Distribution of Temperature along Axis of the Steel Sample at Sliding under Electric Current against Steel Counterbody

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. Knowledge of the temperature field in the vicinity of a piecework/tool contact can be useful in optimizing the metalworking process. Infrared thermography is a convenient way to obtain the temperature distribution. This method is widely used in a heat control. It seems reasonable to find out the applicability of the method of infrared thermography to determine the temperature distribution character in the piecework/tool contact. It is of scientific interest to compare the temperature distribution obtained using a thermal imager and thermocouples in the model piecework/tool contact. It has been suggested that the sliding of a steel rod against a steel ring can serve as approximation of a sliding of a steel ball smoothing the surfaces of metal parts. The contact temperature can be changed using electric current. The purpose of the work is to study the features of temperature distribution along the axis of a steel rod, sliding against steel counterbody under the influence of electric current using infrared thermography and using thermocouples. Experimental details. The hardened steel of the St3 grade (AISI steel 1020; Fe - 0.2% C) with the hardness HB274 served as a model counterbody. The sliding electrical contact was carried out without lubricants according to the pin-on-ring slip scheme at a pressure of p = 0.13 MPa and a sliding speed of v = 5 m/s. Steel 45 (50 HRC) served as a counterbody. The temperatures were measured with thermocouples attached to the rod by spot welding and with FLIR A655 sc thermal imager. Results and discussion. It was shown that the temperature distribution along the rod axis was non-linear with relatively high (up to 600 K/cm) temperature gradients in the contact zone under sliding electrical contact if the temperatures were measured with a thermal imager. Measurement of temperatures on the rod axis with thermocouples under the same conditions showed a linear temperature distribution with low (about 100 K/cm) temperature gradients in the contact zone. Current passing through the rod in the absence of slip was also accompanied by a linear temperature distribution. It was assumed that the nonlinearity of the temperature field during its imaging with a thermal imager was due to the difficulty of setting the correct value of the emissivity. This coefficient depends on the presence of oxides, roughness and other state parameters of the radiating surface. The lateral surface of the sample with a high temperature in the area of the sliding contact had a state different from that of the same lateral surface in the zone of attachment of the sample to its holder. Therefore the emissivity set for the state of the surface in the slip zone of the sample did not correspond to the state of the surface in the zone of the sample holder. Possible values of the emissivity (about 0.7) corresponding to a contact temperature of about 400 °C were obtained by experimentally estimating of convective and radiative heat-transfer coefficients. It was noted that the exact temperature field can be determined using a thermal imager only after time-consuming calibration of the emissivity and preparation of the sample surface. It was concluded on the limited possibility to apply infrared thermography under piecework/tool sliding contact and it was offered to carry out the thermal control of the same contact using thermocouples.

About the authors

M. I. Aleutdinova

Email: aleut@ispms.ru
Ph.D. (Engineering), Institute of Strenght Physics and Materials Sciences SB RAS, 2/4, pr. Akademicheskii, Tomsk, 634055, Russian Federation, aleut@ispms.ru

V. V. Fadin

Email: fvv@ispms.ru
Ph.D. (Engineering), Associate Professor, Institute of Strenght Physics and Materials Sciences SB RAS, 2/4, pr. Akademicheskii, Tomsk, 634055, Russian Federation, fvv@ispms.ru

V. E. Rubtsov

Email: rvy@ispms.ru
Ph.D. (Physics and Mathematics), Institute of Strenght Physics and Materials Sciences SB RAS, 2/4, pr. Akademicheskii, Tomsk, 634055, Russian Federation, rvy@ispms.ru

References

  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.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».