References

ipolytech

iPolytech Journal

2782-40042782-6341

Irkutsk National Research Technical University

10.21285/1814-3520-2024-2-202-213

QAHLRO

ipolytech-820

Research Article

МАШИНОСТРОЕНИЕ

MECHANICAL ENGINEERING

Моделирование процесса формирования остаточных напряжений при выполнении технологической последовательности «дробеударная обработка – зачистка лепестковым кругом»

Simulating residual stresses formed in the technological sequence of shot-impact treatment–flap-wheel trimming

https://orcid.org/0000-0002-0680-9009

Ле

Чи Винь

Tri Vinh

Ле Чи Винь, к.т.н., доцент кафедры технологий и оборудования машиностроительных производств

664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83

Tri Vinh Le, Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor of the Department of Technology and Equipment for Machine-Building Production

83 Lermontov St., Irkutsk 664074

vinh_istu@mail.ru

https://orcid.org/0000-0002-6924-9504

Кольцов

В. П.

Koltsov

V. P.

Кольцов Владимир Петрович, д.т.н., профессор, профессор кафедры технологий и оборудования машиностроительных производств

664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83

Vladimir P. Koltsov, Dr. Sci. (Eng.), Professor, Professor of the Department of Technology and Equipment for Machine-Building Production

83 Lermontov St., Irkutsk 664074

kolcov@ex.istu.edu

https://orcid.org/0000-0001-9953-1888

Стародубцева

Д. А.

Starodubtseva

D. A.

Стародубцева Дарья Александровна, к.т.н., доцент кафедры технологий и оборудования машиностроительных производств

664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83

Daria A. Starodubtseva, Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor of the Department of Technology and Equipment for Machine-Building Production

83 Lermontov St., Irkutsk 664074

starodybseva@ex.istu.edu

Иркутский национальный исследовательский технический университетРоссияIrkutsk National Research Technical UniversityRussian Federation

2024

04072024

282202213

2024

Ле Ч., Кольцов В.П., Стародубцева Д.А.

Le T., Koltsov V.P., Starodubtseva D.A.

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/820

Цель – исследование напряженно-деформированного состояния поверхностного слоя детали из алюминиевого сплава ВТ95 при дробеударной обработке и последовательности операций «дробеударная обработка – зачистка лепестковым кругом». Объектами исследования являются крупногабаритные детали типа панелей и обшивок сложной формы, применяемые в самолето-, ракето- и судостроении. При разработке методики определения остаточных напряжений использовалось компьютерное моделирование в программном комплексе Ansys Workbench 19.0. В результате моделирования изучаемых процессов обработки получено наглядное представление характера формирования остаточных напряжений, физические значения и графики распределения последних. Установлено, что характер распределения остаточных напряжений после выполнения двух видов обработки схож. Максимальное значение остаточных напряжений, полученных в результате выполнения дробеударной обработки поверхности детали дробью диаметром 3,0 мм при скорости удара дроби 25 м/с, достигает порядка 600 МПа при глубине залегания 1,0 мм. После дробеударной обработки выполняется зачистка лепестковым кругом, в конечно-элементном моделировании, представленном в виде набора абразивных зерен со скоростью 18,316 м/с. Показано, что удаление в процессе зачистки с поверхности пластины слоя 25, 50 и 75 мкм способствует срезанию верхней части эпюры остаточных напряжений и, как следствие, к уменьшению значений остаточных напряжений в технологической последовательности «дробеударная обработка – зачистка» до 400 МПа. Также установлено, что по мере увеличения толщины снятого с поверхности детали слоя при зачистке величина остаточных напряжений сокращается медленнее. При этом независимо от толщины снимаемого слоя при зачистке, глубина залегания сжимающих остаточных напряжений практически не изменена (около 0,7 мм). Разработанная конечно-элементная модель позволяет прогнозировать и контролировать уровень и величину остаточных напряжений в образце из алюминиевого сплава еще на стадии технологической подготовки для операций «дробеударная обработка», а также сочетание операций «дробеударная обработка – зачистка».

The paper aims to study the stress-strain state of the surface layer in a VT95 aluminum alloy part during its shot-impact treatment in the sequence of “shot-impact treatment–flap-wheel trimming” operations. The research objects included large parts, such as panels and cladding of complex shapes used in aircraft, missile, and shipbuilding industries. Computer simulation in the Ansys Workbench 19.0 software package was used to develop a methodology for determining residual stresses. As a result of simulating the studied treatment sequence, a visual representation of the residual stress formation pattern, as well as physical values and distribution curves of residual stresses, were obtained. The distribution pattern of residual stresses after performing two types of treatment was established to be similar. The maximum value of residual stresses, obtained as a result of performing a shot-impact treatment of the part surface with a shot of 3.0 mm in diameter at a shot-impact rate of 25 m/s, reaches about 600 MPa at a depth of 1.0 mm. Following the shot-impact treatment, flap-wheel trimming is performed in the finite element simulation as a set of abrasive grains at a rate of 18.316 m/s. The removal of the 25-, 50-, and 75-μm layer from the surface of the plate during trimming contributes to the shearing of the upper part in the residual stress diagram and, as a result, to a decrease in the values of residual stresses in the shot-impact treatment–flap-wheel trimming sequence to 400 MPa. In addition, along with an increase in the thickness of the layer removed from the surface during trimming, the value of residual stresses decreases more slowly. In this case, the thickness of the removed layer causes no effect on the depth of residual compression stresses (about 0.7 mm). The developed finite element model makes it possible to predict and control the level and magnitude of residual stresses in an aluminum alloy sample at the stage of its preparation for both a shot-impact treatment operation and the combination of shotimpact treatment and flap-wheel trimming.

обработка дробьюдробеударная обработказачистка лепестковым кругомотпечатки дробиостаточные напряжения

shot processingshot peeninggrinding with a flap wheelshot indentsresidual stresses

References1

Асланян И.Р., Бубнов А.С., Емельянов В.И., Исаев А.Н., Зайдес С.А., Копылов Ю.Р. [и др.]. Обработка деталей поверхностным пластическим деформированием: монография. Иркутск: ИрГТУ, 2014. 560 с. EDN: TJNGHP.

Aslanyan I.R., Bubnov A.S., Emel’yanov V.I., Isaev A.N., Zajdes S.A., Kopylov Yu.R., et al. Part processing by surface plastic deformation: monograph. Irkutsk: Irkutsk State Technical University; 2014, 560 p. (In Russ.). EDN: TJNGHP.

Пашков А.Е. Об особенностях применения отечественной и зарубежной технологии формообразования обшивок и панелей самолетов // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2015. № 5. С. 17–22. EDN: TVQUBR.

Pashkov A.E. On application features of domestic and foreign technology of aircraft skin and panel forming. Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2015;5;17-22. (In Russ.). EDN: TVQUBR.

Пашков А.Е., Шматков В.С. Особенности технологии дробеударного упрочнения крупногабаритных деталей самолетов // Управление технологическими процессами машиностроительного производства: сб. ст. Иркутск: Иркут. гос. техн. ун-т, 1998. С. 62–66.

Pashkov A.E., Shmatkov V.S. Features of the shot peening hardening technology for large-sized aircraft parts. In: Upravlenie tekhnologicheskimi processami mashinostroitel’nogo proizvodstva = Control of machine-building production technological processes. Irkutsk: Irkutsk State Technical University; 1998, р. 62-66. (In Russ.).

Гребенников Д.С., Максименков В.И. Формообразование панелей крыла дальнемагистрального самолета // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2019. Т. 15. № 1. С. 116–121. https://doi.org/10.25987/VSTU.2019.15.1.018. EDN: YXBRRZ.

Grebennikov D.S., Maksimenkov V.I. Shaping wing panels of a long-haul aircraft. Bulletin of Voronezh State Technical University. 2019;15(1):116-121. (In Russ.). https://doi.org/10.25987/VSTU.2019.15.1.018. EDN: YXBRRZ.

Назаров С.Р., Шодмонкулов З.А. Определение глубины деформационного упрочнения на основе энергетических соотношений дробеударной обработки // LIV Международная научно-техническая конференция преподавателей и студентов: материалы докладов (г. Витебск, 28 апреля 2021 г.). Витебск: Витебский государственный технологический университет, 2021. Т. 2. С. 279–281. EDN: VXRTFS.

Nazarov S.R., Shodmonkulov Z.A. Determination of the strain hardening depth based on energy relations of shotimpact processing. LIV Mezhdunarodnaya nauchno-tekhnicheskaya konferenciya prepodavatelej i studentov: materialy dokladov = LIV International Scientific and Technical Conference of Teachers and Students: materials of reports. 28 April 2021, Vitebsk. Vitebsk: Vitebsk State Technological University; 2021, vol. 2, р. 279-281. (In Russ.). EDN: VXRTFS.

Кравченко Г.Н., Кравченко К.Г. Выбор технологических параметров дробеударного упрочнения силовых деталей авиационных конструкций // Полет. Общероссийский научно-технический журнал. 2018. № 12. С. 37–44. EDN: PJSWFF.

Kravchenko G.N., Kravchenko K.G. Selection of technological parameters of shot blasting hardening of power parts of aircraft structures. All-Russian Scientific-Technical Journal “Polyot” (“Flight”). 2018;12:37-44. (In Russ.). EDN: PJSWFF.

Baragetti S. Three-dimensional finite-element procedures for shot peening residual stress field prediction // International Journal of Computer Applications in Technology. 2001. Vol. 14. Iss. 1-3. P. 51–63. https://doi.org/10.1504/IJCAT.2001.000260.

Baragetti S. Three-dimensional finite-element procedures for shot peening residual stress field prediction. International Journal of Computer Applications in Technology. 2001;14(1-3):51-63. https://doi.org/10.1504/IJCAT.2001.000260.

Miao H.Y., Larose S., Perron C., Lévesque M. On the potential applications of a 3D random finite element model for the simulation of shot peening // Advances in Engineering Software. 2009. Vol. 40. Iss. 10. P. 1023–1038. https://doi.org/10.1016/j.advengsoft.2009.03.013.

Miao H.Y., Larose S., Perron C., Lévesque M. On the potential applications of a 3D random finite element model for the simulation of shot peening. Advances in Engineering Software. 2009;40(10):1023-1038. https://doi.org/10.1016/j.advengsoft.2009.03.013.

Chen Zhuo, Yang Fan, Meguid S.A. Realistic finite element simulations of arc-height development in shot-peened Almen strips // Journal of Engineering Materials and Technology. 2014. Vol. 136. Iss. 4. Р. 041002. https://doi.org/10.1115/1.4028006.

Chen Zhuo, Yang Fan, Meguid S.A. Realistic finite element simulations of arc-height development in shot-peened Almen strips. Journal of Engineering Materials and Technology. 2014;136(4):041002. https://doi.org/10.1115/1.4028006.

Bhuvaraghan B., Srinivasan S.M., Maffeo B., McCLain R.D., Potdar Yo., Prakash O. Shot peening simulation using discrete and finite element methods // Advances in Engineering Software. 2010. Vol. 41. Iss. 12. P. 1266–1276. https://doi.org/10.1016/j.advengsoft.2010.09.003.

Bhuvaraghan B., Srinivasan S.M., Maffeo B., McCLain R.D., Potdar Yo., Prakash O. Shot peening simulation using discrete and finite element methods. Advances in Engineering Software. 2010;41(12):1266-1276. https://doi.org/10.1016/j.advengsoft.2010.09.003.

Касимов Б.М.У., Муминов М.Р., Шин И.Г. Поверхностное упрочнение деталей технологических оборудований и моделирование напряженного состояния при дробеударной обработке // Междунар. науч. конф., посвящ. 150-летию со дня рождения проф. Н.А. Васильева: сб. науч. тр. (г. Москва, 26 мая 2021 г.). М.: Рос. гос. ун-т им. А.Н. Косыгина (Технологии. Дизайн. Искусство), 2021. Т. 1. С. 122–127. EDN: JYSPLZ.

Kasimov B.M.U., Muminov M.R., Shin I.G. Surface hardening of parts of technological equipment and modeling of stress state during shot-shot processing. In: Sbornik nauchnyh trudov Mezhdunarodnoj nauchnoj konferencii, posvyashchennoj 150-letiyu so dnya rozhdeniya professora N.A. Vasil’eva = Collected scientific works of the International scientific conference dedicated to the 150th birth anniversary of professor N.A. Vasiliev. 26 May 2021, Moscow. Moscow: Kosygin Russian State University (Technologies. Design. Art); 2021, vol. 1, р. 122-127. (In Russ.). EDN: JYSPLZ.

Пашков А.Е., Дияк А.Ю. Определение параметров дробеударного формообразования-упрочнения при помощи CAD/CAM/CAE систем // Управление технологическими процессами машиностроительного производства: сб. ст. Иркутск: Иркут. гос. техн. ун-т, 1998. С. 59–62.

Pashkov A.E., Diyak A.Yu. Determining shot peening parameters of shaping – hardening using CAD/CAM/CAE systems. In: Upravlenie tekhnologicheskimi processami mashinostroitel’nogo proizvodstva = Control of machinebuilding production technological processes. Irkutsk: Irkutsk State Technical University; 1998, р. 59-62. (In Russ.).

Дрозд М.С., Осипенко А.П. Аналитическое исследование напряженного состояния при внедрении упругой сферы в упругопластическое полупространство // Металловедение и прочность металлов: сб. науч. тр. Волгоград: Волжский политехнический институт, 1977. Вып. 8. С. 58–68.

Drozd M.S., Osipenko A.P. Analytical study of the stress state under elastic sphere introduction into an elastoplastic half-space. In: Metallovedenie i prochnost’ metallov: sbornik nauchnyh trudov = Metal science and strength of metals: collected scientific works. Volgograd: Volga Polytechnic Institute; 1977, iss. 8, р. 58-68. (In Russ.).

Матлин М.М., Мозгунова А.И., Лебский С.Л. Прогнозирование параметров упрочнения деталей машин путем поверхностного пластического деформирования // Известия Волгоградского государственного технического университета. 2005. № 3. С. 52–55. EDN: HTKUGR.

Matlin M.M., Mozgunova A.I., Lebskii S.L. Predicting parameters of machine part hardening by surface plastic deformation. Scientific Journal “Bulletin of the Technological University”. 2005;3:52-55. (In Russ.). EDN: HTKUGR.

Meguid S.A., Shagal G., Stranart J.C., Daly J. Tree-dimensional dynamic finite element analysis of shot-peening induced residual stresses // Finite Elements in Analysis and Design. 1999. Vol. 31. Iss. 3. P. 179–191. https://doi.org/10.1016/S0168-874X(98)00057-2.

Meguid S.A., Shagal G., Stranart J.C., Daly J. Tree-dimensional dynamic finite element analysis of shot-peening induced residual stresses. Finite Elements in Analysis and Design. 1999;31(3):179-191. https://doi.org/10.1016/S0168-874X(98)00057-2.

Лебеденко В.Г. Математическое моделирование процесса формирования геометрических параметров поверхностного слоя и параметров упрочнения при обработке деталей дробью // Вестник Донского государственного технического университета. 2008. Т. 8. № 4. С. 202–212. EDN: KPOCUD.

Lebedenko V.G. The mathematical description of process of formation of geometrical parameters of the superficial layer and hardening at processing details in fraction. Vestnik of Don State Technical University. 2008;8(4):202-212. (In Russ.). EDN: KPOCUD.

Пашков А.А. Моделирование процесса формообразования крупногабаритных деталей двойной кривизны на дробеметных установках контактного типа // Технология металлов. 2020. № 12. С. 19–28. https://doi.org/10.31044/1684-2499-2020-0-12-19-28. EDN: UUAYIZ.

Pashkov A.A. Simulation of shaping process of large-sized bi-curvature components on shotblast units of contact type. Tekhnologiya metallov. 2020;12:19-28. (In Russ.). https://doi.org/10.31044/1684-2499-2020-0-12-19-28.EDN: UUAYIZ.

Unyanin A.N., Khazov A.V. Cutting ability of abrasive grains in the processing of billets of plastic materials // Materials Science and Engineering: International Conference on Modern Trends in Manufacturing Technologies and Equipment: IOP Conference Series. 2019. Vol. 709. Iss. 2-1. P. 022054. https://doi.org/10.1088/1757899X/709/2/022054. EDN: BYFFES.

Unyanin A.N., Khazov A.V. Cutting ability of abrasive grains in the processing of billets of plastic materials. In: Materials Science and Engineering: International Conference on Modern Trends in Manufacturing Technologies and Equipment: IOP Conference Series. 2019;709(2-1):022054. https://doi.org/10.1088/1757-899X/709/2/022054. EDN: BYFFES.

Lyukshin V.S., Shatko D.B., Strelnikov P.A. Study of the working face of a flexible grinding tool // Materials Science and Engineering. Krasnoyarsk Science and Technology City Hall of the Russian Union of Scientific and Engineering Associations: IOP Conference Series. 2020. Vol. 734. Iss. 1. P. 12068. https://doi.org/10.1088/1757899X/734/1/012068. EDN: BJODMK.

Lyukshin V.S., Shatko D.B., Strelnikov P.A. Study of the working face of a flexible grinding tool. In: Materials Science and Engineering. Krasnoyarsk Science and Technology City Hall of the Russian Union of Scientific and Engineering Associations: IOP Conference Series. 2020;734(1):12068. https://doi.org/10.1088/1757-899X/734/1/012068. EDN: BJODMK.

Baksa T., Adamek P., Hronek O., Zetek M. Degradation of a grinding wheel when grinding cermet materials and its influence on the grinding process // Manufacturing Technology. 2019. Vol. 19. Iss. 1. P. 9–13. https://doi.org/10.21062/ujep/236.2019/a/1213-2489/MT/19/1/9.

Baksa T., Adamek P., Hronek O., Zetek M. Degradation of a grinding wheel when grinding cermet materials and its influence on the grinding process. Manufacturing Technology. 2019;19(1):9-13. https://doi.org/10.21062/ujep/236.2019/a/1213-2489/MT/19/1/9.

Romanenko A., Shatko D., Nepogozhev A., Strelnikov P. Study of the Influence of the grinding wheel composition components on its performance during ID grinding // Smart Innovation, Systems and Technologies / eds. M. Shamtsyan, М. Pasetti, A. Beskopylny. Singapore: Springer, 2022. Vol. 247. P. 213–222. https://doi.org/10.1007/978-981-16-3844-2_23. EDN: BNBMHF.

Romanenko A., Shatko D., Nepogozhev A., Strelnikov P. Study of the Influence of the grinding wheel composition components on its performance during ID grinding. In: Shamtsyan M., Pasetti М., Beskopylny A. (eds.). Smart Innovation, Systems and Technologies. Singapore: Springer; 2022, vol. 247, р. 213-222. https://doi.org/10.1007/978-981-163844-2_23. EDN: BNBMHF.

Сапунов В.В., Евстигнеев А.Д., Чистяков В.С. Исследование работоспособности лепестковых шлифовальных кругов при обработке заготовок из алюминиевых сплавов // Инновации в машиностроении: сб. тр. ХII Междунар. науч.-практ. конф., посвящ. памяти д-ра техн. наук, профессора Рахимянова Хариса Магсумановича (г. Новосибирск, 7–9 октября 2021 г.). Новосибирск: НГТУ, 2021. С. 112–118. EDN: KATTWZ.

Sapunov V.V., Evstigneev A.D., Chistyakov V.S. Studying flap grinding wheel performance when processing workpieces made of aluminum alloys. In: Innovacii v mashinostroenii: sbornik trudov HII Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii, posvyashchennoj pamyati doktora tekhnicheskih nauk, professora Rahimyanova Harisa Magsumanovicha = Innovations in mechanical engineering: collection of works of the 12th International scientific and practical conference dedicated to the memory of Doctor of technical sciences, Professor Kharis Magsumanovich Rakhimyanov. 7–9 October 2021, Novosibirsk. Novosibirsk: Novosibirsk State Technical University; 2021, р. 112-118. (In Russ.). EDN: KATTWZ.

Ле Чи Винь, Кольцов В.П., Нгуен Минь Хоанг. Моделирование формирования основных параметров качества поверхностного слоя при дробеударном упрочнении деталей // Авиамашиностроение и транспорт Сибири: сборник статей XIV Междунар. науч.-техн. конф. (г. Иркутск, 21–26 сентября 2020 г). Иркутск: ИРНИТУ, 2020. С. 104–112. EDN: JVBPIT.

Le Tri Vinh, Koltsov V.P., Nguen Min’ Hoang. Modeling the formation of the main parameters of the surface layer quality under part shot peening. In: Aviamashinostroenie i transport Sibiri: sbornik statej XIV Mezhdunarodnoj nauchno-tekhnicheskoj konferencii = Aircraft engineering and transport of Siberia: collected articles of the 14th International scientific and technical conference. 21–26 September 2020, Irkutsk. Irkutsk: Irkutsk National Research Technical University; 2020, р. 104-112. (In Russ.). EDN: JVBPIT.

Кольцов В.П., Ле Чи Винь, Стародубцева Д.А. Структура формирования параметров шероховатости поверхности при реализации технологической последовательности «дробеударное формообразование зачистка» // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2018. Т. 22. № 12. С. 56–67. https://doi.org/10.21285/1814-3520-2018-12-56-67. EDN: VRFUYI.

Koltsov V.P., Le Tri Vinh, Starodubtseva D.A. Formation structure of surface roughness parameters at “shot peen forming – grinding” technological sequence implementation. Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2018;22(12):56-67. (In Russ.). https://doi.org/10.21285/1814-3520-2018-12-56-67. EDN: VRFUYI.

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