Моделирование и расчёт напряженно-деформированного состояния микропрофиля при ортогональном воздействии в зависимости от условий нагружения

Цель – установить механику формообразования и напряженное состояние микропрофиля на поверхностях деталей машин при воздействии, сопоставимом с начальной шероховатостью, в зависимости от условий нагружения. В расчетной модели микронеровностей применяли физико-механические характеристики мягкого материала, имитирующего медь. Разработана численная модель осадки микропрофиля на поверхностях деталей машин для различных условий нагружения. Установлено, что увеличение степени стеснения модели микронеровностей при переходе от свободной к стесненной схеме нагружения способствовало повышению: угла у основания деформированного микропрофиля с 35 до 58°, относительной длины сглаженного участка с 0,46 до 0,8, а также вертикального подъема точки впадин микропрофиля с 0,012 до 0,21. При высвобождении фиксации одной из пар боковых поверхностей микропрофиля ортогональная к ней деформировалась в большей степени относительно соответствующей поверхности при свободном закреплении. Максимальная вытяжка образца в направлении оси oX составила 7%, в направлении оси oZ – 13%. Напряженное состояние под пиками микронеровностей при полной осадке, в зависимости от типа нагружения и расположения микровыступов, составляло от 1050 до 1370 МПа и превысило предел прочности образцов в 5–7 раз. Во впадинах напряженное состояние достигло максимального значения в 1190 МПа для жесткой схемы закрепления и превзошло остальные схемы закрепления в 4–12 раз, с превышением предела прочности образцов в 0,5–6 раз. Наименьшая однородность напряженного состояния по сечению микропрофиля была у образцов со свободным закреплением, наибольшая – у образцов с жестким закреплением. При схеме нагружения с жестким закреплением происходило наиболее качественное выглаживание микропрофиля с формированием более однородного напряженного состояния по сечению микропрофиля. Исследования полезны при назначении условий обработки заготовок локальными способами деформирования, при варьировании степени стесненного нагружения в пределах границ обрабатываемых поверхностей.

1. Зайдес С.А. Новые способы поверхностного пластического деформирования при изготовлении деталей машин // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2018. Т. 16. № 3. С. 129–139. https://doi.org/10.18503/1995-2732-2018-16-3-129-139. EDN: YARHJB.

2. Зайдес С.А., Машуков А.Н. Применение технологии алмазного выглаживания для улучшения микрогеоме трии затворных узлов арматуры высокого давления // Вестник Кузбасского государственного технического университета. 2019. № 1. С. 5–14. https://doi.org/10.26730/1999-4125-2019-1-5-13. EDN: NVOUGP.

3. Kuznetsov V., Smolin I., Skorobogatov A., Akhmetov A. Finite element simulation and experimental investigation of nanostructuring burnishing AISI 52100 steel using an inclined flat cylindrical tool // Applied Sciences. 2023. Vol. 13. Iss. 9. P. 5324. https://doi.org/10.3390/app13095324. EDN: RHXGFE.

4. Нго Као Кыонг, Зайдес С.А., Лэ Хонг Куанг. Оценка качества упрочненного слоя при поверхностном пласти ческом деформировании роликами разных конструкций // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2018. Т. 22. № 1. С. 30–37. https://doi.org/10.21285/1814-3520-2018-1-30-37. EDN: YMMWDW.

5. Кроха В.А. Кривые упрочения металлов при холодной деформации. М.: Машиностроение, 1968. 131 с. EDN: SHJAKZ.

6. Блюменштейн В.Ю., Митрофанова К.С. Исследование влияния технологических факторов процесса поверхеностного пластического деформирования сложно профильным инструментом на качество поверхностного слоя // Упрочняющие технологии и покрытия. 2020. Т. 16. № 2. С. 68–74. EDN: BZXTEC.

7. Махалов М.С., Блюменштейн В.Ю. Механика процесса ППД. Остаточные напряжения в упрочняемом упру гопластическом теле // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). 2019. Т. 21. № 2. С. 110–123. https://doi.org/10.17212/1994-6309-2019-21.2-110-123. EDN: IZSBDL.

8. Папшев Д.Д. Отделочно-упрочняющая обработка поверхностным пластическим деформированием. М.: Машиностроение, 1978. 152 с.

9. Grzesik W., Zak K. Characterization of surface integrity produced by sequential dry hard turning and ball burnishing operations // Journal of Manufacturing Science and Engineering. 2014. Vol. 136. Iss. 3. Р. 031017. https://doi.org/10.1115/1.4026936.

10. Зайдес С.А., Нго Као Кыонг. Влияние поверхностного пластического деформирования в стесненных условиях на качество упрочненного слоя // Упрочняющие технологии и покрытия. 2017. Т. 13. № 11. С. 491–494. EDN: ZRQVHX.

11. Вулых Н.В., Вулых А.Н. Моделирование и расчёт упругопластической деформации микропрофиля при ортогональном стесненном нагружении // Вестник машиностроения. 2022. № 7. С. 80–84. https://doi.org/10.36652/0042-4633-2022-7-80-84. EDN: DRTPLH.

12. Зайдес С.А., Нго Као Кыонг. Технологическая интенсификация напряженного состояния в стесненных усло виях локального нагружения // Вестник машиностроения. 2017. № 3. С. 5–8. EDN: YUPOWT.

13. Зайдес С.А., Нгуен Хыу Хай. Интенсификация напряженного состояния в очаге деформации при локальном воздействии деформирующего инструмента // iPolytech Journal. 2022. Т. 26. № 4. С. 580–592. https://doi.org/10.21285/1814-3520-2022-4-580-592.

14. Зайдес С.А., Нгуен Хыу Хай. Оценка геометрических параметров отпечатка и давления в зоне контакта рабо чего инструмента при реверсивном поверхностном пластическом деформировании // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2023. № 3. С. 34–45. https://doi.org/10.18698/0536-1044-2023-3-34-45. EDN: GBGOIO.

15. Zaides S.A., Pham Van Anh. Improvement of calibrated steel quality by surface deformation. Part 1: Determination of the stress state of cylindrical parts during orbital surface deformation // Steel in Translation. 2020. Vol. 50. Iss. 11. Р. 745–749. https://doi.org/10.3103/S0967091220110145. EDN: QMCCKG.

16. Zaides S.A., Le Hong Quang. State of stress in cylindrical parts during transverse straightening // Russian Metallurgy (Metally). 2019. Vol. 2019. Iss. 13. Р. 1487–1491. https://doi.org/10.1134/S003602951913041X. EDN: EDNMKQ.

17. Vulykh N.V., Vulykh A.N. Computer simulation of microprofile strain under orthogonal impact at constrained load. Part 1 // Proceedings of the 6th International Conference on Industrial Engineering. Lecture Notes in Mechanical Engineering / eds. A.A. Radionov, V.R. Gasiyarov. Cham: Springer, 2021. Part 1. Р. 891–899. https://doi.org/10.1007/978-3-030-54817-9_103.

18. Вулых Н.В., Вулых А.Н. Численный расчет напряженно-деформированного состояния микропрофиля при оритогональном воздействии в условиях стесненного нагружения // iPolytech Journal. 2021. Т. 25. № 5. С. 538–548. https://doi.org/10.21285/1814-3520-2021-5-538-548. EDN: EKZXRF.

19. Vulykh N.V. Centrifugal rolling of flexible shafts for achieving best possible roughness of the surface // Proceedings of the 5th International Conference on Industrial Engineering (ICIE 2019). Lecture Notes in Mechanical Engineering / eds. A. Radionov, O. Kravchenko, V. Guzeev, Y. Rozhdestvenskiy. Cham: Springer, 2020. Vol. 2. P. 1079–1088. https://doi.org/10.1007/978-3-030-22063-1_115.

20. Лившиц О.П., Гридин Г.Д., Древин А.К. Влияние технологических факторов изготовления уплотнительных элементов на герметичность затворов сосудов высокого давления // Вестник машиностроения. 1978. № 11. С. 28–30.

21. Демкин Н.Б. Контактирование шероховатых поверхностей. М.: Наука, 1970. 227 с. EDN: YKDVDD.

22. Шнейдер Ю.Г. Образование регулярных микрорельефов на деталях и их эксплуатационные свойства. Л.: Машиностроение, 1972. 240 c.

23. Chen Xiaolin, Liu Yiijun. Finite element modeling and simulation with ANSYS Workbench: CRC Press, 2014. 411 p.

24. Nikolaeva E.P., Mashukov A.N. Evaluation of residual stresses in high-pressure valve seat surfacing // Chemical and Petroleum Engineering. 2017. Vol. 53. Iss. 7-8. P. 459–463. https://doi.org/10.1007/s10556-017-0363-1.

25. Gridin G.D. New in development of high-pressure angle shutoff valves // Chemical and Petroleum Engineering. 2012. Vol. 47. Iss. 9-10. Р. 683–686. https://doi.org/10.1007/s10556-012-9532-4.

26. Pogodin V.K., Belogolov Yu.I., Gozbenko V.E., Kargapoltsev S.K., Olentsevich V.A., Gladkih A.M. Calculation of sealing pressures of shut-off valves // Materials Science and Engineering: IOP Conference Series. 2021. Vol. 1064. Iss. 1. P. 012035. https://doi.org/10.1088/1757-899X/1064/1/012035.

27. Serebrennikova A.G., Nikolaeva E.P, Savilov A.V., Timofeev S.A., Pyatykh A.S. Research results of stressstrain state of cutting tool when aviation materials turning // Journal of Physics: Conference Series. 2018. Vol. 944. Iss. 1. Р. 012104. https://doi.org/10.1088/1742-6596/944/1/012104.

28. Никитин Г.С., Галкин М.П., Жихарев П.Ю. Влияние внеконтактных зон на усилия деформирования в процес сах обработки металлов давлением // Металлург. 2012. № 10. С. 61–65. EDN: PPLSWX.