CC BY
12обработка металлов
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2019 Том 21 № 2 с. 110-123 ISSN: 1994-6309 (print) / 2541-819X (online) DOI: 10.17212/1994-6309-2019-21.2-110-123
Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты)
Сайт журнала: http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov
ТЕХНОЛОГИЯ ОБОРУДОВАНИЕ ИНСТРУМЕНТЫ
Механика процесса ППД Остаточные напряжения в упрочняемом упругопластическом теле
а * Ь
Максим Махалов ' , Валерий Блюменштейн
Кузбасский государственный технический университет им. Т.Ф. Горбачёва, ул. Весенняя, 28, г. Кемерово, 650000, Россия " https://orcid.org/0000-0002-3266-9724. О тахт^ейтай.ги. Ь http://orcid.org/0000-0002-3711-1535. © Ышпе^етЙгатЫег.п
ИНФОРМАЦИЯ О СТАТЬЕ
УДК 621.787.4
История статьи: Поступила: 26 ноября 2018 Рецензирование: 27 марта 2019 Принята к печати: 11 апреля 2019 Доступно онлайн: 15 июня 2019
Ключевые слова: Остаточные напряжения Механическое состояние металла Технологическое наследование Поверхностный слой Упрочняющая обработка Поверхностное пластическое деформирование Напряженно-деформированное состояние металла
Благодарности:
Авторы выражают признательность А.А. Худойназарову, принявшему участие в проведении исследований.
АННОТАЦИЯ
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.
Для цитирования: 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. -БО!: 10.17212/1994-6309-2019-21.2-110-123.
Введение
Величина и характер распределения остаточных напряжений (ОН) первого рода по сечению деталей - один из ключевых параметров механического состояния металла, в значительной степени определяющих эксплуатационную
*Адрес для переписки
Махалов Максим Сергеевич, к.т.н., доцент
Кузбасский государственный технический университет
им. Т.Ф. Горбачёва,
ул. Весенняя, 28,
650000, г. Кемерово, Россия
Тел.: +7-903-907-45-02, e-mail: [email protected]
долговечность изделий [1-2]. По мнению ряда исследователей, при появлении на поверхности детали начальной трещины или иного концентратора напряжений роль сжимающих ОН поверхностного слоя (ПС) в усталостной долговечности детали напряжений становится определяющей и может дать увеличение долговечности в несколько раз.
Основной причиной возникновения ОН первого рода является неравномерная по сечению детали пластическая деформация тепловой или механической природы.
Упрочняющая обработка поверхностным пластическим деформированием (ППД) существенно повышает сопротивление усталости, содействует большей долговечности до и после появления усталостной трещины. Известно, что для сталей с низким содержанием углерода повышение сопротивления усталости обусловлено в большей степени повышением поверхностной твердости (упрочнением), в то время как для твердых сталей - в большей степени появлением сжимающих остаточных напряжений, сдерживающих появление и развитие мелких трещин.
Обработка ППД применяется во многих областях техники как для повышения качества поверхности, так и для повышения прочности металла деталей машин в условиях усталости, фреттинг-нагрузках и др. [3]. К ним относят: оси и валы автомобилей, валы редукторов сельскохозяйственных, дорожных и горных машин, колесные диски самолетов, высоконагруженные крепежные изделия, а также диски и лопатки турбин, лопасти вентилятора компрессора и др.
Эффекты упрочнения и сжимающих ОН исследованы для различных деталей из разных материалов [4-8]. Так, например, в исследовании W.J. Qin, C. Dong and X. Li проведена оценка и показан эффект повышения усталостной прочности коленчатого вала с учетом ОН [8]. Авторами работ [9-10] экспериментально исследованы ОН поверхностного слоя после упрочняющей обработки различными способами поверхностного пластического деформирования (ППД). В работе [11] предложена модель релаксации ОН на стадии эксплуатационного усталостного нагружения.
Большинство исследователей отмечают необходимость измерений, оценки, прогнозирования и управления величиной и распределением ОН. Остаточные напряжения измеряют методами тензометрии [3], оценки деформаций при релаксации остаточных напряжений [12], путем послойного химического удаления слоев материала с оценкой возникающей деформации [12], методами дифракции рентгеновских лучей [13], микроиндентирования [14] и др.
В работе [15] показано, что поле остаточных напряжений - это поле энергии деформации. Распределение остаточных напряжений, включающее численное значение и существующий диапазон, коррелирует с количеством энергии. На этой основе авторами предложен интеграл
плотности энергии деформации, при этом установлено, что силы трения и тепловые эффекты имеют основное значение в определении окончательного распределения ОН.
Наиболее адаптированным для решения задач по оценке остаточных напряжений после упрочнения в процессах механической обработки и их влияния на усталостную прочность является метод конечных элементов (МКЭ). Уже в упомянутой статье [8] МКЭ использован для моделирования поведения коленчатого вала при усталостном нагружении с учетом остаточных напряжений. Xiaoming Huang, Jie Sun and Jianfeng Li выполнили МКЭ-моделирование и экспериментальное исследование остаточных напряжений, результаты которых показали высокую сходимость [16]. В работах [17-20] представлены результаты численного моделирования остаточных напряжений в процессах резания с учетом трения, температур, смазывающих средств при обработке различных материалов разными инструментами.
В работе [21] автором проведены исследования механики процесса ППД и созданы 2D- и 3D МКЭ-модели обкатывания роликом. Результаты моделирования, включающие в себя поверхностные деформации и остаточные напряжения, показали высокую сходимость с экспериментальными данными, полученными из литературных источников.
Авторы настоящей работы отмечают, что в рассматриваемой области знаний остаются актуальными две важные проблемы.
1. Сложность и высокая трудоемкость измерения ОН, поскольку большая часть методик основана на разрушении детали либо послойном удалении металла ПС и измерении остаточных деформаций детали с последующим расчетом величины ОН. При этом рентгеновские способы позволяют выявлять ОН второго рода и преимущественно в тонких поверхностных слоях, исчисляемых десятками микрометров, не позволяющими определять распределение ОН по глубине упрочненного ПС, исчисляемого миллиметрами.
Для этого направления актуальной и перспективной является разработка и развитие экспериментальных экспресс-методик, основанных на физических методах неразрушающего контроля (НК): акустических, магнитных шумов, коэрцитивной силы и др.
111
2. Известные в настоящее время аналитические модели зачастую охватывают только простые (одно-, двухосные) виды нагружения и не позволяют с удовлетворительной точностью рассчитывать остаточные напряжения 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.
Задачи исследований: моделирование и аналитическое определение ОН в процессе ППД на основе аппарата механики ТН с учетом эффекта упрочняемого тела; выявление взаимосвязей компонентов тензора ОН с основными параметрами режима обработки ППД.
- напряжений, возникающих при приложении нагрузки и упругом разгружении на рассматриваемой стадии;
- напряжений, дополнительно возникающих при раскреплении детали.
Теоретические исследования выполнялись в плоскодеформированной постановке, описанной в работах [22-23].
Согласно известной теореме о разгрузке тензор остаточных напряжений представляет собой разность напряжений, возникающих в реальном упругопластическом теле при приложении нагрузки [7^ деф ], и напряжений, которые возникали бы в идеально упругом теле при идентичном нагружении [7СТ раз], суммированную с напряжениями упругой разгрузки при раскреплении детали [Тст расКр.дет] и упругими тепловыми напряжениями разгрузки \Тст?0 ] :
Теория
Для решения этих задач, в работе [22] авторами предложена и реализована для способа ППД модель упрочняемого упругопластического тела.
Модель разработана с использованием МКЭ на основе аппарата механики технологического наследования (ТН), в рамках которого [10-11]:
• изменение состояния металла ПС на стадиях механической обработки и последующего эксплуатационного нагружения рассматривается как единый непрерывный процесс накопления деформации, исчерпания запаса пластичности и трансформации остаточных напряжений. Наряду с традиционными параметрами качества этот процесс описывается соответственно: накопленной степенью деформации сдвига (СДС) Л, степенью исчерпания запаса пластичности (СИЗП) ¥ и компонентами тензора ОН 1ХстоСТ];
• изменение состояния ПС на стадиях механической обработки происходит в очаге пластической деформации (ОД), возникающем в зоне контакта инструмента с ПС обрабатываемой детали;
• на каждой стадии механической обработки или эксплуатации формирование нового тензора ОН первого рода происходит под влиянием:
- пластической деформации, накопленной металлом к текущему моменту времени, и ОН, унаследованных от предыдущих стадий (история нагружения);
112
[Ту = ТСТ
ьст раз -I
[Тг
ст раскр.дет ^
[ъо;
(1)
Моделируемый материал (сталь 45) принимался изотропным упрочняющимся упруго-пластическим. С учетом этих и других (малый нагрев при рассматриваемом нагружении) принятых при создании модели начальных/граничных условий и допущений возникающие деформации имели только механическую природу. Тензор остаточных напряжений в системе координат детали представлялся в виде
тст
ст ос^ ху z
_деф _страз иху иху
стДеФ _стРаз ху ху
стДеФ _стРаз уу
(ст деф +СТ'
0 0
деф )-(с
2
(2)
где стДеф:
ст
деф стдеф
У
ху
компоненты тензора
реальных упругопластических напряжений при
раз
приложении нагрузки; стх , сту
раз
страз - ком-
поненты тензора идеальноупругих напряжений, возникающих в изделии при идентичном нагру-жении.
Ключевой особенностью предложенной модели является учет эффекта упрочняемого тела, заключающийся в изменении механического
состояния частиц металла в процессе их перемещения через пространство очага деформации [22].
Результаты и обсуждение
Рассмотрим результаты расчетов компонентов остаточных напряжений для модели обкатывания роликом № 5 (табл. 1) со следующими параметрами режима: профильный радиус Япр = = 5 мм, заданный натяг h = 0,05 мм, подача S = 0,1 мм/об. Материал детали: сталь 45 ГОСТ 1050-88, 160.. .180 HV.
Наибольшие значения сжимающих остаточных напряжений, достигающие -600 МПа, характерны для осевого компонента о , при этом для рассматриваемого режима обработки экстремум располагается на поверхности детали. Глубина распространения сжимающих ОН составляет примерно 3 мм при глубине распространения существенных по величине напряжений около 7 мм (рис. 1).
Тангенциальный (окружной) компонент oz в выбранной плоскодеформированной постановке моделирования имеет сопоставимые с осевым компонентом значения сжимающих напряжений
Таблица 1 Table 1
Режимы обработки ППД SPD process conditions
Номер модели R , мм пр' h , мм з'
1 2
2 5 0,03
3 10
4 2
5 5 0,05
6 10
7 2
8 5 0,07
9 10
(до -520 МПа). Максимальные значения также имеют место на поверхности детали.
Радиальному компоненту ау свойственны значительно меньшие значениями и соответственно перепады как в область растягивающих, так и в область сжимающих значений при тех же глубинах распространения. На поверхности и в близлежащем слое радиальный компонент преимущественно отрицательный (до -50 МПа).
Рис. 1. Распределение компонентов тензора остаточных напряжений (после 300-го шага моделирования) по глубине поверхностного слоя. Осевые остаточные напряжения ох с учетом (1) и без учета (2) эффекта упрочняемого тела
Fig. 1. The distribution of the components of the residual stress tensor (after the 300th simulation step) over the depth of the surface layer. Axial residual stresses o , taking into account (1) and without (2) the effect of the hardened body
Особенностью данного решения является определение касательного компонента ст , распределение которого имеет сложный характер при сравнительно небольшой величине напряжений на поверхности и на некоторой глубине поверхностного слоя.
Качественная картина распределения по глу -бине и численные значения соответствуют результатам многих отечественных и зарубежных исследователей. Так, по результатам исследований В.М. Смелянского и его учеников, для моделируемой в данной работе стали 45 величина осевых ОН при ППД достигает -800 МПа, а окружных - до -400 МПа [9]. Автор работы [24] отмечает возможность расположения экстремума напряжений как на поверхности детали, так и на некотором удалении от нее.
По данным [9], радиальные ОН после ППД близки к нулю, что, по мнению автора работы, не является существенным недостатком в силу незначительного влияния этого компонента на циклическую долговечность детали.
Для выявления взаимосвязей остаточных напряжений с режимами обработки ППД была построена и решена серия КЭ-моделей в соответствии с планом, приведенным в табл. 1. При этом варьировались ключевые параметры режима, в наибольшей степени влияющие на протекание процессов пластической деформации в поверхностном слое. Значения остальных параметров режима обработки при моделировании составили:
- частота вращения детали п = 300 об/мин (время одного оборота детали 0,2 с);
- подача £ = 0,1 мм/об;
- угол деформации в окружном направлении 10° (принят по данным работы [10]);
- с учетом времени одного оборота детали и принятого угла деформации время одного цикла нагрузки-разгрузки поверхностного слоя соста-
0,2с-10е
вило
360е
= 0,0055 с.
Для того чтобы показать влияние упрочнения металла на формирование ОН, для модели № 5 также выполнялось моделирование процесса без учета эффекта упрочнения тела (ЭУТ).
В представленной постановке моделирования учет ЭУТ реализован как за счет схемы
многократного взаимодействия индентора с обрабатываемой поверхностью, так и посредством использования аппроксимирующей функции кривой течения, учитывающей упрочнение через величину тангенциального модуля. Для этого значение последнего (Т = 2,596 • 109 Па) выбиралось с целью максимального приближения аппроксимирующей функции к форме реальной кривой течения стали 45.
Теоретически для исключения ЭУТ необходимо принять Тмод = 0 Па, однако для сохранения взаимосвязи напряжений и деформаций на участке пластического течения, значение данного параметра было уменьшено на три порядка (Тмо = 2,596 • 106 Па), что снижает реальный эффект упрочнения при моделировании в 1000 раз.
Рассмотрим распределение ОН по глубине упрочненного ПС, полученные как с учетом, так и без учета эффекта упрочняемого тела (табл. 2). На рис. 1 представлены распределения осевого компонента.
Модель с учетом ЭУТ обнаруживает большие по величине сжимающие напряжения. Разница максимальных значений сжимающих ОН в модели без учета упрочнения относительно модели с учетом ЭУТ составляет почти 30 %. Полученный результат соответствует представлениям о том, что упрочненный металл, имеющий повышенный предел текучести, допускает присутствие больших по величине остаточных напряжений.
Радиальный компонент ОН в модели, учитывающей ЭУТ, также характеризуется большими в два раза значениями как сжимающих, так и растягивающих напряжений.
Окружной (тангенциальный) компонент в обеих моделях имеет преимущественно сжимающие значения, экстремум лежит на поверхности детали. Как и для радиального компонента, модель с учетом упрочнения имеет в два раза большие значениями напряжений обоих знаков.
Касательный в плоскости подачи компонент для обоих рассматриваемых случаев имеет схожий характер распределения, однако модель, учитывающая ЭУТ, имеет несколько больший итоговый размах значений.
Таблица 2 Table 2
Значения компонентов тензора остаточных напряжений The values of the residual stress tensor components
Компонент С учетом ЭУТ Без учета ЭУТ Размах значений
min max min max с ЭУТ без ЭУТ
Осевой с , МПа -600 74 -400 43 674 443
Радиальный с , МПа y -50 30 -22 17 80 39
Окружной с, МПа -523 29 -248 13 552 261
Касательный с , МПа xy' -24 70 -41 40 94 81
Для выявления взаимосвязей полученного тензора ОН с технологическими режимами было использовано описание каждого из полученных компонентов тензора в категориях координат характерных точек (на примере <) [25, стр. 54, рис. 4]:
1) напряжения на поверхности детали (точка А - ^
2) напряжения в первом экстремуме (точка В -
3) глубина расположения первого экстремума (точка В) - Аа}В;
4) глубина распространения сжимающих напряжений (точка С) - А<хС;
5) напряжения во втором экстремуме (точка В) -
6) глубина расположения второго экстремума (точка В) - И<5хВ;
7) глубина распространения ОН (точка Е) -
к<хЕ.
По данным работы [10], основное влияние на величину и глубину распространения остаточных напряжений оказывают натяг А профильный радиус Япр ролика.
В результате решения моделей с различными значениями этих факторов наряду с другими компонентами выявлена тенденция изменения осевого компонента тензора ОН (рис. 2-5).
Модели с натягом Аз = 0,03 мм имеют максимальные осевые сжимающие напряжения на поверхности детали (у = 0 мм).
При увеличении Аз существует тенденция к увеличению максимальных значений сжимающих напряжений, однако этот экстремум смеща-
ется от поверхности в глубину до 0,5 мм и приводит к формированию в тонком приповерхностном слое растягивающих ОН небольшой величины.
Изменение эпюры осевых ОН при изменении профильного радиуса ролика позволяет сделать вывод о том, что для достижения наилучшего распределения по глубине каждому значению натяга должно соответствовать некоторое оптимальное значение профильного радиуса ролика: соотношение указанных величин лежит в диапа-
зоне:
0,007 <
R
<0,015
пр
Полученные результаты согласуются с результатами работ [9, 10, 24, 26-28], где показано, что увеличение усилия обкатывания по упругой схеме (либо натяга ролика по жесткой схеме) при ППД увеличивает ОН сжатия на поверхности и в первом экстремуме, а также глубину его расположения.
Увеличение профильного радиуса ролика снижает максимальные сжимающие напряжения, что в целом соответствует результатам работы [10]. Однако результаты исследований ОН при ППД, представленные, например, в работах [27, 28], показывают, что при увеличении Япр, несмотря на снижение сжимающих ОН на поверхности, происходит увеличение осевых и окружных ОН в первом подповерхностном экстремуме.
Глубина распространения сжимающих ОН (АохС) и расположения второго (положительного) экстремума (АохВ) увеличиваются с увеличением обоих варьируемых параметров (рис. 5). С ростом Аз от 0,05 до 0,07 мм увеличение этих глубин несколько интенсивнее.
Рис. 2. Распределение осевых остаточных напряжений ох в моделях №1 (7), № 4 (2) и № 7 (3)
(Дпр = 2 мм)
Fig. 2. The distribution of axial residual stresses ax in models No.1 (7), No.4 (2) and No. 7 (3)
(Rpr = 2 mm)
Рис. 4. Распределение осевых остаточных напряжений о в моделях № 3 (1), № 6 (2)
и № 9 (3) (Дпр = 10 мм) ^
Fig. 4. The distribution of axial residual stresses ox in models No. 3 (1), No. 6 (2)
and No. 9 (3) (Rpr = 10 inm)
Рис. 5. Взаимосвязи глубины распространения осевых сжимающих ОН haxC и глубины расположения второго (положительного) экстремума haxD от h^ haxC при R = 2 мм (1); Яп = 5 мм (2); R = 10 мм (3); haD при R = 2 мм (4); = 5 мм (5);
iT = 10 мм (6)
Fig. 5. Interrelations of the depth of propagation of axial compressive RS haxC and the depth
of the second (positive) extremum haxD from hz: ha „ with R = 2 mm (1); R = 5 mm (2); R = 10 mm (3); ha x with R = 2 mm (4); R = 5 mm
xC pr v '' pr v '' pr v / > xD pr v '' pr
(5); Rpr = 10 mm (6)
117
При увеличении натяга радиальный компонент имеет тенденцию к увеличению размаха максимальных сжимающих и растягивающих напряжений, которые располагаются непосредственно вблизи поверхности детали. С увеличением профильного радиуса ролика размах напряжений, наоборот, уменьшается. Глубина распространения существенных по величине значений при изменении натяга и профильного радиуса ролика значительно не меняется.
Максимальные сжимающие окружные напряжения и глубина их распространения также увеличиваются с увеличением натяга. Экстремум в большинстве случаев располагается на поверхности либо на глубине 0,5...1 мм. Изменение профильного радиуса ролика не оказывает на этот компонент существенного влияния. По данным работы [26], окружной компонент имеет распределение, аналогичное осевому, но характеризуется меньшими напряжениями на поверхности и в первом экстремуме.
Изменение обоих параметров существенно не изменяет распределение касательного компонента по глубине ПС, однако несколько влияет на его значения непосредственно на поверхности. Так, при малых значениях профильного радиуса максимальные касательные напряжения дают большие значения натяга, в то время как при больших значениях Япр - меньшие значения И .
з
Выводы
1. На основе разработанной для процесса ППД модели упрочняемого упругопластиче-ского тела выполнены расчеты компонентов тензора остаточных напряжений с различными режимами обработки. Установлено, что наибольшие остаточные сжимающие напряжения характерны для осевого компонента, при этом экстремум может располагаться как на поверхности детали, так и на некотором удалении от нее. Глубина распространения сжимающих ОН составляет примерно 3 мм при глубине распространения существенных по величине напряжений около 7 мм.
2. Выявлено влияние упрочнения металла на распределение остаточных напряжений. На при-
мере 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 наличие больших по величине остаточных напряжений.
3. Установлены взаимосвязи компонентов тензора остаточных напряжений с основными параметрами режима обработки: натягом и профильным радиусом ролика. Так, для осевого компонента ОН:
- при увеличении натяга имеется тенденция к увеличению максимальных значений сжимающих напряжений, однако этот экстремум смещается от поверхности в глубину до 0,5 мм, что приводит к формированию в тонком приповерхностном слое растягивающих ОН небольшой величины;
- изменение профильного радиуса ролика позволяет сделать вывод о том, что для получения наилучшего распределения осевых ОН по глубине каждому значению натяга соответствует некоторое оптимальное значение профильного радиуса ролика;
- глубина распространения сжимающих ОН, как и глубина расположения второго (положительного) экстремума, увеличивается с увеличением Ид и Япр. В диапазоне Ид от 0,05 мм до 0,07 мм такой рост происходит более интенсивно.
Для радиального компонента при увеличении натяга увеличивается, а при увеличении Япр, наоборот, уменьшается размах напряжений на поверхности детали.
Максимальные сжимающие окружные напряжения и глубина их распространения увеличиваются с увеличением натяга. Изменение Я
пр
при этом не оказывает существенного влияния.
Для касательного компонента изменение основных параметров режима оказывает лишь некоторое влияние на значения на поверхности.
Список литературы
1. Технология и инструменты отделочно-упроч-няющей 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., GajekM., Серебряков В.И. Формирование состояния поверхностного слоя деталей машин технологическими методами. - Opole: Politech-nika 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 5-94275342-9.
11. Блюменштейн В.Ю., Махалов М.С. Расчет-но-аналитическая модель механического состояния поверхностного слоя упрочненной детали на стадии циклического нагружения после обработки размерным совмещенным обкатыванием // Упрочняющие технологии и покрытия. - 2009. - № 3. -
C.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 VS. 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. HuangX., 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. 717733. - 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. 21592168. - 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, IlIrd International Innovative Mining Symposium. -2018. - Vol. 41. - Art. 03012. - DOI: 10.1051/e3s-conf/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: compari-
sons 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.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
© 2019 Авторы. Издательство Новосибирского государственного технического университета. Эта статья доступна по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/)
Obrabotka metallov (tekhnologiya, oborudovanie, instrumenty) = Metal Working and Material Science. 2019 vol. 21 no. 2 pp. 110-123 ISSN: 1994-6309 (print) / 2541-819X (online) DOI: 10.17212/1994-6309-2019-21.2-110-123
Obrabotka metallov -
Metal Working and Material Science
Journal homepage: http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov
TEKHOnOrMII OEOPVflOBflHHE HHCTPVMEHTbl
Surface Plastic Deformation Mechanics The Residual Stresses in the Hardened Elastic-Plastic Body
a, * b
Maxim Mahalov , Valeriy Blumenstein
Kuzbass State Technical University named after T.F. Gorbatchev, 28 Vesennaya st., Kemerovo, 650000, Russian Federation " https://orcid.org/0000-0002-3266-9724. ©[email protected]. b http://orcid.org/0000-0002-3711-1535. © [email protected]
ARTICLE INFO
ABSTRACT
Article history. Received: 26 November 2018 Revised. 27 March 2019 Accepted: 11 April 2019 Available online: 15 June 2019
Keywords: Residual stresses Metal mechanical condition Technological inheritance Surface layer Hardening treatment Surface plastic deformation Metal stress-strain condition
Acknowledgements
The authors are grateful to A. Khu-
doynazarov who took part in the
research.
Introduction. Macroscopic residual stresses (RS) are one of the key metal mechanical state parameters, which largely determines products and structures operational life. Surface plastic deformation (SPD) hardening treatment creates in the surface layer (SL) favorable compressive RS and significantly increases the fatigue life both before and after the fatigue cracks appearance. In this area of knowledge, the problem of high complexity and laborious-ness of the experimental determination of RS, as well as the problem of calculating residual stresses under complex non-monotonic types of loading, which include most of the methods of mechanical processing, remains relevant.
The research purpose is to develop the theory of formation and increase the reliability of calculations of residual
stresses in the processing of SPD based on the model of a strengthened elastic-plastic body. Results and discussion. The paper presents the SPD process simulation results and RS tensor components calculations. The model is made using the finite element method based on the conceptual framework of the mechanics of technological inheritance (TI), taking into account the effect of the strengthened body. It is established that the highest compressive residual stresses values are typical for the axial component, and the extremum can be located both on the workpiece surface and at some distance from it. The depth of compressive residual stresses distribution is about 3 mm with a depth of distribution of significant in magnitude stresses of about 7 mm. The hardened body influence on the residual stresses distribution is performed. The obtained result corresponds to the idea that the hardened metal, which have an increased yield stress limit, allows the larger RS values presence. The tendencies of changes in the distribution of the components of the RS tensor over the depth of the SL, depending on the main parameters of the SPD processing mode: tension and profile radius of the roller, are revealed.
For citation: 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).
References
1. Suslov A.G., Babichev A.P., Kirichek A.V., Ovseenko A.V., Motrenko P.D., Ambrosimov S.K., Afonin A.I., Gurov R.V., Prokof'ev A.N., Solov'ev D.A. Tekhnologiya i instrumenty otdelochno-uprochnyayushchei obrabotki detaleipoverkhnostnymplasticheskim deformirovaniem. V 2 t. T. 2. [Technology and tools of finishing and hardening treatment of parts by surface plastic deformation. In 2 vol. Vol. 2]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 2014. 444 p. ISBN 978-5-94275-711-3.
2. Ivanov S.I., Pavlov V.F. Vliyanie ostatochnykh napryazhenii i naklepa na ustalostnuyu prochnost' [The effect of residual stresses and cold working on fatigue strength]. Problemyprochnosti = Strength of Materials, 1976, no. 5, pp. 25-27. (In Russian).
* Corresponding author
Mahalov Maxim S., Ph.D. (Engineering), Associate Professor Kuzbass State Technical University named after T.F. Gorbatchev, 28 Vesennaya st.,
Kemerovo, 650000, Russian Federation
Tel.: +7-903-907-45-02, e-mail: [email protected]
3. Gopinath A., Lim A., Nagarajan B., Wong C.C., Maiti R., Castagne S. Introduction of Enhanced Compressive Residual Stress Profiles in Aerospace Components Using Combined Mechanical Surface Treatments. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2013, vol. 157 (1). DOI: 10.1088/1757-899X/157/1/012013.
4. Ovseenko A.N., Gajek M., Serebryakov V.I. Formirovanie sostoyaniyapoverkhnostnogo sloya detalei mashin tekhnologicheskimi metodami [Machine parts surface layer condition formation by technological methods]. Opole, Politechnika Opolska Publ., 2001. 228 p. ISBN 83-88492-06-3.
5. Birger I.A. Ostatochnye napryazheniya [Residual stresses]. Moscow, Mashgiz Publ., 1963. 232 p.
6. Kudryavtsev I.V. Vnutrennie napryazheniya kak rezerv prochnosti v mashinostroenii [Internal stresses as a strength reserve in mechanical engineering]. Moscow, Mashgiz Publ., 1951. 280 p.
7. Podzei A.V., ed. Tekhnologicheskie ostatochnye napryazheniya [Technological residual stresses]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1973. 216 p.
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, pp. 938-947. DOI: 10.1007/s11665-016-1890-1.
9. Smelyanskii V.M. Mekhanika uprochneniya detaleipoverkhnostnymplasticheskim de-formirovaniem [Surface plastic deformation parts hardening mechanics]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 2002. 300 p. ISBN 5-217-03065-8.
10. Blyumenstein V.Yu., Smelyanskii V.M.Mekhanika tekhnologicheskogo nasledovaniya na stadiyakh obrabotki i ekspluatatsii detalei mashin [Technological inheritance mechanics at the machine parts processing and operation stages]. Moscow, Mashinostroenie-1 Publ., 2007. 400 p. ISBN 5-942-75342-9.
11. Blyumenshtein V.Yu., Mahalov M.S. Raschetno-analiticheskaya model' mekhanicheskogo sostoyaniya poverkhnostnogo sloya uprochnennoi detali na stadii tsiklicheskogo nagruzheniya posle obrabotki razmernym sovmeshchennym obkatyvaniem [The hardened part surface layer mechanical state computational and analytical model at the cyclic loading stage after dimensional joint running-in]. Uprochnyayushchie tekhnologii i pokrytiya = Strengthening Technologies and Coatings, 2009, no. 3, pp. 33-39.
12. Sadasivam B., Hizal A., Arola D. Abrasive wateijet 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, pp. 667-678. DOI: 10.1007/s00170-012-4206-0.
14. Yonezu A., Kusano R., Hiyoshi T., Chen Xi. A method to estimate residual stress in austenitic stainless steel using a microindentation test. Journal of Materials Engineering and Performance, 2015, vol. 24, iss. 1, pp. 362-372. DOI: 10.1007/s11665-014-1280-5.
15. Ma Y., Feng P., Zhang J., Wu Z., Yu D. Energy criteria for machining-induced residual stresses in face milling and their relation with cutting power. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2015, vol. 81, pp. 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, pp. 1035-1041. DOI: 10.1007/s00170-014-6533-9.
17. Su J.-C., Young K.A., Ma K., Srivatsa S., Morehouse J.B., Liang S.Y. Modeling of residual stresses in milling. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2013, vol. 65, pp. 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, pp. 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, pp. 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, pp. 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), pp.237-240.
22. Makhalov M.S., Blyumenstein V.Yu. Surface plastic deformation mechanics. The hardenable elastic-plastic body model. Obrabotka metallov (tekhnologiya, oborudovanie, instrumenty) = Metal Working and Material Science, 2018, vol. 20, no. 4, pp. 6-20. DOI: 10.17212/1994-6309-2018-20.4-6-20. (In Russian).
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. Papshev D.D. Uprochnenie detalei obkatkoi sharikami [Rolling balls parts hardening], Moscow, Mashinostroenie Publ., 1968. 132 p.
25. Blyumenshtein V.Yu., Mahalov M.S. Raschetnaya model' ostatochnykh napryazhenii uprochnennogo poverkhnostnogo sloya pri razmernom sovmeshchennom obkatyvanii [The hardened surface layer residual stresses calculation model after dimensional joint running in]. Vestnik Kuzbasskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta = Vestnik of Kuzbass State Technical University, 2008, no. 5, pp. 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), pp. 1665-1673. DOI: 10.1007/s00170-012-4599-9.
27. Smelyanskii V.M., Choudkhuri N.A. K voprosu prognozirovaniya ostatochnykh napryazhenii, voznikayushchikh v poverkhnostnykh sloyakh detalei pri obrabotke PPD [To the problem of the parts surface layers residual stresses predicting in the SPD processing]. Sovershenstvovanieprotsessov obrabotki i sborki detalei avtomobilya v usloviyakh primeneniya gibkikh avtomatizirovannykh kompleksov [Improving the car parts processing and assembly processes in the flexible automated systems application conditions]. Moscow, MAMI Publ., 1987, pp. 3-16.
28. Smelyanskii V.M., Shaparin A.A., Choudkhuri N.A. [Numerical model of the parts surface layer residual stresses formation during rolling]. Ostatochnye napryazheniya- rezervprochnosti v mashinostroenii: tezisy dokladov Vsesoyuznoi nauchno-tekhnicheskoi konferentsii [Residual stress - strength reserve in mechanical engineering: AllUnion scientific and technical conference abstracts]. Rostov-on-Don, 1991, pp. 7-9. (In Russian).
Conflicts of Interest
The authors declare no conflict of interest.
© 2019 The Authors. Published by Novosibirsk State Technical University. This is an open access article under the CC BY license (http:// creativecommons.org/licenses/by/4.0/).
