Finite Element Simulation of Frictional Surface Hardening by a Rotary Tool During the Hardening of the Faces of Fixation Holes for Washers

G. Zh. Mukanov; V. P. Kuznetsov; V. P. Shveikin; I. S. Kamantsev

doi:10.17804/2410-9908.2023.5.053-068

G. Zh. Mukanov, V. P. Kuznetsov, V. P. Shveikin, I. S. Kamantsev

FINITE ELEMENT SIMULATION OF FRICTIONAL SURFACE HARDENING BY A ROTARY TOOL DURING THE HARDENING OF THE FACES OF FIXATION HOLES FOR WASHERS

DOI: 10.17804/2410-9908.2023.5.053-068

The paper discusses a methodology for simulating friction stir processing in order to determine the process parameters and to provide surface hardening for flanges with a cavity. In accordance with the developed methodology presented by the results of literature analysis, it describes a computational computer model developed in Ansys Mechanical and based on the finite element method. The thermophysical properties of the material under study and the tool material, which are taken into account in the FEM simulation of the processes, are presented as dependent on temperature. By comparison with experimental research, the simulation results are verified in terms of a number of parameters, such as the depth of the hardened layer and the diameter of the surface area of the faces of holes for bolted joints. The results of measuring the microhardness of the hardened layers of the AISI 420 steel are presented, and their dependence on the depth of the hardened layer is determined. Numerical simulation is used to compute the values of the geometrical parameters of the areas subjected to surface hardening by friction stir processing with the variation of the process parameter, namely tool rotation speed, the force acting along the normal to the surface being processed, and the friction coefficient. The numerical simulation gives results on the thermal state of the specimen, particularly, maximum temperatures in the contact zone, as well as temperature and time dependences.

Acknowledgement: -

Keywords: friction stir processing, simulation, thermal cycle, FEM, surface heat treatment

References:

Eliseev, A.A., Fortuna, S.V., Kolubaev, E.A., and Kalashnikova, T.A., Microstructure modification of 2024 aluminum alloy produced by friction drilling. Materials Science & Engineering A, 2007, 691, 121–125. DOI: 10.1016/j.msea.2017.03.040.
Krasauskas, P., Kilikevičius, S., Česnavičius, R., and Pačengaetc, D. Experimental analysis and numerical simulation of the stainless AISI 304 steel friction drilling process. Mechanika, 2014, 20 (6), 590−595. DOI: 10.5755/j01.mech.20.6.8664.
Mishra, R.S. and Ma, Z.Y. Friction stir welding and processing. Materials Science and Engineering: R: Reports, 2005, 50 (1–2), 1–78. DOI: 10.1016/j.mser.2005.07.001.
Aldajah, S.H., Ajayi, O.O., Fenske, G.R., and David, S. Effect of friction stir processing on tribological performance of high carbon steel. Wear, 2009, 267, 350–355. DOI: 10.1016/J.WEAR.2008.12.020S.
Churyumova, I.A. Razrabotka tekhnologiy uprochneniya boltovykh otverstiy v zheleznodorozhnykh relsakh [Developing the Processes of Hardening of Bolt Holes in Railway Rails: Candidate Thesis Abstract]. Moscow, 1991, 28 p.
Voropaev, V.V. Upravlenie poverkhnostnoy zakalkoy koltsevykh uchastkov stali 20Kh13 pri obrabotke treniem s peremeshivaniem [Controlling the Surface Hardening of Circular Areas in the 20Kh13 Steel (AISI 420) During Friction Stir Processing: Cand. Thesis]. Ekaterinburg, 2021, 169 p.
GOST 4543–2016. Interstate Standard. Structural Alloy Steel Products: Specifications.
Zhang, Z., Farahmand, P., and Kovacevic, R. Laser cladding of 420 stainless steel with molybdenum on mild steel A36 by a high-power direct diode laser. Materials & Design, 2016, 109, 686–699. DOI: 10.1016/j.matdes.2016.07.114.
Rech, J., Arrazola, P., Claudin, C., Courbon, C., Pušavec, F., and Kopac, J. Characterisation of friction and heat partition coefficients at the tool-work material interface in cutting. Manufacturing Technology, 2013, 62 (1), 79–82. DOI: 10.1016/j.cirp.2013.03.099.
Kuznetsov, V.P., Voropaev, V.V., and Skorobogatov, A.S., ed. by A.A. Popov. Friktsionnaya poverkhnostnaya zakalka vrashchayushchimsya instrumentom [Frictional Surface Hardening of Steels by a Rotating Tool: Tutorial Higher Education Students]. Izdatelstvo Uralskogo Universiteta Publ., Ekaterinburg, 2022.
GOST 11371–78. Interstate Standard. Washers. Specifications.

Г. Ж. Муканов, В. П. Кузнецов, В. П. Швейкин, И. С. Каманцев

КОНЕЧНО-ЭЛЕМЕНТНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ФРИКЦИОННОЙ ПОВЕРХНОСТНОЙ ЗАКАЛКИ ВРАЩАЮЩИМСЯ ИНСТРУМЕНТОМ ПРИ УПРОЧНЕНИИ ТОРЦОВ КРЕПЕЖНЫХ ОТВЕРСТИЙ ПОД ШАЙБЫ

Представлена методика моделирования процесса обработки трением с перемешиванием для определения параметров процесса и обеспечения поверхностной закалки для фланцев с полостью. В соответствии с разработанной методикой, представленной по результатам литературного анализа, описана разработанная в программном обеспечении Ansys Mechanical расчетная компьютерная модель, основанная на методе конечных элементов. Приведены теплофизические свойства исследуемого материала и материала инструмента в температурной зависимости, которые учтены в МКЭ-моделировании процессов. Путем сравнения с экспериментальными исследованиями проведена верификация результатов моделирования по ряду параметров, среди которых глубина закаленного слоя и диаметр поверхностного участка торцов отверстий под болтовые соединения. Представлены результаты измерений микротвердости упрочненных слоев стали 20Х13, и определена их зависимость от глубины упрочняемого слоя. Методом численного моделирования вычислены значения геометрических параметров участков, подвергаемых поверхностной закалке в результате проведения обработки трением с перемешиванием с вариацией технологических параметров, таких как скорость вращения инструмента, сила, действующая по нормали к обрабатываемой поверхности, коэффициент трения. В результате численного моделирования получено тепловое состояние исследуемого образца, в частности максимальные температуры в контактной зоне и температурно-временные зависимости.

Благодарность: -

Ключевые слова: обработка трением с перемешиванием, моделирование, термический цикл, МКЭ, поверхностная закалка

Библиография:

Microstructure modification of 2024 aluminum alloy produced by friction drilling / A. A. Eliseev, S. V. Fortuna, E. A. Kolubaev, T. A. Kalashnikova // Materials Science & Engineering. – 2007. – Vol. 691. – P. 121–125. – DOI: 10.1016/j.mser.2005.07.001.
Experimental analysis and numerical simulation of the stainless AISI 304 steel friction drilling process / P. Krasauskas, S. Kilikevičius, R. Česnavičius, D. Pačengaetc // Mechanika. – 2014. – Vol. 20 (6). – P. 590−595. – DOI: 10.5755/j01.mech.20.6.8664.
Mishra R. S., Ma Z. Y. Friction stir welding and processing // Materials Science and Engineering: R: Reports. – 2005. – Vol. 50 (1–2). – P. 1–78. – DOI: 10.1016/j.mser.2005.07.001.
Effect of friction stir processing on tribological performance of high carbon steel / S. H. Aldajah, O. O. Ajayi, G. R. Fenske, S. David // Wear. – 2009. – Vol. 267. – P. 350–355. – DOI: 10.1016/J.WEAR.2008.12.020.
Чурюмова И. А. Разработка технологий упрочнения болтовых отверстий в железнодорожных рельсах : автореф. дис. … канд. техн. наук : 05.16.01. – Москва, 1991. – 28 с.
Воропаев В. В. Управление поверхностной закалкой кольцевых участков стали 20Х13 при обработке трением с перемешиванием : дис. канд. техн. наук : 05.16.09. – Екатеринбург, 2021. – 169 p.
ГОСТ 4543–2016. Межгосударственный стандарт. Металлопродукция из конструкционной легированной стали. Технические условия.
Zhang Z., Farahmand P., Kovacevic R. Laser cladding of 420 stainless steel with molybdenum on mild steel A36 by a high-power direct diode laser // Materials & Design. – 2016. – Vol. 109. – P. 686–699. – DOI: 10.1016/j.matdes.2016.07.114.
Characterisation of friction and heat partition coefficients at the tool-work material interface in cutting / J. Rech, P. Arrazola, C. Claudin, C. Courbon, F. Pušavec, J. Kopac // Manufacturing Technology. – 2013. – Vol. 62 (1). – P. 79–82. – DOI: 10.1016/j.cirp.2013.03.099.
Кузнецов В. П., Воропаев В. В., Скоробогатов А. С. Фрикционная поверхностная закалка сталей вращающимся инструментом : учебное пособие для студентов вуза / науч. ред. А. А. Попов ; Уральский федеральный ун-т имени первого Президента России Б. Н. Ельцина. – Екатеринбург : Издательство Уральского университета, 2022. – 109 с.
ГОСТ 11371–78. Шайбы. Технические условия.

Библиографическая ссылка на статью

Finite Element Simulation of Frictional Surface Hardening by a Rotary Tool During the Hardening of the Faces of Fixation Holes for Washers / G. Zh. Mukanov, V. P. Kuznetsov, V. P. Shveikin, I. S. Kamantsev // Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures. - 2023. - Iss. 5. - P. 53-68. -
DOI: 10.17804/2410-9908.2023.5.053-068. -
URL: http://dream-journal.org/issues/2023-5/2023-5_409.html
(accessed: 03.04.2025).