NON-CONTACT DEFORMATION WITH REVERSIBLE SURFACE PLASTIC DEFORMATION

Abstract


The article considers non-contact deformation during surface plastic deformation based on the reverse rotation of the deforming tool. Using software for 3D design (Solid work 2019) and computational modeling (Ansys workbench 19.2), calculations were made to determine the size of an elastic-plastic wave depending on the main parameters of reverse surface plastic deformation (SPD) and the physical and mechanical properties of the material. The stress state in elastoplastic waves generated in the direction of feed (A1) and in the direction of the main movement (A2) is also established. It has been established that the linear dimensions of elastoplastic waves reach a maximum at a preload value of t = 0.4 mm. The main parameters of the reversible PPD, which characterize the kinematics of the working tool (reverse speed of the working tool, the speed of the workpiece, the initial angle of the working tool and the amplitude of the angle of the reverse rotation of the working tool) have a significant impact on the change in the size of the elastoplastic wave in the direction of the longitudinal feed and slightly affect the change in the size of the elastic-plastic wave in the direction of the main movement. The change in the stress state of the surface layer is shown depending on the physical and mechanical properties of the material: large sizes of the elastic-plastic wave during elastic-plastic deformation are formed in the material with a reduced yield strength and elastic modulus. It was also found that the larger the size of the elastic-plastic wave, the higher the maximum tensile stresses at their vertices. The resulting stress state of the wave allows us to conclude that maximum tensile stresses are formed at their tops, the value of which reaches 202–271 MPa (2,4–3,2 times less than the ultimate strength of the material), which practically does not cause strength failure hardened surfaces.

Full Text

Состоянию поверхностного слоя деталей машин уделяется должное внимание как на стадии их изготов- ления, так и в процессе эксплуатации машин и оборудо- вания. Все проблемы, связанные с надежностью изде- лий машиностроения, во многом зависят именно от ка- чества поверхностного слоя деталей машин [1–3]. Улучшить состояние внешнего слоя деталей и элемен- тов конструкций удается достаточно эффективно при использовании после механической обработки резанием отделочно-упрочняющей обработки поверхностным пластическим деформированием (ППД). Благодаря ППД можно не только сгладить микронеровности по- верхности, но и повысить твердость поверхностного слоя и сформировать в нем сжимающие остаточные напряжения. Всё это благоприятно сказывается на рабо- тоспособности деталей машин и изделий машинострое- ния в целом [4–6]. При ППД, в отличие от обработки резанием, металл не удаляется путем отрыва стружки, а перераспределя- ется под действием давления в тонком поверхностном слое. Деформирующий инструмент в виде шарика или ролика в зоне контакта с заготовкой воздействует на металл, сдавливая его в направлении, перпендикуляр- ном обрабатываемой поверхности. При этом часть де- формируемого материала выдавливается на свободную поверхность заготовки, образуя вокруг рабочего инст- румента упругопластический наплыв, называемый тех- нологами «волной», которая характеризуется двумя основными геометрическими параметрами: высотой и длиной. При использовании известных статических ме- тодов ППД размер упругопластической волны перед деформирующим инструментом значительно больше, чем после, и в направлении продольной подачи размеры волны значительно выше, чем в направлении главного движения [7–9]. Подъем металла в виде упругопластической волны увеличивает площадь контакта рабочего инструмента с обрабатываемой поверхностью, что оказывает сущест- венное влияние на силу трения, температуру в зоне де- формации, ухудшает доступ смазочно-охлаждающей жидкости в зону обработки [10–12]. Если в очаге де- формации возникают в основном сжимающие напряже- ния, то в упругопластической волне, которая формиру- ется на поверхностном слое, возникают растягивающие напряжения, которые при большой интенсивности мо- гут являться источником зарождения повреждений в виде микротрещин [13–15]. В фундаментальной монографии профессора В.М. Смелянского [16] показано, что именно в вершине упругопластической волны происходит ужесточение схемы напряженного состояния, снижение запаса пла- стичности, которые приводят к разрушению поверхно- стного слоя. Таким образом, волнообразование при ППД приводит к формированию дефектного слоя, кото-рый снижает глубину упрочнения и повышает интенсив- ность накопленной деформации. Экспериментально до- казано, что подавление или механическое удаление упру- гопластической волны повышает качество поверхностно- го слоя [17; 18]. В связи с вышеизложенным вопрос о влиянии ППД на процесс образования упругопластической волны яв- ляется весьма актуальным при изготовлении деталей машин с обеспечением качественного поверхностного слоя. Изучение процесса волнообразования при ППД относится к достаточно сложной технической задаче, так как экспериментально определить ее можно только качественно или весьма приближенно. Внедрение в ис- следовательскую практику программных средств на основе конечно-элементного моделирования позволяет получить достаточно надежные численные результаты. Авторами статьи предложен новый способ поверх- ностного пластического деформирования, основанный на реверсивном движении рабочего инструмента [19]. Способ направлен на решение задачи по интенсифика- ции напряженного состояния в очаге деформации и ос- таточных напряжений в упрочненном слое. Цель данной работы заключается в определении геометрических параметров упругопластической волны и напряженного состояния в ней в зависимости от ос- новных технологических параметров реверсивного по- верхностного пластического деформирования.

About the authors

S. A. Zaides

Irkutsk National Research Technical University

Nuu Nai Nguyen

Irkutsk National Research Technical University

References

  1. Поиск новых технологических методов повышения прочности коленчатых валов двигателей / А.П. Бабичев, М.Е. Попов [и др.] // Вестник ДГТУ. – 2015. – № 1. – С. 49–54.
  2. Одинцов Л.Г. Упрочнение и отделка деталей поверхно- стным пластическим деформированием. – М.: Машинострое- ние, 1987. – 328 с.
  3. Повышение надежности технологических процессов обработки деталей динамическими методами поверхностного пластического деформирования / М.А. Тамаркин,Д.В. Каза- ков, А.С. Шведова, Р.В. Гребенкин // Упрочняющие техноло- гии и покрытия. – 2015. – № 8(128). – С. 23–27.
  4. Вирт А.Э. Влияние режимов обработки при ППД на шероховатость обработанной поверхности // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2014. – № 11-4. – С. 547–549.
  5. Поверхностное пластическое деформирование как ме- тод повышения качества деталей машин / Б.И. Бутаков, В.С. Шебанин, Д.Д. Марченко, А.В. Артюх // Труды Госнити. – 2011. – № 2. – С. 85–87.
  6. Насонов А.И., Гилета В.П., Самуль А.Г. Микрогеомет- рия деталей из алюминиевых сплавов после ультразвукового поверхностно-пластического деформирования // Прогрессив- ные технологии и системы машиностроения. – 2021. – № 3(74). – С. 82–90.
  7. Нго Као Кыонг. Исследование внеконтактных дефор- маций при локальном нагружении // Вестник науки и образо- вания Северо-Запада России. – 2015. – Т. 1, № 3. – С. 6–13.
  8. Зайдес С.А., Емельянов В.Н. Влияние поверхностного пластического деформирования на качество валов: моногр. – Иркутск: Изд-во ИРНИТУ, 2017. – 380 с.
  9. Кокорева О.Г., Пехотов М.В. Управление параметрами качества поверхностного слоя при обработке статико- импульсным методом // Машиностроение и безопасность жизнедеятельности. – 2015. – № 1(23). – С. 73–77.
  10. Определение шероховатости поверхностей деталей, обработанных дробеупрочнением / М.М. Матлин [и др.] // Вестник машиностроения. – 2013. – № 10. – C. 54–55.
  11. Зайдес С.А., Нго К.К. Поверхностное деформирование в стесненных условиях: монография. – Иркутск: Изд-во ИР- НИТУ, 2018. – 236 с.
  12. Дрозд М.С., Матлин М.М., Сидякин Ю.И. Инженер- ные расчеты упругопластической контактной деформации. – М.: Машиностроение, 1986. – 221 с.
  13. Аверина Т.А. Моделирование схем развития трещин в плитах и пологих оболочках на основе траекторий наиболь- ших растягивающих напряжений // Системы управления и информационные технологии. – 2022. – № 2. – С. 4–8.
  14. Хамидуллин Р.М., Федотова Д.В. Анализ полей на- пряжений в вершине трещины и параметры сопротивления разрушению в условиях градиентной пластичности // Вестник Пермского национального исследовательского политехниче- ского университета. Механика. – 2021. – № 4. – С. 136–148.
  15. Бойченко Н.В. Поля напряжений с учетом радиуса кривизны вершины трещины при нелинейном деформирова- нии // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. – 2021. – № 4. – С. 29–40.
  16. Смелянский В.М. Механика упрочнения деталей по- верхностным пластическим деформированием. – М.: Маши- ностроение, 2002. – 299 с.
  17. Технологические процессы поверхностного пластиче- ского деформирования / В.Ю. Блюменштейн, С.А. Зайдес, А.В. Киричек [и др.]; под ред. С.А. Зайдеса. – Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2007. – 404 с.
  18. Зайдес С.А., Фам Ван Ань. Определение внеконтактной деформации материала при орбитальном воздействии индентора // Вестник машиностроения. – 2021. – № 7. – С. 81–86.
  19. Пат. 2758713 Российская Федерация. Способ поверх- ностного пластического деформирования наружных поверх- ностей тел вращения / Зайдес С.А., Нгуен Хыу Хай; заявл. 14.01.21; опубл. 04.11.21, Бюл. № 31.
  20. Рогожникова Е.Н., Аношкин А.Н., Бульбович Р.В. Расчет НДС и оценка прочности сегментированной цилинд- рической оболочки из композиционных материалов с метали- ческими вкладыщами // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механи- ка. – 2022. – № 1. – С. 102-114.
  21. Preetham Marle Ramachandra, Sanjay Sutar, G.C. Mohan Kumara. Stress analysis of a gear using photoelastic method and Finite element method // Materials today: Proceedings. – 2022. – Vol. 65, no. 8. – P. 3820–3828. doi: 10.1016/j.matpr.2022.06.579
  22. A review of artificial neural networks in the constitutive modeling of composite materials / Xin Liu, Su Tian, Fei Tao, Wenbin Yu // Composites Part B: Engineering. – 2022. – Vol. 224. – P. 109152. doi: 10.1016/j.compositesb.2021.109152
  23. Басов К.А. ANSYS в примерах и задачах / под. общ. ред. Д.Г. Красковского. – М: Компьютер Пресс, 2002. – 224 с.
  24. Semih Taskaya, AliKaya Gur, Cetin Ozay. Joining of Ramor 500 Steel with SAW (Submerged Arc Welding) and its Evaluation of Thermomechanical Analysis in ANSYS Package Software. // Thermal Science and Engineering Progress. – 2019. – Vol. 13. – P. 100396. doi: 10.1016/j.tsep.2019.100396
  25. Федоренков Д.И., Косов Д.А. Реализации модели по- врежденности Lemaitre с кинематическим упрочнением в ко- нечно-элементном комплексе Ansys // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического универ- ситета. Механика. – 2022. – № 2. – С. 147–157.
  26. Prediction of machining deformation induced by turning residual stress in thin circular parts using ritz method / Kang Ju, Chunzheng Duan, Yuwen Sun, Jiahao Shi, Jinxing Kong, Abdolhamid Akbarzadeh // Journal of Materials Processing Technology. – 2022. – Vol. 307. – P. 117664. doi: 10.1016/j.jmatprotec.2022.117664
  27. A novel surface residual stress monitoring method based on the power consumption of machine tool: A case study in 5-axis machining / Zehua Wang, Sibao Wang, Shilong Wang, Ning Liu, Zengya Zhao, Yankai Wang // Journal of Manufacturing Processes. – 2023. – Vol. 86. – P. 221–236.
  28. Зайдес С.А., Нго Као Кыонг. Новые технологические возможности отделочно-упрочняющей обработки поверхно- стным пластическим деформированием // Наукоемкие техно- логии в машиностроении. – 2017. – № 3. – С. 25–30.
  29. Проскорякова Ю.А., Феденко А.А. Влияние различ- ных методов обработки поверхностным пластическим дефор- мированием на качество поверхностного слоя детали // Сбор- ник научных трудов «Транспорт: Наука, Образование, Произ- водство». – 2018. – С. 153–156.
  30. Отений Я.Н., Лаврентьев А.М. Сравнение различных методов определения глубины упрочнения при обработке деталей поверхностным пластическим деформированием // Известия волгоградского государственного технического уни- верситета. – 2017. – № 9(204). – С. 50–54.
  31. M.H.A. Bonte, A. de Boer, R. Liebregts. Determining the von Mises stress power spectral density for frequency domain fatigue analysis including out-of-phase stress components // Journal of Sound and Vibration. – 2007. – Vol. 302. – P. 379–386. doi: 10.1016/j.jsv.2006.11.025
  32. Simplified method to identify full von Mises stress-strain curve of structural metals / Yuan-ZuoWang, Guo-QiangLi, Yan- BoWang, Yi-FanLyu // Journal of Constructional Steel Research. – 2021. – Vol. 181. – P. 106624. doi: 10.1016/j.jcsr.2021.106624
  33. Расчет напряжения по фон Мизесу при пластическом деформировании стальной втулки / Д.А. Чемезов, С.И. Тюри- на, И.М. Павлухина, О.В. Горбатенко, И.А. Медведева // Тheoretical applied science. – 2018. – № 9(65). – С. 201–203. doi: 10.15863/TAS.2018.09.65.35

Statistics

Views

Abstract - 130

PDF (Russian) - 121

Cited-By


PlumX


Copyright (c) 2023 Zaides S.A., Nguyen N.N.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies