Математичне моделювання та аналіз формування шорсткості поверхні при вібраційно-відцентровому зміцненні на основі багатофакторного експерименту

Автор

І. В. Климаш, Національний університет «Львівська політехніка» (79013, Україна, м. Львів, вул. С. Бандери, 12), e-mail: ivan.v.klymash@lpnu.ua, ORCID: 0009-0006-2384-3539

Анотація

Підвищення експлуатаційної надійності відповідальних деталей машин значною мірою визначається станом поверхневого шару, що формується на фінішних операціях. У зв’язку з цим актуальним є дослідження процесів поверхневого пластичного деформування, які дозволяють поєднати зміцнення структури із забезпеченням мінімальної шорсткості поверхні. У роботі досліджено процес формування шорсткості поверхні сталі 30ХГСА при вібраційно-відцентровому зміцненні із використанням закріплених профільованих роликів. На відміну від обробки у вільному абразиві, такий підхід  забезпечує детермінований характер процесу й технологічне успадкування геометрії інструмента на деталі з концентраторами напружень. Метою роботи є встановлення кількісних закономірностей впливу технологічних чинників: часу обробки (t), амплітуди коливань (A) й робочого зазору (Z) на середньоарифметичне відхилення профілю R_a. Для вирішення задачі застосовано методологію повного факторного експерименту типу 2³ із логарифмічним перетворенням вхідних змінних, що дозволило лінеаризувати степеневу модель і забезпечити високу точність апроксимації. Статистичний аналіз за критеріями Кохрена, Стьюдента та Фішера підтвердив адекватність моделі й допоміг виявити, що домінуючим чинником виступає робочий зазор (Z). Виявлено негативний ефект надмірної тривалості обробки (понад 8 хв для сталі даного класу), що призводить до зростання R_a внаслідок мікровтомного руйнування й явища перенаклепу поверхневого шару. За допомогою методу крутого сходження Бокса-Вілсона визначено оптимальну траєкторію руху у просторі факторів, яка дозволяє забезпечити зниження шорсткості з 6,45 мкм до прогнозованого рівня 1,68 мкм. Отримана модель (R=0,998) має високу прогностичну здатність і може бути використана як математичне підґрунтя для алгоритмізації фінішних операцій зміцнення й розробки систем технологічної підготовки виробництва. Отримані результати дозволяють обґрунтувати раціональні режими вібраційно-відцентрового зміцнення профільованим інструментом, що забезпечує формування стабільного мікрорельєфу і створення залишкових напружень стиску. Це сприяє підвищенню експлуатаційної довговічності й втомної міцності деталей із концентраторами напружень.

Ключові слова: вібраційно-відцентрове зміцнення, шорсткість поверхні, повний факторний експеримент, математичне моделювання, рівняння регресії, метод Бокса-Вілсона, оптимізація технологічних режимів.

Повний текст: завантажити PDF

Література

1. Skoczylas A., Zaleski K. Study on the surface layer properties and fatigue life of a workpiece machined by centrifugal shot peening and burnishing. Materials. 2022. Vol. 15. Iss. 19. Article 6677. https://doi.org/10.3390/ma15196677.
2. Kusyi Ya., Lychak O., Topilnytskyy V., Bošanský M. Development of the finishing and strengthening technological operations using SADT-technologies. Ukrainian Journal of Mechanical Engineering and Materials Science. 2019. Vol. 5. No. 3–4. P. 57–69. https://doi.org/10.23939/ujmems2019.03-04.057.
3. Kyryliv Ya., Maksymiv O., Kyryliv V., Tsizh B., Vynar V., Yemelyanenko S. Impact of deformation force by vibration-centrifugal hardening on the properties of the surface nanostructure of steel 40Kh. Journal of Materials Engineering and Performance. 2025. Vol. 34. P. 29182–29192. https://doi.org/10.1007/s11665-025-11450-9.
4. Kyryliv Ya., Kyryliv V., Sas N., Dutka V. Residual stresses formed by vibration-centrifugal hardening. Advances in Materials Science and Engineering. 2020. Vol. 2020. Article 5189473. 7 p. https://doi.org/10.1155/2020/5189473.
5. Stupnytskyy V., Kusyi Ya., Dragašius E., Baskutis S, Chatys R. Modeling of vibrational-centrifugal strengthening for functional surfaces of machine parts. In: Tonkonogyi V., Ivanov V., Trojanowska J., Oborskyi G., Pavlenko I. (eds.) Advanced Manufacturing Processes V. InterPartner 2023. Lecture Notes in Mechanical Engineering. Springer, Cham, 2023. P. 231‑244. https://doi.org/10.1007/978-3-031-42778-7_21.
6. Галан Ю. Я. Підвищення ефективності технологічного процесу вібраційно-відцентрової обробки деталей в сипучому абразивному середовищі: дис. … д-ра філ. … 131 «Прикладна механіка». Тернопіль : ТНТУ, 2021. 194 с.
7. Lyashuk O., Mytnyk M., Aulin V., Lutsiv I., Tkachenko I., Galan Yu., Perenchuk O., Kondratiuk O. Mathematical model of vibration-centrifugal processing of parts using loose abrasive. Key Engineering Materials. 2024. Vol. 981. P. 87‑106. https://doi.org/10.4028/p-WHu4HR.
8. Гевко Б. М., Кондратюк О. М., Лящук О. Л., Марчук М. М., Серілко Л. С., Галан Ю. Я. Підвищення ефективності вібраційно-відцентрового оброблення деталей вільними абразивами. Рівне: НУВГП, 2017. 136 с.
9. Kyryliv V. I., Kyryliv Ya. B., Sas N. Formation of surface ultrafine grain structure and their physical and mechanical characteristics using vibration-centrifugal hardening. Advances in Materials Science and Engineering. 2018. Article 3152170. 7 p. https://doi.org/10.1155/2018/3152170.
10. Kundrák J., Mitsyk A. V., Fedorovich V. A., Markopoulos A. P., Grabchenko A. I., Kundrák J. Simulation of the circulating motion of the working medium and metal removal during multi-energy processing. Machines. 2021. Vol. 9. Iss. 6. Article 118. 22 p. https://doi.org/10.3390/machines9060118.

Надійшла до редакції 04.03.2026
Прийнята 19.03.2026
Опублікована 30.03.2026