Obrabotka Metallov / Metal Working and Material ScienceObrabotka Metallov / Metal Working and Material ScienceОбработка металлов (технология • оборудование • инструменты)1994-63092541-819XНовосибирский государственный технический университет42443010.17212/1994-6309-2026-28.2-136-156EQUIPMENT. INSTRUMENTSОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫResearch ArticleSelection and justification of geometric parameters of the roller contact surface for line-by-line surface plastic deformationВыбор и обоснование геометрических параметров контактной поверхности ролика для строчного поверхностного пластического деформированияhttps://orcid.org/0000-0001-9416-77496507528716ABC-1875-20222348-6220ЗайдесСемен АзиковичZaidesSemen A.
Russian Federation

D.Sc. (Engineering), Professor

доктор техн. наук, профессор

zsa@ex.istu.eduhttps://orcid.org/0009-0003-2787-17462084-5213LeThanh ChungЛеТхань Тьунг
Russian Federation

Ph.D.(Engineering) student

Аспирант

lechung275@gmail.comIrkutsk National Research Technical UniversityИркутский национальный исследовательский технический университетruen282ТОМ 28, №2 (2026)VOL 28, NO2 (2026)13615602062026Copyright ©; 2026, Зайдес С.А., Ле Т.Т.Copyright ©; 2026, Zaides S.A., Le T.C.2026Зайдес С.А., Ле Т.Т.Zaides S.A., Le T.C.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://journals.rcsi.science/1994-6309/article/view/424430

Introduction. The paper is devoted to the selection and justification of rational geometric parameters for the contact surface of an annular roller used in line-by-line surface plastic deformation (SPD). The relevance of this work stems from the need to enhance the service performance of machine components while ensuring high surface quality and processing productivity. The purpose of the study is to determine a tool working profile geometry that provides maximum hardening depth and compressive residual stress levels with minimal distortion of the surface microgeometry under conditions of overlapping single deformation tracks. Methods. To solve the formulated problem, the finite element method (FEM) implemented in the ANSYS Workbench software package (Transient Structural module) was employed, using a bilinear isotropic hardening model for Steel 45 (AISI 1045). A comparative analysis of three roller profile types was performed: convex (toroidal), concave (profiled), and straight (cylindrical). During the computational experiment, the tool profile radius and the circular feed step were varied. The efficiency was evaluated based on the criteria of hardened layer depth, residual stress magnitude, and the height of plastic pile?up at the boundaries of adjacent processing tracks. Results and Discussion. It is established that the rational profile radius for the toroidal profile is 5.0 mm, and for the profiled roller — 15.5 mm. The disadvantages of the basic geometries are identified: the toroidal roller provides a hardening depth of 1.15 mm but requires small feeds (resulting in low productivity); the profiled roller allows for increased feed, but the hardening depth decreases to 0.91 mm. It is shown that the use of a modified cylindrical profile with fillet transitions enables the effect of “controlled constraint” of plastic deformation. This geometry ensures the formation of a uniform hardened layer with a depth of 1.02 mm, residual stresses of 300–320 MPa, and a micro-irregularity height of 2–5 μm. Conclusions. The application of the developed tool makes it possible to increase the productivity of the SPD process by 5 times compared to the toroidal roller without loss of surface layer quality. The obtained results can be recommended for the design of technological tooling for the finishing and hardening treatment of critical machine components operating under cyclic loads.

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 Rпр = 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.

Surface plastic deformationLine-by-line processingAnnular rollerContact surface geometryFinite element methodResidual stressesHardening depthMicroreliefControlled deformation constraintModified profileПоверхностное пластическое деформированиеСтрочная обработкаКольцевой роликГеометрия контактной поверхностиМетод конечных элементовОстаточные напряженияГлубина упрочненияМикрорельефУправляемое стеснение деформацииМодифицированный профильСуслов А.Г. Качество поверхностного слоя деталей машин. – М.: Машиностроение, 2000. – 320 с. – ISBN 5-217-02976-5.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.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.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.Одинцов Л.Г. Упрочнение и отделка деталей поверхностным пластическим деформированием: справочник. – М.: Машиностроение, 1987. – 328 с.Смелянский В.М. Механика упрочнения деталей поверхностным пластическим деформированием. – М.: Машиностроение, 2002. – 300 с. – ISBN 5-217-03065-8.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.