Non-contact deformation with reversible surface plastic deformation

Author details

Semen A. Zaides
Irkutsk National Research Technical University, Irkutsk, Russian Federation
Huu Hai Nguyen
Irkutsk National Research Technical University, Irkutsk, Russian Federation

https://doi.org/10.15593/perm.mech/2023.3.06

The article considers non-contact deformation during surface plastic deformation based on the reverse rotation of the deforming tool. Using software for 3D design (Solid work 2019) and computational modeling (Ansys workbench 19.2), calculations were made to determine the size of an elastic-plastic wave depending on the main parameters of reverse surface plastic deformation (SPD) and the physical and mechanical properties of the material. The stress state in elastoplastic waves generated in the direction of feed (A1) and in the direction of the main movement (A2) is also established. It has been established that the linear dimensions of elastoplastic waves reach a maximum at a preload value of t = 0.4 mm. The main parameters of the reversible PPD, which characterize the kinematics of the working tool (reverse speed of the working tool, the speed of the workpiece, the initial angle of the working tool and the amplitude of the angle of the reverse rotation of the working tool) have a significant impact on the change in the size of the elastoplastic wave in the direction of the longitudinal feed and slightly affect the change in the size of the elastic-plastic wave in the direction of the main movement. The change in the stress state of the surface layer is shown depending on the physical and mechanical properties of the material: large sizes of the elastic-plastic wave during elastic-plastic deformation are formed in the material with a reduced yield strength and elastic modulus. It was also found that the larger the size of the elastic-plastic wave, the higher the maximum tensile stresses at their vertices. The resulting stress state of the wave allows us to conclude that maximum tensile stresses are formed at their tops, the value of which reaches 202–271 MPa (2,4–3,2 times less than the ultimate strength of the material), which practically does not cause strength failure hardened surfaces.

Keywords

reversible surface plastic deformationtwo-radius rollerfinite element modelingelastoplastic wavesstress intensity.

ВНЕКОНТАКТНАЯ ДЕФОРМАЦИЯ ПРИ РЕВЕРСИВНОМ ПОВЕРХНОСТНОМ ПЛАСТИЧЕСКОМ ДЕФОРМИРОВАНИИ

Рассмотрена внеконтактная деформация при поверхностном пластическом деформировании на основе реверсивного вращения деформирующего инструмента. С использованием программного обеспечения для 3D-проектирования (Solid work 2019) и вычислительного моделирования (Ansys workbench 19.2) выполнены расчеты для определения размеров упругопластической волны в зависимости от основных параметров реверсивного поверхностного пластического деформирования (ППД) и физико-механических свойств материала. Установлено также напряженное состояние в упругопластических волнах, образующихся в направлении подачи (A1) и в направлении главного движения (A2). Установлено, что линейные размеры упругопластических волн достигают максимума при величине натяга t = 0,4 мм. Основные параметры реверсивного ППД, характеризующие кинематику рабочего инструмента (реверсивная частота вращения рабочего инструмента, частота вращения заготовки, начальный угол установки рабочего инструмента и амплитуда угла реверсивного вращения рабочего инструмента), оказывают существенное влияние на изменение размеров упругопластической волны в направлении продольной подачи и незначительно влияют на изменение размеров упругопластической волны в направлении главного движения. Показано изменение напряженного состояния поверхностного слоя в зависимости от физико-механических свойств материала: большие размеры упругопластической волны при упругопластической деформации формируются у материала с пониженным пределом текучести и модулем упругости. Также установлено, что чем больше размеры упругопластической волны, тем выше максимальные растягивающие напряжения в их вершинах. Полученное напряженное состояние волны позволяет сделать вывод, что в их вершинах формируются максимальные растягивающие напряжения, значение которых достигает 202–271 МПа (меньше в 2,4–3,2 раза предела прочности материала), что практически не вызывает нарушения прочности упрочненных поверхностей.

Ключевые слова

реверсивное поверхностное пластическое деформированиедвухрадиусный роликконечно-элементное моделированиеупругопластические волныинтенсивность напряжений.

Bibliography

1.M.E. Popov, Babichev A.P., et al. Poisk novykh tekhnologicheskikh metodov povysheniia prochnosti kolenchatykh valov dvigatelei [Search for new technological methods for increasing the strength of engine crankshafts]. Bulletin of the DSTU, 2015, no. 1, pp. 49-54. Scholar
2.Odintsov L.G. Uprochnenie i otdelka detalei poverkhnostnym plasticheskim deformirovaniem [Hardening and finishing of parts by surface plastic deformation]. Moscow: Mashinostroenie, 1987. 328 p. Scholar
3.Tamarkin M.A., Kazakov D.V., Shvedova A.S., Grebenkin R.V. Povyshenie nadezhnosti tekhnologicheskikh processov obrabotki detalej dinamicheskimi metodami poverhnostnogo plasticheskogo deformirovaniya [Improving the reliability of technological processes for processing parts by dynamic methods of surface plastic deformation.]. Uprochnyaya tekhnologii i pokrytiy, 2015, no. 8(128), pp. 23-27. Scholar
4.Virt A.E. Vliyanie rezhimov obrabotki pri SPD na sherohovatost' obrabotannoj poverhnosti [Influence of processing modes during SPD on the roughness of the treated surface]. International Journal of Applied and Fundamental Research, 2014, no. 11-4, pp. 547-549. Scholar
5.Butakov B.I., Shebanin V.S., Marchenko D.D., Artyukh A.V. Poverkhnostnoe plasticheskoe deformirovanie kak metod povysheniia kachestva detalei mashin [Surface plastic deformation as a method for improving the quality of machine parts]. Trudy Gosniti, 2011, no. 2, pp. 85-87. Scholar
6.Nasonov A.I., Gileta V.P., Samul A.G. Mikrogeometriia detalei iz aliuminiveykh splavov posle ul'trazvukovogo poverkhnostno-plasticheskogo deformirovaniia [Microgeometry of parts made of aluminum alloys after ultrasonic surface-plastic deformation]. Progressivnye tekhnologii i sistemy mashinostroeniia, 2021, no. 3 (74), pp. 82-90. Scholar
7.Ngo Cao Cuong. Issledovanie vnekontaktnyh deformacij pri lokal'nom nagruzhenii [Investigation of non-contact deformations under local loading]. Vestnik nauki i obrazovaniya Severo-Zapada Rossii, 2015. T.1, no. 3, pp. 6-13. Scholar
8.Zaides S.A., Emelyanov V.N. Vliianie poverkhnostnogo plasticheskogo deformirovaniia na kachestvo valov [Influence of surface plastic deformation on the quality of shafts]. Irkutskii natsional'nyi issledovatel'skii tekhnicheskii universitet, 2017. 380 p. Scholar
9.Kokoreva O.G., Pehotov M.V. Upravlenie parametrami kachestva poverkhnostnogo sloia pri obrabotke statiko-impul'snym metodom [Control of the quality parameters of the surface layer during processing by the static-pulse method], Mashinostroenie i bezopasnost' zhiznedeiatel'nosti, 2015, no. 1 (23), pp. 73-77. Scholar
10.Matlin M.M., et al. Opredelenie sherokhovatosti poverkhnoste detalei, obrabotannykh drobeuprochneniem [Determination of the surface roughness of parts treated with shot hardening]. Vestnik mashinostroeniia, 2013. no. 10, pp. 54-55. Scholar
11.Zaides S.A., Ngo K.K. [Surface deformation in constrained conditions]. Irkutskii natsional'nyi issledovatel'skii tekhnicheskii universitet, 2018. 236 p. Scholar
12.Drozd M.S., Matlin M.M., Sidyakin Yu.I. Inzhenernye raschety uprugo-plasticheskoj kontaktnoj deformacii [Engineering calculations of elastic-plastic contact deformation]. Moscow: Mashinostroenie, 1986. 221 p. Scholar
13.Averina T.A. Modelirovanie skhem razvitiia treshchin v plitakh i pologikh obolochkakh na osnove traektoriï naibol'shikh rastiagivaishchikh napriazheniï [Modeling of crack propagation patterns in slabs and shallow shells based on the trajectories of the highest tensile stresses]. Sistemy upravleniia i informatsionnye tekhnologii, 2022, no. 2(88), pp. 4-8. Scholar
14.Khamidullin R.M., Fedotova D.V. Analiz polei napriazhenii v vershine treshchiny i parametry soprotivleniia razrusheniiu v usloviiakh gradientnoi plastichnosti [Analysis of stress fields at the crack tip and fracture resistance parameters under conditions of gradient plasticity]. PNRPU Mechanics Bulletin, 2021, no. 4, pp. 136-148. Scholar
15.Boychenko N.V. Polia napriazhenii s uchetom radiusa krivizny vershiny treshchiny pri nelineinom deformirovani [Stress fields taking into account the radius of curvature of the crack tip during nonlinear deformation], PNRPU Mechanics Bulletin, 2021, no. 4, pp. 29-40. Scholar
16.Smelyansky V.M. [Mechanics of hardening of parts by surface plastic deformation]. Moscow: Mashinostroenie, 2002. 299 p. Scholar
17.Blumenshtein V.Yu., S.A. Zaides, A.V. Kirichek, et al. Tekhnologicheskie protsessy poverkhnostnogo plasticheskogo deformirovaniia [Technological processes of surface plastic deformation]. Irkutskii gosudarstvennyi tekhnicheskii universitet, 2007. 404 p. Scholar
18.Zaides S.A., Pham Van Anh. Opredelenie vnekontaktnoi deformatsii materiala pri orbital’nom aozdeistvii indentora [Determination of non-contact deformation of the material under the orbital impact of the indenter], Vestnik mashinostroeniya, 2021, no. 7, pp. 81-86. Scholar
19.Zaides S.A., Nguyen Huu Hai. Sposob poverkhnostnogo plasticheskogo deformirovaniia naruzhnykh poverkhnosteï tel vrashcheniia [The method of surface plastic deformation of the outer surfaces of bodies of revolution]. Patent RF No. 2758713; zaiavl. 14.01.21; opubl. 04.11.21, Biul. № 31. Scholar
20.Rogozhnikova E.N., Anoshkin A.N., Bulbovich R.V. Raschet NDS i otsenka prochnosti segmentirovannoi tsilindricheskoi obolochki iz kompozitsionnykh materialov s metalicheskimi vkladyshchami [Calculation of stress-strain state and evaluation of the strength of a segmented cylindrical shell made of composite materials with metal inserts], PNRPU Mechanics Bulletin, 2022, no. 1, pp. 102-114. Scholar
21.Preetham Marle Ramachandra, Sanjay Sutar, G.C.Mohan Kumara. Stress analysis of a gear using photo elastic method and Finite element method. Materials today: Proceedings, 2022, vol. 65, no. 8, pp. 3820-3828. doi.org/10.1016/j.matpr.2022.06.579. Scholar
22.Xin Liu, Su Tian, Fei Tao, Wenbin Yu. A review of artificial neural networks in the constitutive modeling of composite materials. Composites Part B: Engineering, 2022, vol. 224, p. 109152. doi.org/10.1016/j.compositesb.2021.109152 Scholar
23.Basov K.A. ANSYS v primerah i zadachah [ANSYS in examples and tasks]. Moscow: Komp'yuter Press, 2002. 224 p. Scholar
24.Semih Taskaya, AliKaya Gur, Cetin Ozay. Joining of Ramor 500 Steel with SAW (Submerged Arc Welding) and its Evaluation of Thermomechanical Analysis in ANSYS Package Software. Thermal Science and Engineering Progress, 2019, vol. 13, p. 100396. doi.org/10.1016/j.tsep.2019.100396 Scholar
25.Fedorenkov D.I., Kosov D.A. Realizatsii modeli povrezhdennosti Lemaitre s kinematickeskim uprochneniem v konechno-elementnom komplekse Ansys [Implementation of the Lemaitre damage model with kinematic hardening in the Ansys finite element complex]. PNRPU Mechanics Bulletin, 2022, no. 2, pp. 147-157. Scholar
26.Kang Ju, Chunzheng Duan, Yuwen Sun, Jiahao Shi, Jinxing Kong, Abdolhamid Akbarzadeh. Prediction of machining deformation induced by turning residual stress in thin circular parts using ritz method. Journal of Materials Processing Technology, 2022, vol. 307, p. 117664. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2022.117664 Scholar
27.Zehua Wang, Sibao Wang, Shilong Wang, Ning Liu, Zengya Zhao, Yankai Wang. A novel surface residual stress monitoring method based on the power consumption of machine tool: A case study in 5-axis machining. Journal of Manufacturing Processes, 2023, vol. 86, pp. 221-236. Scholar
28.Zaides S.A., Ngo Cao Cuong. Novye tekhnologicheskie vozmozhnosti otdelochno-uprochniaishchei obrabotki poverkhnostnym plasticheskim deformirovaniem [New technological possibilities of finishing and hardening treatment by surface plastic deformation]. Naukoemkie tekhnologii v mashinostroenii, 2017, no. 3 (69), pp. 25-30. Scholar
29.Proskoryakova Yu.A., Fedenko A.A. Vliianie razlichnykh metodov obrabotki poverkhnostnym plasticheskim deformiro- vaniem na kachestvo poverkhnostnogo sloia detali [Influence of various methods of processing by surface plastic deformation on the quality of the surface layer of the part]. Sbornik nauchnykh trudov «Transport: Nauka, Obrazovanie, Proizvodstvo», 2018, pp. 153-156. Scholar
30.Oteniy Ya.N., Lavrentiev A.M. Sravnenie razlichnykh metodov opredeleniia glubiny uprochneniia pri obrabotke detalei poverkhnostnym plasticheskim deformirovaniem [Comparison of various methods for determining the depth of hardening in the processing of parts by surface plastic deformation], Bulletin of the Volgograd State Technical University, 2017, no. 9 (204), pp. 50-54. Scholar
31.M.H.A.Bonte, A.de Boer, R.Liebregts. Determining the von Mises stress power spectral density for frequency domain fatigue analysis including out-of-phase stress components. Journal of Sound and Vibration, 2007, vol. 302, pp. 379-386. doi.org/10.1016/j.jsv.2006.11.025 Scholar
32.Yuan-ZuoWang, Guo-QiangLi, Yan-BoWang, Yi- FanLyu. Simplified method to identify full von Mises stress-strain curve of structural metals. Journal of Constructional Steel Research, 2021, vol.181, p. 106624. doi.org/10.1016/j.jcsr.2021.106624 Scholar
33.Chemezov D.A., Tyurina S.I., Pavlukhina I.M., Gorbatenko O.V., Medvedeva I.A. Raschet napriazheniia po fon Mizesu pri plasticheskom deformirovanii stal'noi vtulki [Calculation of von Mises stress during plastic deformation of a steel bushing], Theoretical & applied science, 2018, no. 9 (65), pp. 201-203. doi.org/10.15863/TAS.2018.09.65.35 Scholar

1.Поиск новых технологических методов повышения прочности коленчатых валов двигателей / А.П. Бабичев, М.Е. Попов [и др.] // Вестник ДГТУ. – 2015. – № 1. – С. 49–54. Scholar
2.Одинцов Л.Г. Упрочнение и отделка деталей поверхностным пластическим деформированием. – М.: Машиностроение, 1987. – 328 с. Scholar
3.Повышение надежности технологических процессов обработки деталей динамическими методами поверхностного пластического деформирования / М.А. Тамаркин,Д.В. Казаков, А.С. Шведова, Р.В. Гребенкин // Упрочняющие технологии и покрытия. – 2015. – № 8(128). – С. 23–27. Scholar
4.Вирт А.Э. Влияние режимов обработки при ППД на шероховатость обработанной поверхности // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2014. – № 11-4. – С. 547–549. Scholar
5.Поверхностное пластическое деформирование как метод повышения качества деталей машин / Б.И. Бутаков, В.С. Шебанин, Д.Д. Марченко, А.В. Артюх // Труды Госнити. – 2011. – № 2. – С. 85–87. Scholar
6.Насонов А.И., Гилета В.П., Самуль А.Г. Микрогеометрия деталей из алюминиевых сплавов после ультразвукового поверхностно-пластического деформирования // Прогрессивные технологии и системы машиностроения. – 2021. – № 3(74). – С. 82–90. Scholar
7.Нго Као Кьонг. Исследование внеконтактных деформаций при локальном нагружении // Вестник науки и образования Северо-Запада России. – 2015. – Т. 1, № 3. – С. 6–13. Scholar
8.Зайдес С.А., Емельянов В.Н. Влияние поверхностного пластического деформирования на качество валов: моногр. – Иркутск: Изд-во ИРНИТУ, 2017. – 380 с. Scholar
9.Кокорева О.Г., Пехотов М.В. Управление параметрами качества поверхностного слоя при обработке статико-импульсным методом // Машиностроение и безопасность жизнедеятельности. – 2015. – № 1(23). – С. 73–77. Scholar
10.Определение шероховатости поверхностей деталей, обработанных дробеупрочнением / М.М. Матлин [и др.] // Вестник машиностроения. – 2013. – № 10. – С. 54–55. Scholar
11.Зайдес С.А., Нго К.К. Поверхностное деформирование в стесненных условиях: монография. – Иркутск: Изд-во ИРНИТУ, 2018. – 236 с. Scholar
12.Дрозд М.С., Матлин М.М., Сидякин Ю.И. Инженерные расчеты упругопластической контактной деформации. – М.: Машиностроение, 1986. – 221 с. Scholar
13.Аверина Т.А. Моделирование схем развития трещин в плитах и пологих оболочках на основе траекторий наибольших растягивающих напряжений // Системы управления и информационные технологии. – 2022. – № 2. – С. 4–8. Scholar
14.Хамидуллин Р.М., Федотова Д.В. Анализ полей напряжений в вершине трещины и параметры сопротивления разрушению в условиях градиентной пластичности // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. – 2021. – № 4. – С. 136–148. Scholar
15.Бойченко Н.В. Поля напряжений с учетом радиуса кривизны вершины трещины при нелинейном деформировании // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. – 2021. – № 4. – С. 29–40. Scholar
16.Смелянский В.М. Механика упрочнения деталей поверхностным пластическим деформированием. – М.: Машиностроение, 2002. – 299 с. Scholar
17.Технологические процессы поверхностного пластического деформирования / В.Ю. Блюменштейн, С.А. Зайдес, А.В. Киричек [и др.]; под ред. С.А. Зайдеса. – Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2007. – 404 с. Scholar
18.Зайдес С.А., Фам Ван Ань. Определение внеконтактной деформации материала при орбитальном воздействии индентора // Вестник машиностроения. – 2021. – № 7. – С. 81–86. Scholar
19.Пат. 2758713 Российская Федерация. Способ поверхностного пластического деформирования наружных поверхностей тел вращения / Зайдес С.А., Нгуен Хьу Хай; заявл. 14.01.21; опубл. 04.11.21, Бюл. № 31. Scholar
20.Рогожникова Е.Н., Аношкин А.Н., Бульбович Р.В. Расчет НДС и оценка прочности сегментированной цилиндрической оболочки из композиционных материалов с металическими вкладышами // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. – 2022. – № 1. – С. 102-114. Scholar
21.Preetham Marle Ramachandra, Sanjay Sutar, G.C. Mohan Kumara. Stress analysis of a gear using photoelastic method and Finite element method // Materials today: Proceedings. – 2022. – Vol. 65, no. 8. – P. 3820–3828. DOI: 10.1016/j.matpr.2022.06.579 Scholar
22.A review of artificial neural networks in the constitutive modeling of composite materials / Xin Liu, Su Tian, Fei Tao, Wenbin Yu // Composites Part B: Engineering. – 2022. – Vol. 224. – P. 109152. DOI: 10.1016/j.compositesb.2021.109152 Scholar
23.Басов К.А. ANSYS в примерах и задачах / под. общ. ред. Д.Г. Красковского. – М: Компьютер Пресс, 2002. – 224 с. Scholar
24.Semih Taskaya, AliKaya Gur, Cetin Ozay. Joining of Ramor 500 Steel with SAW (Submerged Arc Welding) and its Evaluation of Thermomechanical Analysis in ANSYS Package Software. // Thermal Science and Engineering Progress. – 2019. – Vol. 13. – P. 100396. DOI: 10.1016/j.tsep.2019.100396 Scholar
25.Федоренков Д.И., Косов Д.А. Реализации модели поврежденности Lemaitre с кинематическим упрочнением в конечно-элементном комплексе Ansys // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. – 2022. – № 2. – С. 147–157. Scholar
26.Prediction of machining deformation induced by turning residual stress in thin circular parts using ritz method / Kang Ju, Chunzheng Duan, Yuwen Sun, Jiahao Shi, Jinxing Kong, Abdolhamid Akbarzadeh // Journal of Materials Processing Technology. – 2022. – Vol. 307. – P. 117664. DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2022.117664 Scholar
27.A novel surface residual stress monitoring method based on the power consumption of machine tool: A case study in 5-axis machining / Zehua Wang, Sibao Wang, Shilong Wang, Ning Liu, Zengya Zhao, Yankai Wang // Journal of Manufacturing Processes. – 2023. – Vol. 86. – P. 221–236. Scholar
28.Зайдес С.А., Нго Као Кьонг. Новые технологические возможности отделочно-упрочняющей обработки поверхностным пластическим деформированием // Наукоемкие технологии в машиностроении. – 2017. – № 3. – С. 25–30. Scholar
29.Проскорякова Ю.А., Феденко А.А. Влияние различных методов обработки поверхностным пластическим деформированием на качество поверхностного слоя детали // Сборник научных трудов «Транспорт: Наука, Образование, Производство». – 2018. – С. 153–156. Scholar
30.Огений Я.Н., Лаврентьев А.М. Сравнение различных методов определения глубины упрочнения при обработке деталей поверхностным пластическим деформированием // Известия волгоградского государственного технического университета. – 2017. – № 9(204). – С. 50–54. Scholar
31.M.H.A. Bonte, A. de Boer, R. Liebregts. Determining the von Mises stress power spectral density for frequency domain fatigue analysis including out-of-phase stress components // Journal of Sound and Vibration. – 2007. – Vol. 302. – P. 379–386. DOI: 10.1016/j.jsv.2006.11.025 Scholar
32.Simplified method to identify full von Mises stress-strain curve of structural metals / Yuan-ZuoWang, Guo-QiangLi, Yan-BoWang, Yi-FanLyu // Journal of Constructional Steel Research. – 2021. – Vol. 181. – P. 106624. DOI: 10.1016/j.jcsr.2021.106624 Scholar
33.Расчет напряжения по фон Мизесу при пластическом деформировании стальной втулки / Д.А. Чемезов, С.И. Тюрина, И.М. Павлухина, О.В. Горбатенко, И.А. Медведева // Theoretical & applied science. – 2018. – № 9(65). – С. 201–203. DOI: 10.15863/TAS.2018.09.65.35 Scholar

Article information

Published: 3 July 2023
Issue date: 3 July 2023
Issue: No. 3 (2023)