بررسي تجربي و شبيه سازي عددي توزيع تنش هاي پسماند غلتك هاي نورد در فنآوري كوبش التراسونيك

Investigation experimental and numerical simulation of residual stresses distribution of rolling mill rolls in ultrasonic peening technology

در اين تحقيق براي تعيين تنش پسماند غلتك هاي نورد از جنس فولاد گرافيتي (GSH48) ، روش غير مخرب پراش اشعه ايكس استفاده شد.در اين روش، براي تعيين تنش پسماند از تغييرات فاصله بين صفحات كريستالي به عنوان كرنش استفاده مي كند. تعيين تنش پسماند بر روي نمونه ها قبل و بعد از فناوري كوبش التراسونيك (UPT) در عمق هاي مختلف انجام شد. در فنآوري كوبش التراسونيك با ايجاد كار سختي و فشردگي در لايه هاي سطحي قطعه كار باعث بهبود برخي خواص مكانيكي از جمله تنش پسماند مي شود. با شبيه سازي و ساخت ابزار ارتعاشي التراسونيك و نصب آن بر روي دستگاه تراش، عمليات UPT بر روي نمونه هاي آماده شده از غلتك هاي نورد انجام گرفت. اندازه گيري تنش پسماند از سطح تا عمق 0.5 ميليمتر، قبل و بعد از فرايند كوبش التراسونيك انجام شد. با شبيه سازي عددي فنآوري كوبش التراسونيك، توزيع تنش پسماند تجربي و شبيه سازي عددي مقايسه گرديد. نتايج مبين افزايش تنش پسماند فشاري در حدود 0.4 ميليمتر از سطح بعد از عمليات UPT مي باشد. افزايش تنش پسماند فشاري باعث اقزايش استحكام و عمر خستگي آنها مي شود و راندمان كاري آنها اقزايش مي يابد. محاسبه اندازه دانه سطح بعد از عمليات كوبش التراسونيك از روي الگوي پراش پرتو X با استفاده از رابطه ويليامسون – هال انجام گرفت كه اندازه دانه 60.2 نانومتر حاصل شد. اين ريز دانه شدن ساختار سطح به دليل چينش مجدد نابجايي ها در اثر ارتعاش با فركانس بالا و تغيير شكل شديد پلاستيك بعد از عمليات UPT رخ مي دهد.

In this study, a non-distractive method of x-ray diffraction (XRD) was used to determine residual stress of rolling mill rolls made of graphite steel (GSH48). This method utilizes the variations of distance between crystal planes as strain. The determination of residual stress was performed on samples in different depths before and after conducting ultrasonic peening technology. In UPT process, impacts were exerted on the workpiece by ball tool, resulting in the improvement of some mechanical properties such as residual stress by creating work hardening and compression. After the simulation and manufacturing of ultrasonic vibratory tool and then the installation of that on lathe machine, UPT operations were conducted on the prepared samples. Measuring residual stress from surface to 0.5 mm depth was performed before and after the UPT process. After the numerical simulation of the UPT, the distribution of experimental residual stress and numerical simulation was compared, the results suggested the increase of compressive residual stress about 0.4 mm from the surface after the UPT process. The rise of compressive residual stress in the rolling mill rolls leads to the increase of their strength and fatigue life and, as a result, their working efficiency is boosted. After the UPT process, the grain size of the surface was calculated from the model of the x-ray diffraction using Wiliamson-Hall relation in which grain size was obtained 60.2 nm. The refinement of surface structure arises because of displacement arrangement, again due to vibration with high frequency and severe plastic deformation after the UPT process.