ANALYTICAL SOLUTION OF THE PROBLEM OF DETERMINING RESIDUAL STRESSES IN SHAFTS AFTER STRENGTHENING TREATMENT BY PPD METHODS

Authors

DOI:

https://doi.org/10.35546/kntu2078-4481.2026.2.6

Keywords:

surface hardening, PPD, rolling, residual stresses, surface plastic layer, shafts, durability of machine parts

Abstract

The article is devoted to the analytical solution of the problem of determining residual stresses in shafts after strengthening treatment by surface plastic deformation (SPD) methods. A shaft is an important component in mechanical engineering. Its durability depends on the condition of the surface layer. Surface plastic deformation is an effective method of finishing. The essence of the method is to compact the metal structure with a tool without removing a layer of material. As a result, hardness increases, compressive residual stresses are formed, and fatigue resistance increases. Among the SPF methods, roller burnishing is particularly widespread. For low-stiffness shafts, this method requires precise calculation of parameters. The aim of the study is to obtain analytical expressions for axial, tangential, and radial residual stresses at any depth of the plastically deformed layer. The solution is based on the differential equation of equilibrium, taking into account the replacement of the radial coordinate. The parameter λ(z) of the residual shear modulus of the hardened layer is introduced. It describes the nonlinear behavior of the material in the deformation zone. It has been established that the radial residual stresses have a positive sign. They are zero at the surface and increase with depth to a maximum at the boundary of the plastically deformed layer. Tangential and axial stresses are negative and correspond to compression throughout the entire thickness of the hardened zone. It has been found that a single static load does not reproduce real running-in conditions. During hardening, shear deformations occur in the directions of roller feed and rolling. They increase the hardness gradient and reduce radial deformation by 15–20% compared to the calculated data. Taking these effects into account significantly improves the correspondence of theoretical diagrams to experimental results. The proposed approach is presented in a form convenient for practical application. Based on it, it is possible to reasonably assign PPD modes such as rolling force, tool parameters, and feed. This allows the formation of a system of compressive stresses of the required intensity in the surface layer of the shafts.

References

Liang Z.-Q., Chen Y.-F., Luan X.-S., Li H.-W., Liu X.-L., Chen J.-J., Li Y., Wang K., Wang X.-B. Simulation and experimental study on residual stress of ultra-high strength steel under powerful rolling. Surface Technology, 2021. 50 (1). art. no. 1001-3660(2021)01-0413-09, pp. 413 – 421. DOI: 10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2021.01.038

Marchenko D., Artyukh V., Matvyeyeva K. Analysis of the influence of surface plastic deformation on increasing the wear resistance of machine parts. Problems of Tribology, 2020. 25. pp. 6 – 11.

Zubiekhina-Khaiiat A.V., Marchenko D.D. Mathematical modeling of the process of rolling body rolls with needed rollers. Problems of Tribology, 2019. 24 (3-93). pp. 45 – 50.

Дудніков А. А., Дудник В. В., Бурлака О. А., Канівець О. В. Зміна характеристик матеріалу деталей при вібраційному зміцненні. Вібрації в техніці та технологіях. 2020, № 4 (99). С. 21-28. DOI: 10.37128/2306-8744-2020-4-3.

Афтаназів І. С., Гавриш А. П., Китичок П. О. Підвищення надійності деталей машин поверхневим пластичним деформуванням : Навчальний посібник. Житомир: ЖІТІ, 2001.

Сошко В. О., Діневич Г. Ю., Сімінченко І. П., Малигін О. В., Крючковський В. В. Використання багатофакторних статистичних моделей для дослідження процесів, що спостерігаються при механічній обробці металів: навч.-метод. посіб. Херсон: Олді-плюс, 2010. 94 с.

Butakov B. Surface waviness when rolling bodies of revolution with rollers. Motrol, Motoryzacja I energetyka rolnictwa, 2013. 15 (2). pp. 15 – 22.

Сердюк О. В., Сивак І. О., Карватко М. А. Напружено-деформований стан в осередку деформації при вдавлюванні тороїдального ролика. Наукові нотатки: міжвузівський збірник (за галузями знань «Технічні науки»). 2013, Вип. 40. с. 251-256.

Serdyuk O.V., Sivak I.O., Sukhorukov S.I., Sivak R.I. Evaluation of the plasticity of a metal surface layer under non-monotonic loading. Scientific Notes: Interuniversity Collection (In the Field of Knowledge “Technical Sciences”), 2016. 54. pp. 277 – 281.

Савуляк В. В. Пластичне деформування тонколистового матеріалу в умовах звичних локалізацій деформацій та напружень : монографія. Вінниця: УНІВЕРСУМ-Вінниця. 2008, 150 c.

Михалевич В. М., Добранюк Ю. В. Модель пластичного деформування матеріалу на вільній поверхні циліндричних зразків під час вісесиметричного осадження. Частина 2. Визначення накопиченої деформації та інтенсивності логарифмічних деформацій на основі різних апроксимацій. Вісник Вінницького політехнічного інституту. 2010, № 3. С. 99-102.

Дудніков А. А., Дудник В. В., Біловод О. І., Канівець О. В., Бурлака О. А. Підвищення ресурсу зернопосівних машин. Інженерія природокористування. 2021, № 4(18), С. 68-72. DOI: https://doi.org/10.37700/enm.2020.4(18).68–72.

Khomenko A. V. Severe plastic deformation: Methods and mathematical models of nanomaterials formation. 2020, 24 (2), art. no. 2001, pp. 1-20. DOI: 10.30970/jps.24.2001

Cубботіна В. В., Білозеров В. В., Cубботін О. В. та інші Управління величиною і розподілом залишкових макронапружень, що подаються обкочуванням роликами. Вісник Харківського національного автомобільно-дорожнього університету. 2024, № 107 (2024). С. 78-81. DOI: 10.30977/BUL.2219-5548.2024.107.0.78

Published

2026-05-07