Влияние угла наклона колебательной системы на поверхностные свойства стали 45 при ультразвуковом поверхностном пластическом деформировании

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Введение. Среди способов модификации поверхностей металлических изделий, позволяющих изменить физико-механические и геометрические свойства поверхностного слоя, наиболее распространены способы поверхностного пластического деформирования (ППД). Использование ультразвука для повышения эффективности деформационных процессов позволяет повысить микротвердость и снизить шероховатость по сравнению с обкатыванием и выглаживанием. Наибольшие технологические сложности вызывает ультразвуковое поверхностное пластическое деформирование криволинейных поверхностей, в том числе полученных аддитивными технологиями. Учитывая, что большинство способов ультразвукового ППД основано на продольном характере колебаний, для обеспечения равномерной обработки криволинейных поверхностей ось инструмента должна быть направлена под заданным углом к любому участку обрабатываемой поверхности. В связи с этим целью работы является изучение влияния угла наклона колебательной системы на поверхностные свойства стали 45 при ультразвуковом поверхностном пластическом деформировании. В работе исследованы образцы стали 45, обработанные ультразвуковым ППД с разными углами наклона колебательной системы: 90°, 75°, 60°, 45°. Методами исследования являлись металлографические исследования микроструктуры поверхностного слоя образцов, измерение их микротвердости и шероховатости, а также сравнительные испытания на износ. Результаты и обсуждение. Ультразвуковое поверхностное деформирование при любом из рассмотренных углов наклона инструмента α создает наклепанный слой – от 30 мкм при α = 45° до 350 мкм при α = 90°. При этом микротвердость повышается до 240 HV при α = 45°. При любом α также наблюдается значительное уменьшение шероховатости. Так, например, высотные параметры уменьшаются более чем в 8 раз. Лучшие результаты достигнуты при α = 60°. Результаты испытаний на износ показали, что износ по массе значительно уменьшается при ультразвуковой обработке. Наибольшее снижение износа (более чем в 2 раза) наблюдается при угле наклона α = 90°.

Об авторах

Д. С. Фатюхин

Email: mitriy2@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-5914-3415
доктор техн. наук, доцент, Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ), Ленинградский проспект, 64, г. Москва, 125319, Россия, mitriy2@yandex.ru

Р. И. Нигметзянов

Email: lefmo@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0008-1443-7584
канд. техн. наук, доцент, Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ), Ленинградский проспект, 64, г. Москва, 125319, Россия, lefmo@yandex.ru

В. М. Приходько

Email: prikhodko@madi.ru
ORCID iD: 0000-0001-8261-0424
доктор техн. наук, профессор, Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ), Ленинградский проспект, 64, г. Москва, 125319, Россия, prikhodko@madi.ru

С. К. Сундуков

Email: sergey-lefmo@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-4393-4471
канд. техн. наук, доцент, Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ), Ленинградский проспект, 64, г. Москва, 125319, Россия, sergey-lefmo@yandex.ru

А. В. Сухов

Email: sukhov-aleksandr96@mail.ru
ORCID iD: 0009-0009-9097-8216
Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ), Ленинградский проспект, 64, г. Москва, 125319, Россия, sukhov-aleksandr96@mail.ru

Список литературы

  1. Radchenko V.P., Saushkin M.N., Bochkova T.I. A mathematical modeling and experimental study of forming and relaxation of the residual stresses in plane samples made of EP742 alloy after the ultrasonic hardening under the high-temperature creep conditions // PNRPU Mechanics Bulletin. – 2016. – Vol. 1. – P. 93–112. – doi: 10.15593/perm.mech/2016.1.07.
  2. Крылова Н.А., Шуваев В.Г. Обеспечение надежности и качества поверхностей деталей ультразвуковым поверхностным пластическим деформированием // Надежность и качество. – 2018. – Т. 2. – С. 205–206. – EDN YAFGEH.
  3. Мощный ультразвук в металлургии и машиностроении / под ред. О.В. Абрамова и В.М. Приходько. – М.: Янус-К, 2006. – 687 с. – ISBN 5-8037-0314-1. – EDN QNBJAF.
  4. Impact of time on ultrasonic cavitation peening via detection of surface plastic deformation / F. Bai, K.-A. Saalbach, L. Wang, X. Wang, J. Twiefel // Ultrasonics. – 2018. – Vol. 84. – P. 350–355. – doi: 10.1016/j.ultras.2017.12.001.
  5. Effects of ultrasonic surface rolling on fretting wear behaviors of a novel 25CrNi2MoV steel / Y. Zhang, L. Huang, F. Lu, S. Qu, V. Ji, X. Hu, H. Liu // Materials Letters. – 2021. – Vol. 284 (2) – P. 128955. – doi: 10.1016/j.matlet.2020.128955.
  6. Microstructure and mechanical properties of additively manufactured CrMnFeCoNi high-entropy alloys after ultrasonic surface rolling process / Z. Cui, Y. Mi, D. Qiu, P. Dong, Z. Qin, D. Gong, W. Li // Journal of Alloys and Compounds. – 2021. – Vol. 887. – P. 161393. – doi: 10.1016/j.jallcom.2021.161393.
  7. The influence of ultrasonic surface rolling on the fatigue and wear properties of 23-8N engine valve steel / F. Lai, S. Qu, R. Lewis, T. Slatter, W. Fu, X. Li // International Journal of Fatigue. – 2019. – Vol. 125. – P. 299–313. – doi: 10.1016/j.ijfatigue.2019.04.010.
  8. Физика и техника мощного ультразвука. Кн. 3 / под ред. Л.Д. Розенберга. – М.: Наука, 1970. – 689 с.
  9. Воздействие мощного ультразвука на межфазную поверхность металлов / под ред. А.И. Манохина. – М.: Наука, 1986. – 277 с.
  10. Справочник технолога / под общ. ред. А.Г. Суслова. – М.: Инновационное машиностроение, 2019. – 800 с. – ISBN 978-5-907104-23-5. – EDN WNWHDF.
  11. Effects of the different frequencies and loads of ultrasonic surface rolling on surface mechanical properties and fretting wear resistance of HIP Ti–6Al–4V alloy / G. Li, S.G. Qu, Y.X. Pan, X.Q. Li // Applied Surface Science. – 2016. – Vol. 389. – P. 324–334. – doi: 10.1016/j.apsusc.2016.07.120.
  12. Effect of ultrasonic surface rolling at low temperatures on surface layer microstructure and properties of HIP Ti-6Al-4V alloy / G. Li, S. Qu, M.X. Xie, X. Li // Surface and Coatings Technology. – 2017. – Vol. 316. – P. 75–84. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2017.01.099.
  13. Effect of multi-pass ultrasonic surface rolling on the mechanical and fatigue properties of HIP Ti-6Al-4V alloy / G. Li, S. Qu, M. Xie, Z. Ren, X. Li // Materials. – 2017. – Vol. 10. – P. 133. doi: 10.3390/ma10020133.
  14. Experimental study on surface integrity of ultra-high-strength steel by ultrasonic hot rolling surface strengthening / X. Luan, W. Zhao, Z. Liang, S. Xiao, G. Liang, Y. Chen, S. Zou, X. Wang // Surface and Coatings Technology. – 2020. – Vol. 392. – P. 125745. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2020.125745.
  15. The effect of ultrasonic nanocrystal surface modification on low temperature nitriding of ultra-high strength steel / W. Zhao, D. Liu, H. Qin, X. Zhang, H. Zhang, R. Zhang, Z. Ren, C. Ma, A. Amanov, Y.-S. Pyun, G.L. Doll, Y. Dong, C. Ye // Surface and Coatings Technology. – 2019. – Vol. 375. – P. 205–214. – DOI: 0.1016/j.surfcoat.2019.07.006.
  16. Investigations on the nanocrystallization of 40Cr using ultrasonic surface rolling processing / W. Ting, W. Dongpo, L. Gang, G. Baoming, S. Ningxia // Applied Surface Science. – 2008. – Vol. 255 (5). – P. 1824–1829. – doi: 10.1016/j.apsusc.2008.06.034.
  17. Ultrasonic surface rolling process: properties, characterization, and applications / M. John, A.M. Ralls, S.C. Dooley, A.K.V. Thazhathidathil, A.K. Perka, U.B. Kuruveri, P.L. Menezes // Applied Sciences. – 2021. – Vol. 11 (22). – P. 10986. – doi: 10.3390/app112210986.
  18. Применение ультразвука при сборочно-разборочных операциях / В.Ф. Казанцев, Б.А. Кудряшов, А.Н. Неверов, Р.И. Нигметзянов, В.М. Приходько. – М.: Техполиграфцентр, 2008. – 145 с. – ISBN 978-5-94385-040-0. – EDN QNCHIX.
  19. Приходько В.М. Ультразвуковые технологии при производстве и ремонте автотракторной техники. – М.: Техполиграфцентр, 2000. – 252 с. – ISBN 5-900095-16-9.
  20. Cao X.J., Pyoun Y.S., Murakami R. Fatigue properties of a S45C steel subjected to ultrasonic nanocrystal surface modification // Applied Surface Science. – 2010. – Vol. 256 (21). – P. 6297–6303. – doi: 10.1016/j.apsusc.2010.04.007.
  21. Муханов И.И., Голубев Ю.М. Упрочнение стальных деталей шариком, вибрирующим с ультразвуковой частотой // Вестник машиностроения. – 1966. – № 11. – С. 52–53.
  22. Авторское свидетельство № 456704 A1 СССР, МПК B23P 1/18. Способ поверхностного упрочнения: № 1718835: заявл. 29.11.1971: опубл. 15.01.1975 / И.А. Стебельков; заявитель Предприятие П/Я Г-4561. – EDN DXTPEB.
  23. Способы ультразвукового поверхностного пластического деформирования / Р.И. Нигметзянов, В.М. Приходько, С.К. Сундуков, А.В. Сухов, Д.С. Фатюхин // Наукоемкие технологии в машиностроении. – 2022. – № 7 (133). – С. 33–39. – doi: 10.30987/2223-4608-2022-1-7-33-39. – EDN EGTURS.
  24. Development, characterization and test of an ultrasonic vibration-assisted ball burnishing tool / R. Jerez-Mesa, J.A. Travieso-Rodriguez, G. Gomez-Gras, J. Lluma-Fuentes // Journal of Materials Processing Technology. – 2018. – Vol. 257. – P. 203–212. – doi: 10.1016/j.jmatprotec.2018.02.036.
  25. Influence of surface ultrasonic rolling on microstructure and corrosion property of T4003 ferritic stainless steel welded joint / P. Liu, R. Yu, X. Gao, G. Zhang // Metals. – 2020. – Vol. 10. – P. 1081. – doi: 10.3390/met10081081.
  26. Enhanced wear resistance of 316 L stainless steel with a nanostructured surface layer prepared by ultrasonic surface rolling / C. Wang, J. Han, J. Zhao, Y. Song, J. Man, H. Zhu, J. Sun, L. Fang // Coatings. – 2019. – Vol. 9. – P. 276. – doi: 10.3390/coatings9040276.
  27. Optimizing the parameters of ultrasonic surface plastic deformation by a free steel indenter / R.I. Nigmetzyanov, V.M. Prikhodko, S.K. Sundukov, A.V. Sukhov, D.S. Fatyukhin // Russian Engineering Research. – 2022. – Vol. 42 (11). – P. 1195–1198. doi: 10.3103/S1068798X22110181.
  28. Выбор и оптимизация режимов ультразвукового поверхностного деформирования / В.Ф. Казанцев, Ю.М. Лужнов, Р.И. Нигметзянов, С.К. Сундуков, Д.С. Фатюхин // Вестник Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ). – 2016. – № 4 (47). – С. 26–32. – EDN XDBUGV.
  29. Упрочнение поверхностного слоя деталей машин методами химико-термической обработки и ультразвуковыми технологиями / Л.Н. Бритвин, В.А. Германова, В.И. Карагодин, Р.И. Нигметзянов, Д.С. Фатюхин // Вестник Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ). – 2017. – № 1 (48). – С. 63–67. – EDN YGTWIP.
  30. Sequential treatment of steel surfaces by nitriding and ultrasonic hardening / S.K. Sundukov, R.I. Nigmetzyanov, V.M. Prikhodko, D.S. Fatyukhin // Key Engineering Materials. – 2022. – Vol. 910. – P. 484–489. – doi: 10.4028/p-vz1gn6. – EDN IZHMOF.
  31. Hybrid technology for surface hardening of structural steel / O.V. Chudina, V.M. Prikhod'ko, D.S. Simonov, P. Bringulis // Russian Engineering Research. – 2022. – Vol. 42 (11). – P. 1192–1194. – doi: 10.3103/s1068798x22110065. – EDN PWBBGV.
  32. Effective combined surface hardening processes of structural steels using ultrasound / O. Chudina, D. Simonov, T. Simonova, A. Litovchenko // E3S Web of Conferences. – 2023. – Vol. 431. – P. 06024. – doi: 10.1051/e3sconf/202343106024.
  33. Salmi M., Huuki J., Ituarte I.F. The ultrasonic burnishing of cobalt-chrome and stainless steel surface made by additive manufacturing // Progress in Additive Manufacturing. – 2017. – Vol. 2. – P. 31–41. – doi: 10.1007/s40964-017-0017-z.
  34. Enhancement of the microstructure and fatigue crack growth performance of additive manufactured titanium alloy parts by laser-assisted ultrasonic vibration processing / S.A. Ojo, K. Manigandan, G.N. Morscher, A.L. Gyekenyesi // Journal of Materials Engineering and Performance. – 2024. – Vol. 33. – P. 10345–10359. – doi: 10.1007/s11665-024-09323-8.
  35. Surface properties of additively manufactured 316L steel subjected to ultrasonic rolling / Q. Xu, Z. Qiu, D. Jiang, G. Cai, X. Yang, J. Liu, G. Li // Journal of Materials Engineering and Performance. – 2024. – P. 1–10. – doi: 10.1007/s11665-024-09173-4.
  36. Effects of ultrasonic impact treatment on the stress-controlled fatigue performance of additively manufactured DMLS Ti-6Al-4V alloy / P. Walker, S. Malz, E. Trudel, S. Nosir, M.S.A. ElSayed, L. Kok // Applied Sciences. – 2019. – Vol. 9 (22). – P. 4787. – doi: 10.3390/app9224787
  37. Comprehensive estimation of changes in the microgeometry of steel 45 by ultrasonic plastic deformation with a free deforming element / D.S. Fatyukhin, R.I. Nigmetzyanov, V.M. Prikhodko, A.V. Sukhov, S.K. Sundukov // Metals. – 2023. – Vol. 13 (1). – P. 114. – doi: 10.3390/met13010114. – EDN VTASEF.
  38. Машина трения универсальная МТУ-01. ТУ 32.99.53-001-78940767-2018. Руководство по эксплуатации. – ООО «Продвинутые технологии», 2023. – 18 с.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать


Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).