Повышение качества калиброванной стали поверхностным деформированием. Часть 2. Влияние охватывающего поверхностного деформирования на остаточные напряжения в цилиндрических прутках

Холоднотянутый металл по сравнению с горячекатаным обладает рядом неоспоримых преимуществ. Повышенная твердость, высокое качество поверхности, стабильность диаметрального размера по длине заготовки являются основанием для выбора калиброванного металла в качестве эффективных заготовок для изготовления длинномерных деталей типа валов, осей, штанг. Такие заготовки в ряде случаев требуют выполнения небольшого объема механической обработки, например, нарезание резьбы или изготовление шеек на концах прутка. Более широкому использованию калиброванного металла препятствуют остаточные напряжения, которые формируются при его изготовлении. В первой части этой статьи предложено использовать малые пластические деформации для управления остаточными напряжениями. На примере нового процесса поверхностного пластического деформирования, который назвали орбитальным выглаживанием, определены рабочие и остаточные напряжения в цилиндрических заготовках. Во второй части статьи рассматривается процесс охватывающего поверхностного пластического деформирования, который при высокой производительности позволяет снижать остаточные напряжения растяжения в калиброванном металле или формировать в поверхностных слоях заготовки напряжения сжатия. Изложена методика экспериментального определения остаточных напряжений в объеме тела, основанная на послойном удалении внутренних и наружных слоев цилиндрических образцов. Установлено влияние основных параметров процесса охватывающего деформирования на компоненты тензора остаточных напряжений. Выявлен диапазон относительных обжатий (0,1 – 1,0 %), при котором в поверхностных слоях заготовки формируются остаточные напряжения сжатия. Установлено, что при относительном обжатии 0,5 % создаются максимальные по величине остаточные напряжения сжатия. Положительное влияние на остаточное напряженное состояние оказывает охватывающее поверхностное деформирование и на холоднотянутый металл – остаточные напряжения растяжения можно уменьшить, снять или преобразовать в сжимающие.

1. Кандауров Е.Л., Кривощеков C.B., Носов А.Д., Бахчеев Д.Н., Алексеев А.Н. Перспективы производства калиброванного проката // Сталь. 2005. № 1. С. 70–71.

2. Корчунов А.Г., Рудаков В.П., Пивоварова К.Г. Влияние способа обработки на состояние поверхности калиброванного металла // Вестник МГТУ им. Г.И. Носова. 2003. № 3. С. 41–42.

3. Вершигора С.М., Черняк А.А., Рудаков В.П., Чупин А.А. Совершенствование производства калиброванного и обточенного проката из автоматных и легированных сталей // Сталь. 2004.№ 2. С. 39–40.

4. Totten G., Howes M., Inoue T. Handbook of residual stress and deformation of steel. USA: ASM International, Materials Park, Ohio, 2002. 500 p.

5. 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.

6. Bisu C.-F., K’Nevez J.Y., Darnis P., Laheurte R., Gerard A. New method to characterize a machining system: application in turning // International Journal of Material Forming. 2009. Vol. 2. No. 2. P. 93–105. http://doi.org/10.1007/s12289-009-0395-y

7. Drachev O.I., Bobrovskii A.V. Automatic stabilization systems of the non-rigid shafts in turning work // AER – Advances in Engineering Research. 2018. Vol. 158. P. 104–108.

8. Drachev O.I., Bobrovskii A.V., Zotov A.V. Improving the accuracy of machining of non-rigid shaft // MATEC Web of Conferences. 2018. Vol. 224. Article 01085. http://doi.org/10.1051/matecconf/201822401085

9. Зайдес С.А. Охватывающее поверхностное пластическое деформирование. Иркутск: Изд-во Иркутского государственного технического унверситета, 2001. 309 с.

10. Блюменштейн В.Ю., Махалов М.С. Расчетная модель остаточных напряжений упрочненного поверхностного слоя после обработки поверхностным пластическим деформированием // Упрочняющие технологии и покрытия. 2013. № 4 (100). С. 12–20.

11. Rakhimyanov Kh.M., Rakhimyanov K.Kh., Rakhimyanov A.Kh. Estimating the parameters of deformation action by ultrasonic surface hardening of metals // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2017. Vol. 253. No. 1. Article 012032. http://doi.org/10.1088/1757-899X/253/1/012032

12. Григорьев С.Н., Кропоткина Е.Ю. Выбор оптимального способа поверхностного пластического деформирования // Вестник МГТУ Станкин. 2012. № 2. C. 144–147.

13. Rakhimyanov Kh.M., Semenova Yu.S., Eremina A.S. Technological restrictions on mode parameters of ultrasonic plastic deforming // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2017. Vol. 253. No. 1. Article 012030. http://doi.org/10.1088/1757-899X/253/1/012030

14. Tamarkin M., Tischenko E., Kazakov D. The research process of the finishing strengthening centrifugal and rotary processing method of parts considering the reliability assurance of the technology process // 2017 International Conference on Mechanical, System and Control Engineering, ICMSC. 2017. P. 31–35. http://doi.org/10.1109/ICMSC.2017.7959437

15. Зайдес С.А., Лэ Хонг Куанг. Правка маложестких цилиндрических деталей. Часть 2. Напряженное состояние цилиндрических заготовок при поперечной обкатке плоскими плитами // Известия вузов. Черная металлургия. 2019. Т. 62. № 9. С. 674–680. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2019-9-674-680

16. Зайдес С.А., Нго Као Кыонг. Новые технологические возможности отделочно-упрочняющей обработки поверхностным пластическим деформированием // Наукоемкие технологии в машиностроении. 2017. № 3 (69). С. 25–30.

17. Tiitto S. Magnetic Methods // Handbook of Measurement of Residual Stresses. Lu J. ed. Lilburn, GA: Society for Experimental Mechanics, 1996. P. 179–224.

18. Smolentsev V.P., Kirillov O.N., Fedonin O.N., Ryazantsev A.Yu. Combined finish machining of nonrigid parts by brush electrode // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2017. Vol. 177. Article 012009. https://doi.org/10.1088/1757-899X/177/1/012009

19. Зайдес С.А, Фам Ван Ань. Повышение качества калиброванной стали поверхностным деформированием. Часть 1. Определение напряженного состояния цилиндрических деталей при орбитальном поверхностном деформировании // Известия вузов. Черная металлургия. 2020. Т. 63. № 10. С. 802–807. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2020-10-802-807

20. Mahalov M.S., Blumenstein V.Yu. Finite element surface layer inheritable condition residual stresses model in surface plastic deformation processes // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2016. Vol. 126. Article 012004. https://doi.org/10.1088/1757-899X/126/1/012004

21. Ebert L.J. The role of residual stresses in the mechanical performance of case carburized steel // Metallurgical and Materials Transactions A. 1978. Vol. 9. No. 11. P. 1537–1551. https://doi.org/10.1007/BF02661936

22. Марочник сталей и сплавов / А.С. Зубченко, М.М. Колосков, Ю.В. Каширский и др. Под общей ред. А.С. Зубченко. М.: Машиностроение, 2003. 784 с.