ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Введение. Механическое состояние металла, в частности степень деформации и остаточные напряжения (ОН) первого рода, в значительной степени определяет эксплуатационную долговечность изделий, особенно в условиях приложения знакопеременных нагрузок. Широкими возможностями по созданию благоприятного механического состояния металла обладают способы отделочно-упрочняющей обработки поверхностным пластическим деформированием (ППД). При этом точный расчет механического состояния при ППД не всегда представляется возможным, что сохраняет актуальность исследования и создания модельных представлений о формировании механического состояния и ОН на стадиях механической обработки при изготовлении металлических изделий. Отмечено, что метод конечных элементов (МКЭ) позволяет учитывать изменение механического состояния при многократном нагружении одного и того же микрообъема металла и получить более точные аналитические решения. Цель работы: развитие теоретических положений механики ППД на основе разработки модели упрочняемого упругопластического тела. В работе представлена конечно-элементная модель формирования механического состояния поверхностного слоя при упрочняющей обработке поверхностным пластическим деформированием (ППД), учитывающая явление технологического наследования. Результаты и обсуждение. Выполнено моделирование и получены распределения параметров напряженно-деформированного состояния, а также рассчитаны параметры механического состояния поверхностного слоя и остаточные напряжения, формируемые в процессе упрочняющей обработки ППД. Особенностью предложенной модели является учет явления технологического наследования и эффекта упрочняемого тела: наряду с учетом эволюции свойств металла, произошедшей на предшествующих операциях механической обработки, учитываются изменения свойств на текущей технологической операции. В предложенной модели учет эффекта упрочняемого тела реализован в виде схемы многократного нагружения-разгрузки металла детали по мере его продвижения через пространство очага деформации, что позволило с высокой точностью описать феноменологию процесса ППД. Представленные результаты подтверждают перспективность распространения изложенных модельных представлений на другие способы механической обработки и различные виды эксплуатационного нагружения упрочняемых ответственных изделий.

1. Технология и инструменты отделочно-упрочняющей обработки деталей поверхностным пластическим деформированием. В 2 т. Т. 1 / А.Г. Суслов, В.Ю. Блюменштейн, Р.В. Гуров, А.Н. Исаев, Л.Г. Одинцов, В.В. Плешаков, В.В. Федоров, Ю.Г. Шнейдер; под общ. ред. А.Г. Суслова. – М.: Машиностроение, 2014. – 480 с. – ISBN 978-5-94275-710-6.

2. Технология и инструменты отделочно-упрочняющей обработки деталей поверхностным пластическим деформированием. В 2 т. Т. 2. / А.Г. Суслов, А.П. Бабичев, А.В. Киричек, А.В. Овсеенко, П.Д. Мотренко, С.К. Амбросимов, А.И. Афонин, Р.В. Гуров, А.Н. Прокофьев, Д.А. Соловьев; под общ. ред. А.Г. Суслова. – М.: Машиностроение, 2014. – 444 с. – ISBN 978-5-94275-711-3.

3. Букатый С.А., Кондратов А.П., Букатый А.С. Прогнозирование технологических остаточных деформаций тонкостенных дисков после упрочнения методом поверхностного пластического деформирования // Проблемы и перспективы развития двигателестроения: материалы докладов Международной научно-технической конференции, 21–23 июня 2006 г. – Самара: СГАУ, 2006. – В 2-х Ч. Ч.1. – С. 183–184.

4. Деформирующая обработка валов: монография / С.А. Зайдес, В.Н. Емельянов, М.Е. Попов, Е.Ю. Кропоткина, А.С. Бубнов; под ред. С.А. Зайдеса. – Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2013. – 452 с. – ISBN 978-508038-0869-5.

5. Сидякин Ю.И., Трунин А.В., Шевцов А.Н. Сферическая модель исследования контактной упругопластической деформации // Известия ВолгГТУ. – 2010. – № 12 (72). – С. 48–52. – (Серия: Прогрессивные технологии в машиностроении; вып. 6).

6. Кузнецов В.П., Горгоц В.Г. Математическое моделирование нелинейной динамики процесса упругого выглаживания поверхностей деталей // Вестник машиностроения. – 2008. – № 12. – С. 61–65.

7. Wang W.W., Jia B.B., Yu J.B. A new flexible sheet metal forming method and its stamping process. The 14th IFToMM World Congress, Taipei, Taiwan, October 25–30, 2015. – Taipei, 2015.

8. Liou J.J., El-Wardany T.I. Finite element analysis of residual stress in Ti-6Al-4V alloy plate induced by deep rolling process under complex roller path // International Journal of Manufacturing Engineering. – 2014. – Art. 786354. – doi: 10.1155/2014/786354.

9. Sayahi M., Sghaier S., Belhadjsalah H. Finite element analysis of ball burnishing process: comparisons between numerical results and experiments // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2012. – Vol. 67 (5). – P. 1665–1673. – doi: 10.1007/s00170-012-4599-9.

10. Introduction of enhanced compressive residual stress pro? les in aerospace components using combined mechanical surface treatments / A. Gopinath, A. Lim, B. Nagarajan, C.C. Wong, R. Maiti, S. Castagne // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2016. – Iss. 157 (1). – P. 012013. – doi: 10.1088/1757- 899X/157/1/012013.

11. Altan T. Finite element modeling of roller burnishing process // Manufacturing Technology. – 2017. – Vol. 54 (1). – P. 237–240.

12. Finite element modeling of hard roller burnishing: an analysis on the effects of process parameters upon surface finish and residual stresses / P. Sartkulvanich, T. Altan, F. Jasso, C. Rodriguez // Journal of Manufacturing Science and Engineering. – 2007. – Vol. 129. – doi: 10.1115/1.2738121.

13. Huang X., Sun J., Li J. Finite element simulation and experimental investigation on the residual stress-related monolithic component deformation // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2015. – Vol. 77. – P. 1035–1041. – doi: 10.1007/s00170-014-6533-9.

14. Ji X., Zhang X., Liang S. Predictive modeling of residual stress in minimum quantity lubrication machining // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2014. – Vol. 70. – P. 2159–2168. – doi: 10.1007/s00170-013-5439-2.

15. Modeling of residual stresses in milling / J.-C. Su, K.A. Young, K. Ma, S. Srivatsa, J.B. Morehouse, S.Y. Liang // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2013. – Vol. 65. – P. 717–733. – doi: 10.1007/s00170-012-4211-3.

16. An approach for analyzing and controlling residual stress generation during high-speed circular milling / X. Jiang, B. Li, J. Yang, X.Y. Zuo, K. Li // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2013. – Vol. 66. – P. 1439–1448. – doi: 10.1007/s00170-012-4421-8.

17. Effects of tool diameters on the residual stress and distortion induced by milling of thin-walled part / X. Jiang, B. Li, J. Yang, X.Y. Zuo // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2013. – Vol. 68. – P. 175–186. – doi: 10.1007/s00170-012-4717-8.

18. Chen J., Fang Q., Zhang L. Investigate on distribution and scatter of surface residual stress in ultra-high speed grinding // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2014. – Vol. 75. – P. 615–627. – doi: 10.1007/s00170-014-6128-5.

19. A novel prediction model for thin plate deflections considering milling residual stresses / Z. Jiang, Y. Liu, L. Li, W. Shao // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2014. – Vol. 74. – P. 37–45. – doi: 10.1007/s00170-014-5952-y.

20. Energy criteria for machining-induced residual stresses in face milling and their relation with cutting power / Y. Ma, P. Feng, J. Zhang, Z. Wu, D. Yu // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2015. – Vol. 81. – P. 1023–1032. – doi: 10.1007/s00170-015-7278-9.

21. Ивлев Д.Д. Механика пластических сред. В 2 т. Т. 2. Общие вопросы. Жесткопластическое и упругопластическое состояние тел. Упрочнение. Деформационные теории. Сложные среды. – М.: Физматлит, 2002. – 448 с. – ISBN 5-9221-0291-5.

22. Воронцов А.Л., Стратьев В.К., Ступников В.П. О пробе Бринелля и внедрении пуансона в тело больших поперечных размеров. Ч. 1 // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Серия: Машиностроение. – 2012. – № 2. – С. 12–21.

23. Воронцов А.Л., Стратьев В.К., Ступников В.П. Определение напряженного и деформированного состояний и учет упрочнения при внедрении пуансона в тело больших поперечных размеров. Ч. 2 // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Серия: Машиностроение. – 2012. – № 3. – С. 47–59.

24. Смелянский В.М., Шапарин А.А. Повышение эффективности упрочнения деталей машин методами ППД на основе численного моделирования процесса формирования механических свойств поверхностного слоя // Повышение качества обработки и сборки деталей автомобилей и тракторов. – М.: МАМИ, 1986. – С. 33–45.

25. Смелянский В.М. Механика упрочнения деталей поверхностным пластическим деформированием. – М.: Машиностроение, 2002. – 300 с. – ISBN 5-217-03065-8.

26. Блюменштейн В.Ю., Смелянский В.М. Механика технологического наследования на стадиях обработки и эксплуатации деталей машин. – М.: Машиностроение-1, 2007. – 400 с. – ISBN 5-942-75342-9.

27. Кречетов А.А. Методика расчета параметров механического состояния поверхностного слоя деталей машин // Вестник КузГТУ. – 2001. – № 5. – С. 27–31.

28. Овсеенко А.Н., Gajek M., Серебряков В.И. Формирование состояния поверхностного слоя деталей машин технологическими методами. – Opole: Politechnika Opolska, 2001. – 228 с. – ISBN 83-88492-06-3.

29. Чигарев А.В., Кравчук А.С., Смалюк А.Ф. ANSYS для инженеров: справочное пособие. – М.: Машиностроение-1, 2004. – 512 с. – ISBN 5-94275-048-3.