Numeryczne prognozowanie wpływu naprężeń własnych na wartości granicy zmęczeniowej koła zębatego hartowanego indukcyjnie

• Autorzy: Siedlaczek P. , Sawicki J. , Kubiak T.

Warianty tytułu

EN

Numerical prognosis of residual stress influence on fatigue limit for induction hardened gears

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Elementy konstrukcyjne o ogólnych kształtach, jak np. elementy krzywikowe czy zębate, po procesie obróbki cieplnej zawierają niejednorodny stan naprężeń własnych. W konstrukcji pracującej pod obciążeniem ten przestrzenny stan naprężeń własnych jest superponowany z przeważnie kierunkowymi naprężeniami pochodzącymi od oddziaływań zewnętrznych. Wywołuje to zmianę w wartości, jak i kierunku składowych amplitudy wynikowego tensora naprężenia efektywnych, a przy dużych obciążeniach prowadzi do redystrybucji naprężeń własnych. W obliczeniach analitycznych często jest zaniedbywany fakt przestrzenności stanu naprężeń. Efektem są rozbieżności między obserwowaną eksperymentalnie a przewidywaną trwałością elementów konstrukcyjnych. Zaproponowano rozszerzenie zakresu stosowanych zwykle analiz wytrzymałościowych o precyzyjną symulację procesu technologicznego hartowania z wykorzystaniem metod numerycznych. Dzięki uzyskanym wynikom rozszerzono wiedzę o rozkładzie i zmienności występujących w komponencie naprężeń. Takie podejście umożliwia zaplanowanie parametrów procesu obróbki i kształtu konstrukcji w celu otrzymania wymaganych właściwości technologicznej warstwy wierzchniej. W pracy przedstawiono metodę numerycznej analizy rozkładu naprężeń własnych po hartowaniu indukcyjnym i ich wpływu na wytrzymałość zmęczeniową. Zaprezentowano wyniki dla przestrzennych modeli walcowych kół zębatych o zębach skośnych i dużym module. Opisana metoda umożliwia prognozowanie rozkładu rzeczywistej granicy zmęczeniowej w elementach konstrukcyjnych z obecnym gradientem naprężeń własnych, jak również określenie ich trwałości zmęczeniowej. Zatem opisana procedura umożliwia wyznaczenie współczynników korygujących, co przekłada się na większe bezpieczeństwo projektowanych elementów i niższy koszt.

EN

Thermally treated general shaped components include non-uniform residual stress state. In the design under working conditions, the spatial residual stress state is superposed with mostly directional stress from external loading. This cause changes of resultant stress tensor values and effective stress angle. Moreover, sufficiently high loads lead to redistribution of residual stress. Often in analytical calculations the stress dimensionality is omitted. As an effect, are observed differences in experimental and expected life of components. It was proposed to extend the scope of commonly made structural analyses by precise simulation of technological process of hardening with the aid of numerical methods. Thanks to this, the knowledge about distribution and variability of acting stress on the components are valuably increased. Presented approach allows planning of the thermal treatment process parameters and adjusting design shape for required properties of the technological surface layer. This paper presents the method of numerical analysis of residual stresses distribution after induction hardening and its effect on the fatigue life. The results for the three-dimensional model of high module gear are presented. The described method allows prediction of fatigue limit distribution across the structural component with residual stress gradient, as well as determination of its fatigue life. It is possible to determine the magnitude and distribution of influence factors. This converts into higher safety of designed components and its lower cost.

Słowa kluczowe

PL

analiza numeryczna; naprężenia własne; wytrzymałość zmęczeniowa; superpozycja naprężeń; symulacja procesu technologicznego; ANSYS; hartowanie

EN

numerical analysis; residual stress; material fatigue; stress superposition; simulation of technological process; ANSYS; hardening

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Inżynieria Materiałowa
• Rocznik: 2013
• Tom: Vol. 34, nr 6
• Strony: 859--863
• Opis fizyczny: Bibliogr. 11 poz., rys.

Twórcy

autor

Siedlaczek P.

• MESCO, Poland, Tarnowskie Góry

autor

Sawicki J.

• Instytut Inżynierii Materiałowej, Politechnika Łódzka

autor

Kubiak T.

• Katedra Wytrzymałości Materiałów i Konstrukcji, Politechnika Łódzka

Bibliografia

• [1] Bhadeshia H. K. D. H.: Steels for bearings. Progress in Materials Science 57 (2012) 268÷435.
• [2] Gawroński Z.: Wpływ stanu naprężeń własnych w warstwach azotowanych na zużycie o charakterze zmęczenia stykowego. Zeszyty Naukowe Nr 755, Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej, Łódź (1999).
• [3] Hellenthal L., Groth C.: Simulation of residual stresses in an inductionhardened roll. 23rd CADFEM Users’ Meeting (2005).
• [4] da Silva A., Pedrosa D., Gonzalez-Mendez T. A., Xiaohui J. L., Cetlin J., Altan P. R. T.: Distortion in quenching an AISI 4140 steel C-ring-predictions and experiments. Scientific Forming Technology Corporation, dostęp dnia: 2012.04.22, http://nsmwww.eng.ohio-state.edu/654.pdf.
• [5] Tsunorori M., Terasami S., Shito M., Kasa S., Ishige K., Kawai M., Katsamata K.: Numerical simulation of gas quenching process and deformation. 5th Quenching and Control of Distortion Conference 5 (2007) 31÷37.
• [6] ANSYS Technical Documentation Inc.
• [7] Zielnica J., Zielnica M.: Plastyczność wywołana przemianami fazowymi (TRIP) w numerycznej analizie naprężeń hartowniczych. Modelowanie Inżynierskie ISSN 1896-771x32, Gliwice (2006) 499÷506.
• [8] Simisir C., Gur C. H.: 3D FEM simulation of steel quenching and investigation of asymmetric geometry on residua stress distribution. Journal of Materials Processing Technology 207 (2008) 211÷221.
• [9] Siedlaczek P.: Numerycznie wspomagana metoda prognozowania trwałości zmęczeniowej z uwzględnieniem gradientu naprężeń własnych. Praca doktorska, Poli technika Łódzka, Łódź (2013).
• [10] Andrews K. W.: Empirical formulae for the calculation of some transformation temperatures. JISI 203 (1965) 721÷727.
• [11] Gawroński Z., Kubiak T.: Numerical modelling of internal stress in the surface layer of steel subjected to surface induction hardening. Mechanics and Mechanical Engineering International Journal 5 (2) (2001) 137÷146.