ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
ТЕХНОЛОГИЯ • ОБОРУДОВАНИЕ • ИНСТРУМЕНТЫPrint ISSN: 1994-6309 Online ISSN: 2541-819X
Введение. Остаточные напряжения (ОН) первого рода являются одним из ключевых параметров механического состояния металла, который в значительной степени определяет эксплуатационную долговечность изделий и конструкций. Упрочняющая обработка поверхностным пластическим деформированием (ППД) создает в поверхностном слое (ПС) благоприятные сжимающие ОН и существенно повышает усталостную долговечность как до, так и после появления усталостной трещины. В этой области знаний остается актуальной проблема высокой сложности и трудоемкости экспериментального определения ОН, а также проблема расчета остаточных напряжений при сложных немонотонных видах нагружения, к которым относится большинство способов механической обработки. Цель работы: развитие теории формирования и повышение достоверности расчетов остаточных напряжений при обработке ППД на основе модели упрочняемого упругопластического тела. Результаты и обсуждение. В работе представлены результаты моделирования и выполнены расчеты компонентов тензора ОН в процессе ППД. Модель выполнена с помощью метода конечных элементов на основе концептуального аппарата механики технологического наследования (ТН) с учетом эффекта упрочняемого тела. Установлено, что наибольшие значения сжимающих остаточных напряжений характерны для осевого компонента, при этом экстремум может располагаться как на поверхности детали, так и на некотором удалении от нее. Глубина распространения сжимающих остаточных напряжений составляет примерно 3 мм при глубине распространения существенных по величине напряжений около 7 мм. Выявлено влияние упрочнения металла на распределение остаточных напряжений. На примере осевого (наибольшего по величине) компонента показано, что разница максимальных значений составляет почти 30 %. Полученный результат соответствует представлениям о том, что упрочненный металл, имеющий повышенный предел текучести, допускает присутствие больших по величине ОН. Выявлены тенденции изменения распределения компонентов тензора ОН по глубине ПС в зависимости от основных параметров режима обработки ППД: натяга и профильного радиуса ролика.
Махалов Максим Сергеевич
Блюменштейн Валерий Юрьевич
1. 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.
2. Иванов С.И., Павлов В.Ф. Влияние остаточных напряжений и наклепа на усталостную прочность // Проблемы прочности. – 1976. – № 5. – С. 25–27.
3. Introduction of enhanced compressive residual stress profiles 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. – Vol. 157 (1). – DOI: 10.1088/1757-899X/157/1/012013.
4. 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.
5. Биргер И.А. Остаточные напряжения. – М.: Машгиз, 1963. – 232 с.
6. Кудрявцев И.В. Внутренние напряжения как резерв прочности в машиностроении. – М.: Машгиз, 1951. – 280 с.
7. Технологические остаточные напряжения / под. ред. А.В. Подзея. – М.: Машиностроение, 1973. – 216 с.
8. Qin W.J., Dong C., Li X. Assessment of bending fatigue strength of crankshaft sections with consideration of quenching residual stress // Journal of Materials Engineering and Performance. – 2016. – Vol. 25, iss. 3. – P. 938–947. – DOI: 10.1007/s11665-016-1890-1.
9. Смелянский В.М. Механика упрочнения деталей поверхностным пластическим деформированием. – М.: Машиностроение, 2002. – 300 с. – ISBN 5-217-03065-8.
10. 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.
11. Блюменштейн В.Ю., Махалов М.С. Расчетно-аналитическая модель механического состояния поверхностного слоя упрочненной детали на стадии циклического нагружения после обработки размерным совмещенным обкатыванием // Упрочняющие технологии и покрытия. – 2009. – № 3. – С. 33–39.
12. Sadasivam B., Hizal A., Arola D. Abrasive waterjet peening with elastic prestress: subsurface residual stress distribution // ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition, IMECE 2007 Conference Paper. – Seattle, WA, 2007. – Vol. 3. – DOI: 10.1115/IMECE2007-43473.
13. Saini S., Ahuja I.S., Sharma V.S. Modeling the effects of cutting parameters on residual stresses in hard turning of AISI H11 tool steel // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2013. – Vol. 65, iss. 5–8. – P. 667–678. – DOI: 10.1007/s00170-012-4206-0.
14. A method to estimate residual stress in austenitic stainless steel using a microindentation test / A. Yonezu, R. Kusano, T. Hiyoshi, Xi Chen // Journal of Materials Engineering and Performance. – 2015. – Vol. 24, iss. 1. – P. 362–372. – DOI: 10.1007/s11665-014-1280-5.
15. 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.
16. 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.
17. 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.
18. 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.
19. Martell J., Liu C., Shi J. Experimental investigation on variation of machined residual stresses by turning and grinding of hardened AISI 1053 steel // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2014. – Vol. 74, iss. 9–12. – P. 1381–1392. – DOI: 10.1007/s00170-014-6089-8.
20. 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.
21. Altan T. Finite element modeling of roller burnishing process // Manufacturing Technology. – 2017. – Vol. 54 (1). – P. 237–240.
22. Махалов М.С., Блюменштейн В.Ю. Механика процесса поверхностного пластического деформирования. Модель упрочняемого упругопластического тела // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2018. – Т. 20, № 4. – С. 6–20. – DOI: 10.17212/1994-6309-2018-20.4-6-20.
23. Blumenstein V.Yu., Mahalov M.S., Ostanin O.A. Simulation and calculation of residual stresses in mining machines components // E3S Web Conferences, IIIrd International Innovative Mining Symposium. – 2018. – Vol. 41. – Art. 03012. – DOI: 10.1051/e3sconf/20184103012.
24. Папшев Д.Д. Упрочнение деталей обкаткой шариками. – М.: Машиностроение, 1968. – 132 с.
25. Блюменштейн В.Ю., Махалов М.С. Расчетная модель остаточных напряжений упрочненного поверхностного слоя при размерном совмещенном обкатывании // Вестник КузГТУ. – 2008. – № 5. – С. 50–58.
26. 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.
27. Смелянский В.М., Чоудхури Н.А. К вопросу прогнозирования остаточных напряжений, возникающих в поверхностных слоях деталей при обработке ППД // Совершенствование процессов обработки и сборки деталей автомобиля в условиях применения гибких автоматизированных комплексов: межвузовский сборник. – М.: МАМИ, 1987. – С. 3–16.
28. Смелянский В.М., Шапарин А.А., Чоудхури Н.А. Численная модель формирования остаточных напряжений в поверхностном слое деталей при обкатывании // Остаточные напряжения – резерв прочности в машиностроении: тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции. – Ростов н/Д., 1991. – С. 7–9.
Благодарности:
Авторы выражают признательность А.А. Худойназарову, принявшему участие в проведении исследований.
Махалов М.С., Блюменштейн В.Ю. Механика процесса ППД. Остаточные напряжения в упрочняемом упругопластическом теле // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2019. – Т. 21, № 2. – С. 110–123. – DOI: 10.17212/1994-6309-2019-21.2-110-123.
Mahalov M.S., Blumenstein V.Yu. Surface plastic deformation mechanics. The residual stresses in the hardened elastic- plastic body. Obrabotka metallov (tekhnologiya, oborudovanie, instrumenty) = Metal Working and Material Science, 2019, vol. 21, no. 2, pp. 110–123. DOI: 10.17212/1994-6309-2019-21.2-110-123. (In Russian).
