Metody modifikace topografie strojních prvků

O.Šamánek, M.Omasta

Ústav konstruování

–

Odbor metodiky konstruováníFakulta strojního inženýrstvíVysoké

učení

technické

v Brně

Konstruování

strojů

– strojní součásti (5KS)O.Šamánek, vytvořeno v rámci projektu FRVŠ

2452/2010

Formulace problému

Úvod do problematiky

Experimentální

zařízení

Realizace cílené

modifikace topografie

Příklady výsledků

a získaných poznatků

Závěr

OSNOVA

Konstruování

strojů

– strojní součásti (5KS)O.Šamánek 1/20

Drag

reductionhttp://www.me.utexas.edu/~hidrovo/drag

-reduction.html

během provozu strojních součástí

může dojít ke styku třecích povrchů, tření

a opotřebení

přístupy: mazivostní

přísady, úprava třecích povrchů

vhodné

navržení

geometrie

povrchové

textury může napomáhat dodání

maziva do kontaktu v kritických fázích provozu a zároveň

prodloužit únavovou životnost součásti

Poškození

povrchu pittingem

Opotřebení

zadíráním

FORMULACE PROBLÉMU

Konstruování

strojů

– strojní součásti (5KS)O.Šamánek 2/20

ÚVOD DO PROBLEMATIKY –

KONTAKTNÍ

ÚNAVA

http://rcpcrawlers.com

poškozování

povrchů

díky cyklickému

namáhání

(dotykem v jednom bodě

nebo jedné

oblasti)

popis a studium kontaktní

únavy se dále zabývá

analýzou vlivů

působících na rychlost opotřebení

zkoumání

iniciačních podmínek kontaktní

únavy (vlivy mazání, povrchových úprav)

šíření

trhlin pod povrchem matriálu (růst na povrch, následné

odlamování

materiálu)

Konstruování

strojů

– strojní součásti (5KS)O.Šamánek 3/20

Vzájem

ný 

pohyb těles

ÚVOD DO PROBLEMATIKY

PROJEVY POŠKOZOVÁNÍ

KONTAKTNÍ

ÚNAVOU

http://www.epi-eng.com

smýkáním

odvalováním

kombinace

Mechanismus opotřebení Projevy opotřebení

Adheze Zadírání, odřené

plošky, důlky, plastické

odstříhávání

materiálu, přenos materiálu

Abraze Škrábance, rýhy, zvlnění

Povrchová

únava Trhliny, pitting

Eroze Produkty chemické

reakce, částice materiálu, vrstvy materiálu

Konstruování

strojů

– strojní součásti (5KS)O.Šamánek 4/20

důlky v povrchu materiálu odlupování

vrstev materiálu

http://www.vibanalysis.co.uk

pitting spalling

http://www.stork‐gears.com

PROJEVY POŠKOZOVÁNÍ

KONTAKTNÍ

ÚNAVOU

ÚVOD DO PROBLEMATIKY

Konstruování

strojů

– strojní součásti (5KS)O.Šamánek 5/20

CílenáPřirozenáModifikace topografie

AKAMATSU, Y. el. al., 1991

KANG, Y. S., SADEGHI, F., Ai, X., 2000

NAKTSUI, T., MORI, A., 2001

Kombinace

nahodile rozmístěné

vtisky

dokončovací

operace

kontaminace maziva

kontaminace maziva

cílená

modifikace

zásobník maziva

koncentrátor napětí

různé

provozní

podmínky

textura x

jediný vtisk v kontaktní

stopě

chování

mazacího filmu v kontaktu

vliv vtisku na rozložení

tlaku v kontaktu

numerické

analýzy x

experiment

vliv vtisků

na únavovou životnost

XU, G., SADEGHI, F., COGDELL, J. D., 1997

UEDA, T., MITAMURA, N., 2008

CUSANO, C., WEDEVEN, L. D., 1982

XU., G., SADEGHI, F., CODGELL, J. D., 1997

ZHAI, X. et. al., 1997; KŘUPKA, I., 2007

NÉLIAS, D., VILLE, F., 2000; ANTALUCA, E., NÉLIAS, D., 2008

XU, G., SADEGHI, F., HOEPRICH, M.R., 1998; NÉLIAS, D., 2005

HOWELL, M. B., RUBIN, C. A., HAHN, G. T., 2004

ÚVOD DO PROBLEMATIKY

Konstruování

strojů

– strojní součásti (5KS)O.Šamánek 6/20

ÚVOD DO PROBLEMATIKY

MODIFIKACE TOPOGRAFIE -

SURFACE TEXTURING

Cílená

modifikace topografie třecích povrchů

vytvoření

soustavy mikrodůlků

na třecích površích

snížení

tření

a opotřebení

třecích povrchů

konformní

povrchy

nekonformní

povrchy

hydrodynamické

x

smíšené

(částečné

EHD) mazání

LST textura na třecím povrchuEtsion, I.: LST technology, 2008

Mikrostruktura kůže žraloka, snižující

tření

s okolním prostředímHsu, S., M., Surface

texturing, 2006

Přirozená

modifikace topografie třecích povrchů

dokončovací

operace

kontaminace maziva

hydrodynamické

mazání

Konstruování

strojů

– strojní součásti (5KS)O.Šamánek 7/20

ZPŮSOBY REALIZACE TEXTUR

Mechanicky Laserem

princip vyrážení

vtisků

(Rockwell)

technologie LST (Laser Surface

Texturing)

www.advancedsealingsolutions.com Kovalchenko

et. al., 2005http://pvcdrom.pveducation.org

Typy povrchových textur

Mechanické

metody Litografické

metody Povlakování Paprskem energie

ÚVOD DO PROBLEMATIKY

Konstruování

strojů

– strojní součásti (5KS)O.Šamánek 8/20

NÉLIAS, D., VILLE, F., Journal

of

Tribology, 2000

XU, G., SADEGHI, F., HOEPRICH, M. R, Journal

of

Tribology, 1998

ZHAI, X. et. al., Tribology

Transactions, 1997

ÚVOD DO PROBLEMATIKY

Vliv modifikace topografie na kontaktní

oblast

Konstruování

strojů

– strojní součásti (5KS)O.Šamánek 9/20

HYPOTÉZY FUNKCE TEXTURY NA TŘECÍM POVRCHU SOUČÁSTI

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

-1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5X distance [-]

lubr

icat

ion

film

thic

knes

s H

[-]

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

pres

sure

P [-

]

Zásobník maziva Koncentrátor napětí

různé

provozní

podmínky

textura x

jediný vtisk v kontaktní

stopě

chování

mazacího filmu v kontaktuCUSANO, C., WEDEVEN, L. D., 1982

XU., G., SADEGHI, F., CODGELL, J. D., 1997

ZHAI, X. et. al., 1997;       KŘUPKA, I., 2007NÉLIAS, D., VILLE, F., 2000;             ANTALUCA, E., NÉLIAS, D., 2008

XU, G., SADEGHI, F., HOEPRICH, M.R., 1998;          NÉLIAS, D., 2005

V.M.M.B da

Mota

et al., 2008;      UEDA, T., MITAMURA, N.:. 2008

HOWELL, M. B., RUBIN, C. A., HAHN, G. T., 2004

NÉLIAS, d. et. al., 2005

ÚVOD DO PROBLEMATIKY

numerické

analýzy x

experiment

vliv vtisku na rozložení

tlaku v kontaktu

vliv vtisků

na únavovou životnost

Konstruování

strojů

– strojní součásti (5KS)O.Šamánek 10/20

Horizontální

posuv vzorku

Motorizovaný lineární

posuv

Rotační

posuv vzorku, Vertikální

posuv Indentoru

Krokové

motory

EXPERIMENTÁLNÍ

ZAŘÍZENÍ

Texturovací

přípravek -

INDENTOR

Výhody:

Nevýhody:

dobře definovaná

geometrie vtisku

snadná

kontrola tvorby textur

různé

geometrie textur

časová

náročnost na tvorbu textury

Řízení

a kontrola celého procesu tvorby textury na třecím povrchu

ZATÍŽENÍ

POSUV

ROTACE

Konstruování

strojů

– strojní součásti (5KS)O.Šamánek 11/20

EXPERIMENTÁLNÍ

ZAŘÍZENÍ

Ukončení

měření

Simulátor reálných podmínek R-Mat –

RCF TESTY

kruhový kontakt mezi diskem a vzorkem

materiál disků

a vzorků: ocel AISI 52100

kontaktní

tlak 5 GPa, průměr kontaktní

oblasti 600 µm

drsnost povrchů:vzorek Ra

0,1 µmdisky Ra

0,1 µm

parametr mazáníΛ

= 0,4 ÷

0,6 (smíšené

mazání)

Model zkušebního vzorku

Model experimentálního zařízení

R‐MAT

výskyt povrchového poškození

monitorování

vibrací

Konstruování

strojů

– strojní součásti (5KS)O.Šamánek 12/20

REALIZACE CÍLENÉ

MODIFIKACE TOPOGRAFIE

GEOMETRIE TEXTUR

Textury T1, T2:

mezi řadami: 75µm

mezi vtisky: 150µm

hloubka:

0,6 µm a

1,45 µm

Textury T3, T4:

mezi řadami: 75µm

mezi vtisky: 75µm

hloubka:

0,6 µm

Vrbka M, et

al. Effect

of

surface

texturing

on rolling

contact

fatigue

within

mixed

lubricated

non-conformal

rolling/sliding

contacts. Tribol

Int

(2010), doi:10.1016/j.triboint.2010.02.002

Konstruování

strojů

– strojní součásti (5KS)O.Šamánek 13/20

3D GEOMETRIE TEXTUR

Vrbka M, et

al. Effect

of

surface

texturing

on rolling

contact

fatigue

within

mixed

lubricated

non-

conformal

rolling/sliding

contacts. Tribol

Int

(2010), doi:10.1016/j.triboint.2010.02.002

REALIZACE CÍLENÉ

MODIFIKACE TOPOGRAFIE

Konstruování

strojů

– strojní součásti (5KS)O.Šamánek 14/20

POZOROVANÉ

PORUŠENÍ

Vrbka M, et

al. Effect

of

surface

texturing

on rolling

contact

fatigue

within

mixed

lubricated

non-

conformal

rolling/sliding

contacts. Tribol

Int

(2010), doi:10.1016/j.triboint.2010.02.002

PŘÍKLADY VÝSLEDKŮ

A ZÍSKANÝCH POZNATKŮ

Konstruování

strojů

– strojní součásti (5KS)O.Šamánek 15/20

8,20E+05

2,30E+06

8,70E+05

1,10E+07

1,00E+07

0,00E+00

2,00E+06

4,00E+06

6,00E+06

8,00E+06

1,00E+07

1,20E+07

Bez textury T1 T2 T3 T4

cykl

y do

por

ušen

í

PŘÍKLADY VÝSLEDKŮ

A ZÍSKANÝCH POZNATKŮ

Konstruování

strojů

– strojní součásti (5KS)O.Šamánek 16/20

0,0E+00

5,0E+06

1,0E+07

1,5E+07

2,0E+07

2,5E+07

3,0E+07

textura 2 textura 3 textura 4 textura 5 stopa bez text.2

stopa bez text.3

stopa bez text.4

stopa bez text.5

stopa bez text.6

stopa bez text.7

stopa bez text.8

Hloubka vtisků: 400nm

Kontaktní

tlak: 5 GPa

Průměr kontaktní

oblasti: 0,61 mm

stopy s texturou stopy bez textury

Počet cyklůdo

 porušen

í

PŘÍKLADY VÝSLEDKŮ

A ZÍSKANÝCH POZNATKŮ

Konstruování

strojů

– strojní součásti (5KS)O.Šamánek 17/20

0,0E+00

5,0E+06

1,0E+07

1,5E+07

2,0E+07

2,5E+07

3,0E+07

textura 2 textura 3 textura 4 textura 5 stopa  bez text.2

stopa bez text.3

stopa bez text.4

stopa bez text.5

stopa bez text.6

stopa bez text.7

stopa bez text.8

Hloubka vtisků: 800nm

Kontaktní

tlak: 5 GPa

Průměr kontaktní

oblasti: 0,61 mm

Počet cyklůdo

 porušen

í

stopy s texturou stopy bez textury

PŘÍKLADY VÝSLEDKŮ

A ZÍSKANÝCH POZNATKŮ

Konstruování

strojů

– strojní součásti (5KS)O.Šamánek 18/20

geometrie textury ovlivňuje životnost –

hloubka a hustota vtisků

mělké

vtisky (0,6 µm) –

zvýšení

životnosti

rozložení

vtisků

–

bez výrazného vlivu

vhodné

rozložení

povrchové

textury (za konkrétních podmínek) –

zvýšení

životnosti

ZÁVĚR

PŘÍKLADY VÝSLEDKŮ

A ZÍSKANÝCH POZNATKŮ

Konstruování

strojů

– strojní součásti (5KS)O.Šamánek 19/20

Děkuji vám za pozornost

O. Šamánek

Konstruování

strojů

– strojní součásti (5KS)O.Šamánek, vytvořeno v rámci projektu FRVŠ

2452/2010

Ústav konstruování

–

Odbor metodiky konstruováníFakulta strojního inženýrstvíVysoké

učení

technické

v Brně