Маятниковое поверхностное пластическое деформирование цилиндрических заготовок

В статье рассматриваются особенности кинематики рабочего инструмента в виде кругового сектора при упрочнении маятниковым поверхностным пластическим деформированием (ППД), которое осуществляется за счет поочередных двух процессов  – качение и скольжение в зоне контакта деформирующего элемента с заготовкой. Представлено прогнозирование возможности его применения для отделочно-упрочняющей обработки цилиндрических деталей типа валов и осей, описаны кинематические параметры процесса маятникового ППД в прямоугольной системе координат. На основе анализа составляющих видов движения (вращательное, поступательное, колебательное) заготовки и инструмента определены функции длины траектории, величины результирующей скорости и ускорения, позволяющие управлять технологическими параметрами и режимами процесса маятникового ППД. Достоверность кинема­тичес­кого анализа подтверждена результатами моделирования компьютерной программой ANSYS 19.1. Результатами динамического моделирования установлено, что в одинаковых условиях упрочнения при неподвижном положении рабочего инструмента и его противоположном вращении с заготовкой интенсивность временных напряжений увеличивается соответственно на 10 и 17  % по сравнению со схемой качения. При маятниковом ППД интенсивность временных напряжений резко увеличивается и достигает максимального значения (485 МПа). Следует отметить, что распределение временных напряжений в случае маятникового ППД носит более равномерный характер по сравнению с остальными способами. Кроме того, показана закономерность распределения интенсивности временных напряжений по глубине цилиндра, где видно, что что при ППД скольжением глубина пластической деформации h имеет большее значение по сравнению с ППД качением (1,5 – 2,3 раза). В  одинаковых условиях упрочнения наибольшее значение глубины упрочненных зон получается при маятниковом ППД (h = 2,8 мм), которое приводит к  изменению физико-механических и эксплуатационных свойств более глубокого поверхностного слоя заготовки.

1. Сталь качественная и высококачественная, сортовой и фасонный прокат и калиброванная сталь. В 2-х частях. Москва: Издательство стандартов, 1985. 600 с.

2. Хорольский Д.Ю. Справочник по сортовому прокату. Харьков: Металлика, 2004. 300 с.

3. Nie N., Su L., Deng G., Li H., Yu H., Tieu A.K. A review on plastic deformation induced surface/interface roughening of sheet metallic materials // Journal of Materials Research and Technology. 2021. Vol. 15. P. 6574–6607. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2021.11.087

4. Отений Я.Н., Привалов Н.И., Щеголев Н.Г., Муравьев О.П., Ткачева Ю.О. Особенности формирования глубины упрочнения при обработке деталей поверхностным пластическим деформированием // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2016. № 12(3). С. 452–455.

5. Wu I., Liu H., Wei P., Lin Q., Zhou S. Effect of shot peening coverage on residual stress and surface roughness of 18CrNiMo7-6 steel // International Journal of Mechanical Sciences. 2020. Vol. 183. Article 105785. https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2020.105785

6. Блюменштейн В.Ю., Смелянский В.М. Механика технологичес­кого наследования на стадиях обработки и эксплуатации деталей машин. Москва: Машиностроение, 2007. 399 с.

7. Parasiz S.A., Kutucu Y.K., Karadag O. On the utilization of Sachs model in modeling deformation of surface grains, for micro/meso scale deformation processes // Journal of Manufacturing Proces­ses. 2021. Vol. 68. P. 1086–1099. https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2021.06.033

8. Кабатов А.А. Анализ финишных методов обработки поверхностным пластическим деформированием // Открытые информационные и компьютерные интегрированные технологии. 2013. № 58. С. 49–54.

9. Ежелев А.В., Бобровский И.Н., Лукьянов А.А. Анализ способов обработки поверхностно-пластическим деформированием // Фундаментальные исследования. 2012. № 6. Ч. 3. C. 642–646.

10. Li S., Kim D.K., Benson S. The influence of residual stress on the ultimate strength of longitudinally compressed stiffened panels // Ocean Engineering. 2021. Vol. 231. Article 108839. https://doi.org/10.1016/j.oceaneng.2021.108839

11. Пат. 2757643 RU. Способ поверхностно-пластического деформирования наружной поверхности детали в виде тела вращения / Зайдес С.А., Хо Минь Куан; заяв. 04.02.2021; опубл. 19.10.2021.

12. Зайдес С.А., Хо Минь Куан. Маятниковое поверхностное пластическое деформирование при отделочно-упрочняющей обработке цилиндрических деталей транспортной техники // Международный сборник научных трудов. Якутск, 2021. С. 152–157.

13. Zhou C., Jiang F., Xu D., Guo C., Zhao C., Wang Z., Wang J. A calculation model to predict the impact stress field and depth of plastic deformation zone of additive manufactured parts in the process of ultrasonic impact treatment // Journal of Materials Processing Technology. 2020. Vol. 280. Article 116599. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2020.116599

14. Ma C., Suslov S., Ye C., Dong Y. Improving plasticity of metallic glass by electropulsing-assisted surface severe plastic deformation // Materials & Design. 2019. Vol. 165. Article 107581. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2019.107581

15. Rakhimyanov Kh., Gileta V., Samul A. Kinematics of ultrasonic processingи // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2020. Vol. 971. Article 022054. https://doi.org/10.1088/1757-899X/971/2/022054

16. Семенова Ю.С., Самуль А.Г., Мажуга А.Г. Применение ультразвукового поверхностного пластического деформирования при модификации поверхностного слоя // Упрочняющие технологии и покрытия. 2020. Т. 16. № 5. С. 200–204. https://doi.org/10.36652/1813-1336-2020-16-5-200-204

17. Рахимянов Х.М., Гилета В.П, Самуль А.Г. Обеспечение микрогеометрического состояния поверхности деталей, выполненных из пластичных материалов, ультразвуковой обработкой // Упрочняющие технологии и покрытия. 2020. Т. 16. № 6. С. 256–259. https:/doi.org/10.36652/1813-1336-2020-16-6-256-259

18. Mahalov M.S., Blumenstein V.Yu. Finite element surface layer inheritable condition residual stresses model in surface plastic deformation processes// IOP Conference Series: Material Science and Engineering. 2016. Vol. 126. No. 1. Article 012004. https://doi.org/10.1088/1757-899X/126/1/012004

19. Ablieieva I., Plyatsuk L., Roi I., Chekh O., Gabbassova S., Zai­tseva K., Lutsenko S. Study of the oil geopermeation patterns: A case study of ANSYS CFX software application for computer modeling // Journal of Environmental Management. 2021. Vol. 287. Article 112347. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2021.112347

20. Rayhan S.B., Rahman M.M. Modeling elastic properties of unidirectional composite materials using ANSYS Material Designer // Procedia Structural Integrity. 2020. Vol. 28. P. 1892–1900. https://doi.org/10.1016/j.prostr.2020.11.012

21. Qiu P., Meng B., Xu S., Rong Y., Yan J. Evolution and control of deformation mechanisms in micro-grooving of Zr-based metallic glass // Journal of Manufacturing Processes. 2021. Vol. 68. Part A. P. 923–931. https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2021.06.012