ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Введение. Знание температурного поля в окрестности контакта деталь/инструмент может быть полезным при оптимизации процесса металлообработки. Инфракрасная термография является удобным способом получения распределения температуры. Этот метод широко используется при тепловом контроле. Представляется целесообразным выяснить применимость метода инфракрасной термографии для определения характера распределения температуры в зоне контакта деталь/инструмент. Представляет научный интерес сравнение распределения температур, полученных с помощью тепловизора и термопар в зоне модельного контакта деталь/инструмент. Предположено, что скольжение стального стержня по стальному кольцу может служить приближением к скольжению стального шара, выглаживающего поверхности металлических деталей. Температуру контакта можно изменять с помощью электрического тока. Цель работы: изучение особенностей распределения температуры по оси стального стержня, скользящего по стальному контртелу под воздействием электрического тока с применением инфракрасной термографии и с помощью термопар. Материалы и методики. Моделью инструмента служила наклепанная сталь марки Ст3 (Fe–0,2%C) твердостью НВ 274. Скользящий электроконтакт осуществлен без смазки по схеме скольжения «pin-on-ring» при давлении р = 0,13 МПа и скорости скольжения v = 5 м/с. Сталь 45 (50 HRC) служила контртелом. Измерение температур проведено термопарами, прикрепленными к стержню точечной сваркой, и с помощью тепловизора FLIR A655 sc. Результаты и обсуждение. Показано, что при измерении температур тепловизором в условиях скользящего электрического контакта распределение температуры вдоль оси стержня имело нелинейный характер с относительно высокими (до 600 К/см) градиентами температуры в зоне контакта. Измерение температур на оси стержня термопарами при скольжении в этих же условиях показало линейное распределение температур с невысокими (около 100 К/см) градиентами температуры в зоне контакта. Протекание тока по стержню при отсутствии скольжения также сопровождалось линейным распределением температур. Предположено, что нелинейность поля температур при его съемке тепловизором обусловлена трудностью установки правильного значения коэффициента излучения. Этот коэффициент зависит от присутствия оксидов, шероховатости и других параметров состояния излучающей поверхности. Боковая поверхность образца с высокой температурой в зоне скользящего контакта имела состояние, отличное от состояния той же самой боковой поверхности в зоне крепления образца к его держателю. Поэтому коэффициент излучения, заданный для состояния поверхности в зоне скольжения образца, не соответствовал состоянию поверхности в зоне держателя образца. Возможные значения коэффициента излучения (около 0,7), соответствующие температуре контакта около 400 ºС, были получены путем экспериментальной оценки коэффициентов конвективной и радиационной теплоотдачи. Отмечено, что точное поле температур можно получить с помощью тепловизора только после трудоемкой калибровки коэффициента излучения и подготовки поверхности образца. Сделан вывод об ограниченной возможности применения инфракрасной термографии в условиях скользящего контакта деталь/инструмент и тепловой контроль этого контакта предлагается осуществлять с помощью термопар.

1. Tool temperature in slotting of CFRP composites / M.H. El-Hofya, S.L. Soo, D.K. Aspinwall, W.M. Sim, D. Pearson, R. M’Saoubi, P. Harden // Procedia Manufacturing. – 2017. – Vol. 10. – P. 371–381. – DOI: 10.1016/j.promfg.2017.07.007.

2. Kuznetsov V.P., Tarasov S.Yu., Dmitriev A.I. Nanostructuring burnishing and subsurface shear instability // Journal of Materials Processing Technology. – 2015. – Vol. 217. – P. 327–335. – DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2014.11.023.

3. Topological surface integrity modification of AISI 1038 alloy after vibration-assisted ball burnishing / R. Jerez-Mesa, Y. Landon, J.A. Travieso-Rodriguez, G. Dessein, J. Lluma-Fuente, V. Wagner // Surface & Coatings Technology. – 2018. – Vol. 349. – P. 364–377. – DOI: 10.1016/j.surfcoat.2018.05.061.

4. Temperature calculation in cutting zones / H.-Chr. Möhring, V. Kushner, М. Storchak, T. Stehle // CIRP Annals – Manufacturing Technology. – 2018. – Vol. 67. – P. 61–64. – DOI: 10.1016/j.cirp.2018.03.009.

5. Chaotic characteristics of measured temperatures during sliding friction / Y. Zhou, H. Zhu, X. Zuo, Ji. Yang // Wear. – 2014. – Vol. 317. – P. 17–25. – DOI: 10.1016/j.wear.2014.04.025.

6. A combined numerical and experimental approach for determining the contact temperature in an industrial ironing operation / E. Üstünyagiz, C.V. Nielsen, P. Christiansen, P.A.F. Martins // Journal of Materials Processing Technology. – 2019. – Vol. 264. – P. 249–258. – DOI: 10.1016/j. jmatprotec.2018.09.015.

7. Built-in thin film thermocouples in surface textures of cemented carbide tools for cutting temperature measurement / Ji. Li, Bo Tao, S. Huang, Zh. Yin // Sensors and Actuators A. – 2018. – Vol. 279. – P. 663–670. – DOI: 10.1016/j.sna.2018.07.017.

8. Determining tool/chip temperatures from thermography measurements in metal cutting / M. Saez-de-Buruaga, D. Soler, P.X. Aristimuño, J.A. Esnaola, P.J. Arrazola // Applied Thermal Engineering. – 2018. – Vol. 145. – P. 305–314. – DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2018.09.051.

9. Abukhshi N.A., Mativenga P.T., Sheik M.A. Heat generation and temperature prediction in metal cutting: a review and implications for high speed machining // International Journal of Machine Tools & Manufacture. – 2006. – Vol. 46. – P. 782–800. – DOI: 10.1016/j.ijmachtools.2005.07.024.

10. Aleutdinova M.I., Fadin V.V., Rubtsov V.E. Dry slipping steel–steel contact at high current density // Steel in Translation. – 2017. – Vol. 47 (1). – P. 17–20. – DOI: 10.3103/S0967091217010028.

11. Вавилов В.П. Инфракрасная термография и тепловой контроль. – М.: Спектр, 2009. –544 с. – ISBN 978-5-904270-05-06.

12. Fadin V.V., Aleutdinova M.I., Kolubaev A.V. Effect of high-density electric current on wear and average temperature of steel/steel triboelectric contact // Journal of Friction and Wear. – 2018. – Vol. 39, iss. 4. – P. 294–298. – DOI: 10.3103/S1068366618040050.

13. Kreith F., Black W.Z. Basic heat transfer. – New York: Harper and Row, 1980. – 512 p. – ISBN: 9780700225187.

14. Галашев А.Н., Хвиюзов М.А. Коэффициент теплового излучения инструментальных сталей // NovaInfo.Ru. – 2016. – Т. 3, № 53. – C. 34–35.

15. Kennedy F.E., Lu Yu., Baker I. Contact temperatures and their influence on wear during pin-on-disk tribotesting // Tribology International. – 2015. – Vol. 82. – P. 534–542. – DOI: 10.1016/j.triboint.2013.10.022.

16. Vick B., Furey M.J. A basic theoretical study of the temperature rise in sliding contact with multiple contacts // Tribology International. – 2001. – Vol. 34. – P. 823–829. – DOI: 10.1016/ S0301-679X(01)00082-2.

17. Seif M.A., Abdel-Aal H.A. Temperature fields in sliding contact by a hybrid laser speckle-strain analysis technique // Wear. – 1995. – Vol. 181–183. – P. 723–729. – DOI: 10.1016/0043-1648(95)90189-2.

18. Bansal D.G., Jeff L., Streator G.W. A method for obtaining the temperature distribution at the interface of sliding bodies // Wear. – 2009. – Vol. 266. – P. 721–732. – DOI: 10.1016/j.wear.2008.08.019.

19. Modern tribology handbook / ed. by B. Bhushan. – Boca Raton, FL: CRC Press, 2001. – 1760 p. – ISBN 0-8493-8403-6.

20. The influence of surface properties on sliding contact temperature and friction for polyetheretherketone (PEEK) / K.A. Laux, A. Jean-Fulcrand, H.J. Sue, T. Bremner, J.S.S. Wong. // Polymer. – 2016. – Vol. 103. – P. 397–404. – DOI: 10.1016/j.polimer.2016.09.064.

21. Guha D., Chowdhuri S.K.R. The effect of surface roughness on the temperature at the contact between sliding bodies // Wear. – 1996. – Vol. 197. – P. 63–73. – DOI: 10.1016/0043-1648(95)06833-3.