Surface Plastic Deformation Mechanics. The Hardenable Elastic-Plastic Body Model

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. The metal mechanical state, such as deformation degree and macroscopic residual stresses (MRS) largely determines product operational life, especially in different types of alternating loads. Wide possibilities for creating a favorable mechanical state of the metal have the methods of finishing and hardening treatment by surface plastic deformation (SPD). At the same time, an accurate calculation of the mechanical state of the SPD is not always possible, which preserves the relevance of the study and the creation of model ideas about the formation of the mechanical state and MRS at the stages of mechanical processing in the manufacture of metal products. It is noted that the finite element method (FEM) allows taking into account the change in the mechanical state upon multiple loading of the same metal microvolume and to obtain more accurate analytical solutions. The research purpose consists in the development of the SPD mechanics’; theoretical positions based on the development of a hardenable elastic-plastic body model. The paper presents a FEM model of the surface layer mechanical state formation during hardening treatment by surface plastic deformation (SPD), taking into account the technological inheritance phenomenon. Results and discussion. The simulation is carried out and the distributions of the parameters of stress-strain are obtained; the parameters of the mechanical state of the surface layer and the residual stresses generated in the process of hardening treatment of SPD are calculated. A feature of the proposed model is taking into account the phenomenon of technological inheritance, supplemented by the effect of the hardened body: together with the metal properties evolution, occurred in previous machining operations, the current technological operation changes properties are taken into account. In the proposed model, taking into account the effect of the hardened body is implemented in the form of a scheme of multiple loading and unloading of metal parts as it moves through the space of the deformation zone, which made it possible to accurately describe the phenomenology of the SPD process. The presented results confirm the prospects of spreading the stated model concepts to other mechanical processing methods and various types of operational loading of hardened responsible products.

About the authors

M. S. Mahalov

Email: maxim_ste@mail.ru
Ph.D. (Engineering), Associate Professor, Kuzbass State Technical University named after T.F. Gorbatchev, maxim_ste@mail.ru

V. Yu. Blumenstein

Email: blumenstein@rambler.ru
D.Sc. (Engineering), Professor, Kuzbass State Technical University named after T.F. Gorbatchev, blumenstein@rambler.ru

References

  1. Технология и инструменты отделочно-упрочняющей обработки деталей поверхностным пластическим деформированием. В 2 т. Т. 1 / А.Г. Суслов, В.Ю. Блюменштейн, Р.В. Гуров, А.Н. Исаев, Л.Г. Одинцов, В.В. Плешаков, В.В. Федоров, Ю.Г. Шнейдер; под общ. ред. А.Г. Суслова. – М.: Машиностроение, 2014. – 480 с. – ISBN 978-5-94275-710-6.
  2. Технология и инструменты отделочно-упрочняющей обработки деталей поверхностным пластическим деформированием. В 2 т. Т. 2. / А.Г. Суслов, А.П. Бабичев, А.В. Киричек, А.В. Овсеенко, П.Д. Мотренко, С.К. Амбросимов, А.И. Афонин, Р.В. Гуров, А.Н. Прокофьев, Д.А. Соловьев; под общ. ред. А.Г. Суслова. – М.: Машиностроение, 2014. – 444 с. – ISBN 978-5-94275-711-3.
  3. Букатый С.А., Кондратов А.П., Букатый А.С. Прогнозирование технологических остаточных деформаций тонкостенных дисков после упрочнения методом поверхностного пластического деформирования // Проблемы и перспективы развития двигателестроения: материалы докладов Международной научно-технической конференции, 21–23 июня 2006 г. – Самара: СГАУ, 2006. – В 2-х Ч. Ч.1. – С. 183–184.
  4. Деформирующая обработка валов: монография / С.А. Зайдес, В.Н. Емельянов, М.Е. Попов, Е.Ю. Кропоткина, А.С. Бубнов; под ред. С.А. Зайдеса. – Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2013. – 452 с. – ISBN 978-508038-0869-5.
  5. Сидякин Ю.И., Трунин А.В., Шевцов А.Н. Сферическая модель исследования контактной упругопластической деформации // Известия ВолгГТУ. – 2010. – № 12 (72). – С. 48–52. – (Серия: Прогрессивные технологии в машиностроении; вып. 6).
  6. Кузнецов В.П., Горгоц В.Г. Математическое моделирование нелинейной динамики процесса упругого выглаживания поверхностей деталей // Вестник машиностроения. – 2008. – № 12. – С. 61–65.
  7. Wang W.W., Jia B.B., Yu J.B. A new flexible sheet metal forming method and its stamping process. The 14th IFToMM World Congress, Taipei, Taiwan, October 25–30, 2015. – Taipei, 2015.
  8. Liou J.J., El-Wardany T.I. Finite element analysis of residual stress in Ti-6Al-4V alloy plate induced by deep rolling process under complex roller path // International Journal of Manufacturing Engineering. – 2014. – Art. 786354. – doi: 10.1155/2014/786354.
  9. Sayahi M., Sghaier S., Belhadjsalah H. Finite element analysis of ball burnishing process: comparisons between numerical results and experiments // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2012. – Vol. 67 (5). – P. 1665–1673. – doi: 10.1007/s00170-012-4599-9.
  10. Introduction of enhanced compressive residual stress pro? les in aerospace components using combined mechanical surface treatments / A. Gopinath, A. Lim, B. Nagarajan, C.C. Wong, R. Maiti, S. Castagne // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2016. – Iss. 157 (1). – P. 012013. – doi: 10.1088/1757- 899X/157/1/012013.
  11. Altan T. Finite element modeling of roller burnishing process // Manufacturing Technology. – 2017. – Vol. 54 (1). – P. 237–240.
  12. Finite element modeling of hard roller burnishing: an analysis on the effects of process parameters upon surface finish and residual stresses / P. Sartkulvanich, T. Altan, F. Jasso, C. Rodriguez // Journal of Manufacturing Science and Engineering. – 2007. – Vol. 129. – doi: 10.1115/1.2738121.
  13. Huang X., Sun J., Li J. 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. – doi: 10.1007/s00170-014-6533-9.
  14. Ji X., Zhang X., Liang S. Predictive modeling of residual stress in minimum quantity lubrication machining // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2014. – Vol. 70. – P. 2159–2168. – doi: 10.1007/s00170-013-5439-2.
  15. Modeling of residual stresses in milling / J.-C. Su, K.A. Young, K. Ma, S. Srivatsa, J.B. Morehouse, S.Y. Liang // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2013. – Vol. 65. – P. 717–733. – doi: 10.1007/s00170-012-4211-3.
  16. An approach for analyzing and controlling residual stress generation during high-speed circular milling / X. Jiang, B. Li, J. Yang, X.Y. Zuo, K. Li // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2013. – Vol. 66. – P. 1439–1448. – doi: 10.1007/s00170-012-4421-8.
  17. Effects of tool diameters on the residual stress and distortion induced by milling of thin-walled part / X. Jiang, B. Li, J. Yang, X.Y. Zuo // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2013. – Vol. 68. – P. 175–186. – doi: 10.1007/s00170-012-4717-8.
  18. Chen J., Fang Q., Zhang L. 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. – doi: 10.1007/s00170-014-6128-5.
  19. A novel prediction model for thin plate deflections considering milling residual stresses / Z. Jiang, Y. Liu, L. Li, W. Shao // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2014. – Vol. 74. – P. 37–45. – doi: 10.1007/s00170-014-5952-y.
  20. Energy criteria for machining-induced residual stresses in face milling and their relation with cutting power / Y. Ma, P. Feng, J. Zhang, Z. Wu, D. Yu // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2015. – Vol. 81. – P. 1023–1032. – doi: 10.1007/s00170-015-7278-9.
  21. Ивлев Д.Д. Механика пластических сред. В 2 т. Т. 2. Общие вопросы. Жесткопластическое и упругопластическое состояние тел. Упрочнение. Деформационные теории. Сложные среды. – М.: Физматлит, 2002. – 448 с. – ISBN 5-9221-0291-5.
  22. Воронцов А.Л., Стратьев В.К., Ступников В.П. О пробе Бринелля и внедрении пуансона в тело больших поперечных размеров. Ч. 1 // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Серия: Машиностроение. – 2012. – № 2. – С. 12–21.
  23. Воронцов А.Л., Стратьев В.К., Ступников В.П. Определение напряженного и деформированного состояний и учет упрочнения при внедрении пуансона в тело больших поперечных размеров. Ч. 2 // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Серия: Машиностроение. – 2012. – № 3. – С. 47–59.
  24. Смелянский В.М., Шапарин А.А. Повышение эффективности упрочнения деталей машин методами ППД на основе численного моделирования процесса формирования механических свойств поверхностного слоя // Повышение качества обработки и сборки деталей автомобилей и тракторов. – М.: МАМИ, 1986. – С. 33–45.
  25. Смелянский В.М. Механика упрочнения деталей поверхностным пластическим деформированием. – М.: Машиностроение, 2002. – 300 с. – ISBN 5-217-03065-8.
  26. Блюменштейн В.Ю., Смелянский В.М. Механика технологического наследования на стадиях обработки и эксплуатации деталей машин. – М.: Машиностроение-1, 2007. – 400 с. – ISBN 5-942-75342-9.
  27. Кречетов А.А. Методика расчета параметров механического состояния поверхностного слоя деталей машин // Вестник КузГТУ. – 2001. – № 5. – С. 27–31.
  28. Овсеенко А.Н., Gajek M., Серебряков В.И. Формирование состояния поверхностного слоя деталей машин технологическими методами. – Opole: Politechnika Opolska, 2001. – 228 с. – ISBN 83-88492-06-3.
  29. Чигарев А.В., Кравчук А.С., Смалюк А.Ф. ANSYS для инженеров: справочное пособие. – М.: Машиностроение-1, 2004. – 512 с. – ISBN 5-94275-048-3.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».