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