Improving the Wear Resistance of Profiled Parts of Binding Equipment by Forming a Microrelief Using the Ultrasonic Burnishing Method

Василь Борисович Струтинський

doi:10.20535/2077-7264.1(87).2025.338218

Автор(и)

Василь Борисович Струтинський Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» [https://ror.org/00syn5v21], Україна https://orcid.org/0000-0001-7167-0085

DOI:

https://doi.org/10.20535/2077-7264.1(87).2025.338218

Ключові слова:

зносостійкість, математичне моделювання, мікрорельєф, ультразвукове накатування, індентор, залишкові напруження поверхневих шарів, профільні сталеві деталі, модифікована модель зносу

Анотація

Об’єктом дослідження є процеси підвищення зносостійкості профільних деталей брошурувального обладнання шляхом формування зміцнювального мікрорельєфу методом ультразвукового накатування. Розглянуто моделі контактної взаємодії сферичного індентора з поверхнею сталевих деталей для визначення закономірностей утворення мікрорельєфу та його впливу на зносостійкість. Проведене дослідження має аналітичний та теоретичний характер і базується на математичному моделюванні контактного навантаження, мікропластичної деформації та параметрів шорсткості поверхні, що формуються внаслідок ультразвукового накатування. Запропоновано модифіковану модель зношування, яка враховує вплив мікрогеометрії поверхні, залишкових напружень і локальної твердості. Основне припущення дослідження полягає в тому, що утворення керованого мікрорельєфу на поверхні деталей призводить до зменшення інтенсивності зносу завдяки перерозподілу контактного тиску, зменшенню площі фактичного контакту та підвищенню мікротвердості обробленого шару. Запропонована математична модель локального зношування дозволяє кількісно оцінити вплив геометричних і механічних характеристик мікрорельєфу на експлуатаційну довговічність поверхні. Модель може бути адаптована до різних матеріалів та режимів ультразвукового накатування. Отримані результати можуть бути використані для подальшого обґрунтування параметрів технології зміцнення профільних елементів брошурувального обладнання з урахуванням геометрії інденторів, матеріалів обробки та механізмів накопичення залишкових напружень.

Біографія автора

Василь Борисович Струтинський, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» [https://ror.org/00syn5v21]

д-р техн. наук, проф.

Посилання

Huuki, J., & Siren, H. (2022). Influence of ultrasonic burnishing on the surface integrity of planar plates. International Journal of Machining and Machinability of Materials, Vol. 23, No. 5/6, 473–487. DOI: 10.1504/IJMMM.2021.10042434 [in English].

Velázquez-Corral, E., Wagner, V., Jerez-Mesa, R., Lluma, J., Travieso-Rodriguez, J. A., & Dessein, G. (2023). Analysis of ultrasonic vibration-assisted ball burnishing process on the tribological behavior of AISI 316L cylindrical specimens. Materials, Vol. 16, No. 16, ID 5595. DOI: 10.3390/ma16165595 [in English].

Saffar, S., Emadi, M., & Khosroabadi, M. (2023). Surface study of the burnishing process when vertical high-power ultrasonics are applied. International Journal of Manufacturing Research, Vol. 18, No. 3, 223–250. DOI: 10.1504/IJMR.2023.132841 [in English].

Zhou, Z.-Y., Zheng, Q.-Y., Li, Y., Ding, C., Peng, G.-J., & Piao, Z.-Y. (2024). Research on the mechanism of the two-dimensional ultrasonic surface burnishing process to enhance the wear resistance for aluminum alloy. Friction, Vol. 12, No. 3, 490–509. DOI: 10.1007/s40544-021-0777-z [in English].

Xu, N., Jiang, X., Shen, X., & Peng, H. (2023). Improving the surface integrity and tribological behavior of a high-temperature friction surface via the synergy of laser cladding and ultrasonic burnishing. Lubricants, Vol. 11, No. 9, ID 379. DOI: 10.3390/lubricants11090379 [in English].

Shen, X., Ma, S., Wang, Z., Yu, Z., Zhang, J., Ma, X., Zhu, J., Yin, Y., Pan, S., & Wei, F. (2024). Multiscale mechanical performance evaluation of L-DED Ti6Al4V by novel ultrasonic burnishing (UB). Journal of Manufacturing Processes, Vol. 124, 708–719. DOI: 10.1016/j.jmapro.2024.06.023 [in English].

Tulupov, V., & Onyshchuk, S. (2021). Doslidzhennia tekhnolohii poverkhnevoho zmitsnennia detalei mashyn [Research on surface hardening technologies for machine parts]. Tekhnichni nauky ta tekhnolohii, 3(25), 55–60. DOI: 10.25140/2411-5363-2021-3(25)-55-60 [in Ukrainian].

Panina, V. V., Didur, V. V., Sieryi, I. S., & Chorna, T. S. (2020). Zmitsnennia detalei za dopomohoiu poverkhnevo-plastychnoi deformatsii [Strengthening parts using surface plastic deformation]. Naukovyi visnyk TDATU, 10(2-148-155). Retrieved from http://elar.tsatu.edu.ua/handle/123456789/12954 [in Ukrainian].

Qiu, Y., Peng, Y., & Zuo, Y. (2024). Ultrasonic impact surface strengthening treatment and fatigue behaviors of titanium alloy thin-walled open hole components. Engineering Fracture Mechanics, Vol. 307, ID 110292. DOI: 10.1016/j.engfracmech.2024.110292 [in English].

Zhu, H., Cheng, H., Zhang, K., Zhang, C., Liu, C., Li, K., Liu, S., Zhang, X., & Tu, S. (2024). Collaborative improvement of macro-deformation and fatigue property for thin-walled parts in TA19 titanium alloy via a double-sided simultaneous ultrasonic surface rolling process. Journal of Materials Processing Technology, Vol. 334, ID 118616. DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2024.118616 [in English].

Liu, Z., Liu, H., Li, J., Xu, K., Li, Z., & Qin, S. (2024). Ultrasonic rolling surface roughness study of shaft parts based on three-dimensional morphology reconstruction. Journal of Mechanical Science and Technology, Vol. 38, No. 11, 6267–6278. DOI: 10.1007/s12206-024-1039-3 [in English].

Silva, R. F., Coelho, P. G., Conde, F. M., Santos, B. R., & Oliveira, J. P. (2024). Minimizing the maximum von Mises stress of elastic continuum structures using topology optimization and additively manufactured functionally graded materials. Computers & Structures, 301, 107469. https://doi.org/10.1016/j.compstruc.2024.107469 [in English].

Guan, S., Cheng, Q., Zhao, Y., & Biswal, B. (2022). Spline adaptive filtering algorithm based on Heaviside step function. Signal, Image and Video Processing, 5, 1333-1343. DOI 10.1007/s11760-021-02085-z [in English].

Iacovelli, G., & Iacovelli, C. (2022). Representing logic gates over Euclidean space via Heaviside step function. Scientific Reports, Vol. 12, No. 1, 1–18. DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-11941-y [in English].