«Підвищення якості циліндричних деталей методом поверхневого пластичного деформування»

Кононенко, Іван Іванович
Please use this identifier to cite or link to this item: https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/9003
Title:	«Підвищення якості циліндричних деталей методом поверхневого пластичного деформування»
Authors:	Лега, Андрій Юрійович Кононенко, Іван Іванович
Keywords:	Пластичне деформування
Issue Date:	2024
Abstract:	Тема кваліфікаційної роботи магістра: «Підвищення якості циліндричних деталей методом поверхневого пластичного деформування» Виконавець: студент групи мТМ-32 Кононенко Іван Іванович. Керівник: к.і.н., доцент Лега Андрій Юрійович. Кваліфікаційна робота містить 114 сторінок формату А4, 43 рисунки, 5 таблиць, 49 літературних джерел. Робота присвячена підвищенню якості циліндричних деталей типу валів, осей, штоків методом маятникового поверхневого пластичного деформування. Актуальність теми обумовлена необхідністю підвищення зносостійкості, втомної міцності та корозійної стійкості деталей машин, що експлуатуються у складних умовах. У першому розділі виконано огляд літератури з питань оздоблювальнозміцнювальної обробки, зокрема поверхневого пластичного деформування. Другий розділ присвячено розробці кінематичної схеми маятникового ППД та моделюванню напружено-деформованого стану деталей методом кінцевих елементів. Третій розділ містить результати експериментальних досліджень структури, корозійної стійкості та механічних властивостей зміцнених деталей. Четвертий розділ висвітлює питання охорони праці та безпеки у надзвичайних ситуаціях; Висвітлено обов’язки особового складу формування з обслуговування захисної споруди Розроблені рекомендації можуть бути використані для вдосконалення технології зміцнення деталей машин, зменшення виробничих витрат і підвищення їхньої експлуатаційної надійності.
URI:	https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/9003
Appears in Collections:	131 Прикладна механіка (Технології машинобудування)
Files in This Item:
File	Description	Size	Format
Кононенко.pdf Restricted Access		2.11 MB	Adobe PDF	View/Open Request a copy
Show full item record
Extracted text
Міністерство освіти і науки України 
Черкаський державний технологічний університет 
Факультет електронних технологій, автотранспорту та машинобудування 
Кафедра технології та обладнання машинобудівних виробництв 
 
До захисту допущено: 
Завідувач кафедри ТОМВ 
____________Георгій КАНАШЕВИЧ 
«_____»_____________2024р. 
 
Пояснювальна записка 
до кваліфікаційної роботи магістра 
 
на тему: «Підвищення якості циліндричних деталей методом поверхневого  
пластичного деформування»  
 
 
Виконав: здобувач 2 курсу, групи мТМ-32 
Спеціальності 131 – «Прикладна механіка» 
Освітня програма – «Технології машинобудування» 
Кононенко Іван Іванович 
Керівник: к.і.н., доцент Лега Андрій Юрійович 
Рецензент: Інженер-технолог ПП «Фотоніка плюс» 
м.Черкаси 
Голуб Микола Васильович 
 
 
 
 
 
 
Черкаси 2024 р. 
Черкаський державний технологічний університет 
Факультет електронних технологій, автотранспорту та машинобудування 
Кафедра технології та обладнання машинобудівних виробництв 
Освітній рівень  магістерський. 
Спеціальність 131 «Прикладна механіка». 
Освітня програма «Технології машинобудування» 
 
        ЗАТВЕРДЖУЮ: 
        Завідувач кафедри ТОМВ 
 Георгій КАНАШЕВИЧ 
        «       »       ____________2024р. 
 
ЗАВДАННЯ 
на кваліфікаційну роботу магістра 
 
_Кононенку Івану Івановичу_ 
(прізвище, ім’я, по батькові) 
1. Тема роботи «Підвищення якості циліндричних деталей методом 
поверхневого  пластичного деформування». 
Керівник  роботи Лега Андрій Юрійович, к.і.н., доцент 
                                            (прізвище, ім’я, по батькові, науковий ступінь, вчене звання) 
Затверджена наказом Черкаського державного технологічного університету від 
 «16» вересня 2024р. №272/04 
2. Термін подання здобувачем роботи 26. 11. 2024 р. 
3. Вихідні дані до роботи: Устаткування для поверхневого пластичного 
деформування; Геометричні параметри деталей; Завдання до розділу охорона 
праці та безпека в НС 
4. Зміст пояснювальної записки: Оздоблювально-зміцнювальна обробка деталей 
машин поверхневим пластичним деформуванням; Літературний огляд; 
Напружено-деформований стан циліндричних деталей при маятниковому 
поверхневому пластичному деформуванні; Визначення якості поверхневого 
шару деталей при маятниковому поверхневому пластичному деформуванні. 
експлуатаційні випробування зміцнених деталей; Охорона праці та безпека в 
НС  
5. Перелік графічного матеріал(з точним зазначенням обов’язкових 
креслеників, плакатів, презентацій тощо Тема, мета, задачі, об’єкт 
дослідження, предмет дослідження; Параметри поверхневого шару при різних 
методах обробки. Схема маятникового поверхневого пластичного 
деформування; Поля розподілу інтенсивності тимчасових і залишкових 
напружень; Вплив фізико-механічних властивостей металів на розміри 
пружно-пластичних хвиль при маятниковому ППД; Загальний вигляд пристрою 
для маятникового ППД; Розподіл інтенсивності напружень за глибиною 
циліндра; Корозійні випробування циліндричних зразків зі сталі 45; Раціональні 
режими маятникового ППД; Охорона праці та безпека в НС; Загальні 
висновки  
6. Керівники з роботи із зазначенням розділів роботи, що їх стосується 
Прізвище, ініціали та посада Підпис, дата 
Розділ 
консультанта завдання видав завдання прийняв 
Розділ 1-3 Лега Андрій Юрійович   
Розділ 4 Цікановський Володимир Леонідович   
 
7. Дата видачі завдання 16.09.2024 р. 
Календарний план 
№ Назва етапів дипломного  Строк   
Примітка  
з/п роботи  виконання етапів роботи 
1 Збір інформації для написання КРМ 16.04. - 01.10.2024  
2 Написання І розділу КРМ 02.10.-15.10.2024  
3 Написання ІІ розділу КРМ 16.10 – 24.10.2024  
4 Написання ІІІ розділу КРМ 25.10 – 2.11.2024  
5 Написання розділу з охорони праці 3.11 – 9.11.2024  
6 Оформлення пояснювальної записки 10.11 – 25.11.2024  
7 Оформлення графічної документації 26.11 – 04.12.2024  
8 Захист роботи 17.12.-19.12.2024р.  
    
    
 
 
 
Здобувач                                       ___________              Іван КОНОНЕНКО 
      Підпис       Власне ім’я, ПРІЗВИЩЕ 
 
Керівник                                       ___________                ___Андрій ЛЕГА__ 
      Підпис       Власне ім’я, ПРІЗВИЩЕ 
 
4 
АНОТАЦІЯ 
Тема кваліфікаційної роботи магістра: «Підвищення якості циліндричних 
деталей методом поверхневого  пластичного деформування» 
Виконавець: студент групи мТМ-32 Кононенко Іван Іванович. 
Керівник: к.і.н., доцент Лега Андрій Юрійович. 
Кваліфікаційна робота містить 114 сторінок формату А4, 43 рисунки, 5 
таблиць, 49 літературних джерел. 
Робота присвячена підвищенню якості циліндричних деталей типу валів, 
осей, штоків методом маятникового поверхневого пластичного деформування. 
Актуальність теми обумовлена необхідністю підвищення зносостійкості, 
втомної міцності та корозійної стійкості деталей машин, що експлуатуються у 
складних умовах. 
У першому розділі виконано огляд літератури з питань оздоблювально-
зміцнювальної обробки, зокрема поверхневого пластичного деформування. 
Другий розділ присвячено розробці кінематичної схеми маятникового ППД 
та моделюванню напружено-деформованого стану деталей методом кінцевих 
елементів. 
Третій розділ містить результати експериментальних досліджень структури, 
корозійної стійкості та механічних властивостей зміцнених деталей. 
Четвертий розділ висвітлює питання охорони праці та безпеки у 
надзвичайних ситуаціях; Висвітлено обов’язки особового складу формування з 
обслуговування захисної споруди 
Розроблені рекомендації можуть бути використані для вдосконалення 
технології зміцнення деталей машин, зменшення виробничих витрат і підвищення 
їхньої експлуатаційної надійності. 
  
5 
ABSTRACT 
Master's qualification work topic: "Improvement of the Quality of Cylindrical Parts 
Using Surface Plastic Deformation Method" 
Author: student of group mTM-32, Ivan Kononenko. 
Supervisor: Ph.D., Associate Professor Andriy Lega. 
The qualification work comprises 114 A4 pages, 43 figures, 5 tables, and 49 
references. 
The work focuses on improving the quality of cylindrical parts such as shafts, axles, 
and rods using the pendulum surface plastic deformation (SPD) method. 
The relevance of the topic is due to the need to enhance the wear resistance, fatigue 
strength, and corrosion resistance of machine parts operating under challenging 
conditions. 
The first section reviews the literature on finishing and strengthening treatments, 
specifically surface plastic deformation. 
The second section is devoted to the development of the kinematic scheme of 
pendulum SPD and modeling the stress-strain state of parts using the finite element 
method. 
The third section presents the results of experimental studies on the structure, 
corrosion resistance, and mechanical properties of strengthened parts. 
The fourth section addresses occupational safety and emergency management 
issues. The responsibilities of the personnel of the formation for the maintenance of the 
protective structure are highlighted 
The developed recommendations can be used to improve the technology of 
strengthening machine parts, reduce production costs, and enhance their operational 
reliability. 
 
 
6 
Зміст 
Вступ ................................................................................................................................. 8 
РОЗДІЛ 1. ОЗДОБЛЮВАЛЬНО-ЗМІЦНЮВАЛЬНА ОБРОБКА ДЕТАЛЕЙ 
МАШИН ПОВЕРХНЕВИМ ПЛАСТИЧНИМ ДЕФОРМУВАННЯМ. 
ЛІТЕРАТУРНИЙ ОГЛЯД. ........................................................................................... 12 
1.1 Вплив поверхневого пластичного деформування на якість поверхневого 
шару зміцнених деталей машин .................................................................................. 12 
1.2 Поверхневе пластичне деформування за схемами кочення та ковзання 
робочого інструмента: переваги та недоліки ............................................................. 18 
1.3 Напружено-деформований стан у зоні деформації при поверхневому 
пластичному деформуванні .......................................................................................... 22 
1.4 Залишкові напруження у зміцнених деталях. Способи визначення, їхній 
вплив на якість деталей ................................................................................................ 24 
1.5 Способи та пристрої для статичного поверхневого пластичного 
деформування циліндричних деталей ......................................................................... 27 
Висновки до розділу 1 .............................................................................................. 31 
РОЗДІЛ 2. НАПРУЖЕНО-ДЕФОРМОВАНИЙ СТАН ЦИЛІНДРИЧНИХ 
ДЕТАЛЕЙ ПРИ МАЯТНИКОВОМУ ПОВЕРХНЕВОМУ ПЛАСТИЧНОМУ 
ДЕФОРМУВАННІ ........................................................................................................ 33 
2.1 Кінематична схема маятникового поверхневого пластичного 
деформування. Відмінність кінематики маятникового ППД від традиційних 
способів зміцнення ........................................................................................................ 33 
2.2 Кінцево-елементне моделювання маятникового ППД. Опис програми 
кінцево-елементного розрахунку ................................................................................ 35 
2.3 Визначення максимальних тимчасових та залишкових напружень, характер 
розподілу їх компонент у поперечному перерізі заготовки ..................................... 38 
2.4 Визначення залишкових напружень у поверхневому шарі деталей ........... 40 
2.4.1 Вплив основних параметрів маятникового ППД на інтенсивність 
тимчасових, залишкових напружень і на головні компоненти тензора залишкових 
напружень ...................................................................................................................... 41 
2.5 Формування пружнопластичних хвиль у напрямку головного руху та у 
напрямку подачі............................................................................................................. 44 
2.6 Математичний розрахунок температури в зоні контакту ............................ 50 
 
7 
Висновки до розділу 2 .............................................................................................. 54 
РОЗДІЛ 3. ВИЗНАЧЕННЯ ЯКОСТІ ПОВЕРХНЕВОГО ШАРУ ДЕТАЛЕЙ ПРИ 
МАЯТНИКОВОМУ ПОВЕРХНЕВОМУ ПЛАСТИЧНОМУ ДЕФОРМУВАННІ. 
ЕКСПЛУАТАЦІЙНІ ВИПРОБУВАННЯ ЗМІЦНЕНИХ ДЕТАЛЕЙ ....................... 56 
3.1 Методика та обладнання для досліджень з оцінки якості зміцнених деталей
 ......................................................................................................................................... 56 
3.2 Співставлення результатів чисельних розрахунків моделювання з 
результатами досліджень .............................................................................................. 66 
3.3 Порівняння якості поверхневого шару, отриманого маятниковим ППД та 
тороподібним роликом ................................................................................................. 71 
3.4 Дослідження корозійної стійкості деталей, зміцнених маятниковим ППД .. 73 
3.5 Визначення раціональних режимів обробки для досягнення найкращих 
показників якості зміцнених деталей .......................................................................... 80 
3.6 Технологічні рекомендації щодо зміцнення деталей маятниковим 
поверхневим пластичним деформуванням (МППД) ................................................. 82 
Висновок до розділу 3............................................................................................... 86 
Розділ 4. Охорона праці та безпека в надзвичайних ситуаціях ............................ 89 
4.1 Загальні вимоги до утримання та експлуатації фонду захисних споруд .... 89 
4.2 Утримання та експлуатація захищених входів і виходів.............................. 92 
4.3 Утримання та експлуатація захисних пристроїв ........................................... 93 
4.4. Утримання та експлуатація огороджувальних захисних конструкцій .... 94 
4.5 Утримання та експлуатація систем вентиляції .............................................. 96 
4.6 Утримання і експлуатація ДЕС та іншого електрообладнання ................... 99 
4.7 Утримання та експлуатація систем водопостачання, каналізації і опалення
 103 
4.8 Утримання та експлуатація систем зв’язку і оповіщення .......................... 104 
4.9 Забезпечення нормальних умов життєдіяльності населення ..................... 105 
Загальні висновки .................................................................................................... 107 
Список використаної літератури ............................................................................... 110 
 
  
8 
Вступ 
Питання, пов'язані з підвищенням якості продукції машинобудування, 
належать до пріоритетних завдань машинобудівних галузей. Останнім часом 
особливо гостро постало питання імпортозаміщення продукції, що 
випускається. Від ряду металообробних галузей було потрібно створення нових 
технологій, спрямованих на підвищення якості деталей машин [4,9,13]. 
Багаточисельними дослідженнями [22,44 та ін.] встановлено, а 
експлуатаційними випробуваннями доведено, що працездатність деталей машин 
значною мірою залежить від стану зовнішнього шару робочих поверхонь. У 
зв’язку з цим значна частина технологічних процесів виготовлення деталей 
спрямована саме на забезпечення заданих параметрів поверхневого шару та їх 
робочих поверхонь, включаючи обробку різанням і оздоблювально-
зміцнювальну обробку поверхневим пластичним деформуванням (ППД). 
Відомо, що в машинобудівному виробництві ППД є одним із 
найефективніших методів оздоблювально-зміцнювальної обробки, який 
застосовується для підвищення якості та покращення фізико-механічних 
властивостей поверхні деталей. Під час фінішної обробки ППД забезпечується 
досягнення комплексу заданих параметрів поверхневого шару, а отже, і 
необхідних експлуатаційних властивостей виробу. Виробнича практика 
показала, що після оздоблювально-зміцнювальної обробки ППД підвищується 
зносостійкість поверхневого шару, стійкість до корозійних впливів, а також 
зростає втомна міцність, герметичність тощо. Крім того, у багатьох випадках 
застосування ППД сприяє підвищенню запасу міцності виробів, які працюють 
за змінних навантажень, у 1,5–3 рази, а терміну служби – у десятки разів [19,24]. 
Однак, при зміцненні довгомірних і маложорстких циліндричних деталей 
типу валів і осей традиційними методами обробки ППД виникають певні 
обмеження за технологічними можливостями, оскільки навіть за низької 
продуктивності не забезпечується задана точність діаметральних розмірів та 
стабільність геометричної форми маложорстких циліндричних деталей. Також 
однією з суттєвих проблем при виготовленні таких деталей є викривлення їхньої 
прямолінійної осі [8,45]. Це призводить до того, що продукція, яка випускається, 
9 
не відповідає встановленим вимогам, і в процесі подальшої експлуатації таких 
деталей часто виникають відмови та виходи з ладу. 
Методи ППД за статичної дії деформуючого інструменту на заготовку 
реалізуються двома способами: обробка за схемою кочення та обробка за 
схемою ковзання робочого інструменту. У випадку кочення деформуючі 
елементи у вигляді кульки або ролика притискаються до поверхні деталі з 
фіксованою силою, обкочуються по ній, здійснюючи при цьому обертання 
навколо своєї осі. При цьому у зоні контакту виникає незначне тертя порівняно 
з обробкою ковзанням, тому напружений стан у зоні деформації часто не досягає 
необхідного ступеня зміцнення та згладжування мікронерівностей поверхневого 
шару [11,32,33]. 
Під час ППД циліндричних деталей способом ковзання ускладнюються 
умови роботи деформуючого інструменту, виникають підвищені сили тертя та 
адгезійної взаємодії, що призводить до формування високих контактних тисків 
у зоні деформації навіть за невеликих величин нормальних сил. Це зумовлює 
зростання зусилля деформування, температури в зоні контакту, при цьому 
зносостійкість робочого інструменту різко знижується [16,18]. Для ППД 
ковзанням зазвичай використовуються алмазні вигладжувачі. Однак під час 
виконання низки виробничих завдань алмазне вигладжування (АВ) вичерпало 
свої технологічні можливості, оскільки підвищена адгезійна складова, 
викликана налипанням частинок металу на інструмент, призводить до значного 
відхилення форми оброблюваних поверхонь і їхнього пошкодження, що значно 
знижує якість поверхневого шару зміцнених деталей. Крім того, процес АВ за 
інтенсивних режимів обробки характеризується підвищеною теплосиловою 
напруженістю через велике тертя у зоні контакту, що стає причиною погіршення 
експлуатаційних властивостей оброблених деталей [21]. 
Таким чином, під час механічної обробки ППД маложорстких 
циліндричних деталей типу валів і осей традиційними способами складно 
отримати задану якість деталей, оскільки високе радіальне навантаження 
робочого інструменту призводить до викривлення форми деталі та не забезпечує 
стабільність механічних властивостей уздовж заготовки. Зниження радіального 
10 
навантаження ускладнює досягнення необхідної якості поверхневого шару за 
прийнятної продуктивності процесу [10,41]. 
У зв’язку з цим виникає потреба у створенні нового способу ППД, який 
базується на паралельному комбінуванні в єдиному процесі різних принципів 
механічної взаємодії деформуючого інструменту з оброблюваною деталлю, 
забезпечує інтенсифікацію напруженого стану в зоні деформації, дозволяє 
досягти необхідного ступеня зміцнення за постійного радіального натягу та 
високу якість поверхневого шару зміцнених деталей. 
Метою кваліфікаційної роботи є підвищення якості поверхневого шару 
маложорстких циліндричних деталей шляхом інтенсифікації напруженого стану 
в зоні деформації за допомогою маятникового поверхневого пластичного 
деформування. 
Предмет дослідження: Процеси інтенсифікації напружено-деформованого 
стану в зоні пластичної деформації поверхневого шару маложорстких 
циліндричних деталей під час маятникового поверхневого пластичного 
деформування. 
Об’єкт дослідження: Маложорсткі циліндричні деталі типу валів, осей і 
штоків, що піддаються оздоблювально-зміцнювальній обробці методом 
маятникового поверхневого пластичного деформування. 
Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі завдання: 
1. Проаналізувати проблеми теорії та практики обробки маложорстких 
циліндричних деталей типу валів, осей, штоків способами ковзання і кочення 
робочого інструменту. Виявити переваги та недоліки кожного способу, причини 
викривлення циліндричних деталей під час обробки ППД різними методами, а 
також розробити заходи щодо їх усунення. 
2. Розробити спосіб оздоблювально-зміцнювальної обробки з 
використанням інструмента у вигляді кругового сектора, який здійснює 
маятниковий кутовий рух відносно своєї осі симетрії і в площині, 
перпендикулярній до осі заготовки. Цей спосіб повинен дозволяти реалізувати 
процес зміцнення одночасно за схемами кочення та ковзання, забезпечуючи 
11 
інтенсифікацію напруженого стану в зоні деформації та залишкових напружень 
у зміцнених деталях без підвищення радіального натягу. 
3. Створити скінченно-елементну модель для маятникового 
поверхневого пластичного деформування циліндричних деталей секториальним 
робочим інструментом, яка дозволить: 
- Визначити напружено-деформований стан у зоні деформації, залишкові 
напруження у готових виробах, а також позаконтактну деформацію; 
- оцінити вплив фізико-механічних властивостей матеріалу і основних 
параметрів маятникового ППД на напружено-деформований стан 
поверхневого шару заготовки; 
- визначити температуру в зоні контакту заготовки з секториальним 
робочим інструментом, встановити її вплив на процес пластичної 
деформації та залишковий напружено-деформований стан поверхневого 
шару зміцнених деталей. 
4. Відтворити технологію та інструментальне оснащення для реалізації 
процесу маятникового ППД циліндричних деталей. 
5. Визначити вплив основних параметрів маятникового ППД на 
показники якості циліндричних деталей, скоригувати скінченно-елементну 
модель процесу маятникового ППД. Встановити технологічні параметри та 
оптимальні режими процесу маятникового ППД, які забезпечать найкращі 
показники якості деталей машин. 
6. Оцінити показники якості деталей, зміцнених маятниковим ППД, і 
розробити технологічні рекомендації для методу маятникового ППД. 
 
 
  
12 
РОЗДІЛ 1. ОЗДОБЛЮВАЛЬНО-ЗМІЦНЮВАЛЬНА ОБРОБКА 
ДЕТАЛЕЙ МАШИН ПОВЕРХНЕВИМ ПЛАСТИЧНИМ 
ДЕФОРМУВАННЯМ. ЛІТЕРАТУРНИЙ ОГЛЯД. 
1.1 Вплив поверхневого пластичного деформування на якість 
поверхневого шару зміцнених деталей машин 
Якість (надійність і ресурс) сучасних деталей машин безпосередньо 
залежить від стану та несучої здатності їх поверхневого шару. При цьому під 
якістю поверхні деталей машин розуміють властивості її поверхневого і 
підповерхневого шару, що формуються внаслідок впливу на поверхню 
сукупності технологічних методів обробки, виконаних у певній послідовності 
[3,4,29,38]. 
Поверхневий шар є зовнішньою частиною деталей, якість якої 
характеризується геометричними (шорсткість, хвилястість, відхилення від 
форми) та фізико-механічними (мікротвердість, залишкові напруження, 
структура) властивостями. 
У процесі експлуатації на робочі поверхні деталей безпосередньо 
впливають інтенсивні фізико-механічні фактори: механічні, теплові, 
електромагнітні, світлові, хімічні та інші впливи. Через це виникають негативні 
явища (наприклад: знос, кавітація, корозія, поява тріщин та інші види 
руйнування), які призводять до втрати первинних характеристик, а отже, і до 
передчасного виходу деталей з ладу. Тому підвищення якості поверхонь 
оброблених деталей у виробництві завжди є одним із найважливіших напрямів 
розвитку та модернізації продукції, що випускається [8,10,19,24]. 
Параметри якості поверхневого шару, як правило, формуються на фінішних 
операціях механічної обробки (таких як шліфування, хонінгування, 
полірування), які забезпечують досягнення заданої точності за розмірами та 
формою деталей. Однак, як показує практика, використання цих видів 
механічної обробки недостатньо для отримання оптимальної якості 
поверхневого шару з високим квалітетом точності [34-36]. 
У зв’язку з цим у виробництві застосовується оздоблювально-
зміцнювальна обробка, найефективнішим методом якої є обробка поверхневим 
13 
пластичним деформуванням (ППД). Цей метод дозволяє керувати параметрами 
якості зміцнених поверхонь та отримувати регулярний мікрорельєф 
поверхневого шару. На основі аналізу літератури [29,32,36] було складено 
таблицю 1.1, яка наочно демонструє суттєвий вплив різних методів обробки на 
якість зміцнених поверхонь. 
Таблиця 1.1 Параметри поверхневого шару при різних методах обробки 
 
Розглянемо основні параметри якості поверхневого шару. 
Шорсткість поверхні. Рельєф поверхні, зокрема шорсткість, є однією з 
основних геометричних характеристик, що визначає якість виробу і впливає на 
його експлуатаційні показники, такі як: знос поверхонь тертя, поява втомних 
тріщин, спрацювання робочих поверхонь, корозійний і ерозійний вплив, 
кавітаційне руйнування тощо [24,35]. Саме шорсткості першими вступають у 
взаємодію з тертям, спрацюванням, приймають удари іншого твердого тіла, 
хвиль рідини, пари чи газу. Шорсткість значною мірою визначає також фізичні 
властивості поверхонь: оптичні, акустичні, електричні, магнітні. Практично не 
існує жодного експлуатаційного параметра деталей машин, який би в тій чи 
14 
іншій мірі не залежав від шорсткості поверхні [25,31]. Крім того, форма і 
розміри мікровиступів впливають на тертя і знос, контактну жорсткість, а 
геометрія мікрозападин пов’язана із втомною міцністю та можливістю 
утримання технологічного мастила [25,31]. 
Фактори, що впливають на шорсткість. Під час виготовлення деталей 
машин величина і форма нерівностей поверхні за зовнішніми геометричними 
ознаками визначається: 
видом і режимом завершальної обробки; 
геометрією робочого інструмента; 
станом технологічного обладнання і оснащення (наявність вібрацій суттєво 
впливає на мікрогеометрію поверхні); 
оброблюваністю матеріалу деталі [4,17,32]. 
Шорсткість при обробці методом ППД. У процесі поверхневого 
пластичного деформування (ППД), під дією робочого інструмента з певним 
контактним тиском, відбувається деформування мікронерівностей 
оброблюваної поверхні, яке повністю або частково призводить до їх 
згладжування. У результаті формується новий мікрорельєф із регулярними 
структурами. Практика показала, що за раціонального вибору режимів ППД 
шорсткість поверхні різко зменшується за один прохід (до Ra = 0,1…0,025 мкм 
для сталі і кольорових металів та Ra = 0,4...0,2 мкм для чавуну) [38]. 
Механізм згладжування шорсткості. При обробці пластичних матеріалів 
методом ППД у зоні контакту робочого інструмента і заготовки створюється 
високий тиск, під дією якого мікронерівності поверхні пластично деформуються 
і сплющуються повністю або частково. У результаті утворюється новий 
мікрорельєф. За оптимального вибору режимів ППД шорсткість поверхні може 
зменшуватися у кілька разів за один прохід. Залежно від різних факторів (методу 
ППД, режимів, матеріалу заготовки тощо) шорсткість поверхні може 
знижуватися до Ra = 0,04–0,1 мкм [3,8,17,25]. 
Хвилястість поверхні. Геометричні похибки обробленої поверхні деталі, 
зокрема хвилястість, значно впливають на контактну жорсткість, зносостійкість, 
герметичність з'єднань, рівень шуму тощо [31,34]. 
15 
На сьогодні фізична модель утворення хвилястості при ППД ще не 
створена, але дослідження в цьому напрямку активно проводяться. Згідно з 
роботами [16,17,18], припускається, що хвилястість при ППД виникає через 
посилений наклеп і стискуючі залишкові напруження, які за певних умов 
можуть призводити до втрати стійкості тонкого поверхневого шару. 
Цілеспрямовані експериментальні дослідження підтвердили ці припущення, але 
за умови досить значної циклічності навантажень локальної зони. 
Проведені експерименти показали, що при жорсткому вигладжуванні 
дюралюмінію D16T, латуні ЛС59-1 та бронзи БрОЦС6-6-3 хвилястість поверхні 
зменшується в середньому на 50% [31]. У випадку менш жорсткого закріплення 
робочий інструмент отримує додаткову ступінь свободи та плавно огинає 
виступи й западини, що незначно впливає на зменшення хвилястості. 
Дослідження [37] показали, що при ППД гладкими пластинами зона 
деформації вздовж осі заготовки у поєднанні з високою жорсткістю 
технологічної системи забезпечує високу геометричну стабільність обробки. У 
результаті висота хвилястості зменшується в 3–4 рази. 
Технологічні залишкові напруження стиску. При вирішенні завдань з 
підвищення якості продукції важливу роль відіграють залишкові напруження, 
які виникають майже на всіх технологічних операціях і значно впливають на 
працездатність деталей машин і конструктивних елементів. 
Вплив залишкових напружень 
Наукові дослідження [14,26,31,32] показали, що руйнування деталей 
починається переважно з їхньої поверхні, а саме з поверхневих мікротріщин. 
Для запобігання розвитку мікротріщин застосовуються оздоблювально-
зміцнювальні методи обробки ППД, які забезпечують високу якість поверхні 
деталі. Після застосування ППД у поверхневих шарах деталей зазвичай 
формуються залишкові напруження стиску, які поділяються на: 
осьові залишкові напруження стиску, 
тангенціальні залишкові напруження стиску, 
радіальні залишкові напруження розтягу в підповерхневих шарах, які на 
поверхні дорівнюють нулю. 
16 
Механізм формування залишкових напружень ППД супроводжується 
лавиноподібним розвитком дислокацій, вакансій, а також утворенням у 
деформованому об'ємі мікропор і мікропустот, що призводить до зменшення 
щільності металу в поверхневому шарі [30,36]. Залишкові напруження 
виникають унаслідок нерівномірності пластичної деформації, яка проникає в 
метал на глибину наклепаного шару. 
Під дією робочого інструмента верхні шари поверхні деталі піддаються 
пластичному розтягуванню, а нижні шари — пружній деформації розтягу. Після 
зняття навантаження нижні шари намагаються повернутися до початкової 
форми (стиснення), чому перешкоджають верхні шари. У результаті в 
підповерхневих шарах залишаються розтягувальні залишкові напруження, тоді 
як на поверхні формуються врівноважуючі залишкові напруження стиску. 
Рівні залишкових напружень. Залежно від матеріалу заготовки та методу 
ППД, залишкові напруження стиску можуть досягати значень у межах 1200–
1500 МПа [30,33]. 
Вплив ППД на властивості поверхневих шарів. Метод ППД створює 
сприятливі умови для покращення фізико-механічних властивостей у 
поверхневих і підповерхневих шарах, а саме: 
формуються корисні залишкові напруження стиску на поверхні; 
твердість зростає як на поверхні, так і на певній глибині від поверхневого 
шару. 
Глибина та ступінь наклепу. Зміцнення металу відбувається завдяки зміні 
структури та фазового складу в процесі пластичної деформації при температурі, 
нижчій за температуру рекристалізації. Наклеп супроводжується виходом на 
поверхню зразка дефектів кристалічної ґратки, збільшенням міцності та 
твердості, а також зниженням пластичності, ударної в’язкості та опору 
деформації металу при зовнішньому впливі [38,44]. 
Характеристики наклепу. Ступінь наклепу при ППД зазвичай 
характеризується зміною твердості та залишкових напружень за глибиною 
поверхневого шару. У результаті деформації перенасичених твердих частинок 
17 
відбувається розпад їхньої структури, створюються нові структурні утворення у 
вигляді дрібних зерен. 
Під час обробки ППД сталевих деталей з феритно-перлітною структурою 
поверхневого шару може розпадатися твердий розчин вуглецю в α-залізі, при 
цьому утворюються дуже дрібні карбідні включення, які виконують роль 
«шипів». Фізичний сенс цього ефекту полягає у формуванні великої кількості 
мікродеформацій кристалічної ґратки, що перешкоджають ковзанню частинок 
матеріалу при зовнішньому механічному впливі, завдяки чому метал 
зміцнюється [12,32]. 
Дослідження [12,16] встановили, що: для більш м’яких сталей після 
обробки ППД ступінь зміцнення є високою; твердість деталей з незагартованих 
сталей після ППД підвищується до 50–60%; для загартованих сталей 
підвищення твердості становить 10–15%. 
Технологічні операції механічної обробки (точіння, шліфування, 
фрезерування) зазвичай створюють залишкові напруження у тонкому 
поверхневому шарі, глибина проникнення яких у метал є незначною (десяті 
частки міліметра) [19,34,42]. Глибина пластичної деформації після ППД, як 
правило, значно перевищує глибину залишкових напружень від попередніх 
видів механічної обробки. Залежно від виду та режимів ППД, а також матеріалу 
деталі, глибина пластичної деформації може досягати 0,4–2,5 мм і більше 
[27,34,39]. 
Перенаклеп і його наслідки. При багаторазовому навантаженні зон 
заготовки під час зміцнення у зоні контакту виникає високе тиск, що може 
призводити до перенаклепу. У цьому випадку кристалічні ґратки у 
поверхневому шарі практично руйнуються, що призводить до зниження 
працездатності поверхні та деталі загалом [35,39]. 
Відхилення від круглості. Відхилення від круглості є геометричним 
дефектом, який негативно впливає на точність деталей за діаметральними 
розмірами. У машинобудуванні значне відхилення від круглості у поперечному 
перерізі циліндричних деталей вважається небажаним фактором [31]. 
18 
Дослідження [5,6] показують, що відхилення від круглості поперечного 
перерізу циліндричних деталей значною мірою визначає зносостійкість їхнього 
поверхневого шару. Це зумовлено тим, що інтенсивність зношування поверхні 
безпосередньо залежить від розмірів і форми мікрорельєфу поверхневого шару 
зношуваного тіла. 
У роботах [33-39] зазначено, що відхилення від круглості також сприяє 
підвищенню швидкості корозії металів. Це відбувається через збільшення 
фактичної площі контакту деталі з навколишнім середовищем. Прискорення 
корозійних процесів зумовлюють малі радіуси заокруглення западин 
мікропрофілю, які є енергомісткими зонами. У таких зонах корозія відбувається 
найбільш інтенсивно. Тому поверхні деталей після механічної обробки 
різанням, які не піддаються оздоблювально-зміцнювальній обробці (ОЗО), 
мають значне відхилення від круглості та, відповідно, високу схильність до 
корозії. 
При обробці поверхні циліндричних деталей методом поверхневого 
пластичного деформування (ППД) під дією механічного впливу робочого 
інструмента відбувається пластична деформація, яка формує практично новий 
мікрорельєф. Це викликає зміну величини відхилення від круглості. Тому під 
час обробки ППД циліндричних деталей важливим завданням є оцінка величини 
цього відхилення [41]. Різні способи ППД дозволяють зменшити відхилення від 
круглості до 3–4 мкм, забезпечуючи підвищення точності форми діаметральних 
розмірів на 3–4 квалітети [2,43]. 
1.2  Поверхневе пластичне деформування за схемами кочення та 
ковзання робочого інструмента: переваги та недоліки  
На сьогодні обробка деталей різними методами ППД знаходить широке і 
постійно зростаюче застосування практично в усіх галузях промисловості 
завдяки високим техніко-економічним показникам. Залежно від характеру 
контакту деформуючого інструмента із заготовкою, обробка ППД умовно 
поділяється на статичні, динамічні та комбіновані. 
Особливістю динамічних методів ППД є наявність переривчастого 
імпульсного контакту індентора із заготовкою. Багаторазові удари, які наносить 
19 
інструмент по поверхні металу, залишають на ній численні локальні пластичні 
деформації (лунки), що поступово покривають всю оброблювану поверхню. 
Осередок деформації утворюється в результаті періодичного впровадження 
індентора в поверхню матеріалу та залежить від енергії удару і ступеня 
перекриття відбитків. При цьому малюнок поверхні, як правило, складається з 
сітки частково або повністю перекритих лунок [10,22]. 
Однією з проблем при застосуванні динамічних методів ППД є низька 
точність керування показниками якості поверхневого шару, оскільки за 
однакової кінетичної енергії удару робочого інструмента енергія, яка 
витрачається на пластичну деформацію, може мати різне значення. Це 
відбувається через збільшення швидкості навантаження і зменшення часу 
пластичної деформації. Тому її величина залежить як від сили удару, пов’язаної 
з амплітудою, так і від його тривалості [28,39]. 
Найбільшого поширення набули статичні методи ППД, які включають 
вигладжування (ковзання) і накочування (кочення). Їхньою характерною 
ознакою є стабільність форми та розмірів осередку деформації за умов 
безперервної контактної взаємодії інструмента із заготовкою під час їхнього 
взаємного переміщення. Статичні методи ППД реалізуються завдяки відносній 
простоті їх виконання та стабільності процесу обробки. 
Відповідно до ГОСТ 18296-72, поверхневе пластичне деформування при 
коченні інструмента по поверхні деформованого матеріалу називається 
накочуванням [25,26]. У свою чергу, накочування поділяється на обкочування 
та розкочування залежно від того, які поверхні обробляються: випуклі (вали, 
галтелі), плоскі або увігнуті (наприклад, отвори). 
ППД за схемою кочення робочого інструмента. Під час обробки деталей 
методом ППД за схемою кочення деформуючий інструмент (зазвичай ролик або 
кулька) притискається до поверхні деталі з певним контактним тиском P, 
переміщується відносно неї, обертаючись навколо своєї осі з однаковою 
частотою обертання заготовки. 
У зоні локального контакту деформуючого елемента з оброблюваною 
поверхнею деталей утворюється осередок пластичної деформації (ОПД), який 
20 
переміщується разом з інструментом. Завдяки цьому поверхневий шар 
послідовно деформується на глибину, рівну глибині проникнення ОПД. Розміри 
ОПД здебільшого залежать від технологічних факторів обробки, таких як 
геометричні характеристики деформуючого елемента (форма і розміри 
індентора), контактний тиск P, величина подачі, твердість оброблюваного 
матеріалу тощо. 
Переваги статичних методів ППД за схемою кочення: 
- Простота конструкції та універсальність робочого інструмента. 
- Підвищення втомної міцності та довговічності деталей за невеликого 
тертя між інструментом і оброблюваним матеріалом. 
- Можливість отримання поверхні з низькою шорсткістю (Ra  =0,04…0,32 
мкм). 
- Формування і поширення залишкових напружень на значну глибину 
поверхневого шару. 
Технологічні обмеження методу ППД за схемою кочення: Традиційний 
метод обкочування створює залишкові напруження малої величини та незначну 
геометричну точність форми. Величина натягу значно впливає на контактну і 
загальну жорсткість у поперечному перерізі деталі, тому обкочування 
здебільшого застосовують для обробки жорстких деталей [36,37]. 
Недостатнє зміцнення: Через низьке тертя в зоні контакту інструмента із 
заготовкою обкочування роликом чи кулькою не забезпечує необхідного рівня 
зміцнення. За підвищення контактного тиску на оброблених поверхнях 
утворюється нова хвилястість, яка погіршує якість виробів [11,26,40]. 
Вплив геометрії інструмента: Зі збільшенням діаметра кульки градієнт і 
абсолютні значення напружень зменшуються. Швидкість обкочування та 
кількість робочих ходів практично не впливають на отримані характеристики 
поверхні (шорсткість, твердість тощо). Ролики доцільно використовувати лише 
для обкочування за один прохід, оскільки велика кількість проходів призводить 
до перенаклепу поверхні та її відшарування [33]. 
Обмеження у виправленні похибок: Обкочування лише незначно виправляє 
похибки попередньої механічної обробки. Тому попередню обробку заготовок 
21 
необхідно виконувати з урахуванням згладжування мікронерівностей і змін 
остаточного розміру деталі. 
Припуск на обробку: Рекомендований припуск на обробку ППД за схемою 
кочення зазвичай становить від 0,005 до 0,05 мм. 
Обкочування роликом чи кулькою ефективне для отримання низької 
шорсткості та підвищення втомної міцності, однак цей метод має обмеження 
щодо контролю глибини зміцнення та точності обробки. У деяких випадках 
потрібне застосування спеціалізованих інструментів з більш складною 
конструкцією. 
ППД за схемою ковзання робочого інструмента. Одним із найпростіших 
і ефективних методів ППД за схемою ковзання є вигладжування, під час якого 
вигладжувач впроваджується на певну глибину поверхневого шару та 
переміщується відносно осі заготовки. Для обробки цим методом деформуючий 
елемент зазвичай виготовляється з матеріалів високої твердості (алмаз, твердий 
сплав), які не схильні до адгезійного схоплювання з оброблюваним матеріалом. 
Процес алмазного вигладжування здебільшого дозволяє досягти низької 
шорсткості поверхні (Ra =0,032…0,1 мкм); підвищення мікротвердості 
поверхневого шару; формування залишкових стискаючих напружень; 
покращення мікрогеометричних характеристик поверхні (відносна опорна 
довжина профілю, відносна опорна частина профілю, радіус заокруглення 
мікронерівностей) [25,26,36]. 
Переваги алмазного вигладжування 
Зміцнення поверхні деталей алмазним вигладжуванням дозволяє 
підвищити продуктивність шляхом збільшення швидкісних параметрів режимів 
обробки. Збільшення частоти обертання заготовки та поздовжньої подачі 
інструмента сприяє зростанню продуктивності процесу. Ці параметри доцільно 
обирати якомога більшими, не виходячи за допустимі межі, що забезпечує 
високу якість поверхні деталей. 
При алмазному вигладжуванні деталей із сталі 45: 
- тангенціальні стискаючі напруження зростають майже в 10 разів; 
22 
- глибина наклепу становить 0,05–0,4 мм (за збільшення зусилля від 50 до 
200 Н); 
- щільність дислокацій зміцненого поверхневого шару, що характеризує 
ступінь подрібнення зерна, підвищується у 1,4–1,7 рази [37,38,39]. 
Попри значні переваги, існують певні недоліки цього методу: 
Температура в зоні контакту: Ефективність процесу залежить від тепла, що 
виділяється у зоні контакту інструмента із заготовкою. Навіть за низького 
контактного тиску виникають підвищені сили тертя й адгезійна взаємодія, які 
спричиняють виділення великої кількості тепла, що негативно впливає на 
зносостійкість інструмента [7,16,17]. 
Теплосилова напруженість: За збільшення швидкості процесу для 
підвищення продуктивності неминуче виникає підвищена теплосилова 
напруженість через збільшене тертя. Це призводить до погіршення 
експлуатаційних властивостей оброблених деталей. 
Традиційні методи ППД за схемами кочення та ковзання вичерпали свої 
технологічні можливості для вирішення певних виробничих завдань. Ці методи 
не можуть одночасно забезпечити потрібний ступінь інтенсифікації зміцнення 
поверхневого шару деталей при високій продуктивності. У зв’язку з цим 
виникає необхідність створення більш ефективного способу ППД, який би 
забезпечував значне покращення поверхні за сприятливих умов обробки без 
зниження продуктивності. 
1.3 Напружено-деформований стан у зоні деформації при 
поверхневому пластичному деформуванні 
Під час поверхневого пластичного деформування (ППД) у зоні деформації 
виникає пластична текучість металу, яка характеризується значеннями 
компонент тензорів напружень і деформацій, а також тензором швидкостей 
деформацій, отриманих шляхом диференціювання компонент тензора 
деформацій за часом [19,34]. Вплив робочого інструмента в зоні деформації за 
умов змінного напруження призводить до накопичення великої кількості 
викривлень у структурних зернах і формування зсувних деформацій, що 
покращує фізико-механічні властивості поверхневого шару зміцнених деталей. 
23 
Дослідження [30,39] показали, що механізм зміцнення поверхневого шару 
у зоні деформації можна пояснити через теорію дислокацій. Згідно з цією 
теорією, зміцнення металу відбувається за рахунок формування такого 
структурного стану матеріалу, який створює щільніші дислокаційні 
субструктури з підвищеним опором зсуву кристалічних ґраток. Утворення 
малокутових меж із підвищеною щільністю дислокаційної сітки ускладнює 
ковзання між зернами, що призводить до зміцнення матеріалу. Чим вища 
щільність дислокацій, тим міцніший метал [30]. 
Вплив дислокацій на міцність. Доведено, що ступінь накопичення 
дислокацій у зернистій структурі є однією з причин підвищення міцності 
конструкційного матеріалу. Кінематика процесу деформування значною мірою 
визначає накопичення дислокацій у матеріалі під час ППД [28,29]. 
 
Пружньопластичне деформування.  Процес пружньопластичного 
деформування у зоні деформації при ППД за схемами кочення та ковзання є 
схожим. Основна відмінність полягає в тому, що при коченні виникає тертя 
кочення, а при ковзанні — тертя ковзання [10,38,39]. Пластична деформація 
змінює форму межової поверхні упругопластичного тіла, формуючи у зоні 
контакту слід у вигляді циліндричного жолоба, що переходить в еліпсоїдну 
напівлунку. Передня частина зони контакту знаходиться в стані активного 
навантаження, тоді як у задній частині напруження поступово знижується до 
нуля, що створює умови для упругого розвантаження деформованого матеріалу 
[41,44]. 
Труднощі визначення НДС. Визначення напружено-деформованого стану у 
зоні деформації залишається складним завданням через трудомісткість 
аналітичних розв’язків, чисельних та експериментальних досліджень. Існуючі 
моделі НДС зазвичай обмежені відомими методами ППД, а сучасні теоретичні 
методи прогнозування напружень складні для інженерних розрахунків і 
малопридатні для практичного використання [12,14]. 
Використання методу скінченних елементів 
24 
Для моделювання процесу зміцнення різними методами ППД у сучасному 
машинобудуванні широко застосовується метод кінцевих елементів (МКЕ). Цей 
підхід дозволяє: 
розрахувати величини напружень у зоні деформації; 
аналізувати деформації, що виникають; 
оцінювати геометричну точність деталей; 
розробляти рекомендації щодо проєктування технологічних процесів і 
оснащення [6,38, 37]. 
Використання сучасних обчислювальних систем забезпечує точні 
розрахунки та дозволяє ефективно вирішувати задачі, пов’язані з оптимізацією 
технологічних параметрів ППД. 
1.4 Залишкові напруження у зміцнених деталях. Способи 
визначення, їхній вплив на якість деталей 
Виникнення залишкових напружень при поверхневому пластичному 
деформуванні (ППД) пов’язане з неоднорідністю пластичної деформації в 
перерізі деталі внаслідок незворотних об’ємних змін у матеріалі. ППД, як 
правило, створює сприятливі стискаючі напруження на поверхні деталі завдяки 
пластичній деформації, яка викликає структурні перетворення [18,21]. Величина 
та характер зміни залишкових напружень значною мірою залежать від 
конкретних умов обробки, таких як: радіальний тиск; сила тертя; геометричні 
характеристики інструмента і деталі; матеріал оброблюваної заготовки. Крім 
того, дослідження [38,40] показали, що кінематика та кінематичні 
характеристики робочого інструмента також значною мірою визначають ступінь 
зміни стискаючих залишкових напружень. 
Дослідження впливу залишкових напружень на якість деталей і 
конструкцій машинобудування при статичному і динамічному навантаженні є 
ключовим питанням теорії залишкових напружень. Зокрема, роль залишкових 
напружень у підвищенні ресурсу виробів висвітлюється в роботах таких авторів, 
як Іванов С.І., Келлер І.Е., Кирпичов В.А., Кравченко Б.А., Кудрявцев І.В., 
Кузнєцов Н.Д., Махалов М.С., Павлов В.Ф., Радченко В.П., Сазанов В.П., 
Самарін Ю.П., Соколов І.А., Трусов А.В. та інших. 
25 
Класифікація залишкових напружень. Згідно з Махаловим М.С. [26], 
залишкові напруження поділяються на три роди: 
Першого роду: врівноважуються в межах областей, розміри яких співмірні 
з розмірами тіла. 
Другого роду: врівноважуються в об’ємах, розміри яких співмірні з 
розмірами зерен матеріалу. 
Третього роду: врівноважуються в об’ємах, розміри яких співмірні з 
розмірами елементарної кристалічної комірки. 
У контексті інтенсифікації напруженого стану залишкові напруження 
першого роду є ключовими параметрами механічного стану матеріалу, які 
визначають експлуатаційну довговічність виробів і конструкцій. Вони 
виникають через нерівномірну пластичну деформацію різних шарів деталі та 
суттєво впливають на поведінку металу при зовнішніх навантаженнях. 
Компоненти залишкових напружень 
У інженерній практиці залишкові напруження першого роду подаються у 
вигляді компонентів тензора напружень у заданій системі координат. Для 
циліндричних деталей це: осьові напруження (σz), окружні (тангенціальні) 
напруження (σθ),радіальні напруження (σr) [32,33,38]. 
Існують різні методи визначення залишкових напружень, які умовно 
поділяються на дві групи: 
Чисельні (розрахункові) методи: Базуються на математичному аналізі 
параметрів, пов’язаних із об’ємними або структурними змінами матеріалу. До 
цієї групи належить і метод кінцевих елементів, який дозволяє виконувати 
розрахунки напружень і деформацій без проведення експериментів [26]. 
Експериментальні методи: Застосовуються для деталей, оброблених 
різними способами термічного і механічного впливу (лиття, різання, обробка 
тиском, термообробка тощо).  
Обидві групи методів широко використовуються у дослідженнях і практиці 
машинобудування, але універсального та ідеального методу поки не існує. 
Вплив технологічних залишкових напружень на якість деталей 
машин. При оцінці впливу залишкових напружень на якість деталей необхідно 
26 
враховувати не лише їхню величину, але й тип напруженого стану, характер 
розподілу та область дії [15,19]. 
Цілеспрямоване використання залишкових напружень бере початок у кінці 
XIX століття, коли масово руйнувалися чавунні гармати. Для усунення цих 
дефектів вперше запропонували створювати стискаючі напруження у 
внутрішніх шарах стволів гармат. Надалі ідея створення залишкових напружень 
стиску в зонах можливого розвитку тріщин стала поширеною та отримала різні 
технічні реалізації. 
Аналіз робіт [15,16,38] показав, що наявність технологічних залишкових 
напружень стиску: підвищує несучу здатність поверхневого шару; покращує 
працездатність деталей, які працюють за змінних навантажень. 
У монографії І.В. Кудрявцева [16] стискаючі залишкові напруження на 
поверхні металовиробів розглядаються як резерв міцності деталей машин, 
здатний компенсувати негативний вплив концентраторів напружень: виточок, 
отворів, виступів, тріщин, дефектів тощо. 
У роботі [18] Бубнова А.С. і його співавторів зазначено, що залишкові 
напруження позитивно впливають на деталі, які працюють за умов високих 
температурних навантажень (лопатки, диски, вали газотурбінних двигунів), 
значно підвищуючи їхню втомну міцність і циклічну довговічність. 
Аналіз робіт [2,17,18,29] показує, що залишкові напруження особливо 
ефективні для деталей із концентраторами напружень. У зоні впадин різьби, 
технологічних отворів, надрізів і галтелей межа витривалості підвищується до 4 
разів, тоді як для гладких деталей ефективність стискаючих залишкових 
напружень становить близько 30%. 
У більшості випадків цілеспрямовано створені залишкові напруження: 
зміцнюють вироби; покращують якість поверхневого шару; знижують ризик 
корозійного розтріскування; підвищують зносостійкість тертьових поверхонь за 
недостатнього змащення [24]. 
Хоча залишкові напруження мають багато позитивних аспектів, вони також 
можуть спричиняти негативні наслідки: 
27 
Руйнування деталей: За холодної обробки тиском залишкові напруження 
можуть досягати таких значень, що викликають тріщини та руйнування. 
Крихке руйнування: Завищені залишкові напруження сприяють крихкому 
руйнуванню поверхневого шару та пластичній деформації металу. 
Деформація та викривлення: Залишкові напруження впливають на 
викривлення деталей. Наприклад, при зміцненні нежорстких циліндричних 
валів та осей традиційним методом обкочування роликом або кулькою висока 
радіальна сила інструмента створює асиметричний розподіл напружень, що 
викликає викривлення валу [43]. 
Стискаючі залишкові напруження у багатьох випадках позитивно 
впливають на якість деталей машин і підвищують їхні механіко-експлуатаційні 
властивості. Проте їхнє цілеспрямоване використання вимагає врахування 
потенційних ризиків і специфіки технологічного процесу. 
 
 
 
1.5  Способи та пристрої для статичного поверхневого пластичного 
деформування циліндричних деталей 
Зміцнення за схемою кочення робочого інструмента 
Обкочування роликом або кулькою є одним із найпростіших і поширених 
методів поверхневого пластичного деформування (ППД) за схемою кочення. 
Цей метод зазвичай реалізується на токарних або спеціальних верстатах. 
Оброблювана деталь, залежно від її конструкції, закріплюється у центрах або 
патроні, а обкатний пристрій із деформуючим інструментом встановлюється на 
супорті верстата. 
Конструкції різних обкатників розглядаються в роботах [8,15,25,27,36]. 
Робоча головка універсального обкатника зазвичай складається з таких 
елементів: 
Шток, у передній частині якого розташовані два кулькові підшипники. 
Деформуюча кулька, яка спирається на підшипники та захищена від 
випадання ковпачком. 
28 
Корпус обкатника, у якому монтується робоча головка. 
Тиск під час обкочування може створюватися: 
Тарованою пружиною. 
Пневматичним або гідравлічним механізмом. 
Тип силового механізму визначає конструкцію корпусу обкатника. 
Конструкції обкатників, що застосовуються в машинобудуванні, можна 
поділити на два основних типи: 
Обкатники з "жорстким" контактом між деформуючим інструментом і 
оброблюваною поверхнею. 
Обкатники з пружним контактом між деформуючим інструментом і 
оброблюваною поверхнею. 
Інтенсивно розробляються та вдосконалюються нові інструменти для 
обробки ППД циліндричних заготовок за схемою кочення. 
У роботі [22] використано вольфрамову кульку діаметром 20 мм для 
обкочування нержавіючої сталі AISI 316L. У результаті деформації 
утворюються ультрадисперсні та нанорозмірні зерна (70–200 нм), що 
спричиняють структурні зміни кристалічної ґратки та підвищують 
мікротвердість із 200 HV до 450 HV. Проте застосування вольфрамових кульок 
для обкочування маложорстких валів є недоцільним через високі напруження в 
зоні контакту (850–1300 МПа при зусиллі 50 Н), що може пошкодити 
оброблювану поверхню. 
Автор [38,39] розробив дворадіусний ролик із профільним радіусом для 
обкочування зовнішніх поверхонь циліндричних заготовок, що забезпечує 
підвищення якості поверхневого шару на 8–10%. 
У роботі [29] запропоновано мультирадіусний ролик для ППД деталей із 
сталі 45. Ця конструкція реалізує зміцнення за допомогою гідростатичного 
тиску та створення кількох зон квазімонотонної деформації, що впливає на 
структурний стан і мікротвердість відпущеної сталі 45. 
Малий розмір ролика (діаметр 20–30 мм із профільним радіусом 1 мм) 
призводить до інтенсивного зношування деформуючого елемента, а також до 
29 
значного нагрівання у зоні контакту, що негативно впливає на залишкові 
напруження. 
Використання роликів великого розміру (діаметр понад 50 мм) доцільне 
лише за високих зусиль (2000–2500 Н). Однак високе контактне зусилля при 
обробці маложорстких деталей часто спричиняє: 
відхилення від прямолінійності; 
погіршення показників якості поверхні (збільшення шорсткості, 
хвилястості тощо). 
Метод обкочування роликом або кулькою залишається одним із 
найпоширеніших способів зміцнення поверхні циліндричних деталей. Проте 
ефективність методу залежить від вибору конструкції обкатника, розмірів 
інструмента, режимів обробки та характеристик оброблюваної деталі. 
Удосконалення інструментів для обкочування дозволяє зменшити зношування, 
підвищити якість поверхні та уникнути негативних впливів високих контактних 
зусиль. 
Зміцнення за схемою ковзання робочого інструмента 
Одним із найвідоміших способів зміцнення за схемою ковзання є алмазне 
вигладжування. У цьому методі як деформуючий елемент використовується 
кристал алмазу, який зазвичай закріплюється пайкою за допомогою срібного 
припою з температурою плавлення 600–650°С. Вигладжувач монтується у 
спеціальному пристрої, що встановлюється в різцетримач токарного верстата 
[25,38,39]. Тиск під час вигладжування із пружним контактом створюється 
тарованою пружиною, а поздовжнє переміщення інструмента забезпечується 
рухом оброблюваної деталі. 
Особливості алмазного вигладжування: ідбувається в умовах тертя 
ковзання, що відрізняє цей процес від обкочування. 
Завдяки високій твердості алмазу підходить для зміцнювальної обробки 
деталей із закалених сталей у різних структурних станах. 
Нові конструкції вигладжувачів 
1. Ультразвукове оброблення (УЗО) 
30 
Розроблено ультразвуковий інструмент для статичного ППД, який 
складається з: 
індентора; 
хвилеводу-концентратора; 
ультразвукового перетворювача; 
генератора. 
Накладення ультразвукових коливань під час зміцнення створює змінні 
знаки навантаження в зоні деформації, змінюючи умови пластичної течії металу, 
підвищуючи рухливість дислокацій і полегшуючи пластичну деформацію. 
Результати для сталі 45: Мікротвердість збільшується з 2180 ГПа до 5000 
ГПа. Щільність дислокацій становить 1011 – 1012 см-2, шорсткість знижується до  
0,3 мкм (початкове значення — 2,6 мкм) [33–36]. 
Обмеження: 
Потребує точного налаштування амплітуди коливань і статичного тиску 
для кожного типу матеріалу. 
Недостатня амплітуда не забезпечує необхідної пластичної деформації, тоді 
як надмірна — спричиняє зниження твердості через досягнення критичної 
щільності дислокацій [38]. 
2. Орбітальне вигладжування 
Розроблено метод орбітального вигладжування, який реалізує 
інтенсифікацію напруженого стану в зоні деформації завдяки складній 
кінематиці інструмента. Збільшення орбітального радіуса руху індентора 
покращує параметри якості поверхні. 
Результати: залишкові напруження досягають 400 Мпа, мікротвердість 
зміцненого шару підвищується до 330 HV0,2. 
Обмеження: нестабільність зони контакту ускладнює процес за великого 
орбітального радіуса. 
Радіальний натяг обмежений 0,1 мм для забезпечення постійного 
навантаження, що створює труднощі при обробці жорстких матеріалів або 
досягненні великої глибини зміцнення [42]. 
31 
Методи ППД за схемою ковзання, такі як алмазне вигладжування, 
ультразвукове оброблення та орбітальне вигладжування, демонструють високу 
ефективність у зміцненні матеріалів і підвищенні якості поверхні. Проте кожен 
із цих методів має обмеження, пов'язані з налаштуванням параметрів та умовами 
обробки. Розробка нових способів ППД із більш складною кінематикою 
інструмента без використання додаткових складних пристроїв є актуальним 
напрямом у сучасному машинобудуванні. 
Таким чином, одним із ефективних напрямків оздоблювально-
зміцнювальної обробки є поверхневе пластичне деформування (ППД), яке 
суттєво впливає на напружено-деформований стан поверхневого шару деталей 
та забезпечує підвищення експлуатаційних характеристик оброблених 
поверхонь. У зв’язку з цим представляють інтерес дослідження різних способів 
ППД, які дозволяють отримати якісні поверхні деталей із високою 
продуктивністю їх обробки. 
Висновки до розділу 1  
На основі викладеного можна зробити такі висновки: 
1. Поверхневе пластичне деформування (ППД) є ефективним методом 
оздоблювально-зміцнювальної обробки, що забезпечує підвищення механічних 
властивостей і експлуатаційних характеристик поверхневого шару деталей, 
зниження шорсткості, хвилястості та відхилення від круглості у зміцнених 
циліндричних виробах. 
2. Традиційні схеми обробки ППД за схемою кочення та ковзання 
робочого інструмента вичерпали свої технологічні можливості щодо 
підвищення напружено-деформованого стану поверхневого шару деталей 
машин. Наприклад, обкочування роликом або кулькою здійснюється з натягом, 
що не перевищує 0,05–0,1 мм, що не забезпечує необхідного рівня зміцнення та 
високих величин залишкових стискаючих напружень. Обробка нежорстких 
циліндричних деталей методом алмазного вигладжування проводиться лише з 
малим радіальним натягом, що унеможливлює створення великої глибини 
зміцненого шару. 
32 
3. У виробництві, науково-дослідних організаціях, у вищих 
навчальних закладах і промислових підприємствах машинобудівної галузі 
активно ведуться наукові дослідження, спрямовані на: вивчення нової 
кінематики зміцнення робочого інструмента; розробку нових конструкцій 
деформуючого інструмента з різних матеріалів; встановлення математичних 
залежностей характеристик якості поверхні від параметрів обробки; 
комбінування та поєднання методів ППД, що забезпечують створення 
складніших схем зміцнення в зоні деформації. 
4. Розробка нових методів ППД полягає у створенні математичних 
моделей процесів, їхньому моделюванні, а також у дослідженні й коригуванні 
створюваного напружено-деформованого стану в зоні деформації для розробки 
алгоритмів оптимальних умов обробки за допомогою різних програмних 
пакетів. 
 
 
 
  
33 
РОЗДІЛ 2. НАПРУЖЕНО-ДЕФОРМОВАНИЙ СТАН 
ЦИЛІНДРИЧНИХ ДЕТАЛЕЙ ПРИ МАЯТНИКОВОМУ 
ПОВЕРХНЕВОМУ ПЛАСТИЧНОМУ ДЕФОРМУВАННІ 
2.1 Кінематична схема маятникового поверхневого пластичного 
деформування. Відмінність кінематики маятникового ППД від 
традиційних способів зміцнення 
На основі літературного аналізу переваг і недоліків існуючих традиційних 
способів ППД [10,44], побудованих за двома схемами: кочення та ковзання, 
можна зробити висновок, що перспективним напрямком є такий метод 
комбінованого ППД, за якого зміцнення деталей здійснюється одночасно за 
рахунок кочення був проаналізований спосіб оздоблювально-зміцнювальної 
обробки зовнішньої поверхні циліндричних деталей, суть якого заснована на 
використанні маятникового руху робочого інструмента у вигляді кругового 
сектора [11,19,20]. 
 
Рисунок 2.1 – Схема маятникового поверхневого пластичного 
деформування.  1 – заготовка, 2 – деформуючий елемент, 3 – робочий сектор а) 
при коченні; б) при ковзанні 
При маятниковому поверхневому пластичному деформуванні (МППД) 
зовнішньої поверхні деталей у вигляді тіл обертання (рис. 2.1) заготовка 1 
отримує обертальний рух відносно центральної осі, а робочий інструмент 
притискається до оброблюваної поверхні із заданим натягом (t) та здійснює 
поздовжню подачу (s) у напрямку, паралельному осі заготовки. Як робочий 
34 
інструмент використовується круговий сектор 3 із радіусом заокруглення на 
циліндричній поверхні 2, який жорстко закріплений на одній стороні коромисла, 
що забезпечує маятниковий рух із заданим кутом (α). 
Особливість нової кінематики деформуючого інструмента полягає в тому, 
що поверхневе пластичне деформування виконується завдяки чергуванню двох 
процесів: кочення та ковзання робочого інструмента. 
Кочення: Відбувається, коли робочий інструмент і заготовка рухаються у 
протилежних напрямках (відносно годинникової стрілки) (рис. 2.1а). У цьому 
випадку процес є плавним, із мінімальним тертям. 
Ковзання: Виникає при русі робочого інструмента і заготовки в одному 
напрямку (рис. 2.1б). У цьому випадку реалізується інтенсивне ковзання з 
більшим тертям. 
Виконання робочого інструмента у вигляді кругового сектора з радіусом 
заокруглення (на відміну від прямолінійної форми [40,41,42]) забезпечує: 
Підвищення тиску в зоні деформації за рахунок зменшення площі контакту 
при постійній величині радіального натягу (рис. 2.2), що збільшує 
інтенсифікацію напруженого стану у зоні деформації. 
Рівномірне зношування та розподіл тепла: Конструкція інструмента сприяє 
рівномірному розподілу тепла по робочій поверхні деформуючого елемента. Це 
дозволяє уникнути локального накопичення тепла й зменшити зношування 
інструмента, збільшуючи його термін служби. 
Завдяки цьому зносу та накопиченню виділеного тепла піддається не одна 
локальна зона, а послідовний ланцюг практично всіх областей робочої поверхні 
деформуючого елемента. 
 
35 
Рисунок 2.2 – Схема впливу кривизни індентора на розмір зони контакту 
 
Аналізуючи схему руху робочого інструмента та заготовки (див. рис. 2.1), 
визначаються основні технологічні параметри, що характеризують кінематику 
процесу маятникового ППД: радіальний натяг (t); поздовжня подача (s); частота 
обертання заготовки (nзаг); частота маятникового руху робочого інструмента 
(nін); кутова амплітуда руху робочого інструмента (α). 
Сутність керування характеристиками якості поверхневого шару 
циліндричних деталей полягає в раціональному виборі інтервалу варіювання 
зазначених технологічних параметрів процесу зміцнення [29,44]. 
2.2  Кінцево-елементне моделювання маятникового ППД. Опис 
програми кінцево-елементного розрахунку 
Для математичного розрахунку параметрів напружено-деформованого 
стану поверхневого шару зміцнених деталей при маятниковому ППД 
використовували метод кінцевих елементів (МКЕ) із застосуванням сучасних 
програмних комплексів – комп’ютерного моделювання. Однією з найбільш 
популярних та ефективних програм моделювання, яка реалізує МКЕ з високою 
точністю, є ANSYS [18,21,30,37,38], що дозволяє ефективно вирішувати 
різноманітні задачі в галузі інженерної діяльності з використанням теорії 
міцності та фізики твердих тіл [6,12,37]. 
Розв’язання задач фізики та фізичних процесів, зокрема механіки 
деформованого твердого тіла, за допомогою програмного пакету ANSYS сприяє 
зменшенню кількості прототипів та експериментів, що скорочує час розробки. 
Опис процесу моделювання. Для дослідження закономірностей зміни 
параметрів напружено-деформованого стану поверхневого шару циліндричних 
деталей залежно від основних технологічних параметрів маятникового ППД із 
секториальним робочим інструментом необхідно виконати наведений нижче 
алгоритм. 
Крок 1. Вибір математичної моделі (постановка задачі). На цьому етапі 
здійснюється підбір математичних функцій, які зазвичай представлені у вигляді 
диференціальних рівнянь із частковими похідними, що описують 
36 
досліджуваний процес [6]. У програмному пакеті ANSYS ця процедура 
виконується на стадії вибору розрахункового модуля аналізу.  
Створення нового блоку інженерного аналізу: 
Два способи реалізації: 
Подвійне натискання лівої кнопки миші на назві інженерного аналізу в 
панелі Toolbox. 
Перетягування назви інженерного аналізу з панелі Toolbox в панель Project 
Schematic, утримуючи ліву кнопку миші. 
Для моделювання процесу маятникового ППД необхідно вибрати модуль 
Transient Structural (див. рис. 2.6). 
 
Рисунок 2.3 – Модулі у програмі Ansys 19.1 
Крок 2. Імпорт геометричної моделі досліджуваного об'єкта.На цьому етапі 
необхідно визначити: розрахункову область; геометричні розміри робочого 
інструмента та заготовки; їхнє відносне розташування в тривимірному просторі. 
У даній роботі побудова геометричної моделі здійснювалася за допомогою 
системи тривимірного моделювання КОМПАС-3D (див. рис. 2.4). 
37 
 
Рисунок 2.4 – Геометрична модель процесу маятникового ППД у системі 
КОМПАС-3D 
Побудовані геометричні моделі були імпортовані в розрахункові модулі 
ANSYS Workbench шляхом вибору пункту Import Geometry у модулі Transient 
Structural і запуску відповідного файлу 
Для розрахунків при динамічному навантаженні було побудовано 
геометричну модель циліндра діаметром Dзаг та кругового сектора Rсек із 
радіусом заокруглення rін на циліндричній поверхні (рис. 2.12). 
Характеристика зразка: Циліндрична заготовка Dзаг=20мм із пружно-
пластичної зміцнюваної сталі 45; Щільність матеріалу 7800 кг/м3; модуль 
пружності E=2⋅105 Мпа; Коефіцієнт Пуассона μ=0,3; Діаграма деформування 
матеріалу – білінійна: (Екстрапольована границя текучості σT=360 МПа; 
Границя міцності σB=600 МПа; Модуль зміцнення Et=1,45⋅103). 
Характеристика інструмента: Круговий сектор Rсек із радіусом 
заокруглення rін на циліндричній поверхні (робочий радіус інструмента rін=5 мм, 
секторіальний радіус інструмента Rсек=25 мм); Матеріал – сплав ВК8; Модуль 
пружності E=6⋅105; коефіцієнт Пуассона μ=0,3; Коефіцієнт тертя в зоні контакту 
інструмента із зразком μT=0,1. 
38 
 
Рисунок 2.5 – Кінцево-елементна модель маятникового ППД. 1 – робочий 
інструмент; 2 – циліндр діаметром Dзаг 
Для визначення НДС заготовки було обрано такі режими зміцнення: 
• частота обертання заготовки від 50 до 300 об/хв; 
• частота маятникового руху робочого інструмента від 40 до 150 
подвійних ходів/хв; 
• величина радіального натягу від 0,05 до 0,4 мм; 
• величина поздовжньої подачі від 0,03 до 0,33 мм/об; 
• кутова амплітуда інструмента від 5 до 45 градусів. 
2.3 Визначення максимальних тимчасових та залишкових напружень, 
характер розподілу їх компонент у поперечному перерізі заготовки 
Результати чисельного моделювання. При різних способах зміцнення ППД 
у заготовці формуються тимчасові та залишкові напруження, за якими оцінюють 
її НДС. Тимчасові напруження виникають при безпосередньому впливі 
зовнішніх сил – робочого інструмента. Залишкові напруження – при їх 
припиненні. Тимчасові напруження впливають на енергосилові характеристики 
процесу, глибину зміцненого шару, тиск у зоні деформації, а також на міцність 
і зносостійкість деформуючого інструмента. 
Залишкові напруження впливають на втомну міцність, процеси 
руйнування, зносостійкість, корозію та інші експлуатаційні властивості деталей 
машин [3,4,14,15]. 
Як приклад, на рис. 2.6 показано поля розподілу тимчасових і залишкових 
напружень у поперечному перерізі циліндричних зразків після зміцнення 
39 
маятниковим ППД із базовими параметрами: nзаг = 100 об/хв; nин = 100 дв.х/хв;  t  
=  0,1  мм;  s  =  0,1  мм/об;  rин   =  5  мм; Rсек  = 25 мм; α = 30 град. 
Слід зазначити, що при маятниковому ППД інтенсивність максимальних 
тимчасових напружень досягає приблизно 550 МПа у зоні контакту з робочим 
інструментом. 
Після маятникового ППД у заготовці залишається інтенсивність 
залишкових напружень, яка монотонно зростає від центру до поверхневих шарів 
заготовки та досягає максимального значення (327 МПа) на поверхні заготовки 
(див. рис. 2.6). 
 
Рисунок 2.6 – Поля розподілу інтенсивності тимчасових (а) і залишкових 
(б) напружень у поперечному перерізі зразка після маятникового ППД 
На рис. 2.7 показано характер розподілу компонент тимчасових і 
залишкових напружень вздовж радіуса циліндричного зразка після 
маятникового ППД. Очевидно, що при безпосередньому впливі секторіального 
робочого інструмента в процесі маятникового ППД у поверхневому шарі 
формуються переважно компоненти тимчасових стискаючих напружень за 
трьома осями координат. 
У центральній зоні заготовки виникають невеликі розтягувальні осьові та 
тангенціальні напруження, величина яких становить 45–55% від границі 
міцності матеріалу (див. рис. 2.7а). 
40 
 
Рисунок 2.7 – Розподіл компонент тимчасових (а) і залишкових (б) 
напружень уздовж радіуса циліндричного зразка 
Після припинення впливу робочого інструмента формуються компоненти 
залишкових напружень (див. рис. 2.7б), які розподіляються за наступним 
законом: 
Радіальні залишкові напруження є розтягувальними по всьому перерізу 
зразка, мають максимальне значення в центрі циліндра (близько 55% від межі 
текучості матеріалу заготовки) і плавно знижуються в напрямку до 
поверхневого шару. 
Тангенціальні та осьові залишкові напруження поступово знижуються від 
центру до поверхні, переходячи в стискаючі, які монотонно збільшуються в 
напрямку до підповерхневого шару і досягають максимального значення на 
глибині 1,5 < p < 2 мм від периферії. На поверхні ці напруження незначно 
зменшуються. 
Інтенсивність залишкових напружень у поверхневому шарі в основному 
обумовлена формуванням великих осьових і тангенціальних залишкових 
стискаючих напружень. 
У зоні підповерхневого шару радіальні залишкові напруження досить 
низькі, а на поверхні деталі вони дорівнюють нулю, що має незначний вплив на 
загальну величину інтенсивності залишкових напружень. 
2.4  Визначення залишкових напружень у поверхневому шарі деталей 
Як було зазначено в розділі 2.3, інтенсивність залишкових напружень у 
поверхневому шарі формується в основному за рахунок великих осьових і 
41 
тангенціальних залишкових стискаючих напружень. У зоні підповерхневого 
шару радіальні залишкові напруження досить низькі, а на поверхні деталі вони 
дорівнюють нулю, що має незначний вплив на величину інтенсивності 
залишкових напружень. Тому при визначенні ступеня впливу основних 
технологічних параметрів процесу маятникового ППД на головні компоненти 
тензора залишкових напружень достатньо встановити закономірності зміни 
осьових і тангенціальних залишкових стискаючих напружень. 
2.4.1 Вплив основних параметрів маятникового ППД на 
інтенсивність тимчасових, залишкових напружень і на головні 
компоненти тензора залишкових напружень 
Розглянемо вплив кожного технологічного параметра процесу 
маятникового ППД на головні компоненти тензора залишкових напружень. 
Вплив поздовжньої подачі. Величина поздовжньої подачі характеризує 
швидкість руху робочого інструмента вздовж осі циліндричної заготовки. Вона 
безпосередньо впливає на якість поверхневих шарів заготовки, а також на 
продуктивність усього процесу механічної обробки. 
 
Рисунок 2.8 – Поля розподілу інтенсивності залишкових 
напружень за різних значень подачі (s): 
а) s = 0,1 мм/об; б) s = 0,16 мм/об; в) s= 0,22 мм/об; г) s = 0,28 мм/об 
 
42 
При малій величині подачі відбувається інтенсивне багаторазове 
навантаження з невеликим зміщенням на локальній ділянці поверхневого шару, 
що викликає його пошкодження. 
При великій величині подачі швидкість руху інструмента вздовж осі 
заготовки збільшується, що призводить до зменшення ступеня зміцнення і 
нерівномірного розподілу напружень. 
Ця інформація підтверджується результатами моделювання, 
представленими на рис. 2.8. Слід зазначити, що зі збільшенням подачі 
знижується ступінь рівномірності розподілу напружень по глибині і поверхні 
заготовки, а інтенсивність тимчасових і залишкових напружень зменшується. 
Вплив фізико-механічних властивостей оброблюваного матеріалу. 
Напружено-деформований стан (НДС) значною мірою залежить від фізико-
механічних властивостей оброблюваного матеріалу, таких як межа текучості та 
модуль пружності. 
Для виявлення впливу цих властивостей на тимчасові та залишкові 
напруження деталей, зміцнених методом маятникового ППД, були проведені 
розрахунки для деяких чорних і кольорових металів. Механічні характеристики 
розглянутих матеріалів наведено в таблиці 2.1. 
Таблиця 2.1 – Механічні характеристики розглянутих металів 
 
За однакових режимів обробки маятниковим ППД спостерігається 
однозначна закономірність зміни інтенсивності тимчасових і залишкових 
напружень залежно від межі текучості матеріалу. При близьких значеннях межі 
43 
текучості більш високі напруження формуються у матеріалів із більшим 
значенням модуля пружності (див. рис. 2.9). 
У всіх випадках маятникове ППД створює більші залишкові напруження в 
тангенціальному напрямку порівняно з напруженнями в осьовому напрямку. Це 
можна пояснити тим, що контактна зона в тангенціальному напрямку, визначена 
робочим радіусом інструмента, має розмір значно менший, ніж контактна зона 
в осьовому напрямку, що визначається секторіальним радіусом. Тому 
напруження та деформації, сформовані в тангенціальному напрямку при 
безпосередньому впливі робочого інструмента, мають більше значення, ніж в 
осьовому напрямку. 
 
а) 
 
б) 
44 
Рисунок 2.9 – Залежність інтенсивності напружень (а) та компонент 
залишкових напружень (б) від фізико-механічних властивостей матеріалів 
 
Таким чином, на основі моделювання процесу маятникового ППД 
виконано розрахунки напружено-деформованого стану в зоні деформації та 
залишкових напружень у зміцнених деталях. Ці результати визначають основні 
технологічні параметри процесу та геометричні характеристики робочого 
інструмента. 
2.5  Формування пружнопластичних хвиль у напрямку головного руху 
та у напрямку подачі 
Процес пластичного деформування поверхневого шару супроводжується 
лавиноподібним утворенням дислокацій і точкових дефектів. У 
недеформованих відпалених вуглецевих сталях середня густина дислокацій 
становить приблизно 106 – 108 см-2 а після ППД кількість дислокацій 
збільшується на кілька порядків [39,40]. 
При проникненні робочого інструмента в поверхневий шар деталі метал 
витісняється з-під інструмента, що призводить до його "випучування" над 
початковою поверхнею з утворенням напливу у вигляді пружно-пластичної 
хвилі, яка характеризує позаконтактну деформацію матеріалу. 
За результатами моделювання було встановлено [36,38], що всі головні 
компоненти тензора напружень у хвилі є розтягувальними. 
Наявність позаконтактних зон розтягування перед входом у зону 
деформації було експериментально виявлено візіопластичним методом [22]. 
Оскільки авторам не вдалося експериментально зафіксувати пластичну хвилю 
металу, вони не змогли пояснити причину появи області розтягувальних 
напружень. 
Наявність хвилі слід вважати негативним фактором, оскільки вона: 
збільшує зону контакту в осередку деформації; 
підвищує силу тертя; 
ускладнює надходження технологічного мастила. 
45 
У роботі [21] встановлено, що величина хвилі впливає на втомну міцність 
матеріалу, оскільки розтягувальні напруження сприяють розвитку 
мікродефектів (мікротріщин). 
При великих натягах під час дорнування труб висота хвилі виявляється 
більшою за величину зворотної пружної деформації, тому діаметр 
оброблюваного отвору виявляється дещо більшим за діаметр інструмента 
[7,38,40]. Висота хвилі також впливає на величину розрахункового натягу, через 
збільшення якого може статися перенаклеп металу та пошкодження 
поверхневого шару. 
 
Рисунок 2.29 – Форма пружно-пластичних хвиль при маятниковому ППД: 
а) у напрямку головного руху (B); б) у напрямку подачі (В') 
Зона пружно-пластичної деформації при ППД зазвичай складається з двох 
зон: Зона безпосереднього контакту робочого інструмента з деталлю, де 
формуються стискаючі напруження; Зона позаконтактної деформації, у якій, як 
зазначено вище, формуються розтягувальні напруження при великій величині 
натягу. 
Позаконтактна деформація має два види: 
Перший вид виникає під впливом секторіального робочого інструмента у 
пластичному просторі циліндра й характеризується пружно-пластичними 
напливами – хвилями (див. рис. 2.10). 
Для хвилі у напрямку головного руху (B) параметри: 
висота h; довжина хвилі l. 
Для хвилі у напрямку подачі (B′ ) параметри: висота ℎ′; довжина l′. 
46 
Другий вид формується після проходження робочого інструмента й 
представляє підняття поверхневого шару металу внаслідок пружного 
розвантаження [36]. 
У цьому розділі розглядається перший вид позаконтактної деформації при 
маятниковому ППД. 
 
Вплив параметрів МППД на розміри пружно-пластичних хвиль. 
Розглянемо вплив технологічних параметрів і режимів маятникового 
поверхневого пластичного деформування (ППД), а також геометрії робочого 
інструмента на зміну основних розмірів пружно-пластичних хвиль. 
Процес пружно-пластичного деформування досліджено на циліндричній 
моделі, у яку впроваджується жорсткий секторіальний робочий інструмент. 
Слід зазначити, що для виявлення закономірностей зміни геометричних 
розмірів пластичних хвиль, які утворюються при позаконтактній деформації, а 
також для визначення їх напружено-деформованого стану було обрано широкий 
діапазон натягу: від 0,1 до 1,0 мм (при цьому значення t=1мм є базовим), який у 
виробничій практиці застосовується дуже рідко. Розрахункова завищена 
величина натягу дозволяє також обґрунтувати значення, яке використовується 
на практиці. 
На рис. 2.11 показано форму хвилі позаконтактної деформації у напрямку 
головного руху (B) та у напрямку подачі (B′). 
 
а) б)  
Рисунок 2.11 – Форма контактної та позаконтактної деформації при 
маятниковому ППД (t=1мм): а) у напрямку головного руху (B);б) у напрямку 
подачі (B′). 
47 
Слід зазначити, що під впливом секторіального робочого інструмента 
хвилі, які утворюються в результаті маятникового ППД, мають характерну 
конфігурацію.У напрямку головного руху навколо робочого інструмента 
створюються хвилі (B), які практично мають однакову форму та розміри. 
У напрямку подачі хвилі (B′), що формуються у зоні оброблених та 
необроблених поверхонь, мають різну геометрію і відрізняються від хвиль (B) 
більшими розмірами висоти ℎ′ і довжини l′. Це пояснюється не лише наявністю 
поздовжньої подачі, коли метал у результаті пластичної текучості 
накопичується у зоні перед робочим інструментом, але й різним впливом за 
радіусом робочого інструмента: 
У напрямку головного руху впливає переважно секторіальний радіус Rсек. 
У напрямку подачі впливає робочий радіус rін 
Вплив фізико-механічних властивостей металу на розміри пружно-
пластичної хвилі 
Для визначення впливу фізико-механічних властивостей матеріалу на 
розміри пружно-пластичної хвилі після маятникового ППД виконано 
розрахунки для деяких чорних і кольорових металів (див. рис. 2.12). 
 
а) 
48 
 
б) 
Рисунок 2.12 – Вплив фізико-механічних властивостей металів на розміри 
пружно-пластичних хвиль при маятниковому ППД (при t=1,0мм): а) у напрямку 
головного руху (B);б) у напрямку подачі (B′). 
Слід зазначити, що при маятниковому ППД із базовими режимами обробки 
перевищення розміру хвилі у напрямку подачі (B′) порівняно з розміром хвилі у 
напрямку головного руху (B) є характерним не лише для сталей, але й для деяких 
кольорових сплавів. 
Аналізуючи рис. 2.12, можна зробити висновок, що ступінь зміни розмірів 
хвиль позаконтактної деформації тісно залежить від фізико-механічних 
властивостей матеріалу, а саме від меж текучості та пружності. 
Великі розміри хвиль спостерігаються у матеріалів із низьким модулем 
пружності (магнієвий сплав МА12, алюмінієвий сплав АМг6Н). Зростання 
модуля пружності призводить до зменшення лінійних розмірів хвиль у зоні 
позаконтактної деформації. Розрахунки показали, що при зміцнювальній 
обробці кольорових сплавів основний вплив на розміри пружно-пластичних 
хвиль має модуль пружності матеріалу (E), хоча однозначної закономірності не 
встановлено. 
При обробці нержавіючої та конструкційної сталі виявлено більш стійку 
закономірність між розмірами хвиль і фізико-механічними характеристиками 
металів. 
49 
Максимальні розміри хвиль формуються при обробці сплаву АМг6Н. 
Мінімальні розміри утворюються при зміцненні нержавіючої сталі 08Х18Н10. 
Співвідношення розмірів хвиль: 
У напрямку головного руху: h = (0,018…0,033)l 
У напрямку подачі: h'= (0,016…0,049)l' 
Напружений стан у пружно-пластичній хвилі. Окрім деформованого 
стану хвиль, який залежить від технологічних параметрів і форми робочого 
інструмента, напружений стан хвиль у зоні позаконтактної деформації також є 
важливим для оцінки якості обробленої поверхні після ППД. Багато досліджень 
[11,22,34] встановили, що втрата працездатності поверхневого шару, яка 
призводить до його подальшого руйнування, найчастіше відбувається у вершині 
хвилі. 
На рис. 2.13 показано розподіл тимчасових напружень у хвилях у напрямку 
головного руху (B) та у напрямку подачі (B′). Встановлено, що за однакових 
режимів зміцнення інтенсивність напружень у хвилі (B′) є більшою порівняно з 
хвилею (B) (досягає 1,21–1,35 разів). 
 
Рисунок 2.13 – Розподіл тимчасових напружень у хвилі (при t = 1,0 мм) 
а) у напрямку головного руху (В); б) у напрямку подачі (B′). 
Слід зазначити, що у вершинах хвиль утворюються незначні розтягувальні 
напруження в межах 45–60 МПа. Проте навіть при великій величині натягу 
(t=1мм) ці напруження приблизно у 10–13 разів менші за межу міцності 
матеріалу (600 МПа), що не чинить негативного впливу на міцність зміцнених 
поверхонь. 
50 
2.6  Математичний розрахунок температури в зоні контакту 
У процесі пластичного деформування виконується робота, що витрачається 
безпосередньо на деформування металу, та робота, пов'язана з тертям у зоні 
контакту заготовки з робочим інструментом. Під час механічної обробки 
виділяється тепло, яке витрачається на нагрівання заготовки, робочого 
інструмента та тепловіддачу в навколишнє середовище [7,15,21,26]. 
Дослідження температурних полів [21,26] показують, що при ППД за 
невеликої глибини зміцнення майже все тепло утворюється внаслідок 
деформації металу. Пластична деформація супроводжується зміцненням 
металу, величина якого оцінюється за результатами зміни твердості або 
мікротвердості поверхневого шару. Теплові явища в осередку деформації за 
певних температурних умов можуть знижувати результати, досягнуті ППД, – 
зменшувати величину залишкових напружень і ступінь наклепу. 
Під час ППД тепло утворюється в осередку деформації, і за інтенсивних 
режимів обробки формуються термопластичні напруження. Ці напруження, 
накладаючись на напруження, викликані власною пластичною деформацією, 
змінюють їхню величину, а іноді й характер розподілу. Щоб зберегти механічні 
властивості матеріалу, досягнуті під час поверхневого деформування, на 
практиці зазвичай обробку ППД виконують за низьких режимів, що негативно 
впливає на продуктивність технологічного процесу обробки [8,16,24,25,37]. 
Інтенсивний тиск у зоні контакту та сили тертя можуть створити достатньо 
високі температурні поля, які можуть викликати зміну структури матеріалу. 
Наприклад, при алмазному вигладжуванні за високих швидкостей обробки 
температура в зоні контакту може досягати 600–850°C [38,39,41]. За такої 
температури відбуваються не тільки структурні зміни в зміцненому шарі, але й 
пошкодження робочого інструмента (алмаза). У зв'язку з цим технологічні 
завдання повинні вирішуватися з урахуванням температурних полів, що 
утворюються під час механічної обробки. 
Моделювання термопроцесу маятникового ППД. Для визначення 
температури в зоні контакту робочого інструмента із заготовкою за допомогою 
комп'ютерної програми ANSYS 19.1 необхідно використовувати вкладку 
51 
Custom Systems і вибрати опцію Thermal-Stress (термо-стресовий аналіз), яка 
дозволяє об'єднати задані теплові та механічні параметри в одну задачу [6] (див. 
рис. 2.14). 
 
Рисунок 2.14 – Модель об’єднання структурного та термічного аналізу в 
програмі Ansys 19.1 
Модуль термічного моделювання автоматично приймає задані властивості 
моделі скінченних елементів у динамічній задачі, результати якої наведено 
вище, такі як: механічні характеристики матеріалу заготовки та робочого 
інструмента (Engineering Data), геометричні параметри (Geometry), 
розрахункові модулі (Model), крайові умови (Setup). 
 
Рисунок 2.15 – Механічні та термічні параметри процесу МППД 
Для визначення температури в зоні контакту, окрім умов, які 
характеризують кінематику процесу маятникового ППД і тертя, налаштованих 
на етапі динамічного моделювання, необхідно задати умови конвекції та 
навколишнього середовища (див. рис. 2.15). Прийнято: Природна конвекція: αк 
= 5 вт/мм2.оC; Коефіцієнт теплопровідності для сталі 45: у межах від 0о-300о λ = 
46 [Вт/(м.град)]; Температура навколишнього середовища: tо  = 22оC. 
Контактна температура в осередку деформації, її розподіл у заготовці 
та інструменті. На рис. 2.16 представлено розподіл температурних полів у зоні 
деформації. Результати показують, що максимальна температура виникає у зоні 
52 
контакту внаслідок взаємодії робочого інструмента із заготовкою та поступово 
зменшується у напрямку до протилежного краю поперечного перерізу циліндра. 
 
Рисунок 2.16 – Розподіл температурних полів у зоні контакту в заготовці 
(а) та у робочому інструменті (б) (за базових режимів маятникового ППД) 
Слід зазначити, що при маятниковому ППД за умов базових режимів 
обробки у зоні контакту формується максимальна температура, яка становить 
приблизно 101–105°C. Температура поступово знижується у напрямку до 
центру циліндричної заготовки. 
При цьому максимальна температура у робочому інструменті майже на 10–
20% вища, ніж у заготовці. Максимальне значення температури зміщене 
відносно центральної точки контакту робочого інструмента з поверхнею 
заготовки у напрямку, протилежному до напрямку подачі. 
Як зазначалося вище, особливість маятникового ППД полягає у зміцненні 
деталей за рахунок почергового здійснення процесів качення та ковзання 
робочого інструмента у зоні деформації. Різні схеми деформування металу 
можуть по-різному впливати на величину температури. На рис. 2.17 показано 
зміну температури в осередку деформації з часом при маятниковому ППД. 
Процес зміни температури має періодичний характер: Температура, яка виникає 
у процесі ковзання (t°сколь), має пульсуючий характер. Температура у процесі 
качення (t°коч) є більш плавною та стабільною. Процес ковзання 
супроводжується значнішим тепловиділенням порівняно з процесом качення 
(різниця температурних полів становить 20–30%). 
53 
 
Рисунок 2.17 – Зміна контактної температури з часом при маятниковому 
ППД 
Вплив технологічних параметрів процесу маятникового ППД на 
температуру в осередку деформації наведено в таблиці 2.2. Встановлено, що 
температура в зоні пружно-пластичної деформації при маятниковому ППД 
змінюється в межах від 75 до 135°C і залежить від основних технологічних 
параметрів процесу: 
Підвищення частоти обертання заготовки, частоти маятникового руху 
робочого інструмента, а також величини натягу призводить до збільшення 
температури у зоні контакту. Збільшення величини подачі та кутової амплітуди, 
навпаки, призводить до зниження температури в осередку деформації. 
Таблиця 2.2 – Температура в осередку деформації при маятниковому ППД 
 
Вплив теплових полів на напружений стан поверхневого шару деталей 
при маятниковому ППД. Розглянемо вплив температури на інтенсивність 
максимальних залишкових напружень поверхневого шару деталей після 
маятникового ППД. На рис. 2.18 представлено розподіл залишкових напружень 
по поперечному перерізу циліндричних зразків після маятникового ППД з 
урахуванням температури в зоні контакту. При температурі в зоні контакту до 
120 Со особливих змін у закономірності розподілу залишкових напружень не 
54 
спостерігається. При температурі tо  вище180∘C: Зона максимальних 
залишкових напружень зміщується в глибину заготовки. Значення напружень 
зменшуються на 50 МПа порівняно з процесом зміцнення без урахування 
температури (див. рис. 2.18в). 
Ці результати вказують на необхідність врахування температурних полів 
для забезпечення оптимальних властивостей зміцненого шару. 
 
Рисунок 2.18 – Розподіл залишкових напружень по поперечному перерізу 
циліндра: а) tо = 22Со; б) tо = 120Со; в) tо = 180Со; г) tо = 280Со 
Висновки до розділу 2 
1. Маятникове ППД має складну кінематику процесу зміцнення з 
підвищеною кількістю факторів, що впливають на якість поверхневого шару 
деталей. Широкий діапазон умов обробки підвищує можливості для 
посилення напружено-деформованого стану поверхні порівняно зі схемами 
ковзання та качення, дозволяючи керувати мікрогеометрією та фізико-
механічними властивостями.  
2. Побудовано модель МКЕ маятникового ППД у програмному 
середовищі. Це дозволяє оцінити ефективність нового процесу зміцнення за 
рахунок секториального робочого інструмента. Визначено напружено-
деформований стан, позаконтактні деформації та залишкові напруження у 
зміцнених деталях. 
55 
3. Великі розміри пружно-пластичних хвиль спостерігаються у 
матеріалів із низьким модулем пружності (у нашому випадку: магнієвий 
сплав МА12, алюмінієвий сплав АМг6Н). Збільшення модуля пружності 
призводить до зменшення лінійних розмірів хвиль у зоні позаконтактної 
деформації. При зміцнювальній обробці кольорових сплавів основний вплив 
на розміри пружно-пластичних хвиль має модуль пружності матеріалу (E), 
хоча однозначної закономірності не встановлено. Максимальні розміри 
хвиль формуються при обробці сплаву АМг6Н, а мінімальні – при зміцненні 
нержавіючої сталі 08Х18Н10. Установлено співвідношення розмірів 
пружно-пластичних хвиль: у напрямку головного руху: h=(0,018…0,033) у 
напрямку подачі: h′=(0,016…0,049)l′. 
4. При великій величині натягу (t=1 мм) формуються максимальні 
розтягувальні напруження у вершинах хвиль величиною приблизно 45–60 
МПа. Ці напруження приблизно у 10–13 разів менші за межу міцності 
матеріалу (600 МПа), тому вони не мають негативного впливу на міцність 
зміцнених поверхонь. При однакових режимах зміцнення інтенсивність 
розтягувальних напружень у хвилі (B′) у 1,21–1,35 рази більша порівняно з 
хвилею (B). 
5. При маятниковому ППД в зоні деформації формується 
максимальна температура, значення якої змінюється від 75 до 130°С (у 
вибраних режимах обробки). Максимальна температура в робочому 
інструменті на 10–20% вища, ніж у заготовці. Процес ковзання 
супроводжується більш значним тепловиділенням порівняно з процесом 
качення (різниця температурних полів становить 20–30%). 
 
 
  
56 
РОЗДІЛ 3. ВИЗНАЧЕННЯ ЯКОСТІ ПОВЕРХНЕВОГО ШАРУ ДЕТАЛЕЙ 
ПРИ МАЯТНИКОВОМУ ПОВЕРХНЕВОМУ ПЛАСТИЧНОМУ 
ДЕФОРМУВАННІ. ЕКСПЛУАТАЦІЙНІ ВИПРОБУВАННЯ 
ЗМІЦНЕНИХ ДЕТАЛЕЙ 
3.1 Методика та обладнання для досліджень з оцінки якості зміцнених 
деталей 
Для реалізації запропонованого способу фінішно-зміцнювальної обробки 
використано пристрій для забезпечення маятникового руху робочого 
інструмента (рис. 3.1). Пристрій складається з: крокового електродвигуна (12); 
основи (13); панелі керування (3), яка включає: програмований контролер (11); 
регулятор частоти маятникового руху (5); екран режимів обробки (7); блок 
вибору кутової амплітуди робочого інструмента (8); автоматичний запобіжник 
(9); електричний трансформатор (10); персональний комп’ютер (6). 
Пристрій працює наступним чином [43]: Управляюча програма для 
крокового двигуна (12), запрограмована на персональному комп’ютері (6), 
завантажується у програмований контролер (PLC) (11). Систему запускають 
натисканням кнопки запуску (4). Режим обробки обирається за допомогою 
регулятора частоти маятникового руху (5) та блоку вибору кутової амплітуди 
робочого інструмента (8). Інформація про характеристики маятникового руху 
робочого інструмента (1) відображається на екрані режимів обробки (7). 
Програмований контролер (PLC) (11) перетворює команди управляючої 
програми в імпульси керування, які подаються на обмотки крокового двигуна 
(12). Двигун обертається з чітко заданою амплітудою кута ±α та заданими 
параметрами швидкості руху. При цьому робочий інструмент (1), жорстко 
закріплений на валу двигуна шпонковим з’єднанням (2), здійснює маятниковий 
рух, кінематичні характеристики якого відповідають вибраним режимам 
обробки. Трансформатор (10) використовується для перетворення електричної 
напруги змінного струму 220 В у напругу постійного струму 15 В, необхідну для 
роботи програмованого контролера (11). Автоматичний запобіжник (9) захищає 
електричні кола від перевантажень або короткого замикання. 
57 
 
Рисунок 3.1 – Принципова схема пристрою для маятникового ППД із 
секторіальним робочим інструментом 
Дослідження проведені на токарному верстаті 1К62, на якому замість 
верхньої частини супорта встановлено пристрій для створення маятникового 
руху секториального робочого інструмента (рис. 3.2). 
 
Рисунок 3.2 – Загальний вигляд пристрою для маятникового ППД 
зовнішніх поверхонь циліндричних деталей: 
1 – основа; 2 – задній центр; 3 – мотор-редуктор; 4 – робочий інструмент; 
5 – оброблюваний зразок; 6 – трикулачковий патрон; 7 – панель 
управління параметрами руху інструмента. 
 
Геометричні характеристики робочого інструмента: секториальний радіус 
Rсек = 65 мм, робочий радіус rин = 3 мм; матеріал – швидкорізальна сталь Р18 
(твердість HRC 62–65); шорсткість робочої поверхні Ra = 0,08-0,16 мкм. Як 
58 
технологічну змазку використано індустріальну оливу І-40А, яка широко 
застосовується при обробці деталей ППД [15]. 
Перед проведенням досліджень виконано попереднє зміцнення ППД для 
визначення базових режимів обробки, які прийнято такими: радіальний натяг t 
= 0,07 мм; поздовжня подача s = 0,07 мм/об; частота обертання заготовки nзаг = 
100 об/хв; кутова амплітуда α = 20о; частота маятникового руху робочого 
інструмента nин = 55 дв.х/мин. 
Методика та техніка експерименту. Для дослідження параметрів якості 
циліндричних деталей після маятникового ППД використовували циліндричні 
зразки з середньовуглецевої сталі 45 діаметром 25 мм (рис. 3.3). Ці зразки 
поділені поперечними канавками на 6 однакових ділянок по довжині й діаметру, 
які оброблялися з використанням різних технологічних параметрів та режимів 
обробки. На кожному зразку випробовувався один параметр ППД із п’ятьма 
різними режимами обробки, що дозволило побудувати відповідні графіки. 
Кожен параметр обробки реалізовано на трьох зразках, а на графіках подано 
середньоарифметичні значення експериментальних досліджень. 
 
Рисунок 3.3 – Зразок для визначення параметрів якості циліндричної 
поверхні після маятникового ППД 
Для уникнення биття оброблюваної поверхні зразок закріплювали у 
трикулачковому патроні токарного верстата та підтискали заднім центром. 
Після цього циліндричну поверхню зразка обточували різцем до діаметра 25 мм 
(s = 0,17 мм/об, nзаг  = 620 об/мин, t = 0,5 мм), а потім обробляли методом ППД. 
Методика вимірювання шорсткості та хвилястості. Вимірювання 
параметрів шорсткості та хвилястості циліндричної поверхні дослідних зразків, 
які зазнали маятникового ППД, проводили за допомогою профілометра Form 
Talysurf i200, виробництва компанії Taylor Hobson (рис. 3.4). 
Для проведення вимірювань: 
59 
циліндричний зразок (1) встановлювався у V-подібну призму, закріплену 
на підложці; 
вимірювальна головка (5) переміщувалася згідно з сигналом ручного 
управління по поверхні зразка (1) для виконання вимірювання. 
Результати кожного вимірювання відображалися на екрані комп’ютера у 
вигляді профілограм з висотними та кроковими характеристиками 
мікропрофілю. 
Для забезпечення коректності вимірювання параметри шорсткості та 
хвилястості кожної ділянки визначали в трьох зонах через 120° по колу. На 
основі результатів середніх значень за трьома вимірюваннями було встановлено 
залежність шорсткості та хвилястості зміцнених поверхонь від кожного 
технологічного параметра маятникового ППД, яка представлена на наведених 
нижче графіках. 
 
Методика вимірювання відхилення від круглості. Для вимірювання 
відхилення від круглості оброблених зразків методом маятникового ППД 
використовували портальну координатно-вимірювальну машину (КВМ) 
CONTURA G2 (рис. 3.5). 
Процес вимірювання виконується на базовій частині машини, яка включає: 
массивну основу (1), на якій за допомогою предметного столика (4) 
встановлюється зразок (3). Завдяки блоку управління (5) вимірювальна головка 
(2) переміщується відносно циліндричного зразка (3) по трьох координатних 
осях. При контакті наконечника головки з поверхнею деталі подається 
60 
командний сигнал для: зчитування показань вимірювальних систем, зупинки 
руху та реверсу. 
Управління всім процесом вимірювання здійснюється через персональний 
комп’ютер (6) із периферійними пристроями для введення програм, вихідної 
інформації, а також для управління та виведення результатів вимірювань 
[35,43]. 
Для вимірювання діаметральних розмірів циліндричної форми 
раціональною траєкторією руху вимірювальної головки є окружність [31], що 
показано на рис. 3.5б. Вимірювання виконували у різних контрольних точках, 
кількість яких досягає декількох тисяч. Оскільки збільшення кількості 
контрольних точок підвищує тривалість вимірювання, для кожної циліндричної 
ділянки проводили вимірювання у 354 точках. 
 
Рисунок 3.5 – Координатно-вимірювальна машина Contura G2 (а) і 
траєкторія руху вимірювальної головки (б): 1 – масивна основа; 2 – 
вимірювальна головка; 3 – зразок; 4 – тримач зразка; 5 – блок управління; 6 – 
комп’ютер 
Методика вимірювання твердості поверхневого шару, мікротвердості і 
глибини зміцненого шару. Для вимірювання твердості поверхневого шару за 
Роквеллом використовували твердомір HBRV-187,5 із номінальним 
навантаженням 981 Н (див. рис. 3.6), що дозволяє визначати твердість за шкалою 
HRB у діапазоні від 30 до 100 одиниць (похибка становить ±2 HRB). На кожній 
ділянці зразка твердість вимірювали у шести точках, розташованих на поверхні 
по двох окружностях. Твердість кожної ділянки визначали як 
середньоарифметичне значення за результатами вимірювань у шести точках. 
61 
 
Для вимірювання мікротвердості та глибини зміцненого шару циліндричні 
зразки після маятникового ППД розрізали на шліфи за допомогою 
металографічного відрізного верстата моделі Discotom-10 (див. рис. 3.7). 
Під час абразивного мокрого відрізання використовували відрізні круги, що 
складаються з абразиву та зв’язуючої складової. Охолоджувальна рідина омиває 
круг, щоб уникнути пошкодження зразка через перегрів, а також змиває абразив 
із розрізаної поверхні. 
Вибір відрізного круга здійснювався залежно від твердості та пластичності 
матеріалу. Для різання чорних металів як абразив використовували оксид 
алюмінію (Al₂O₃) на бакелітовій основі. Для різання конструкційних сталей 
застосовували диск 20А25. 
 
62 
 
Рисунок 3.8 – Автоматичний прес ПОЛІЛАБ С50А (а) та шліфувально-
полірувальний верстат моделі Tegramin-25 (б) 
Зразки заливали порошком епоксидної смоли Aka-Resin Acrylic у форми на 
автоматичному пресі марки ПОЛІЛАБ С50А, а потім шліфували та полірували 
на автоматичному шліфувально-полірувальному верстаті моделі Tegramin-25 до 
дзеркального блиску із постійним охолодженням водою (рис. 3.8). Для 
виявлення мікроструктури сталі 45 шліфи травили за допомогою 5% розчину 
азотної кислоти (HNO₃) зі спиртом. 
Вимірювання мікротвердості виконували за допомогою мікротвердоміра 
HMV-G21 відповідно до ГОСТ РІСО 6507-1-2007 (рис. 3.9). Принцип роботи 
приладу полягає у статичному вдавлюванні наконечника з алмазною пірамідою 
Віккерса в плоску поверхню мікрошліфа. У нашому випадку для вимірювання 
мікротвердості мікрошліфів використовували шкалу HV0,2 (значення 
номінального навантаження 1,961 Н, час витримки 5 с). 
 
Рисунок 3.9 – Мікротвердомір HMV-G21 
63 
Для забезпечення коректності вимірювання мікротвердість кожного шліфа 
визначали в 10 точках, віддалених від поверхні циліндра на однаковій відстані 
(див. рис. 3.10). Перші точки вимірювання розташовані на відстані 50 мкм від 
поверхні циліндра, а крок між уколами становить 100 мкм по глибині 
поверхневого шару. Виходячи із середніх значень усіх вимірів, визначали 
залежність мікротвердості зміцнених деталей від кожного технологічного 
параметра маятникового ППД. 
 
Рисунок 3.10 – Схема вимірювання мікротвердості на металографічному 
шліфі 
Методика дослідження мікроструктури. Дослідження мікроструктури 
зміцнених деталей проводили на металографічному мікроскопі марки МЕТ–2 
(див. рис. 3.11). У даному випадку візуальне спостереження структури металу 
на екрані комп’ютера здійснювали зі збільшенням до 500 крат за допомогою 
програми Toup View. Геометричний контур зерна вуглецевої сталі на 
мікрошліфі являє собою фігуру неправильної форми. Розмір зерна оцінювали за 
середньоарифметичним значенням між максимальною та мінімальною його 
величиною, яке є стабільним із найменшою похибкою при виконанні не менше 
5–7 вимірів. У представлених результатах кожне зерно вимірювали не менше 10 
разів. 
64 
 
Рисунок 3.11 – Металографічний мікроскоп МЕТ-2 
Методика вимірювання залишкових напружень. Для вимірювання 
залишкових напружень на поверхні зміцнених деталей використано метод, 
заснований на ефекті шумів Баркгаузена [37]. Застосування цього методу 
зумовлено встановленням кореляційного зв’язку між амплітудою шумів 
Баркгаузена (магнітоупругим параметром) і залишковими напруженнями в 
досліджуваних металах і сплавах. Загалом, шуми Баркгаузена знижуються зі 
збільшенням твердості й залишкових стискаючих напружень і зростають за 
наявності розтягувальних напружень [22,23]. 
Експерименти проводилися на зміцнених циліндричних зразках зі сталі 45, 
яка є феромагнітною сталлю і добре відображає ефект шумів Баркгаузена під 
впливом магнітного поля. Вимірювання виконували за допомогою цифрового 
аналізатора шумів Баркгаузена Rollscan 300 виробництва компанії Stresstech Oy 
(Фінляндія). Прилад поєднаний із спеціальним вимірювальним стендом 
CamScan100-2LD, який дозволяє контролювати циліндричні поверхні зразків 
(див. рис. 3.12). 
 
65 
Рисунок 3.12 – Цифровий аналізатор шумів Баркгаузена Rollscan 300 із 
вимірювальним стендом CamScan100-2LD: 1 – інформаційний екран; 2 – 
регулятор параметрів шумів; 3 – вимірювальний стенд. 
Для визначення кореляційної залежності між шумами Баркгаузена та 
залишковими напруженнями необхідно провести попереднє дослідження 
напружено-деформованого стану плоских зразків розмірами 1,8×11×140 мм, 
виготовлених зі сталі 45 (див. рис. 3.13а). 
Попередній експеримент на плоских пластинах проводився у такій 
послідовності [37]: Для першої пластини її краї зводили назустріч одне одному 
догори для створення стискуючих напружень на верхній поверхні пластини. 
Другу пластину прогинали у протилежному напрямку для створення 
розтягуючих напружень на верхній поверхні. Одночасно реєстрували стрілу 
прогину за допомогою індикатора з двоопорною планкою на базі b = 64 мм (див. 
рис. 3.13б). Збільшення стріли прогину на зразку виконували із кроком 100 мкм. 
За значенням стріли прогину обчислювали радіус вигину пластини, за яким, з 
урахуванням модуля пружності (для сталі 45 E = 2×10⁵ МПа), визначали 
створювані напруження для кожного зразка. Паралельно з цим процесом 
визначали відповідні значення магнітопружного параметра (МП) при частоті 
намагнічування f = 150 Гц та напрузі намагнічування U = 1,1 В (див. рис. 3.13в). 
66 
 
Рисунок 3.13 – Вимірювання залишкових напружень на основі шумів 
Баркгаузена: а) плоскі зразки; б) вимірювання деформації пластини; в) 
вимірювання шумів Баркгаузена на плоских пластинах; г) вимірювання шумів 
Баркгаузена на циліндричних зразках.  
1) верстат для вигину пластини; 
2) індикатор для вимірювання стріли прогину; 
3) датчик шумів Баркгаузена; 
4) циліндричний зразок. 
 
3.2 Співставлення результатів чисельних розрахунків моделювання з 
результатами досліджень 
Залишкові напруження в зміцнених деталях. На рис. 3.14 представлені 
результати порівняння величини інтенсивності стискаючих залишкових 
напружень, отримані при чисельних розрахунках моделювання в програмі Ansys 
19.1 і при експериментальних вимірюваннях за допомогою цифрового 
аналізатора шумів Баркгаузена марки Rollscan 300. 
З підвищенням подовжньої подачі з 0,07 до 0,23 мм/об експериментальна 
крива залишкових напружень зменшується з 300 до 220 МПа. При цьому 
67 
розрахункова крива залишкових напружень (пунктирна лінія) зменшується з 350 
до 220 МПа (див. рис. 3.14а). 
Слід зазначити, що при дослідженні впливу величини радіального натягу 
на величину залишкових напружень встановлено достатньо близьке співпадіння 
між експериментальними та чисельними результатами (див. рис. 3.14б). Зі 
збільшенням частоти обертання заготовки від 80 до 200 об/хв експериментальна 
крива залишкових напружень зростає з 285 МПа до 335 МПа, а розрахункова 
крива зростає з 310 до 355 МПа (рис. 3.14в). 
Зі збільшенням частоти маятникового руху робочого інструмента від 40 до 
120 дв.х/хв експериментальна крива залишкових напружень зростає з 280 до 325 
МПа, при цьому розрахункова крива підвищується з 280 до 340 МПа. З 
підвищенням кутової амплітуди від 15 до 37° експериментальна крива 
залишкових напружень збільшується на 13%, а розрахункова – на 16–17% (рис. 
3.14г і 3.14д). 
 
 
68 
Рисунок 3.14 – Порівняння 
результатів вимірювання залишкових 
напружень залежно від: а) величини 
подачі; б) величини натягу; 
в) частоти обертання заготовки; 
г) частоти маятникового руху; 
д) кутової амплітуди інструмента. 
 
Встановлено, що характер зміни залишкових напружень залежно від 
технологічних параметрів маятникового ППД, отриманий під час 
експериментального визначення, практично узгоджується з результатами 
моделювання, наведеними в розділі 2. Розбіжність між результатами числових 
розрахунків і експериментальними даними не перевищує 18%. 
Слід зазначити, що під час використання ефекту шумів Баркгаузена для 
контролю залишкових напружень у зміцнених деталях виникає похибка у 
процесі вимірювання параметра шумів, оскільки магнітоупругий шум залежить 
не лише від залишкових напружень поверхневого шару, але й від інших 
характеристик поверхні, наприклад, шорсткості, твердості, фазового складу, 
структурної будови тощо. Крім того, при попередньому вимірюванні шумів на 
пластинах, як на плоскій поверхні, контакт між датчиком шумового аналізатора 
і вимірюваною поверхнею має більшу площу порівняно з випадком 
вимірювання шумів на циліндричних зразках. У цьому зв’язку отриману 
похибку (18%) слід вважати прийнятною. 
Температура в зоні деформації. Для експериментального вимірювання 
контактної температури в зоні деформації використовували універсальний 
тепловізор марки Flir SC7000 (рис. 3.14), який забезпечує безконтактне 
вимірювання температури в широкому динамічному діапазоні з максимальною 
чутливістю та точністю. Управління процесом вимірювання температури 
здійснюється за допомогою програми Altair, встановленої безпосередньо на 
персональному комп’ютері. 
69 
 
Рисунок – 3.14. Тепловізор Flir SC7000 
На рис. 3.15 наведено результати вимірювання температури контакту під 
час моделювання в програмі Ansys 19.1 та під час експериментального 
визначення за допомогою тепловізора Flir SC7000. Очевидно, що в реальних 
умовах зміцнення температура в зоні контакту при маятниковому ППД також 
має періодичний характер: під час ковзання вона становить близько 80°С, а під 
час кочення – приблизно 65°С. Розходження результатів визначення 
температури в зоні контакту при маятниковому ППД, отриманих числовим 
розрахунком і експериментальним дослідженням, не перевищує 15%. 
 
а) 
70 
 
Рисунок 3.15 – Результати вимірювання температури в зоні контакту при 
моделюванні в програмі Ansys 19.1 (а) та за допомогою тепловізора (б) 
При використанні технологічної змазки І-40А температура в зоні контакту 
значно знижується (див. рис. 3.16) при цьому суттєвої різниці у температурі між 
процесами ковзання та кочення практично не спостерігалося. У всіх вибраних 
режимах зміцнення, що забезпечують отримання сприятливих значень 
характеристик поверхні циліндричних деталей, температура в осередку 
деформації не перевищує 41°С, що не впливає негативно на характеристики 
якості зміцненого поверхневого шару. 
 
Рисунок 3.16 – Зміна температури в осередку деформації при маятниковому 
ППД з використанням технологічної змазки 
Таким чином, використання технологічної змазки в осередку деформації 
забезпечує сприятливий тепловий режим (становить 38–41°С) протягом усього 
процесу зміцнення, тим самим підвищується ефективність інтенсифікації НДС 
поверхневого шару оброблюваної заготовки. Слід зазначити, що при обробці 
71 
довгомірних деталей тепловий режим може бути дещо вищим, оскільки процес 
накопичення тепла відбувається швидше, ніж теплообмін. 
3.3 Порівняння якості поверхневого шару, отриманого маятниковим 
ППД та тороподібним роликом 
Для порівняння якості поверхневого шару деталей, зміцнених маятниковим 
ППД, та оброблених за схемою качення і ковзання тороподібним роликом, було 
створено скінченно-елементну модель, у якій робочий інструмент виконаний у 
вигляді подовженого кругового сектора (rін = 4 мм, Rсек = 25 мм), що 
представляє собою окружність (рис. 3.17). 
У програмі Ansys 19.1 характеристики даного інструмента були прийняті 
аналогічно характеристикам секториального робочого інструмента. 
Для визначення напружено-деформованого стану заготовки були 
використані такі режими зміцнення: Частота обертання заготовки: nзаг = 50 
об/хв; Частота обертання робочого інструмента: nін = 50 об/хв (що відповідає 150 
дв.х/хв у випадку зміцнення секторальним інструментом); Натяг: t = 0,1 мм; 
Подовжня подача: s = 0,1 мм/об. 
 
Рисунок – 3.17. Скінченно-елементна модель процесу ППД за схемою 
качення (I) і ковзання (II) у зоні контакту: 1 – робочий інструмент; 2 – циліндр 
діаметром Dзаг 
На рис. 3.18 наведено поля розподілу тимчасових напружень по 
поперечному перерізу циліндра в результаті ППД за різними схемами 
зміцнення. 
72 
  
а) б) 
Рисунок – 3.18. Поля розподілу 
інтенсивності тимчасових напружень 
по поперечному перерізу циліндра: 
а) під час кочення; 
б) під час ковзання; 
в) під час маятникового ППД. 
 
в) 
Слід зазначити, що в результаті ППД за однакової величини натягу за 
схемою кочення (див. рис. 3.18а) значення інтенсивності максимальних 
тимчасових напружень найменше (391 МПа). За однакових умов зміцнення 
інтенсивність тимчасових напружень у випадку маятникового ППД досягає 
максимального значення, рівного 485 МПа, що на 35% і 25% більше порівняно 
зі схемами кочення та ковзання відповідно. 
Як приклад порівняння ефективності маятникового ППД із відомим 
способом ППД було виконано порівняння напруженого стану в осередку 
деформації, сформованого в процесі маятникового ППД, із напруженим станом, 
утвореним у процесі ППД осцилюючим вигладжуванням [40,41], де 
використовувався прямолінійний стрижень із радіусом заокруглення як робочий 
інструмент. Установлено, що за однакової величини радіального натягу 
тимчасові напруження у випадку маятникового ППД секториальним робочим 
інструментом (485 МПа) на 35% вищі, ніж у випадку ППД осцилюючим 
вигладжуванням (359 МПа). Цей ефект пояснюється зменшенням площі 
73 
контакту робочого інструмента із заготовкою завдяки криволінійній формі 
інструмента, унаслідок чого тимчасові напруження зростають [42]. 
У зв'язку з цим слід припустити, що маятникове ППД є ефективним 
способом зміцнення для фінішно-зміцнювальної обробки, зокрема й для 
нежорстких циліндричних деталей. 
 
Рисунок – 3.19. Розподіл інтенсивності напружень за глибиною циліндра: 
1 – при маятниковому ППД; 2 – при ППД ковзанням; 3 – при ППД коченням 
 
На рис. 3.19 показано розподіл інтенсивності тимчасових напружень за 
глибиною поверхневого шару, де наочно відображено, що інтенсивність 
напружень зменшується в напрямку осьової зони циліндра. При цьому в разі 
ППД за схемою кочення та ковзання пластична деформація відбувається лише 
до глибини 0,7–1,1 мм, а при маятниковому ППД – до 1,4–1,5 мм від 
поверхневого шару. 
Слід зазначити, що при ППД за схемою ковзання глибина пластичної 
деформації є більшою порівняно зі схемою кочення (в 1,5–1,6 раза). За 
однакових умов зміцнення найбільше значення глибини зміцненого шару 
досягається при маятниковому ППД, яке перевищує зміцнення за схемами 
кочення та ковзання відповідно на 50% та 30%. 
3.4 Дослідження корозійної стійкості деталей, зміцнених маятниковим 
ППД 
На сьогоднішній день щорічні втрати металів унаслідок корозії становлять 
до 12 % від загальної маси металофонду, що відповідає втратам до 30 % щорічно 
74 
виробленого металу. За оцінками спеціалістів різних країн, ці втрати в 
промислово розвинених державах становлять від 2 до 6 % валового 
національного продукту [1]. Аналіз літературних джерел [32,33,39] показав, що 
серед усіх причин, які призводять до руйнування деталей під час експлуатації, 
9-10 % припадає на різні види корозії. Тому в сучасному машинобудуванні 
постійно ведеться боротьба з корозією, а збільшення строку служби виробів 
завжди є важливим завданням для інженерів та дослідників. 
Як зазначено у розділі 1, методи ППД сприяють підвищенню корозійної 
стійкості завдяки зменшенню шорсткості поверхні та згладжуванню 
мікронерівностей, що дозволяє уникати утворення високих вершин і глибоких 
западин, які слугують джерелом накопичення продуктів, що викликають 
корозію. Стискаючі залишкові напруження на поверхні деталей, створені 
внаслідок зміцнення ППД, знижують інтенсивність електрохімічного 
розчинення металу, тим самим підвищуючи корозійну стійкість виробів. 
Проте серед відомих досліджень, присвячених впливу ППД на корозійну 
стійкість зміцнених деталей [29,34], немає єдиної думки. З одного боку, 
зниження параметрів шорсткості та зміна форми мікропрофілю сприяють 
підвищенню корозійної стійкості. З іншого боку, неоднорідність механічних 
властивостей структури зміцненого шару в умовах рідкого середовища може 
спричиняти виникнення різниці потенціалів, що, у свою чергу, викликає 
інтенсивне окиснення металів. Очевидно, що кожен із зазначених чинників 
проявляється по-різному залежно від умов і режимів механічної обробки. 
У зв'язку з цим особливий інтерес становить вплив маятникового ППД на 
корозійну стійкість зміцнених деталей. 
Величину корозійного розчинення металу можна визначати наступними 
основними методами: за зміною маси досліджуваного зразка; за зміною 
механічних властивостей зразка при його розтягуванні; за зміною електричного 
опору металу; за визначенням часу до появи першого корозійного центру та 
іншими [43]. 
Методика корозійних випробувань. Для оцінки корозійної стійкості 
зміцнених зразків використовували метод, заснований на зміні маси зразків у 
75 
результаті впливу корозійного середовища. Метод досить простий, надійний, 
дозволяє отримувати стабільні результати та зробити кількісну оцінку маси 
металу, зруйнованого корозією [23,27]. Після маятникового ППД циліндричні 
зразки розрізали на диски товщиною 8 мм за допомогою металографічного 
відрізного верстата моделі Discotom-10. Для визначення корозії торцеві частини 
циліндричних дисків покривали нітролаком, при цьому частиною поверхні, що 
піддається корозії, є тільки зовнішня циліндрична поверхня зразка (рис. 3.21а). 
Для проведення корозійних випробувань як джерело корозії 
використовували сірчану кислоту (H₂SO₄) з концентрацією 15%, яка має 
достатньо високу корозійну активність серед усіх відомих кислот і є 
універсальним засобом, що викликає корозію практично всіх металів. Зразки 
занурювали в ексикатор з розчином сірчаної кислоти при кімнатній температурі 
з фіксацією часу випробування. Для оцінки величини корозії за цим методом 
служить масовий показник, який представляє собою кількість розчиненого 
металу, віднесену до площі досліджуваної поверхні [29]: 
 
Рисунок –3.20. Вимірювання маси зразка на аналітичних вагах HR-150AR 
1 – платформа із зразком; 2 – екран. 
Вимірювання маси зразків, що піддавалися корозії в агресивному 
середовищі, проводили щогодини за допомогою аналітичних ваг HR-150AR із 
точністю до 0,0001 г (рис. 3.20). 
Результати корозійних випробувань. На рисунку 3.21 показані 
результати корозійних випробувань циліндричних зразків із сталі 45: 
76 
До зміцнення (рис. 3.21а): Поверхня має значну шорсткість, яка забезпечує 
більшу площу контакту з корозійним середовищем, прискорюючи процес 
розчинення металу. 
Після маятникового ППД (рис. 3.21б): Процес корозії менш інтенсивний, 
спостерігаються газові бульбашки меншого розміру. 
Візуальна оцінка після 3 годин у кислоті (рис. 3.21в): Видно, що зразки 
після упрочнення демонструють менше пошкодження поверхні, що свідчить про 
підвищену корозійну стійкість. 
Маятникове ППД сприяє: Зменшенню шорсткості поверхні. Зменшенню 
площі контакту з корозійним середовищем. Підвищенню експлуатаційних 
властивостей, таких як корозійна стійкість. 
 
 
а б 
Рисунок – 3.21. Корозійні 
випробування циліндричних зразків зі 
сталі 45 у 15% розчині сірчаної 
кислоти: 
а) до корозії; 
б) під час корозії; 
 
в) після корозії. 
в 
На рис. 3.22  представлені результати досліджень інтенсивності корозії 
циліндричних зразків до та після зміцнення маятниковим ППД. Встановлено, що 
процес корозії відбувається більш інтенсивно у приповерхневому шарі як 
зміцнених, так і незміцнених зразків. Після маятникового ППД інтенсивність 
корозії, що відбувається на поверхні циліндра, суттєво знижується, при цьому 
значення показника Кр зменшується на 25–35%. 
77 
 
Рисунок – 3.22. Інтенсивність корозійного процесу зразків із сталі 45 у 15% 
розчині сірчаної кислоти 
Слід зазначити, що при визначенні корозії встановлено, що протягом 
перших шести годин інтенсивність корозії поверхневого шару зразків 
безперервно зростає, при цьому показник Кр досягає максимального значення 
через 5–6 годин від початку випробування. Після шести годин значних змін маси 
зразків не спостерігалося. У зв'язку з цим, щоб визначити вплив кожного 
технологічного параметра маятникового ППД на величину корозії зміцнених 
зразків зі сталі 45, використовували показник Кр, розрахований за результатами 
визначення розчиненого металу після 6 годин занурення у розчин сірчаної 
кислоти. 
Як було припущено раніше, інтенсивність корозії залежить від 
характеристик мікропрофілю досліджуваної поверхні. Для перевірки цього 
зв’язку на графіках нижче наведено параметр шорсткості (у нашому випадку 
використовують середнє арифметичне відхилення профілю Ra) зразків, які 
піддавалися корозійним випробуванням. 
Розглянемо вплив технологічних параметрів маятникового ППД на 
корозійну стійкість зміцнених деталей. 
На рис. 3.23 представлена залежність інтенсивності корозії та шорсткості 
зміцненої поверхні від основних параметрів маятникового ППД. Результати 
корозійних випробувань показали, що збільшення величини поздовжньої подачі 
призводить до прискорення процесу корозії. При збільшенні поздовжньої подачі 
з 0,07 до 0,23 мм/об інтенсивність корозії зростає на 15% (рис. 3.23а). При цьому 
78 
встановлено пряму залежність між інтенсивністю корозії та шорсткістю 
поверхні деталей: чим менша шорсткість, тим нижча інтенсивність корозії. 
Закономірність впливу величини натягу на швидкість корозії має 
неоднозначний характер. Із збільшенням величини натягу до 0,1 мм 
інтенсивність корозії зменшується, при цьому раціональне значення величини 
натягу, що забезпечує максимальну корозійну стійкість зміцнених деталей, 
становить 0,10–0,11 мм (рис. 3.23б). За такого значення натягу шорсткість 
зміцненої поверхні є найменшою (Ra = 0,53 мкм). При перевищенні величини 
натягу понад 0,11 мм інтенсивність корозії зростає, при цьому масовий показник 
корозії Кр збільшується з 0,56 до 0,72 мг/мм². 
 
Рисунок – 3.23. Вплив основних 
параметрів МППД на корозійну 
стійкість і шорсткість зміцнених 
зразків: 
а) величини подачі; 
б) величини натягу; 
в) частоти обертання заготовки. 
 
Під час обробки циліндричних деталей маятниковим ППД за частоти 
обертання заготовки в межах 80–90 об/хв інтенсивність корозії є найменшою, 
при цьому показник корозії Кр досягає 0,55–0,60 мг/мм² (рис. 3.23в). Зі 
збільшенням частоти обертання заготовки від 80 до 200 об/хв інтенсивність 
корозії зростає майже на 30%. 
79 
На рис. 3.24 наведені графіки, які демонструють залежність інтенсивності 
корозії та шорсткості від маятникового руху робочого інструмента. 
Установлено, що низька швидкість корозії забезпечується за частоти 
маятникового руху робочого інструмента в діапазоні 40–60 дв.х/хв. Збільшення 
частоти маятникового руху робочого інструмента в межах вибраних значень 
призводить до підвищення інтенсивності корозії зміцнених деталей. 
 
Рисунок – 3.24. Залежність інтенсивності корозії та шорсткості зміцненої 
поверхні від параметрів маятникового руху: а) від частоти маятникового руху; 
б) від величини кутової амплітуди 
Інтенсивність корозії перебуває у прямій залежності від кутової амплітуди 
робочого інструмента. Із збільшенням кутової амплітуди у визначених межах 
масовий показник корозії Кр зростає майже на 28%. Раціональне значення 
кутової амплітуди, яке забезпечує найменшу швидкість корозії, становить 15–
20° (рис. 3.24б). 
 
Рисунок – 3.25. Залежність корозійної стійкості зміцнених поверхонь від 
шорсткості 
80 
На основі аналізу шорсткості та інтенсивності корозії від технологічних 
параметрів маятникового ППД побудовано кореляційну залежність між 
висотним показником шорсткості Ra і показником Kp (рис. 3.25), яка 
визначається таким рівнянням: Кр = 0,64Ra⁰.¹⁴ (коефіцієнт достовірності 
апроксимації R² = 0,98). 
3.5 Визначення раціональних режимів обробки для досягнення 
найкращих показників якості зміцнених деталей 
Представлені результати експериментальних досліджень показали, що 
закономірність зміни показників якості поверхневого шару деталей машин 
залежно від технологічних параметрів та режимів маятникового ППД (s, t, nзаг, 
nін, α) має неоднозначний характер. Наприклад, зі збільшенням частоти 
маятникового руху робочого інструменту та частоти обертання заготовки 
твердість і мікротвердість поверхневого шару підвищуються, проте параметри 
шорсткості, хвилястості та відхилення від круглості збільшуються. 
Оптимальне значення радіального натягу, яке забезпечує мінімальну 
шорсткість, хвилястість і відхилення від круглості, може бути різним залежно 
від пріоритетного показника якості. 
У зв’язку з цим, особливу увагу привертає завдання оптимізації 
технологічних режимів маятникового ППД, які забезпечують досягнення 
найкращих показників якості зміцнених деталей. 
Оптимізація має враховувати всі показники якості, розставляючи 
пріоритети залежно від конкретних експлуатаційних вимог до деталі. Це 
дозволить отримати збалансоване рішення для вибору режимів обробки. 
Слід зазначити, що розрахунок показників якості поверхні з використанням 
отриманих моделей регресії (виконано з похибкою, що не перевищує 8%. При 
цьому коефіцієнти детермінації для всіх моделей достатньо високі (в межах 0,88 
– 0,92), а умова за критерієм Фішера виконувалася. 
На основі отриманих вище емпіричних залежностей проведено розрахунки 
раціональних параметрів маятникового ППД для кожного показника якості. 
Результати представлені в таблиці 3.1. 
 
81 
Таблиця 3.1 – Раціональні режими маятникового ППД (для сталі 45) 
Режими обробки 
Показники Діапазон 
t, s, nзаг, nин, α, 
якості варіювання 
мм мм/об об/хв дв.x/хв град 
Ra, мкм 0,52-0,57 0,1 0,07 80-100 40-60 15 
Wa, мкм 3,7-4,2 0,1 0,07 80-100 60-80 15 
Δкр, мкм 6,3-6,5 0,12 0,07 80-100 40-60 15 
��ост, МПа 
эк 330-340 0,15-0,2 0,07-0,11 150-200 80-120 30-37 
вр
�� , МПа 580-600 0,15-0,2 0,07-0,11 150-200 80-120 30-40 
�� 
HV0,2, ед 325-326 0,15-0,2 0,07-0,11 125-160 80-120 25-30 
HRB, ед 93-95 0,15-0,2 0,07-0,11 125-160 80-120 25-30 
hн, мм 0,98-1,12 0,15-0,2 0,07-0,11 125-160 80-120 25-30 
ΔL, % 55-65 0,15-0,2 0,07-0,11 125-160 80-120 25-30 
K 0,1-0,14 0,15-0,2 0,07-0,11 125-160 80-120 25-30 
Аналізуючи таблицю 3.1, можна побачити, що характеристики якості 
деталей можна розділити на дві групи: Показники, які потребують максимізації: 
HV0,2 
HRB 
hн 
σост 
σвр 
ΔL 
Показники, які потребують мінімізації: 
Ra 
Wa 
Δкр 
K�� 
Режими обробки для показників, які стосуються НДС та механічних 
властивостей, мають практично близькі діапазони варіювання технологічних 
параметрів. Для геометричних характеристик (Ra, Wa, Δкр) режими обробки 
відрізняються незначним інтервалом величини натягу. 
Для оптимізації показників якості доцільно: 
82 
Сгрупувати показники до геометричних характеристик: Ra, Wa, Δкр 
До НДС та механічних характеристик: HV0,2, HRB, hн, σост, σвр, K��, ΔL 
Раціональні режими маятникового ППД, які забезпечують отримання 
найкращих якісних поверхонь, наведені в таблиці 3.2. 
Таблиця 3.2 – Раціональні режими маятникового ППД 
Для показників геометричних Для показників ПДВ та механічних 
Режими 
характеристик: характеристик: 
обробки вр
Ra, Wa, Δ  HV0,2, HRB, hн, ��ост, �� , K, ΔL 
кр �� �� 
t, мм 0,1 0,15 
s, мм/об 0,07 0,11 
nзаг, об/хв 80 150 
nин, дв.x/хв 60 120 
α, град 15 30 
Особливий інтерес становить вплив механічних властивостей 
оброблюваного матеріалу на величину стискаючих залишкових напружень з 
урахуванням параметрів обробки. 
3.6 Технологічні рекомендації щодо зміцнення деталей маятниковим 
поверхневим пластичним деформуванням (МППД) 
Оброблювана заготовка: Запропонований спосіб зміцнення може бути 
застосований для обробки жорстких і нежорстких циліндричних деталей типу 
валів і осей. Можна обробляти гладкі та ступінчасті заготовки з чорних і 
кольорових металів та сплавів. Не рекомендується зміцнювати в'язкі матеріали 
через їхнє налипання на робочий інструмент. При обробці галтелей на 
ступінчастих ділянках робочий інструмент необхідно повертати на 45°. 
Початкова шорсткість поверхні заготовки не повинна бути нижче Ra = 4–6 мкм. 
Твердість оброблюваного матеріалу не повинна перевищувати твердість 
деформуючого елемента (у цьому випадку деформуючий елемент виконаний із 
швидкорізальної сталі Р18 твердістю HRC 62–65). 
Технологічне обладнання. Для застосування маятникового ППД 
циліндричних деталей можна використовувати практично будь-які універсальні 
токарні верстати, а також верстати з числовим програмним керуванням (ЧПК). 
Пристрій для створення маятникового руху робочого інструмента 
83 
закріплюється на верхній частині супорта замість різцетримача, при цьому 
оброблювана заготовка встановлюється в трикулачковому патроні одним 
кінцем, а іншим — у задньому центрі. Заготовку також можна встановлювати в 
центрах із використанням поводкового хомута. Крім конструкції установки, 
використаної в даній роботі, розроблені інші технологічні рішення, захищені 
патентами РФ на винахід (див. Додаток Г). 
Робочий інструмент. Як робочий інструмент використовується круговий 
сектор із радіусом скруглення rₐ. Саме радіус скруглення є деформуючим 
елементом, який безпосередньо контактує з обертовою заготовкою. 
Характеристики робочого інструмента: Форма: криволінійна із секторальним і 
робочим радіусами відповідно 65 і 3 мм. Ці радіуси можуть доповнювати один 
одного, при цьому характеристики НДС залишаються незмінними. 
Матеріал: швидкорізальна сталь Р18 (твердість HRC 62–65), можливе 
використання вставки з твердого сплаву ВК8. 
Шорсткість робочої поверхні: Ra = 0,08–0,16 мкм. 
Технологічна змазка: можна використовувати індустріальні масла різних 
марок (наприклад: І-20А, І-40А, І-50А тощо), які зазвичай застосовуються як 
мастильні або гідравлічні рідини у середньонавантажених механізмах, зокрема 
у промислових верстатах, пресах, автоматизованих лініях. 
Параметри технологічного процесу. Основні параметри процесу 
маятникового ППД: поздовжня подача s, радіальний натяг t, частота обертання 
заготовки nзаг, частота маятникового руху робочого інструмента nін та кутова 
амплітуда маятникового руху α. Частота маятникового руху робочого 
інструмента і кутова амплітуда характеризують кінематику деформуючого 
елемента. Усі перелічені параметри безпосередньо впливають на ефективність 
процесу зміцнення та якість зміцнених деталей загалом. 
Поздовжня подача: 
Цей параметр є більш значущим для зміни геометричних характеристик 
якості (Ra, Wa, Δкр). Зі збільшенням величини подачі від 0,07 до 0,3 мм/об 
шорсткість, хвилястість і відхилення від круглості зростають. У такому випадку 
величину подачі слід зменшити. 
84 
Однак зменшення подачі нижче 0,07 мм/об є недоцільним, оскільки це 
призводить до різкого збільшення залишкових напружень, які можуть 
перевищити межу плинності матеріалу заготовки. Крім того, при малих 
значеннях поздовжньої подачі виникає перенаклеп поверхневого шару 
матеріалу. 
Радіальний натяг. Радіальний натяг є ефективним параметром, що 
значною мірою впливає на формування стискаючих залишкових напружень. 
Збільшення цього параметра від 0,1 до 0,2 мм сприяє підвищенню твердості, 
мікротвердості, глибини наклепу, а також зменшенню розмірів і деформації 
форми зерен. 
Величина натягу також впливає на геометричні характеристики поверхні 
циліндричної деталі. При малих значеннях натягу (менше 0,1 мм) 
спостерігається неповне деформування мікронерівностей. За оптимальних 
значень натягу (близько 0,10–0,12 мм) відбувається ефективне згладжування 
мікронерівностей, що покращує параметри шорсткості, хвилястості та 
відхилення від круглості. 
Частота обертання заготовки має незначний вплив на напружено-
деформований стан і механічні властивості оброблюваної заготовки. 
Збільшення частоти обертання заготовки супроводжується виникненням 
вібрацій, що може призводити до підвищення шорсткості, хвилястості поверхні, 
а отже, до зниження точності. При збільшенні частоти обертання заготовки на 
10% мікротвердість і глибина наклепу зростають у середньому на 0,4–0,8%, тоді 
як шорсткість і хвилястість зростають на 11,9–13,4%. 
Частота маятникового руху робочого інструмента впливає на 
геометричні характеристики поверхні (Ra, Wa, Δкр) меншою мірою порівняно з 
частотою обертання заготовки. Проте в разі зміни твердості, мікротвердості та 
глибини наклепу вплив частоти маятникового руху є більш значущим. У 
випадках, коли необхідно досягти значного зменшення розмірів зерен і 
спотворення їх форми, частота маятникового руху є ефективним параметром. 
Результати експериментальних досліджень показали, що збільшення частоти 
маятникового руху інструмента з 40 до 120 дв.х/хв призводить до підвищення 
85 
величини стискаючих залишкових напружень на 30–40% і мікротвердості на 
12%. 
Кутова амплітуда маятникового руху інструмента впливає на 
формування залишкових напружень, шорсткість і хвилястість. Із збільшенням 
кутової амплітуди від ±5° до ±30° залишкові напруження збільшуються на 15–
25%. При підвищенні кутової амплітуди на 10% шорсткість зростає на 17,9%. 
Значущість цього технологічного параметра є найвищою у випадках зміни 
спотворення форми зерен. При підвищенні кутової амплітуди на 10% 
спотворення форми зерен зростає на 51%. 
Показники якості зміцненого шару. Оцінка якості зміцнюючої обробки 
здійснюється на основі результатів експериментальних вимірювань 
геометричних і експлуатаційних показників поверхні, які включають: 
шорсткість, хвилястість, відхилення від круговості, корозійну стійкість, а також 
показники напружено-деформованого стану (НДС) і механічних характеристик, 
таких як твердість, мікротвердість, залишкові напруження, глибина наклепу, 
ступінь зменшення розмірів зерен та спотворення їхньої форми. Після 
маятникового ППД шорсткість і хвилястість зміцнених поверхонь зменшуються 
в 6–8 разів, при цьому точність діаметральних розмірів підвищується на 3–4 
квалитети. Корозійна стійкість зміцнених деталей зростає на 25–35%. 
Твердість поверхневого шару деталей, зміцнених маятниковим ППД, 
підвищується в середньому на 9–12% (досягає 94–95 HRB); максимальна 
мікротвердість поверхневого шару становить 336 HV0,2 (початкова 
мікротвердість становила близько 315 HV0,2); глибина наклепу при зміні 
основних технологічних параметрів і режимів ППД перебуває в інтервалі 0,81–
1,1 мм; ступінь зміцнення варіюється в межах 45–65%; ступінь зменшення 
розмірів зерен становить 45–67%, коефіцієнт спотворення форми зерен у 
поверхневому шарі зміцнених деталей перебуває в діапазоні 0,15–0,5 у 
поздовжньому перерізі, а в поперечному – 0,1–0,4; густина дислокацій 
кристалічних решіток після маятникового ППД зростає в 2,2–2,5 раза (близько 
2,2∙10⁸ см⁻²). 
 
86 
Висновок до розділу 3 
Маятникове ППД є способом зміцнення для зовнішніх поверхонь 
циліндричних деталей, доцільність застосування якого доведена шляхом 
експериментальних досліджень параметрів якості поверхневого шару. 
Результати досліджень показали, що маятникове ППД сприяє підвищенню 
фізико-механічних властивостей поверхневого шару зміцнених деталей, 
включаючи параметри НДС. Після маятникового ППД шорсткість, хвилястість і 
відхилення від круглості поверхні деталі суттєво зменшуються, середній розмір 
зерен зменшується, тоді як твердість, мікротвердість поверхневого шару і 
щільність дислокацій зростають, створюються сприятливі стискуючі залишкові 
напруження в поверхневому шарі зміцнених деталей. 
1. Конструкція пристрою для реалізації способу зміцнення (МППД), яка 
дозволяє визначати ступінь впливу нової кінематики (маятниковий вплив) 
робочого інструмента на параметри якості поверхні деталі. 
2. Виявлено, що маятникове ППД сприяє суттєвому зменшенню 
практично всіх параметрів шорсткості порівняно з параметрами вихідної поверхні 
(Ra = 4,49 мкм, Rz = 22,2 мкм). Зокрема, Ra, Rz знижуються у 5–8 разів, а Sm – у 
2,7 рази. Шорсткість поверхні після маятникового ППД досягає з 4-го до 8-го класу. 
Як і шорсткість, хвилястість циліндричної поверхні після маятникового ППД 
значно зменшується: висота Wz і крок Sw нерівності поверхні зменшуються 
відповідно на 30% і 50%. Досягнення мінімальних значень параметрів шорсткості 
(Ra = 0,53 мкм, Rz = 4,03 мкм) і хвилястості (Wz = 3,7 мкм, Sw = 623 мкм) 
забезпечується за таких режимів обробки: Радіальний натяг: t = 0,1 мм; Поздовжня 
подача: s = 0,07 мм/об; Частота обертання заготовки: nзаг = 80–100 об/хв; Кутова 
амплітуда: α = 15°; Частота маятникового руху робочого інструмента: nин = 40–60 
дв.х/хв. 
3. Результати вимірювання відхилення від круглості зміцнених деталей 
встановили, що після маятникового ППД це відхилення (Δкр) зменшується в 2,1–3,7 
рази, при цьому точність діаметральних розмірів підвищується на 3–4 квалітети. 
 
87 
Відхилення від круглості (Δкр), яке до обробки становило близько 22,5 мкм (8-й 
квалітет точності), після маятникового ППД зменшилося до 6,4 мкм (4-й квалітет 
точності). 
4. Результати вимірювань залишкових напружень добре узгоджуються із 
встановленою раніше залежністю їх змін при моделюванні у програмі Ansys 19.1. 
Розбіжність не перевищує 18%. Розбіжність результатів визначення температури в 
зоні контакту між чисельним моделюванням і експериментальним вимірюванням 
не перевищує 15%. Використання технологічного мастила у зоні деформації 
забезпечує сприятливий тепловий режим із діапазоном змін 38–41°C. 
5. Проведено порівняльний аналіз маятникового ППД із прокаткою 
роликом, у результаті чого встановлено: 
- При однаковій величині натягу тимчасові напруження при маятниковому 
ППД значно вищі, ніж при зміцненні за схемою кочення і ковзання – 
відповідно на 35% і 25%. 
- Глибина пластичної деформації при ППД за схемою ковзання в 1,5–1,6 раза 
більша, ніж за схемою кочення. При маятниковому ППД глибина зміцнення 
досягає 1,4 мм, що на 50–30% більше порівняно зі схемами кочення і 
ковзання. 
6. Маятникове ППД підвищує експлуатаційні властивості, зокрема 
корозійну стійкість. Інтенсивність корозії після маятникового ППД значно 
знижується – масовий показник корозії Кр зменшується на 25–35% і становить 
близько 0,55–0,6 мг/мм². Встановлено, що корозійна стійкість поверхні тісно 
пов'язана з параметрами шорсткості, залежність між якими описується рівнянням: 
Кр = 0,64Ra⁰·¹⁴ (коефіцієнт достовірності апроксимації R² = 0,98). 
7. За результатами регресійного аналізу встановлено емпіричні 
залежності кожного показника якості від параметрів процесу маятникового ППД. 
Для досягнення найкращих геометричних показників рекомендовані режими: t = 
0,1 мм; s = 0,07 мм/об; nзаг = 80 об/хв; nин = 60 дв.х/хв; α = 15°. Для максимальних 
88 
значень НДС і механічних характеристик рекомендовані режими: t = 0,15 мм; s = 
0,11 мм/об; nзаг = 150 об/хв; nин = 120 дв.х/хв; α = 30°. 
8. Розроблено технологічні рекомендації щодо маятникового ППД. 
Визначено необхідне обладнання, інструменти та режими обробки, які 
забезпечують формування якісного поверхневого шару зміцнених деталей. 
 
89 
Розділ 4. Охорона праці та безпека в надзвичайних ситуаціях 
4.1 Загальні вимоги до утримання та експлуатації фонду захисних споруд 
Споруди фонду захисних споруд мають утримуватися та експлуатуватися у 
стані, що дозволяє привести їх у готовність до використання за призначенням у 
визначені законодавством терміни. 
Під час експлуатації захисних споруд не допускається виконання заходів, що 
знижують їх захисні властивості, надійність та безпеку. 
Місця розташування споруд фонду захисних споруд позначаються за 
допомогою табличок (написів) та покажчиків руху до них. 
Біля вхідних дверей до захисної споруди вивішується табличка розміром 60 
х 50 см із зазначенням номера споруди, її балансоутримувача, місць зберігання 
ключів, особи, відповідальної за утримання та експлуатацію сховища в мирний час, 
її місцезнаходження і номера телефону. У нічний час таблички позначення захисної 
споруди і входи мають бути освітлені або дубльовані світловими покажчиками. 
Табличка розміром 50 х 60 см із написом «Місце для УКРИТТЯ» вивішується 
біля вхідних дверей до споруди подвійного призначення (найпростішого укриття). 
На ній зазначаються місцезнаходження споруди, її балансоутримувача, номер 
телефону особи, відповідальної за утримання та експлуатацію споруди в мирний 
час, адреса і місце зберігання ключів. 
Забезпечення фонду захисних споруд первинними засобами пожежогасіння, 
обладнання їх системами внутрішнього протипожежного водопостачання, 
пожежної автоматики і сигналізації здійснюється відповідно до  Правил 
експлуатації та типових норм належності вогнегасників. 
Утримання і експлуатація вищезазначених засобів і систем здійснюється 
відповідно до вимог і рекомендацій, установлених технічною документацією на 
них. 
Для виготовлення нар та іншого обладнання фонду захисних споруд 
забороняється застосування горючих синтетичних матеріалів. 
 
90 
У разі використання під фонд захисних споруд гардеробних приміщень, що 
розміщуються в підвалах, домашній і робочий одяг має зберігатися на металевих 
вішалках або в металевих шафах. 
Місця розташування первинних засобів пожежогасіння, план евакуації із 
захисної споруди позначаються і освітлюються. 
Входи до фонду захисних споруд мають забезпечувати вільний доступ 
усередину їх приміщень, можливість користування ними особами з інвалідністю та 
іншими маломобільними групами населення і мати достатню (нормативну) 
пропускну спроможність. 
Підходи до зовнішніх дверей, двері і сходові марші мають утримуватися у 
справному стані, очищуватися від бруду і сміття, а в зимовий час - від снігу і льоду. 
Захаращення входів не допускається. 
У разі відсутності на входах пандусів для забезпечення вільного 
користування сховищами особами з інвалідністю та іншими маломобільними 
групами населення входи додатково обладнуються дерев’яними або металевими 
трапами. 
Споруди фонду захисних споруд, їх комунікації, інженерні мережі, 
інженерне та спеціальне обладнання, системи життєзабезпечення (далі - 
обладнання споруд фонду захисних споруд) мають утримуватися в належному 
технічному стані. 
Утримання та експлуатація обладнання споруд фонду захисних споруд 
здійснюються згідно з вимогами і рекомендаціями, визначеними технічною 
документацією на них, а також відповідними нормами і правилами. 
Заміна окремих вузлів та агрегатів обладнання захисних споруд не має 
погіршувати технічних характеристик інженерних систем та систем 
життєзабезпечення. 
Споруди фонду захисних споруд мають захищатися від підтоплення і 
затоплення ґрунтовими, поверхневими, технологічними та стічними водами. 
91 
Експлуатація та утримання електрообладнання споруд фонду захисних 
споруд здійснюються відповідно до вимог чинного законодавства у сфері 
улаштування електроустановок. 
Приміщення споруд фонду захисних споруд мають забезпечуватися 
штучним освітленням. У них не допускається прокладання тимчасових 
електричних та інших інженерних мереж, а також незакріплених електричного 
обладнання і світильників. Електричні світильники мають бути захищеними від 
механічного пошкодження. Використання світильників із незахищеними лампами 
розжарювання не допускається. 
Для освітлення захисних споруд можуть використовуватися світлодіодні та 
інші енергозберігаючі лампи. Використання люмінесцентних ламп для систем 
освітлення захисних споруд не допускається. 
Під час використання споруд фонду захисних споруд за призначенням з 
метою збільшення термінів роботи систем електропостачання в автономному 
режимі частина світильників та іншого електрообладнання, запроектованих для 
мирного часу, підлягає відключенню. 
Усі розетки, установлені в спорудах фонду захисних споруд, мають 
обладнуватися трафаретними позначеннями: «Радіо», «Телефон», «220 В» (на стіні 
або у вигляді табличок). 
Системи водопостачання, каналізації і опалення споруд фонду захисних 
споруд мають утримуватися і експлуатуватися у справному стані та захищатися від 
корозії. 
У приміщеннях споруд фонду захисних споруд забороняється зберігати або 
використовувати легкозаймисті, небезпечні хімічні та радіоактивні речовини. 
У сховищах дозволяється зберігати розрахункові запаси паливно-мастильних 
матеріалів для ДЕС, визначені відповідно до вимог. 
Використання синтетичних матеріалів, а також інших матеріалів, що під час 
нагрівання або експлуатації виділяють небезпечні хімічні речовини, для 
оздоблення внутрішніх приміщень споруд фонду захисних споруд не допускається. 
92 
Інженерні комунікації захисних споруд та споруд подвійного призначення із 
захисними властивостями відповідних захисних споруд (сховищ, ПРУ) 
фарбуються залежно від їх призначення, а саме: 
− повітроводи чистої вентиляції - у білий колір; 
− повітроводи режиму фільтровентиляції - у жовтий колір; 
− повітроводи режиму ізоляції з регенерацією повітря - у рожевий колір; 
− трубопроводи систем водопостачання (крім систем внутрішнього 
протипожежного водопостачання) - у зелений колір; 
− трубопроводи систем внутрішнього протипожежного водопостачання та 
інших систем пожежогасіння - у червоний колір; 
− труби систем опалення та мастилопроводи ДЕС - у коричневий колір; 
− труби електропроводки та трубопроводи каналізації - у чорний колір. 
Повітророзвідні труби з оцинкованої сталі не фарбують, але на них наносять 
відмітні риски (стрілки) відповідного кольору. 
Вимоги щодо кольорів, у які фарбуються інженерні комунікації найпростіших 
укриттів та споруд подвійного призначення, що не мають захисних властивостей 
відповідних захисних споруд, не встановлюються. 
4.2 Утримання та експлуатація захищених входів і виходів 
Павільйони, навіси, відливи та інше обладнання, призначене для захисту 
входів і аварійних виходів від атмосферних опадів і поверхневих вод, мають 
утримуватися в належному технічному стані. 
Для природного провітрювання замкненої споруди в тамбурах сховища в 
мирний час додатково до захисно-герметичних дверей дозволяється установлення 
дерев’яних дверей або дверей із сталевих ґрат. 
До замків від дверей і ставень має бути не менше двох комплектів ключів. 
Один комплект ключів зберігається у відповідальної особи, інший (в опечатаному 
вигляді) - у посадової особи або у структурному підрозділі балансоутримувача, що 
працює в цілодобовому режимі (місцезнаходження і телефон цієї посадової особи 
зазначаються на вхідній табличці). 
93 
Необхідно забезпечувати належний стан оголовків аварійних виходів і 
повітрозабірних каналів, очищати їх від снігу, сміття і сторонніх предметів, 
систематично перевіряти справність противибухових пристроїв, надійність їхнього 
кріплення і періодично змащувати металеві частини інгібованим мастилом. 
4.3 Утримання та експлуатація захисних пристроїв 
Захисні пристрої призначені для захисту осіб, що переховуються у сховищах, 
від надмірного тиску повітряної ударної хвилі під час застосування звичайної зброї 
та засобів масового ураження. До захисних пристроїв, якими обладнуються 
сховища, належать захисно-герметичні і герметичні двері, віконниці (ставні), 
захисні секції, клапани-відтиначі, КНТ тощо. 
У мирний час захисно-герметичні і герметичні двері в період невикористання 
захисної споруди за призначенням знаходяться у відкритому стані на підставках 
(дерев’яних клинках) та прикриваються екранами, що легко знімаються. Двері 
маркуються і нумеруються. 
На дверних полотнах указують стрілками напрямок закривання і відкривання 
(«Закр.», «Відкр.») клинових затворів і штурвалів дверей, при цьому вістря стрілки 
на дверях та віконницях (ставнях) має відповідати кінцевим положенням клинових 
затворів. 
Для збільшення строку служби двері і віконниці (ставні) дозволяється 
закривати без повного затягування клинових затворів. 
Гуму (гумові прокладки) не дозволяється зафарбовувати, щоб не викликати 
передчасну втрату еластичності («старіння») гуми. Для збільшення строку служби 
гумових прокладок герметичні двері і віконниці (ставні) в період невикористання 
захисної споруди за призначенням залишають відчиненими, захисно-герметичні 
двері і віконниці (ставні) лазів зачиняють, але гумові прокладки при цьому не 
стискають клиновими затворами. 
Обслуговування і ремонт захисних пристроїв здійснюються відповідно до 
порядку та рекомендацій технічної документації заводу-виробника. 
94 
4.4. Утримання та експлуатація огороджувальних захисних конструкцій 
Під час утримання та експлуатації сховища забезпечується його герметичність 
та дотримання в ньому температурно-вологісного режиму, який запобігає 
утворенню в захисній споруді конденсату (далі - нормальний температурно-
вологісний режим). 
Герметичність сховища досягається забезпеченням цілісності 
огороджувальних захисних конструкцій (покриттів, перекриттів, стін, перегородок, 
підлоги, фундаментів), місць з’єднань між ними, гідроізоляції, справності захисних 
пристроїв отворів входів і виходів, закладних деталей у місцях вводу комунікацій 
(водопроводу, опалення, каналізації, кабелів та іншого обладнання), 
противибухових пристроїв систем вентиляції, а також дотриманням у приміщеннях 
захисної споруди нормального температурно-вологісного режиму. 
З метою забезпечення герметичності сховища всі видимі дефекти 
огороджувальних конструкцій мають бути усунуті в найкоротший строк. 
Для герметизації сховищ у місцях з’єднань і примикань зовнішніх 
огороджувальних конструкцій, а також внутрішніх будівельних конструкцій (для 
приміщень допоміжного призначення, що мають бути ізольовані від основних 
приміщень сховищ), застосовуються негорючі герметизувальні матеріали. 
У разі застосування для герметизації горючих матеріалів (герметиків, мастик, 
будівельних пінок, інших ущільнювальних матеріалів) ці матеріали мають бути 
захищені шаром негорючої та стійкої до вологи будівельної суміші 
(гідроізоляційними сумішами, бетоном, цементним або цементно-піщаним 
розчином, шпаклівкою, мокрою глиною тощо). 
У разі використання сховища для господарських, культурних та побутових 
потреб температура в його приміщеннях у зимовий і літній періоди підтримується 
відповідно до вимог з експлуатації споруди за відповідним функціональним 
призначенням. У сховищах, що не використовуються для господарських, 
культурних та побутових потреб, температура взимку має підтримуватися на рівні 
не нижче ніж +10 °C. 
95 
У захисній споруді температуру повітря вимірюють ртутним термометром з 
ціною поділки 0,2 °C. Прилад закріплюють на дерев’яній дошці так, щоб повітря 
вільно обтікало кінець термометра. Щоб уникнути помилок під час вимірювання, 
термометр вішають на стіну або колону на висоті 1,5 м від підлоги на відстані від 
обладнання, що випромінює тепло, та нагрівальних приладів. 
Вологість у сховищі підтримується на рівні не вище ніж 70 %. Для 
вимірювання вологості повітря у сховищах використовують прилади для 
вимірювання рівня вологості повітря (гігрометри, термогігрометри, вимірювачі 
вологості повітря тощо), у разі їх відсутності дозволяється використовувати для 
цього психрометри та психрометричні таблиці. 
Нормальний температурно-вологісний режим сховищ забезпечується 
регулярною і правильною вентиляцією приміщень сховищ. Найбільш ефективним 
є забезпечення природної вентиляції (провітрювання) шляхом відкривання дверей. 
Для короткочасного провітрювання дозволяється використання систем вентиляції 
у режимі чистої вентиляції. 
Під час провітрювання необхідно враховувати стан зовнішнього повітря 
залежно від пори року і характеру погоди; не можна провітрювати приміщення під 
час дощу чи відразу після нього, а також у сиру погоду (якщо вологість 
зовнішнього повітря становить понад 70 %). 
У разі виявлення в приміщеннях вологого повітря вище допустимої норми 
необхідно терміново з’ясувати причини появи підвищеної вологості та вжити 
заходів щодо їх усунення. 
Гідроізоляція, дренаж і вимощення по периметру захисної споруди, а також 
водостічні труби мають утримуватися у справному стані і надійно захищати 
захисну споруду від негативного впливу атмосферних опадів, поверхневих і 
ґрунтових вод. 
Обов’язкове влаштування лотків для відведення води від водостічних труб. 
96 
У разі виявлення замокання будівельних конструкцій, підтоплення або 
затоплення окремих частин захисної споруди необхідно вживати заходів щодо 
відновлення гідроізоляційних властивостей захисної споруди. 
Недоліки, виявлені під час перевірки стану гідроізоляції, підлягають 
терміновому усуненню. У разі виявлення підтоплення (затоплення) забезпечується 
термінове відкачування води. У разі можливості здійснюється поточний ремонт 
зовнішнього гідроізоляційного шару 
4.5 Утримання та експлуатація систем вентиляції 
Під час експлуатації повітроводів забезпечується герметичність їх з’єднань. У 
разі нещільного з’єднання повітроводів між собою і з фільтровентиляційним 
обладнанням відбувається витік повітря. Місця витоку повітря через нещільності у 
фланцевих, муфтових та інших з’єднаннях дозволяється визначати за відхиленням 
полум’я свічки під час роботи системи повітропостачання. 
Очищення протипилових фільтрів (передфільтрів) від пилу дозволяється 
проводити шляхом їх промивання гарячим десятивідсотковим содовим розчином, 
а потім гарячою водою. Після висихання фільтр знову змочують мастилом. 
ФП встановлюються з урахуванням таких вимог: 
 нижній ФП установлюють на дві промаслені рейки перерізом не менше 
ніж 40 х 40 мм; 
 розподіл ФП у колонці за аеродинамічним опором залежить від 
напрямку подачі повітря (зверху або знизу). При цьому важливо, щоб кожен 
наступний ФП у напрямку руху повітря мав більший аеродинамічний опір, ніж 
попередній. 
Не допускаються до встановлення і експлуатації ФП із вм’ятинами та іншими 
пошкодженнями корпусів, а також фільтри із зафарбованим маркуванням або 
ушкодженим заводським фарбуванням. 
У разі виявлення місцевого (ненаскрізного) іржавіння корпусу ФП недолік 
ліквідовують шляхом очищення і зафарбовування зеленим кольором, при цьому 
заводське маркування не зафарбовують. 
97 
Терміни придатності ФП визначаються відповідно до технічної документації 
на них. За дотримання умов експлуатації, установлених виробником, тривалість 
служби ФП визначається середнім і максимальним термінами придатності. 
У разі досягнення ФП максимальних термінів придатності, установлених 
виробником, за результатами контрольної перевірки вирішується питання щодо 
заміни або продовження терміну придатності ФП. За наявності необхідних 
захисних властивостей термін придатності ФП може бути продовжено до чергової 
перевірки. 
Контроль за підпором повітря у сховищі (у приміщеннях для осіб, які 
укриваються, ДЕС і станції перекачування) здійснюється за допомогою 
тягонапороміру, з’єднаного з атмосферою водогазопровідною оцинкованою 
трубою діаметром 15 мм із запірним пристроєм (газовим краном). Виведення труби 
від тягонапороміру в атмосферу робиться в зону, де відсутній вплив потоків повітря 
під час роботи системи вентиляції сховища. 
У разі відсутності тягонапороміру заводського виготовлення допускається 
використання найпростішого манометра із двох скляних трубок, з’єднаних 
гумовою трубкою. Тягонапоромір необхідно встановлювати у вентиляційній 
камері. 
Противибухові пристрої, установлені на системах вентиляції, підлягають 
постійному контролю за станом працездатності та обслуговуванню не рідше ніж 
двічі на рік (навесні і восени). 
Пружини та осі лопатей, інші металеві рухомі частини таких пристроїв двічі 
на рік змащують інгібованим мастилом. За потреби відновлюють масляне 
фарбування металевих частин. 
КНТ мають бути постійно розстопорені. 
У разі недостачі повітря для провітрювання тамбура під час роботи вентиляції 
в режимі фільтровентиляції у сховищах малої місткості або у разі великих розмірів 
тамбура КНТ, установлені на внутрішній стіні тамбура, мають бути постійно 
застопорені за допомогою стопорного пристрою, що розстопорює КНТ тільки на 6 
98 
хвилин при вході або виході осіб, які укриваються, на поверхню, із забезпеченням 
провітрювання тамбура за рахунок скорочення чи повного вимикання вентиляції 
санвузла. 
На повітроводах усіх ГК стрілками вказується напрямок руху повітря. 
ГК до і після ФП, пристроїв регенерації і фільтрів для очищення повітря від 
окису вуглецю мають бути закриті і опломбовані, за винятком періоду роботи 
системи фільтровентиляції під час перевірок. 
Герметичний здвоєний клапан ГК-2-100 (у ФВА-49) має бути закритий і 
опломбований у такому положенні, щоб у звичайних умовах повітря не змогло 
проходити через ФП (правий шток здвоєного клапана має знаходитися в крайньому 
лівому положенні). 
Усі КНТ і ГК мають бути промарковані і пронумеровані. 
Допуск сторонніх осіб у приміщення зі змонтованими РУ не дозволяється, 
приміщення має бути закрите і опечатане особою, відповідальною за експлуатацію 
установки. 
Щоб уникнути виникнення пожежі і вибуху в приміщенні, де розміщено РУ, 
не допускається: 
 затоплення приміщення водою; 
 зберігання в приміщенні лугів, кислот, мастил і легкозаймистих 
речовин; 
 потрапляння органічних речовин і вологи в патрони і повітроводи 
установок. 
Приміщення зі змонтованими РУ оснащуються засобами пожежогасіння - 
ящиками з піском, покривалами з азбестового матеріалу, сертифікованими 
вуглекислотними або порошковими вогнегасниками. Обслуговування установок 
необхідно робити в чистих і сухих брезентових рукавицях. 
Під час заміни РП у РУ і проведення регламентних робіт на РУ 
використовується інструмент, що поставляється в комплекті з установками. 
Попередньо інструмент має бути знежирений і висушений. 
99 
Установлення заглушок на відпрацьовані демонтовані РП дозволяється тільки 
після їх охолодження. 
Під час заміни в РУ балонів зі стиснутим газом (киснем, повітрям) 
використовується тара та газ, передбачені відповідною технічною документацією 
на ці установки. 
Персонал, що обслуговує установки РУ, проходить відповідне навчання і 
допускається до експлуатації в установленому законодавством порядку. 
Експлуатація та обслуговування елементів систем вентиляції вітчизняного та 
іноземного виробництва, установлених на заміну тих, що були передбачені 
проектом і вийшли з ладу, здійснюється відповідно до вимог та рекомендацій, 
визначених заводом-виробником у технічній документації на них. 
На всіх пускових приладах і вентиляторах систем вентиляції має бути 
нанесене відповідне маркування (В-1, В-2 тощо). 
4.6 Утримання і експлуатація ДЕС та іншого електрообладнання 
Захищені ДЕС, за винятком ДЕС у захисних спорудах, що перебувають у 
постійній готовності до використання за призначенням, у мирний час мають 
знаходитися в законсервованому стані. 
Використання захищеної ДЕС та вентиляційних систем, які забезпечують її 
роботу, для господарських, культурних і побутових потреб не допускається. 
Захищені ДЕС можуть використовуватися як аварійні джерела електропостачання 
під час організації робіт із ліквідації надзвичайних ситуацій і небезпечних подій та 
їх наслідків, а також як резервні джерела електропостачання операційних та 
реанімаційних блоків у закладах охорони здоров’я. 
Розконсервація ДЕС проводиться під час приведення захисної споруди в 
готовність до використання за призначенням, зокрема під час навчань, а також під 
час перевірок та випробувань. Після завершення навчань, інших випадків 
використання ДЕС за призначенням у мирний час, перевірок та випробувань ці 
ДЕС підлягають повторній консервації. 
100 
Обслуговування ДЕС здійснюють особи, які мають відповідні підготовку і 
допуск для роботи з відповідним обладнанням (ДЕС, електричними мережами та 
іншим електрообладнанням). 
У приміщеннях ДЕС має підтримуватися нормальний температурно-
вологісний режим, чистота і порядок. Під час роботи ДЕС температура повітря 
підтримується в межах від +16 до +35 °C. 
Для підтримання нормального температурно-вологісного режиму в 
приміщеннях ДЕС має здійснюватися їх періодичне провітрювання зовнішнім 
повітрям. Експлуатація вентиляційної системи ДЕС під час знаходження її в 
законсервованому стані здійснюється у разі, якщо іншим способом не можна 
забезпечити в приміщеннях ДЕС нормальний температурно-вологісний режим. 
У приміщенні, де встановлено дизель-генератор, забороняється зберігати 
речовини, здатні викликати корозію металу (кислоти, луги, хімікати). 
Для усунення пилу з металевих частин обладнання використовують 
промаслене ганчір’я, з обмоток генератора пил здувається струменем стисненого 
повітря від компресора. 
Дизельне пальне для ДЕС має відповідати вимогам відповідних нормативних 
документів. 
У приміщеннях машинного залу ДЕС допускається розміщувати ємності для 
паливно-мастильних матеріалів об’ємом до 1,5 куб. м, в разі перевищення 
вищезазначеного об’єму такі ємності розміщуються в окремому приміщенні. 
Якщо ДЕС розташовуються під житловими та громадськими будинками, 
об’єм ємностей для паливно-мастильних матеріалів не має перевищувати 1 куб. м, 
у разі перевищення такого об’єму захищені паливні баки виносяться за периметр 
будинку і розташовуються від нього на відстанях, передбачених вимогами 
протипожежних норм. 
Для зберігання розрахункового запасу палива і мастила застосовуються 
герметичні витратні баки, виготовлені з матеріалу, що запобігає накопиченню 
статичного електричного заряду. Для цього застосовуються сталеві та інші металеві 
101 
баки, що встановлюються на висоті, яка забезпечує надходження палива і мастила 
до дизелів самопливом. 
Витратні баки обладнуються оглядовими люками, покажчиками рівня, 
приймальними фільтрувальними сітками, вогневими запобіжниками, суміщеними 
механічними дихальними клапанами. Дихальні трубопроводи витратних баків 
мають бути виведені у витяжну камеру системи вентиляції. 
Для зберігання мастила в кількості до 60 л допускається використання 
переносних ємностей (по 10-20 л), що встановлюються в приміщенні ДЕС. 
Відра і лійки, що застосовуються під час заправлення робочих систем дизель-
генератора, необхідно тримати в чистоті і зберігати у визначеному місці. 
Заходи контролю за працездатністю систем запуску ДЕС здійснюються 
постійно. 
У дизель-агрегатів, що мають електричний пуск, має контролюватися зарядка 
акумуляторних батарей. 
В агрегатів, що мають пуск стисненим повітрям, контролюється тиск у 
пускових балонах. 
Пускові балони за потреби заправляються стисненим повітрям, акумуляторні 
батареї заряджаються. Зарядка акумуляторних батарей здійснюється за межами 
сховища. 
Під час експлуатації ДЕС необхідно забезпечувати захист фундаментів та 
підлоги від руйнівної дії розлитих паливно-мастильних матеріалів. 
Для запобігання розтіканню паливно-мастильних матеріалів місця 
розташування ємностей у машинному залі обладнуються металевими піддонами 
або залізобетонними коритами з бортами, що виступають по висоті. Об’єм таких 
піддонів (корит) має перевищувати об’єм паливних баків не менше ніж на 5 %. 
Захист фундаменту під дизель-агрегат та інших фундаментів, що виступають над 
підлогою під іншим обладнанням, забезпечується шляхом покриття масляною 
фарбою. 
102 
Розлив паливно-мастильних матеріалів усувається за допомогою піску або 
інших адсорбуючих матеріалів. Усунення розливу за допомогою ганчірок не 
допускається. 
У разі появи тріщин або осідання фундаменту агрегату ДЕС необхідно 
з’ясувати причину їх виникнення і негайно її усунути. 
Під час консервації ДЕС заряджені стартерні акумуляторні батареї 
зберігаються у шафі для акумуляторних батарей, якщо витяжний повітровід 
відкрито. 
Якщо дизель не працює, термостійка засувка, установлена на вихлопному 
трубопроводі, має знаходитися в закритому положенні. 
Машинний зал і приміщення, де зберігаються пально-мастильні матеріали, 
обладнуються протипожежними засобами, що знаходяться в постійній готовності 
до застосування. 
Допоміжне технічне обладнання (трубопроводи, баки і відстійники паливно-
мастильного господарства, паливні фільтри, водяні баки) ретельно оглядають, 
чистять не рідше 1 разу на рік, замінюючи при цьому застарілу арматуру, усуваючи 
нещільності в місцях з’єднань, та фарбують. 
Розподільні пристрої високої напруги обладнуються сітчастими 
огородженнями, біля яких вивішуються попереджувальні знаки. 
Уся технічна документація з експлуатації електроустановок має знаходитися в 
приміщенні щитової. До такої документації належать принципова схема 
електропостачання сховища, монтажні схеми управління, блокування, захисту і 
сигналізації окремих електричних установок, схема автоматичних пристроїв, книга 
обліку поточного ремонту електрообладнання, правила технічної експлуатації і 
правила техніки безпеки. 
Дизель-генератор підлягає періодичній перевірці на працездатність із 
запуском. За результатами здійснених перевірок виявлені недоліки усуваються 
терміново. 
103 
У приміщенні щитової основні пристрої щита управління (головний 
розподільний щит, пульт дистанційного управління, панелі релейного захисту 
тощо) повинні утримуватися сухими, чистими і з підтягнутими контактними 
з’єднаннями. У разі значних проміжків часу, на які припиняється робота пристрою, 
нефарбовані деталі і з’єднання необхідно змащувати технічним вазеліном. 
4.7 Утримання та експлуатація систем водопостачання, каналізації і 
опалення 
Під час утримання та експлуатації систем водопостачання, заміни їх 
обладнання необхідно дотримуватися таких вимог: 
− баки (ємності) для питної води, водопровідні труби мають бути виготовлені 
з матеріалів, дозволених для застосування в зазначених цілях, з підвищеною 
стійкістю до механічних пошкоджень і забезпечувати нормативну якість 
води згідно з вимогами Державних санітарних норм та правил «Гігієнічні 
вимоги до води питної, призначеної для споживання людиною», 
затверджених наказом Міністерства охорони здоров’я України від 12 травня 
2010 року № 400, зареєстрованих у Міністерстві юстиції України 01 липня 
2010 року за № 452/17747 (далі - Санітарні норми); 
− баки (ємності) для питної води мають бути проточні, обладнані 
покажчиками води, мати люки для можливості їх обстеження та проведення 
ремонтних робіт; 
− проточні баки (ємності) і труби, якими циркулює вода, обладнуються тепло- 
і пароізоляцією. Не дозволяється застосовувати теплоізоляційні матеріали, 
що зазнають гниття в умовах підвищеної вологості. 
Виконання вимог пункту 1 цієї глави підтверджується результатами 
лабораторних досліджень якості питної води, що здійснюються в терміни і 
порядку, визначені Санітарними нормами та ДСТУ 7525:2014 «Вода питна. Вимоги 
та методи контролювання якості». 
Вода в ємностях підлягає знезараженню за допомогою спеціальних 
знезаражувальних речовин (розчинів), дозволених для використання 
104 
Міністерством охорони здоров’я України. Нормативний запас таких речовин 
(розчинів) визначається залежно від розмірів ємності. 
У разі застосування в зазначених цілях хлорного вапна або порошку ДТС-ГК 
їх запас визначається із розрахунку на 1 куб. м води 8-10 г хлорного вапна або 4-5 
г порошку ДТС-ГК. 
Після заповнення відсіків сховища населенням, яке укривається, 
користування санвузлами допускається, тільки якщо працюють водопровідна і 
каналізаційна мережі, що дозволяє змив унітазів. 
Якщо системи каналізації або зовнішнього водопостачання пошкоджено або 
вони вийшли з ладу, установлюють обмежений режим споживання аварійного 
запасу води, а також користуються фекальними баками. 
У всіх випадках засмічення та утворення підпору в зовнішній каналізаційній 
мережі необхідно негайно закрити засувки і припинити користування санітарними 
приладами. 
4.8 Утримання та експлуатація систем зв’язку і оповіщення 
У разі розміщення в захисній споруді пункту управління суб’єкта 
господарювання забезпечуються: 
− телефонний і радіозв’язок керівництва та чергової служби суб’єкта 
господарювання з керівництвом місцевої (міста, району) ланки 
територіальної підсистеми ЄДС ЦЗ, підрозділами ДСНС, іншими аварійно-
рятувальними службами та формуваннями всіх форм власності та відомчої 
належності, спеціалізованими службами цивільного захисту міста (району), 
об’єктовими формуваннями цивільного захисту; 
− телефонний зв’язок з іншими захисними спорудами суб’єкта 
господарювання та основними виробничими приміщеннями (цехами), що не 
припиняють виробництво в разі загрози або виникнення надзвичайних 
ситуацій; 
− телефонний та радіозв’язок із запасним пунктом управління керівника 
місцевої ланки (міста, району) територіальної підсистеми ЄДС ЦЗ; 
105 
− інформування населення, яке укривається у сховищі. 
Під час проведення заміни (модернізації) мереж та апаратури систем зв’язку 
та оповіщення сховищ застосовуються сучасні прилади та витратні матеріали. 
4.9 Забезпечення нормальних умов життєдіяльності населення 
Забезпечення нормальних умов життєдіяльності населення, яке підлягає 
укриттю у сховищах, досягається підтриманням у них допустимих рівнів газового 
складу повітря, іонізуючого випромінювання в районі розміщення та в 
приміщеннях захисних споруд і захисту від небезпечних хімічних речовин та 
біологічних засобів ураження. 
Під час використання сховища за призначенням допустимі рівні газового 
складу повітря забезпечуються утворенням нормативного надмірного тиску 
(підпору) усередині захисної споруди. 
У режимі фільтровентиляції підпір має бути на рівні не нижче 50 Па, у режимі 
чистої вентиляції підпір не нормується, але приплив повітря має перевищувати 
витяжку. 
Вміст у повітрі вуглекислого газу визначають газоаналізаторами. 
Місця виміру параметрів повітря вибирають з урахуванням особливостей 
планування захисних споруд. Виміри в приміщеннях площею більш ніж 300 кв. м 
проводять у центрі і чотирьох точках, максимально віддалених від центру. У 
захисних спорудах, розташованих у гірничих виробках, виміри необхідно 
проводити через кожні 100 м. 
У захисних спорудах необхідно створювати умови для забезпечення захисту 
населення від іонізуючого випромінювання шляхом ужиття заходів щодо 
дотримання їх нормативних рівнів. 
У разі перевищення таких рівнів приміщення захисних споруд підлягають 
терміновій дезактивації. 
Для виявлення радіоактивного забруднення в районі розміщення і всередині 
захисної споруди використовуються дозиметричні прилади (дозиметри, 
дозиметри-радіометри). 
106 
Для визначення забруднення повітря та поверхні ґрунту в місці розташування 
сховища бойовими отруйними та небезпечними хімічними речовинами на поверхні 
землі в районі сховища можуть бути застосовані військові прилади хімічної 
розвідки. 
У разі виявлення забруднення територій небезпечними хімічними речовинами 
в районі розташування захисної споруди та її приміщень ці території підлягають 
терміновій дегазації. 
Прилади мають бути упаковані та знаходитися в сухих місцях, віддалених від 
опалювальних або інших нагрівальних пристроїв. 
Під час тривалого зберігання приладів необхідно періодично перевіряти їх 
роботу та здійснювати повірку, ремонт та обслуговування проводити згідно з 
вимогами інструкцій щодо їх експлуатації. 
 
 
 
 
 
  
107 
Загальні висновки 
1. Побудовано кінцево-елементну модель маятникового ППД, яка 
дозволяє встановити вплив технологічних параметрів запропонованого способу 
зміцнення на показники напружено-деформованого стану деталей. Встановлено, 
що зі зменшенням секториального і робочого радіусів інструмента інтенсивність 
тимчасових і залишкових напружень підвищується на 30–40%. Найбільш 
значущими параметрами, що суттєво впливають на підвищення інтенсивності 
тимчасових і залишкових напружень, є величина натягу та частота обертання 
заготовки. Виявлено пряму залежність інтенсивності тимчасових і залишкових 
напружень від межі текучості матеріалу під час обробки деяких чорних і 
кольорових металів маятниковим ППД. 
2. Під час зміцнення маятниковим ППД деталей зі сталі 45, навіть із 
великою величиною натягу, формуються максимальні розтягувальні напруження у 
вершинах пружно-пластичних хвиль (близько 45–60 МПа), величина яких у 10–13 
разів менша за межу міцності матеріалу. Результати визначення величини підйому 
металу показали, що під час зміцнення заготовок діаметром від 10 до 20 мм підйом 
металу (Δ) можна співвіднести з точністю діаметральних розмірів за 2–3 
квалітетами, а під час обробки заготовок діаметром від 40 до 60 мм – з точністю за 
1 квалітетом. 
3. Результати моделювання термопроцесу показали, що при 
маятниковому ППД у зоні деформації формується максимальна температура в 
діапазоні від 75 до 130°С. Встановлено критичну температуру для деталей зі сталі 
45 (135-150°С), перевищення якої призводить до зниження інтенсивності 
стискаючих залишкових напружень. Розбіжність результатів визначення 
температури у зоні контакту, отриманих чисельним моделюванням та 
експериментальним визначенням, не перевищує 15%. Використання 
технологічного мастила у зоні деформації забезпечує сприятливий тепловий режим 
у межах 38-41°С. 
108 
4. За результатами досліджень встановлено, що після маятникового ППД 
на поверхні заготовки формуються значні стискаючі залишкові напруження 
(близько 340 МПа) порівняно з традиційними способами ППД. Отримані позитивні 
результати підтверджують технічну ідею досліджень щодо підвищення 
напруженого стану в зоні деформації шляхом ускладнення кінематики процесу 
зміцнення. 
5. Встановлено вплив технологічних параметрів ППД на показники якості 
та експлуатаційні характеристики зміцнених деталей. Маятникове ППД сприяє 
підвищенню механічних властивостей поверхневого шару зміцнених деталей: 
твердість зростає на 9-12%, мікротвердість зміцненого шару збільшується у 1,5-1,6 
рази. Шорсткість і хвилястість поверхні після маятникового ППД зменшуються у 
4-8 разів. Відхилення від круглості оброблених деталей знижується у 2,1-3,7 рази. 
Корозійна стійкість зміцнених деталей підвищується на 25-35%. 
6. Після обробки маятниковим ППД спостерігається значне зменшення 
середніх розмірів зерен: у поперечному перерізі ступінь зменшення розмірів зерен 
становить 55–75%, а у поздовжньому – 45–65%. Середні розміри зерен складають 
15–30 мкм у поперечному перерізі та 25–40 мкм у поздовжньому. Викривлення 
форми зерен після зміцнення збільшується на 50–60%. Глибина наклепу 
знаходиться в інтервалі 0,81–1,1 мм. Щільність дислокацій кристалічних ґраток 
після маятникового ППД зростає у 2,2–2,5 рази (приблизно до 2,2·10⁸ см⁻²). 
7. У результаті множинного регресійного аналізу визначено раціональні 
режими маятникового ППД, які забезпечують отримання найкращих показників 
якості поверхні. Для показників геометричних характеристик рекомендовані 
режими: t = 0,1 мм; s = 0,07 мм/об; nₓ = 80 об/хв; nᵢₙ = 60 дв.х/хв; α = 15°. Для 
досягнення максимальних значень показників НДС і механічних характеристик 
встановлені режими: t = 0,15 мм; s = 0,11 мм/об; nₓ = 150 об/хв; nᵢₙ = 120 дв.х/хв; α 
= 30°. 
8. Порівняно ефективність зміцнення маятниковим ППД у підвищенні 
напруженого стану в зоні деформації з традиційними способами ППД (за схемою 
109 
качання та ковзання). Встановлено, що за однакової величини радіального натягу 
тимчасові напруження у випадку маятникового ППД формуються значно 
більшими, ніж у випадку зміцнення за схемою качання та ковзання, відповідно на 
35% і 25%. Глибина наклепу при маятниковому ППД становить близько 1,4 мм, що 
більше, ніж при зміцненні за схемою качання та ковзання, відповідно на 50% і 30%. 
За однакових умов обробки тимчасові напруження при маятниковому ППД 
секториальним робочим інструментом на 35% вищі, ніж при осцилювальному 
вигладжуванні. 
  
110 
Список використаної літератури 
1. Общий Я. "Використання поверхневого пластичного деформування 
деталей для підвищення їх довговічності" // Тези доповідей наукової конференції 
"Молодь і сільське господарство", 2021.  
2. Гурей В.І. "Науково-технологічні основи підвищення якості та 
експлуатаційних характеристик деталей машин формуванням зміцнених 
нанокристалічних шарів" // Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня 
доктора технічних наук, 2021.  
3. Кралін А.К., Рибалко Р.І. "Методи пластичного деформування 
поверхневого шару деталей машин" // Сучасне промислове та цивільне 
будівництво, 2015, том 11, номер 3, с. 131–137.  
4. Косіюк М.М., Хаєцький І.В. "Підвищення якості поверхонь деталей з 
використанням поверхневого пластичного деформування" // Матеріали IX 
міжнародної науково-практичної конференції «Науковий прогрес на зламі 
тисячоліть – 2013», 27 травня–05 червня 2013 року.  
5. Кирилів В.І. "Технологічне покращання експлуатаційних властивостей 
циліндричних деталей машин вібраційно-відцентровим зміцненням" // 
Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук, 
2018.  
6. Макаров К. "Загальні відомості про продуктивність і якість при обробці 
поверхневого пластичного деформування" // Збірник наукових праць №10 т. 2 (59) 
Технічні науки, 2012.  
7. Кулик В.Л. "Підвищення надійності та довговічності деталей із 
високоміцних сталей методом поверхневого пластичного деформування" // 
Матеріали науково-практичної конференції, 2022.  
8. Печінський О.В., Урбанський В.О., Сердюк О.В., Сивак І.О. "Способи 
поверхневої пластичної деформації" // Вісник Вінницького національного 
технічного університету, 2017. Джерело 
9. Кирилів В.І. "Технологічне покращання експлуатаційних властивостей 
111 
циліндричних деталей машин вібраційно-відцентровим зміцненням" // 
Автореферат дисертації, 2004.  
10. Кирилів В.І. "Підвищення довговічності торсійних валів та 
довгомірних деталей методом поверхневого пластичного деформування" // 
Науковий журнал "ScienceRise", 2016.  
11. Киричок П.О., Тріщук Р.Л. "Підвищення експлуатаційних 
властивостей деталей лінії для виготовлення інтегральних обкладинок з широким 
клапаном" // Технологія і техніка друкарства, 2017.  
12. Ковальчук П.Р., Ковальчук Ю.П. "Оцінка пластичності поверхневого 
шару металу при обкочуванні деталей циліндричної форми кулькою" // 
Металознавство та обробка металів, 2022.  
13. Печінський О.В., Урбанський В.О., Сердюк О.В., Сивак І.О. "Основні 
принципи деформаційного зміцнення металів. Аналіз методів та обладнання" // 
Вісник Вінницького національного технічного університету, 2018.  
14. Гагалюк А.В. "Підвищення якості оброблення циліндричних 
поверхонь деталей машин з використанням оснащення з передавально-
підсилюючими елементами" // Дисертація на здобуття наукового ступеня 
кандидата технічних наук, 2008. Джерело 
15. Левківський О.О. "Підвищення зносостійкості циліндрів 
автомобільних двигунів методом поверхневого пластичного деформування" // 
Кваліфікаційна робота, 2020. 
16. Бабак В.В. Вплив поверхневого пластичного деформування на 
міцність та довговічність силових конструктивних елементів з функціональними 
отворами : дис. ... д-ра філософії : 131 «Прикладна механіка». Київ, 2020. 
17. Афтаназів І.С., Сторожук В.Ф., Ступницький В.В., Гур’єва Т.В. 
Вібраційне зміцнення поверхневим пластичним деформуванням довгомірних 
циліндричних деталей. Mechanics and Advanced Technologies. 2021. Т. 5, № 1. С. 
49–57. 
18. Печінський О.В., Урбанський В.О., Сердюк О.В., Сивак І.О. Способи 
112 
поверхневої пластичної деформації. Вісник Вінницького політехнічного 
інституту. 2017. № 6. С. 98–104. 
19. Кирилів В.І. Технологічне покращання експлуатаційних властивостей 
циліндричних деталей машин вібраційно-відцентровим зміцненням : автореф. дис. 
... канд. техн. наук. Львів, 2018. 
20. Ковальчук П.Р., Ковальчук Ю.П. Оцінка пластичності поверхневого 
шару металу при обкочуванні деталей циліндричної форми кулькою. 
Металознавство та обробка металів. 2022. № 2. С. 33–40. 
21. Гурей В.І. Науково-технологічні основи підвищення якості та 
експлуатаційних характеристик деталей машин формуванням зміцнених 
нанокристалічних шарів : автореф. дис. ... д-ра техн. наук. Львів, 2021. 
22. Шкляренко М.І. Дослідження методів поверхневого пластичного 
деформування деталей машин : магістерська дисертація. Київ : КПІ ім. Ігоря 
Сікорського, 2020. 
23. Шевчук В.Г. Зміцнення поверхневого шару деталей машин 
поверхневим пластичним деформуванням. Вінниця : ВНТУ, 2016. 
24. Киричок П.О., Тріщук Р.Л. Підвищення експлуатаційних властивостей 
деталей лінії для виготовлення інтегральних обкладинок з широким клапаном. 
Технологія і техніка друкарства. 2017. № 3(57). С. 14–23. 
25. Гагалюк А.В. Підвищення якості оброблення циліндричних поверхонь 
деталей машин з використанням оснащення з передавально-підсилюючими 
елементами : дис. ... канд. техн. наук. Хмельницький, 2008. 
26. Hassan A.M., Al-Bsharat A.S. Influence of burnishing process on surface 
roughness, hardness, and microstructure of some non-ferrous metals. Wear. 1996. Vol. 
199, Iss. 1. P. 1–8. 
27. Murthy R.L., Kotiveerachari B. Burnishing of metallic surfaces — a review. 
Precision Engineering. 1981. Vol. 3, Iss. 3. P. 172–179. 
28. El-Tayeb N.S.M. Enhancement of surface quality and tribological 
properties using ball burnishing process. Machining Science and Technology. 2008. Vol. 
113 
12, Iss. 2. P. 234–248. 
29. Chomienne V., Valiorgue F., Rech J., Verdu C. Influence of ball burnishing 
on residual stress profile of a 15-5PH stainless steel. Journal of Materials Processing 
Technology. 2016. Vol. 232. P. 90–96. 
30. Balland P., Tabourot L., Degre F., Moreau V. Mechanics of the burnishing 
process. Precision Engineering. 2013. Vol. 37, Iss. 1. P. 129–134. 
31. Uddin M.S., Hall C., Hooper J. Finite Element Analysis of Surface Integrity 
in Deep Ball-Burnishing of Magnesium Alloy. Metals. 2018. Vol. 8, Iss. 2. Art. 136. 
32. Fernandes G., Hatem A., Roccisano A., Uddin M., Hall C., Schlaefer T. 
Influence of Ball Burnishing Path Strategy on Surface Integrity and Performance of 
Laser-Cladded Inconel 718 Alloys. Metals. 2025. Vol. 15, Iss. 11. Art. 1190. 
33. Attabi S., Bouterfas M., Jahazi M., El Mansori M. Surface Integrity of Ball 
Burnished 316L Stainless Steel. In: Surface Engineering. London : IntechOpen, 2022. 
34. Uddin M., Hatem A., Fernandes G., Hall C., Schlaefer T. Directional Effect 
of Plasticity Ball Burnishing on Surface Integrity, Residual Stress and Hardness of 
DEDed Stellite 21 Alloys. Materials. 2025. Vol. 18, Iss. 13. Art. 2971. 
35. Cagan S.C., Kivak T., Giasin K. Analysis of Surface Roughness after Ball 
Burnishing of Pure Titanium under Dry and MQL Conditions. Applied Sciences. 2025. 
Vol. 15, Iss. 4. Art. 1746. 
36. Dyl T.C., Czarniak P., Prędecki P., Olszewski M. The Effect of the 
Burnishing Process on the Strain Rate and Surface Layer Properties of Internal 
Cylindrical Surfaces. Metals. 2025. Vol. 15, Iss. 7. Art. 694. 
37. D. George, P.J. Bouchard, D.J. Smith. Evaluation of through wall residual 
stresses in stainless steel weld repairs. Materials Science Forum 2000; 347-349: 646-51. 
38. H.W. Walton. Deflection methods to estimate residual stress. Handbook of 
residual stress and deformation of steel. ASM International 2002, ISBN: 0-87170-729-
2; pp. 89-98. 
39. Haghpanah B., Nayed-Hashemi H., Aziri A.V. Elasto-plastic stresses in a 
functionally graded rotating disk // ASME J. Eng. Mater. Technol. 2012. Vol. 134, iss. 
114 
2. (20). 
40. J. Liu, H. Zhu, W. Xu. Analysis of residual stresses in thick aluminum fric- 
tion stir welded butt joints. Materials and Design 2011; 32(4): 2000-2005. 
41. M.B. Prime, M.R. Hill. Residual stress, stress relief, and in homogeneity in 
aluminum plate. Scr Mater 2002; 46(1): 77-82. 
42. M.B. Prime. Cross-Sectional Mapping of residual stresses by measuring the 
surface contour after a cut. Journal of Engineering Materials and Technology 2001; 
123(2): 162-168. 
43. Rajesham S., Tak J.C. A study on the surface characteristics of burnished 
components // Journal of mechanical working technology. 1989. № 20. C. 129 – 138. 
44. S. Nervi S, B.A. Szabó. On the estimation of residual stresses by the crack 
compliance method. Comput Methods Appl Mech Eng 2007; 196(37–40): 3577–3584. 
45. Semen Zaides, Le Hong Quang, Nikolai Bobrovskij and Pavel Melnikov. 
Automated complex for stabilized straightening of low-stiff cylindrical parts. IOP Conf. 
Series: Materials Science and Engineering 537 (2019) 022078. 
46. ДСТУ 4163:2020. Державна уніфікована система документації. 
Уніфікована система організаційно-розпорядчої документації. Вимоги до 
оформлення документів. Київ : ДП «УкрНДНЦ», 2020. 
47. ДСТУ 8302:2015. Інформація та документація. Бібліографічне 
посилання. Загальні положення та правила складання. Київ : ДП «УкрНДНЦ», 
2016. 
48. ДСТУ 3008:2015. Інформація та документація. Звіти у сфері науки і 
техніки. Структура та правила оформлювання. Київ : ДП «УкрНДНЦ», 2016. 
49. Методичні рекомендації до підготовки, написання та захисту 
кваліфікаційної роботи для здобувачів освітнього рівня «магістр» за спеціальністю 
131 «Прикладна механіка», освітні програми «Технології машинобудування» та 
«Обробка металів за спецтехнологіями» усіх форм навчання [Електронне видання] 
/ уклад.: Г.В. Канашевич, О.О. Коваленко, Є.В. Хижняк ; М-во освіти і науки 
України, Черкас. держ. технол. ун-т. Черкаси : ЧДТУ, 2023.
ChSTU repository

ChSTU repository preserves and enables easy and open access to all types of digital content including text, images, moving images, mpegs and data sets
