Stress-Strain State of cylindrical parts when strengthened by flat wedge plates

Methods of improving the quality of surface layers can make major contributions in mechanical engineering by increasing reliability of products. Formation of a favorable stress-strain state in the surface layers allows us to increase wear resistance, fatigue strength and performance characteristics of machine parts. Today, there are various methods of strengthening parts by surface plastic deformation, e.g. rolling, roller running, ultrasonic treatment, etc. The choice of a specific method depends on the purpose of each part, its geometry and requirements for performance characteristics. Special technological problems arise when processing cylindrical parts of small diameters such as axles, power studs, rollers, which are easily bent. For non-rigid parts characterized by a length-to-diameter ratio of more than 15, a strengthening method using flat wedge plates has been developed. This method is presented and studied in this paper. It aims at evaluating the stress-strain state in the deformation zone and residual stresses in hardened cylindrical parts depending on the geometric shape of the working tool and the main parameters of the hardening process with flat wedge plates. The research method suggests modeling in the ANSYS Workbench software environment taking into account the bilinear diagram of the sample material deformation. Numerical experiments were carried out at different angles of the wedge section β (from 30° to 90°) and degrees of relative compression Q (from 0.5 to 4%), which made it possible to determine the patterns of distribution of temporary and residual stresses, as well as the intensity of plastic deformation both along the length and radius of the workpiece. It was found that the angle β of the wedge section of flat plates equal to 45° is the most rational, since it ensures a uniform distribution of residual stresses, prevents local overloads and promotes hardening without damaging the surface layer. The recommended value of relative compression during strengthening with flat wedge plates is to be in the range Q = (1.3–1.5)%.

НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ ПРИ УПРОЧНЕНИИ ПЛОСКИМИ КЛИНОВЫМИ ПЛИТАМИ

Повышение качества поверхностного слоя деталей является актуальной задачей современного машиностроения, от эффективного решения которой зависит надежность работы изделий. Формирование благоприятного напряженно-деформированного состояния в поверхностных слоях позволяет повысить износостойкость, усталостную прочность и эксплуатационные характеристики деталей машин. На сегодняшний день существуют различные методы упрочнения деталей поверхностным пластическим деформированием, среди которых можно выделить накатывание, обкатку роликами, ультразвуковую обработку и т.д. Выбор конкретного способа зависит от назначения детали, ее геометрии и требований к эксплуатационным характеристикам. Особые технологические проблемы возникают при обработке цилиндрических деталей малых диаметров типа осей, силовых шпилек, валиков, которые легко изгибаются. Для нежестких деталей, характеризующихся отношением длины к диаметру более 15, разработан способ упрочнения с использованием плоских клиновых плит. Данный метод представлен и исследован в настоящей работе. Цель работы заключается в оценке напряженно-деформированного состояния в очаге деформации и остаточных напряжений в упрочненных цилиндрических деталях в зависимости от геометрической формы рабочего инструмента и основных параметров процесса упрочнения плоскими клиновыми плитами. Методом исследования служит моделирование в программной среде ANSYS Workbench с учетом билинейной диаграммы деформирования материала образца. Проведены численные эксперименты при различных углах клинового участка β (от 30° до 90°) и степенях относительного обжатия Q (от 0,5 до 4 %), что позволило определить закономерности распределения временных и остаточных напряжений, а также интенсивности пластической деформации как по длине, так и по радиусу заготовки. Установлено, что угол β клинового участка плоских плит, равный 45°, является наиболее рациональным, так как обеспечивает равномерное распределение остаточных напряжений, предотвращает локальные перегрузки и способствует упрочнению без повреждений поверхностного слоя. Рекомендуемая величина относительного обжатия при упрочнении плоскими клиновыми плитами должна находиться в интервале Q = (1,3–1,5) %.