Дискретно-континуальное упрочнение контактирующих элементов конструкций: концепция, математическое и численное моделирование

Дискретно-континуальное упрочнение контактирующих элементов конструкций: концепция, математическое и численное моделирование = Discrete and Continual Strengthening of Contacting Structural Elements: Conception, Mathematical and Numerical Modeling / Н. А. Ткачук [и др.] // Наука и техника. – 2019. – № 3. – С. 240-247.

Abstract

Предложен вариант дискретно-континуального упрочнения контактирующих элементов машиностроительных конструкций. Одна из деталей упрочняется дискретно, а ответная – континуально. Получаемая пара сочетает положительные качества двух разнотипных методов упрочнения. Исследование напряженно-деформированного состояния обработанных фрагментов дает основание для вывода о высокой эффективности предложенного комбинированного метода упрочнения. При его использовании, в отличие от традиционных вариантов технологий упрочнения, задействуются механизмы отрицательной обратной связи между этапами «нагружение – контактное взаимодействие – трение – износ». В результате получается положительный интегральный эффект от применения разработанной технологии упрочнения. Данный эффект существенно превышает сумму эффектов от использования каждой из технологий упрочнения. При этом обеспечивается благоприятное распределение контактных давлений между контактирующими телами. Это, в свою очередь, приводит к уменьшению износа, что препятствует резкому возрастанию действующих между телами нагрузок. Таким образом происходит стабилизация исследуемых процессов. Для демонстрации положительных эффектов, возникающих при контакте упрочненных тел, рассмотрено напряженно-деформированное состояние представительного фрагмента исследуемой системы. Результаты расчетов свидетельствуют о справедливости прогнозных предположений. Действительно, упрочненные зоны воспринимают большие нагрузки. Однако в силу высоких трибомеханических свойств материала в упрочненных зонах трение и износ в них намного ниже, чем у основного материала. За счет этого формируются все положительные компоненты суммарного эффекта. Данный эффект подкрепляется тем, что ответная деталь обработана континуально. В частности, металлы из материалов типа алюминия покрываются тонким слоем оксидов путем их образования в сильном электрическом поле в специальной среде. Образуемые твердые фазы оксидов служат структурной основой формирования поверхностных слоев. В сочетании с дискретно упрочненными поверхностями ответных деталей образуемая пара приобретает высокие прочностные, антифрикционные и противоизносные свойства.

Abstract in another language

The paper proposes a variant of discrete and continual strengthening of contacting elements of machine-building structures. One of the parts is strengthened discretely, and its counterpart is strengthened continually. The resulting pair combines positive qualities of two different types of strengthening methods. Investigations on stressed-deformed state of the treated fragments provides a basis for conclusion about high efficiency of the proposed combined strengthening method. While applying the method mechanisms of negative feedback between the stages “loading – contact interaction – friction – wear” are involved unlike with conventional versions of strengthening technologies. In this way, positive integral effect results from an application of the developed strengthening technology. This effect is significantly higher than the sum of effects obtained owing to application of every strengthening technology. In this case a favorable distribution of contact pressures between contacting bodies has been ensured. This, in its turn, leads to a decrease in wear that prevents a sharp increase in loads acting between bodies. Thus stabilization of the investigated processes occur. The papers considers stress-strain state of a representative fragment of the investigated system in order to demonstrate positive effects arising from the contact of strengthened bodies. Results of the calculations indicate validity of forecast assumptions. Indeed, the strengthened zones can bear high loads. However, due to high tribomechanical properties of the material in the hardened zones, friction and wear in them are much lower than for a base material. Due to this, all positive components of the total effect are formed. This effect is supported by the fact that a counterpart is processed continually. In particular, metals from aluminum-type materials are coated with a thin layer of oxides by forming them in a strong electric field of a special medium. Formed solid phases of oxides serve as a structural basis for formation of surface layers. In combination with discretely strengthened surfaces of counterparts the formed pair acquires high strength, antifriction and antiwear properties.