ipolytechiPolytech JournaliPolytech Journal2782-40042782-6341Irkutsk National Research Technical University10.21285/1814-3520-2021-4-412-420ipolytech-500Research ArticleМАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕMACHINE BUILDING AND MACHINE SCIENCEВлияние остаточных напряжений на изгибную жесткость валов, упрочненных охватывающим деформированиемEffects of residual stresses on the bending stiffness of shafts strengthened by enveloping de-formationКлимоваЛ. Г.KlimovaL. G.

Климова Лариса Генриховна, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры инженерной и компьютерной графики

664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83

Larisa G. Klimova, Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor, Associate Professor of the Department of Engineering and Computer Graphics

83 Lermontov St., Irkutsk 664074

larisgoko@yandex.ruИркутский национальный исследовательский технический университетРоссияIrkutsk National Research Technical UniversityRussian Federation202131082021254412420Copyright © Климова Л.Г., 20212021Климова Л.Г.Klimova L.G.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ipolytech.elpub.ru/jour/article/view/500

Цель – исследовать влияние технологических остаточных напряжений на изгибную жесткость цилиндрических деталей типа валов и осей. Исследования проведены на удлиненных цилиндрических образцах (из стали марки 35 диаметром 30 мм) с использованием метода растачивания и обтачивания. Образцы отжигали в защитной среде для удаления начальных остаточных напряжений. Эксперименты выполнены на лабораторной гидравлической испытательной машине Amsler с использованием твердосплавных матриц марки ВК8. Эксперименты показали, что при сверхмалой степени относительного обжатия – от 0,1 до 0,5% – размер слоя с тангенциальными остаточными напряжениями сжатия постепенно уменьшается. Жесткость таких цилиндрических заготовок остается практически неизменна. При увеличении относительного обжатия (от 0,5 до 1,2%) происходит уменьшение остаточных напряжений сжатия на поверхности детали. Толщина слоя с тангенциальными остаточными напряжениями сжатия начинает увеличиваться. При этом остаточный прогиб становится меньше, изгибная жесткость увеличивается. Установлено, что степень относительного обжатия не влияет на изменение глубины распределения осевых остаточных напряжений. Оптимального распределения тангенциальных остаточных напряжений сжатия можно достичь за счет увеличения их глубины. Установлена линейная закономерность при степенях относительного обжатия от 0,1 до 1,0%. Самое большое сопротивление изгибу зафиксировано у упрочненных относительным обжатием образцов с близкими к 1,0% величинами. Обработав заготовки охватывающим деформированием с обжатием 1,0% и нагрузив их поперечной силой 0,6 кН, можно добиться уменьшения искажения при изгибе и увеличить прочность деталей в 5 раз. Установлено, что на изгибную жесткость цилиндрических валов большое влияние оказывают остаточные напряжения сжатия. Глубина залегания остаточных напряжений оказывает различное влияние на жесткость цилиндрических деталей. Таким образом, правильно воспользовавшись упрочняющим охватывающим деформированием, можно сформировать качественный поверхностный слой деталей с заранее заданным распределением остаточных напряжений.

The aim was to study the effects of technological residual stresses on the bending stiffness of cylindrical parts of shafts and axes. Experiments were conducted for elongated cylindrical specimens made of steel grade 35 with a diameter of 30 mm using boring and turning methods. Specimens were annealed in a protective medium to remove initial residual stresses. Experiments were carried out using an Amsler laboratory hydraulic testing machine and VK8 grade hard-alloy matrices. The experiments showed that, for an extremely low degree of relative crimping of 0.1 to 0.5%, the size of the layer with tangential residual compression stresses gradually decreases. The stiffness of such cylindrical workpieces remains almost unchanged. An increase in relative crimping (from 0.5 to 1.2%) leads to a decrease in resi dual compression stresses on the part surface. The layer thickness with tangential residual compression stresses starts to increase. This leads to a decreased residual buckling and an increased bending stiffness. It was found that the degree of relative crimping has no effect on the variation of distribution depth of axial residual stresses. Optimal distribution of tangential residual compression stresses can be reached by increasing their depth. A linear relationship was found for relative crimping of 0.1 to 1.0%. The highest bending resistance was recorded for specimens strengthened by residual crimping of about 1.0%. By processing workpieces using enveloping deformation with crimping of 0.1% and loading them with a transverse force of 0.6 kN, bending distortion can be decreased and the strength of parts can be increased by 5 times. It was found that the bending stiffness of cylindrical shafts is greatly affected by residual compression stresses. The bedding depth of residual stresses has various effects on the stiffness of cylindrical parts. Thus, correct use of strengthening enveloping deformation can form a high-quality surface layer on parts with the pre-defined distribution of residual stresses.

степень обжатияостаточные напряженияохватывающее деформированиецилиндрический образецизгибная жесткостьповерхностный слойcompression degreeresidual stressesenveloping deformationcylindrical samplebending stiffnesssurface layerReferencesŚwić A., Zubrzycki J., Gola A. Modelling Characteristics Turning Processing for Want of Management by an Elastic Deformed Condition // Applied Mechanics and Materials. 2016. Vol. 844. Р. 109–114. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMM.844.109Świć A, Zubrzycki J, Gola A. Modelling characteristics turning processing for want of management by an elastic deformed condition. Applied Mechanics and Materials. 2016;844:109–114. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMM.844.109Świć A., Taranenko V., Wolos D. New method for machining of low-rigidity shafts // Advances in Manufacturing Science and Technology. 2010. Vol. 34. No. 1. P. 59–71.Świć A, Taranenko V, Wolos D. New method for machining of low-rigidity shafts. Advances in Manufacturing Science and Technology. 2010;34(1):59–71.Зайдес С.А. Охватывающее поверхностное пластическое деформирование. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2001. 309 с.Zaides SA. Enveloping surface plastic deformation. Irkutsk: Irkutsk State Technical University; 2001, 309 p. (In Russ.)Закс Г. Практическое металловедение. М.: ОНТИ НКТП, 1938. 244 с.Zaks G. Practical science of metals. Moscow: Ob’edinennoe nauchno-tehnicheskoe izdatel'stvo Narodnogo komissariata tyazheloj promyshlennosti; 1938, 244 p. (In Russ.)Зайдес С.А., Нгуен Ван Хуан. Повышение жесткости длинномерных валов охватывающим пластическим деформированием // Упрочняющие технологии и покрытия. 2016. № 2. C. 10–15.Zaydes SA, Nguyen Van Huan. Increase stiffness of long transmission lineshaft by embracing plastic deformation. Uprochnyayushchie tekhnologii i pokrytiya = Strengthening Technologies and Coatings. 2016;2:10–15. (In Russ.)Remy L. Thermal and thermal-mechanical fatigue of superalloys // Low Cycle Fatigue and Elasto-Plastic Behavior of Materials / ed. D.P. Portella, K.-T. Rie. Oxford: Elsevier, 1998. Р. 119–130.Remy L. Thermal and thermal-mechanical fatigue of superalloys. In: Portella DP, Rie K-T (eds.) Low Cycle Fatigue and Elasto-Plastic Behavior of Materials. Oxford: Elsevier; 1998, р. 119–130.Riedel H. Fracture at high temperatures. materials research and engineering. Berlin: Springer – Verlag Berlin Heidelberg, 1987. 431 p. https://doi.org/10.1002/crat.2170230609Riedel H. Fracture at High Temperatures. Materials Research and Engineering. Berlin: Springer – Verlag Berlin Heidelberg; 1987, 431 p. https://doi.org/10.1002/crat.2170230609Benito J.A., Manero J.M., Peiro J.J., Roca A. Change of Young’s modulus of cold-deformed pure iron in a tensile test // Metallurgical and Materials Transactions А. 2005. Vol. 36. Iss. 12. P. 3317–3324. https://doi.org/10.1007/s11661-005-0006-6Benito JA, Manero JM, Peiro JJ, Roca A. Change of Young’s modulus of cold-deformed pure iron in a tensile test. Metallurgical and Materials Transactions А. 2005;36(12):3317–3324. https://doi.org/10.1007/s11661-005-0006-6Нгуен Ван Хуан, Зайдес С.А., Фам Дак Фыонг. Моделирование изгибной жесткости валов в зависимости от остаточных напряжений // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2015. № 6. С. 15–19.Nguyen Van Huan, Zaydes SA, Pham Dac Phuong. Modeling shaft bending stiffness depending on residual stresses. Vestnik Irkutskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta = Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2015;6:15–19. (In Russ.)Зайдес С.А., Рудых Н.В. Определение напряженного состояния поверхностно-упрочненного слоя // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2011. № 12. С. 35–38.Zaides SA, Rudyh NV. Determination of the stress state of the surface-hardened layer. Vestnik Irkutskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta = Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2011;12:35–38. (In Russ.)Seth P.P., Das A., Bar N.H., Sivaprasad S., Basu A., Dutta K. Evolution of dislocation density during tensile deformation of BH220 steel at different pre-strain conditions // Journal of Materials Engineering and Performance. 2015. Vol. 24. Iss. 7. P. 2779–2783.Seth PP, Das A, Bar NH, Sivaprasad S, Basu A, Dutta K. Evolution of Dislocation Density During Tensile Deformation of BH220 Steel at Different Pre-strain Conditions. Journal of Materials Engineering and Performance. 2015;24(7):2779–2783. https://doi.org/10.1007/s11665-015-1554-6https://doi.org/10.1007/s11665-015-1554-6Belyaev VN, Ivanov VP, Ingemansson AR, Isaev AN, Kirichek AV, Krajnev D, et al. Effective technologies of surface plastic deformation and combined processing. Moscow: OOO “Spektr”; 2014, 403 р. (In Russ.)Беляев В.Н., Иванов В.П., Ингеманссон А.Р., Исаев А.Н., Киричек А.В., Крайнев Д. [и др.]. Эффективные технологии поверхностного пластического деформирования и комбинированной обработки: монография. М.: ООО «Спектр», 2014. 403 с.Zaydes SA, Nguyen Van Huan. Technological possibilities of increasing bending stiffness of shaft and axle type parts. Kuznechno-shtampovochnoe proizvodstvo. Obrabotka metallov davleniem. 2016;7:25–31. (In Russ.)Зайдес С.А., Нгуен Ван Хуан. Технологические возможности повышения изгибной жесткости деталей типа валов и осей // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. 2016. № 7. С. 25–31.Zaydes SA, Fam DF, Ngo KK. New processes of surface plastic deformation. Irkutsk: Irkutsk National Research Technical University; 2019, 352 р. (In Russ.)Зайдес С.А., Фам Д.Ф., Нго К.К. Новые процессы поверхностного пластического деформирования. Иркутск: Изд-во ИРНИТУ, 2019. 352 с.Glikman LA, Babaev AN, Levin VM. On rational use of the Hein and Bauer method for determining residual stresses in cylinders. Zavodskaya laboratoriya. Diagnostika materialov = Industrial laboratory. Diagnostics of materials. 1976;5:94–103. (In Russ.)Гликман Л.А., Бабаев А.Н., Левин В.М. О рациональном использовании способа Гейна и Бауэра для определения остаточных напряжений в цилиндрах // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 1976. № 5. С. 94–103.Mahalov MS. The surface layer residual stresses tensor prediction models after hardening by surface layer plastic deformation methods. Obrabotka metallov = Metal Working and Material Science. 2012;3:110–115. (In Russ.)Махалов М.С. Расчетные модели остаточных напряжений поверхностного слоя после упрочнения способами поверхностного пластического деформирования // Обработка металлов. 2012. № 3. С. 110–115.Worsing A, Heffner D. Methods for processing experimental data, 1953, 347 р. (Russ. ed.: Metody obrabotki eksperimental'nyh dannyh. Moscow, Foreign Literature Publishers, 1953, 347 р.)Уорсинг А., Геффнер Д. Методы обработки экспериментальных данных / пер. с англ. Л.А. Шохат; ред. А.С. Монин. М.: Изд-во иностранной литературы, 1953. 347 с.Zaides SA, Nguyen Van Huan. Influence of relative compression degree on bending stiffness of long-length shafts. Tekhnologiya metallov = Technology of Metals. 2017;2:3–8. (In Russ.)Зайдес С.А., Нгуен Ван Хуан. Влияние степени относительного обжатия на изгибную жесткость длинномерных валов // Технология металлов. 2017. № 2. С. 3–8.Zaides SA, Nguyen KhV. Influence of surface plastic deformation on the flexural rigidity of shafts. Russian Engineering Research. 2016;36(12):1008–1011. https://doi.org/10.3103/S1068798X16120182Zaides S.A., Nguyen Kh.V. Influence of surface plastic deformation on the flexural rigidity of shafts // Russian Engineering Research. 2016. Vol. 36. No. 12. P. 1008– 1011. https://doi.org/10.3103/S1068798X16120182Zaides SA, Nguyen HV. Improving the flexural rigidity of cold-finished steel. Steel in Translation. 2016;46:505– 509. https://doi.org/10.3103/S0967091216070160Zaides S.A., Nguyen H.V. Improving the flexural rigidity of cold-finished steel // Steel in Translation. 2016. No. 46. P. 505–509. https://doi.org/10.3103/S0967091216070160Klimova LG. Technological opportunities to reduce and contort low-rigid shafts. Vestnik Irkutskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta = Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2011;11(58):33–37. (In Russ.)Климова Л.Г. Технологические возможности снижения искривления маложестких валов // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2011. № 11. С. 33–37.Климова Л.Г. Технологические возможности снижения искривления маложестких валов // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2011. № 11. С. 33–37.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.