Методика обработки экспериментальных данных при исследовании остаточных напряжений сверлением зондирующих отверстий c использованием метода цифровой корреляции изображений

Цель  –  получение  экспериментальных  данных  и  оценка  возможности  достоверного  определения значений остаточных напряжений поверхностного слоя металла сверлением зондирующих отверстий и методом цифровой корреляции изображений. Экспериментальные образцы изготавливались и впоследствии обрабатывались свободным ортогональным резанием и поверхностным пластическим деформированием по схеме качения на специальном станке с числовым программным управлением. Далее с использованием того же станка выполнялось сверление зондирующих отверстий с видеосъемкой изображения поверхности до и после сверления. По изменению спеклов изображений методом цифровой корреляции изображений определялись смещения материальных частиц на поверхности образца, после чего дифференцированием полученных значений перемещений определяли значения радиальных деформаций. Статистический анализ выборки значений радиальных деформаций на одинаковом  расстоянии  от  центра  отверстия  при  изменении  угла  поворота  путем  разложения  в  ряды  Фурье  с вычислением периода распределения показал, что распределение является периодическим. Установлено, что периодограммы, построенные по экспериментальным данным, имеют локальные максимумы при значении периода, близком к 180 градусам. Это обстоятельство обусловливает неизменность вычисляемых значений главных компонент остаточных напряжений и угла их поворота при выборе для расчета значений радиальных деформаций в произвольных точках вокруг отверстия. В работе изложен подход, позволяющий определить остаточные напряжения путем сверления зондирующих отверстий и оценки перемещений материальных частиц на поверхности образца, обусловленных перераспределением остаточных напряжений. Для аналитического описания экспериментальных данных предложено использовать аппроксимирующую периодическую функцию, установлен физический смысл ее коэффициентов.

1. Gopinath A., Lim A., Nagarajan B., Wong Chow Cher, Maiti R., Castagne S. Introduction of enhanced compressive residual stress profiles in aerospace components using combined mechanical surface treatments // Materials Science and Engineering: IOP Conference Series. 2016. Vol. 157. Iss. 1. P. 012013. https://doi.org/10.1088/1757-899X/157/1/012013.

2. Sadasivam B., Hizal A., Arola D. Abrasive waterjet peening with elastic prestress: subsurface residual stress distribution // International Mechanical Engineering Congress and Exposition (Seattle, Washington, 11–15 November 2007). Seattle, Washington: IMECE, 2007. Р. 471–475. https://doi.org/10.1115/IMECE2007-43473.

3. Saini S., Ahuja I.S., Sharma V.S. Modeling the effects of cutting parameters on residual stresses in hard turning of AISI H11 tool steel // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2013. Vol. 65. Iss. 5-8. P. 667–678. https://doi.org/10.1007/s00170-012-4206-0.

4. Yonezu A., Kusano R., Hiyoshi T., Chen Xi. A Method to estimate residual stress in austenitic stainless steel using a microindentation test // Journal of Materials Engineering and Performance. 2015. Vol. 24. Iss. 1. P. 362–372. https://doi.org/10.1007/s11665-014-1280-5.

5. Qin W.J., Dong C., Li X. Assessment of Bending Fatigue Strength of Crankshaft Sections with Consideration of Quenching Residual Stress // Journal of Materials Engineering and Performance. 2016. Vol. 25. Iss. 3. P. 938–947. https://doi.org/10.1007/s11665-016-1890-1.

6. Ma Yuan, Feng Pingfa, Zhang Jianfu, Wu Zhijun, Yu Dingwen Energy criteria for machining-induced residual stresses in face milling and their relation with cutting power // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2015. Vol. 81. P. 1023–1032. https://doi.org/10.1007/s00170-015-7278-9.

7. Huang Xiaoming, Sun Jie, Li Jianfeng. Finite element simulation and experimental investigation on the residual stress-related monolithic component deformation // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2015. Vol. 77. P. 1035–1041. https://doi.org/10.1007/s00170-014-6533-9.

8. Su Jiann-Cherng, Young A. Keith, Ma Kong, Srivatsa Shesh, Morehouse B.J., Liang Y. Steven. Modeling of residual stresses in milling // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2013. Vol. 65. P. 717–733. https://doi.org/10.1007/s00170-012-4211-3.

9. Ji Xia, Zhang Xueping, Liang Y. Steven. Predictive modeling of residual stress in minimum quantity lubrication machining // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2014. Vol. 70. P. 2159–2168. https://doi.org/10.1007/s00170-013-5439-2.

10. Martell J.J., Liu C.R., Shi Jing. Experimental investigation on variation of machined residual stresses by turning and grinding of hardened AISI 1053 steel // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2014. Vol. 74. Iss. 9-12. P. 1381–1392. https://doi.org/10.1007/s00170-014-6089-8.

11. Chen Jianbin, Fang Qihong, Zhang Liangchi. Investigate on distribution and scatter of surface residual stress in ultra-high speed grinding // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2014. Vol. 75. P. 615–627. https://doi.org/10.1007/s00170-014-6128-5.

12. Lohe D., Lang K.-H., Vohringer O. Residual stresses and fatigue behavior // Handbook of residual stress and deformation of steel. Materials Park: ASM International, 2002, P. 27–54.

13. Chenegrin K., Bouscaud D., Girinon M., Karaouni H., Bergheau J.-M., Feulvarch E. Study of the thermal history upon residual stresses during the dry drilling of inconel 718 // Metals. 2022. Vol. 12. Iss. 2. P. 305. https://doi.org/10.3390/met12020305.

14. Zuev L.B., Barannikova S.A., Lunev A.G., Kolosov S.V., Zharmukhambetova A.M. Basic relationships of the autowave model of a plastic flow // Russian Physics Journal. 2019. Vol. 61. P. 1709–1717. https://doi.org/10.1007/s11182-018-1591-3.

15. Barannikova S., Li Yu., Zuev L. Research of the plastic deformation localization of bimetal // Metalurgija. 2018. Vol. 57. Iss. 4. P. 275–278.

16. Zuev L.B., Barannikova S.A., Orlova D.V. Autowave criteria of fracture and plastic strain localization of zirconium alloys // Metals. 2022. Vol. 12. P. 95. https://doi.org/10.3390/met12010095.

17. Блюменштейн В.Ю., Жирков А.А., Учайкин С.Е., Кречетов А.А., Махалов М.С. Разработка методик и средств технологического оснащения для исследования пластического течения металла в процессах обработки. Часть 1. Проектирование и изготовление специального настольно-фрезерного станка с ЧПУ для исследования пластического течения мета // Упрочняющие технологии и покрытия. 2022. Т. 18. № 7. С. 311–319. https://doi.org/10.36652/1813-1336-2022-18-7-311-319.

18. Биргер И.А. Остаточные напряжения. Изд. 2-е. М.: ЛЕНАНД, 2015. 234 с.

19. Чернышев Г.Н., Попов А.Л., Козинцев В.М., Пономарев И.И. Остаточные напряжения в деформируемых твердых телах. М.: Наука; Физматлит, 1996. 240 с.

20. Rickert T. Residual Stress Measurement by ESPI Hole-Drilling // Procedia CIRP. 2016. Vol. 45. P. 203–206.https://doi.org/10.1016/j.procir.2016.02.256.

21. Usov S.M., Razumovsky I.A., Odintsev I.A. Study of inhomogeneous fields of residual stresses using step-by-step enlarged crack method in combination with electronic speckle pattern interferometry // Industrial laboratory. Diagnostics of materials. 2021. Vol. 87. Iss. 9. P. 50–58. https://doi.org/10.26896/1028-6861-2021-87-9-50-58.

22. Махалов М.С. Методика исследований остаточных напряжений методами сверления зондирующего отверстия и 2-х экспозиционной спекл фотографии // Инновации в машиностроении: Сб. тр. ХII Междунар. науч.-практ. конф., посвященной памяти д-ра техн. наук, профессора Рахимянова Хариса Магсумановича (г. Новосибирск, 7–9 октября 2021 г). Новосибирск: Изд-во НГТУ. 2021. С. С. 405–411.