ISSN 1995-2732 (Print), 2412-9003 (Online)
УДК 621.787.4
DOI: 10.18503/1995-2732-2026-24-1-48-59
Аннотация
Актуальность работы. Упрочнение нежёстких цилиндрических элементов (валов и осей) представляет собой сложную технологическую задачу, требующую обеспечения стабильных механических свойств по всей длине при строгом сохранении диаметральных размеров, поскольку чрезмерное радиальное воздействие вызывает изгиб заготовки. Эффективное решение этой проблемы, предложенное в ИРНИТУ, заключается в использовании нового метода поверхностного пластического деформирования (ППД) геликоидным инструментом – тороидальным роликом с винтовым профилем, который позволяет повысить уровень напряжённого состояния в зоне деформации без увеличения радиального натяга. Цель работы. На основе конечно-элементного анализа определить оптимальные режимы ППД с использованием геликоидного ролика, обеспечивающие максимальное напряжённое состояние в зоне контакта, высокие остаточные сжимающие напряжения и значительную глубину наклёпа упрочняемого материала. Методика. С применением программных комплексов для 3D-моделирования (SolidWorks v21) и численного расчёта (Ansys Workbench 19.2) были проведены вычисления, позволившие установить зависимости временных и остаточных напряжений, а также глубины пластической деформации от ключевых параметров процесса геликоидного упрочнения. Результаты исследования. На основе анализа результатов конечно-элементного моделирования установлены рациональные режимы геликоидного ППД (t =0,1 мм, s=0,1 мм/об, nин = nзаг = 100 об/мин), обеспечивающие формирование максимально возможного напряженно-деформированного состояния упрочнённых деталей. Практическая значимость. Полученные результаты моделирования показывают, что использование геликоидного инструмента при ППД позволяет существенно повысить уровень напряжённого состояния в зоне деформации. Это обеспечивает более глубокое упрочнение материала и улучшение эксплуатационных свойств поверхностного слоя.
Ключевые слова
геликоидный инструмент, временное напряжение, остаточное напряжение, компьютерное моделирование, поверхностное пластическое деформирование, глубина пластической деформации
Для цитирования
Зайдес С.А., Ву Куанг Хай. Оценка влияния параметров геликоидного упрочнения на распределение напряжений и деформаций в цилиндрических деталях // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2026. Т. 24. №1. С. 48-59. https://doi.org/10.18503/1995-2732-2026-24-1-48-59
1. Кокорева О.Г. Оценка напряжённого состояния при упрочнении поверхностно-пластической деформацией // Журнал передовых исследований в области естествознания. 2021. № 12. С. 4-6. DOI: 10.26160/2572-4347-2021-12-4-6.
2. A review on plastic deformation induced surface/interface roughening of sheet metallic materials / Ning Nie., Lihong Su., Guanyu Deng., Huijun Li., Hailiang Yu., Anh Kiet Tieu // Journal of Materials Research and Technology. 2021, vol. 15, pp. 6574-6607. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2021.11.087.
3. Modeling of strengthening mechanisms of surface layers in burnishing process / R. Teimouri, M. Grabowski, R. Bogucki, Ł. Ślusarczyk, S. Skoczypiec // Materials & Design. 2022, vol. 223, 111114. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2022.111114
4. Зайдес С.А., Ву Куанг Хай. Влияние пространственной ориентации тороидального ролика на напряженно-деформированное состояние цилиндрической заготовки // Упрочняющие технологии и покрытия. 2024. Т. 20. № 11(239). С. 489-495.
5. A Review on Ball, Roller, Low Plasticity Burnishing Process / Priyadarsini Ch., Venkata Ramana V.S.N., Aruna Prabha K., Swetha S. // Materials Today: Proceedings. 2019, vol. 18, part 7, pp. 5087–5099. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2019.07.505
6. Effect of Roller Burnishing and Slide Roller Burnishing on Surface Integrity of AISI 316 Steel: Theoretical and Experimental Comparative Analysis / Maximov J., Duncheva G., Anchev A., Dunchev V., Anastasov K., Daskalova P. // Machines. 2024, vol. 12, 51. https://doi.org/10.3390/machines12010051
7. Deep Rolling Techniques: A Comprehensive Review of Process Parameters and Impacts on the Material Properties of Commercial Steels / Noronha D.J., Sharma S., Prabhu Parkala R., Shankar G., Kumar N., Doddapaneni S. // Metals. 2024, vol. 14, 667. https://doi.org/10.3390/met14060667
8. Исследование отделочно-упрочняющей обработки методом обкатывания с программным управлением с помощью тороидального ролика / И.О. Зенин, П.Д. Акулиничев, М.А. Альбов и др.// Технология металлов. 2024. № 4. С. 29-37.
9. Mehrzad Boozarpoor, Reza Teimouri. Parametric study of multi-roller rotary burnishing process // International Journal of Lightweight Materials and Manufacture. 2021, vol. 4, issue 2, pp. 179-194. https://doi.org/10.1016/j.ijlmm.2020.10.001
10. Varga G., Viktoria Ferencsik. Investigation of the Effect of Surface Burnishing on Stress Condition and Hardening Phenomena // Tehnički vjesnik. 2022, vol. 29, no. 4, pp. 1247-1253. https://doi.org/10.17559/TV-20211110171854
11. Зайдес С.А., Нгуен Хыу Хай. Процессы поверхностного пластического деформирования: монография. Иркутск: Изд-во ИРНИТУ, 2025. 405 с.
12. Зайдес С. А., Хо М.К. Исследование напряженно-деформированного состояния деталей, упрочнённых пластическим деформированием при циклическом нагружении // Вестник машиностроения. 2022. № 8. С. 28-35.
13. Пат. 2824641 C1 Российская Федерация, МПК B24B 39/04. Способ поверхностного пластического деформирования наружных поверхностей тел вращения/ С. А. Зайдес, К. Х. Ву; заявитель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Иркутский национальный исследовательский технический университет». № 2024106784 ; заявл. 15.03.2024 ; опубл. 12.08.2024.
14. Yadav P.S., Ghatge D.A. Analysis of Optimized Roller Burnishing Parameters Using ANSYS // Advanced Manufacturing and Materials Science. 2018. https://doi.org/10.1007/978-3-319-76276-0_6
15. Finite Element Analysis of Bearing Structure Based on ANSYS Workbench // Modeling and Simulation. 2023, vol. 12, no. 06, pp. 5737-5750. DOI: 10.12677/mos.2023.126521.
16. Li J, Xu Y, Liu Y. Influence of Initial Yield Strength Weighting on Residual Stresses in Quenched Cylinders Using Finite Element Analysis // Materials. 2024, vol. 17, no. 23, 5833. https://doi.org/10.3390/ma17235833
17. A Concept of Thermal Effort for Heat-Induced Metal Plasticity / Dudda W., Ziółkowski P.J., Ziółkowski P., Bryk M., & Badur J. // Materials. 2024, vol. 17, no. 19, 4824. https://doi.org/10.3390/ma17194824
18. Зайдес С.А., Хо М.К. Маятниковое поверхностное пластическое деформирование цилиндрических заготовок // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 2022. Т. 65, № 5. С. 344-353.
19. Rotella G, Caruso S, Del Prete A, Filice L. Prediction of Surface Integrity Parameters in Roller Burnishing of Ti6Al4V // Metals. 2020, vol. 10, no. (12), 1671. https://doi.org/10.3390/met10121671
20. Особенности формирования глубины упрочнения при обработке деталей поверхностным пластическим деформированием/ Отений Я.Н., Привалов Н.И., Щеголев Н.Г и др. // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2016. № 12-3. С. 452-455.
21. Отений Я.Н. Влияние параметров деформирующих роликов на геометрию контакта и глубину упрочнения при обработке ППД валов и отверстий // Упрочняющие технологии и покрытия. 2006. № 4(16). С. 8-10.