Mathematical Modeling and Analysis of Surface Roughness Formation During Vibration-Centrifugal Hardening Based on Multi-Factor Experimentation
Improvement of the operational reliability of critical machine parts is largely determined by the surface layer state formed during finishing operations. In this regard, research into surface plastic deformation processes, which combine structural strengthening with the achievement of minimum surfac...
Збережено в:
| Дата: | 2026 |
|---|---|
| Автор: | |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Англійська Українська |
| Опубліковано: |
Інститут енергетичних машин і систем ім. А. М. Підгорного Національної академії наук України
2026
|
| Онлайн доступ: | https://journals.uran.ua/jme/article/view/359599 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Journal of Mechanical Engineering |
Репозитарії
Journal of Mechanical Engineering| _version_ | 1864308157839310848 |
|---|---|
| author | Климаш, І. В. |
| author_facet | Климаш, І. В. |
| author_sort | Климаш, І. В. |
| baseUrl_str | https://journals.uran.ua/jme/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-05-04T07:02:13Z |
| description | Improvement of the operational reliability of critical machine parts is largely determined by the surface layer state formed during finishing operations. In this regard, research into surface plastic deformation processes, which combine structural strengthening with the achievement of minimum surface roughness, is of high relevance. The process of surface roughness formation in 30KhGSA steel during vibration-centrifugal hardening using fixed profiled rollers is studied in this paper. In contrast to processing in a loose abrasive medium, this approach ensures a deterministic character of the process and technological inheritance of the tool geometry on parts with stress concentrators. The aim of the paper is to establish quantitative regularities of the influence of technological factors: processing time (t), vibration amplitude (A), and working gap (Z) on the arithmetic mean deviation of the profile (Ra). To solve this problem, a full factorial experiment of the 23 type with logarithmic transformation of input variables, which allowed for the linearization of the power model and ensured high approximation accuracy, was applied. Statistical analysis using Cochran's, Student's, and Fisher's criteria confirmed the model's adequacy and revealed that the working gap (Z) is the dominant factor. A negative effect of excessive processing duration (over 8 min) was identified, leading to an increase in Ra due to micro-fatigue failure and the overshoot (surface peeling) phenomenon. Using the Box‑Wilson steepest ascent method, optimal modes were determined, ensuring a reduction in roughness from 6.45 μm to a predicted level of 1.68 μm. The resulting model (R=0.998) possesses high predictive capability and can serve as a mathematical foundation for algorithmizing finishing hardening operations and developing systems for technological production planning. The obtained results provide a basis for justifying the rational operating regimes of vibrational-centrifugal hardening with profiled tools, ensuring the formation of a stable microrelief and the induction of compressive residual stresses. This enhances the operational durability and fatigue strength of parts containing stress concentrators. |
| first_indexed | 2026-05-05T01:00:07Z |
| format | Article |
| id | journalsuranuajme-article-359599 |
| institution | Journal of Mechanical Engineering |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | English Ukrainian |
| last_indexed | 2026-05-05T01:00:07Z |
| publishDate | 2026 |
| publisher | Інститут енергетичних машин і систем ім. А. М. Підгорного Національної академії наук України |
| record_format | ojs |
| spelling | journalsuranuajme-article-3595992026-05-04T07:02:13Z Mathematical Modeling and Analysis of Surface Roughness Formation During Vibration-Centrifugal Hardening Based on Multi-Factor Experimentation Математичне моделювання та аналіз формування шорсткості поверхні при вібраційно-відцентровому зміцненні на основі багатофакторного експерименту Математичне моделювання та аналіз формування шорсткості поверхні при вібраційно-відцентровому зміцненні на основі багатофакторного експерименту Климаш, І. В. Improvement of the operational reliability of critical machine parts is largely determined by the surface layer state formed during finishing operations. In this regard, research into surface plastic deformation processes, which combine structural strengthening with the achievement of minimum surface roughness, is of high relevance. The process of surface roughness formation in 30KhGSA steel during vibration-centrifugal hardening using fixed profiled rollers is studied in this paper. In contrast to processing in a loose abrasive medium, this approach ensures a deterministic character of the process and technological inheritance of the tool geometry on parts with stress concentrators. The aim of the paper is to establish quantitative regularities of the influence of technological factors: processing time (t), vibration amplitude (A), and working gap (Z) on the arithmetic mean deviation of the profile (Ra). To solve this problem, a full factorial experiment of the 23 type with logarithmic transformation of input variables, which allowed for the linearization of the power model and ensured high approximation accuracy, was applied. Statistical analysis using Cochran's, Student's, and Fisher's criteria confirmed the model's adequacy and revealed that the working gap (Z) is the dominant factor. A negative effect of excessive processing duration (over 8 min) was identified, leading to an increase in Ra due to micro-fatigue failure and the overshoot (surface peeling) phenomenon. Using the Box‑Wilson steepest ascent method, optimal modes were determined, ensuring a reduction in roughness from 6.45 μm to a predicted level of 1.68 μm. The resulting model (R=0.998) possesses high predictive capability and can serve as a mathematical foundation for algorithmizing finishing hardening operations and developing systems for technological production planning. The obtained results provide a basis for justifying the rational operating regimes of vibrational-centrifugal hardening with profiled tools, ensuring the formation of a stable microrelief and the induction of compressive residual stresses. This enhances the operational durability and fatigue strength of parts containing stress concentrators. Підвищення експлуатаційної надійності відповідальних деталей машин значною мірою визначається станом поверхневого шару, що формується на фінішних операціях. У зв'язку з цим актуальним є дослідження процесів поверхневого пластичного деформування, які дозволяють поєднати зміцнення структури із забезпеченням мінімальної шорсткості поверхні. У роботі досліджено процес формування шорсткості поверхні сталі 30ХГСА при вібраційно-відцентровому зміцненні із використанням закріплених профільованих роликів. На відміну від обробки у вільному абразиві, такий підхід  забезпечує детермінований характер процесу й технологічне успадкування геометрії інструмента на деталі з концентраторами напружень. Метою роботи є встановлення кількісних закономірностей впливу технологічних чинників: часу обробки (t), амплітуди коливань (A) й робочого зазору (Z) на середньоарифметичне відхилення профілю Ra. Для вирішення задачі застосовано методологію повного факторного експерименту типу 23 із логарифмічним перетворенням вхідних змінних, що дозволило лінеаризувати степеневу модель і забезпечити високу точність апроксимації. Статистичний аналіз за критеріями Кохрена, Стьюдента та Фішера підтвердив адекватність моделі й допоміг виявити, що домінуючим чинником виступає робочий зазор (Z). Виявлено негативний ефект надмірної тривалості обробки (понад 8 хв для сталі даного класу), що призводить до зростання Ra внаслідок мікровтомного руйнування й явища перенаклепу поверхневого шару. За допомогою методу крутого сходження Бокса-Вілсона визначено оптимальну траєкторію руху у просторі факторів, яка дозволяє забезпечити зниження шорсткості з 6,45 мкм до прогнозованого рівня 1,68 мкм. Отримана модель (R=0,998) має високу прогностичну здатність і може бути використана як математичне підґрунтя для алгоритмізації фінішних операцій зміцнення й розробки систем технологічної підготовки виробництва. Отримані результати дозволяють обґрунтувати раціональні режими вібраційно-відцентрового зміцнення профільованим інструментом, що забезпечує формування стабільного мікрорельєфу і створення залишкових напружень стиску. Це сприяє підвищенню експлуатаційної довговічності й втомної міцності деталей із концентраторами напружень. Підвищення експлуатаційної надійності відповідальних деталей машин значною мірою визначається станом поверхневого шару, що формується на фінішних операціях. У зв'язку з цим актуальним є дослідження процесів поверхневого пластичного деформування, які дозволяють поєднати зміцнення структури із забезпеченням мінімальної шорсткості поверхні. У роботі досліджено процес формування шорсткості поверхні сталі 30ХГСА при вібраційно-відцентровому зміцненні із використанням закріплених профільованих роликів. На відміну від обробки у вільному абразиві, такий підхід  забезпечує детермінований характер процесу й технологічне успадкування геометрії інструмента на деталі з концентраторами напружень. Метою роботи є встановлення кількісних закономірностей впливу технологічних чинників: часу обробки (t), амплітуди коливань (A) й робочого зазору (Z) на середньоарифметичне відхилення профілю Ra. Для вирішення задачі застосовано методологію повного факторного експерименту типу 23 із логарифмічним перетворенням вхідних змінних, що дозволило лінеаризувати степеневу модель і забезпечити високу точність апроксимації. Статистичний аналіз за критеріями Кохрена, Стьюдента та Фішера підтвердив адекватність моделі й допоміг виявити, що домінуючим чинником виступає робочий зазор (Z). Виявлено негативний ефект надмірної тривалості обробки (понад 8 хв для сталі даного класу), що призводить до зростання Ra внаслідок мікровтомного руйнування й явища перенаклепу поверхневого шару. За допомогою методу крутого сходження Бокса-Вілсона визначено оптимальну траєкторію руху у просторі факторів, яка дозволяє забезпечити зниження шорсткості з 6,45 мкм до прогнозованого рівня 1,68 мкм. Отримана модель (R=0,998) має високу прогностичну здатність і може бути використана як математичне підґрунтя для алгоритмізації фінішних операцій зміцнення й розробки систем технологічної підготовки виробництва. Отримані результати дозволяють обґрунтувати раціональні режими вібраційно-відцентрового зміцнення профільованим інструментом, що забезпечує формування стабільного мікрорельєфу і створення залишкових напружень стиску. Це сприяє підвищенню експлуатаційної довговічності й втомної міцності деталей із концентраторами напружень. Інститут енергетичних машин і систем ім. А. М. Підгорного Національної академії наук України 2026-05-04 Article Article application/pdf application/pdf https://journals.uran.ua/jme/article/view/359599 Journal of Mechanical Engineering; Vol. 29 No. 1 (2026); 47-54 Проблемы машиностроения; Том 29 № 1 (2026); 47-54 Проблеми машинобудування; Том 29 № 1 (2026); 47-54 2709-2992 2709-2984 en uk https://journals.uran.ua/jme/article/view/359599/345319 https://journals.uran.ua/jme/article/view/359599/345320 Copyright (c) 2026 І. В. Климаш http://creativecommons.org/licenses/by-nd/4.0 |
| spellingShingle | Климаш, І. В. Mathematical Modeling and Analysis of Surface Roughness Formation During Vibration-Centrifugal Hardening Based on Multi-Factor Experimentation |
| title | Mathematical Modeling and Analysis of Surface Roughness Formation During Vibration-Centrifugal Hardening Based on Multi-Factor Experimentation |
| title_alt | Математичне моделювання та аналіз формування шорсткості поверхні при вібраційно-відцентровому зміцненні на основі багатофакторного експерименту Математичне моделювання та аналіз формування шорсткості поверхні при вібраційно-відцентровому зміцненні на основі багатофакторного експерименту |
| title_full | Mathematical Modeling and Analysis of Surface Roughness Formation During Vibration-Centrifugal Hardening Based on Multi-Factor Experimentation |
| title_fullStr | Mathematical Modeling and Analysis of Surface Roughness Formation During Vibration-Centrifugal Hardening Based on Multi-Factor Experimentation |
| title_full_unstemmed | Mathematical Modeling and Analysis of Surface Roughness Formation During Vibration-Centrifugal Hardening Based on Multi-Factor Experimentation |
| title_short | Mathematical Modeling and Analysis of Surface Roughness Formation During Vibration-Centrifugal Hardening Based on Multi-Factor Experimentation |
| title_sort | mathematical modeling and analysis of surface roughness formation during vibration-centrifugal hardening based on multi-factor experimentation |
| url | https://journals.uran.ua/jme/article/view/359599 |
| work_keys_str_mv | AT klimašív mathematicalmodelingandanalysisofsurfaceroughnessformationduringvibrationcentrifugalhardeningbasedonmultifactorexperimentation AT klimašív matematičnemodelûvannâtaanalízformuvannâšorstkostípoverhníprivíbracíjnovídcentrovomuzmícnennínaosnovíbagatofaktornogoeksperimentu |