مطالعه تجربی تأثیر زبری سطح اولیه بر نیروهای فرآیند کوبش سطح و حد دوام قطعات فولاد سخت‌کاری شده 4130

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی امیر کبیر، تهران، ایران.

2 صنعتی امیرکبیر*مهندسی مکانیک

3 دانشگاه صنعتی امیر کبیر*مهندسی مکانیک

چکیده

ماشین‌کاری قطعات ساخته شده از فولادهای سخت‌کاری شده، که سختی آنها عمدتاً بالاتر از 45 راکول سی است، سخت‌تراشی نامیده می‌شود. این قطعات که عمدتاً در شرایط بارگذاری خستگی کار می‌کنند، نیازمند مقادیر پایین زبری سطح (در حد 0/15 میکرومتر Ra) هستند که در حالت عادی با فرآیند سخت‌تراشی و کوبش بعد از آن، قابل حصول نمی‌باشد. فرآیند سنگ‌زنی، با وجود بهبود در صافی سطح قطعات، از یک سو منجر به افزایش تنش‌های پسماند کششی شده و از سوی دیگر به دلیل شوک‌های حرارتی شدید، نواحی جوانی‌زنی ترک را افزایش می‌دهد و بنابراین ممکن است استحکام خستگی را کاهش دهد. در این مقاله، تأثیر افزوده شدن یک فرآیند سنگ‌زنی قبل از فرآیند کوبش بر صافی سطح و نیروهای فرآیند مطالعه شده و با هدف در نظر گرفتن تأثیرات فرآیند سنگ‌زنی بر استحکام خستگی، تنش‌های پسماند و حد دوام قطعات تولید شده توسط طرح فرآیند ساخت سخت‌تراشی، سنگ‌زنی و کوبش ساچمه‌ای فولاد سخت‌کاری شده 4130، مورد مطالعه تجربی قرار گرفته است. بر اساس نتایج حاصل، در نمونه‌هایی که قبل از فرآیند کوبش، سنگ‌زنی شده باشند، زبری سطح به طور متوسط 91/56 درصد بهبود یافته و نیروهای فرآیند کوبش به طور متوسط 39/52 درصد کاهش یافته و در عین حال، تنش‌های پسماند سطحی فشاری هستند. در نتیجه این عوامل، حد دوام قطعات تولیدی به طور متوسط 10/95 درصد نسبت به نمونه سخت‌تراشی افزایش یافته است. 

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Experimental Study of the Effect of Initial Surface Roughness on Ball Burnishing Forces and Endurance Limit of AISI 4130 Hardened Steel

نویسندگان [English]

  • Moosa Arsalani 1
  • Mohammad Reza Razfar 2
  • Amir Abdullah 2
  • Mohsen Khajehzadeh 3
1 Ph.D. Student, Mechanical Engineering Department, Amirkabir University of Technology, Theran, Iran.
2 Full Professor, Mechanical Engineering Department, Amirkabir University of Technology,Tehran, Iran.
3 Mechanical Engineering Department of Amirkabir University of Technology
چکیده [English]

Machining of hardened steels, which their hardness is generally higher than 45 Rockwell C, is called hard turning. These components usually work under dynamic loading conditions and require a high level of surface finish (in the order of 0.15 μm Ra) which cannot be achieved by sequential hard turning and burnishing processes. However, there are serious concerns about this complement grinding operation; the grinding process, on one hand, increases tensile residual stresses and on the other hand, increases crack nucleation regions. Therefore, these two factors might decrease workpiece fatigue strength. So, in this paper, the effects of adding a grinding operation before the ball burnishing process, have been experimentally studied on final surface roughness and burnishing forces; at the same time, in order to consider the possible destructive effects of the grinding process, a set of experimental measurements including surface residual stresses and endurance limit measurement, have been done for AISI 4130 fatigue samples. Based on the achieved results, adding a grinding operation before the burnishing process has led to a 91.56% improvement in surface finish and a 39.52% reduction in burnishing forces. In addition, surface residual stress is compressive and there is a slight difference in the magnitude of compressive residual stresses in comparison to burnished hard turned samples. Due to these positive findings, the endurance limit of produced samples shows 10.95% improvement in comparison to burnished hard turned samples.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Ball Burnishing Process
  • Surface roughness
  • Burnishing Forces
  • Grinding
  • Endurance Limit
[1] J.P. Davim, Machining of hard materials, Springer Science & Business Media, 2011.
[2] W. Grzesik, J. Rech, T. Wanat, Surface finish on hardened bearing steel parts produced by superhard and abrasive tools, International Journal of Machine Tools and Manufacture, 47(2) (2007) 255-262.
[3] F. Hashimoto, Y. Guo, A. Warren, Surface integrity difference between hard turned and ground surfaces and its impact on fatigue life, CIRP annals, 55(1) (2006) 81-84.
[4]  A. Saldaña-Robles, H. Plascencia-Mora, E. Aguilera-Gómez, A. Saldaña-Robles, A. Marquez-Herrera, J.A. Diosdado-De la Peña, Influence of ball-burnishing on roughness, hardness and corrosion resistance of AISI 1045 steel, Surface and Coatings Technology, 339 (2018) 191-198.
[5]  S. Swirad, Surface texture analysis after hydrostatic burnishing on X38CrMoV5-1 steel, Chinese Journal of Mechanical Engineering, 32(1) (2019) 1-10.
[6]  A. Dzierwa, A. Markopoulos, Influence of ball-burnishing process on surface topography parameters and tribological properties of hardened steel. Machines 2019; 7 (1): 11, in.
[7] A. Sova, C. Courbon, F. Valiorgue, J. Rech, P. Bertrand, Effect of turning and ball burnishing on the microstructure and residual stress distribution in stainless steel cold spray deposits, Journal of Thermal Spray Technology, 26(8) (2017) 1922-1934.
[8]  J.A. Travieso-Rodríguez, R. Jerez-Mesa, G. Gómez-Gras, J. Llumà-Fuentes, O. Casadesús-Farràs, M. Madueño-Guerrero, Hardening effect and fatigue behavior enhancement through ball burnishing on AISI 1038, Journal of Materials Research and Technology, 8(6) (2019) 5639-5646.
[9]  H. Hamadache, M. Bourebia, O. Taamallah, L. Laouar, Surface hardening of 36 NiCrMo 6 steel by ball burnishing process, Materials Research Express, 6(10) (2019) 106538.
[10] F.C. Magalhães, C.E. Ventura, A.M. Abrão, B. Denkena, B. Breidenstein, K. Meyer, Prediction of surface residual stress and hardness induced by ball burnishing through neural networks, International Journal of Manufacturing Research, 14(3) (2019) 295-310.
[11]  A. Rami, A. Kallel, S. Djemaa, T. Mabrouki, S. Sghaier, H. Hamdi, Numerical assessment of residual stresses induced by combining turning-burnishing (CoTuB) process of AISI 4140 steel using 3D simulation based on a mixed approach, The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 97(5-8) (2018) 1897-1912.
[12]  A.A. García-Granada, G. Gomez-Gras, R. Jerez-Mesa, J.A. Travieso-Rodriguez, G. Reyes, Ball-burnishing effect on deep residual stress on AISI 1038 and AA2017-T4, Materials and Manufacturing Processes, 32(11) (2017) 1279-1289.
[13] L. Luca, S. Neagu-Ventzel, I. Marinescu, Effects of working parameters on surface finish in ball-burnishing of hardened steels, Precision engineering, 29(2) (2005) 253-256.
[14] L.R. da Silva, D.A. Couto, F.V. dos Santo, F.J. Duarte, R.S. Mazzaro, G.V. Veloso, Evaluation of machined surface of the hardened AISI 4340 steel through roughness and residual stress parameters in turning and grinding, The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 107(1) (2020) 791-803.
[15] M. Torres, H. Voorwald, An evaluation of shot peening, residual stress and stress relaxation on the fatigue life of AISI 4340 steel, International Journal of Fatigue, 24(8) (2002) 877-886.
[16]  M. Korzynski, Modeling and experimental validation of the force–surface roughness relation for smoothing burnishing with a spherical tool, International Journal of Machine Tools and Manufacture, 47(12-13) (2007) 1956-1964.
[17] F. Klocke, J. Liermann, Roller burnishing of hard turned surfaces, International Journal of Machine Tools and Manufacture, 38(5-6) (1998) 419-423.
[18] G.E. Dieter, D.J. Bacon, Mechanical metallurgy, McGraw-hill New York, 1976.
[19] A. Subcommittee, Standard test methods for determining average grain size, ASTM International, 1996.
[20] A. Standard, A519-06,“Standard Specification for Seamless Carbon and Alloy Steel Mechanical Tubing” ASTM International, West Conshohocken, PA, in.