ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Введение. Статья посвящена выбору и обоснованию рациональных геометрических параметров контактной поверхности кольцевого ролика для строчного поверхностного пластического деформирования (ППД). Актуальность работы обусловлена необходимостью повышения эксплуатационных характеристик деталей машин при одновременном обеспечении высокого качества поверхности и производительности обработки. Целью исследования является определение такой геометрии рабочего профиля инструмента, которая обеспечивает максимальную глубину упрочнения и уровень сжимающих остаточных напряжений при минимальных искажениях микрогеометрии поверхности в условиях перекрытия единичных следов деформирования. Методы. Для решения поставленной задачи использован метод конечных элементов, реализованный в программном комплексе ANSYS Workbench (модуль Transient Structural) с применением модели билинейного изотропного упрочнения для стали 45. Выполнен сравнительный анализ трех типов профиля ролика: выпуклого (тороидального), вогнутого (профильного) и прямолинейного (цилиндрического). В ходе вычислительного эксперимента варьировались радиус профиля инструмента и шаг круговой подачи. Оценка эффективности проводилась по критериям глубины упрочненного слоя, интенсивности остаточных напряжений и высоты пластического наплыва на границах следов обработки. Результаты и обсуждение. Установлено, что для тороидального профиля рациональным является радиус профиля R_пр = 5 мм, для профильного ролика – 15,5 мм. Выявлены недостатки базовых схем: тороидальный ролик обеспечивает глубину упрочнения 1,15 мм, но требует малых подач (низкая производительность); профильный ролик позволяет увеличить подачу, однако глубина упрочнения снижается до 0,91 мм. Показано, что применение модифицированного цилиндрического профиля с галтельными переходами позволяет реализовать эффект «управляемого стеснения» пластической деформации. Данная геометрия обеспечивает формирование равномерного упрочненного слоя глубиной 1,02 мм с остаточными напряжениями 300…320 МПа и высотой микронеровностей 2…5 мкм. Выводы. Применение разработанного инструмента позволяет повысить производительность процесса ППД в пять раз по сравнению с тороидальным роликом без потери качества поверхностного слоя. Полученные результаты могут быть рекомендованы при проектировании технологической оснастки для отделочно-упрочняющей обработки ответственных деталей машин, работающих в условиях циклических нагрузок.

1. Суслов А.Г. Качество поверхностного слоя деталей машин. – М.: Машиностроение, 2000. – 320 с. – ISBN 5-217-02976-5.

2. Surface integrity in material removal processes: Recent advances / I.S. Jawahir, E. Brinksmeier, R. M’Saoubi, D.K. Aspinwall, J.C. Outeiro, D. Meyer, D. Umbrello, A.D. Jayal // CIRP Annals. – 2011. – Vol. 60 (2). – P. 603–626. – DOI: 10.1016/j.cirp.2011.05.002.

3. Суслов А.Г., Безъязычный В.Ф., Панфилов Ю.В. Технология и инструменты отделочно-упрочняющей обработки деталей поверхностным пластическим деформированием. В 2 т. Т. 2. – М.: Машиностроение, 2014. – 444 с. – ISBN 978-5-94275-710-6.

4. Çelik Y., Y?ld?z T. The influence of roller burnishing process parameters on surface quality and fatigue life of AA 7075-T6 alloy // Material Science & Engineering Technology. – 2022. – Vol. 53 (5). – P. 608–616. – DOI: 10.1002/mawe.202100291.

5. Одинцов Л.Г. Упрочнение и отделка деталей поверхностным пластическим деформированием: справочник. – М.: Машиностроение, 1987. – 328 с.

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

7. Korzynski M. Modeling and experimental validation of the force-surface roughness relation for smoothing friction burnishing with a spherical tool // International Journal of Machine Tools and Manufacture. – 2007. – Vol. 47 (12–13). – P. 1956–1964. – DOI: 10.1016/j.ijmachtools.2007.03.002.

8. Slide burnishing – review and prospects / J.T. Maximov, G.V. Duncheva, A.P. Anchev, M.D. Ichkova // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2019. – Vol. 104 (1–4). – P. 785–801. – DOI: 10.1007/s00170-019-03881-1.

9. Raza A., Kumar S. A critical review of tool design in burnishing process // Tribology International. – 2022. – Vol. 174. – P. 107717. – DOI: 10.1016/j.triboint.2022.107717.

10. Cui L., He Y. A new logarithmic profile model and optimization design of cylindrical roller bearing // Industrial Lubrication and Tribology. – 2015. – Vol. 67 (5). – P. 498–508. – DOI: 10.1108/ILT-01-2015-0006.

11. Influence of process and geometry parameters on the surface layer state after roller burnishing of IN718 / F. Klocke, V. Bäcker, H. Wegner, B. Feldhaus, H.-U. Baron, R. Hessert // Production Engineering. – 2009. – Vol. 3 (4–5). – P. 391–399. – DOI: 10.1007/s11740-009-0182-0.

12. Halme J., Andersson P. Rolling contact fatigue and wear fundamentals for rolling bearing diagnostics // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part J: Journal of Engineering Tribology. – 2010. – Vol. 224 (4). – P. 377–393. – DOI: 10.1243/13506501JET656.

13. Hassan A.M. The effects of ball- and roller-burnishing on the surface roughness and hardness of some non-ferrous metals // Journal of Materials Processing Technology. – 1997. – Vol. 72 (3). – P. 385–391. – DOI: 10.1016/S0924-0136(97)00199-4.

14. Dzierwa A., Markopoulos A.P. Influence of ball-burnishing process on surface topography parameters and tribological properties of hardened steel // Machines. – 2019. – Vol. 7 (1). – P. 11. – DOI: 10.3390/machines7010011.

15. Effect of hot burnishing aided by infrared radiation on the modification of surface and subsurface of AISI 1045 steel / L.E.A. Sanchez, F. Giaretta, L.G. Nogueira, R.I. Neto // Procedia CIRP. – 2017. – Vol. 58. – P. 463–468. – DOI: 10.1016/j.procir.2017.03.254.

16. Зайдес С.А., Нго Као Кыонг. Интенсификация напряженно-деформированного состояния в очаге деформации при стесненных условиях нагружения // Вестник Иркутского государственного технического университета. – 2015. – № 7 (102). – С. 55–59.

17. Finite element and experimental study of the residual stresses in 2024-T3 Al alloy treated via single toroidal roller burnishing / G.V. Duncheva, J.T. Maximov, A.P. Anchev, V.P. Dunchev, T.P. Atanasov, J. Capek // Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering. – 2021. – Vol. 43. – P. 52. – DOI: 10.1007/s40430-020-02775-8.

18. Mohammadi F., Sedaghati R., Bonakdar A. Finite element analysis and design optimization of low plasticity burnishing process // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2014. – Vol. 70 (5–8). – P. 1337–1354. – DOI: 10.1007/s00170-013-5406-y.

19. Numerical investigation of ball burnishing process using a comprehensive three-dimensional finite element model / M. Elsamanty, W.F. Youssef, M. Abdulsalam, A. Ibrahim // International Journal of Precision Engineering and Manufacturing. – 2025. – Vol. 27 (2). – P. 529–547. – DOI: 10.1007/s12541-025-01372-w.

20. Balland P., Tabourot L., Degre F. Mechanics of the burnishing process // Precision Engineering. – 2013. – Vol. 37. – P. 129–134. – DOI: 10.1016/j.precisioneng.2012.07.008.

21. Effect of ball burnishing pressure on surface roughness by low plasticity burnishing Inconel 718 pre-turned surface / P. Cui, Z. Liu, X. Yao, Y. Cai // Materials. – 2022. – Vol. 15 (22). – P. 8067. – DOI: 10.3390/ma15228067.

22. Ciulli E., Betti A., Forte P. The applicability of the Hertzian formulas to point contacts of spheres and spherical caps // Lubricants. – 2022. – Vol. 10 (10). – P. 233. – DOI: 10.3390/lubricants10100233.

23. Зайдес С.А., Ле Т.Т. Оценка влияния направления упрочненных армированных волокон на деформирующую способность цилиндрических деталей // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. – 2025. – № 9 (786). – С. 41–52. – EDN: OHOISU.

24. Блюменштейн В.Ю. Механика технологического наследования как научная основа проектирования сложнопрофильных инструментов для упрочняющей обработки поверхностным пластическим деформированием // Наукоемкие технологии в машиностроении. – 2017. – № 8. – С. 7–16. – DOI: 10.12737/article_5971e6e56cd3d8.31840363.