori relative se determina cu relatia
57
Pentru proprietatile materialelor care nu se exprima in mod obisnuit prin valori numerice (rezistenta la uzare sudabilitatea aschiabilitatea diferite proprietati tehnologice etc) evaluarea se poate face relativ la una dintre proprietati astfel
Astfel fiecarei proprietati I se acorda o importanta egalasi ea va influenta indicii de performanta ai materialelor doar comparate doar in masura ponderii acordate
Pentru proprietati ale caror valori se doreste a fi cat mai mici (densitatea pierderea de greutate prin coroziune etc) evaluarea se face printr-un raport invers
ProprietateaMateriale alternative
A B C D
Sudabilitatea Foarte buna Buna Buna Satisfacatoare
Evaluarea relativa 5 3 3 1
Valoarea scalata 100 60 60 20
58
Exemplu In ceea ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru rezistenta la tractiune a materialului A este de 925 Pentru al doilea material aceasta valoare este de 100 In ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru duritate aceasta este de 100 pentru materialul A si de 857 pentru materialul B
Acest lucru poate schimba situatia ierarhica a materialelor sau le poate apropia atat de mult indicele de performanta incat sa se puna problema luari in considerare si a altor elemente pentru selectie
Astfel indicele de performanta a materialului este dat de relatia
unde P reprezinta indicele de performanta a materialuluildquoirdquo este suma celor ldquonrdquo proprietati considerate a materialul ui
59
Ponderea α poate fi considerata ca αilt1 astfel incat
(cazul cel mai frecvent) sau ei I se poate aloca o plaja de valori valoarea cea mai mare
corespunzand proprietatii cu cea mai mare importanta
Costul materialului poate fi considerat ca o proprietate (chiar importanta) acordandui-se o pondere ldquoαrdquo
In cazul luarii in considerare a unui numar mare de proprietati costul poate fi considerat un factor de corectie al indicelui de performanta a materialului rezultand indicele de merit al acestuia
in care ldquoprdquo reprezinta costul unitatii de greutate a materialului
60
Cand se doreste compararea mai multor materiale candidat (i) cu unul de baza (de referinta) se calculeaza indicele relativ de merit al fiecarui material astfel
Daca RMgt1 respectivul material candidat ldquoirdquo corespunde mai bine cerintelor decat materialul de referinta ldquobrdquoIn cazul in care Mb reprezinta minimul cerintelor impuse Materialele candidat avand RMlt1 pot fi eliminate de la inceput ca fiind necorespunzatoare
Cand trebuie luate in considerare mai multe proprietati ale materialului pentru evaluarea indicelui de performanta este dificila evaluarea ponderii acestora Rezolvarea aceste probleme poate fi realizata printr-o evaluare prin programe numerice
61
METODA CRESTERII INCREMENTALE
In anumite situatii pot aparea mai multe materiale care indeplinesc cerintele minime impuse de o anumita aplicatie
Dupa analiza acestor materiale se poate presupune ca performantele pieselor prelucrate sunt proportionale cu indicii de performanta ldquoPrdquo In acelasi timp costul piesei variaza proportional cu costul materialului si al prelucrarii acestora
Daca se doreste selectarea piesei care are cea mai mare performanta la cea mai rezonabila crestere a costului se poate face o analiza beneficiu-cost Procedeul se ia indeosebi cand se doreste inlocuirea unui material utilizat deja in fabricatie
Materialul cu cel mai scazut cost (1) se ca element de baza si este comparat cu materialul care are costul imediat superior (2) Comparatia se face determinand cresterea indicelui de performanta (ΔP=P2-P1) si a costului ldquoprdquo pe unitatea de volum (Δpρ=p2ρ2-p1ρ1)
Daca ΔPΔpρlt1 materialul 1 corespunde mai bine decat materialul 2 pentru aplicatia data si materialul 2 va fi eliminatDaca ΔPΔpρgt1 materialul 1 va fi eliminat deoarece materialul 2 corespunde mai bine cerintelor aplicatieiSe continua compararea cu al treilea material si rand pe rand vor fi eliminate materialele mai putin corespunzatoare ajungand la materialul optim
62
EXEMPLU DE SELECTIE A MATERIALELOR
Tema Realizarea piesesei din figura dintr-un otel ldquoOL37rdquo intr-o serie mare de fabricatie-Este o piesa cilindrica cu dimensiunile date-Are un butuc-Prezinta o gaura lunga si de diametre mic
oslash200oslash50
150oslash20
Se poate realiza din bara rotunda prin strunjire
Se poate realiza din bara rotunda prin forjare
80
Coeficientul de utilizare a materialului 055
Coeficientul de utilizare a materialului 098
63
Diametrul mm Inaltime mm Volum mm3 Volum mm3Coeficientul de
utilizare a materialului
Semif Pornire 200 150 4710000 4710000
Strunjire
200 80 2512000
2602275 055=5550 35 137375
20 150 47100
Forjare
200 80 25120002649375
098=9850 35 137375
20 150 47100 2602275
Coeficientul de utilizare a materialului K=greutatea piesei finitegreutatea materialului utilizat pentru realizarea lui (a semifabricatului de pornire)
In calcul s-a lucrat cu volumul materialului deoarece G=VρAdaosuriele de prelucrare s-u luat ca fiind egaleApare un mult mai bun grad de utilizare a materialului pentr prelucrarea prin forjare
PIESA SE VA REALIZA PRIN FORJARE
64
1
2
3
5
6
4
9
8
F
107F
1-semimatrita superioara2-semimatrita inferioara3-cavitatea semimatritei sup4-cavitatea semimatritei inf5-canalul de bavura6-canalul de refulare7-prinderea semimatritei sup8-prinderea semimatritei inf9-elemente de ghidare (stifturi)10-planul de separare
TEMA Sa se stabileasca materialul optim pentru realizarea elementelor active ale matrtei de forjare din figura Se urmreste obtinerea piesei prin forjare la cald
CERINTE PENTRU PROIECTARE
Analiza schiteiFunctia Elemete (semimatrite) de matrita de deformare plasticaObiectiv Trebuie maximalizata tenacitatea (rezilienta)Constrangeri Dimensiunile cavitatii matritei (depind de marimea piesei) dimensiunile exterioare si sistemul de prindere (depind de utilaj temperatura de lucruVariabile libere material
65
Se cauta in sursele de informatii structurate si nestructurate materialele care respecta cerintele
Elemente de matrita
Rezistente la cald
Tenacitate Duritate
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Materialele potrivite sunt metalele si aliajele lor
-Materialele ceramice nu au tenacitate-Materialele polimerice nu au rezistenta la cald-Materialele compozite sunt scumpe si nu au tenacitate
Depinde de compozitia lor
Se cauta materiale cu destinatie precisa Materiale pentru scule de deformare
66
Din baza de date se constata ca urmatoarele materiale satisfac
cerintele rigide adica sa poata fi utilizate la prelucrarea la cald
Sunt materiale cu destinatie precisaDaca nu sunt materiale cu destinatie
precisa se cauta in grupa materialelor cu destinatie generala
Material Rm min MPa HV A5 KCU Jcm3
C120 890 265 8 60
VMoC120 870 265 8 68
VC06 870 230 6 68
VCW85 870 265 6 80
MoCN15 830 250 7 75
VMoCN17 870 265 7 73
VSCW20 790 235 5 78
OSC7 640 195 12 56
OSC8 640 195 10 58
67
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU Jcm3 βKCU Indicele de
performanta PC120 890 265 8 60 101450
VMoC120 870 265 8 68 100650
VC06 870 230 6 68 97400
VCW85 870 265 6 80 101750
MoCN15 830 250 7 75 96750
VMoCN17 870 265 7 73 101100
VSCW20 790 235 5 78 92400
OSC7 640 195 12 56 74950
OSC8 640 195 10 58 75050Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza peoprietatii
68
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU
Jcm3 βKCU Indicele de performanta P
C120 890 100 265 10000 8 6667 60 75 25017000
VMoC120 870 9775 265 10000 8 6667 68 85 2835015356
VC06 870 9775 230 8679 6 5000 68 85 2126563155
VCW85 870 9775 265 10000 6 5000 80 100 2501682022
MoCN15 830 9326 250 9434 7 5833 75 9375 2735970124
VMoCN17 870 9775 265 10000 7 5833 73 9125 2663140356
VSCW20 790 8876 235 8868 5 4167 78 975 2032758226
OSC7 640 7191 195 7358 12 10000 56 70 3501237545
OSC8 640 7191 195 7358 10 8333 58 725 3022070878Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza proprietatii relative
69
Material Indicele de performanta P
VSCW20 2032758226
VC06 2126563155
VCW85 2501682022
C120 25017000
VMoCN17 2663140356
MoCN15 2735970124
VMoC120 2835015356
OSC8 3022070878
OSC7 3501237545
Material Indicele de performanta P
OSC7 74950
OSC8 75050
VSCW20 92400
MoCN15 96750
VC06 97400
VMoC120 100650
VMoCN17 101100
C120 101450
VCW85 101750
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile proprietatii materialului
ordonate crescator
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile relative ale proprietatii materialului ordonate crescator
70
Luand in considerare ca unele materiale sunt aliate cu siguranta acestea sunt mai scumpe
Daca luam in considerare costul unitar pentru otelurile carbon de scule iar densitatea de 785 (corespunzatoare fierului) se obtine indicele de merit
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
OSC7 74950 1 95477707 114
OSC8 75050 1 956050955 114
VSCW20 92400 14 840764331 100
MoCN15 96750 14 880345769 105
VC06 97400 12 103397028 123
VMoC120 100650 13 986281235 117
VMoCN17 101100 14 919927207 109
C120 101450 15 861571125 102
VCW85 101750 14 925841674 110
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea proprietatii materialului
71
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
VSCW20 2032758226 14 184964352 100
VC06 2126563155 12 225749804 122
VCW85 2501682022 14 227632577 123
C120 25017000 15 212458599 115
VMoCN17 2663140356 14 242323963 131
MoCN15 2735970124 14 248950876 135
VMoC120 2835015356 13 277806502 150
OSC8 3022070878 1 384977182 208
OSC7 3501237545 1 446017522 241
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea relativa a proprietatii materialului
72
Selectati materialele potrivite pentru piesele din imagine
Randul I 1 Serie mare de fabricatie-6p Randul II Serie mica (unicat) de fabricatie-6p
Randul I 2 Criterii de selectie a materialelor-1p3 Etapele selectiei materialelor ndash 1p4 Economicitatea piesei ndash 1p5 Strategii de selectie a materialelor ndash 1p
Randul II 2 Tipuri de date utilizate la selectia materialelor-1p3 Cum se face minimalizarea costurilor-1p4 Perofmantele piesei in functionare ndash 1p5 Care sunt cerintele fata de material ndash 1p
SUBIECTE EXAMEN
73
Date privind principalele proprietati tehnologice ale unor materiale
Material
Valorile proprietatii
Aschiabilitate Turnabilitate Sudabilitate Cost
F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba $tona
Otel de constructii (OL) X X X 140
Otel carbon de calitate (OLC) X X X
260
Fonte obisnuite (Fc) X X X 160
Punctaje 60 30 10 60 30 10 60 30 10
Avand in vedere ca pretul creste odata cu rezistenta la tractiune calculati costul fiecarui material prin inmultirea costului de baza cu valoarea proprietatii si impartiti la 100
74
Materiale ce pot fi luate in considerare spre analiza
Material Rm HV A Material Rm HV A Material Rm HV A
OL30 310 95 32 OLC8 324 140 33 Fc100 100 105 2
OL32 310 93 33 OLC10 321 150 31 Fc150 150 145 3
OL34 330 105 31 OLC15 373 155 27 Fc200 200 180 4
OL37 360 112 25 OLC20 410 165 25 Fc250 250 190 4
OL42 410 130 22 OLC25 450 175 24 Fc300 300 210 5
OL44 430 135 22 OLC30 490 180 21 Fc350 350 220 6
OL50 500 160 21 OLC35 530 195 21 Fc400 400 240 6
OL52 510 160 21 OLC40 570 200 19
OL60 590 185 16 OLC45 610 220 18
OL70 690 215 11 OLC50 640 230 16
OLC55 670 240 14
OLC60 700 255 14
Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50
Proprietatea tehnilogica intra cu o pondere de 100
VA UREZ SUCCES
49
Evaluarea materialelor candidat
Este mai simpla pentru metodele cantitative de evaluare
Trebuie sa tina seama de anumite avantaje (usurinta procurarii materialului distanta pana la furnizor seriozitatea furnizarii constanta in calitatea produselor etc) care pot introduce anumite limitari determinand anumite compromisuri
In cele mai multe cazuri metodele cantitative de selectie conduc la materialul optim pentru o aplicatie
Metodele cantitative pot fi reluate odata cu schimbarea importantei relative a cerintelor negociabile
ATENTIE Cerintele nenegociabile trebuie satisfacute in totalitate si intocmai
Daca niciun material nu satisfac cerintele negociabile atunci fie ca acestea trebuie relaxate fie se impune reproiectarea produsului
50
Selectia este o operatie complexa
Numar mare de materiale cu o plaja larga de proprietati
Daca se face intamplator
Apare riscul de a omite anumite materiale candidate
Reducerea riscului prin adoptarea unei metode sistematice de selectie a materialelor
Metodele cantitative
Permitbull analiza unui numar ridicat de datebull a multor specificatii implicate in selectia materialelorbull pot fi adaptate pentru o selectie asistata de calculator
dintr-o baza de date
Metodele nu elimina capacitatea de analiza si experienta ingineruluiAceste metode sprijina inginerul in alegerea optima
51
METODA COSTULUI RAPORTAT LA UNITATEA DE PROPRIETATE
Economicitatea piesei
Costul initial al materialului
Costul prelucrarii si montarii
Costul functionarii si intretinerii
Unele dintre aceste costuri cresc odata cu cresterea
valorii proprietatilor altele scad
Proprietatea (Rm)
Costul piesei
Alte costuri
Costul total
Cos
tul
Cost minim
Odata cu cresterea rezistentei- Prelucrare mai dificila- Greutatea pe piesa scade- Durabilitatea in exploatare
creste si deci numarul de piese in utilizate in timp mai mic
Costul total este suma costului piesei si a celorlalte costuri
52
Valoarea optima a proprietatii (aici Rm) apare la costul minim
In piata costul materialului este legat de greutatea sau volumul (dupa caz) materialului
Se poate stabili o comparatie a materialelor intre proprietatile relative (proprietatea raportata la
greutatea specifica) De exemplu rezistenta rigiditatea modul de elasticitate etc
Criteriul esential este costul raportat la unitatea de rezistenta la tractiune
C=pρσ
C- costul asigurarii unei rezistente de 1 MPap- costul unitatii de proprietate a materialului
ρ- densitatea materialului
σr- rezistenta la tractiune
Cu cat valoarea lui ldquoCrdquo este mai mica cu atat materialul
este mai economic
53
Relatii asemanatoare pot fi obtinute si pentru alte proprietati cum ar fi- limita la curgere- modulul de elastuicitate- factorul de intensitate a tensiunii etc
Costul unitatii de proprietate pentru diferite moduri de solicitare
54
Compararea materialelor privind aceste costuri este esentiala
Se compara materialele intre ele
Este dificilSe ia un material de referinta
Costul relativ pe unitatea de proprietate a materialului candidat ldquoirdquo raportat la costul relativ pe unitatea de proprietate a materialului de referinta ldquobrdquo este dat de relatia
Daca CR este subunitar materialul candidat este mai ieftin decat materialul de referinta
Materialul de referinta este eliminat si materialul candidat se ia ca material de referinta pentru urmatoarea comparatie
Daca CR este supra unitar materialul candidat este mai scump decat materialul de referinta
Materialul de referinta se ia ca material de comparatie pentru urmatoarea analiza
55
METODA PONDERARII PROPRIETATILOR
Este o metoda pentru rezolvarea unor solutii mai comlexe de materiale materiale si proprietati
Fiecarei proprietati a materialului i se acorda o pondere rdquoαrdquo
Ponderea este proportionala cu importanta relativa a proprietatii pentru performanta in exploatare a materialului pentru aplicatia data
Ponderea proprietatii este egala cu produsul dintre valoarea numerica a proprietatii materialului ldquoprdquo si ponderea ei ldquoαrdquo
γ=pα
Insumand toate aceste produse pentru un material se obtine un indice de performanta ldquoPrdquo al materialului
Aceasta metoda ia in considerare toate proprietatile materialului
Comparand mai multe materiale prin indicele de performanta se poate gasi cel mai performant material pentru o aplicatie
56
Dezavantajul acestei metode consta in faptul ca in cazul unei proprietati care are o valoare ridicata aceasta v-a avea o influenta mai mare asupra indicelui de performanta decat ponderea ei
Exemplu Un material A care are Rm=370 MPa si o duritate de 350 HRB si un alt material B care are Rm=400 MPa si o duritate de 300 HRBStabilind ponderea proprietatii de 100 pentru rezistenta si 90 pentru duritate se obtine un indice de performanta de 68500 pentru material ul A si 67000 pentru materialul B
Inseamna ca impotriva importantei rezistentei la tractiune (ca fiind primul criteriu de selectie) si care este mai mare pentru materialul B indicele de performanta al materialului A este mai mare si deci acest material v-a fi selectat
La evaluarea materialelor candidat se va lucra cu valori relative ldquoβrdquo ale unei anumite proprietati celei mai mari valori a proprietatii atribuindu-se valoarea 100 iar celelalte valori relative se determina cu relatia
57
Pentru proprietatile materialelor care nu se exprima in mod obisnuit prin valori numerice (rezistenta la uzare sudabilitatea aschiabilitatea diferite proprietati tehnologice etc) evaluarea se poate face relativ la una dintre proprietati astfel
Astfel fiecarei proprietati I se acorda o importanta egalasi ea va influenta indicii de performanta ai materialelor doar comparate doar in masura ponderii acordate
Pentru proprietati ale caror valori se doreste a fi cat mai mici (densitatea pierderea de greutate prin coroziune etc) evaluarea se face printr-un raport invers
ProprietateaMateriale alternative
A B C D
Sudabilitatea Foarte buna Buna Buna Satisfacatoare
Evaluarea relativa 5 3 3 1
Valoarea scalata 100 60 60 20
58
Exemplu In ceea ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru rezistenta la tractiune a materialului A este de 925 Pentru al doilea material aceasta valoare este de 100 In ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru duritate aceasta este de 100 pentru materialul A si de 857 pentru materialul B
Acest lucru poate schimba situatia ierarhica a materialelor sau le poate apropia atat de mult indicele de performanta incat sa se puna problema luari in considerare si a altor elemente pentru selectie
Astfel indicele de performanta a materialului este dat de relatia
unde P reprezinta indicele de performanta a materialuluildquoirdquo este suma celor ldquonrdquo proprietati considerate a materialul ui
59
Ponderea α poate fi considerata ca αilt1 astfel incat
(cazul cel mai frecvent) sau ei I se poate aloca o plaja de valori valoarea cea mai mare
corespunzand proprietatii cu cea mai mare importanta
Costul materialului poate fi considerat ca o proprietate (chiar importanta) acordandui-se o pondere ldquoαrdquo
In cazul luarii in considerare a unui numar mare de proprietati costul poate fi considerat un factor de corectie al indicelui de performanta a materialului rezultand indicele de merit al acestuia
in care ldquoprdquo reprezinta costul unitatii de greutate a materialului
60
Cand se doreste compararea mai multor materiale candidat (i) cu unul de baza (de referinta) se calculeaza indicele relativ de merit al fiecarui material astfel
Daca RMgt1 respectivul material candidat ldquoirdquo corespunde mai bine cerintelor decat materialul de referinta ldquobrdquoIn cazul in care Mb reprezinta minimul cerintelor impuse Materialele candidat avand RMlt1 pot fi eliminate de la inceput ca fiind necorespunzatoare
Cand trebuie luate in considerare mai multe proprietati ale materialului pentru evaluarea indicelui de performanta este dificila evaluarea ponderii acestora Rezolvarea aceste probleme poate fi realizata printr-o evaluare prin programe numerice
61
METODA CRESTERII INCREMENTALE
In anumite situatii pot aparea mai multe materiale care indeplinesc cerintele minime impuse de o anumita aplicatie
Dupa analiza acestor materiale se poate presupune ca performantele pieselor prelucrate sunt proportionale cu indicii de performanta ldquoPrdquo In acelasi timp costul piesei variaza proportional cu costul materialului si al prelucrarii acestora
Daca se doreste selectarea piesei care are cea mai mare performanta la cea mai rezonabila crestere a costului se poate face o analiza beneficiu-cost Procedeul se ia indeosebi cand se doreste inlocuirea unui material utilizat deja in fabricatie
Materialul cu cel mai scazut cost (1) se ca element de baza si este comparat cu materialul care are costul imediat superior (2) Comparatia se face determinand cresterea indicelui de performanta (ΔP=P2-P1) si a costului ldquoprdquo pe unitatea de volum (Δpρ=p2ρ2-p1ρ1)
Daca ΔPΔpρlt1 materialul 1 corespunde mai bine decat materialul 2 pentru aplicatia data si materialul 2 va fi eliminatDaca ΔPΔpρgt1 materialul 1 va fi eliminat deoarece materialul 2 corespunde mai bine cerintelor aplicatieiSe continua compararea cu al treilea material si rand pe rand vor fi eliminate materialele mai putin corespunzatoare ajungand la materialul optim
62
EXEMPLU DE SELECTIE A MATERIALELOR
Tema Realizarea piesesei din figura dintr-un otel ldquoOL37rdquo intr-o serie mare de fabricatie-Este o piesa cilindrica cu dimensiunile date-Are un butuc-Prezinta o gaura lunga si de diametre mic
oslash200oslash50
150oslash20
Se poate realiza din bara rotunda prin strunjire
Se poate realiza din bara rotunda prin forjare
80
Coeficientul de utilizare a materialului 055
Coeficientul de utilizare a materialului 098
63
Diametrul mm Inaltime mm Volum mm3 Volum mm3Coeficientul de
utilizare a materialului
Semif Pornire 200 150 4710000 4710000
Strunjire
200 80 2512000
2602275 055=5550 35 137375
20 150 47100
Forjare
200 80 25120002649375
098=9850 35 137375
20 150 47100 2602275
Coeficientul de utilizare a materialului K=greutatea piesei finitegreutatea materialului utilizat pentru realizarea lui (a semifabricatului de pornire)
In calcul s-a lucrat cu volumul materialului deoarece G=VρAdaosuriele de prelucrare s-u luat ca fiind egaleApare un mult mai bun grad de utilizare a materialului pentr prelucrarea prin forjare
PIESA SE VA REALIZA PRIN FORJARE
64
1
2
3
5
6
4
9
8
F
107F
1-semimatrita superioara2-semimatrita inferioara3-cavitatea semimatritei sup4-cavitatea semimatritei inf5-canalul de bavura6-canalul de refulare7-prinderea semimatritei sup8-prinderea semimatritei inf9-elemente de ghidare (stifturi)10-planul de separare
TEMA Sa se stabileasca materialul optim pentru realizarea elementelor active ale matrtei de forjare din figura Se urmreste obtinerea piesei prin forjare la cald
CERINTE PENTRU PROIECTARE
Analiza schiteiFunctia Elemete (semimatrite) de matrita de deformare plasticaObiectiv Trebuie maximalizata tenacitatea (rezilienta)Constrangeri Dimensiunile cavitatii matritei (depind de marimea piesei) dimensiunile exterioare si sistemul de prindere (depind de utilaj temperatura de lucruVariabile libere material
65
Se cauta in sursele de informatii structurate si nestructurate materialele care respecta cerintele
Elemente de matrita
Rezistente la cald
Tenacitate Duritate
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Materialele potrivite sunt metalele si aliajele lor
-Materialele ceramice nu au tenacitate-Materialele polimerice nu au rezistenta la cald-Materialele compozite sunt scumpe si nu au tenacitate
Depinde de compozitia lor
Se cauta materiale cu destinatie precisa Materiale pentru scule de deformare
66
Din baza de date se constata ca urmatoarele materiale satisfac
cerintele rigide adica sa poata fi utilizate la prelucrarea la cald
Sunt materiale cu destinatie precisaDaca nu sunt materiale cu destinatie
precisa se cauta in grupa materialelor cu destinatie generala
Material Rm min MPa HV A5 KCU Jcm3
C120 890 265 8 60
VMoC120 870 265 8 68
VC06 870 230 6 68
VCW85 870 265 6 80
MoCN15 830 250 7 75
VMoCN17 870 265 7 73
VSCW20 790 235 5 78
OSC7 640 195 12 56
OSC8 640 195 10 58
67
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU Jcm3 βKCU Indicele de
performanta PC120 890 265 8 60 101450
VMoC120 870 265 8 68 100650
VC06 870 230 6 68 97400
VCW85 870 265 6 80 101750
MoCN15 830 250 7 75 96750
VMoCN17 870 265 7 73 101100
VSCW20 790 235 5 78 92400
OSC7 640 195 12 56 74950
OSC8 640 195 10 58 75050Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza peoprietatii
68
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU
Jcm3 βKCU Indicele de performanta P
C120 890 100 265 10000 8 6667 60 75 25017000
VMoC120 870 9775 265 10000 8 6667 68 85 2835015356
VC06 870 9775 230 8679 6 5000 68 85 2126563155
VCW85 870 9775 265 10000 6 5000 80 100 2501682022
MoCN15 830 9326 250 9434 7 5833 75 9375 2735970124
VMoCN17 870 9775 265 10000 7 5833 73 9125 2663140356
VSCW20 790 8876 235 8868 5 4167 78 975 2032758226
OSC7 640 7191 195 7358 12 10000 56 70 3501237545
OSC8 640 7191 195 7358 10 8333 58 725 3022070878Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza proprietatii relative
69
Material Indicele de performanta P
VSCW20 2032758226
VC06 2126563155
VCW85 2501682022
C120 25017000
VMoCN17 2663140356
MoCN15 2735970124
VMoC120 2835015356
OSC8 3022070878
OSC7 3501237545
Material Indicele de performanta P
OSC7 74950
OSC8 75050
VSCW20 92400
MoCN15 96750
VC06 97400
VMoC120 100650
VMoCN17 101100
C120 101450
VCW85 101750
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile proprietatii materialului
ordonate crescator
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile relative ale proprietatii materialului ordonate crescator
70
Luand in considerare ca unele materiale sunt aliate cu siguranta acestea sunt mai scumpe
Daca luam in considerare costul unitar pentru otelurile carbon de scule iar densitatea de 785 (corespunzatoare fierului) se obtine indicele de merit
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
OSC7 74950 1 95477707 114
OSC8 75050 1 956050955 114
VSCW20 92400 14 840764331 100
MoCN15 96750 14 880345769 105
VC06 97400 12 103397028 123
VMoC120 100650 13 986281235 117
VMoCN17 101100 14 919927207 109
C120 101450 15 861571125 102
VCW85 101750 14 925841674 110
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea proprietatii materialului
71
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
VSCW20 2032758226 14 184964352 100
VC06 2126563155 12 225749804 122
VCW85 2501682022 14 227632577 123
C120 25017000 15 212458599 115
VMoCN17 2663140356 14 242323963 131
MoCN15 2735970124 14 248950876 135
VMoC120 2835015356 13 277806502 150
OSC8 3022070878 1 384977182 208
OSC7 3501237545 1 446017522 241
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea relativa a proprietatii materialului
72
Selectati materialele potrivite pentru piesele din imagine
Randul I 1 Serie mare de fabricatie-6p Randul II Serie mica (unicat) de fabricatie-6p
Randul I 2 Criterii de selectie a materialelor-1p3 Etapele selectiei materialelor ndash 1p4 Economicitatea piesei ndash 1p5 Strategii de selectie a materialelor ndash 1p
Randul II 2 Tipuri de date utilizate la selectia materialelor-1p3 Cum se face minimalizarea costurilor-1p4 Perofmantele piesei in functionare ndash 1p5 Care sunt cerintele fata de material ndash 1p
SUBIECTE EXAMEN
73
Date privind principalele proprietati tehnologice ale unor materiale
Material
Valorile proprietatii
Aschiabilitate Turnabilitate Sudabilitate Cost
F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba $tona
Otel de constructii (OL) X X X 140
Otel carbon de calitate (OLC) X X X
260
Fonte obisnuite (Fc) X X X 160
Punctaje 60 30 10 60 30 10 60 30 10
Avand in vedere ca pretul creste odata cu rezistenta la tractiune calculati costul fiecarui material prin inmultirea costului de baza cu valoarea proprietatii si impartiti la 100
74
Materiale ce pot fi luate in considerare spre analiza
Material Rm HV A Material Rm HV A Material Rm HV A
OL30 310 95 32 OLC8 324 140 33 Fc100 100 105 2
OL32 310 93 33 OLC10 321 150 31 Fc150 150 145 3
OL34 330 105 31 OLC15 373 155 27 Fc200 200 180 4
OL37 360 112 25 OLC20 410 165 25 Fc250 250 190 4
OL42 410 130 22 OLC25 450 175 24 Fc300 300 210 5
OL44 430 135 22 OLC30 490 180 21 Fc350 350 220 6
OL50 500 160 21 OLC35 530 195 21 Fc400 400 240 6
OL52 510 160 21 OLC40 570 200 19
OL60 590 185 16 OLC45 610 220 18
OL70 690 215 11 OLC50 640 230 16
OLC55 670 240 14
OLC60 700 255 14
Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50
Proprietatea tehnilogica intra cu o pondere de 100
VA UREZ SUCCES
50
Selectia este o operatie complexa
Numar mare de materiale cu o plaja larga de proprietati
Daca se face intamplator
Apare riscul de a omite anumite materiale candidate
Reducerea riscului prin adoptarea unei metode sistematice de selectie a materialelor
Metodele cantitative
Permitbull analiza unui numar ridicat de datebull a multor specificatii implicate in selectia materialelorbull pot fi adaptate pentru o selectie asistata de calculator
dintr-o baza de date
Metodele nu elimina capacitatea de analiza si experienta ingineruluiAceste metode sprijina inginerul in alegerea optima
51
METODA COSTULUI RAPORTAT LA UNITATEA DE PROPRIETATE
Economicitatea piesei
Costul initial al materialului
Costul prelucrarii si montarii
Costul functionarii si intretinerii
Unele dintre aceste costuri cresc odata cu cresterea
valorii proprietatilor altele scad
Proprietatea (Rm)
Costul piesei
Alte costuri
Costul total
Cos
tul
Cost minim
Odata cu cresterea rezistentei- Prelucrare mai dificila- Greutatea pe piesa scade- Durabilitatea in exploatare
creste si deci numarul de piese in utilizate in timp mai mic
Costul total este suma costului piesei si a celorlalte costuri
52
Valoarea optima a proprietatii (aici Rm) apare la costul minim
In piata costul materialului este legat de greutatea sau volumul (dupa caz) materialului
Se poate stabili o comparatie a materialelor intre proprietatile relative (proprietatea raportata la
greutatea specifica) De exemplu rezistenta rigiditatea modul de elasticitate etc
Criteriul esential este costul raportat la unitatea de rezistenta la tractiune
C=pρσ
C- costul asigurarii unei rezistente de 1 MPap- costul unitatii de proprietate a materialului
ρ- densitatea materialului
σr- rezistenta la tractiune
Cu cat valoarea lui ldquoCrdquo este mai mica cu atat materialul
este mai economic
53
Relatii asemanatoare pot fi obtinute si pentru alte proprietati cum ar fi- limita la curgere- modulul de elastuicitate- factorul de intensitate a tensiunii etc
Costul unitatii de proprietate pentru diferite moduri de solicitare
54
Compararea materialelor privind aceste costuri este esentiala
Se compara materialele intre ele
Este dificilSe ia un material de referinta
Costul relativ pe unitatea de proprietate a materialului candidat ldquoirdquo raportat la costul relativ pe unitatea de proprietate a materialului de referinta ldquobrdquo este dat de relatia
Daca CR este subunitar materialul candidat este mai ieftin decat materialul de referinta
Materialul de referinta este eliminat si materialul candidat se ia ca material de referinta pentru urmatoarea comparatie
Daca CR este supra unitar materialul candidat este mai scump decat materialul de referinta
Materialul de referinta se ia ca material de comparatie pentru urmatoarea analiza
55
METODA PONDERARII PROPRIETATILOR
Este o metoda pentru rezolvarea unor solutii mai comlexe de materiale materiale si proprietati
Fiecarei proprietati a materialului i se acorda o pondere rdquoαrdquo
Ponderea este proportionala cu importanta relativa a proprietatii pentru performanta in exploatare a materialului pentru aplicatia data
Ponderea proprietatii este egala cu produsul dintre valoarea numerica a proprietatii materialului ldquoprdquo si ponderea ei ldquoαrdquo
γ=pα
Insumand toate aceste produse pentru un material se obtine un indice de performanta ldquoPrdquo al materialului
Aceasta metoda ia in considerare toate proprietatile materialului
Comparand mai multe materiale prin indicele de performanta se poate gasi cel mai performant material pentru o aplicatie
56
Dezavantajul acestei metode consta in faptul ca in cazul unei proprietati care are o valoare ridicata aceasta v-a avea o influenta mai mare asupra indicelui de performanta decat ponderea ei
Exemplu Un material A care are Rm=370 MPa si o duritate de 350 HRB si un alt material B care are Rm=400 MPa si o duritate de 300 HRBStabilind ponderea proprietatii de 100 pentru rezistenta si 90 pentru duritate se obtine un indice de performanta de 68500 pentru material ul A si 67000 pentru materialul B
Inseamna ca impotriva importantei rezistentei la tractiune (ca fiind primul criteriu de selectie) si care este mai mare pentru materialul B indicele de performanta al materialului A este mai mare si deci acest material v-a fi selectat
La evaluarea materialelor candidat se va lucra cu valori relative ldquoβrdquo ale unei anumite proprietati celei mai mari valori a proprietatii atribuindu-se valoarea 100 iar celelalte valori relative se determina cu relatia
57
Pentru proprietatile materialelor care nu se exprima in mod obisnuit prin valori numerice (rezistenta la uzare sudabilitatea aschiabilitatea diferite proprietati tehnologice etc) evaluarea se poate face relativ la una dintre proprietati astfel
Astfel fiecarei proprietati I se acorda o importanta egalasi ea va influenta indicii de performanta ai materialelor doar comparate doar in masura ponderii acordate
Pentru proprietati ale caror valori se doreste a fi cat mai mici (densitatea pierderea de greutate prin coroziune etc) evaluarea se face printr-un raport invers
ProprietateaMateriale alternative
A B C D
Sudabilitatea Foarte buna Buna Buna Satisfacatoare
Evaluarea relativa 5 3 3 1
Valoarea scalata 100 60 60 20
58
Exemplu In ceea ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru rezistenta la tractiune a materialului A este de 925 Pentru al doilea material aceasta valoare este de 100 In ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru duritate aceasta este de 100 pentru materialul A si de 857 pentru materialul B
Acest lucru poate schimba situatia ierarhica a materialelor sau le poate apropia atat de mult indicele de performanta incat sa se puna problema luari in considerare si a altor elemente pentru selectie
Astfel indicele de performanta a materialului este dat de relatia
unde P reprezinta indicele de performanta a materialuluildquoirdquo este suma celor ldquonrdquo proprietati considerate a materialul ui
59
Ponderea α poate fi considerata ca αilt1 astfel incat
(cazul cel mai frecvent) sau ei I se poate aloca o plaja de valori valoarea cea mai mare
corespunzand proprietatii cu cea mai mare importanta
Costul materialului poate fi considerat ca o proprietate (chiar importanta) acordandui-se o pondere ldquoαrdquo
In cazul luarii in considerare a unui numar mare de proprietati costul poate fi considerat un factor de corectie al indicelui de performanta a materialului rezultand indicele de merit al acestuia
in care ldquoprdquo reprezinta costul unitatii de greutate a materialului
60
Cand se doreste compararea mai multor materiale candidat (i) cu unul de baza (de referinta) se calculeaza indicele relativ de merit al fiecarui material astfel
Daca RMgt1 respectivul material candidat ldquoirdquo corespunde mai bine cerintelor decat materialul de referinta ldquobrdquoIn cazul in care Mb reprezinta minimul cerintelor impuse Materialele candidat avand RMlt1 pot fi eliminate de la inceput ca fiind necorespunzatoare
Cand trebuie luate in considerare mai multe proprietati ale materialului pentru evaluarea indicelui de performanta este dificila evaluarea ponderii acestora Rezolvarea aceste probleme poate fi realizata printr-o evaluare prin programe numerice
61
METODA CRESTERII INCREMENTALE
In anumite situatii pot aparea mai multe materiale care indeplinesc cerintele minime impuse de o anumita aplicatie
Dupa analiza acestor materiale se poate presupune ca performantele pieselor prelucrate sunt proportionale cu indicii de performanta ldquoPrdquo In acelasi timp costul piesei variaza proportional cu costul materialului si al prelucrarii acestora
Daca se doreste selectarea piesei care are cea mai mare performanta la cea mai rezonabila crestere a costului se poate face o analiza beneficiu-cost Procedeul se ia indeosebi cand se doreste inlocuirea unui material utilizat deja in fabricatie
Materialul cu cel mai scazut cost (1) se ca element de baza si este comparat cu materialul care are costul imediat superior (2) Comparatia se face determinand cresterea indicelui de performanta (ΔP=P2-P1) si a costului ldquoprdquo pe unitatea de volum (Δpρ=p2ρ2-p1ρ1)
Daca ΔPΔpρlt1 materialul 1 corespunde mai bine decat materialul 2 pentru aplicatia data si materialul 2 va fi eliminatDaca ΔPΔpρgt1 materialul 1 va fi eliminat deoarece materialul 2 corespunde mai bine cerintelor aplicatieiSe continua compararea cu al treilea material si rand pe rand vor fi eliminate materialele mai putin corespunzatoare ajungand la materialul optim
62
EXEMPLU DE SELECTIE A MATERIALELOR
Tema Realizarea piesesei din figura dintr-un otel ldquoOL37rdquo intr-o serie mare de fabricatie-Este o piesa cilindrica cu dimensiunile date-Are un butuc-Prezinta o gaura lunga si de diametre mic
oslash200oslash50
150oslash20
Se poate realiza din bara rotunda prin strunjire
Se poate realiza din bara rotunda prin forjare
80
Coeficientul de utilizare a materialului 055
Coeficientul de utilizare a materialului 098
63
Diametrul mm Inaltime mm Volum mm3 Volum mm3Coeficientul de
utilizare a materialului
Semif Pornire 200 150 4710000 4710000
Strunjire
200 80 2512000
2602275 055=5550 35 137375
20 150 47100
Forjare
200 80 25120002649375
098=9850 35 137375
20 150 47100 2602275
Coeficientul de utilizare a materialului K=greutatea piesei finitegreutatea materialului utilizat pentru realizarea lui (a semifabricatului de pornire)
In calcul s-a lucrat cu volumul materialului deoarece G=VρAdaosuriele de prelucrare s-u luat ca fiind egaleApare un mult mai bun grad de utilizare a materialului pentr prelucrarea prin forjare
PIESA SE VA REALIZA PRIN FORJARE
64
1
2
3
5
6
4
9
8
F
107F
1-semimatrita superioara2-semimatrita inferioara3-cavitatea semimatritei sup4-cavitatea semimatritei inf5-canalul de bavura6-canalul de refulare7-prinderea semimatritei sup8-prinderea semimatritei inf9-elemente de ghidare (stifturi)10-planul de separare
TEMA Sa se stabileasca materialul optim pentru realizarea elementelor active ale matrtei de forjare din figura Se urmreste obtinerea piesei prin forjare la cald
CERINTE PENTRU PROIECTARE
Analiza schiteiFunctia Elemete (semimatrite) de matrita de deformare plasticaObiectiv Trebuie maximalizata tenacitatea (rezilienta)Constrangeri Dimensiunile cavitatii matritei (depind de marimea piesei) dimensiunile exterioare si sistemul de prindere (depind de utilaj temperatura de lucruVariabile libere material
65
Se cauta in sursele de informatii structurate si nestructurate materialele care respecta cerintele
Elemente de matrita
Rezistente la cald
Tenacitate Duritate
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Materialele potrivite sunt metalele si aliajele lor
-Materialele ceramice nu au tenacitate-Materialele polimerice nu au rezistenta la cald-Materialele compozite sunt scumpe si nu au tenacitate
Depinde de compozitia lor
Se cauta materiale cu destinatie precisa Materiale pentru scule de deformare
66
Din baza de date se constata ca urmatoarele materiale satisfac
cerintele rigide adica sa poata fi utilizate la prelucrarea la cald
Sunt materiale cu destinatie precisaDaca nu sunt materiale cu destinatie
precisa se cauta in grupa materialelor cu destinatie generala
Material Rm min MPa HV A5 KCU Jcm3
C120 890 265 8 60
VMoC120 870 265 8 68
VC06 870 230 6 68
VCW85 870 265 6 80
MoCN15 830 250 7 75
VMoCN17 870 265 7 73
VSCW20 790 235 5 78
OSC7 640 195 12 56
OSC8 640 195 10 58
67
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU Jcm3 βKCU Indicele de
performanta PC120 890 265 8 60 101450
VMoC120 870 265 8 68 100650
VC06 870 230 6 68 97400
VCW85 870 265 6 80 101750
MoCN15 830 250 7 75 96750
VMoCN17 870 265 7 73 101100
VSCW20 790 235 5 78 92400
OSC7 640 195 12 56 74950
OSC8 640 195 10 58 75050Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza peoprietatii
68
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU
Jcm3 βKCU Indicele de performanta P
C120 890 100 265 10000 8 6667 60 75 25017000
VMoC120 870 9775 265 10000 8 6667 68 85 2835015356
VC06 870 9775 230 8679 6 5000 68 85 2126563155
VCW85 870 9775 265 10000 6 5000 80 100 2501682022
MoCN15 830 9326 250 9434 7 5833 75 9375 2735970124
VMoCN17 870 9775 265 10000 7 5833 73 9125 2663140356
VSCW20 790 8876 235 8868 5 4167 78 975 2032758226
OSC7 640 7191 195 7358 12 10000 56 70 3501237545
OSC8 640 7191 195 7358 10 8333 58 725 3022070878Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza proprietatii relative
69
Material Indicele de performanta P
VSCW20 2032758226
VC06 2126563155
VCW85 2501682022
C120 25017000
VMoCN17 2663140356
MoCN15 2735970124
VMoC120 2835015356
OSC8 3022070878
OSC7 3501237545
Material Indicele de performanta P
OSC7 74950
OSC8 75050
VSCW20 92400
MoCN15 96750
VC06 97400
VMoC120 100650
VMoCN17 101100
C120 101450
VCW85 101750
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile proprietatii materialului
ordonate crescator
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile relative ale proprietatii materialului ordonate crescator
70
Luand in considerare ca unele materiale sunt aliate cu siguranta acestea sunt mai scumpe
Daca luam in considerare costul unitar pentru otelurile carbon de scule iar densitatea de 785 (corespunzatoare fierului) se obtine indicele de merit
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
OSC7 74950 1 95477707 114
OSC8 75050 1 956050955 114
VSCW20 92400 14 840764331 100
MoCN15 96750 14 880345769 105
VC06 97400 12 103397028 123
VMoC120 100650 13 986281235 117
VMoCN17 101100 14 919927207 109
C120 101450 15 861571125 102
VCW85 101750 14 925841674 110
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea proprietatii materialului
71
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
VSCW20 2032758226 14 184964352 100
VC06 2126563155 12 225749804 122
VCW85 2501682022 14 227632577 123
C120 25017000 15 212458599 115
VMoCN17 2663140356 14 242323963 131
MoCN15 2735970124 14 248950876 135
VMoC120 2835015356 13 277806502 150
OSC8 3022070878 1 384977182 208
OSC7 3501237545 1 446017522 241
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea relativa a proprietatii materialului
72
Selectati materialele potrivite pentru piesele din imagine
Randul I 1 Serie mare de fabricatie-6p Randul II Serie mica (unicat) de fabricatie-6p
Randul I 2 Criterii de selectie a materialelor-1p3 Etapele selectiei materialelor ndash 1p4 Economicitatea piesei ndash 1p5 Strategii de selectie a materialelor ndash 1p
Randul II 2 Tipuri de date utilizate la selectia materialelor-1p3 Cum se face minimalizarea costurilor-1p4 Perofmantele piesei in functionare ndash 1p5 Care sunt cerintele fata de material ndash 1p
SUBIECTE EXAMEN
73
Date privind principalele proprietati tehnologice ale unor materiale
Material
Valorile proprietatii
Aschiabilitate Turnabilitate Sudabilitate Cost
F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba $tona
Otel de constructii (OL) X X X 140
Otel carbon de calitate (OLC) X X X
260
Fonte obisnuite (Fc) X X X 160
Punctaje 60 30 10 60 30 10 60 30 10
Avand in vedere ca pretul creste odata cu rezistenta la tractiune calculati costul fiecarui material prin inmultirea costului de baza cu valoarea proprietatii si impartiti la 100
74
Materiale ce pot fi luate in considerare spre analiza
Material Rm HV A Material Rm HV A Material Rm HV A
OL30 310 95 32 OLC8 324 140 33 Fc100 100 105 2
OL32 310 93 33 OLC10 321 150 31 Fc150 150 145 3
OL34 330 105 31 OLC15 373 155 27 Fc200 200 180 4
OL37 360 112 25 OLC20 410 165 25 Fc250 250 190 4
OL42 410 130 22 OLC25 450 175 24 Fc300 300 210 5
OL44 430 135 22 OLC30 490 180 21 Fc350 350 220 6
OL50 500 160 21 OLC35 530 195 21 Fc400 400 240 6
OL52 510 160 21 OLC40 570 200 19
OL60 590 185 16 OLC45 610 220 18
OL70 690 215 11 OLC50 640 230 16
OLC55 670 240 14
OLC60 700 255 14
Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50
Proprietatea tehnilogica intra cu o pondere de 100
VA UREZ SUCCES
51
METODA COSTULUI RAPORTAT LA UNITATEA DE PROPRIETATE
Economicitatea piesei
Costul initial al materialului
Costul prelucrarii si montarii
Costul functionarii si intretinerii
Unele dintre aceste costuri cresc odata cu cresterea
valorii proprietatilor altele scad
Proprietatea (Rm)
Costul piesei
Alte costuri
Costul total
Cos
tul
Cost minim
Odata cu cresterea rezistentei- Prelucrare mai dificila- Greutatea pe piesa scade- Durabilitatea in exploatare
creste si deci numarul de piese in utilizate in timp mai mic
Costul total este suma costului piesei si a celorlalte costuri
52
Valoarea optima a proprietatii (aici Rm) apare la costul minim
In piata costul materialului este legat de greutatea sau volumul (dupa caz) materialului
Se poate stabili o comparatie a materialelor intre proprietatile relative (proprietatea raportata la
greutatea specifica) De exemplu rezistenta rigiditatea modul de elasticitate etc
Criteriul esential este costul raportat la unitatea de rezistenta la tractiune
C=pρσ
C- costul asigurarii unei rezistente de 1 MPap- costul unitatii de proprietate a materialului
ρ- densitatea materialului
σr- rezistenta la tractiune
Cu cat valoarea lui ldquoCrdquo este mai mica cu atat materialul
este mai economic
53
Relatii asemanatoare pot fi obtinute si pentru alte proprietati cum ar fi- limita la curgere- modulul de elastuicitate- factorul de intensitate a tensiunii etc
Costul unitatii de proprietate pentru diferite moduri de solicitare
54
Compararea materialelor privind aceste costuri este esentiala
Se compara materialele intre ele
Este dificilSe ia un material de referinta
Costul relativ pe unitatea de proprietate a materialului candidat ldquoirdquo raportat la costul relativ pe unitatea de proprietate a materialului de referinta ldquobrdquo este dat de relatia
Daca CR este subunitar materialul candidat este mai ieftin decat materialul de referinta
Materialul de referinta este eliminat si materialul candidat se ia ca material de referinta pentru urmatoarea comparatie
Daca CR este supra unitar materialul candidat este mai scump decat materialul de referinta
Materialul de referinta se ia ca material de comparatie pentru urmatoarea analiza
55
METODA PONDERARII PROPRIETATILOR
Este o metoda pentru rezolvarea unor solutii mai comlexe de materiale materiale si proprietati
Fiecarei proprietati a materialului i se acorda o pondere rdquoαrdquo
Ponderea este proportionala cu importanta relativa a proprietatii pentru performanta in exploatare a materialului pentru aplicatia data
Ponderea proprietatii este egala cu produsul dintre valoarea numerica a proprietatii materialului ldquoprdquo si ponderea ei ldquoαrdquo
γ=pα
Insumand toate aceste produse pentru un material se obtine un indice de performanta ldquoPrdquo al materialului
Aceasta metoda ia in considerare toate proprietatile materialului
Comparand mai multe materiale prin indicele de performanta se poate gasi cel mai performant material pentru o aplicatie
56
Dezavantajul acestei metode consta in faptul ca in cazul unei proprietati care are o valoare ridicata aceasta v-a avea o influenta mai mare asupra indicelui de performanta decat ponderea ei
Exemplu Un material A care are Rm=370 MPa si o duritate de 350 HRB si un alt material B care are Rm=400 MPa si o duritate de 300 HRBStabilind ponderea proprietatii de 100 pentru rezistenta si 90 pentru duritate se obtine un indice de performanta de 68500 pentru material ul A si 67000 pentru materialul B
Inseamna ca impotriva importantei rezistentei la tractiune (ca fiind primul criteriu de selectie) si care este mai mare pentru materialul B indicele de performanta al materialului A este mai mare si deci acest material v-a fi selectat
La evaluarea materialelor candidat se va lucra cu valori relative ldquoβrdquo ale unei anumite proprietati celei mai mari valori a proprietatii atribuindu-se valoarea 100 iar celelalte valori relative se determina cu relatia
57
Pentru proprietatile materialelor care nu se exprima in mod obisnuit prin valori numerice (rezistenta la uzare sudabilitatea aschiabilitatea diferite proprietati tehnologice etc) evaluarea se poate face relativ la una dintre proprietati astfel
Astfel fiecarei proprietati I se acorda o importanta egalasi ea va influenta indicii de performanta ai materialelor doar comparate doar in masura ponderii acordate
Pentru proprietati ale caror valori se doreste a fi cat mai mici (densitatea pierderea de greutate prin coroziune etc) evaluarea se face printr-un raport invers
ProprietateaMateriale alternative
A B C D
Sudabilitatea Foarte buna Buna Buna Satisfacatoare
Evaluarea relativa 5 3 3 1
Valoarea scalata 100 60 60 20
58
Exemplu In ceea ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru rezistenta la tractiune a materialului A este de 925 Pentru al doilea material aceasta valoare este de 100 In ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru duritate aceasta este de 100 pentru materialul A si de 857 pentru materialul B
Acest lucru poate schimba situatia ierarhica a materialelor sau le poate apropia atat de mult indicele de performanta incat sa se puna problema luari in considerare si a altor elemente pentru selectie
Astfel indicele de performanta a materialului este dat de relatia
unde P reprezinta indicele de performanta a materialuluildquoirdquo este suma celor ldquonrdquo proprietati considerate a materialul ui
59
Ponderea α poate fi considerata ca αilt1 astfel incat
(cazul cel mai frecvent) sau ei I se poate aloca o plaja de valori valoarea cea mai mare
corespunzand proprietatii cu cea mai mare importanta
Costul materialului poate fi considerat ca o proprietate (chiar importanta) acordandui-se o pondere ldquoαrdquo
In cazul luarii in considerare a unui numar mare de proprietati costul poate fi considerat un factor de corectie al indicelui de performanta a materialului rezultand indicele de merit al acestuia
in care ldquoprdquo reprezinta costul unitatii de greutate a materialului
60
Cand se doreste compararea mai multor materiale candidat (i) cu unul de baza (de referinta) se calculeaza indicele relativ de merit al fiecarui material astfel
Daca RMgt1 respectivul material candidat ldquoirdquo corespunde mai bine cerintelor decat materialul de referinta ldquobrdquoIn cazul in care Mb reprezinta minimul cerintelor impuse Materialele candidat avand RMlt1 pot fi eliminate de la inceput ca fiind necorespunzatoare
Cand trebuie luate in considerare mai multe proprietati ale materialului pentru evaluarea indicelui de performanta este dificila evaluarea ponderii acestora Rezolvarea aceste probleme poate fi realizata printr-o evaluare prin programe numerice
61
METODA CRESTERII INCREMENTALE
In anumite situatii pot aparea mai multe materiale care indeplinesc cerintele minime impuse de o anumita aplicatie
Dupa analiza acestor materiale se poate presupune ca performantele pieselor prelucrate sunt proportionale cu indicii de performanta ldquoPrdquo In acelasi timp costul piesei variaza proportional cu costul materialului si al prelucrarii acestora
Daca se doreste selectarea piesei care are cea mai mare performanta la cea mai rezonabila crestere a costului se poate face o analiza beneficiu-cost Procedeul se ia indeosebi cand se doreste inlocuirea unui material utilizat deja in fabricatie
Materialul cu cel mai scazut cost (1) se ca element de baza si este comparat cu materialul care are costul imediat superior (2) Comparatia se face determinand cresterea indicelui de performanta (ΔP=P2-P1) si a costului ldquoprdquo pe unitatea de volum (Δpρ=p2ρ2-p1ρ1)
Daca ΔPΔpρlt1 materialul 1 corespunde mai bine decat materialul 2 pentru aplicatia data si materialul 2 va fi eliminatDaca ΔPΔpρgt1 materialul 1 va fi eliminat deoarece materialul 2 corespunde mai bine cerintelor aplicatieiSe continua compararea cu al treilea material si rand pe rand vor fi eliminate materialele mai putin corespunzatoare ajungand la materialul optim
62
EXEMPLU DE SELECTIE A MATERIALELOR
Tema Realizarea piesesei din figura dintr-un otel ldquoOL37rdquo intr-o serie mare de fabricatie-Este o piesa cilindrica cu dimensiunile date-Are un butuc-Prezinta o gaura lunga si de diametre mic
oslash200oslash50
150oslash20
Se poate realiza din bara rotunda prin strunjire
Se poate realiza din bara rotunda prin forjare
80
Coeficientul de utilizare a materialului 055
Coeficientul de utilizare a materialului 098
63
Diametrul mm Inaltime mm Volum mm3 Volum mm3Coeficientul de
utilizare a materialului
Semif Pornire 200 150 4710000 4710000
Strunjire
200 80 2512000
2602275 055=5550 35 137375
20 150 47100
Forjare
200 80 25120002649375
098=9850 35 137375
20 150 47100 2602275
Coeficientul de utilizare a materialului K=greutatea piesei finitegreutatea materialului utilizat pentru realizarea lui (a semifabricatului de pornire)
In calcul s-a lucrat cu volumul materialului deoarece G=VρAdaosuriele de prelucrare s-u luat ca fiind egaleApare un mult mai bun grad de utilizare a materialului pentr prelucrarea prin forjare
PIESA SE VA REALIZA PRIN FORJARE
64
1
2
3
5
6
4
9
8
F
107F
1-semimatrita superioara2-semimatrita inferioara3-cavitatea semimatritei sup4-cavitatea semimatritei inf5-canalul de bavura6-canalul de refulare7-prinderea semimatritei sup8-prinderea semimatritei inf9-elemente de ghidare (stifturi)10-planul de separare
TEMA Sa se stabileasca materialul optim pentru realizarea elementelor active ale matrtei de forjare din figura Se urmreste obtinerea piesei prin forjare la cald
CERINTE PENTRU PROIECTARE
Analiza schiteiFunctia Elemete (semimatrite) de matrita de deformare plasticaObiectiv Trebuie maximalizata tenacitatea (rezilienta)Constrangeri Dimensiunile cavitatii matritei (depind de marimea piesei) dimensiunile exterioare si sistemul de prindere (depind de utilaj temperatura de lucruVariabile libere material
65
Se cauta in sursele de informatii structurate si nestructurate materialele care respecta cerintele
Elemente de matrita
Rezistente la cald
Tenacitate Duritate
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Materialele potrivite sunt metalele si aliajele lor
-Materialele ceramice nu au tenacitate-Materialele polimerice nu au rezistenta la cald-Materialele compozite sunt scumpe si nu au tenacitate
Depinde de compozitia lor
Se cauta materiale cu destinatie precisa Materiale pentru scule de deformare
66
Din baza de date se constata ca urmatoarele materiale satisfac
cerintele rigide adica sa poata fi utilizate la prelucrarea la cald
Sunt materiale cu destinatie precisaDaca nu sunt materiale cu destinatie
precisa se cauta in grupa materialelor cu destinatie generala
Material Rm min MPa HV A5 KCU Jcm3
C120 890 265 8 60
VMoC120 870 265 8 68
VC06 870 230 6 68
VCW85 870 265 6 80
MoCN15 830 250 7 75
VMoCN17 870 265 7 73
VSCW20 790 235 5 78
OSC7 640 195 12 56
OSC8 640 195 10 58
67
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU Jcm3 βKCU Indicele de
performanta PC120 890 265 8 60 101450
VMoC120 870 265 8 68 100650
VC06 870 230 6 68 97400
VCW85 870 265 6 80 101750
MoCN15 830 250 7 75 96750
VMoCN17 870 265 7 73 101100
VSCW20 790 235 5 78 92400
OSC7 640 195 12 56 74950
OSC8 640 195 10 58 75050Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza peoprietatii
68
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU
Jcm3 βKCU Indicele de performanta P
C120 890 100 265 10000 8 6667 60 75 25017000
VMoC120 870 9775 265 10000 8 6667 68 85 2835015356
VC06 870 9775 230 8679 6 5000 68 85 2126563155
VCW85 870 9775 265 10000 6 5000 80 100 2501682022
MoCN15 830 9326 250 9434 7 5833 75 9375 2735970124
VMoCN17 870 9775 265 10000 7 5833 73 9125 2663140356
VSCW20 790 8876 235 8868 5 4167 78 975 2032758226
OSC7 640 7191 195 7358 12 10000 56 70 3501237545
OSC8 640 7191 195 7358 10 8333 58 725 3022070878Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza proprietatii relative
69
Material Indicele de performanta P
VSCW20 2032758226
VC06 2126563155
VCW85 2501682022
C120 25017000
VMoCN17 2663140356
MoCN15 2735970124
VMoC120 2835015356
OSC8 3022070878
OSC7 3501237545
Material Indicele de performanta P
OSC7 74950
OSC8 75050
VSCW20 92400
MoCN15 96750
VC06 97400
VMoC120 100650
VMoCN17 101100
C120 101450
VCW85 101750
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile proprietatii materialului
ordonate crescator
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile relative ale proprietatii materialului ordonate crescator
70
Luand in considerare ca unele materiale sunt aliate cu siguranta acestea sunt mai scumpe
Daca luam in considerare costul unitar pentru otelurile carbon de scule iar densitatea de 785 (corespunzatoare fierului) se obtine indicele de merit
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
OSC7 74950 1 95477707 114
OSC8 75050 1 956050955 114
VSCW20 92400 14 840764331 100
MoCN15 96750 14 880345769 105
VC06 97400 12 103397028 123
VMoC120 100650 13 986281235 117
VMoCN17 101100 14 919927207 109
C120 101450 15 861571125 102
VCW85 101750 14 925841674 110
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea proprietatii materialului
71
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
VSCW20 2032758226 14 184964352 100
VC06 2126563155 12 225749804 122
VCW85 2501682022 14 227632577 123
C120 25017000 15 212458599 115
VMoCN17 2663140356 14 242323963 131
MoCN15 2735970124 14 248950876 135
VMoC120 2835015356 13 277806502 150
OSC8 3022070878 1 384977182 208
OSC7 3501237545 1 446017522 241
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea relativa a proprietatii materialului
72
Selectati materialele potrivite pentru piesele din imagine
Randul I 1 Serie mare de fabricatie-6p Randul II Serie mica (unicat) de fabricatie-6p
Randul I 2 Criterii de selectie a materialelor-1p3 Etapele selectiei materialelor ndash 1p4 Economicitatea piesei ndash 1p5 Strategii de selectie a materialelor ndash 1p
Randul II 2 Tipuri de date utilizate la selectia materialelor-1p3 Cum se face minimalizarea costurilor-1p4 Perofmantele piesei in functionare ndash 1p5 Care sunt cerintele fata de material ndash 1p
SUBIECTE EXAMEN
73
Date privind principalele proprietati tehnologice ale unor materiale
Material
Valorile proprietatii
Aschiabilitate Turnabilitate Sudabilitate Cost
F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba $tona
Otel de constructii (OL) X X X 140
Otel carbon de calitate (OLC) X X X
260
Fonte obisnuite (Fc) X X X 160
Punctaje 60 30 10 60 30 10 60 30 10
Avand in vedere ca pretul creste odata cu rezistenta la tractiune calculati costul fiecarui material prin inmultirea costului de baza cu valoarea proprietatii si impartiti la 100
74
Materiale ce pot fi luate in considerare spre analiza
Material Rm HV A Material Rm HV A Material Rm HV A
OL30 310 95 32 OLC8 324 140 33 Fc100 100 105 2
OL32 310 93 33 OLC10 321 150 31 Fc150 150 145 3
OL34 330 105 31 OLC15 373 155 27 Fc200 200 180 4
OL37 360 112 25 OLC20 410 165 25 Fc250 250 190 4
OL42 410 130 22 OLC25 450 175 24 Fc300 300 210 5
OL44 430 135 22 OLC30 490 180 21 Fc350 350 220 6
OL50 500 160 21 OLC35 530 195 21 Fc400 400 240 6
OL52 510 160 21 OLC40 570 200 19
OL60 590 185 16 OLC45 610 220 18
OL70 690 215 11 OLC50 640 230 16
OLC55 670 240 14
OLC60 700 255 14
Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50
Proprietatea tehnilogica intra cu o pondere de 100
VA UREZ SUCCES
52
Valoarea optima a proprietatii (aici Rm) apare la costul minim
In piata costul materialului este legat de greutatea sau volumul (dupa caz) materialului
Se poate stabili o comparatie a materialelor intre proprietatile relative (proprietatea raportata la
greutatea specifica) De exemplu rezistenta rigiditatea modul de elasticitate etc
Criteriul esential este costul raportat la unitatea de rezistenta la tractiune
C=pρσ
C- costul asigurarii unei rezistente de 1 MPap- costul unitatii de proprietate a materialului
ρ- densitatea materialului
σr- rezistenta la tractiune
Cu cat valoarea lui ldquoCrdquo este mai mica cu atat materialul
este mai economic
53
Relatii asemanatoare pot fi obtinute si pentru alte proprietati cum ar fi- limita la curgere- modulul de elastuicitate- factorul de intensitate a tensiunii etc
Costul unitatii de proprietate pentru diferite moduri de solicitare
54
Compararea materialelor privind aceste costuri este esentiala
Se compara materialele intre ele
Este dificilSe ia un material de referinta
Costul relativ pe unitatea de proprietate a materialului candidat ldquoirdquo raportat la costul relativ pe unitatea de proprietate a materialului de referinta ldquobrdquo este dat de relatia
Daca CR este subunitar materialul candidat este mai ieftin decat materialul de referinta
Materialul de referinta este eliminat si materialul candidat se ia ca material de referinta pentru urmatoarea comparatie
Daca CR este supra unitar materialul candidat este mai scump decat materialul de referinta
Materialul de referinta se ia ca material de comparatie pentru urmatoarea analiza
55
METODA PONDERARII PROPRIETATILOR
Este o metoda pentru rezolvarea unor solutii mai comlexe de materiale materiale si proprietati
Fiecarei proprietati a materialului i se acorda o pondere rdquoαrdquo
Ponderea este proportionala cu importanta relativa a proprietatii pentru performanta in exploatare a materialului pentru aplicatia data
Ponderea proprietatii este egala cu produsul dintre valoarea numerica a proprietatii materialului ldquoprdquo si ponderea ei ldquoαrdquo
γ=pα
Insumand toate aceste produse pentru un material se obtine un indice de performanta ldquoPrdquo al materialului
Aceasta metoda ia in considerare toate proprietatile materialului
Comparand mai multe materiale prin indicele de performanta se poate gasi cel mai performant material pentru o aplicatie
56
Dezavantajul acestei metode consta in faptul ca in cazul unei proprietati care are o valoare ridicata aceasta v-a avea o influenta mai mare asupra indicelui de performanta decat ponderea ei
Exemplu Un material A care are Rm=370 MPa si o duritate de 350 HRB si un alt material B care are Rm=400 MPa si o duritate de 300 HRBStabilind ponderea proprietatii de 100 pentru rezistenta si 90 pentru duritate se obtine un indice de performanta de 68500 pentru material ul A si 67000 pentru materialul B
Inseamna ca impotriva importantei rezistentei la tractiune (ca fiind primul criteriu de selectie) si care este mai mare pentru materialul B indicele de performanta al materialului A este mai mare si deci acest material v-a fi selectat
La evaluarea materialelor candidat se va lucra cu valori relative ldquoβrdquo ale unei anumite proprietati celei mai mari valori a proprietatii atribuindu-se valoarea 100 iar celelalte valori relative se determina cu relatia
57
Pentru proprietatile materialelor care nu se exprima in mod obisnuit prin valori numerice (rezistenta la uzare sudabilitatea aschiabilitatea diferite proprietati tehnologice etc) evaluarea se poate face relativ la una dintre proprietati astfel
Astfel fiecarei proprietati I se acorda o importanta egalasi ea va influenta indicii de performanta ai materialelor doar comparate doar in masura ponderii acordate
Pentru proprietati ale caror valori se doreste a fi cat mai mici (densitatea pierderea de greutate prin coroziune etc) evaluarea se face printr-un raport invers
ProprietateaMateriale alternative
A B C D
Sudabilitatea Foarte buna Buna Buna Satisfacatoare
Evaluarea relativa 5 3 3 1
Valoarea scalata 100 60 60 20
58
Exemplu In ceea ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru rezistenta la tractiune a materialului A este de 925 Pentru al doilea material aceasta valoare este de 100 In ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru duritate aceasta este de 100 pentru materialul A si de 857 pentru materialul B
Acest lucru poate schimba situatia ierarhica a materialelor sau le poate apropia atat de mult indicele de performanta incat sa se puna problema luari in considerare si a altor elemente pentru selectie
Astfel indicele de performanta a materialului este dat de relatia
unde P reprezinta indicele de performanta a materialuluildquoirdquo este suma celor ldquonrdquo proprietati considerate a materialul ui
59
Ponderea α poate fi considerata ca αilt1 astfel incat
(cazul cel mai frecvent) sau ei I se poate aloca o plaja de valori valoarea cea mai mare
corespunzand proprietatii cu cea mai mare importanta
Costul materialului poate fi considerat ca o proprietate (chiar importanta) acordandui-se o pondere ldquoαrdquo
In cazul luarii in considerare a unui numar mare de proprietati costul poate fi considerat un factor de corectie al indicelui de performanta a materialului rezultand indicele de merit al acestuia
in care ldquoprdquo reprezinta costul unitatii de greutate a materialului
60
Cand se doreste compararea mai multor materiale candidat (i) cu unul de baza (de referinta) se calculeaza indicele relativ de merit al fiecarui material astfel
Daca RMgt1 respectivul material candidat ldquoirdquo corespunde mai bine cerintelor decat materialul de referinta ldquobrdquoIn cazul in care Mb reprezinta minimul cerintelor impuse Materialele candidat avand RMlt1 pot fi eliminate de la inceput ca fiind necorespunzatoare
Cand trebuie luate in considerare mai multe proprietati ale materialului pentru evaluarea indicelui de performanta este dificila evaluarea ponderii acestora Rezolvarea aceste probleme poate fi realizata printr-o evaluare prin programe numerice
61
METODA CRESTERII INCREMENTALE
In anumite situatii pot aparea mai multe materiale care indeplinesc cerintele minime impuse de o anumita aplicatie
Dupa analiza acestor materiale se poate presupune ca performantele pieselor prelucrate sunt proportionale cu indicii de performanta ldquoPrdquo In acelasi timp costul piesei variaza proportional cu costul materialului si al prelucrarii acestora
Daca se doreste selectarea piesei care are cea mai mare performanta la cea mai rezonabila crestere a costului se poate face o analiza beneficiu-cost Procedeul se ia indeosebi cand se doreste inlocuirea unui material utilizat deja in fabricatie
Materialul cu cel mai scazut cost (1) se ca element de baza si este comparat cu materialul care are costul imediat superior (2) Comparatia se face determinand cresterea indicelui de performanta (ΔP=P2-P1) si a costului ldquoprdquo pe unitatea de volum (Δpρ=p2ρ2-p1ρ1)
Daca ΔPΔpρlt1 materialul 1 corespunde mai bine decat materialul 2 pentru aplicatia data si materialul 2 va fi eliminatDaca ΔPΔpρgt1 materialul 1 va fi eliminat deoarece materialul 2 corespunde mai bine cerintelor aplicatieiSe continua compararea cu al treilea material si rand pe rand vor fi eliminate materialele mai putin corespunzatoare ajungand la materialul optim
62
EXEMPLU DE SELECTIE A MATERIALELOR
Tema Realizarea piesesei din figura dintr-un otel ldquoOL37rdquo intr-o serie mare de fabricatie-Este o piesa cilindrica cu dimensiunile date-Are un butuc-Prezinta o gaura lunga si de diametre mic
oslash200oslash50
150oslash20
Se poate realiza din bara rotunda prin strunjire
Se poate realiza din bara rotunda prin forjare
80
Coeficientul de utilizare a materialului 055
Coeficientul de utilizare a materialului 098
63
Diametrul mm Inaltime mm Volum mm3 Volum mm3Coeficientul de
utilizare a materialului
Semif Pornire 200 150 4710000 4710000
Strunjire
200 80 2512000
2602275 055=5550 35 137375
20 150 47100
Forjare
200 80 25120002649375
098=9850 35 137375
20 150 47100 2602275
Coeficientul de utilizare a materialului K=greutatea piesei finitegreutatea materialului utilizat pentru realizarea lui (a semifabricatului de pornire)
In calcul s-a lucrat cu volumul materialului deoarece G=VρAdaosuriele de prelucrare s-u luat ca fiind egaleApare un mult mai bun grad de utilizare a materialului pentr prelucrarea prin forjare
PIESA SE VA REALIZA PRIN FORJARE
64
1
2
3
5
6
4
9
8
F
107F
1-semimatrita superioara2-semimatrita inferioara3-cavitatea semimatritei sup4-cavitatea semimatritei inf5-canalul de bavura6-canalul de refulare7-prinderea semimatritei sup8-prinderea semimatritei inf9-elemente de ghidare (stifturi)10-planul de separare
TEMA Sa se stabileasca materialul optim pentru realizarea elementelor active ale matrtei de forjare din figura Se urmreste obtinerea piesei prin forjare la cald
CERINTE PENTRU PROIECTARE
Analiza schiteiFunctia Elemete (semimatrite) de matrita de deformare plasticaObiectiv Trebuie maximalizata tenacitatea (rezilienta)Constrangeri Dimensiunile cavitatii matritei (depind de marimea piesei) dimensiunile exterioare si sistemul de prindere (depind de utilaj temperatura de lucruVariabile libere material
65
Se cauta in sursele de informatii structurate si nestructurate materialele care respecta cerintele
Elemente de matrita
Rezistente la cald
Tenacitate Duritate
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Materialele potrivite sunt metalele si aliajele lor
-Materialele ceramice nu au tenacitate-Materialele polimerice nu au rezistenta la cald-Materialele compozite sunt scumpe si nu au tenacitate
Depinde de compozitia lor
Se cauta materiale cu destinatie precisa Materiale pentru scule de deformare
66
Din baza de date se constata ca urmatoarele materiale satisfac
cerintele rigide adica sa poata fi utilizate la prelucrarea la cald
Sunt materiale cu destinatie precisaDaca nu sunt materiale cu destinatie
precisa se cauta in grupa materialelor cu destinatie generala
Material Rm min MPa HV A5 KCU Jcm3
C120 890 265 8 60
VMoC120 870 265 8 68
VC06 870 230 6 68
VCW85 870 265 6 80
MoCN15 830 250 7 75
VMoCN17 870 265 7 73
VSCW20 790 235 5 78
OSC7 640 195 12 56
OSC8 640 195 10 58
67
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU Jcm3 βKCU Indicele de
performanta PC120 890 265 8 60 101450
VMoC120 870 265 8 68 100650
VC06 870 230 6 68 97400
VCW85 870 265 6 80 101750
MoCN15 830 250 7 75 96750
VMoCN17 870 265 7 73 101100
VSCW20 790 235 5 78 92400
OSC7 640 195 12 56 74950
OSC8 640 195 10 58 75050Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza peoprietatii
68
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU
Jcm3 βKCU Indicele de performanta P
C120 890 100 265 10000 8 6667 60 75 25017000
VMoC120 870 9775 265 10000 8 6667 68 85 2835015356
VC06 870 9775 230 8679 6 5000 68 85 2126563155
VCW85 870 9775 265 10000 6 5000 80 100 2501682022
MoCN15 830 9326 250 9434 7 5833 75 9375 2735970124
VMoCN17 870 9775 265 10000 7 5833 73 9125 2663140356
VSCW20 790 8876 235 8868 5 4167 78 975 2032758226
OSC7 640 7191 195 7358 12 10000 56 70 3501237545
OSC8 640 7191 195 7358 10 8333 58 725 3022070878Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza proprietatii relative
69
Material Indicele de performanta P
VSCW20 2032758226
VC06 2126563155
VCW85 2501682022
C120 25017000
VMoCN17 2663140356
MoCN15 2735970124
VMoC120 2835015356
OSC8 3022070878
OSC7 3501237545
Material Indicele de performanta P
OSC7 74950
OSC8 75050
VSCW20 92400
MoCN15 96750
VC06 97400
VMoC120 100650
VMoCN17 101100
C120 101450
VCW85 101750
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile proprietatii materialului
ordonate crescator
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile relative ale proprietatii materialului ordonate crescator
70
Luand in considerare ca unele materiale sunt aliate cu siguranta acestea sunt mai scumpe
Daca luam in considerare costul unitar pentru otelurile carbon de scule iar densitatea de 785 (corespunzatoare fierului) se obtine indicele de merit
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
OSC7 74950 1 95477707 114
OSC8 75050 1 956050955 114
VSCW20 92400 14 840764331 100
MoCN15 96750 14 880345769 105
VC06 97400 12 103397028 123
VMoC120 100650 13 986281235 117
VMoCN17 101100 14 919927207 109
C120 101450 15 861571125 102
VCW85 101750 14 925841674 110
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea proprietatii materialului
71
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
VSCW20 2032758226 14 184964352 100
VC06 2126563155 12 225749804 122
VCW85 2501682022 14 227632577 123
C120 25017000 15 212458599 115
VMoCN17 2663140356 14 242323963 131
MoCN15 2735970124 14 248950876 135
VMoC120 2835015356 13 277806502 150
OSC8 3022070878 1 384977182 208
OSC7 3501237545 1 446017522 241
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea relativa a proprietatii materialului
72
Selectati materialele potrivite pentru piesele din imagine
Randul I 1 Serie mare de fabricatie-6p Randul II Serie mica (unicat) de fabricatie-6p
Randul I 2 Criterii de selectie a materialelor-1p3 Etapele selectiei materialelor ndash 1p4 Economicitatea piesei ndash 1p5 Strategii de selectie a materialelor ndash 1p
Randul II 2 Tipuri de date utilizate la selectia materialelor-1p3 Cum se face minimalizarea costurilor-1p4 Perofmantele piesei in functionare ndash 1p5 Care sunt cerintele fata de material ndash 1p
SUBIECTE EXAMEN
73
Date privind principalele proprietati tehnologice ale unor materiale
Material
Valorile proprietatii
Aschiabilitate Turnabilitate Sudabilitate Cost
F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba $tona
Otel de constructii (OL) X X X 140
Otel carbon de calitate (OLC) X X X
260
Fonte obisnuite (Fc) X X X 160
Punctaje 60 30 10 60 30 10 60 30 10
Avand in vedere ca pretul creste odata cu rezistenta la tractiune calculati costul fiecarui material prin inmultirea costului de baza cu valoarea proprietatii si impartiti la 100
74
Materiale ce pot fi luate in considerare spre analiza
Material Rm HV A Material Rm HV A Material Rm HV A
OL30 310 95 32 OLC8 324 140 33 Fc100 100 105 2
OL32 310 93 33 OLC10 321 150 31 Fc150 150 145 3
OL34 330 105 31 OLC15 373 155 27 Fc200 200 180 4
OL37 360 112 25 OLC20 410 165 25 Fc250 250 190 4
OL42 410 130 22 OLC25 450 175 24 Fc300 300 210 5
OL44 430 135 22 OLC30 490 180 21 Fc350 350 220 6
OL50 500 160 21 OLC35 530 195 21 Fc400 400 240 6
OL52 510 160 21 OLC40 570 200 19
OL60 590 185 16 OLC45 610 220 18
OL70 690 215 11 OLC50 640 230 16
OLC55 670 240 14
OLC60 700 255 14
Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50
Proprietatea tehnilogica intra cu o pondere de 100
VA UREZ SUCCES
53
Relatii asemanatoare pot fi obtinute si pentru alte proprietati cum ar fi- limita la curgere- modulul de elastuicitate- factorul de intensitate a tensiunii etc
Costul unitatii de proprietate pentru diferite moduri de solicitare
54
Compararea materialelor privind aceste costuri este esentiala
Se compara materialele intre ele
Este dificilSe ia un material de referinta
Costul relativ pe unitatea de proprietate a materialului candidat ldquoirdquo raportat la costul relativ pe unitatea de proprietate a materialului de referinta ldquobrdquo este dat de relatia
Daca CR este subunitar materialul candidat este mai ieftin decat materialul de referinta
Materialul de referinta este eliminat si materialul candidat se ia ca material de referinta pentru urmatoarea comparatie
Daca CR este supra unitar materialul candidat este mai scump decat materialul de referinta
Materialul de referinta se ia ca material de comparatie pentru urmatoarea analiza
55
METODA PONDERARII PROPRIETATILOR
Este o metoda pentru rezolvarea unor solutii mai comlexe de materiale materiale si proprietati
Fiecarei proprietati a materialului i se acorda o pondere rdquoαrdquo
Ponderea este proportionala cu importanta relativa a proprietatii pentru performanta in exploatare a materialului pentru aplicatia data
Ponderea proprietatii este egala cu produsul dintre valoarea numerica a proprietatii materialului ldquoprdquo si ponderea ei ldquoαrdquo
γ=pα
Insumand toate aceste produse pentru un material se obtine un indice de performanta ldquoPrdquo al materialului
Aceasta metoda ia in considerare toate proprietatile materialului
Comparand mai multe materiale prin indicele de performanta se poate gasi cel mai performant material pentru o aplicatie
56
Dezavantajul acestei metode consta in faptul ca in cazul unei proprietati care are o valoare ridicata aceasta v-a avea o influenta mai mare asupra indicelui de performanta decat ponderea ei
Exemplu Un material A care are Rm=370 MPa si o duritate de 350 HRB si un alt material B care are Rm=400 MPa si o duritate de 300 HRBStabilind ponderea proprietatii de 100 pentru rezistenta si 90 pentru duritate se obtine un indice de performanta de 68500 pentru material ul A si 67000 pentru materialul B
Inseamna ca impotriva importantei rezistentei la tractiune (ca fiind primul criteriu de selectie) si care este mai mare pentru materialul B indicele de performanta al materialului A este mai mare si deci acest material v-a fi selectat
La evaluarea materialelor candidat se va lucra cu valori relative ldquoβrdquo ale unei anumite proprietati celei mai mari valori a proprietatii atribuindu-se valoarea 100 iar celelalte valori relative se determina cu relatia
57
Pentru proprietatile materialelor care nu se exprima in mod obisnuit prin valori numerice (rezistenta la uzare sudabilitatea aschiabilitatea diferite proprietati tehnologice etc) evaluarea se poate face relativ la una dintre proprietati astfel
Astfel fiecarei proprietati I se acorda o importanta egalasi ea va influenta indicii de performanta ai materialelor doar comparate doar in masura ponderii acordate
Pentru proprietati ale caror valori se doreste a fi cat mai mici (densitatea pierderea de greutate prin coroziune etc) evaluarea se face printr-un raport invers
ProprietateaMateriale alternative
A B C D
Sudabilitatea Foarte buna Buna Buna Satisfacatoare
Evaluarea relativa 5 3 3 1
Valoarea scalata 100 60 60 20
58
Exemplu In ceea ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru rezistenta la tractiune a materialului A este de 925 Pentru al doilea material aceasta valoare este de 100 In ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru duritate aceasta este de 100 pentru materialul A si de 857 pentru materialul B
Acest lucru poate schimba situatia ierarhica a materialelor sau le poate apropia atat de mult indicele de performanta incat sa se puna problema luari in considerare si a altor elemente pentru selectie
Astfel indicele de performanta a materialului este dat de relatia
unde P reprezinta indicele de performanta a materialuluildquoirdquo este suma celor ldquonrdquo proprietati considerate a materialul ui
59
Ponderea α poate fi considerata ca αilt1 astfel incat
(cazul cel mai frecvent) sau ei I se poate aloca o plaja de valori valoarea cea mai mare
corespunzand proprietatii cu cea mai mare importanta
Costul materialului poate fi considerat ca o proprietate (chiar importanta) acordandui-se o pondere ldquoαrdquo
In cazul luarii in considerare a unui numar mare de proprietati costul poate fi considerat un factor de corectie al indicelui de performanta a materialului rezultand indicele de merit al acestuia
in care ldquoprdquo reprezinta costul unitatii de greutate a materialului
60
Cand se doreste compararea mai multor materiale candidat (i) cu unul de baza (de referinta) se calculeaza indicele relativ de merit al fiecarui material astfel
Daca RMgt1 respectivul material candidat ldquoirdquo corespunde mai bine cerintelor decat materialul de referinta ldquobrdquoIn cazul in care Mb reprezinta minimul cerintelor impuse Materialele candidat avand RMlt1 pot fi eliminate de la inceput ca fiind necorespunzatoare
Cand trebuie luate in considerare mai multe proprietati ale materialului pentru evaluarea indicelui de performanta este dificila evaluarea ponderii acestora Rezolvarea aceste probleme poate fi realizata printr-o evaluare prin programe numerice
61
METODA CRESTERII INCREMENTALE
In anumite situatii pot aparea mai multe materiale care indeplinesc cerintele minime impuse de o anumita aplicatie
Dupa analiza acestor materiale se poate presupune ca performantele pieselor prelucrate sunt proportionale cu indicii de performanta ldquoPrdquo In acelasi timp costul piesei variaza proportional cu costul materialului si al prelucrarii acestora
Daca se doreste selectarea piesei care are cea mai mare performanta la cea mai rezonabila crestere a costului se poate face o analiza beneficiu-cost Procedeul se ia indeosebi cand se doreste inlocuirea unui material utilizat deja in fabricatie
Materialul cu cel mai scazut cost (1) se ca element de baza si este comparat cu materialul care are costul imediat superior (2) Comparatia se face determinand cresterea indicelui de performanta (ΔP=P2-P1) si a costului ldquoprdquo pe unitatea de volum (Δpρ=p2ρ2-p1ρ1)
Daca ΔPΔpρlt1 materialul 1 corespunde mai bine decat materialul 2 pentru aplicatia data si materialul 2 va fi eliminatDaca ΔPΔpρgt1 materialul 1 va fi eliminat deoarece materialul 2 corespunde mai bine cerintelor aplicatieiSe continua compararea cu al treilea material si rand pe rand vor fi eliminate materialele mai putin corespunzatoare ajungand la materialul optim
62
EXEMPLU DE SELECTIE A MATERIALELOR
Tema Realizarea piesesei din figura dintr-un otel ldquoOL37rdquo intr-o serie mare de fabricatie-Este o piesa cilindrica cu dimensiunile date-Are un butuc-Prezinta o gaura lunga si de diametre mic
oslash200oslash50
150oslash20
Se poate realiza din bara rotunda prin strunjire
Se poate realiza din bara rotunda prin forjare
80
Coeficientul de utilizare a materialului 055
Coeficientul de utilizare a materialului 098
63
Diametrul mm Inaltime mm Volum mm3 Volum mm3Coeficientul de
utilizare a materialului
Semif Pornire 200 150 4710000 4710000
Strunjire
200 80 2512000
2602275 055=5550 35 137375
20 150 47100
Forjare
200 80 25120002649375
098=9850 35 137375
20 150 47100 2602275
Coeficientul de utilizare a materialului K=greutatea piesei finitegreutatea materialului utilizat pentru realizarea lui (a semifabricatului de pornire)
In calcul s-a lucrat cu volumul materialului deoarece G=VρAdaosuriele de prelucrare s-u luat ca fiind egaleApare un mult mai bun grad de utilizare a materialului pentr prelucrarea prin forjare
PIESA SE VA REALIZA PRIN FORJARE
64
1
2
3
5
6
4
9
8
F
107F
1-semimatrita superioara2-semimatrita inferioara3-cavitatea semimatritei sup4-cavitatea semimatritei inf5-canalul de bavura6-canalul de refulare7-prinderea semimatritei sup8-prinderea semimatritei inf9-elemente de ghidare (stifturi)10-planul de separare
TEMA Sa se stabileasca materialul optim pentru realizarea elementelor active ale matrtei de forjare din figura Se urmreste obtinerea piesei prin forjare la cald
CERINTE PENTRU PROIECTARE
Analiza schiteiFunctia Elemete (semimatrite) de matrita de deformare plasticaObiectiv Trebuie maximalizata tenacitatea (rezilienta)Constrangeri Dimensiunile cavitatii matritei (depind de marimea piesei) dimensiunile exterioare si sistemul de prindere (depind de utilaj temperatura de lucruVariabile libere material
65
Se cauta in sursele de informatii structurate si nestructurate materialele care respecta cerintele
Elemente de matrita
Rezistente la cald
Tenacitate Duritate
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Materialele potrivite sunt metalele si aliajele lor
-Materialele ceramice nu au tenacitate-Materialele polimerice nu au rezistenta la cald-Materialele compozite sunt scumpe si nu au tenacitate
Depinde de compozitia lor
Se cauta materiale cu destinatie precisa Materiale pentru scule de deformare
66
Din baza de date se constata ca urmatoarele materiale satisfac
cerintele rigide adica sa poata fi utilizate la prelucrarea la cald
Sunt materiale cu destinatie precisaDaca nu sunt materiale cu destinatie
precisa se cauta in grupa materialelor cu destinatie generala
Material Rm min MPa HV A5 KCU Jcm3
C120 890 265 8 60
VMoC120 870 265 8 68
VC06 870 230 6 68
VCW85 870 265 6 80
MoCN15 830 250 7 75
VMoCN17 870 265 7 73
VSCW20 790 235 5 78
OSC7 640 195 12 56
OSC8 640 195 10 58
67
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU Jcm3 βKCU Indicele de
performanta PC120 890 265 8 60 101450
VMoC120 870 265 8 68 100650
VC06 870 230 6 68 97400
VCW85 870 265 6 80 101750
MoCN15 830 250 7 75 96750
VMoCN17 870 265 7 73 101100
VSCW20 790 235 5 78 92400
OSC7 640 195 12 56 74950
OSC8 640 195 10 58 75050Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza peoprietatii
68
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU
Jcm3 βKCU Indicele de performanta P
C120 890 100 265 10000 8 6667 60 75 25017000
VMoC120 870 9775 265 10000 8 6667 68 85 2835015356
VC06 870 9775 230 8679 6 5000 68 85 2126563155
VCW85 870 9775 265 10000 6 5000 80 100 2501682022
MoCN15 830 9326 250 9434 7 5833 75 9375 2735970124
VMoCN17 870 9775 265 10000 7 5833 73 9125 2663140356
VSCW20 790 8876 235 8868 5 4167 78 975 2032758226
OSC7 640 7191 195 7358 12 10000 56 70 3501237545
OSC8 640 7191 195 7358 10 8333 58 725 3022070878Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza proprietatii relative
69
Material Indicele de performanta P
VSCW20 2032758226
VC06 2126563155
VCW85 2501682022
C120 25017000
VMoCN17 2663140356
MoCN15 2735970124
VMoC120 2835015356
OSC8 3022070878
OSC7 3501237545
Material Indicele de performanta P
OSC7 74950
OSC8 75050
VSCW20 92400
MoCN15 96750
VC06 97400
VMoC120 100650
VMoCN17 101100
C120 101450
VCW85 101750
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile proprietatii materialului
ordonate crescator
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile relative ale proprietatii materialului ordonate crescator
70
Luand in considerare ca unele materiale sunt aliate cu siguranta acestea sunt mai scumpe
Daca luam in considerare costul unitar pentru otelurile carbon de scule iar densitatea de 785 (corespunzatoare fierului) se obtine indicele de merit
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
OSC7 74950 1 95477707 114
OSC8 75050 1 956050955 114
VSCW20 92400 14 840764331 100
MoCN15 96750 14 880345769 105
VC06 97400 12 103397028 123
VMoC120 100650 13 986281235 117
VMoCN17 101100 14 919927207 109
C120 101450 15 861571125 102
VCW85 101750 14 925841674 110
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea proprietatii materialului
71
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
VSCW20 2032758226 14 184964352 100
VC06 2126563155 12 225749804 122
VCW85 2501682022 14 227632577 123
C120 25017000 15 212458599 115
VMoCN17 2663140356 14 242323963 131
MoCN15 2735970124 14 248950876 135
VMoC120 2835015356 13 277806502 150
OSC8 3022070878 1 384977182 208
OSC7 3501237545 1 446017522 241
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea relativa a proprietatii materialului
72
Selectati materialele potrivite pentru piesele din imagine
Randul I 1 Serie mare de fabricatie-6p Randul II Serie mica (unicat) de fabricatie-6p
Randul I 2 Criterii de selectie a materialelor-1p3 Etapele selectiei materialelor ndash 1p4 Economicitatea piesei ndash 1p5 Strategii de selectie a materialelor ndash 1p
Randul II 2 Tipuri de date utilizate la selectia materialelor-1p3 Cum se face minimalizarea costurilor-1p4 Perofmantele piesei in functionare ndash 1p5 Care sunt cerintele fata de material ndash 1p
SUBIECTE EXAMEN
73
Date privind principalele proprietati tehnologice ale unor materiale
Material
Valorile proprietatii
Aschiabilitate Turnabilitate Sudabilitate Cost
F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba $tona
Otel de constructii (OL) X X X 140
Otel carbon de calitate (OLC) X X X
260
Fonte obisnuite (Fc) X X X 160
Punctaje 60 30 10 60 30 10 60 30 10
Avand in vedere ca pretul creste odata cu rezistenta la tractiune calculati costul fiecarui material prin inmultirea costului de baza cu valoarea proprietatii si impartiti la 100
74
Materiale ce pot fi luate in considerare spre analiza
Material Rm HV A Material Rm HV A Material Rm HV A
OL30 310 95 32 OLC8 324 140 33 Fc100 100 105 2
OL32 310 93 33 OLC10 321 150 31 Fc150 150 145 3
OL34 330 105 31 OLC15 373 155 27 Fc200 200 180 4
OL37 360 112 25 OLC20 410 165 25 Fc250 250 190 4
OL42 410 130 22 OLC25 450 175 24 Fc300 300 210 5
OL44 430 135 22 OLC30 490 180 21 Fc350 350 220 6
OL50 500 160 21 OLC35 530 195 21 Fc400 400 240 6
OL52 510 160 21 OLC40 570 200 19
OL60 590 185 16 OLC45 610 220 18
OL70 690 215 11 OLC50 640 230 16
OLC55 670 240 14
OLC60 700 255 14
Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50
Proprietatea tehnilogica intra cu o pondere de 100
VA UREZ SUCCES
54
Compararea materialelor privind aceste costuri este esentiala
Se compara materialele intre ele
Este dificilSe ia un material de referinta
Costul relativ pe unitatea de proprietate a materialului candidat ldquoirdquo raportat la costul relativ pe unitatea de proprietate a materialului de referinta ldquobrdquo este dat de relatia
Daca CR este subunitar materialul candidat este mai ieftin decat materialul de referinta
Materialul de referinta este eliminat si materialul candidat se ia ca material de referinta pentru urmatoarea comparatie
Daca CR este supra unitar materialul candidat este mai scump decat materialul de referinta
Materialul de referinta se ia ca material de comparatie pentru urmatoarea analiza
55
METODA PONDERARII PROPRIETATILOR
Este o metoda pentru rezolvarea unor solutii mai comlexe de materiale materiale si proprietati
Fiecarei proprietati a materialului i se acorda o pondere rdquoαrdquo
Ponderea este proportionala cu importanta relativa a proprietatii pentru performanta in exploatare a materialului pentru aplicatia data
Ponderea proprietatii este egala cu produsul dintre valoarea numerica a proprietatii materialului ldquoprdquo si ponderea ei ldquoαrdquo
γ=pα
Insumand toate aceste produse pentru un material se obtine un indice de performanta ldquoPrdquo al materialului
Aceasta metoda ia in considerare toate proprietatile materialului
Comparand mai multe materiale prin indicele de performanta se poate gasi cel mai performant material pentru o aplicatie
56
Dezavantajul acestei metode consta in faptul ca in cazul unei proprietati care are o valoare ridicata aceasta v-a avea o influenta mai mare asupra indicelui de performanta decat ponderea ei
Exemplu Un material A care are Rm=370 MPa si o duritate de 350 HRB si un alt material B care are Rm=400 MPa si o duritate de 300 HRBStabilind ponderea proprietatii de 100 pentru rezistenta si 90 pentru duritate se obtine un indice de performanta de 68500 pentru material ul A si 67000 pentru materialul B
Inseamna ca impotriva importantei rezistentei la tractiune (ca fiind primul criteriu de selectie) si care este mai mare pentru materialul B indicele de performanta al materialului A este mai mare si deci acest material v-a fi selectat
La evaluarea materialelor candidat se va lucra cu valori relative ldquoβrdquo ale unei anumite proprietati celei mai mari valori a proprietatii atribuindu-se valoarea 100 iar celelalte valori relative se determina cu relatia
57
Pentru proprietatile materialelor care nu se exprima in mod obisnuit prin valori numerice (rezistenta la uzare sudabilitatea aschiabilitatea diferite proprietati tehnologice etc) evaluarea se poate face relativ la una dintre proprietati astfel
Astfel fiecarei proprietati I se acorda o importanta egalasi ea va influenta indicii de performanta ai materialelor doar comparate doar in masura ponderii acordate
Pentru proprietati ale caror valori se doreste a fi cat mai mici (densitatea pierderea de greutate prin coroziune etc) evaluarea se face printr-un raport invers
ProprietateaMateriale alternative
A B C D
Sudabilitatea Foarte buna Buna Buna Satisfacatoare
Evaluarea relativa 5 3 3 1
Valoarea scalata 100 60 60 20
58
Exemplu In ceea ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru rezistenta la tractiune a materialului A este de 925 Pentru al doilea material aceasta valoare este de 100 In ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru duritate aceasta este de 100 pentru materialul A si de 857 pentru materialul B
Acest lucru poate schimba situatia ierarhica a materialelor sau le poate apropia atat de mult indicele de performanta incat sa se puna problema luari in considerare si a altor elemente pentru selectie
Astfel indicele de performanta a materialului este dat de relatia
unde P reprezinta indicele de performanta a materialuluildquoirdquo este suma celor ldquonrdquo proprietati considerate a materialul ui
59
Ponderea α poate fi considerata ca αilt1 astfel incat
(cazul cel mai frecvent) sau ei I se poate aloca o plaja de valori valoarea cea mai mare
corespunzand proprietatii cu cea mai mare importanta
Costul materialului poate fi considerat ca o proprietate (chiar importanta) acordandui-se o pondere ldquoαrdquo
In cazul luarii in considerare a unui numar mare de proprietati costul poate fi considerat un factor de corectie al indicelui de performanta a materialului rezultand indicele de merit al acestuia
in care ldquoprdquo reprezinta costul unitatii de greutate a materialului
60
Cand se doreste compararea mai multor materiale candidat (i) cu unul de baza (de referinta) se calculeaza indicele relativ de merit al fiecarui material astfel
Daca RMgt1 respectivul material candidat ldquoirdquo corespunde mai bine cerintelor decat materialul de referinta ldquobrdquoIn cazul in care Mb reprezinta minimul cerintelor impuse Materialele candidat avand RMlt1 pot fi eliminate de la inceput ca fiind necorespunzatoare
Cand trebuie luate in considerare mai multe proprietati ale materialului pentru evaluarea indicelui de performanta este dificila evaluarea ponderii acestora Rezolvarea aceste probleme poate fi realizata printr-o evaluare prin programe numerice
61
METODA CRESTERII INCREMENTALE
In anumite situatii pot aparea mai multe materiale care indeplinesc cerintele minime impuse de o anumita aplicatie
Dupa analiza acestor materiale se poate presupune ca performantele pieselor prelucrate sunt proportionale cu indicii de performanta ldquoPrdquo In acelasi timp costul piesei variaza proportional cu costul materialului si al prelucrarii acestora
Daca se doreste selectarea piesei care are cea mai mare performanta la cea mai rezonabila crestere a costului se poate face o analiza beneficiu-cost Procedeul se ia indeosebi cand se doreste inlocuirea unui material utilizat deja in fabricatie
Materialul cu cel mai scazut cost (1) se ca element de baza si este comparat cu materialul care are costul imediat superior (2) Comparatia se face determinand cresterea indicelui de performanta (ΔP=P2-P1) si a costului ldquoprdquo pe unitatea de volum (Δpρ=p2ρ2-p1ρ1)
Daca ΔPΔpρlt1 materialul 1 corespunde mai bine decat materialul 2 pentru aplicatia data si materialul 2 va fi eliminatDaca ΔPΔpρgt1 materialul 1 va fi eliminat deoarece materialul 2 corespunde mai bine cerintelor aplicatieiSe continua compararea cu al treilea material si rand pe rand vor fi eliminate materialele mai putin corespunzatoare ajungand la materialul optim
62
EXEMPLU DE SELECTIE A MATERIALELOR
Tema Realizarea piesesei din figura dintr-un otel ldquoOL37rdquo intr-o serie mare de fabricatie-Este o piesa cilindrica cu dimensiunile date-Are un butuc-Prezinta o gaura lunga si de diametre mic
oslash200oslash50
150oslash20
Se poate realiza din bara rotunda prin strunjire
Se poate realiza din bara rotunda prin forjare
80
Coeficientul de utilizare a materialului 055
Coeficientul de utilizare a materialului 098
63
Diametrul mm Inaltime mm Volum mm3 Volum mm3Coeficientul de
utilizare a materialului
Semif Pornire 200 150 4710000 4710000
Strunjire
200 80 2512000
2602275 055=5550 35 137375
20 150 47100
Forjare
200 80 25120002649375
098=9850 35 137375
20 150 47100 2602275
Coeficientul de utilizare a materialului K=greutatea piesei finitegreutatea materialului utilizat pentru realizarea lui (a semifabricatului de pornire)
In calcul s-a lucrat cu volumul materialului deoarece G=VρAdaosuriele de prelucrare s-u luat ca fiind egaleApare un mult mai bun grad de utilizare a materialului pentr prelucrarea prin forjare
PIESA SE VA REALIZA PRIN FORJARE
64
1
2
3
5
6
4
9
8
F
107F
1-semimatrita superioara2-semimatrita inferioara3-cavitatea semimatritei sup4-cavitatea semimatritei inf5-canalul de bavura6-canalul de refulare7-prinderea semimatritei sup8-prinderea semimatritei inf9-elemente de ghidare (stifturi)10-planul de separare
TEMA Sa se stabileasca materialul optim pentru realizarea elementelor active ale matrtei de forjare din figura Se urmreste obtinerea piesei prin forjare la cald
CERINTE PENTRU PROIECTARE
Analiza schiteiFunctia Elemete (semimatrite) de matrita de deformare plasticaObiectiv Trebuie maximalizata tenacitatea (rezilienta)Constrangeri Dimensiunile cavitatii matritei (depind de marimea piesei) dimensiunile exterioare si sistemul de prindere (depind de utilaj temperatura de lucruVariabile libere material
65
Se cauta in sursele de informatii structurate si nestructurate materialele care respecta cerintele
Elemente de matrita
Rezistente la cald
Tenacitate Duritate
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Materialele potrivite sunt metalele si aliajele lor
-Materialele ceramice nu au tenacitate-Materialele polimerice nu au rezistenta la cald-Materialele compozite sunt scumpe si nu au tenacitate
Depinde de compozitia lor
Se cauta materiale cu destinatie precisa Materiale pentru scule de deformare
66
Din baza de date se constata ca urmatoarele materiale satisfac
cerintele rigide adica sa poata fi utilizate la prelucrarea la cald
Sunt materiale cu destinatie precisaDaca nu sunt materiale cu destinatie
precisa se cauta in grupa materialelor cu destinatie generala
Material Rm min MPa HV A5 KCU Jcm3
C120 890 265 8 60
VMoC120 870 265 8 68
VC06 870 230 6 68
VCW85 870 265 6 80
MoCN15 830 250 7 75
VMoCN17 870 265 7 73
VSCW20 790 235 5 78
OSC7 640 195 12 56
OSC8 640 195 10 58
67
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU Jcm3 βKCU Indicele de
performanta PC120 890 265 8 60 101450
VMoC120 870 265 8 68 100650
VC06 870 230 6 68 97400
VCW85 870 265 6 80 101750
MoCN15 830 250 7 75 96750
VMoCN17 870 265 7 73 101100
VSCW20 790 235 5 78 92400
OSC7 640 195 12 56 74950
OSC8 640 195 10 58 75050Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza peoprietatii
68
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU
Jcm3 βKCU Indicele de performanta P
C120 890 100 265 10000 8 6667 60 75 25017000
VMoC120 870 9775 265 10000 8 6667 68 85 2835015356
VC06 870 9775 230 8679 6 5000 68 85 2126563155
VCW85 870 9775 265 10000 6 5000 80 100 2501682022
MoCN15 830 9326 250 9434 7 5833 75 9375 2735970124
VMoCN17 870 9775 265 10000 7 5833 73 9125 2663140356
VSCW20 790 8876 235 8868 5 4167 78 975 2032758226
OSC7 640 7191 195 7358 12 10000 56 70 3501237545
OSC8 640 7191 195 7358 10 8333 58 725 3022070878Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza proprietatii relative
69
Material Indicele de performanta P
VSCW20 2032758226
VC06 2126563155
VCW85 2501682022
C120 25017000
VMoCN17 2663140356
MoCN15 2735970124
VMoC120 2835015356
OSC8 3022070878
OSC7 3501237545
Material Indicele de performanta P
OSC7 74950
OSC8 75050
VSCW20 92400
MoCN15 96750
VC06 97400
VMoC120 100650
VMoCN17 101100
C120 101450
VCW85 101750
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile proprietatii materialului
ordonate crescator
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile relative ale proprietatii materialului ordonate crescator
70
Luand in considerare ca unele materiale sunt aliate cu siguranta acestea sunt mai scumpe
Daca luam in considerare costul unitar pentru otelurile carbon de scule iar densitatea de 785 (corespunzatoare fierului) se obtine indicele de merit
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
OSC7 74950 1 95477707 114
OSC8 75050 1 956050955 114
VSCW20 92400 14 840764331 100
MoCN15 96750 14 880345769 105
VC06 97400 12 103397028 123
VMoC120 100650 13 986281235 117
VMoCN17 101100 14 919927207 109
C120 101450 15 861571125 102
VCW85 101750 14 925841674 110
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea proprietatii materialului
71
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
VSCW20 2032758226 14 184964352 100
VC06 2126563155 12 225749804 122
VCW85 2501682022 14 227632577 123
C120 25017000 15 212458599 115
VMoCN17 2663140356 14 242323963 131
MoCN15 2735970124 14 248950876 135
VMoC120 2835015356 13 277806502 150
OSC8 3022070878 1 384977182 208
OSC7 3501237545 1 446017522 241
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea relativa a proprietatii materialului
72
Selectati materialele potrivite pentru piesele din imagine
Randul I 1 Serie mare de fabricatie-6p Randul II Serie mica (unicat) de fabricatie-6p
Randul I 2 Criterii de selectie a materialelor-1p3 Etapele selectiei materialelor ndash 1p4 Economicitatea piesei ndash 1p5 Strategii de selectie a materialelor ndash 1p
Randul II 2 Tipuri de date utilizate la selectia materialelor-1p3 Cum se face minimalizarea costurilor-1p4 Perofmantele piesei in functionare ndash 1p5 Care sunt cerintele fata de material ndash 1p
SUBIECTE EXAMEN
73
Date privind principalele proprietati tehnologice ale unor materiale
Material
Valorile proprietatii
Aschiabilitate Turnabilitate Sudabilitate Cost
F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba $tona
Otel de constructii (OL) X X X 140
Otel carbon de calitate (OLC) X X X
260
Fonte obisnuite (Fc) X X X 160
Punctaje 60 30 10 60 30 10 60 30 10
Avand in vedere ca pretul creste odata cu rezistenta la tractiune calculati costul fiecarui material prin inmultirea costului de baza cu valoarea proprietatii si impartiti la 100
74
Materiale ce pot fi luate in considerare spre analiza
Material Rm HV A Material Rm HV A Material Rm HV A
OL30 310 95 32 OLC8 324 140 33 Fc100 100 105 2
OL32 310 93 33 OLC10 321 150 31 Fc150 150 145 3
OL34 330 105 31 OLC15 373 155 27 Fc200 200 180 4
OL37 360 112 25 OLC20 410 165 25 Fc250 250 190 4
OL42 410 130 22 OLC25 450 175 24 Fc300 300 210 5
OL44 430 135 22 OLC30 490 180 21 Fc350 350 220 6
OL50 500 160 21 OLC35 530 195 21 Fc400 400 240 6
OL52 510 160 21 OLC40 570 200 19
OL60 590 185 16 OLC45 610 220 18
OL70 690 215 11 OLC50 640 230 16
OLC55 670 240 14
OLC60 700 255 14
Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50
Proprietatea tehnilogica intra cu o pondere de 100
VA UREZ SUCCES
55
METODA PONDERARII PROPRIETATILOR
Este o metoda pentru rezolvarea unor solutii mai comlexe de materiale materiale si proprietati
Fiecarei proprietati a materialului i se acorda o pondere rdquoαrdquo
Ponderea este proportionala cu importanta relativa a proprietatii pentru performanta in exploatare a materialului pentru aplicatia data
Ponderea proprietatii este egala cu produsul dintre valoarea numerica a proprietatii materialului ldquoprdquo si ponderea ei ldquoαrdquo
γ=pα
Insumand toate aceste produse pentru un material se obtine un indice de performanta ldquoPrdquo al materialului
Aceasta metoda ia in considerare toate proprietatile materialului
Comparand mai multe materiale prin indicele de performanta se poate gasi cel mai performant material pentru o aplicatie
56
Dezavantajul acestei metode consta in faptul ca in cazul unei proprietati care are o valoare ridicata aceasta v-a avea o influenta mai mare asupra indicelui de performanta decat ponderea ei
Exemplu Un material A care are Rm=370 MPa si o duritate de 350 HRB si un alt material B care are Rm=400 MPa si o duritate de 300 HRBStabilind ponderea proprietatii de 100 pentru rezistenta si 90 pentru duritate se obtine un indice de performanta de 68500 pentru material ul A si 67000 pentru materialul B
Inseamna ca impotriva importantei rezistentei la tractiune (ca fiind primul criteriu de selectie) si care este mai mare pentru materialul B indicele de performanta al materialului A este mai mare si deci acest material v-a fi selectat
La evaluarea materialelor candidat se va lucra cu valori relative ldquoβrdquo ale unei anumite proprietati celei mai mari valori a proprietatii atribuindu-se valoarea 100 iar celelalte valori relative se determina cu relatia
57
Pentru proprietatile materialelor care nu se exprima in mod obisnuit prin valori numerice (rezistenta la uzare sudabilitatea aschiabilitatea diferite proprietati tehnologice etc) evaluarea se poate face relativ la una dintre proprietati astfel
Astfel fiecarei proprietati I se acorda o importanta egalasi ea va influenta indicii de performanta ai materialelor doar comparate doar in masura ponderii acordate
Pentru proprietati ale caror valori se doreste a fi cat mai mici (densitatea pierderea de greutate prin coroziune etc) evaluarea se face printr-un raport invers
ProprietateaMateriale alternative
A B C D
Sudabilitatea Foarte buna Buna Buna Satisfacatoare
Evaluarea relativa 5 3 3 1
Valoarea scalata 100 60 60 20
58
Exemplu In ceea ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru rezistenta la tractiune a materialului A este de 925 Pentru al doilea material aceasta valoare este de 100 In ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru duritate aceasta este de 100 pentru materialul A si de 857 pentru materialul B
Acest lucru poate schimba situatia ierarhica a materialelor sau le poate apropia atat de mult indicele de performanta incat sa se puna problema luari in considerare si a altor elemente pentru selectie
Astfel indicele de performanta a materialului este dat de relatia
unde P reprezinta indicele de performanta a materialuluildquoirdquo este suma celor ldquonrdquo proprietati considerate a materialul ui
59
Ponderea α poate fi considerata ca αilt1 astfel incat
(cazul cel mai frecvent) sau ei I se poate aloca o plaja de valori valoarea cea mai mare
corespunzand proprietatii cu cea mai mare importanta
Costul materialului poate fi considerat ca o proprietate (chiar importanta) acordandui-se o pondere ldquoαrdquo
In cazul luarii in considerare a unui numar mare de proprietati costul poate fi considerat un factor de corectie al indicelui de performanta a materialului rezultand indicele de merit al acestuia
in care ldquoprdquo reprezinta costul unitatii de greutate a materialului
60
Cand se doreste compararea mai multor materiale candidat (i) cu unul de baza (de referinta) se calculeaza indicele relativ de merit al fiecarui material astfel
Daca RMgt1 respectivul material candidat ldquoirdquo corespunde mai bine cerintelor decat materialul de referinta ldquobrdquoIn cazul in care Mb reprezinta minimul cerintelor impuse Materialele candidat avand RMlt1 pot fi eliminate de la inceput ca fiind necorespunzatoare
Cand trebuie luate in considerare mai multe proprietati ale materialului pentru evaluarea indicelui de performanta este dificila evaluarea ponderii acestora Rezolvarea aceste probleme poate fi realizata printr-o evaluare prin programe numerice
61
METODA CRESTERII INCREMENTALE
In anumite situatii pot aparea mai multe materiale care indeplinesc cerintele minime impuse de o anumita aplicatie
Dupa analiza acestor materiale se poate presupune ca performantele pieselor prelucrate sunt proportionale cu indicii de performanta ldquoPrdquo In acelasi timp costul piesei variaza proportional cu costul materialului si al prelucrarii acestora
Daca se doreste selectarea piesei care are cea mai mare performanta la cea mai rezonabila crestere a costului se poate face o analiza beneficiu-cost Procedeul se ia indeosebi cand se doreste inlocuirea unui material utilizat deja in fabricatie
Materialul cu cel mai scazut cost (1) se ca element de baza si este comparat cu materialul care are costul imediat superior (2) Comparatia se face determinand cresterea indicelui de performanta (ΔP=P2-P1) si a costului ldquoprdquo pe unitatea de volum (Δpρ=p2ρ2-p1ρ1)
Daca ΔPΔpρlt1 materialul 1 corespunde mai bine decat materialul 2 pentru aplicatia data si materialul 2 va fi eliminatDaca ΔPΔpρgt1 materialul 1 va fi eliminat deoarece materialul 2 corespunde mai bine cerintelor aplicatieiSe continua compararea cu al treilea material si rand pe rand vor fi eliminate materialele mai putin corespunzatoare ajungand la materialul optim
62
EXEMPLU DE SELECTIE A MATERIALELOR
Tema Realizarea piesesei din figura dintr-un otel ldquoOL37rdquo intr-o serie mare de fabricatie-Este o piesa cilindrica cu dimensiunile date-Are un butuc-Prezinta o gaura lunga si de diametre mic
oslash200oslash50
150oslash20
Se poate realiza din bara rotunda prin strunjire
Se poate realiza din bara rotunda prin forjare
80
Coeficientul de utilizare a materialului 055
Coeficientul de utilizare a materialului 098
63
Diametrul mm Inaltime mm Volum mm3 Volum mm3Coeficientul de
utilizare a materialului
Semif Pornire 200 150 4710000 4710000
Strunjire
200 80 2512000
2602275 055=5550 35 137375
20 150 47100
Forjare
200 80 25120002649375
098=9850 35 137375
20 150 47100 2602275
Coeficientul de utilizare a materialului K=greutatea piesei finitegreutatea materialului utilizat pentru realizarea lui (a semifabricatului de pornire)
In calcul s-a lucrat cu volumul materialului deoarece G=VρAdaosuriele de prelucrare s-u luat ca fiind egaleApare un mult mai bun grad de utilizare a materialului pentr prelucrarea prin forjare
PIESA SE VA REALIZA PRIN FORJARE
64
1
2
3
5
6
4
9
8
F
107F
1-semimatrita superioara2-semimatrita inferioara3-cavitatea semimatritei sup4-cavitatea semimatritei inf5-canalul de bavura6-canalul de refulare7-prinderea semimatritei sup8-prinderea semimatritei inf9-elemente de ghidare (stifturi)10-planul de separare
TEMA Sa se stabileasca materialul optim pentru realizarea elementelor active ale matrtei de forjare din figura Se urmreste obtinerea piesei prin forjare la cald
CERINTE PENTRU PROIECTARE
Analiza schiteiFunctia Elemete (semimatrite) de matrita de deformare plasticaObiectiv Trebuie maximalizata tenacitatea (rezilienta)Constrangeri Dimensiunile cavitatii matritei (depind de marimea piesei) dimensiunile exterioare si sistemul de prindere (depind de utilaj temperatura de lucruVariabile libere material
65
Se cauta in sursele de informatii structurate si nestructurate materialele care respecta cerintele
Elemente de matrita
Rezistente la cald
Tenacitate Duritate
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Materialele potrivite sunt metalele si aliajele lor
-Materialele ceramice nu au tenacitate-Materialele polimerice nu au rezistenta la cald-Materialele compozite sunt scumpe si nu au tenacitate
Depinde de compozitia lor
Se cauta materiale cu destinatie precisa Materiale pentru scule de deformare
66
Din baza de date se constata ca urmatoarele materiale satisfac
cerintele rigide adica sa poata fi utilizate la prelucrarea la cald
Sunt materiale cu destinatie precisaDaca nu sunt materiale cu destinatie
precisa se cauta in grupa materialelor cu destinatie generala
Material Rm min MPa HV A5 KCU Jcm3
C120 890 265 8 60
VMoC120 870 265 8 68
VC06 870 230 6 68
VCW85 870 265 6 80
MoCN15 830 250 7 75
VMoCN17 870 265 7 73
VSCW20 790 235 5 78
OSC7 640 195 12 56
OSC8 640 195 10 58
67
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU Jcm3 βKCU Indicele de
performanta PC120 890 265 8 60 101450
VMoC120 870 265 8 68 100650
VC06 870 230 6 68 97400
VCW85 870 265 6 80 101750
MoCN15 830 250 7 75 96750
VMoCN17 870 265 7 73 101100
VSCW20 790 235 5 78 92400
OSC7 640 195 12 56 74950
OSC8 640 195 10 58 75050Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza peoprietatii
68
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU
Jcm3 βKCU Indicele de performanta P
C120 890 100 265 10000 8 6667 60 75 25017000
VMoC120 870 9775 265 10000 8 6667 68 85 2835015356
VC06 870 9775 230 8679 6 5000 68 85 2126563155
VCW85 870 9775 265 10000 6 5000 80 100 2501682022
MoCN15 830 9326 250 9434 7 5833 75 9375 2735970124
VMoCN17 870 9775 265 10000 7 5833 73 9125 2663140356
VSCW20 790 8876 235 8868 5 4167 78 975 2032758226
OSC7 640 7191 195 7358 12 10000 56 70 3501237545
OSC8 640 7191 195 7358 10 8333 58 725 3022070878Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza proprietatii relative
69
Material Indicele de performanta P
VSCW20 2032758226
VC06 2126563155
VCW85 2501682022
C120 25017000
VMoCN17 2663140356
MoCN15 2735970124
VMoC120 2835015356
OSC8 3022070878
OSC7 3501237545
Material Indicele de performanta P
OSC7 74950
OSC8 75050
VSCW20 92400
MoCN15 96750
VC06 97400
VMoC120 100650
VMoCN17 101100
C120 101450
VCW85 101750
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile proprietatii materialului
ordonate crescator
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile relative ale proprietatii materialului ordonate crescator
70
Luand in considerare ca unele materiale sunt aliate cu siguranta acestea sunt mai scumpe
Daca luam in considerare costul unitar pentru otelurile carbon de scule iar densitatea de 785 (corespunzatoare fierului) se obtine indicele de merit
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
OSC7 74950 1 95477707 114
OSC8 75050 1 956050955 114
VSCW20 92400 14 840764331 100
MoCN15 96750 14 880345769 105
VC06 97400 12 103397028 123
VMoC120 100650 13 986281235 117
VMoCN17 101100 14 919927207 109
C120 101450 15 861571125 102
VCW85 101750 14 925841674 110
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea proprietatii materialului
71
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
VSCW20 2032758226 14 184964352 100
VC06 2126563155 12 225749804 122
VCW85 2501682022 14 227632577 123
C120 25017000 15 212458599 115
VMoCN17 2663140356 14 242323963 131
MoCN15 2735970124 14 248950876 135
VMoC120 2835015356 13 277806502 150
OSC8 3022070878 1 384977182 208
OSC7 3501237545 1 446017522 241
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea relativa a proprietatii materialului
72
Selectati materialele potrivite pentru piesele din imagine
Randul I 1 Serie mare de fabricatie-6p Randul II Serie mica (unicat) de fabricatie-6p
Randul I 2 Criterii de selectie a materialelor-1p3 Etapele selectiei materialelor ndash 1p4 Economicitatea piesei ndash 1p5 Strategii de selectie a materialelor ndash 1p
Randul II 2 Tipuri de date utilizate la selectia materialelor-1p3 Cum se face minimalizarea costurilor-1p4 Perofmantele piesei in functionare ndash 1p5 Care sunt cerintele fata de material ndash 1p
SUBIECTE EXAMEN
73
Date privind principalele proprietati tehnologice ale unor materiale
Material
Valorile proprietatii
Aschiabilitate Turnabilitate Sudabilitate Cost
F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba $tona
Otel de constructii (OL) X X X 140
Otel carbon de calitate (OLC) X X X
260
Fonte obisnuite (Fc) X X X 160
Punctaje 60 30 10 60 30 10 60 30 10
Avand in vedere ca pretul creste odata cu rezistenta la tractiune calculati costul fiecarui material prin inmultirea costului de baza cu valoarea proprietatii si impartiti la 100
74
Materiale ce pot fi luate in considerare spre analiza
Material Rm HV A Material Rm HV A Material Rm HV A
OL30 310 95 32 OLC8 324 140 33 Fc100 100 105 2
OL32 310 93 33 OLC10 321 150 31 Fc150 150 145 3
OL34 330 105 31 OLC15 373 155 27 Fc200 200 180 4
OL37 360 112 25 OLC20 410 165 25 Fc250 250 190 4
OL42 410 130 22 OLC25 450 175 24 Fc300 300 210 5
OL44 430 135 22 OLC30 490 180 21 Fc350 350 220 6
OL50 500 160 21 OLC35 530 195 21 Fc400 400 240 6
OL52 510 160 21 OLC40 570 200 19
OL60 590 185 16 OLC45 610 220 18
OL70 690 215 11 OLC50 640 230 16
OLC55 670 240 14
OLC60 700 255 14
Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50
Proprietatea tehnilogica intra cu o pondere de 100
VA UREZ SUCCES
56
Dezavantajul acestei metode consta in faptul ca in cazul unei proprietati care are o valoare ridicata aceasta v-a avea o influenta mai mare asupra indicelui de performanta decat ponderea ei
Exemplu Un material A care are Rm=370 MPa si o duritate de 350 HRB si un alt material B care are Rm=400 MPa si o duritate de 300 HRBStabilind ponderea proprietatii de 100 pentru rezistenta si 90 pentru duritate se obtine un indice de performanta de 68500 pentru material ul A si 67000 pentru materialul B
Inseamna ca impotriva importantei rezistentei la tractiune (ca fiind primul criteriu de selectie) si care este mai mare pentru materialul B indicele de performanta al materialului A este mai mare si deci acest material v-a fi selectat
La evaluarea materialelor candidat se va lucra cu valori relative ldquoβrdquo ale unei anumite proprietati celei mai mari valori a proprietatii atribuindu-se valoarea 100 iar celelalte valori relative se determina cu relatia
57
Pentru proprietatile materialelor care nu se exprima in mod obisnuit prin valori numerice (rezistenta la uzare sudabilitatea aschiabilitatea diferite proprietati tehnologice etc) evaluarea se poate face relativ la una dintre proprietati astfel
Astfel fiecarei proprietati I se acorda o importanta egalasi ea va influenta indicii de performanta ai materialelor doar comparate doar in masura ponderii acordate
Pentru proprietati ale caror valori se doreste a fi cat mai mici (densitatea pierderea de greutate prin coroziune etc) evaluarea se face printr-un raport invers
ProprietateaMateriale alternative
A B C D
Sudabilitatea Foarte buna Buna Buna Satisfacatoare
Evaluarea relativa 5 3 3 1
Valoarea scalata 100 60 60 20
58
Exemplu In ceea ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru rezistenta la tractiune a materialului A este de 925 Pentru al doilea material aceasta valoare este de 100 In ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru duritate aceasta este de 100 pentru materialul A si de 857 pentru materialul B
Acest lucru poate schimba situatia ierarhica a materialelor sau le poate apropia atat de mult indicele de performanta incat sa se puna problema luari in considerare si a altor elemente pentru selectie
Astfel indicele de performanta a materialului este dat de relatia
unde P reprezinta indicele de performanta a materialuluildquoirdquo este suma celor ldquonrdquo proprietati considerate a materialul ui
59
Ponderea α poate fi considerata ca αilt1 astfel incat
(cazul cel mai frecvent) sau ei I se poate aloca o plaja de valori valoarea cea mai mare
corespunzand proprietatii cu cea mai mare importanta
Costul materialului poate fi considerat ca o proprietate (chiar importanta) acordandui-se o pondere ldquoαrdquo
In cazul luarii in considerare a unui numar mare de proprietati costul poate fi considerat un factor de corectie al indicelui de performanta a materialului rezultand indicele de merit al acestuia
in care ldquoprdquo reprezinta costul unitatii de greutate a materialului
60
Cand se doreste compararea mai multor materiale candidat (i) cu unul de baza (de referinta) se calculeaza indicele relativ de merit al fiecarui material astfel
Daca RMgt1 respectivul material candidat ldquoirdquo corespunde mai bine cerintelor decat materialul de referinta ldquobrdquoIn cazul in care Mb reprezinta minimul cerintelor impuse Materialele candidat avand RMlt1 pot fi eliminate de la inceput ca fiind necorespunzatoare
Cand trebuie luate in considerare mai multe proprietati ale materialului pentru evaluarea indicelui de performanta este dificila evaluarea ponderii acestora Rezolvarea aceste probleme poate fi realizata printr-o evaluare prin programe numerice
61
METODA CRESTERII INCREMENTALE
In anumite situatii pot aparea mai multe materiale care indeplinesc cerintele minime impuse de o anumita aplicatie
Dupa analiza acestor materiale se poate presupune ca performantele pieselor prelucrate sunt proportionale cu indicii de performanta ldquoPrdquo In acelasi timp costul piesei variaza proportional cu costul materialului si al prelucrarii acestora
Daca se doreste selectarea piesei care are cea mai mare performanta la cea mai rezonabila crestere a costului se poate face o analiza beneficiu-cost Procedeul se ia indeosebi cand se doreste inlocuirea unui material utilizat deja in fabricatie
Materialul cu cel mai scazut cost (1) se ca element de baza si este comparat cu materialul care are costul imediat superior (2) Comparatia se face determinand cresterea indicelui de performanta (ΔP=P2-P1) si a costului ldquoprdquo pe unitatea de volum (Δpρ=p2ρ2-p1ρ1)
Daca ΔPΔpρlt1 materialul 1 corespunde mai bine decat materialul 2 pentru aplicatia data si materialul 2 va fi eliminatDaca ΔPΔpρgt1 materialul 1 va fi eliminat deoarece materialul 2 corespunde mai bine cerintelor aplicatieiSe continua compararea cu al treilea material si rand pe rand vor fi eliminate materialele mai putin corespunzatoare ajungand la materialul optim
62
EXEMPLU DE SELECTIE A MATERIALELOR
Tema Realizarea piesesei din figura dintr-un otel ldquoOL37rdquo intr-o serie mare de fabricatie-Este o piesa cilindrica cu dimensiunile date-Are un butuc-Prezinta o gaura lunga si de diametre mic
oslash200oslash50
150oslash20
Se poate realiza din bara rotunda prin strunjire
Se poate realiza din bara rotunda prin forjare
80
Coeficientul de utilizare a materialului 055
Coeficientul de utilizare a materialului 098
63
Diametrul mm Inaltime mm Volum mm3 Volum mm3Coeficientul de
utilizare a materialului
Semif Pornire 200 150 4710000 4710000
Strunjire
200 80 2512000
2602275 055=5550 35 137375
20 150 47100
Forjare
200 80 25120002649375
098=9850 35 137375
20 150 47100 2602275
Coeficientul de utilizare a materialului K=greutatea piesei finitegreutatea materialului utilizat pentru realizarea lui (a semifabricatului de pornire)
In calcul s-a lucrat cu volumul materialului deoarece G=VρAdaosuriele de prelucrare s-u luat ca fiind egaleApare un mult mai bun grad de utilizare a materialului pentr prelucrarea prin forjare
PIESA SE VA REALIZA PRIN FORJARE
64
1
2
3
5
6
4
9
8
F
107F
1-semimatrita superioara2-semimatrita inferioara3-cavitatea semimatritei sup4-cavitatea semimatritei inf5-canalul de bavura6-canalul de refulare7-prinderea semimatritei sup8-prinderea semimatritei inf9-elemente de ghidare (stifturi)10-planul de separare
TEMA Sa se stabileasca materialul optim pentru realizarea elementelor active ale matrtei de forjare din figura Se urmreste obtinerea piesei prin forjare la cald
CERINTE PENTRU PROIECTARE
Analiza schiteiFunctia Elemete (semimatrite) de matrita de deformare plasticaObiectiv Trebuie maximalizata tenacitatea (rezilienta)Constrangeri Dimensiunile cavitatii matritei (depind de marimea piesei) dimensiunile exterioare si sistemul de prindere (depind de utilaj temperatura de lucruVariabile libere material
65
Se cauta in sursele de informatii structurate si nestructurate materialele care respecta cerintele
Elemente de matrita
Rezistente la cald
Tenacitate Duritate
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Materialele potrivite sunt metalele si aliajele lor
-Materialele ceramice nu au tenacitate-Materialele polimerice nu au rezistenta la cald-Materialele compozite sunt scumpe si nu au tenacitate
Depinde de compozitia lor
Se cauta materiale cu destinatie precisa Materiale pentru scule de deformare
66
Din baza de date se constata ca urmatoarele materiale satisfac
cerintele rigide adica sa poata fi utilizate la prelucrarea la cald
Sunt materiale cu destinatie precisaDaca nu sunt materiale cu destinatie
precisa se cauta in grupa materialelor cu destinatie generala
Material Rm min MPa HV A5 KCU Jcm3
C120 890 265 8 60
VMoC120 870 265 8 68
VC06 870 230 6 68
VCW85 870 265 6 80
MoCN15 830 250 7 75
VMoCN17 870 265 7 73
VSCW20 790 235 5 78
OSC7 640 195 12 56
OSC8 640 195 10 58
67
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU Jcm3 βKCU Indicele de
performanta PC120 890 265 8 60 101450
VMoC120 870 265 8 68 100650
VC06 870 230 6 68 97400
VCW85 870 265 6 80 101750
MoCN15 830 250 7 75 96750
VMoCN17 870 265 7 73 101100
VSCW20 790 235 5 78 92400
OSC7 640 195 12 56 74950
OSC8 640 195 10 58 75050Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza peoprietatii
68
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU
Jcm3 βKCU Indicele de performanta P
C120 890 100 265 10000 8 6667 60 75 25017000
VMoC120 870 9775 265 10000 8 6667 68 85 2835015356
VC06 870 9775 230 8679 6 5000 68 85 2126563155
VCW85 870 9775 265 10000 6 5000 80 100 2501682022
MoCN15 830 9326 250 9434 7 5833 75 9375 2735970124
VMoCN17 870 9775 265 10000 7 5833 73 9125 2663140356
VSCW20 790 8876 235 8868 5 4167 78 975 2032758226
OSC7 640 7191 195 7358 12 10000 56 70 3501237545
OSC8 640 7191 195 7358 10 8333 58 725 3022070878Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza proprietatii relative
69
Material Indicele de performanta P
VSCW20 2032758226
VC06 2126563155
VCW85 2501682022
C120 25017000
VMoCN17 2663140356
MoCN15 2735970124
VMoC120 2835015356
OSC8 3022070878
OSC7 3501237545
Material Indicele de performanta P
OSC7 74950
OSC8 75050
VSCW20 92400
MoCN15 96750
VC06 97400
VMoC120 100650
VMoCN17 101100
C120 101450
VCW85 101750
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile proprietatii materialului
ordonate crescator
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile relative ale proprietatii materialului ordonate crescator
70
Luand in considerare ca unele materiale sunt aliate cu siguranta acestea sunt mai scumpe
Daca luam in considerare costul unitar pentru otelurile carbon de scule iar densitatea de 785 (corespunzatoare fierului) se obtine indicele de merit
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
OSC7 74950 1 95477707 114
OSC8 75050 1 956050955 114
VSCW20 92400 14 840764331 100
MoCN15 96750 14 880345769 105
VC06 97400 12 103397028 123
VMoC120 100650 13 986281235 117
VMoCN17 101100 14 919927207 109
C120 101450 15 861571125 102
VCW85 101750 14 925841674 110
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea proprietatii materialului
71
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
VSCW20 2032758226 14 184964352 100
VC06 2126563155 12 225749804 122
VCW85 2501682022 14 227632577 123
C120 25017000 15 212458599 115
VMoCN17 2663140356 14 242323963 131
MoCN15 2735970124 14 248950876 135
VMoC120 2835015356 13 277806502 150
OSC8 3022070878 1 384977182 208
OSC7 3501237545 1 446017522 241
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea relativa a proprietatii materialului
72
Selectati materialele potrivite pentru piesele din imagine
Randul I 1 Serie mare de fabricatie-6p Randul II Serie mica (unicat) de fabricatie-6p
Randul I 2 Criterii de selectie a materialelor-1p3 Etapele selectiei materialelor ndash 1p4 Economicitatea piesei ndash 1p5 Strategii de selectie a materialelor ndash 1p
Randul II 2 Tipuri de date utilizate la selectia materialelor-1p3 Cum se face minimalizarea costurilor-1p4 Perofmantele piesei in functionare ndash 1p5 Care sunt cerintele fata de material ndash 1p
SUBIECTE EXAMEN
73
Date privind principalele proprietati tehnologice ale unor materiale
Material
Valorile proprietatii
Aschiabilitate Turnabilitate Sudabilitate Cost
F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba $tona
Otel de constructii (OL) X X X 140
Otel carbon de calitate (OLC) X X X
260
Fonte obisnuite (Fc) X X X 160
Punctaje 60 30 10 60 30 10 60 30 10
Avand in vedere ca pretul creste odata cu rezistenta la tractiune calculati costul fiecarui material prin inmultirea costului de baza cu valoarea proprietatii si impartiti la 100
74
Materiale ce pot fi luate in considerare spre analiza
Material Rm HV A Material Rm HV A Material Rm HV A
OL30 310 95 32 OLC8 324 140 33 Fc100 100 105 2
OL32 310 93 33 OLC10 321 150 31 Fc150 150 145 3
OL34 330 105 31 OLC15 373 155 27 Fc200 200 180 4
OL37 360 112 25 OLC20 410 165 25 Fc250 250 190 4
OL42 410 130 22 OLC25 450 175 24 Fc300 300 210 5
OL44 430 135 22 OLC30 490 180 21 Fc350 350 220 6
OL50 500 160 21 OLC35 530 195 21 Fc400 400 240 6
OL52 510 160 21 OLC40 570 200 19
OL60 590 185 16 OLC45 610 220 18
OL70 690 215 11 OLC50 640 230 16
OLC55 670 240 14
OLC60 700 255 14
Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50
Proprietatea tehnilogica intra cu o pondere de 100
VA UREZ SUCCES
57
Pentru proprietatile materialelor care nu se exprima in mod obisnuit prin valori numerice (rezistenta la uzare sudabilitatea aschiabilitatea diferite proprietati tehnologice etc) evaluarea se poate face relativ la una dintre proprietati astfel
Astfel fiecarei proprietati I se acorda o importanta egalasi ea va influenta indicii de performanta ai materialelor doar comparate doar in masura ponderii acordate
Pentru proprietati ale caror valori se doreste a fi cat mai mici (densitatea pierderea de greutate prin coroziune etc) evaluarea se face printr-un raport invers
ProprietateaMateriale alternative
A B C D
Sudabilitatea Foarte buna Buna Buna Satisfacatoare
Evaluarea relativa 5 3 3 1
Valoarea scalata 100 60 60 20
58
Exemplu In ceea ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru rezistenta la tractiune a materialului A este de 925 Pentru al doilea material aceasta valoare este de 100 In ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru duritate aceasta este de 100 pentru materialul A si de 857 pentru materialul B
Acest lucru poate schimba situatia ierarhica a materialelor sau le poate apropia atat de mult indicele de performanta incat sa se puna problema luari in considerare si a altor elemente pentru selectie
Astfel indicele de performanta a materialului este dat de relatia
unde P reprezinta indicele de performanta a materialuluildquoirdquo este suma celor ldquonrdquo proprietati considerate a materialul ui
59
Ponderea α poate fi considerata ca αilt1 astfel incat
(cazul cel mai frecvent) sau ei I se poate aloca o plaja de valori valoarea cea mai mare
corespunzand proprietatii cu cea mai mare importanta
Costul materialului poate fi considerat ca o proprietate (chiar importanta) acordandui-se o pondere ldquoαrdquo
In cazul luarii in considerare a unui numar mare de proprietati costul poate fi considerat un factor de corectie al indicelui de performanta a materialului rezultand indicele de merit al acestuia
in care ldquoprdquo reprezinta costul unitatii de greutate a materialului
60
Cand se doreste compararea mai multor materiale candidat (i) cu unul de baza (de referinta) se calculeaza indicele relativ de merit al fiecarui material astfel
Daca RMgt1 respectivul material candidat ldquoirdquo corespunde mai bine cerintelor decat materialul de referinta ldquobrdquoIn cazul in care Mb reprezinta minimul cerintelor impuse Materialele candidat avand RMlt1 pot fi eliminate de la inceput ca fiind necorespunzatoare
Cand trebuie luate in considerare mai multe proprietati ale materialului pentru evaluarea indicelui de performanta este dificila evaluarea ponderii acestora Rezolvarea aceste probleme poate fi realizata printr-o evaluare prin programe numerice
61
METODA CRESTERII INCREMENTALE
In anumite situatii pot aparea mai multe materiale care indeplinesc cerintele minime impuse de o anumita aplicatie
Dupa analiza acestor materiale se poate presupune ca performantele pieselor prelucrate sunt proportionale cu indicii de performanta ldquoPrdquo In acelasi timp costul piesei variaza proportional cu costul materialului si al prelucrarii acestora
Daca se doreste selectarea piesei care are cea mai mare performanta la cea mai rezonabila crestere a costului se poate face o analiza beneficiu-cost Procedeul se ia indeosebi cand se doreste inlocuirea unui material utilizat deja in fabricatie
Materialul cu cel mai scazut cost (1) se ca element de baza si este comparat cu materialul care are costul imediat superior (2) Comparatia se face determinand cresterea indicelui de performanta (ΔP=P2-P1) si a costului ldquoprdquo pe unitatea de volum (Δpρ=p2ρ2-p1ρ1)
Daca ΔPΔpρlt1 materialul 1 corespunde mai bine decat materialul 2 pentru aplicatia data si materialul 2 va fi eliminatDaca ΔPΔpρgt1 materialul 1 va fi eliminat deoarece materialul 2 corespunde mai bine cerintelor aplicatieiSe continua compararea cu al treilea material si rand pe rand vor fi eliminate materialele mai putin corespunzatoare ajungand la materialul optim
62
EXEMPLU DE SELECTIE A MATERIALELOR
Tema Realizarea piesesei din figura dintr-un otel ldquoOL37rdquo intr-o serie mare de fabricatie-Este o piesa cilindrica cu dimensiunile date-Are un butuc-Prezinta o gaura lunga si de diametre mic
oslash200oslash50
150oslash20
Se poate realiza din bara rotunda prin strunjire
Se poate realiza din bara rotunda prin forjare
80
Coeficientul de utilizare a materialului 055
Coeficientul de utilizare a materialului 098
63
Diametrul mm Inaltime mm Volum mm3 Volum mm3Coeficientul de
utilizare a materialului
Semif Pornire 200 150 4710000 4710000
Strunjire
200 80 2512000
2602275 055=5550 35 137375
20 150 47100
Forjare
200 80 25120002649375
098=9850 35 137375
20 150 47100 2602275
Coeficientul de utilizare a materialului K=greutatea piesei finitegreutatea materialului utilizat pentru realizarea lui (a semifabricatului de pornire)
In calcul s-a lucrat cu volumul materialului deoarece G=VρAdaosuriele de prelucrare s-u luat ca fiind egaleApare un mult mai bun grad de utilizare a materialului pentr prelucrarea prin forjare
PIESA SE VA REALIZA PRIN FORJARE
64
1
2
3
5
6
4
9
8
F
107F
1-semimatrita superioara2-semimatrita inferioara3-cavitatea semimatritei sup4-cavitatea semimatritei inf5-canalul de bavura6-canalul de refulare7-prinderea semimatritei sup8-prinderea semimatritei inf9-elemente de ghidare (stifturi)10-planul de separare
TEMA Sa se stabileasca materialul optim pentru realizarea elementelor active ale matrtei de forjare din figura Se urmreste obtinerea piesei prin forjare la cald
CERINTE PENTRU PROIECTARE
Analiza schiteiFunctia Elemete (semimatrite) de matrita de deformare plasticaObiectiv Trebuie maximalizata tenacitatea (rezilienta)Constrangeri Dimensiunile cavitatii matritei (depind de marimea piesei) dimensiunile exterioare si sistemul de prindere (depind de utilaj temperatura de lucruVariabile libere material
65
Se cauta in sursele de informatii structurate si nestructurate materialele care respecta cerintele
Elemente de matrita
Rezistente la cald
Tenacitate Duritate
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Materialele potrivite sunt metalele si aliajele lor
-Materialele ceramice nu au tenacitate-Materialele polimerice nu au rezistenta la cald-Materialele compozite sunt scumpe si nu au tenacitate
Depinde de compozitia lor
Se cauta materiale cu destinatie precisa Materiale pentru scule de deformare
66
Din baza de date se constata ca urmatoarele materiale satisfac
cerintele rigide adica sa poata fi utilizate la prelucrarea la cald
Sunt materiale cu destinatie precisaDaca nu sunt materiale cu destinatie
precisa se cauta in grupa materialelor cu destinatie generala
Material Rm min MPa HV A5 KCU Jcm3
C120 890 265 8 60
VMoC120 870 265 8 68
VC06 870 230 6 68
VCW85 870 265 6 80
MoCN15 830 250 7 75
VMoCN17 870 265 7 73
VSCW20 790 235 5 78
OSC7 640 195 12 56
OSC8 640 195 10 58
67
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU Jcm3 βKCU Indicele de
performanta PC120 890 265 8 60 101450
VMoC120 870 265 8 68 100650
VC06 870 230 6 68 97400
VCW85 870 265 6 80 101750
MoCN15 830 250 7 75 96750
VMoCN17 870 265 7 73 101100
VSCW20 790 235 5 78 92400
OSC7 640 195 12 56 74950
OSC8 640 195 10 58 75050Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza peoprietatii
68
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU
Jcm3 βKCU Indicele de performanta P
C120 890 100 265 10000 8 6667 60 75 25017000
VMoC120 870 9775 265 10000 8 6667 68 85 2835015356
VC06 870 9775 230 8679 6 5000 68 85 2126563155
VCW85 870 9775 265 10000 6 5000 80 100 2501682022
MoCN15 830 9326 250 9434 7 5833 75 9375 2735970124
VMoCN17 870 9775 265 10000 7 5833 73 9125 2663140356
VSCW20 790 8876 235 8868 5 4167 78 975 2032758226
OSC7 640 7191 195 7358 12 10000 56 70 3501237545
OSC8 640 7191 195 7358 10 8333 58 725 3022070878Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza proprietatii relative
69
Material Indicele de performanta P
VSCW20 2032758226
VC06 2126563155
VCW85 2501682022
C120 25017000
VMoCN17 2663140356
MoCN15 2735970124
VMoC120 2835015356
OSC8 3022070878
OSC7 3501237545
Material Indicele de performanta P
OSC7 74950
OSC8 75050
VSCW20 92400
MoCN15 96750
VC06 97400
VMoC120 100650
VMoCN17 101100
C120 101450
VCW85 101750
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile proprietatii materialului
ordonate crescator
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile relative ale proprietatii materialului ordonate crescator
70
Luand in considerare ca unele materiale sunt aliate cu siguranta acestea sunt mai scumpe
Daca luam in considerare costul unitar pentru otelurile carbon de scule iar densitatea de 785 (corespunzatoare fierului) se obtine indicele de merit
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
OSC7 74950 1 95477707 114
OSC8 75050 1 956050955 114
VSCW20 92400 14 840764331 100
MoCN15 96750 14 880345769 105
VC06 97400 12 103397028 123
VMoC120 100650 13 986281235 117
VMoCN17 101100 14 919927207 109
C120 101450 15 861571125 102
VCW85 101750 14 925841674 110
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea proprietatii materialului
71
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
VSCW20 2032758226 14 184964352 100
VC06 2126563155 12 225749804 122
VCW85 2501682022 14 227632577 123
C120 25017000 15 212458599 115
VMoCN17 2663140356 14 242323963 131
MoCN15 2735970124 14 248950876 135
VMoC120 2835015356 13 277806502 150
OSC8 3022070878 1 384977182 208
OSC7 3501237545 1 446017522 241
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea relativa a proprietatii materialului
72
Selectati materialele potrivite pentru piesele din imagine
Randul I 1 Serie mare de fabricatie-6p Randul II Serie mica (unicat) de fabricatie-6p
Randul I 2 Criterii de selectie a materialelor-1p3 Etapele selectiei materialelor ndash 1p4 Economicitatea piesei ndash 1p5 Strategii de selectie a materialelor ndash 1p
Randul II 2 Tipuri de date utilizate la selectia materialelor-1p3 Cum se face minimalizarea costurilor-1p4 Perofmantele piesei in functionare ndash 1p5 Care sunt cerintele fata de material ndash 1p
SUBIECTE EXAMEN
73
Date privind principalele proprietati tehnologice ale unor materiale
Material
Valorile proprietatii
Aschiabilitate Turnabilitate Sudabilitate Cost
F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba $tona
Otel de constructii (OL) X X X 140
Otel carbon de calitate (OLC) X X X
260
Fonte obisnuite (Fc) X X X 160
Punctaje 60 30 10 60 30 10 60 30 10
Avand in vedere ca pretul creste odata cu rezistenta la tractiune calculati costul fiecarui material prin inmultirea costului de baza cu valoarea proprietatii si impartiti la 100
74
Materiale ce pot fi luate in considerare spre analiza
Material Rm HV A Material Rm HV A Material Rm HV A
OL30 310 95 32 OLC8 324 140 33 Fc100 100 105 2
OL32 310 93 33 OLC10 321 150 31 Fc150 150 145 3
OL34 330 105 31 OLC15 373 155 27 Fc200 200 180 4
OL37 360 112 25 OLC20 410 165 25 Fc250 250 190 4
OL42 410 130 22 OLC25 450 175 24 Fc300 300 210 5
OL44 430 135 22 OLC30 490 180 21 Fc350 350 220 6
OL50 500 160 21 OLC35 530 195 21 Fc400 400 240 6
OL52 510 160 21 OLC40 570 200 19
OL60 590 185 16 OLC45 610 220 18
OL70 690 215 11 OLC50 640 230 16
OLC55 670 240 14
OLC60 700 255 14
Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50
Proprietatea tehnilogica intra cu o pondere de 100
VA UREZ SUCCES
58
Exemplu In ceea ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru rezistenta la tractiune a materialului A este de 925 Pentru al doilea material aceasta valoare este de 100 In ce priveste valoarea relativa a proprietatii β pentru duritate aceasta este de 100 pentru materialul A si de 857 pentru materialul B
Acest lucru poate schimba situatia ierarhica a materialelor sau le poate apropia atat de mult indicele de performanta incat sa se puna problema luari in considerare si a altor elemente pentru selectie
Astfel indicele de performanta a materialului este dat de relatia
unde P reprezinta indicele de performanta a materialuluildquoirdquo este suma celor ldquonrdquo proprietati considerate a materialul ui
59
Ponderea α poate fi considerata ca αilt1 astfel incat
(cazul cel mai frecvent) sau ei I se poate aloca o plaja de valori valoarea cea mai mare
corespunzand proprietatii cu cea mai mare importanta
Costul materialului poate fi considerat ca o proprietate (chiar importanta) acordandui-se o pondere ldquoαrdquo
In cazul luarii in considerare a unui numar mare de proprietati costul poate fi considerat un factor de corectie al indicelui de performanta a materialului rezultand indicele de merit al acestuia
in care ldquoprdquo reprezinta costul unitatii de greutate a materialului
60
Cand se doreste compararea mai multor materiale candidat (i) cu unul de baza (de referinta) se calculeaza indicele relativ de merit al fiecarui material astfel
Daca RMgt1 respectivul material candidat ldquoirdquo corespunde mai bine cerintelor decat materialul de referinta ldquobrdquoIn cazul in care Mb reprezinta minimul cerintelor impuse Materialele candidat avand RMlt1 pot fi eliminate de la inceput ca fiind necorespunzatoare
Cand trebuie luate in considerare mai multe proprietati ale materialului pentru evaluarea indicelui de performanta este dificila evaluarea ponderii acestora Rezolvarea aceste probleme poate fi realizata printr-o evaluare prin programe numerice
61
METODA CRESTERII INCREMENTALE
In anumite situatii pot aparea mai multe materiale care indeplinesc cerintele minime impuse de o anumita aplicatie
Dupa analiza acestor materiale se poate presupune ca performantele pieselor prelucrate sunt proportionale cu indicii de performanta ldquoPrdquo In acelasi timp costul piesei variaza proportional cu costul materialului si al prelucrarii acestora
Daca se doreste selectarea piesei care are cea mai mare performanta la cea mai rezonabila crestere a costului se poate face o analiza beneficiu-cost Procedeul se ia indeosebi cand se doreste inlocuirea unui material utilizat deja in fabricatie
Materialul cu cel mai scazut cost (1) se ca element de baza si este comparat cu materialul care are costul imediat superior (2) Comparatia se face determinand cresterea indicelui de performanta (ΔP=P2-P1) si a costului ldquoprdquo pe unitatea de volum (Δpρ=p2ρ2-p1ρ1)
Daca ΔPΔpρlt1 materialul 1 corespunde mai bine decat materialul 2 pentru aplicatia data si materialul 2 va fi eliminatDaca ΔPΔpρgt1 materialul 1 va fi eliminat deoarece materialul 2 corespunde mai bine cerintelor aplicatieiSe continua compararea cu al treilea material si rand pe rand vor fi eliminate materialele mai putin corespunzatoare ajungand la materialul optim
62
EXEMPLU DE SELECTIE A MATERIALELOR
Tema Realizarea piesesei din figura dintr-un otel ldquoOL37rdquo intr-o serie mare de fabricatie-Este o piesa cilindrica cu dimensiunile date-Are un butuc-Prezinta o gaura lunga si de diametre mic
oslash200oslash50
150oslash20
Se poate realiza din bara rotunda prin strunjire
Se poate realiza din bara rotunda prin forjare
80
Coeficientul de utilizare a materialului 055
Coeficientul de utilizare a materialului 098
63
Diametrul mm Inaltime mm Volum mm3 Volum mm3Coeficientul de
utilizare a materialului
Semif Pornire 200 150 4710000 4710000
Strunjire
200 80 2512000
2602275 055=5550 35 137375
20 150 47100
Forjare
200 80 25120002649375
098=9850 35 137375
20 150 47100 2602275
Coeficientul de utilizare a materialului K=greutatea piesei finitegreutatea materialului utilizat pentru realizarea lui (a semifabricatului de pornire)
In calcul s-a lucrat cu volumul materialului deoarece G=VρAdaosuriele de prelucrare s-u luat ca fiind egaleApare un mult mai bun grad de utilizare a materialului pentr prelucrarea prin forjare
PIESA SE VA REALIZA PRIN FORJARE
64
1
2
3
5
6
4
9
8
F
107F
1-semimatrita superioara2-semimatrita inferioara3-cavitatea semimatritei sup4-cavitatea semimatritei inf5-canalul de bavura6-canalul de refulare7-prinderea semimatritei sup8-prinderea semimatritei inf9-elemente de ghidare (stifturi)10-planul de separare
TEMA Sa se stabileasca materialul optim pentru realizarea elementelor active ale matrtei de forjare din figura Se urmreste obtinerea piesei prin forjare la cald
CERINTE PENTRU PROIECTARE
Analiza schiteiFunctia Elemete (semimatrite) de matrita de deformare plasticaObiectiv Trebuie maximalizata tenacitatea (rezilienta)Constrangeri Dimensiunile cavitatii matritei (depind de marimea piesei) dimensiunile exterioare si sistemul de prindere (depind de utilaj temperatura de lucruVariabile libere material
65
Se cauta in sursele de informatii structurate si nestructurate materialele care respecta cerintele
Elemente de matrita
Rezistente la cald
Tenacitate Duritate
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Materialele potrivite sunt metalele si aliajele lor
-Materialele ceramice nu au tenacitate-Materialele polimerice nu au rezistenta la cald-Materialele compozite sunt scumpe si nu au tenacitate
Depinde de compozitia lor
Se cauta materiale cu destinatie precisa Materiale pentru scule de deformare
66
Din baza de date se constata ca urmatoarele materiale satisfac
cerintele rigide adica sa poata fi utilizate la prelucrarea la cald
Sunt materiale cu destinatie precisaDaca nu sunt materiale cu destinatie
precisa se cauta in grupa materialelor cu destinatie generala
Material Rm min MPa HV A5 KCU Jcm3
C120 890 265 8 60
VMoC120 870 265 8 68
VC06 870 230 6 68
VCW85 870 265 6 80
MoCN15 830 250 7 75
VMoCN17 870 265 7 73
VSCW20 790 235 5 78
OSC7 640 195 12 56
OSC8 640 195 10 58
67
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU Jcm3 βKCU Indicele de
performanta PC120 890 265 8 60 101450
VMoC120 870 265 8 68 100650
VC06 870 230 6 68 97400
VCW85 870 265 6 80 101750
MoCN15 830 250 7 75 96750
VMoCN17 870 265 7 73 101100
VSCW20 790 235 5 78 92400
OSC7 640 195 12 56 74950
OSC8 640 195 10 58 75050Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza peoprietatii
68
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU
Jcm3 βKCU Indicele de performanta P
C120 890 100 265 10000 8 6667 60 75 25017000
VMoC120 870 9775 265 10000 8 6667 68 85 2835015356
VC06 870 9775 230 8679 6 5000 68 85 2126563155
VCW85 870 9775 265 10000 6 5000 80 100 2501682022
MoCN15 830 9326 250 9434 7 5833 75 9375 2735970124
VMoCN17 870 9775 265 10000 7 5833 73 9125 2663140356
VSCW20 790 8876 235 8868 5 4167 78 975 2032758226
OSC7 640 7191 195 7358 12 10000 56 70 3501237545
OSC8 640 7191 195 7358 10 8333 58 725 3022070878Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza proprietatii relative
69
Material Indicele de performanta P
VSCW20 2032758226
VC06 2126563155
VCW85 2501682022
C120 25017000
VMoCN17 2663140356
MoCN15 2735970124
VMoC120 2835015356
OSC8 3022070878
OSC7 3501237545
Material Indicele de performanta P
OSC7 74950
OSC8 75050
VSCW20 92400
MoCN15 96750
VC06 97400
VMoC120 100650
VMoCN17 101100
C120 101450
VCW85 101750
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile proprietatii materialului
ordonate crescator
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile relative ale proprietatii materialului ordonate crescator
70
Luand in considerare ca unele materiale sunt aliate cu siguranta acestea sunt mai scumpe
Daca luam in considerare costul unitar pentru otelurile carbon de scule iar densitatea de 785 (corespunzatoare fierului) se obtine indicele de merit
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
OSC7 74950 1 95477707 114
OSC8 75050 1 956050955 114
VSCW20 92400 14 840764331 100
MoCN15 96750 14 880345769 105
VC06 97400 12 103397028 123
VMoC120 100650 13 986281235 117
VMoCN17 101100 14 919927207 109
C120 101450 15 861571125 102
VCW85 101750 14 925841674 110
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea proprietatii materialului
71
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
VSCW20 2032758226 14 184964352 100
VC06 2126563155 12 225749804 122
VCW85 2501682022 14 227632577 123
C120 25017000 15 212458599 115
VMoCN17 2663140356 14 242323963 131
MoCN15 2735970124 14 248950876 135
VMoC120 2835015356 13 277806502 150
OSC8 3022070878 1 384977182 208
OSC7 3501237545 1 446017522 241
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea relativa a proprietatii materialului
72
Selectati materialele potrivite pentru piesele din imagine
Randul I 1 Serie mare de fabricatie-6p Randul II Serie mica (unicat) de fabricatie-6p
Randul I 2 Criterii de selectie a materialelor-1p3 Etapele selectiei materialelor ndash 1p4 Economicitatea piesei ndash 1p5 Strategii de selectie a materialelor ndash 1p
Randul II 2 Tipuri de date utilizate la selectia materialelor-1p3 Cum se face minimalizarea costurilor-1p4 Perofmantele piesei in functionare ndash 1p5 Care sunt cerintele fata de material ndash 1p
SUBIECTE EXAMEN
73
Date privind principalele proprietati tehnologice ale unor materiale
Material
Valorile proprietatii
Aschiabilitate Turnabilitate Sudabilitate Cost
F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba $tona
Otel de constructii (OL) X X X 140
Otel carbon de calitate (OLC) X X X
260
Fonte obisnuite (Fc) X X X 160
Punctaje 60 30 10 60 30 10 60 30 10
Avand in vedere ca pretul creste odata cu rezistenta la tractiune calculati costul fiecarui material prin inmultirea costului de baza cu valoarea proprietatii si impartiti la 100
74
Materiale ce pot fi luate in considerare spre analiza
Material Rm HV A Material Rm HV A Material Rm HV A
OL30 310 95 32 OLC8 324 140 33 Fc100 100 105 2
OL32 310 93 33 OLC10 321 150 31 Fc150 150 145 3
OL34 330 105 31 OLC15 373 155 27 Fc200 200 180 4
OL37 360 112 25 OLC20 410 165 25 Fc250 250 190 4
OL42 410 130 22 OLC25 450 175 24 Fc300 300 210 5
OL44 430 135 22 OLC30 490 180 21 Fc350 350 220 6
OL50 500 160 21 OLC35 530 195 21 Fc400 400 240 6
OL52 510 160 21 OLC40 570 200 19
OL60 590 185 16 OLC45 610 220 18
OL70 690 215 11 OLC50 640 230 16
OLC55 670 240 14
OLC60 700 255 14
Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50
Proprietatea tehnilogica intra cu o pondere de 100
VA UREZ SUCCES
59
Ponderea α poate fi considerata ca αilt1 astfel incat
(cazul cel mai frecvent) sau ei I se poate aloca o plaja de valori valoarea cea mai mare
corespunzand proprietatii cu cea mai mare importanta
Costul materialului poate fi considerat ca o proprietate (chiar importanta) acordandui-se o pondere ldquoαrdquo
In cazul luarii in considerare a unui numar mare de proprietati costul poate fi considerat un factor de corectie al indicelui de performanta a materialului rezultand indicele de merit al acestuia
in care ldquoprdquo reprezinta costul unitatii de greutate a materialului
60
Cand se doreste compararea mai multor materiale candidat (i) cu unul de baza (de referinta) se calculeaza indicele relativ de merit al fiecarui material astfel
Daca RMgt1 respectivul material candidat ldquoirdquo corespunde mai bine cerintelor decat materialul de referinta ldquobrdquoIn cazul in care Mb reprezinta minimul cerintelor impuse Materialele candidat avand RMlt1 pot fi eliminate de la inceput ca fiind necorespunzatoare
Cand trebuie luate in considerare mai multe proprietati ale materialului pentru evaluarea indicelui de performanta este dificila evaluarea ponderii acestora Rezolvarea aceste probleme poate fi realizata printr-o evaluare prin programe numerice
61
METODA CRESTERII INCREMENTALE
In anumite situatii pot aparea mai multe materiale care indeplinesc cerintele minime impuse de o anumita aplicatie
Dupa analiza acestor materiale se poate presupune ca performantele pieselor prelucrate sunt proportionale cu indicii de performanta ldquoPrdquo In acelasi timp costul piesei variaza proportional cu costul materialului si al prelucrarii acestora
Daca se doreste selectarea piesei care are cea mai mare performanta la cea mai rezonabila crestere a costului se poate face o analiza beneficiu-cost Procedeul se ia indeosebi cand se doreste inlocuirea unui material utilizat deja in fabricatie
Materialul cu cel mai scazut cost (1) se ca element de baza si este comparat cu materialul care are costul imediat superior (2) Comparatia se face determinand cresterea indicelui de performanta (ΔP=P2-P1) si a costului ldquoprdquo pe unitatea de volum (Δpρ=p2ρ2-p1ρ1)
Daca ΔPΔpρlt1 materialul 1 corespunde mai bine decat materialul 2 pentru aplicatia data si materialul 2 va fi eliminatDaca ΔPΔpρgt1 materialul 1 va fi eliminat deoarece materialul 2 corespunde mai bine cerintelor aplicatieiSe continua compararea cu al treilea material si rand pe rand vor fi eliminate materialele mai putin corespunzatoare ajungand la materialul optim
62
EXEMPLU DE SELECTIE A MATERIALELOR
Tema Realizarea piesesei din figura dintr-un otel ldquoOL37rdquo intr-o serie mare de fabricatie-Este o piesa cilindrica cu dimensiunile date-Are un butuc-Prezinta o gaura lunga si de diametre mic
oslash200oslash50
150oslash20
Se poate realiza din bara rotunda prin strunjire
Se poate realiza din bara rotunda prin forjare
80
Coeficientul de utilizare a materialului 055
Coeficientul de utilizare a materialului 098
63
Diametrul mm Inaltime mm Volum mm3 Volum mm3Coeficientul de
utilizare a materialului
Semif Pornire 200 150 4710000 4710000
Strunjire
200 80 2512000
2602275 055=5550 35 137375
20 150 47100
Forjare
200 80 25120002649375
098=9850 35 137375
20 150 47100 2602275
Coeficientul de utilizare a materialului K=greutatea piesei finitegreutatea materialului utilizat pentru realizarea lui (a semifabricatului de pornire)
In calcul s-a lucrat cu volumul materialului deoarece G=VρAdaosuriele de prelucrare s-u luat ca fiind egaleApare un mult mai bun grad de utilizare a materialului pentr prelucrarea prin forjare
PIESA SE VA REALIZA PRIN FORJARE
64
1
2
3
5
6
4
9
8
F
107F
1-semimatrita superioara2-semimatrita inferioara3-cavitatea semimatritei sup4-cavitatea semimatritei inf5-canalul de bavura6-canalul de refulare7-prinderea semimatritei sup8-prinderea semimatritei inf9-elemente de ghidare (stifturi)10-planul de separare
TEMA Sa se stabileasca materialul optim pentru realizarea elementelor active ale matrtei de forjare din figura Se urmreste obtinerea piesei prin forjare la cald
CERINTE PENTRU PROIECTARE
Analiza schiteiFunctia Elemete (semimatrite) de matrita de deformare plasticaObiectiv Trebuie maximalizata tenacitatea (rezilienta)Constrangeri Dimensiunile cavitatii matritei (depind de marimea piesei) dimensiunile exterioare si sistemul de prindere (depind de utilaj temperatura de lucruVariabile libere material
65
Se cauta in sursele de informatii structurate si nestructurate materialele care respecta cerintele
Elemente de matrita
Rezistente la cald
Tenacitate Duritate
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Materialele potrivite sunt metalele si aliajele lor
-Materialele ceramice nu au tenacitate-Materialele polimerice nu au rezistenta la cald-Materialele compozite sunt scumpe si nu au tenacitate
Depinde de compozitia lor
Se cauta materiale cu destinatie precisa Materiale pentru scule de deformare
66
Din baza de date se constata ca urmatoarele materiale satisfac
cerintele rigide adica sa poata fi utilizate la prelucrarea la cald
Sunt materiale cu destinatie precisaDaca nu sunt materiale cu destinatie
precisa se cauta in grupa materialelor cu destinatie generala
Material Rm min MPa HV A5 KCU Jcm3
C120 890 265 8 60
VMoC120 870 265 8 68
VC06 870 230 6 68
VCW85 870 265 6 80
MoCN15 830 250 7 75
VMoCN17 870 265 7 73
VSCW20 790 235 5 78
OSC7 640 195 12 56
OSC8 640 195 10 58
67
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU Jcm3 βKCU Indicele de
performanta PC120 890 265 8 60 101450
VMoC120 870 265 8 68 100650
VC06 870 230 6 68 97400
VCW85 870 265 6 80 101750
MoCN15 830 250 7 75 96750
VMoCN17 870 265 7 73 101100
VSCW20 790 235 5 78 92400
OSC7 640 195 12 56 74950
OSC8 640 195 10 58 75050Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza peoprietatii
68
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU
Jcm3 βKCU Indicele de performanta P
C120 890 100 265 10000 8 6667 60 75 25017000
VMoC120 870 9775 265 10000 8 6667 68 85 2835015356
VC06 870 9775 230 8679 6 5000 68 85 2126563155
VCW85 870 9775 265 10000 6 5000 80 100 2501682022
MoCN15 830 9326 250 9434 7 5833 75 9375 2735970124
VMoCN17 870 9775 265 10000 7 5833 73 9125 2663140356
VSCW20 790 8876 235 8868 5 4167 78 975 2032758226
OSC7 640 7191 195 7358 12 10000 56 70 3501237545
OSC8 640 7191 195 7358 10 8333 58 725 3022070878Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza proprietatii relative
69
Material Indicele de performanta P
VSCW20 2032758226
VC06 2126563155
VCW85 2501682022
C120 25017000
VMoCN17 2663140356
MoCN15 2735970124
VMoC120 2835015356
OSC8 3022070878
OSC7 3501237545
Material Indicele de performanta P
OSC7 74950
OSC8 75050
VSCW20 92400
MoCN15 96750
VC06 97400
VMoC120 100650
VMoCN17 101100
C120 101450
VCW85 101750
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile proprietatii materialului
ordonate crescator
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile relative ale proprietatii materialului ordonate crescator
70
Luand in considerare ca unele materiale sunt aliate cu siguranta acestea sunt mai scumpe
Daca luam in considerare costul unitar pentru otelurile carbon de scule iar densitatea de 785 (corespunzatoare fierului) se obtine indicele de merit
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
OSC7 74950 1 95477707 114
OSC8 75050 1 956050955 114
VSCW20 92400 14 840764331 100
MoCN15 96750 14 880345769 105
VC06 97400 12 103397028 123
VMoC120 100650 13 986281235 117
VMoCN17 101100 14 919927207 109
C120 101450 15 861571125 102
VCW85 101750 14 925841674 110
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea proprietatii materialului
71
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
VSCW20 2032758226 14 184964352 100
VC06 2126563155 12 225749804 122
VCW85 2501682022 14 227632577 123
C120 25017000 15 212458599 115
VMoCN17 2663140356 14 242323963 131
MoCN15 2735970124 14 248950876 135
VMoC120 2835015356 13 277806502 150
OSC8 3022070878 1 384977182 208
OSC7 3501237545 1 446017522 241
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea relativa a proprietatii materialului
72
Selectati materialele potrivite pentru piesele din imagine
Randul I 1 Serie mare de fabricatie-6p Randul II Serie mica (unicat) de fabricatie-6p
Randul I 2 Criterii de selectie a materialelor-1p3 Etapele selectiei materialelor ndash 1p4 Economicitatea piesei ndash 1p5 Strategii de selectie a materialelor ndash 1p
Randul II 2 Tipuri de date utilizate la selectia materialelor-1p3 Cum se face minimalizarea costurilor-1p4 Perofmantele piesei in functionare ndash 1p5 Care sunt cerintele fata de material ndash 1p
SUBIECTE EXAMEN
73
Date privind principalele proprietati tehnologice ale unor materiale
Material
Valorile proprietatii
Aschiabilitate Turnabilitate Sudabilitate Cost
F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba $tona
Otel de constructii (OL) X X X 140
Otel carbon de calitate (OLC) X X X
260
Fonte obisnuite (Fc) X X X 160
Punctaje 60 30 10 60 30 10 60 30 10
Avand in vedere ca pretul creste odata cu rezistenta la tractiune calculati costul fiecarui material prin inmultirea costului de baza cu valoarea proprietatii si impartiti la 100
74
Materiale ce pot fi luate in considerare spre analiza
Material Rm HV A Material Rm HV A Material Rm HV A
OL30 310 95 32 OLC8 324 140 33 Fc100 100 105 2
OL32 310 93 33 OLC10 321 150 31 Fc150 150 145 3
OL34 330 105 31 OLC15 373 155 27 Fc200 200 180 4
OL37 360 112 25 OLC20 410 165 25 Fc250 250 190 4
OL42 410 130 22 OLC25 450 175 24 Fc300 300 210 5
OL44 430 135 22 OLC30 490 180 21 Fc350 350 220 6
OL50 500 160 21 OLC35 530 195 21 Fc400 400 240 6
OL52 510 160 21 OLC40 570 200 19
OL60 590 185 16 OLC45 610 220 18
OL70 690 215 11 OLC50 640 230 16
OLC55 670 240 14
OLC60 700 255 14
Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50
Proprietatea tehnilogica intra cu o pondere de 100
VA UREZ SUCCES
60
Cand se doreste compararea mai multor materiale candidat (i) cu unul de baza (de referinta) se calculeaza indicele relativ de merit al fiecarui material astfel
Daca RMgt1 respectivul material candidat ldquoirdquo corespunde mai bine cerintelor decat materialul de referinta ldquobrdquoIn cazul in care Mb reprezinta minimul cerintelor impuse Materialele candidat avand RMlt1 pot fi eliminate de la inceput ca fiind necorespunzatoare
Cand trebuie luate in considerare mai multe proprietati ale materialului pentru evaluarea indicelui de performanta este dificila evaluarea ponderii acestora Rezolvarea aceste probleme poate fi realizata printr-o evaluare prin programe numerice
61
METODA CRESTERII INCREMENTALE
In anumite situatii pot aparea mai multe materiale care indeplinesc cerintele minime impuse de o anumita aplicatie
Dupa analiza acestor materiale se poate presupune ca performantele pieselor prelucrate sunt proportionale cu indicii de performanta ldquoPrdquo In acelasi timp costul piesei variaza proportional cu costul materialului si al prelucrarii acestora
Daca se doreste selectarea piesei care are cea mai mare performanta la cea mai rezonabila crestere a costului se poate face o analiza beneficiu-cost Procedeul se ia indeosebi cand se doreste inlocuirea unui material utilizat deja in fabricatie
Materialul cu cel mai scazut cost (1) se ca element de baza si este comparat cu materialul care are costul imediat superior (2) Comparatia se face determinand cresterea indicelui de performanta (ΔP=P2-P1) si a costului ldquoprdquo pe unitatea de volum (Δpρ=p2ρ2-p1ρ1)
Daca ΔPΔpρlt1 materialul 1 corespunde mai bine decat materialul 2 pentru aplicatia data si materialul 2 va fi eliminatDaca ΔPΔpρgt1 materialul 1 va fi eliminat deoarece materialul 2 corespunde mai bine cerintelor aplicatieiSe continua compararea cu al treilea material si rand pe rand vor fi eliminate materialele mai putin corespunzatoare ajungand la materialul optim
62
EXEMPLU DE SELECTIE A MATERIALELOR
Tema Realizarea piesesei din figura dintr-un otel ldquoOL37rdquo intr-o serie mare de fabricatie-Este o piesa cilindrica cu dimensiunile date-Are un butuc-Prezinta o gaura lunga si de diametre mic
oslash200oslash50
150oslash20
Se poate realiza din bara rotunda prin strunjire
Se poate realiza din bara rotunda prin forjare
80
Coeficientul de utilizare a materialului 055
Coeficientul de utilizare a materialului 098
63
Diametrul mm Inaltime mm Volum mm3 Volum mm3Coeficientul de
utilizare a materialului
Semif Pornire 200 150 4710000 4710000
Strunjire
200 80 2512000
2602275 055=5550 35 137375
20 150 47100
Forjare
200 80 25120002649375
098=9850 35 137375
20 150 47100 2602275
Coeficientul de utilizare a materialului K=greutatea piesei finitegreutatea materialului utilizat pentru realizarea lui (a semifabricatului de pornire)
In calcul s-a lucrat cu volumul materialului deoarece G=VρAdaosuriele de prelucrare s-u luat ca fiind egaleApare un mult mai bun grad de utilizare a materialului pentr prelucrarea prin forjare
PIESA SE VA REALIZA PRIN FORJARE
64
1
2
3
5
6
4
9
8
F
107F
1-semimatrita superioara2-semimatrita inferioara3-cavitatea semimatritei sup4-cavitatea semimatritei inf5-canalul de bavura6-canalul de refulare7-prinderea semimatritei sup8-prinderea semimatritei inf9-elemente de ghidare (stifturi)10-planul de separare
TEMA Sa se stabileasca materialul optim pentru realizarea elementelor active ale matrtei de forjare din figura Se urmreste obtinerea piesei prin forjare la cald
CERINTE PENTRU PROIECTARE
Analiza schiteiFunctia Elemete (semimatrite) de matrita de deformare plasticaObiectiv Trebuie maximalizata tenacitatea (rezilienta)Constrangeri Dimensiunile cavitatii matritei (depind de marimea piesei) dimensiunile exterioare si sistemul de prindere (depind de utilaj temperatura de lucruVariabile libere material
65
Se cauta in sursele de informatii structurate si nestructurate materialele care respecta cerintele
Elemente de matrita
Rezistente la cald
Tenacitate Duritate
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Materialele potrivite sunt metalele si aliajele lor
-Materialele ceramice nu au tenacitate-Materialele polimerice nu au rezistenta la cald-Materialele compozite sunt scumpe si nu au tenacitate
Depinde de compozitia lor
Se cauta materiale cu destinatie precisa Materiale pentru scule de deformare
66
Din baza de date se constata ca urmatoarele materiale satisfac
cerintele rigide adica sa poata fi utilizate la prelucrarea la cald
Sunt materiale cu destinatie precisaDaca nu sunt materiale cu destinatie
precisa se cauta in grupa materialelor cu destinatie generala
Material Rm min MPa HV A5 KCU Jcm3
C120 890 265 8 60
VMoC120 870 265 8 68
VC06 870 230 6 68
VCW85 870 265 6 80
MoCN15 830 250 7 75
VMoCN17 870 265 7 73
VSCW20 790 235 5 78
OSC7 640 195 12 56
OSC8 640 195 10 58
67
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU Jcm3 βKCU Indicele de
performanta PC120 890 265 8 60 101450
VMoC120 870 265 8 68 100650
VC06 870 230 6 68 97400
VCW85 870 265 6 80 101750
MoCN15 830 250 7 75 96750
VMoCN17 870 265 7 73 101100
VSCW20 790 235 5 78 92400
OSC7 640 195 12 56 74950
OSC8 640 195 10 58 75050Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza peoprietatii
68
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU
Jcm3 βKCU Indicele de performanta P
C120 890 100 265 10000 8 6667 60 75 25017000
VMoC120 870 9775 265 10000 8 6667 68 85 2835015356
VC06 870 9775 230 8679 6 5000 68 85 2126563155
VCW85 870 9775 265 10000 6 5000 80 100 2501682022
MoCN15 830 9326 250 9434 7 5833 75 9375 2735970124
VMoCN17 870 9775 265 10000 7 5833 73 9125 2663140356
VSCW20 790 8876 235 8868 5 4167 78 975 2032758226
OSC7 640 7191 195 7358 12 10000 56 70 3501237545
OSC8 640 7191 195 7358 10 8333 58 725 3022070878Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza proprietatii relative
69
Material Indicele de performanta P
VSCW20 2032758226
VC06 2126563155
VCW85 2501682022
C120 25017000
VMoCN17 2663140356
MoCN15 2735970124
VMoC120 2835015356
OSC8 3022070878
OSC7 3501237545
Material Indicele de performanta P
OSC7 74950
OSC8 75050
VSCW20 92400
MoCN15 96750
VC06 97400
VMoC120 100650
VMoCN17 101100
C120 101450
VCW85 101750
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile proprietatii materialului
ordonate crescator
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile relative ale proprietatii materialului ordonate crescator
70
Luand in considerare ca unele materiale sunt aliate cu siguranta acestea sunt mai scumpe
Daca luam in considerare costul unitar pentru otelurile carbon de scule iar densitatea de 785 (corespunzatoare fierului) se obtine indicele de merit
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
OSC7 74950 1 95477707 114
OSC8 75050 1 956050955 114
VSCW20 92400 14 840764331 100
MoCN15 96750 14 880345769 105
VC06 97400 12 103397028 123
VMoC120 100650 13 986281235 117
VMoCN17 101100 14 919927207 109
C120 101450 15 861571125 102
VCW85 101750 14 925841674 110
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea proprietatii materialului
71
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
VSCW20 2032758226 14 184964352 100
VC06 2126563155 12 225749804 122
VCW85 2501682022 14 227632577 123
C120 25017000 15 212458599 115
VMoCN17 2663140356 14 242323963 131
MoCN15 2735970124 14 248950876 135
VMoC120 2835015356 13 277806502 150
OSC8 3022070878 1 384977182 208
OSC7 3501237545 1 446017522 241
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea relativa a proprietatii materialului
72
Selectati materialele potrivite pentru piesele din imagine
Randul I 1 Serie mare de fabricatie-6p Randul II Serie mica (unicat) de fabricatie-6p
Randul I 2 Criterii de selectie a materialelor-1p3 Etapele selectiei materialelor ndash 1p4 Economicitatea piesei ndash 1p5 Strategii de selectie a materialelor ndash 1p
Randul II 2 Tipuri de date utilizate la selectia materialelor-1p3 Cum se face minimalizarea costurilor-1p4 Perofmantele piesei in functionare ndash 1p5 Care sunt cerintele fata de material ndash 1p
SUBIECTE EXAMEN
73
Date privind principalele proprietati tehnologice ale unor materiale
Material
Valorile proprietatii
Aschiabilitate Turnabilitate Sudabilitate Cost
F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba $tona
Otel de constructii (OL) X X X 140
Otel carbon de calitate (OLC) X X X
260
Fonte obisnuite (Fc) X X X 160
Punctaje 60 30 10 60 30 10 60 30 10
Avand in vedere ca pretul creste odata cu rezistenta la tractiune calculati costul fiecarui material prin inmultirea costului de baza cu valoarea proprietatii si impartiti la 100
74
Materiale ce pot fi luate in considerare spre analiza
Material Rm HV A Material Rm HV A Material Rm HV A
OL30 310 95 32 OLC8 324 140 33 Fc100 100 105 2
OL32 310 93 33 OLC10 321 150 31 Fc150 150 145 3
OL34 330 105 31 OLC15 373 155 27 Fc200 200 180 4
OL37 360 112 25 OLC20 410 165 25 Fc250 250 190 4
OL42 410 130 22 OLC25 450 175 24 Fc300 300 210 5
OL44 430 135 22 OLC30 490 180 21 Fc350 350 220 6
OL50 500 160 21 OLC35 530 195 21 Fc400 400 240 6
OL52 510 160 21 OLC40 570 200 19
OL60 590 185 16 OLC45 610 220 18
OL70 690 215 11 OLC50 640 230 16
OLC55 670 240 14
OLC60 700 255 14
Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50
Proprietatea tehnilogica intra cu o pondere de 100
VA UREZ SUCCES
61
METODA CRESTERII INCREMENTALE
In anumite situatii pot aparea mai multe materiale care indeplinesc cerintele minime impuse de o anumita aplicatie
Dupa analiza acestor materiale se poate presupune ca performantele pieselor prelucrate sunt proportionale cu indicii de performanta ldquoPrdquo In acelasi timp costul piesei variaza proportional cu costul materialului si al prelucrarii acestora
Daca se doreste selectarea piesei care are cea mai mare performanta la cea mai rezonabila crestere a costului se poate face o analiza beneficiu-cost Procedeul se ia indeosebi cand se doreste inlocuirea unui material utilizat deja in fabricatie
Materialul cu cel mai scazut cost (1) se ca element de baza si este comparat cu materialul care are costul imediat superior (2) Comparatia se face determinand cresterea indicelui de performanta (ΔP=P2-P1) si a costului ldquoprdquo pe unitatea de volum (Δpρ=p2ρ2-p1ρ1)
Daca ΔPΔpρlt1 materialul 1 corespunde mai bine decat materialul 2 pentru aplicatia data si materialul 2 va fi eliminatDaca ΔPΔpρgt1 materialul 1 va fi eliminat deoarece materialul 2 corespunde mai bine cerintelor aplicatieiSe continua compararea cu al treilea material si rand pe rand vor fi eliminate materialele mai putin corespunzatoare ajungand la materialul optim
62
EXEMPLU DE SELECTIE A MATERIALELOR
Tema Realizarea piesesei din figura dintr-un otel ldquoOL37rdquo intr-o serie mare de fabricatie-Este o piesa cilindrica cu dimensiunile date-Are un butuc-Prezinta o gaura lunga si de diametre mic
oslash200oslash50
150oslash20
Se poate realiza din bara rotunda prin strunjire
Se poate realiza din bara rotunda prin forjare
80
Coeficientul de utilizare a materialului 055
Coeficientul de utilizare a materialului 098
63
Diametrul mm Inaltime mm Volum mm3 Volum mm3Coeficientul de
utilizare a materialului
Semif Pornire 200 150 4710000 4710000
Strunjire
200 80 2512000
2602275 055=5550 35 137375
20 150 47100
Forjare
200 80 25120002649375
098=9850 35 137375
20 150 47100 2602275
Coeficientul de utilizare a materialului K=greutatea piesei finitegreutatea materialului utilizat pentru realizarea lui (a semifabricatului de pornire)
In calcul s-a lucrat cu volumul materialului deoarece G=VρAdaosuriele de prelucrare s-u luat ca fiind egaleApare un mult mai bun grad de utilizare a materialului pentr prelucrarea prin forjare
PIESA SE VA REALIZA PRIN FORJARE
64
1
2
3
5
6
4
9
8
F
107F
1-semimatrita superioara2-semimatrita inferioara3-cavitatea semimatritei sup4-cavitatea semimatritei inf5-canalul de bavura6-canalul de refulare7-prinderea semimatritei sup8-prinderea semimatritei inf9-elemente de ghidare (stifturi)10-planul de separare
TEMA Sa se stabileasca materialul optim pentru realizarea elementelor active ale matrtei de forjare din figura Se urmreste obtinerea piesei prin forjare la cald
CERINTE PENTRU PROIECTARE
Analiza schiteiFunctia Elemete (semimatrite) de matrita de deformare plasticaObiectiv Trebuie maximalizata tenacitatea (rezilienta)Constrangeri Dimensiunile cavitatii matritei (depind de marimea piesei) dimensiunile exterioare si sistemul de prindere (depind de utilaj temperatura de lucruVariabile libere material
65
Se cauta in sursele de informatii structurate si nestructurate materialele care respecta cerintele
Elemente de matrita
Rezistente la cald
Tenacitate Duritate
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Materialele potrivite sunt metalele si aliajele lor
-Materialele ceramice nu au tenacitate-Materialele polimerice nu au rezistenta la cald-Materialele compozite sunt scumpe si nu au tenacitate
Depinde de compozitia lor
Se cauta materiale cu destinatie precisa Materiale pentru scule de deformare
66
Din baza de date se constata ca urmatoarele materiale satisfac
cerintele rigide adica sa poata fi utilizate la prelucrarea la cald
Sunt materiale cu destinatie precisaDaca nu sunt materiale cu destinatie
precisa se cauta in grupa materialelor cu destinatie generala
Material Rm min MPa HV A5 KCU Jcm3
C120 890 265 8 60
VMoC120 870 265 8 68
VC06 870 230 6 68
VCW85 870 265 6 80
MoCN15 830 250 7 75
VMoCN17 870 265 7 73
VSCW20 790 235 5 78
OSC7 640 195 12 56
OSC8 640 195 10 58
67
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU Jcm3 βKCU Indicele de
performanta PC120 890 265 8 60 101450
VMoC120 870 265 8 68 100650
VC06 870 230 6 68 97400
VCW85 870 265 6 80 101750
MoCN15 830 250 7 75 96750
VMoCN17 870 265 7 73 101100
VSCW20 790 235 5 78 92400
OSC7 640 195 12 56 74950
OSC8 640 195 10 58 75050Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza peoprietatii
68
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU
Jcm3 βKCU Indicele de performanta P
C120 890 100 265 10000 8 6667 60 75 25017000
VMoC120 870 9775 265 10000 8 6667 68 85 2835015356
VC06 870 9775 230 8679 6 5000 68 85 2126563155
VCW85 870 9775 265 10000 6 5000 80 100 2501682022
MoCN15 830 9326 250 9434 7 5833 75 9375 2735970124
VMoCN17 870 9775 265 10000 7 5833 73 9125 2663140356
VSCW20 790 8876 235 8868 5 4167 78 975 2032758226
OSC7 640 7191 195 7358 12 10000 56 70 3501237545
OSC8 640 7191 195 7358 10 8333 58 725 3022070878Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza proprietatii relative
69
Material Indicele de performanta P
VSCW20 2032758226
VC06 2126563155
VCW85 2501682022
C120 25017000
VMoCN17 2663140356
MoCN15 2735970124
VMoC120 2835015356
OSC8 3022070878
OSC7 3501237545
Material Indicele de performanta P
OSC7 74950
OSC8 75050
VSCW20 92400
MoCN15 96750
VC06 97400
VMoC120 100650
VMoCN17 101100
C120 101450
VCW85 101750
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile proprietatii materialului
ordonate crescator
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile relative ale proprietatii materialului ordonate crescator
70
Luand in considerare ca unele materiale sunt aliate cu siguranta acestea sunt mai scumpe
Daca luam in considerare costul unitar pentru otelurile carbon de scule iar densitatea de 785 (corespunzatoare fierului) se obtine indicele de merit
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
OSC7 74950 1 95477707 114
OSC8 75050 1 956050955 114
VSCW20 92400 14 840764331 100
MoCN15 96750 14 880345769 105
VC06 97400 12 103397028 123
VMoC120 100650 13 986281235 117
VMoCN17 101100 14 919927207 109
C120 101450 15 861571125 102
VCW85 101750 14 925841674 110
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea proprietatii materialului
71
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
VSCW20 2032758226 14 184964352 100
VC06 2126563155 12 225749804 122
VCW85 2501682022 14 227632577 123
C120 25017000 15 212458599 115
VMoCN17 2663140356 14 242323963 131
MoCN15 2735970124 14 248950876 135
VMoC120 2835015356 13 277806502 150
OSC8 3022070878 1 384977182 208
OSC7 3501237545 1 446017522 241
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea relativa a proprietatii materialului
72
Selectati materialele potrivite pentru piesele din imagine
Randul I 1 Serie mare de fabricatie-6p Randul II Serie mica (unicat) de fabricatie-6p
Randul I 2 Criterii de selectie a materialelor-1p3 Etapele selectiei materialelor ndash 1p4 Economicitatea piesei ndash 1p5 Strategii de selectie a materialelor ndash 1p
Randul II 2 Tipuri de date utilizate la selectia materialelor-1p3 Cum se face minimalizarea costurilor-1p4 Perofmantele piesei in functionare ndash 1p5 Care sunt cerintele fata de material ndash 1p
SUBIECTE EXAMEN
73
Date privind principalele proprietati tehnologice ale unor materiale
Material
Valorile proprietatii
Aschiabilitate Turnabilitate Sudabilitate Cost
F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba $tona
Otel de constructii (OL) X X X 140
Otel carbon de calitate (OLC) X X X
260
Fonte obisnuite (Fc) X X X 160
Punctaje 60 30 10 60 30 10 60 30 10
Avand in vedere ca pretul creste odata cu rezistenta la tractiune calculati costul fiecarui material prin inmultirea costului de baza cu valoarea proprietatii si impartiti la 100
74
Materiale ce pot fi luate in considerare spre analiza
Material Rm HV A Material Rm HV A Material Rm HV A
OL30 310 95 32 OLC8 324 140 33 Fc100 100 105 2
OL32 310 93 33 OLC10 321 150 31 Fc150 150 145 3
OL34 330 105 31 OLC15 373 155 27 Fc200 200 180 4
OL37 360 112 25 OLC20 410 165 25 Fc250 250 190 4
OL42 410 130 22 OLC25 450 175 24 Fc300 300 210 5
OL44 430 135 22 OLC30 490 180 21 Fc350 350 220 6
OL50 500 160 21 OLC35 530 195 21 Fc400 400 240 6
OL52 510 160 21 OLC40 570 200 19
OL60 590 185 16 OLC45 610 220 18
OL70 690 215 11 OLC50 640 230 16
OLC55 670 240 14
OLC60 700 255 14
Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50
Proprietatea tehnilogica intra cu o pondere de 100
VA UREZ SUCCES
62
EXEMPLU DE SELECTIE A MATERIALELOR
Tema Realizarea piesesei din figura dintr-un otel ldquoOL37rdquo intr-o serie mare de fabricatie-Este o piesa cilindrica cu dimensiunile date-Are un butuc-Prezinta o gaura lunga si de diametre mic
oslash200oslash50
150oslash20
Se poate realiza din bara rotunda prin strunjire
Se poate realiza din bara rotunda prin forjare
80
Coeficientul de utilizare a materialului 055
Coeficientul de utilizare a materialului 098
63
Diametrul mm Inaltime mm Volum mm3 Volum mm3Coeficientul de
utilizare a materialului
Semif Pornire 200 150 4710000 4710000
Strunjire
200 80 2512000
2602275 055=5550 35 137375
20 150 47100
Forjare
200 80 25120002649375
098=9850 35 137375
20 150 47100 2602275
Coeficientul de utilizare a materialului K=greutatea piesei finitegreutatea materialului utilizat pentru realizarea lui (a semifabricatului de pornire)
In calcul s-a lucrat cu volumul materialului deoarece G=VρAdaosuriele de prelucrare s-u luat ca fiind egaleApare un mult mai bun grad de utilizare a materialului pentr prelucrarea prin forjare
PIESA SE VA REALIZA PRIN FORJARE
64
1
2
3
5
6
4
9
8
F
107F
1-semimatrita superioara2-semimatrita inferioara3-cavitatea semimatritei sup4-cavitatea semimatritei inf5-canalul de bavura6-canalul de refulare7-prinderea semimatritei sup8-prinderea semimatritei inf9-elemente de ghidare (stifturi)10-planul de separare
TEMA Sa se stabileasca materialul optim pentru realizarea elementelor active ale matrtei de forjare din figura Se urmreste obtinerea piesei prin forjare la cald
CERINTE PENTRU PROIECTARE
Analiza schiteiFunctia Elemete (semimatrite) de matrita de deformare plasticaObiectiv Trebuie maximalizata tenacitatea (rezilienta)Constrangeri Dimensiunile cavitatii matritei (depind de marimea piesei) dimensiunile exterioare si sistemul de prindere (depind de utilaj temperatura de lucruVariabile libere material
65
Se cauta in sursele de informatii structurate si nestructurate materialele care respecta cerintele
Elemente de matrita
Rezistente la cald
Tenacitate Duritate
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Materialele potrivite sunt metalele si aliajele lor
-Materialele ceramice nu au tenacitate-Materialele polimerice nu au rezistenta la cald-Materialele compozite sunt scumpe si nu au tenacitate
Depinde de compozitia lor
Se cauta materiale cu destinatie precisa Materiale pentru scule de deformare
66
Din baza de date se constata ca urmatoarele materiale satisfac
cerintele rigide adica sa poata fi utilizate la prelucrarea la cald
Sunt materiale cu destinatie precisaDaca nu sunt materiale cu destinatie
precisa se cauta in grupa materialelor cu destinatie generala
Material Rm min MPa HV A5 KCU Jcm3
C120 890 265 8 60
VMoC120 870 265 8 68
VC06 870 230 6 68
VCW85 870 265 6 80
MoCN15 830 250 7 75
VMoCN17 870 265 7 73
VSCW20 790 235 5 78
OSC7 640 195 12 56
OSC8 640 195 10 58
67
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU Jcm3 βKCU Indicele de
performanta PC120 890 265 8 60 101450
VMoC120 870 265 8 68 100650
VC06 870 230 6 68 97400
VCW85 870 265 6 80 101750
MoCN15 830 250 7 75 96750
VMoCN17 870 265 7 73 101100
VSCW20 790 235 5 78 92400
OSC7 640 195 12 56 74950
OSC8 640 195 10 58 75050Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza peoprietatii
68
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU
Jcm3 βKCU Indicele de performanta P
C120 890 100 265 10000 8 6667 60 75 25017000
VMoC120 870 9775 265 10000 8 6667 68 85 2835015356
VC06 870 9775 230 8679 6 5000 68 85 2126563155
VCW85 870 9775 265 10000 6 5000 80 100 2501682022
MoCN15 830 9326 250 9434 7 5833 75 9375 2735970124
VMoCN17 870 9775 265 10000 7 5833 73 9125 2663140356
VSCW20 790 8876 235 8868 5 4167 78 975 2032758226
OSC7 640 7191 195 7358 12 10000 56 70 3501237545
OSC8 640 7191 195 7358 10 8333 58 725 3022070878Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza proprietatii relative
69
Material Indicele de performanta P
VSCW20 2032758226
VC06 2126563155
VCW85 2501682022
C120 25017000
VMoCN17 2663140356
MoCN15 2735970124
VMoC120 2835015356
OSC8 3022070878
OSC7 3501237545
Material Indicele de performanta P
OSC7 74950
OSC8 75050
VSCW20 92400
MoCN15 96750
VC06 97400
VMoC120 100650
VMoCN17 101100
C120 101450
VCW85 101750
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile proprietatii materialului
ordonate crescator
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile relative ale proprietatii materialului ordonate crescator
70
Luand in considerare ca unele materiale sunt aliate cu siguranta acestea sunt mai scumpe
Daca luam in considerare costul unitar pentru otelurile carbon de scule iar densitatea de 785 (corespunzatoare fierului) se obtine indicele de merit
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
OSC7 74950 1 95477707 114
OSC8 75050 1 956050955 114
VSCW20 92400 14 840764331 100
MoCN15 96750 14 880345769 105
VC06 97400 12 103397028 123
VMoC120 100650 13 986281235 117
VMoCN17 101100 14 919927207 109
C120 101450 15 861571125 102
VCW85 101750 14 925841674 110
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea proprietatii materialului
71
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
VSCW20 2032758226 14 184964352 100
VC06 2126563155 12 225749804 122
VCW85 2501682022 14 227632577 123
C120 25017000 15 212458599 115
VMoCN17 2663140356 14 242323963 131
MoCN15 2735970124 14 248950876 135
VMoC120 2835015356 13 277806502 150
OSC8 3022070878 1 384977182 208
OSC7 3501237545 1 446017522 241
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea relativa a proprietatii materialului
72
Selectati materialele potrivite pentru piesele din imagine
Randul I 1 Serie mare de fabricatie-6p Randul II Serie mica (unicat) de fabricatie-6p
Randul I 2 Criterii de selectie a materialelor-1p3 Etapele selectiei materialelor ndash 1p4 Economicitatea piesei ndash 1p5 Strategii de selectie a materialelor ndash 1p
Randul II 2 Tipuri de date utilizate la selectia materialelor-1p3 Cum se face minimalizarea costurilor-1p4 Perofmantele piesei in functionare ndash 1p5 Care sunt cerintele fata de material ndash 1p
SUBIECTE EXAMEN
73
Date privind principalele proprietati tehnologice ale unor materiale
Material
Valorile proprietatii
Aschiabilitate Turnabilitate Sudabilitate Cost
F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba $tona
Otel de constructii (OL) X X X 140
Otel carbon de calitate (OLC) X X X
260
Fonte obisnuite (Fc) X X X 160
Punctaje 60 30 10 60 30 10 60 30 10
Avand in vedere ca pretul creste odata cu rezistenta la tractiune calculati costul fiecarui material prin inmultirea costului de baza cu valoarea proprietatii si impartiti la 100
74
Materiale ce pot fi luate in considerare spre analiza
Material Rm HV A Material Rm HV A Material Rm HV A
OL30 310 95 32 OLC8 324 140 33 Fc100 100 105 2
OL32 310 93 33 OLC10 321 150 31 Fc150 150 145 3
OL34 330 105 31 OLC15 373 155 27 Fc200 200 180 4
OL37 360 112 25 OLC20 410 165 25 Fc250 250 190 4
OL42 410 130 22 OLC25 450 175 24 Fc300 300 210 5
OL44 430 135 22 OLC30 490 180 21 Fc350 350 220 6
OL50 500 160 21 OLC35 530 195 21 Fc400 400 240 6
OL52 510 160 21 OLC40 570 200 19
OL60 590 185 16 OLC45 610 220 18
OL70 690 215 11 OLC50 640 230 16
OLC55 670 240 14
OLC60 700 255 14
Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50
Proprietatea tehnilogica intra cu o pondere de 100
VA UREZ SUCCES
63
Diametrul mm Inaltime mm Volum mm3 Volum mm3Coeficientul de
utilizare a materialului
Semif Pornire 200 150 4710000 4710000
Strunjire
200 80 2512000
2602275 055=5550 35 137375
20 150 47100
Forjare
200 80 25120002649375
098=9850 35 137375
20 150 47100 2602275
Coeficientul de utilizare a materialului K=greutatea piesei finitegreutatea materialului utilizat pentru realizarea lui (a semifabricatului de pornire)
In calcul s-a lucrat cu volumul materialului deoarece G=VρAdaosuriele de prelucrare s-u luat ca fiind egaleApare un mult mai bun grad de utilizare a materialului pentr prelucrarea prin forjare
PIESA SE VA REALIZA PRIN FORJARE
64
1
2
3
5
6
4
9
8
F
107F
1-semimatrita superioara2-semimatrita inferioara3-cavitatea semimatritei sup4-cavitatea semimatritei inf5-canalul de bavura6-canalul de refulare7-prinderea semimatritei sup8-prinderea semimatritei inf9-elemente de ghidare (stifturi)10-planul de separare
TEMA Sa se stabileasca materialul optim pentru realizarea elementelor active ale matrtei de forjare din figura Se urmreste obtinerea piesei prin forjare la cald
CERINTE PENTRU PROIECTARE
Analiza schiteiFunctia Elemete (semimatrite) de matrita de deformare plasticaObiectiv Trebuie maximalizata tenacitatea (rezilienta)Constrangeri Dimensiunile cavitatii matritei (depind de marimea piesei) dimensiunile exterioare si sistemul de prindere (depind de utilaj temperatura de lucruVariabile libere material
65
Se cauta in sursele de informatii structurate si nestructurate materialele care respecta cerintele
Elemente de matrita
Rezistente la cald
Tenacitate Duritate
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Materialele potrivite sunt metalele si aliajele lor
-Materialele ceramice nu au tenacitate-Materialele polimerice nu au rezistenta la cald-Materialele compozite sunt scumpe si nu au tenacitate
Depinde de compozitia lor
Se cauta materiale cu destinatie precisa Materiale pentru scule de deformare
66
Din baza de date se constata ca urmatoarele materiale satisfac
cerintele rigide adica sa poata fi utilizate la prelucrarea la cald
Sunt materiale cu destinatie precisaDaca nu sunt materiale cu destinatie
precisa se cauta in grupa materialelor cu destinatie generala
Material Rm min MPa HV A5 KCU Jcm3
C120 890 265 8 60
VMoC120 870 265 8 68
VC06 870 230 6 68
VCW85 870 265 6 80
MoCN15 830 250 7 75
VMoCN17 870 265 7 73
VSCW20 790 235 5 78
OSC7 640 195 12 56
OSC8 640 195 10 58
67
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU Jcm3 βKCU Indicele de
performanta PC120 890 265 8 60 101450
VMoC120 870 265 8 68 100650
VC06 870 230 6 68 97400
VCW85 870 265 6 80 101750
MoCN15 830 250 7 75 96750
VMoCN17 870 265 7 73 101100
VSCW20 790 235 5 78 92400
OSC7 640 195 12 56 74950
OSC8 640 195 10 58 75050Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza peoprietatii
68
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU
Jcm3 βKCU Indicele de performanta P
C120 890 100 265 10000 8 6667 60 75 25017000
VMoC120 870 9775 265 10000 8 6667 68 85 2835015356
VC06 870 9775 230 8679 6 5000 68 85 2126563155
VCW85 870 9775 265 10000 6 5000 80 100 2501682022
MoCN15 830 9326 250 9434 7 5833 75 9375 2735970124
VMoCN17 870 9775 265 10000 7 5833 73 9125 2663140356
VSCW20 790 8876 235 8868 5 4167 78 975 2032758226
OSC7 640 7191 195 7358 12 10000 56 70 3501237545
OSC8 640 7191 195 7358 10 8333 58 725 3022070878Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza proprietatii relative
69
Material Indicele de performanta P
VSCW20 2032758226
VC06 2126563155
VCW85 2501682022
C120 25017000
VMoCN17 2663140356
MoCN15 2735970124
VMoC120 2835015356
OSC8 3022070878
OSC7 3501237545
Material Indicele de performanta P
OSC7 74950
OSC8 75050
VSCW20 92400
MoCN15 96750
VC06 97400
VMoC120 100650
VMoCN17 101100
C120 101450
VCW85 101750
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile proprietatii materialului
ordonate crescator
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile relative ale proprietatii materialului ordonate crescator
70
Luand in considerare ca unele materiale sunt aliate cu siguranta acestea sunt mai scumpe
Daca luam in considerare costul unitar pentru otelurile carbon de scule iar densitatea de 785 (corespunzatoare fierului) se obtine indicele de merit
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
OSC7 74950 1 95477707 114
OSC8 75050 1 956050955 114
VSCW20 92400 14 840764331 100
MoCN15 96750 14 880345769 105
VC06 97400 12 103397028 123
VMoC120 100650 13 986281235 117
VMoCN17 101100 14 919927207 109
C120 101450 15 861571125 102
VCW85 101750 14 925841674 110
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea proprietatii materialului
71
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
VSCW20 2032758226 14 184964352 100
VC06 2126563155 12 225749804 122
VCW85 2501682022 14 227632577 123
C120 25017000 15 212458599 115
VMoCN17 2663140356 14 242323963 131
MoCN15 2735970124 14 248950876 135
VMoC120 2835015356 13 277806502 150
OSC8 3022070878 1 384977182 208
OSC7 3501237545 1 446017522 241
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea relativa a proprietatii materialului
72
Selectati materialele potrivite pentru piesele din imagine
Randul I 1 Serie mare de fabricatie-6p Randul II Serie mica (unicat) de fabricatie-6p
Randul I 2 Criterii de selectie a materialelor-1p3 Etapele selectiei materialelor ndash 1p4 Economicitatea piesei ndash 1p5 Strategii de selectie a materialelor ndash 1p
Randul II 2 Tipuri de date utilizate la selectia materialelor-1p3 Cum se face minimalizarea costurilor-1p4 Perofmantele piesei in functionare ndash 1p5 Care sunt cerintele fata de material ndash 1p
SUBIECTE EXAMEN
73
Date privind principalele proprietati tehnologice ale unor materiale
Material
Valorile proprietatii
Aschiabilitate Turnabilitate Sudabilitate Cost
F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba $tona
Otel de constructii (OL) X X X 140
Otel carbon de calitate (OLC) X X X
260
Fonte obisnuite (Fc) X X X 160
Punctaje 60 30 10 60 30 10 60 30 10
Avand in vedere ca pretul creste odata cu rezistenta la tractiune calculati costul fiecarui material prin inmultirea costului de baza cu valoarea proprietatii si impartiti la 100
74
Materiale ce pot fi luate in considerare spre analiza
Material Rm HV A Material Rm HV A Material Rm HV A
OL30 310 95 32 OLC8 324 140 33 Fc100 100 105 2
OL32 310 93 33 OLC10 321 150 31 Fc150 150 145 3
OL34 330 105 31 OLC15 373 155 27 Fc200 200 180 4
OL37 360 112 25 OLC20 410 165 25 Fc250 250 190 4
OL42 410 130 22 OLC25 450 175 24 Fc300 300 210 5
OL44 430 135 22 OLC30 490 180 21 Fc350 350 220 6
OL50 500 160 21 OLC35 530 195 21 Fc400 400 240 6
OL52 510 160 21 OLC40 570 200 19
OL60 590 185 16 OLC45 610 220 18
OL70 690 215 11 OLC50 640 230 16
OLC55 670 240 14
OLC60 700 255 14
Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50
Proprietatea tehnilogica intra cu o pondere de 100
VA UREZ SUCCES
64
1
2
3
5
6
4
9
8
F
107F
1-semimatrita superioara2-semimatrita inferioara3-cavitatea semimatritei sup4-cavitatea semimatritei inf5-canalul de bavura6-canalul de refulare7-prinderea semimatritei sup8-prinderea semimatritei inf9-elemente de ghidare (stifturi)10-planul de separare
TEMA Sa se stabileasca materialul optim pentru realizarea elementelor active ale matrtei de forjare din figura Se urmreste obtinerea piesei prin forjare la cald
CERINTE PENTRU PROIECTARE
Analiza schiteiFunctia Elemete (semimatrite) de matrita de deformare plasticaObiectiv Trebuie maximalizata tenacitatea (rezilienta)Constrangeri Dimensiunile cavitatii matritei (depind de marimea piesei) dimensiunile exterioare si sistemul de prindere (depind de utilaj temperatura de lucruVariabile libere material
65
Se cauta in sursele de informatii structurate si nestructurate materialele care respecta cerintele
Elemente de matrita
Rezistente la cald
Tenacitate Duritate
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Materialele potrivite sunt metalele si aliajele lor
-Materialele ceramice nu au tenacitate-Materialele polimerice nu au rezistenta la cald-Materialele compozite sunt scumpe si nu au tenacitate
Depinde de compozitia lor
Se cauta materiale cu destinatie precisa Materiale pentru scule de deformare
66
Din baza de date se constata ca urmatoarele materiale satisfac
cerintele rigide adica sa poata fi utilizate la prelucrarea la cald
Sunt materiale cu destinatie precisaDaca nu sunt materiale cu destinatie
precisa se cauta in grupa materialelor cu destinatie generala
Material Rm min MPa HV A5 KCU Jcm3
C120 890 265 8 60
VMoC120 870 265 8 68
VC06 870 230 6 68
VCW85 870 265 6 80
MoCN15 830 250 7 75
VMoCN17 870 265 7 73
VSCW20 790 235 5 78
OSC7 640 195 12 56
OSC8 640 195 10 58
67
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU Jcm3 βKCU Indicele de
performanta PC120 890 265 8 60 101450
VMoC120 870 265 8 68 100650
VC06 870 230 6 68 97400
VCW85 870 265 6 80 101750
MoCN15 830 250 7 75 96750
VMoCN17 870 265 7 73 101100
VSCW20 790 235 5 78 92400
OSC7 640 195 12 56 74950
OSC8 640 195 10 58 75050Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza peoprietatii
68
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU
Jcm3 βKCU Indicele de performanta P
C120 890 100 265 10000 8 6667 60 75 25017000
VMoC120 870 9775 265 10000 8 6667 68 85 2835015356
VC06 870 9775 230 8679 6 5000 68 85 2126563155
VCW85 870 9775 265 10000 6 5000 80 100 2501682022
MoCN15 830 9326 250 9434 7 5833 75 9375 2735970124
VMoCN17 870 9775 265 10000 7 5833 73 9125 2663140356
VSCW20 790 8876 235 8868 5 4167 78 975 2032758226
OSC7 640 7191 195 7358 12 10000 56 70 3501237545
OSC8 640 7191 195 7358 10 8333 58 725 3022070878Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza proprietatii relative
69
Material Indicele de performanta P
VSCW20 2032758226
VC06 2126563155
VCW85 2501682022
C120 25017000
VMoCN17 2663140356
MoCN15 2735970124
VMoC120 2835015356
OSC8 3022070878
OSC7 3501237545
Material Indicele de performanta P
OSC7 74950
OSC8 75050
VSCW20 92400
MoCN15 96750
VC06 97400
VMoC120 100650
VMoCN17 101100
C120 101450
VCW85 101750
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile proprietatii materialului
ordonate crescator
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile relative ale proprietatii materialului ordonate crescator
70
Luand in considerare ca unele materiale sunt aliate cu siguranta acestea sunt mai scumpe
Daca luam in considerare costul unitar pentru otelurile carbon de scule iar densitatea de 785 (corespunzatoare fierului) se obtine indicele de merit
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
OSC7 74950 1 95477707 114
OSC8 75050 1 956050955 114
VSCW20 92400 14 840764331 100
MoCN15 96750 14 880345769 105
VC06 97400 12 103397028 123
VMoC120 100650 13 986281235 117
VMoCN17 101100 14 919927207 109
C120 101450 15 861571125 102
VCW85 101750 14 925841674 110
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea proprietatii materialului
71
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
VSCW20 2032758226 14 184964352 100
VC06 2126563155 12 225749804 122
VCW85 2501682022 14 227632577 123
C120 25017000 15 212458599 115
VMoCN17 2663140356 14 242323963 131
MoCN15 2735970124 14 248950876 135
VMoC120 2835015356 13 277806502 150
OSC8 3022070878 1 384977182 208
OSC7 3501237545 1 446017522 241
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea relativa a proprietatii materialului
72
Selectati materialele potrivite pentru piesele din imagine
Randul I 1 Serie mare de fabricatie-6p Randul II Serie mica (unicat) de fabricatie-6p
Randul I 2 Criterii de selectie a materialelor-1p3 Etapele selectiei materialelor ndash 1p4 Economicitatea piesei ndash 1p5 Strategii de selectie a materialelor ndash 1p
Randul II 2 Tipuri de date utilizate la selectia materialelor-1p3 Cum se face minimalizarea costurilor-1p4 Perofmantele piesei in functionare ndash 1p5 Care sunt cerintele fata de material ndash 1p
SUBIECTE EXAMEN
73
Date privind principalele proprietati tehnologice ale unor materiale
Material
Valorile proprietatii
Aschiabilitate Turnabilitate Sudabilitate Cost
F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba $tona
Otel de constructii (OL) X X X 140
Otel carbon de calitate (OLC) X X X
260
Fonte obisnuite (Fc) X X X 160
Punctaje 60 30 10 60 30 10 60 30 10
Avand in vedere ca pretul creste odata cu rezistenta la tractiune calculati costul fiecarui material prin inmultirea costului de baza cu valoarea proprietatii si impartiti la 100
74
Materiale ce pot fi luate in considerare spre analiza
Material Rm HV A Material Rm HV A Material Rm HV A
OL30 310 95 32 OLC8 324 140 33 Fc100 100 105 2
OL32 310 93 33 OLC10 321 150 31 Fc150 150 145 3
OL34 330 105 31 OLC15 373 155 27 Fc200 200 180 4
OL37 360 112 25 OLC20 410 165 25 Fc250 250 190 4
OL42 410 130 22 OLC25 450 175 24 Fc300 300 210 5
OL44 430 135 22 OLC30 490 180 21 Fc350 350 220 6
OL50 500 160 21 OLC35 530 195 21 Fc400 400 240 6
OL52 510 160 21 OLC40 570 200 19
OL60 590 185 16 OLC45 610 220 18
OL70 690 215 11 OLC50 640 230 16
OLC55 670 240 14
OLC60 700 255 14
Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50
Proprietatea tehnilogica intra cu o pondere de 100
VA UREZ SUCCES
65
Se cauta in sursele de informatii structurate si nestructurate materialele care respecta cerintele
Elemente de matrita
Rezistente la cald
Tenacitate Duritate
Metale
Ceramice
Compozite
Polimeri
Selectie finala
Materialele potrivite sunt metalele si aliajele lor
-Materialele ceramice nu au tenacitate-Materialele polimerice nu au rezistenta la cald-Materialele compozite sunt scumpe si nu au tenacitate
Depinde de compozitia lor
Se cauta materiale cu destinatie precisa Materiale pentru scule de deformare
66
Din baza de date se constata ca urmatoarele materiale satisfac
cerintele rigide adica sa poata fi utilizate la prelucrarea la cald
Sunt materiale cu destinatie precisaDaca nu sunt materiale cu destinatie
precisa se cauta in grupa materialelor cu destinatie generala
Material Rm min MPa HV A5 KCU Jcm3
C120 890 265 8 60
VMoC120 870 265 8 68
VC06 870 230 6 68
VCW85 870 265 6 80
MoCN15 830 250 7 75
VMoCN17 870 265 7 73
VSCW20 790 235 5 78
OSC7 640 195 12 56
OSC8 640 195 10 58
67
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU Jcm3 βKCU Indicele de
performanta PC120 890 265 8 60 101450
VMoC120 870 265 8 68 100650
VC06 870 230 6 68 97400
VCW85 870 265 6 80 101750
MoCN15 830 250 7 75 96750
VMoCN17 870 265 7 73 101100
VSCW20 790 235 5 78 92400
OSC7 640 195 12 56 74950
OSC8 640 195 10 58 75050Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza peoprietatii
68
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU
Jcm3 βKCU Indicele de performanta P
C120 890 100 265 10000 8 6667 60 75 25017000
VMoC120 870 9775 265 10000 8 6667 68 85 2835015356
VC06 870 9775 230 8679 6 5000 68 85 2126563155
VCW85 870 9775 265 10000 6 5000 80 100 2501682022
MoCN15 830 9326 250 9434 7 5833 75 9375 2735970124
VMoCN17 870 9775 265 10000 7 5833 73 9125 2663140356
VSCW20 790 8876 235 8868 5 4167 78 975 2032758226
OSC7 640 7191 195 7358 12 10000 56 70 3501237545
OSC8 640 7191 195 7358 10 8333 58 725 3022070878Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza proprietatii relative
69
Material Indicele de performanta P
VSCW20 2032758226
VC06 2126563155
VCW85 2501682022
C120 25017000
VMoCN17 2663140356
MoCN15 2735970124
VMoC120 2835015356
OSC8 3022070878
OSC7 3501237545
Material Indicele de performanta P
OSC7 74950
OSC8 75050
VSCW20 92400
MoCN15 96750
VC06 97400
VMoC120 100650
VMoCN17 101100
C120 101450
VCW85 101750
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile proprietatii materialului
ordonate crescator
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile relative ale proprietatii materialului ordonate crescator
70
Luand in considerare ca unele materiale sunt aliate cu siguranta acestea sunt mai scumpe
Daca luam in considerare costul unitar pentru otelurile carbon de scule iar densitatea de 785 (corespunzatoare fierului) se obtine indicele de merit
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
OSC7 74950 1 95477707 114
OSC8 75050 1 956050955 114
VSCW20 92400 14 840764331 100
MoCN15 96750 14 880345769 105
VC06 97400 12 103397028 123
VMoC120 100650 13 986281235 117
VMoCN17 101100 14 919927207 109
C120 101450 15 861571125 102
VCW85 101750 14 925841674 110
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea proprietatii materialului
71
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
VSCW20 2032758226 14 184964352 100
VC06 2126563155 12 225749804 122
VCW85 2501682022 14 227632577 123
C120 25017000 15 212458599 115
VMoCN17 2663140356 14 242323963 131
MoCN15 2735970124 14 248950876 135
VMoC120 2835015356 13 277806502 150
OSC8 3022070878 1 384977182 208
OSC7 3501237545 1 446017522 241
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea relativa a proprietatii materialului
72
Selectati materialele potrivite pentru piesele din imagine
Randul I 1 Serie mare de fabricatie-6p Randul II Serie mica (unicat) de fabricatie-6p
Randul I 2 Criterii de selectie a materialelor-1p3 Etapele selectiei materialelor ndash 1p4 Economicitatea piesei ndash 1p5 Strategii de selectie a materialelor ndash 1p
Randul II 2 Tipuri de date utilizate la selectia materialelor-1p3 Cum se face minimalizarea costurilor-1p4 Perofmantele piesei in functionare ndash 1p5 Care sunt cerintele fata de material ndash 1p
SUBIECTE EXAMEN
73
Date privind principalele proprietati tehnologice ale unor materiale
Material
Valorile proprietatii
Aschiabilitate Turnabilitate Sudabilitate Cost
F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba $tona
Otel de constructii (OL) X X X 140
Otel carbon de calitate (OLC) X X X
260
Fonte obisnuite (Fc) X X X 160
Punctaje 60 30 10 60 30 10 60 30 10
Avand in vedere ca pretul creste odata cu rezistenta la tractiune calculati costul fiecarui material prin inmultirea costului de baza cu valoarea proprietatii si impartiti la 100
74
Materiale ce pot fi luate in considerare spre analiza
Material Rm HV A Material Rm HV A Material Rm HV A
OL30 310 95 32 OLC8 324 140 33 Fc100 100 105 2
OL32 310 93 33 OLC10 321 150 31 Fc150 150 145 3
OL34 330 105 31 OLC15 373 155 27 Fc200 200 180 4
OL37 360 112 25 OLC20 410 165 25 Fc250 250 190 4
OL42 410 130 22 OLC25 450 175 24 Fc300 300 210 5
OL44 430 135 22 OLC30 490 180 21 Fc350 350 220 6
OL50 500 160 21 OLC35 530 195 21 Fc400 400 240 6
OL52 510 160 21 OLC40 570 200 19
OL60 590 185 16 OLC45 610 220 18
OL70 690 215 11 OLC50 640 230 16
OLC55 670 240 14
OLC60 700 255 14
Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50
Proprietatea tehnilogica intra cu o pondere de 100
VA UREZ SUCCES
66
Din baza de date se constata ca urmatoarele materiale satisfac
cerintele rigide adica sa poata fi utilizate la prelucrarea la cald
Sunt materiale cu destinatie precisaDaca nu sunt materiale cu destinatie
precisa se cauta in grupa materialelor cu destinatie generala
Material Rm min MPa HV A5 KCU Jcm3
C120 890 265 8 60
VMoC120 870 265 8 68
VC06 870 230 6 68
VCW85 870 265 6 80
MoCN15 830 250 7 75
VMoCN17 870 265 7 73
VSCW20 790 235 5 78
OSC7 640 195 12 56
OSC8 640 195 10 58
67
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU Jcm3 βKCU Indicele de
performanta PC120 890 265 8 60 101450
VMoC120 870 265 8 68 100650
VC06 870 230 6 68 97400
VCW85 870 265 6 80 101750
MoCN15 830 250 7 75 96750
VMoCN17 870 265 7 73 101100
VSCW20 790 235 5 78 92400
OSC7 640 195 12 56 74950
OSC8 640 195 10 58 75050Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza peoprietatii
68
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU
Jcm3 βKCU Indicele de performanta P
C120 890 100 265 10000 8 6667 60 75 25017000
VMoC120 870 9775 265 10000 8 6667 68 85 2835015356
VC06 870 9775 230 8679 6 5000 68 85 2126563155
VCW85 870 9775 265 10000 6 5000 80 100 2501682022
MoCN15 830 9326 250 9434 7 5833 75 9375 2735970124
VMoCN17 870 9775 265 10000 7 5833 73 9125 2663140356
VSCW20 790 8876 235 8868 5 4167 78 975 2032758226
OSC7 640 7191 195 7358 12 10000 56 70 3501237545
OSC8 640 7191 195 7358 10 8333 58 725 3022070878Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza proprietatii relative
69
Material Indicele de performanta P
VSCW20 2032758226
VC06 2126563155
VCW85 2501682022
C120 25017000
VMoCN17 2663140356
MoCN15 2735970124
VMoC120 2835015356
OSC8 3022070878
OSC7 3501237545
Material Indicele de performanta P
OSC7 74950
OSC8 75050
VSCW20 92400
MoCN15 96750
VC06 97400
VMoC120 100650
VMoCN17 101100
C120 101450
VCW85 101750
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile proprietatii materialului
ordonate crescator
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile relative ale proprietatii materialului ordonate crescator
70
Luand in considerare ca unele materiale sunt aliate cu siguranta acestea sunt mai scumpe
Daca luam in considerare costul unitar pentru otelurile carbon de scule iar densitatea de 785 (corespunzatoare fierului) se obtine indicele de merit
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
OSC7 74950 1 95477707 114
OSC8 75050 1 956050955 114
VSCW20 92400 14 840764331 100
MoCN15 96750 14 880345769 105
VC06 97400 12 103397028 123
VMoC120 100650 13 986281235 117
VMoCN17 101100 14 919927207 109
C120 101450 15 861571125 102
VCW85 101750 14 925841674 110
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea proprietatii materialului
71
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
VSCW20 2032758226 14 184964352 100
VC06 2126563155 12 225749804 122
VCW85 2501682022 14 227632577 123
C120 25017000 15 212458599 115
VMoCN17 2663140356 14 242323963 131
MoCN15 2735970124 14 248950876 135
VMoC120 2835015356 13 277806502 150
OSC8 3022070878 1 384977182 208
OSC7 3501237545 1 446017522 241
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea relativa a proprietatii materialului
72
Selectati materialele potrivite pentru piesele din imagine
Randul I 1 Serie mare de fabricatie-6p Randul II Serie mica (unicat) de fabricatie-6p
Randul I 2 Criterii de selectie a materialelor-1p3 Etapele selectiei materialelor ndash 1p4 Economicitatea piesei ndash 1p5 Strategii de selectie a materialelor ndash 1p
Randul II 2 Tipuri de date utilizate la selectia materialelor-1p3 Cum se face minimalizarea costurilor-1p4 Perofmantele piesei in functionare ndash 1p5 Care sunt cerintele fata de material ndash 1p
SUBIECTE EXAMEN
73
Date privind principalele proprietati tehnologice ale unor materiale
Material
Valorile proprietatii
Aschiabilitate Turnabilitate Sudabilitate Cost
F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba $tona
Otel de constructii (OL) X X X 140
Otel carbon de calitate (OLC) X X X
260
Fonte obisnuite (Fc) X X X 160
Punctaje 60 30 10 60 30 10 60 30 10
Avand in vedere ca pretul creste odata cu rezistenta la tractiune calculati costul fiecarui material prin inmultirea costului de baza cu valoarea proprietatii si impartiti la 100
74
Materiale ce pot fi luate in considerare spre analiza
Material Rm HV A Material Rm HV A Material Rm HV A
OL30 310 95 32 OLC8 324 140 33 Fc100 100 105 2
OL32 310 93 33 OLC10 321 150 31 Fc150 150 145 3
OL34 330 105 31 OLC15 373 155 27 Fc200 200 180 4
OL37 360 112 25 OLC20 410 165 25 Fc250 250 190 4
OL42 410 130 22 OLC25 450 175 24 Fc300 300 210 5
OL44 430 135 22 OLC30 490 180 21 Fc350 350 220 6
OL50 500 160 21 OLC35 530 195 21 Fc400 400 240 6
OL52 510 160 21 OLC40 570 200 19
OL60 590 185 16 OLC45 610 220 18
OL70 690 215 11 OLC50 640 230 16
OLC55 670 240 14
OLC60 700 255 14
Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50
Proprietatea tehnilogica intra cu o pondere de 100
VA UREZ SUCCES
67
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU Jcm3 βKCU Indicele de
performanta PC120 890 265 8 60 101450
VMoC120 870 265 8 68 100650
VC06 870 230 6 68 97400
VCW85 870 265 6 80 101750
MoCN15 830 250 7 75 96750
VMoCN17 870 265 7 73 101100
VSCW20 790 235 5 78 92400
OSC7 640 195 12 56 74950
OSC8 640 195 10 58 75050Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza peoprietatii
68
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU
Jcm3 βKCU Indicele de performanta P
C120 890 100 265 10000 8 6667 60 75 25017000
VMoC120 870 9775 265 10000 8 6667 68 85 2835015356
VC06 870 9775 230 8679 6 5000 68 85 2126563155
VCW85 870 9775 265 10000 6 5000 80 100 2501682022
MoCN15 830 9326 250 9434 7 5833 75 9375 2735970124
VMoCN17 870 9775 265 10000 7 5833 73 9125 2663140356
VSCW20 790 8876 235 8868 5 4167 78 975 2032758226
OSC7 640 7191 195 7358 12 10000 56 70 3501237545
OSC8 640 7191 195 7358 10 8333 58 725 3022070878Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza proprietatii relative
69
Material Indicele de performanta P
VSCW20 2032758226
VC06 2126563155
VCW85 2501682022
C120 25017000
VMoCN17 2663140356
MoCN15 2735970124
VMoC120 2835015356
OSC8 3022070878
OSC7 3501237545
Material Indicele de performanta P
OSC7 74950
OSC8 75050
VSCW20 92400
MoCN15 96750
VC06 97400
VMoC120 100650
VMoCN17 101100
C120 101450
VCW85 101750
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile proprietatii materialului
ordonate crescator
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile relative ale proprietatii materialului ordonate crescator
70
Luand in considerare ca unele materiale sunt aliate cu siguranta acestea sunt mai scumpe
Daca luam in considerare costul unitar pentru otelurile carbon de scule iar densitatea de 785 (corespunzatoare fierului) se obtine indicele de merit
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
OSC7 74950 1 95477707 114
OSC8 75050 1 956050955 114
VSCW20 92400 14 840764331 100
MoCN15 96750 14 880345769 105
VC06 97400 12 103397028 123
VMoC120 100650 13 986281235 117
VMoCN17 101100 14 919927207 109
C120 101450 15 861571125 102
VCW85 101750 14 925841674 110
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea proprietatii materialului
71
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
VSCW20 2032758226 14 184964352 100
VC06 2126563155 12 225749804 122
VCW85 2501682022 14 227632577 123
C120 25017000 15 212458599 115
VMoCN17 2663140356 14 242323963 131
MoCN15 2735970124 14 248950876 135
VMoC120 2835015356 13 277806502 150
OSC8 3022070878 1 384977182 208
OSC7 3501237545 1 446017522 241
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea relativa a proprietatii materialului
72
Selectati materialele potrivite pentru piesele din imagine
Randul I 1 Serie mare de fabricatie-6p Randul II Serie mica (unicat) de fabricatie-6p
Randul I 2 Criterii de selectie a materialelor-1p3 Etapele selectiei materialelor ndash 1p4 Economicitatea piesei ndash 1p5 Strategii de selectie a materialelor ndash 1p
Randul II 2 Tipuri de date utilizate la selectia materialelor-1p3 Cum se face minimalizarea costurilor-1p4 Perofmantele piesei in functionare ndash 1p5 Care sunt cerintele fata de material ndash 1p
SUBIECTE EXAMEN
73
Date privind principalele proprietati tehnologice ale unor materiale
Material
Valorile proprietatii
Aschiabilitate Turnabilitate Sudabilitate Cost
F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba $tona
Otel de constructii (OL) X X X 140
Otel carbon de calitate (OLC) X X X
260
Fonte obisnuite (Fc) X X X 160
Punctaje 60 30 10 60 30 10 60 30 10
Avand in vedere ca pretul creste odata cu rezistenta la tractiune calculati costul fiecarui material prin inmultirea costului de baza cu valoarea proprietatii si impartiti la 100
74
Materiale ce pot fi luate in considerare spre analiza
Material Rm HV A Material Rm HV A Material Rm HV A
OL30 310 95 32 OLC8 324 140 33 Fc100 100 105 2
OL32 310 93 33 OLC10 321 150 31 Fc150 150 145 3
OL34 330 105 31 OLC15 373 155 27 Fc200 200 180 4
OL37 360 112 25 OLC20 410 165 25 Fc250 250 190 4
OL42 410 130 22 OLC25 450 175 24 Fc300 300 210 5
OL44 430 135 22 OLC30 490 180 21 Fc350 350 220 6
OL50 500 160 21 OLC35 530 195 21 Fc400 400 240 6
OL52 510 160 21 OLC40 570 200 19
OL60 590 185 16 OLC45 610 220 18
OL70 690 215 11 OLC50 640 230 16
OLC55 670 240 14
OLC60 700 255 14
Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50
Proprietatea tehnilogica intra cu o pondere de 100
VA UREZ SUCCES
68
Material Rm min MPa βRm HV βHV A5 βA5 KCU
Jcm3 βKCU Indicele de performanta P
C120 890 100 265 10000 8 6667 60 75 25017000
VMoC120 870 9775 265 10000 8 6667 68 85 2835015356
VC06 870 9775 230 8679 6 5000 68 85 2126563155
VCW85 870 9775 265 10000 6 5000 80 100 2501682022
MoCN15 830 9326 250 9434 7 5833 75 9375 2735970124
VMoCN17 870 9775 265 10000 7 5833 73 9125 2663140356
VSCW20 790 8876 235 8868 5 4167 78 975 2032758226
OSC7 640 7191 195 7358 12 10000 56 70 3501237545
OSC8 640 7191 195 7358 10 8333 58 725 3022070878Ponderea
proprietatii 80 90 50 100
Calculul indicelui de performanta pe baza proprietatii relative
69
Material Indicele de performanta P
VSCW20 2032758226
VC06 2126563155
VCW85 2501682022
C120 25017000
VMoCN17 2663140356
MoCN15 2735970124
VMoC120 2835015356
OSC8 3022070878
OSC7 3501237545
Material Indicele de performanta P
OSC7 74950
OSC8 75050
VSCW20 92400
MoCN15 96750
VC06 97400
VMoC120 100650
VMoCN17 101100
C120 101450
VCW85 101750
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile proprietatii materialului
ordonate crescator
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile relative ale proprietatii materialului ordonate crescator
70
Luand in considerare ca unele materiale sunt aliate cu siguranta acestea sunt mai scumpe
Daca luam in considerare costul unitar pentru otelurile carbon de scule iar densitatea de 785 (corespunzatoare fierului) se obtine indicele de merit
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
OSC7 74950 1 95477707 114
OSC8 75050 1 956050955 114
VSCW20 92400 14 840764331 100
MoCN15 96750 14 880345769 105
VC06 97400 12 103397028 123
VMoC120 100650 13 986281235 117
VMoCN17 101100 14 919927207 109
C120 101450 15 861571125 102
VCW85 101750 14 925841674 110
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea proprietatii materialului
71
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
VSCW20 2032758226 14 184964352 100
VC06 2126563155 12 225749804 122
VCW85 2501682022 14 227632577 123
C120 25017000 15 212458599 115
VMoCN17 2663140356 14 242323963 131
MoCN15 2735970124 14 248950876 135
VMoC120 2835015356 13 277806502 150
OSC8 3022070878 1 384977182 208
OSC7 3501237545 1 446017522 241
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea relativa a proprietatii materialului
72
Selectati materialele potrivite pentru piesele din imagine
Randul I 1 Serie mare de fabricatie-6p Randul II Serie mica (unicat) de fabricatie-6p
Randul I 2 Criterii de selectie a materialelor-1p3 Etapele selectiei materialelor ndash 1p4 Economicitatea piesei ndash 1p5 Strategii de selectie a materialelor ndash 1p
Randul II 2 Tipuri de date utilizate la selectia materialelor-1p3 Cum se face minimalizarea costurilor-1p4 Perofmantele piesei in functionare ndash 1p5 Care sunt cerintele fata de material ndash 1p
SUBIECTE EXAMEN
73
Date privind principalele proprietati tehnologice ale unor materiale
Material
Valorile proprietatii
Aschiabilitate Turnabilitate Sudabilitate Cost
F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba $tona
Otel de constructii (OL) X X X 140
Otel carbon de calitate (OLC) X X X
260
Fonte obisnuite (Fc) X X X 160
Punctaje 60 30 10 60 30 10 60 30 10
Avand in vedere ca pretul creste odata cu rezistenta la tractiune calculati costul fiecarui material prin inmultirea costului de baza cu valoarea proprietatii si impartiti la 100
74
Materiale ce pot fi luate in considerare spre analiza
Material Rm HV A Material Rm HV A Material Rm HV A
OL30 310 95 32 OLC8 324 140 33 Fc100 100 105 2
OL32 310 93 33 OLC10 321 150 31 Fc150 150 145 3
OL34 330 105 31 OLC15 373 155 27 Fc200 200 180 4
OL37 360 112 25 OLC20 410 165 25 Fc250 250 190 4
OL42 410 130 22 OLC25 450 175 24 Fc300 300 210 5
OL44 430 135 22 OLC30 490 180 21 Fc350 350 220 6
OL50 500 160 21 OLC35 530 195 21 Fc400 400 240 6
OL52 510 160 21 OLC40 570 200 19
OL60 590 185 16 OLC45 610 220 18
OL70 690 215 11 OLC50 640 230 16
OLC55 670 240 14
OLC60 700 255 14
Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50
Proprietatea tehnilogica intra cu o pondere de 100
VA UREZ SUCCES
69
Material Indicele de performanta P
VSCW20 2032758226
VC06 2126563155
VCW85 2501682022
C120 25017000
VMoCN17 2663140356
MoCN15 2735970124
VMoC120 2835015356
OSC8 3022070878
OSC7 3501237545
Material Indicele de performanta P
OSC7 74950
OSC8 75050
VSCW20 92400
MoCN15 96750
VC06 97400
VMoC120 100650
VMoCN17 101100
C120 101450
VCW85 101750
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile proprietatii materialului
ordonate crescator
Rezultatele obtinute utilizand in calcul valorile relative ale proprietatii materialului ordonate crescator
70
Luand in considerare ca unele materiale sunt aliate cu siguranta acestea sunt mai scumpe
Daca luam in considerare costul unitar pentru otelurile carbon de scule iar densitatea de 785 (corespunzatoare fierului) se obtine indicele de merit
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
OSC7 74950 1 95477707 114
OSC8 75050 1 956050955 114
VSCW20 92400 14 840764331 100
MoCN15 96750 14 880345769 105
VC06 97400 12 103397028 123
VMoC120 100650 13 986281235 117
VMoCN17 101100 14 919927207 109
C120 101450 15 861571125 102
VCW85 101750 14 925841674 110
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea proprietatii materialului
71
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
VSCW20 2032758226 14 184964352 100
VC06 2126563155 12 225749804 122
VCW85 2501682022 14 227632577 123
C120 25017000 15 212458599 115
VMoCN17 2663140356 14 242323963 131
MoCN15 2735970124 14 248950876 135
VMoC120 2835015356 13 277806502 150
OSC8 3022070878 1 384977182 208
OSC7 3501237545 1 446017522 241
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea relativa a proprietatii materialului
72
Selectati materialele potrivite pentru piesele din imagine
Randul I 1 Serie mare de fabricatie-6p Randul II Serie mica (unicat) de fabricatie-6p
Randul I 2 Criterii de selectie a materialelor-1p3 Etapele selectiei materialelor ndash 1p4 Economicitatea piesei ndash 1p5 Strategii de selectie a materialelor ndash 1p
Randul II 2 Tipuri de date utilizate la selectia materialelor-1p3 Cum se face minimalizarea costurilor-1p4 Perofmantele piesei in functionare ndash 1p5 Care sunt cerintele fata de material ndash 1p
SUBIECTE EXAMEN
73
Date privind principalele proprietati tehnologice ale unor materiale
Material
Valorile proprietatii
Aschiabilitate Turnabilitate Sudabilitate Cost
F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba $tona
Otel de constructii (OL) X X X 140
Otel carbon de calitate (OLC) X X X
260
Fonte obisnuite (Fc) X X X 160
Punctaje 60 30 10 60 30 10 60 30 10
Avand in vedere ca pretul creste odata cu rezistenta la tractiune calculati costul fiecarui material prin inmultirea costului de baza cu valoarea proprietatii si impartiti la 100
74
Materiale ce pot fi luate in considerare spre analiza
Material Rm HV A Material Rm HV A Material Rm HV A
OL30 310 95 32 OLC8 324 140 33 Fc100 100 105 2
OL32 310 93 33 OLC10 321 150 31 Fc150 150 145 3
OL34 330 105 31 OLC15 373 155 27 Fc200 200 180 4
OL37 360 112 25 OLC20 410 165 25 Fc250 250 190 4
OL42 410 130 22 OLC25 450 175 24 Fc300 300 210 5
OL44 430 135 22 OLC30 490 180 21 Fc350 350 220 6
OL50 500 160 21 OLC35 530 195 21 Fc400 400 240 6
OL52 510 160 21 OLC40 570 200 19
OL60 590 185 16 OLC45 610 220 18
OL70 690 215 11 OLC50 640 230 16
OLC55 670 240 14
OLC60 700 255 14
Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50
Proprietatea tehnilogica intra cu o pondere de 100
VA UREZ SUCCES
70
Luand in considerare ca unele materiale sunt aliate cu siguranta acestea sunt mai scumpe
Daca luam in considerare costul unitar pentru otelurile carbon de scule iar densitatea de 785 (corespunzatoare fierului) se obtine indicele de merit
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
OSC7 74950 1 95477707 114
OSC8 75050 1 956050955 114
VSCW20 92400 14 840764331 100
MoCN15 96750 14 880345769 105
VC06 97400 12 103397028 123
VMoC120 100650 13 986281235 117
VMoCN17 101100 14 919927207 109
C120 101450 15 861571125 102
VCW85 101750 14 925841674 110
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea proprietatii materialului
71
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
VSCW20 2032758226 14 184964352 100
VC06 2126563155 12 225749804 122
VCW85 2501682022 14 227632577 123
C120 25017000 15 212458599 115
VMoCN17 2663140356 14 242323963 131
MoCN15 2735970124 14 248950876 135
VMoC120 2835015356 13 277806502 150
OSC8 3022070878 1 384977182 208
OSC7 3501237545 1 446017522 241
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea relativa a proprietatii materialului
72
Selectati materialele potrivite pentru piesele din imagine
Randul I 1 Serie mare de fabricatie-6p Randul II Serie mica (unicat) de fabricatie-6p
Randul I 2 Criterii de selectie a materialelor-1p3 Etapele selectiei materialelor ndash 1p4 Economicitatea piesei ndash 1p5 Strategii de selectie a materialelor ndash 1p
Randul II 2 Tipuri de date utilizate la selectia materialelor-1p3 Cum se face minimalizarea costurilor-1p4 Perofmantele piesei in functionare ndash 1p5 Care sunt cerintele fata de material ndash 1p
SUBIECTE EXAMEN
73
Date privind principalele proprietati tehnologice ale unor materiale
Material
Valorile proprietatii
Aschiabilitate Turnabilitate Sudabilitate Cost
F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba $tona
Otel de constructii (OL) X X X 140
Otel carbon de calitate (OLC) X X X
260
Fonte obisnuite (Fc) X X X 160
Punctaje 60 30 10 60 30 10 60 30 10
Avand in vedere ca pretul creste odata cu rezistenta la tractiune calculati costul fiecarui material prin inmultirea costului de baza cu valoarea proprietatii si impartiti la 100
74
Materiale ce pot fi luate in considerare spre analiza
Material Rm HV A Material Rm HV A Material Rm HV A
OL30 310 95 32 OLC8 324 140 33 Fc100 100 105 2
OL32 310 93 33 OLC10 321 150 31 Fc150 150 145 3
OL34 330 105 31 OLC15 373 155 27 Fc200 200 180 4
OL37 360 112 25 OLC20 410 165 25 Fc250 250 190 4
OL42 410 130 22 OLC25 450 175 24 Fc300 300 210 5
OL44 430 135 22 OLC30 490 180 21 Fc350 350 220 6
OL50 500 160 21 OLC35 530 195 21 Fc400 400 240 6
OL52 510 160 21 OLC40 570 200 19
OL60 590 185 16 OLC45 610 220 18
OL70 690 215 11 OLC50 640 230 16
OLC55 670 240 14
OLC60 700 255 14
Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50
Proprietatea tehnilogica intra cu o pondere de 100
VA UREZ SUCCES
71
Material Indicele de performanta P
Costul unitatii de greutate p
Indicele de merit M
Indicele de merit
relativ RM
VSCW20 2032758226 14 184964352 100
VC06 2126563155 12 225749804 122
VCW85 2501682022 14 227632577 123
C120 25017000 15 212458599 115
VMoCN17 2663140356 14 242323963 131
MoCN15 2735970124 14 248950876 135
VMoC120 2835015356 13 277806502 150
OSC8 3022070878 1 384977182 208
OSC7 3501237545 1 446017522 241
Se ia in considerare indicele de performanta pentru valoarea relativa a proprietatii materialului
72
Selectati materialele potrivite pentru piesele din imagine
Randul I 1 Serie mare de fabricatie-6p Randul II Serie mica (unicat) de fabricatie-6p
Randul I 2 Criterii de selectie a materialelor-1p3 Etapele selectiei materialelor ndash 1p4 Economicitatea piesei ndash 1p5 Strategii de selectie a materialelor ndash 1p
Randul II 2 Tipuri de date utilizate la selectia materialelor-1p3 Cum se face minimalizarea costurilor-1p4 Perofmantele piesei in functionare ndash 1p5 Care sunt cerintele fata de material ndash 1p
SUBIECTE EXAMEN
73
Date privind principalele proprietati tehnologice ale unor materiale
Material
Valorile proprietatii
Aschiabilitate Turnabilitate Sudabilitate Cost
F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba $tona
Otel de constructii (OL) X X X 140
Otel carbon de calitate (OLC) X X X
260
Fonte obisnuite (Fc) X X X 160
Punctaje 60 30 10 60 30 10 60 30 10
Avand in vedere ca pretul creste odata cu rezistenta la tractiune calculati costul fiecarui material prin inmultirea costului de baza cu valoarea proprietatii si impartiti la 100
74
Materiale ce pot fi luate in considerare spre analiza
Material Rm HV A Material Rm HV A Material Rm HV A
OL30 310 95 32 OLC8 324 140 33 Fc100 100 105 2
OL32 310 93 33 OLC10 321 150 31 Fc150 150 145 3
OL34 330 105 31 OLC15 373 155 27 Fc200 200 180 4
OL37 360 112 25 OLC20 410 165 25 Fc250 250 190 4
OL42 410 130 22 OLC25 450 175 24 Fc300 300 210 5
OL44 430 135 22 OLC30 490 180 21 Fc350 350 220 6
OL50 500 160 21 OLC35 530 195 21 Fc400 400 240 6
OL52 510 160 21 OLC40 570 200 19
OL60 590 185 16 OLC45 610 220 18
OL70 690 215 11 OLC50 640 230 16
OLC55 670 240 14
OLC60 700 255 14
Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50
Proprietatea tehnilogica intra cu o pondere de 100
VA UREZ SUCCES
72
Selectati materialele potrivite pentru piesele din imagine
Randul I 1 Serie mare de fabricatie-6p Randul II Serie mica (unicat) de fabricatie-6p
Randul I 2 Criterii de selectie a materialelor-1p3 Etapele selectiei materialelor ndash 1p4 Economicitatea piesei ndash 1p5 Strategii de selectie a materialelor ndash 1p
Randul II 2 Tipuri de date utilizate la selectia materialelor-1p3 Cum se face minimalizarea costurilor-1p4 Perofmantele piesei in functionare ndash 1p5 Care sunt cerintele fata de material ndash 1p
SUBIECTE EXAMEN
73
Date privind principalele proprietati tehnologice ale unor materiale
Material
Valorile proprietatii
Aschiabilitate Turnabilitate Sudabilitate Cost
F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba $tona
Otel de constructii (OL) X X X 140
Otel carbon de calitate (OLC) X X X
260
Fonte obisnuite (Fc) X X X 160
Punctaje 60 30 10 60 30 10 60 30 10
Avand in vedere ca pretul creste odata cu rezistenta la tractiune calculati costul fiecarui material prin inmultirea costului de baza cu valoarea proprietatii si impartiti la 100
74
Materiale ce pot fi luate in considerare spre analiza
Material Rm HV A Material Rm HV A Material Rm HV A
OL30 310 95 32 OLC8 324 140 33 Fc100 100 105 2
OL32 310 93 33 OLC10 321 150 31 Fc150 150 145 3
OL34 330 105 31 OLC15 373 155 27 Fc200 200 180 4
OL37 360 112 25 OLC20 410 165 25 Fc250 250 190 4
OL42 410 130 22 OLC25 450 175 24 Fc300 300 210 5
OL44 430 135 22 OLC30 490 180 21 Fc350 350 220 6
OL50 500 160 21 OLC35 530 195 21 Fc400 400 240 6
OL52 510 160 21 OLC40 570 200 19
OL60 590 185 16 OLC45 610 220 18
OL70 690 215 11 OLC50 640 230 16
OLC55 670 240 14
OLC60 700 255 14
Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50
Proprietatea tehnilogica intra cu o pondere de 100
VA UREZ SUCCES
73
Date privind principalele proprietati tehnologice ale unor materiale
Material
Valorile proprietatii
Aschiabilitate Turnabilitate Sudabilitate Cost
F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba F buna Buna Slaba $tona
Otel de constructii (OL) X X X 140
Otel carbon de calitate (OLC) X X X
260
Fonte obisnuite (Fc) X X X 160
Punctaje 60 30 10 60 30 10 60 30 10
Avand in vedere ca pretul creste odata cu rezistenta la tractiune calculati costul fiecarui material prin inmultirea costului de baza cu valoarea proprietatii si impartiti la 100
74
Materiale ce pot fi luate in considerare spre analiza
Material Rm HV A Material Rm HV A Material Rm HV A
OL30 310 95 32 OLC8 324 140 33 Fc100 100 105 2
OL32 310 93 33 OLC10 321 150 31 Fc150 150 145 3
OL34 330 105 31 OLC15 373 155 27 Fc200 200 180 4
OL37 360 112 25 OLC20 410 165 25 Fc250 250 190 4
OL42 410 130 22 OLC25 450 175 24 Fc300 300 210 5
OL44 430 135 22 OLC30 490 180 21 Fc350 350 220 6
OL50 500 160 21 OLC35 530 195 21 Fc400 400 240 6
OL52 510 160 21 OLC40 570 200 19
OL60 590 185 16 OLC45 610 220 18
OL70 690 215 11 OLC50 640 230 16
OLC55 670 240 14
OLC60 700 255 14
Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50
Proprietatea tehnilogica intra cu o pondere de 100
VA UREZ SUCCES
74
Materiale ce pot fi luate in considerare spre analiza
Material Rm HV A Material Rm HV A Material Rm HV A
OL30 310 95 32 OLC8 324 140 33 Fc100 100 105 2
OL32 310 93 33 OLC10 321 150 31 Fc150 150 145 3
OL34 330 105 31 OLC15 373 155 27 Fc200 200 180 4
OL37 360 112 25 OLC20 410 165 25 Fc250 250 190 4
OL42 410 130 22 OLC25 450 175 24 Fc300 300 210 5
OL44 430 135 22 OLC30 490 180 21 Fc350 350 220 6
OL50 500 160 21 OLC35 530 195 21 Fc400 400 240 6
OL52 510 160 21 OLC40 570 200 19
OL60 590 185 16 OLC45 610 220 18
OL70 690 215 11 OLC50 640 230 16
OLC55 670 240 14
OLC60 700 255 14
Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50 Ponderea 70 30 50
Proprietatea tehnilogica intra cu o pondere de 100
VA UREZ SUCCES