Багатокритеріальна оцінка контактної взаємодії дискретно-континуально зміцнених деталей

Abstract

У статті розглядається вплив властивостей матеріалів на контактну взаємодію зміцнених деталей конструкцій. Для оброблення цих деталей застосовується технологія дискретно-континуального зміцнення. Контактуючі деталі виготовлені із різних матеріалів. З одного боку – деталь із алюмінієвого сплаву. На її поверхні вирощується мікрошар оксидної кераміки. З іншого боку – чавунна або стальна деталь, у поверхневі шари якої індентовано електроіскровим методом архіпелаг зон зміцненого матеріалу. Тобто перша деталь оброблена континуально, а друга – дискретно. Досліджується вплив властивостей матеріалів у зонах зміцнення на контактну взаємодію таких деталей. Розроблені рекомендації стосовно вибору матеріалів та технологічних режимів дискретно-континуального зміцнення. Зокрема, установлено, що характер розподілу контактного тиску та напружень за Мізесом суттєво залежить від поєднань значень модулів пружності шару оксидної кераміки на алюмінієвій деталі та зони дискретного зміцнення на чавунній деталі. При цьому зі зростанням модуля пружності матеріалу зон дискретного зміцнення відбувається якісна зміна цих розподілів. Контактний тиск у центральній частині області контакту спочатку набуває мінімуму, а потім – максимуму. У той же час, вплив модуля пружності шару оксидної кераміки на алюмінієвій деталі - менш виражений. Відносний рівень контактного тиску та напружень за Мізесом змінюється у дослідженому діапазоні варіювання модулів пружності матеріалів зон континуального та дискретного зміцнення у досить широкому коридорі. Отже, можна управляти рівнем контрольованих величин. А відтак – є можливість обґрунтування вибору того чи іншого матеріалу, а також конструктивних та технологічних рішень при створенні тих чи інших елементів конструкцій. Важливе значення для обґрунтування раціональних технічних рішень вузлів нових конструкцій має не тільки рівень контактного тиску та напружень за Мізесом. Контактна взаємодія визначає розподіл навантажень між елементами конструкцій, що певним чином безпосередньо впливає на їх напружено-деформований стан та міцність. Також на додаток запускається серія процесів і станів: тертя, зношування, навантаженість. Вони залежать від розподілу контактних сил. Отже, із фізичної точки зору реалізується "мультифізичний" процес, а із технічної – багатокритеріальний. У результаті, на кожному із етапів виникає низка конкуруючих вимог та обмежень, які слід брати до уваги при обґрунтуванні раціональних технічних рішень нових виробів, зокрема, двигунів внутрішнього згоряння.

This paper considers the influence of material properties on the contact interaction of strengthened structural parts. Discrete-continual strengthening technology is used to process these parts. Contacting parts are made of different materials. On the one side there is an aluminum alloy part. A microscopic layer of oxide ceramics is grown on its surface. On the other side there is a cast iron or steel part with an archipelago of strengthened material spots introduced by the electric spark method on the surface. Hence, the first part is processed continually, and the second one is processed discretely. The influence of material properties in the strengthening zones on the contact interaction of such parts is studied. Recommendations regarding the choice of materials and technological modes of discrete-continual strengthening have been developed. In particular, it was established that the character of contact pressure distribution and Mises stresses significantly depends on the combination of the moduli of the oxide ceramic layer on the aluminum part and the discrete strengthening zone on the cast iron part. At the same time, with the growth of the elasticity modulus of the material of discrete strengthening zones, a qualitative change in these distributions occurs. The contact pressure in the central part of the contact area first acquires a minimum and then a maximum. At the same time, the influence of the elastic modulus of the oxide ceramic layer on the aluminum part is less pronounced. The relative level of contact pressure and von Mises stresses varies in the studied range of variation of the modulus of elasticity of materials of continual and discrete strengthening zones in a fairly wide corridor. Therefore, it is possible to control the level of controlled values. And therefore there is an opportunity to justify the choice of one or another material, as well as constructive and technological solutions when creating certain structure elements. Not only the level of contact pressure and von Mises stresses is important for rationalizing technical solutions of new machine components. Contact interaction determines the loads distribution between structural elements, which in a certain way directly affects their stress-strain state and strength. Also, a series of processes and states are launched in addition: friction, wear, bearing capacity. They depend on the distribution of contact forces. So, from a physical point of view, a "multi-physical" process is implemented, and from a technical point of view, this is a "multi-criteria" process. As a result, a number of competing requirements and limitations arise at each of the stages, which should be taken into account when justifying rational technical solutions for new products, in particular, internal combustion engines.