ipolytechiPolytech JournaliPolytech Journal2782-40042782-6341Irkutsk National Research Technical University10.21285/1814-3520-2022-1-24-34ipolytech-573Research ArticleМАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕMACHINE BUILDING AND MACHINE SCIENCEКинематические характеристики процесса ультразвуковой поверхностной обработкиKinematic characteristics of ultrasonic surface treatmenthttps://orcid.org/0000-0001-6021-7154СамульА. Г.SamulA. G.

Самуль Артём Геннадьевич - ассистент кафедры технологии машиностроения.

630073, Новосибирск, пр-т. К. Маркса, 20

Artyom G. Samul - Assistant Professor of the Department of Mechanical Engineering Technology.

20, K. Marx pr., Novosibirsk 630073

samul.2012@corp.nstu.ruНовосибирский государственный технический университетРоссияNovosibirsk State Technical UniversityRussian Federation2022040420222612434Copyright © Самуль А.Г., 20222022Самуль А.Г.Samul A.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/573

Цель – исследование кинематических характеристик процесса ультразвукового поверхностнопластического деформирования с направлением ввода колебаний по касательной к обрабатываемой поверхности для прогнозирования возможности его применения на деталях из металлов и сплавов различной твердости. Описание кинематических параметров (траектория, скорость, ускорение) процесса ультразвукового поверхностно-пластического деформирования рассматривалось в прямоугольной системе координат. Получены аналитические зависимости, определяющие длину траектории, величины результирующей скорости и ускорения как функции от составляющих видов движений (вращательного, поступательного, колебательного). На основании полученных уравнений и их графических решений установлено, что при ультразвуковом поверхностно-пластическом деформировании перемещение индентора осуществляется по сложной траектории с переменной по величине скоростью и ускорением. Показано, что сообщение ультразвуковых колебаний индентору обусловливает сложный характер его движения, существенно отличающийся от метода алмазного выглаживания. При этом наблюдается изменение параметров процесса (скорости и ускорения) по циклическому (синусоидальному) закону, периодичность которого зависит от частоты ультразвуковых колебаний, что должно сказаться на итоговом состоянии обработанной поверхности. Анализ полученных результатов позволил установить, что смена направления ввода ультразвуковых колебаний (с нормального на касательное) дает возможность изменить условие контактирования с циклического на постоянное, что оказывает влияние на значение деформирующего усилия, возникающего в процессе обработки. Выявлено, что угол ввода колебаний относительно вектора главной скорости является технологическим параметром, существенно влияющим на кинематические характеристики. Проведенные исследования позволили сделать предположение о возможности применения ультразвукового поверхностнопластического деформирования по касательной схеме для деталей, выполненных из металлов и сплавов различной твердости.

We investigate the kinematic characteristics of ultrasonic surface-plastic deformation when the oscillations are introduced in the direction tangential to the treated surface in order to assess the potential of this method for treating parts made of metals and alloys of various hardness. The kinematic parameters (trajectory, velocity, acceleration) of ultrasonic surface-plastic deformation were calculated in a rectangular coordinate system. Analytical dependencies were obtained for the trajectory length, resulting velocity, and acceleration as functions of the constituent types of motion (rotational, translational, oscillatory). The obtained equations and their graphical solutions allowed us to establish that, under ultrasonic surface-plastic deformation, the indenter moves along a complex trajectory with a variable velocity and acceleration. It is shown that the translation of ultrasonic oscillations to the indenter determines the complex nature of its movement, which differs significantly from that in the diamond burnishing method. In this case, the process parameters (velocity and acceleration) change according to a cyclic (sinusoidal) law, the periodicity of which depends on the frequency of ultrasonic oscillations and determines the final state of the treated surface. According the obtained results, the change in the input direction of ultrasonic oscillations (from normal to tangential) ensures the possibility of changing the contact condition from cyclic to constant, thereby affecting the deforming force during processing. It was found that the angle of oscillation input relative to the main velocity vector is a technological parameter significantly affecting the kinematic characteristics. An assumption is made about the possibility of using the tangential pattern of ultrasonic surfaceplastic deformation for parts made of metals and alloys of various hardness.

ультразвуковая обработкаколебаниякинематика процессаповерхностное пластическое деформированиетраектория движения инструментапараметры обработкиultrasonic surface machiningvibrationsprocess kinematicssurface plastic deformationtoolpathprocessing parametersисследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 20-31-90059the study was funded by the Russian Foundation for Basic Research within the framework of the research project no. 20-31-90059ReferencesЛещинский В. М., Рябичева Л. А., Механические свойства деформированной инструментальной стали // Вестник машиностроения. 1993. № 3. С. 88–94.Leshchinskij V. M., Ryabicheva L. A. Mechanical properties of deformed tool steel. Vestnik mashinostroeniya = Russian Engineering Research. 1993;3:88-94. (In Russ.).Муханов И. И. Ультразвуковая упрочняющечистовая обработка стали и чугуна // Вестник машиностроения. 1968. № 6. С. 51–54.Mukhanov I. I. Ultrasonic hardening and finishing treatment of steel and cast iron. Vestnik mashinostroeniya = Russian Engineering Research. 1968;6:51-54. (In Russ.).Хлыбов А. А., Кувшинов М. О. Исследование влияния ультразвуковой обработки на структуру и свойства поверхностного слоя конструкционной стали 30ХГСА // Технология металлов. 2021. № 1. С. 12–16. https://doi.org/10.31044/1684-2499-2021-0-1-12-16.Khlybov A. A., Kuvshinov M. O. Investigation of effect of ultrasonic treatment on structure and properties of surface layer of structural steel 30ХГСА. Tekhnologiya metallov = Russian Metallurgy (Metally). 2021;1:12-16. (In Russ.). https://doi.org/10.31044/1684-2499-2021-0-1-12-16.Хлыбов А. А., Кувшинов М. О. Исследование структуры поверхностного слоя стали 03Н18К9М5Т после ультразвуковой обработки // Физическая мезомеханика. 2019. Т. 22. № 6. С. 100–106. https://doi.org/10.24411/1683-805X-2019-16009.Khlybov A. A., Kuvshinov M. O. Structural study of the surface layer of steel 03NI18CO9MO5TI after ultrasonic treatment. Fizicheskaya mezomekhanika = Physical Mesomechanics. 2019;22(6):100-106. (In Russ.). https://doi.org/10.24411/1683-805X-2019-16009.Rakhimyanov K. M., Semenova I. S. Surface state control by ultrasonic plastic deformation at the final machining stage // Materials and Manufacturing Processes. 2016. Vol. 31. Iss. 6. P. 764–769. https://doi.org/10.1080/10426914.2015.1058948.Rakhimyanov K. M., Semenova I. S. Surface state control by ultrasonic plastic deformation at the final machining stage. Materials and Manufacturing Processes. 2016;31(6):764-769. https://doi.org/10.1080/10426914.2015.1058948.Семенова Ю. С., Самуль А. Г., Мажуга С. В. Применение ультразвукового поверхностного пластического деформирования при модификации поверхностного слоя // Упрочняющие технологии и покрытия. 2020. Т. 16. № 5. С. 200–204.Semenova Yu. S., Samul’ A. G., Mazhuga S. V. Use of ultrasonic surface hardening in modification of surface layer. Uprochnyayushchie tekhnologii i pokrytiya = Strengthening Technologies and coatings. 2020;16(5):200-204. (In Russ.).Li Meiyan, Zhang Qi, Han Bin, Song Lixin, Li Jianlong, Yang Jie. Investigation on microstructure and properties of AlxCoCrFeMnNi high entropy alloys by ultrasonic impact treatment // Journal of Alloys and Compounds. 2020. Vol. 816. Р. 152626. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.152626.Li Meiyan, Zhang Qi, Han Bin, Song Lixin, Li Jianlong, Yang Jie. Investigation on microstructure and properties of AlxCoCrFeMnNi high entropy alloys by ultrasonic impact treatment. Journal of Alloys and Compounds. 2020;816:152626. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.152626.Kumar S., Wu C. S., Padhy G. K., Ding W. Application of ultrasonic vibrations in welding and metal processing: a status review // Journal of Manufacturing Processes. 2017. Vol. 26. P. 295–322. https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2017.02.027.Kumar S., Wu C. S., Padhy G. K., Ding W. Application of ultrasonic vibrations in welding and metal processing: a status review. Journal of Manufacturing Processes. 2017;26:295-322. https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2017.02.027.Zhou Changping, Jiang Fengchun, Xu De, Guo Chunhuan, Zhao Chengzhi, Wang Zhenqiang, et al. A calculation model to predict the impact stress field and depth of plastic deformation zone of additive manufactured parts in the process of ultrasonic impact treatment // Journal of Materials Processing Technology. 2020. Vol. 280. Р. 116599. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2020.116599.Zhou Changping, Jiang Fengchun, Xu De, Guo Chunhuan, Zhao Chengzhi, Wang Zhenqiang, et al. A calculation model to predict the impact stress field and depth of plastic deformation zone of additive manufactured parts in the process of ultrasonic impact treatment. Journal of Materials Processing Technology. 2020;280:116599. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2020.116599.Gujba A. K., Ren Zhencheng, Dong Yalin, Ye Chang, Medraj Mamoun. Effect of ultrasonic nanocrystalline surface modification on the water droplet erosion performance of Ti–6Al–4V // Surface and Coatings Technology. 2016. Vol. 307. Part A. P. 157–170. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2016.08.054.Gujba A. K., Ren Zhencheng, Dong Yalin, Ye Chang, Medraj Mamoun. Effect of ultrasonic nanocrystalline surface modification on the water droplet erosion performance of Ti–6Al–4V. Surface and Coatings Technology. 2016;307(A):157-170. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2016.08.054.Zhao Jingyi, Dong Yalin, Ye Chang. Optimization of residual stresses generated by ultrasonic nanocrystalline surface modification through analytical modeling and data-driven prediction // International Journal of Mechanical Sciences. 2021. Vol. 197. P. 106307. https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2021.106307.Zhao Jingyi, Dong Yalin, Ye Chang. Optimization of residual stresses generated by ultrasonic nanocrystalline surface modification through analytical modeling and datadriven prediction. International Journal of Mechanical Sciences. 2021;197:106307. https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2021.106307.Kim Min-seob, Oh Wook-jin, Baek Gyeong-yoon, Jo Yeong-kwan, Lee Ki-yong, Park Sang-hu, et al. Ultrasonic nanocrystal surface modification of high-speed tool steel (AISI M4) layered via direct energy deposition // Journal of Materials Processing Technology. 2020. Vol. 277. Р. 116420. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2019.116420.Kim Min-seob, Oh Wook-jin, Baek Gyeong-yoon, Jo Yeong-kwan, Lee Ki-yong, Park Sang-hu, et al. Ultrasonic nanocrystal sur-face modification of high-speed tool steel (AISI M4) layered via direct energy deposition. Journal of Materials Processing Technology. 2020;277:116420. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2019.116420.Zhao Weidong, Liu Daoxin, Chiang Richard, Qin Haifeng, Zhang Xiao Hua, Zhang Hao, et al. Effects of ultrasonic nanocrystal surface modification on the surface integrity, microstructure, and wear resistance of 300M martensitic ultra-high strength steel // Journal of Materials Processing Technology. 2020. Vol. 285. Р. 116767. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2020.116767.Zhao Weidong, Liu Daoxin, Chiang Richard, Qin Haifeng, Zhang Xiao Hua, Zhang Hao, et al. Effects of ultrasonic nanocrystal surface modification on the surface integrity, microstructure, and wear resistance of 300M martensitic ultra-high strength steel. Journal of Materials Processing Technology. 2020;285:116767. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2020.116767.Пегашкин В. Ф., Осипенкова Г. А. Выглаживание поверхности отверстий с использованием УЗ крутильных колебаний // Научно-технический вестник Поволжья. 2019. № 4. С. 69–72.Pegashkin V. F., Osipenkova G. A. Surface drilling using ultrasonic torsional vibrations. Nauchnotekhnicheskij vestnik Povolzh'ya = Scientific and Technical Volga region Bulletin. 2019;4:69-72. (In Russ.).Пегашкин В. Ф., Осипенкова Г. А., Кузнецов М. С. Модификации поверхности деталей из сплавов цветных металлов // Научно-технический вестник Поволжья. 2019. № 7. С. 51–53.Pegashkin V. F., Osipenkova G. A., Kuznetsov M. S. Surface modification of non-ferrous metal alloy parts. Nauchno-tekhnicheskij vestnik Povolzh'ya = Scientific and Technical Volga region Bulletin. 2019;7:51-53. (In Russ.).Киселев Е. С., Степчева З. В. Эффективность касательно-осевых наложений ультразвуковых колебаний в процессе алмазного выглаживания стальных заготовок // Упрочняющие технологии и покрытия. 2007. № 7(31). С. 34–38.Kiselev E. S, Stepcheva Z. V. The efficiency of using the tangent-axial direction of ultrasonic fluctuations in process diamond burnishing. Uprochnyayushchie tekhnologii i pokrytiya = Strengthening Technologies and coatings. 2007;7(31):34-38. (In Russ.).Rakhimyanov K., Gileta V., Samul A. Kinematics of ultrasonic processing // Materials Science and Engineering: IOP Conference Series. 2020. Vol. 971. No. 2. Р. 022054. https://doi.org/10.1088/1757-899X/971/2/022054.Rakhimyanov K., Gileta V., Samul A. Kinematics of ultrasonic processing. Materials Science and Engineering: IOP Conference Series. 2020;971(2):022054. https://doi.org/10.1088/1757-899X/971/2/022054.Rakhimyanov K., Gileta V., Samul A. Ultrasonic surface hardening of low carbon steels and non-ferrous alloys // Innovations in Mechanical Engineering: X International Scientific and Practical MATEC Web Conference. 2019. Vol. 297. Р. 05005. https://doi.org/10.1051/matecconf/201929705005.Rakhimyanov K., Gileta V., Samul A. Ultrasonic surface hardening of low carbon steels and non-ferrous alloys. In: Innovations in Mechanical Engineering: X International Scientific and Practical MATEC Web Conference. 2019;297:05005. https://doi.org/10.1051/matecconf/201929705005.Рахимянов Х. М., Гилета В. П., Самуль А. Г. Обеспечение микрогеометрического состояния поверхности деталей, выполненных из пластичных материалов, ультразвуковой обработкой // Упрочняющие технологии и покрытия. 2020. Т. 16. № 6. С. 256–259.Rakhimyanov Kh. M, Gileta V. P., Samul A. G. Assurance of microgeometric state of parts surface made of plastic materials by ultrasonic machining. Uprochnyayushchie tekhnologii i pokrytiya = Strengthening Technologies and coatings. 2020;16(6):256-259. (In Russ.).Одинцов Л. Г. Финишная обработка деталей алмазным выглаживанием. М.: Изд-во «Машиностроение», 1981. 160 с.Odintsov L. G. Finishing machining of parts with diamond burnishing. Moscow: Mashinostroenie; 1981, 160 р. (In Russ.).

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