مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

بررسی اثر پارامترهای کنترلی فرآیند عملیات سطحی کوبش فراصوتی بر تنش‌های پسماند ایجاد شده روی ورق آلومینیوم آلیاژی Al6061

نوع مقاله : پژوهشی اصیل

نویسندگان
1 دانشکده مهندسی مکانیک دانشگاه صنعتی امیر کبیر
2 گروه طراحی کاربردی، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران
3 گروه طراحی کاربردی، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران.
چکیده
چکیده

عملیات سطحی کوبش فراصوتی (اولتراسونیک نیدل پینینگ) از روش‌های نوین قابل استفاده جهت تقویت سطوح قطعات فلزی در برابر بارگذاری‌های استاتیکی و دینامیکی می­باشد. استفاده از این فرایند نیازمند انتخاب دقیق و بهینه پارامترهای عملکردی است. در پژوهش حاضر، با استفاده از مطالعه عددی تاثیر پارامترهای مانند: قطر پین (Needle)، دامنه، سرعت حرکت دستگاه و نیروی استاتیکی بر روی تنش پسماند ایجاد شده روی ورق­های آلومنیوم آلیاژی Al6061 بررسی شده است. با استفاده از دستگاه تفرق اشعه ایکس تنش پسماند اندازه­گیری شد. از روش لایه برداری الکتروشیمیایی جهت اندازه­گیری توزیع تنش پسماند در عمق نمونه استفاده گردید. مدل سه بعدی اجزاء محدود فرایند عملیات سطحی کوبش فراصوتی با استفاده از نرم­افزار آباکوس شبیه­سازی شد. با استفاده از اندازه­گیری­های آزمایشگاهی تنش پسماند مدل اجزا محدود ارایه شده اعتبار سنجی شد. سپس، پارامترهای مهم فرایند کوبش فراصوتی با استفاده از نرم­افزار اجزاء محدود بررسی شد. جهت طراحی آزمایش­ها و بهینه­سازی پارامتراهای فرایند از روش تاگوچی استفاده شد. بر اساس نتایج مشخص شد که قطر پین در مقایسه با پارامترهای دیگر تاثیر کمتری بر روی تنش پسماند فشاری بیشینه دارد و تنش پسماند با افزایش دامنه و کاهش سرعت حرکت ابزار افزایش می­یابد. همچنین، در حالت انتخاب پارامترهای بهینه بیشینه تنش پسماند 24% افزایش یافت.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Influence of the process parameters on induced residual stress by ultrasonic needle peening on Al6061alloy

نویسندگان English

Mehdi Lak 1
seyed ali sadough vanini 2
Ali Ghasemi 3
1 Mechanical engineering departmentAmirkabir university of technologyTehran Iran
2 Mechanical engineering departmentAmirkabir university of technologyTehran Iran
3 Mechanical enginering departmentAmirkabir university of technology Tehran Iran
چکیده English



Abstract

Ultrasonic needle penning is a modern technique that enhances the surface properties of metallic components by imposing static and dynamic loadings. The efficiency of this technique dramatically is dependent on the process parameters. In this study an experimental and numerical investigation on ultrasonic needle penning was carried out. The numerically predicted residual stress profile was verified using X-ray diffraction measurement of residual stress. A 3D finite element model of ultrasonic needle penning was simulated by ABAQUS software. Moreover, a parametric study was performed to investigate the effects of needle diameter, amplitude, device moving speed and static force on residual stress distribution. In order to design of experiments and determine the optimized process parameters of ultrasonic needle penning, Taguchi’s method was implemented. Based on the results, needle diameter had the lowest impact on maximum compressive residual stress and residual stress increases by increasing amplitude and reducing device moving speed. The maximum residual stress was achieved for the needle diameter of 4mm, the amplitude of 16µm, the device moving speed of 1.5cm/s and the static force of 10N. For the optimum case, compressive residual stress was improved 24%.

کلیدواژه‌ها English

Ultrasonic needle peening
Finite element
Optimization
Residual Stress
منابع و مراجع
[1] M. Malaki, H. Ding, A review of ultrasonic peening treatment, Materials & Design 87 (2015) 1072-1086. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2015.08.102
[2] T. Deguchi, M. Mouri, J. Hara, D. Kano, T. Shimoda, F. Inamura, T. Fukuoka, K. Koshio, Fatigue strength improvement for ship structures by Ultrasonic Peening, Journal of Marine Science and Technology 17(3) (2012) 360-369. 10.1007/s00773-012-0172-3
[3] D. Yin, D. Wang, W. Li, X. Li, H. Zhang, S. Naher, Development of a new 3D model for the prediction of residual stress and fracture behaviour in Ti-6Al-4V after ultrasonic peening treatment, Journal of Materials Processing Technology 247 (2017) 29-39. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2017.03.033
[4] E.S. Statnikov, O.V. Korolkov, V.N. Vityazev, Physics and mechanism of ultrasonic impact, Ultrasonics 44 (2006) e533-e538. https://doi.org/10.1016/j.ultras.2006.05.119
[5] E.S. Statnikov, IIW Document XIII-2004-04 PHYSICS AND MECHANISM OF ULTRASONIC IMPACT TREATMENT, 2004.
[6] C. Guo, Z. Wang, D. Wang, S. Hu, Numerical analysis of the residual stress in ultrasonic impact treatment process with single-impact and two-impact models, Applied Surface Science 347 (2015) 596-601. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2015.04.128
[7] K.a.S. Yuan, Y. , Modelling of ultrasonic impact treatment (UIT) of welded joints and its effect on fatigue strength, Frattura ed Integrità Strutturale 9(34) (2015). 10.3221/IGF-ESIS.34.53
[8] K. Yuan, Y. Sumi, Simulation of residual stress and fatigue strength of welded joints under the effects of ultrasonic impact treatment (UIT), International Journal of Fatigue 92 (2016) 321-332. https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2016.07.018
[9] B. Fereidooni, M.R. Morovvati, S.A. Sadough-Vanini, Influence of severe plastic deformation on fatigue life applied by ultrasonic peening in welded pipe 316 Stainless Steel joints in corrosive environment, Ultrasonics 88 (2018) 137-147. https://doi.org/10.1016/j.ultras.2018.03.012
[10] M. Daavari, S.A.S. Vanini, E. Fereiduni, M.H. Rokni, Mechanical and electrochemical behaviors of butt-welded high temperature steel pipes, Engineering Failure Analysis 62 (2016) 287-299. https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2016.01.010
[11] M. Daavari, S.A. Sadough Vanini, Corrosion fatigue enhancement of welded steel pipes by ultrasonic impact treatment, Materials Letters 139 (2015) 462-466. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2014.10.141
[12] M. Daavari, S.A.S. Vanini, The effect of ultrasonic peening on service life of the butt-welded high-temperature steel pipes, Journal of Materials Engineering and Performance 24(9) (2015) 3658-3665.
[13] F. Nový, M. Petrů, L. Trško, M. Jambor, O. Bokůvka, J. Lago, Fatigue properties of welded Strenx 700 MC HSLA steel after ultrasonic impact treatment application, Materials Today: Proceedings (2020). https://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.04.187
[14] A. Abdullah, M. Malaki, A. Eskandari, Strength enhancement of the welded structures by ultrasonic peening, Materials & Design 38 (2012) 7-18. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2012.01.040
[15] P.S. Prevey, X-ray diffraction residual stress techniques, ASM International, ASM Handbook. 10 (1986) 380-392.
[16] M.E. Fitzpatrick, A.T. Fry, P. Holdway, F.A. Kandil, J. Shackleton, L. Suominen, Determination of Residual Stresses by X-ray Diffraction, Issue 2. Measurement Good Practice Guide No: 52., The National Physical Laboratory (NPL)2005.
[17] Standard Test Method for Verifying the Alignment of X-Ray Diffraction Instrumentation for Residual Stress Measurement, 03.01, E 915, Annual Book of ASTM Standards, Philadelphia 1984, pp. 809-812.
[18] Standard Test Method for Determining the Effective Elastic Parameter for X-Ray Diffraction Measurements of Residual Stress, ASTM E1426−98, American Society for Testing And Materials, 2009, p. 5.
[19] T. Chaise, J. Li, D. Nélias, R. Kubler, S. Taheri, G. Douchet, V. Robin, P. Gilles, Modelling of multiple impacts for the prediction of distortions and residual stresses induced by ultrasonic shot peening (USP), Journal of Materials Processing Technology 212(10) (2012) 2080-2090. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2012.05.005
[20] G.R. Johnson, A constitutive model and data for materials subjected to large strains, high strain rates, and high temperatures, Proc. 7th Inf. Sympo. Ballistics (1983) 541-547.
[21] K.G.a.L.M. Lesuer DR, Modeling largestrain, high-rate deformation in metals, Proceedings of the 3rd Biennial tri-laboratory engineering conference modeling and simulation, Lawrence Livermor National Laboratory, Pleasanton, CA,, 1999, pp. 3-5.
[22] D.C. Montgomery, Design and analysis of experiments. ed, John Wiley & Sons 52 (2001) 218-286.