blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2020-10-802-807blackmet-1994Research ArticleМЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИMETALLURGICAL TECHNOLOGIESПовышение качества калиброванной стали поверхностным деформированием. Часть 1. Определение напряженного состояния цилиндрических деталей при орбитальном поверхностном деформированииQuality improvement of calibrated steel by surface deformation. Part 1. Determination of the stressed state of cylinderical parts during orbital surface deformationЗайдесС. А.ZaidesS. A.

д.т.н., профессор, заведующий кафедрой машиностроительных технологий и материалов

664074, Россия, Иркутск, ул. Лермонтова, 83

Dr. Sci. (Eng.), Professor, Head of the Chair “Engineering Technology and Materials”

Irkutsk

zsa@istu.eduФам Ван Ань.Pham Van Anh.

аспирант кафедры машиностроительных технологий и материалов

664074, Россия, Иркутск, ул. Лермонтова, 83

Postgraduate of the Chair “Engineering Technology and Materials”

Irkutsk

vananhtdh0202@gmail.comИркутский национальный исследовательский технический университетРоссияIrkutsk National Research Technical UniversityRussian Federation2020101220206310802807Copyright © Зайдес С.А., Фам Ван Ань .., 20202020Зайдес С.А., Фам Ван Ань ..Zaides S.A., Pham Van Anh ..Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fermet.misis.ru/jour/article/view/1994

Холоднотянутая калиброванная сталь является эффективной заготовкой для изготовления маложестких цилиндрических деталей типа валов и осей. Высокая точность диаметрального размера по длине заготовки, малая шероховатость поверхности, повышенная твердость и прочность поверхностного слоя по сравнению с горячекатаным прокатом позволяют изготавливать разнообразные детали с высоким коэффициентом использования металла и при высокой производительности механической обработки. Основной недостаток калиброванного металла заключается в остаточных напряжениях, которые возникают при обработке давлением. Для их снижения или изменения характера распределения по сечению предлагается использовать малые пластические деформации в поверхностном слое проката. Известные в практике способы поверхностного пластического деформирования (ППД) обычно приводят к искривлению маложестких заготовок. Для интенсификации напряженно-деформированного состояния в очаге деформации предлагается способ орбитального поверхностного деформирования. Схема орбитального деформирования представляет собой стержневой индентор (инструмент), один конец которого снабжен шаровым наконечником, находящийся в контакте с обрабатываемой поверхностью. Второй конец стержневого индентора вращается относительно вертикальной оси, образуя в пространстве коническую поверхность с некоторым углом при вершине. Вдоль оси стержня действует деформирующая сила. На основе конечно-элементного моделирования рассмотрено влияние основных параметров орбитального поверхностного деформирования на напряженное состояние в очаге деформации и остаточные напряжения в готовых изделиях. По сравнению с традиционным процессом ППД интенсивность напряжений при орбитальном поверхностном деформировании возрастет на 10 – 15 %. Остаточные напряжения сжатия, которые формируются в поверхностных слоях, достигают 70 – 85 % предела прочности материала. Установлен относительный радиус орбитального вращения и радиус рабочего инструмента, при которых обеспечивается формирование максимальных временных и остаточных напряжений. При увеличении частоты орбитального вращения рабочего инструмента временные и остаточные напряжения сжатия возрастают. Во второй части статьи предполагается представить информацию о более эффективном способе поверхностного деформирования и изменении начальных остаточных напряжений, которые формируются при калибровке цилиндрических прутков.

Cold drawn calibrated steel is an effective blank for the manufacture of low-rigid cylindrical parts such as shafts and axles. High accuracy of the diametric size along the length of the workpiece, low surface roughness, increased hardness and strength of the surface layer compared to hot rolled products allow us to produce a variety of parts with high metal utilization and high machining performance. The main disadvantage of calibrated metal is the residual stresses that occur during pressure treatment. To reduce or change the nature of the distribution over the cross section, it is proposed to use small plastic deformations in the surface layer of the hire. Known in practice methods of surface plastic deformation (PPD) usually lead to the curvature of non-rigid workpieces. To intensify the stress-strain state in the deformation zone, we propose a method of orbital surface deformation. Based on the finite element modeling, influence of the main parameters of orbital surface deformation on stress state in the deformation zone and residual stresses in the finished products is considered. Compared with the traditional PPD process, the stress intensity during orbital surface deformation will increase by 10 – 15 %. The residual compressive stresses that form in the surface layers reach 70 – 85 % of the material tensile strength. In the second part of the article, it is supposed to provide information on a more effective method of surface deformation and on the change in initial residual stresses that are formed during the calibration of cylindrical rods.

калиброванная стальмаложесткие цилиндрические деталиповерхностный слойинтенсивность напряженийостаточные напряжениянапряженное состояниеорбитальное поверхностное деформированиекинематика рабочего инструментаконечно-элементное моделированиеcalibrated steelnon-rigid cylindrical partssurface layerstress intensityresidual stressesstress stateorbital surface deformationworking tool kinematicsfinite element modelingReferencesЗайдес С.А. Охватывающее поверхностное пластическое деформирование. – Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2001. – 309 с.Zaides S.A. Okhvatyvayushchee poverkhnostnoe plasticheskoe deformirovanie [Encompassing Surface Plastic Deformation]. Irkutsk: Izd-vo IrGTU, 2001, 309 p.Шефтель Н.И. Улучшение качества и сортамента проката. – М.: Металлургия, 1973. – 343 с.Sheftel’ N.I. Uluchshenie kachestva i sortamenta prokata [Improving the Quality and Range of Products]. Moscow: Metallurgiya, 1973, 343 p. (In Russ.).Вишняков Я.Д., Пискарев В.Д. Управление остаточными напряжениями в металлах и сплавах. – М.: Металлургия, 1989. – 253 с.Vishnyakov Y.D., Piskarev V.D. Upravlenie ostatochnymi napryazheniyami v metallakh i splavakh [Management of Residual Stresses in Metals and Alloys]. Moscow: Metallurgiya, 1989, 253 p. (In Russ.).Папшев Д.Д. Отделочно-упрочняющая обработка поверхностным пластическим деформированием. – М.: Машиностроение, 1987. – 152 с.Papshev D.D. Otdelochno-uprochnyayushchaya obrabotka poverkhnostnym plasticheskim deformirovaniem [Finishing and Hardening Treatment by Surface Plastic Deformation]. Moscow: Mashinostroenie, 1987, 152 p. (In Russ.).Totten G., Howes M., Inoue T. Handbook of Residual Stress and Deformation of Steel. – USA: ASM International, Materials Park, Ohio, 2002. – 500 p.Totten G., Howes M., Inoue T. Handbook of Residual Stress and Deformation of Steel. USA: ASM International, Materials Park, Ohio, 2002, 500 p.Handbook of Residual Stress and Distortion of Steel / G. Totten, M. Howes, T. Inoue. Publications for ASTM (The American Society for Testing and Materials), 2002. – 449 p.Handbook of Residual Stress and Distortion of Steel. Totten G., Howes M., Inoue T. eds. Publications for ASTM (The American Society for Testing and Materials), 2002, 449 p.Ebert L.J. The role of residual stresses in the mechanical performance of case carburized steel // Metal Transactions A. 1978. Vol. 9A. P. 1537 – 1551.Ebert L.J. The role of residual stresses in the mechanical performance of case carburized steel. Metal Transactions A. 1978, vol. 9A, pp. 1537–1551. 8. Swic A., Taranenko V., Wolos D. New method for machining of low-rigidity shafts. Advances in Manufacturing Science and Technology. 2010, vol. 34, no. 1, pp. 59–71.Swic A., Taranenko V., Wolos D. New method for machining of low-rigidity shafts // Advances in Manufacturing Science and Technology. 2010. Vol. 34. No. 1. P. 59 – 71.Skorokhodov A.N., Zudov E.G., Kirichkov A.A., Petrenko Yu.P. Ostatochnye napryazheniya v profilyakh i sposoby ikh snizheniya [Residual Stresses in the Profiles and Ways to Reduce Them]. Moscow: Metallurgiya, 1985, 185 p. (In Russ.).Скороходов А.Н., Зудов Е.Г., Киричков А.А., Петренко Ю.П. Остаточные напряжения в профилях и способы их снижения. – М.: Металлургия, 1985. – 185 с.Odintsov L.G. Uprochnenie i otdelka detalei poverkhnostnym plasticheskim deformirovaniem: spravochnik [Hardening and Finishing of Parts by Surface Plastic Deformation: a Guide]. Moscow: Mashinostroenie, 1987, 328 p. (In Russ.).Одинцов Л.Г. Упрочнение и отделка деталей поверхностным пластическим деформированием: Справочник. – М.: Машиностроение, 1987. – 328 с.Dimarogonas A.D. Dynamic instability of shafts during machining. Journal of Sound and Vibration. 1986, vol. 108, no. 2, pp. 181–189.Dimarogonas A.D. Dynamic instability of shafts during machining // Journal of Sound and Vibration. 1986. Vol. 108. No. 2. P. 181 – 189.Kramer I.R. Effect of surfaces on mechanical behavior of metals. In: Surface Phenomena. Bonis L.J., Bruyn P.L., Duga J.J. eds. Springer US, 1995, pp. 171–193.Kramer I.R. Effect of surfaces on mechanical behavior of metals // Surface Phenomena. Bonis L.J., BruynP.L., Duga J.J. eds. Springer US, 1995. P. 171 – 193.Bussu G., Irving P.E. The role of residual stress and heat affected zone properties on fatigue crack propagation in friction stir welded 2024-T351 aluminium joints. Int. Journal of Fatigue. 2003, vol. 25, no. 1, pp. 77–88.Bussu G., Irving P.E. The role of residual stress and heat affected zone properties on fatigue crack propagation in friction stir welded 2024-T351 aluminium joints // Int. Journal of Fatigue. 2003. Vol. 25. No. 1. P. 77 – 88.Blуumenshtein V.Yu., Krechetov A.A., Makhalov M.S. Modern competitive technologies for finishing and hardening processing by surface plastic deformation. Uprochnyayuschie technologii i pokrytiya. 2012, no. 7, pp. 7–12. (In Russ.).Блюменштейн В.Ю., Кречетов А.А., Махалов М.С. Современные конкурентоспособные технологии отделочно-упрочняющей обработки поверхностным пластическим деформированием // Упрочняющие технологии и покрытия. 2012. № 7. С. 7 – 12.Lebedev V.A. Effektivnye technologii poverkhnostnogo plasticheskogo deformirovaniya i kombinirovannoi obrabotki [Effective Technologies of Surface Plastic Deformation and Combined Processing]. Kirichek A.V. ed. Moscow: ID “Spectr”, 2014, 403 p. (In Russ.).Лебедев В.А. Эффективные технологии поверхностного пластического деформирования и комбинированной обработки / Под ред. А.В. Киричек. – М.: Издательский дом «Спектр», 2014. – 403 с.Zaides S.A. New methods of surface plastic deformation in the manufacture of machine parts. Vestnik Magnitogorskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta im. G.I. Nosova. 2018, vol. 16, no. 3, pp. 129–139. (In Russ.).Зайдес С.А. Новые способы поверхностного пластического деформирования при изготовлении деталей машин // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2018. Т. 16. № 3. С. 129 – 139.Zaides S.A., Nguyen Van Huan. Determination of residual stresses in the calibrated roll. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2017, vol. 60, no. 2, pp. 109–115. (In Russ.).Зайдес С.А., Нгуен Ван Хуан. Определение остаточных напряжений в калиброванных прутках // Изв. вуз. Черная металлургия. 2017. Т. 60. № 2. P. 109 – 115.Tekhnologiya i instrumenty otdelochno-uprochnyayushchei obrabotki detalei poverkhnostnym plasticheskim deformirovaniem: spravochnik: v 2-kh tomakh. T. 1 [Technology and Tools for Finishing and Hardening of Parts by Surface-Plastic Deformation: a Reference Book in 2 Vols. Vol. 1]. Suslov A.G. ed. Moscow: Mashinostroenie, 2014, 480 p. (In Russ.).Технология и инструменты отделочно-упрочняющей обработки деталей поверхностным пластическим деформированием: Справочник: в 2-х томах. Т. 1 / Под общ. ред. А.Г. Суслова. – М.: Машиностроение, 2014. – 480 с.Blуumenshtein V.Yu., Makhalov M.S. Influence of the modes on formation of residual stresses in surface layer during dimensional combined rolling. Obrabotka metallov. 2008, no. 2, pp. 15–22. (In Russ.).Блюменштейн В.Ю., Махалов М.С. Влияние режимов на формирование остаточных напряжений в поверхностном слое при размерном совмещенном обкатывании // Обработка металлов. 2008. № 2. С. 15 – 22.Hauk V. Structural and Residual Stress Analysis by Nondestructive Methods: Evaluation, Application, Assessment. Amsterdam: Elsevier Science B.V. 1997, 640 p.Hauk V. Structural and Residual Stress Analysis by Nondestructive Methods: Evaluation, Application, Assessment. – Amsterdam: Elsevier Science B.V. 1997. – 640 p.Zaides S.A., Pham Van Anh. Sposob poverkhnostnogo plasticheskogo deformirovaniya [The method of surface plastic deformation]. Patent RF no. 2019105314, publ. 29.11.2019. (In Russ.).Пат. 2019105314 RU. Способ поверхностного пластического деформирования / Зайдес С.А., Фам Ван Ань; заявл. 26.02.2019; опубл. 29.11.2019.Bakov K.A. ANSYS. Spravochnik pol’zovatelya [ANSYS. User Reference]. Moscow: DMK Press, 2005, 640 p. (In Russ.).Баков К.А. ANSYS. Справочник пользователя. – М.: ДМК Пресс, 2005. – 640 с.Bruyaka V.A., Fokin V.G., Kuraeva Y.V. Inzhenernyi analiz v ANSYS Workbench [Engineering Analysis at ANSYS Workbench]. Samara: Samar. gos. tekhn. un-t, 2013, 109 p. (In Russ.).Бруяка В.А., Фокин В.Г., Кураева Я.В. Инженерный анализ в ANSYS Workbench. – Самара: Самарский гос. техн. ун-т, 2013. – 109 с.Бруяка В.А., Фокин В.Г., Кураева Я.В. Инженерный анализ в ANSYS Workbench. – Самара: Самарский гос. техн. ун-т, 2013. – 109 с.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.