Влияние обработки импульсным электрическим током на остаточные напряжения, возникающие при шлифовании
Экспериментально показано, что пропускание импульсного электрического тока через полосу
 из нержавеющей стали с поверхностным слоем растягивающих напряжений, возникших при
 шлифовании, существенно снижает их уровень, при этом эффект обработки не связан с
 макронагревом металл...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Проблемы прочности |
|---|---|
| Дата: | 2009 |
| Автори: | , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України
2009
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/48529 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Влияние обработки импульсным электрическим током на остаточные
 напряжения, возникающие при шлифовании / Г.В. Степанов, А.И. Бабуцкий, И.А. Мамеев // Проблемы прочности. — 2009. — № 6. — С. 44-50. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860135381248245760 |
|---|---|
| author | Степанов, Г.В. Бабуцкий, А.И. Мамеев, А.И. |
| author_facet | Степанов, Г.В. Бабуцкий, А.И. Мамеев, А.И. |
| citation_txt | Влияние обработки импульсным электрическим током на остаточные
 напряжения, возникающие при шлифовании / Г.В. Степанов, А.И. Бабуцкий, И.А. Мамеев // Проблемы прочности. — 2009. — № 6. — С. 44-50. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Проблемы прочности |
| description | Экспериментально показано, что пропускание импульсного электрического тока через полосу
из нержавеющей стали с поверхностным слоем растягивающих напряжений, возникших при
шлифовании, существенно снижает их уровень, при этом эффект обработки не связан с
макронагревом металла полосы.
Експериментально показано, що пропускання імпульсного електричного
струму через смугу з нержавіючої сталі з поверхневим шаром розтяжних
напружень, зумовлених шліфуванням, суттєво знижує рівень цих напружень,
при цьому ефект обробки не пов’язаний з макронагріванням металу
смуги.
Our experimental studies show that pulse electric
current passed through a stainless strip with
grinding-induced residual stresses in the surface
layer significantly reduces these stresses. The observed
treatment effect is not attributed to the
strip metal heating.
|
| first_indexed | 2025-12-07T17:47:10Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 539.3; 537.39
Влияние обработки импульсным электрическим током на остаточные
напряжения, возникающие при шлифовании
Г. В. С тепанов, А . И . Б абуцкий , И . А . М ам еев
Институт проблем прочности им. Г. С. Писаренко НАН Украины, Киев, Украина
Экспериментально показано, что пропускание импульсного электрического тока через полосу
из нержавеющей стали с поверхностным слоем растягивающих напряжений, возникших при
шлифовании, существенно снижает их уровень, при этом эффект обработки не связан с
макронагревом металла полосы.
К л ю ч е в ы е с л о в а : шлифование, остаточные напряжения, импульсный элект
рический ток.
В ведение. В настоящее время известно, что практически нет материалов,
деталей или конструкций, в которых отсутствовали бы остаточные напря
жения (ОН). Они возникают вследствие различного рода технологических
операций на всех стадиях изготовления конструкций и их элементов. Ш лифо
вание - это одна из конечных операций, применяемых при изготовлении
деталей машин. Вместе с тем известно, что при шлифовании в тонком
поверхностном слое детали возникают ОН значительной величины. В зависи
мости от условий шлифования (грубое или мягкое), охлаждения, исполь
зуемого шлифовального круга (вид абразива и связующего, их твердости и
пористости) ОН могут быть как растягивающими, так и сжимающими [1].
Остаточные напряжения, возникающие вследствие технологических опе
раций, включая шлифование, всегда являются суперпозициями остаточных
макро- и микронапряжений. Только остаточные макронапряжения могут рас
сматриваться как напряжения, в какой-то степени эквивалентные нагружа
ющим напряжениям от внешних сил и моментов [2]. Н есомненно, что влия
ние ОН особенно выражено в деталях, подвергаемых циклическому нагруже
нию (усталости). Имеются многочисленные публикации, посвященные влия
нию ОН при усталости. Например, известны данные по влиянию ОН на
коррозионную усталость образцов после различной финишной обработки
(шлифование и дробеструйная), которые свидетельствуют о различии между
кривыми усталости (кривыми Велера) [3]: живучесть шлифованных образцов
из стали БАБ 1045 с практически отсутствующими ОН меньшая, чем образ
цов после дробеструйной обработки с поверхностным слоем сжимающих
ОН.
Известны также данные [4] о влиянии ОН на характеристики усталости
образцов после различных видов шлифования. В этих исследованиях при
шлифовании кругом из кубического нитрида бора с дополнительным растя
жением формировались поверхностные напряжения сжатия, равные 1200 МПа,
при использовании корундового круга без дополнительного растяжения полу
чали растягивающие остаточные напряжения значительной величины. Резуль
таты усталостных испытаний однозначно показывают, что образцы с растяги
© Г. В. СТЕПАНОВ, А. И. БАБУЦКИЙ, И. А. МАМЕЕВ, 2009
44 ТХОТ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2009, № 6
Влияние обработки импульсным электрическим током
вающими ОН имеют низкую усталостную прочность, в то время как создание
в образцах сжимающих ОН сущ ественно повышает их характеристики уста
лости.
Таким образом, для повышения характеристик прочности деталей ма
шин, эксплуатируемых при циклическом нагружении, необходимо снижать
растягивающие ОН, возникающие в результате шлифования. При этом задача
разработки новых методов снижения этих напряжений достаточно актуальна.
В качестве альтернативы сущ ествующ им методам может быть рассмот
рена обработка образцов импульсным электрическим током (ПЭТ) высокой
плотности. Согласно известным результатам исследований, такая обработка
приводит к релаксации напряжений при активном растяжении [5, 6 ] и оста
точных сварочных напряжений [7, 8 ]. В данной работе приведены результаты
исследований по влиянию обработки ПЭТ на остаточные напряжения, возни
кающие после “грубого” шлифования полос из нержавеющей стали Х18Н10Т.
М етодика эксперим ентальны х исследований. Для экспериментальных
исследований использовали полосы из стали Х 18Н 10Т шириной 10 мм и
толщиной 2 мм. Полосы крепили винтами к жесткой предварительно шлифо
ванной стальной базе, которую, в свою очередь, устанавливали на столе
плоскошлифовального станка, обеспечивая совпадение направления шлифо
вания с осью полос. На первом этапе выполняли предварительное шлифо
вание полос до толщины 1,9 мм, при этом использовали смазочно-охлаж
дающ ую жидкость (СОЖ) и малую подачу по толщине. На втором этапе
подачу СОЖ перекрывали и за два прохода удаляли слой толщиной 0,1 мм
при скорости вращения корундового круга 30 м/с. П осле такого преднаме
ренно “жесткого” шлифования (с целью получения высокого уровня ОН для
последую щ их исследований) и снятия со стальной базы, полосы имели явно
выраженный изгиб - результат действия растягивающих напряжений в слое,
прилегающем к шлифованной поверхности.
Полосы разрезали на образцы длиной около 70 мм, затем на шлифо
ванную поверхность образцов в центральной части по стандартной техно
логии наклеивали тензодатчики с базой 5 мм (рис. 1). Наклейку датчиков и
термическую обработку для полимеризации клея выполняли при свободном
(изогнутом) состоянии образцов, при этом предполагали, что нагрев и вы
держка при термообработке до 180°С не влияют на распределение ОН вслед
ствие их пониженного уровня.
Рис. 1. Внешний вид образца с датчиком, наклеенным на шлифованную поверхность.
При обработке ПЭТ образец прижимали токоподводами генератора им
пульсных токов [5] к плоской поверхности массивной текстолитовой направ
ляющей так, чтобы м еж ду токоподводами был участок образца длиной около
ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2009, № 6 45
Г. В. Степанов, Л. И. Бабуцкий, И. Л. Мамеев
40 мм (обрабатываемая часть) с тензодатчиком в центральной части. П ропус
кали один импульс тока с амплитудой 50 кА, при этом прирост температуры
составлял 110° С.
Сведения об изменении деформации датчиков получали с использова
нием измерительной системы, которая включала коммерческий модуль изме
рения деформации ICP CON I-7016P. С помощью дополнительного модуля
ICP CON I-7520 (RS 232) полученные результаты передавались в персо
нальный компьютер для дальнейшей обработки. С использованием данной
системы регистрировалось начальное сопротивление тензодатчика при сво
бодном (изогнутом) состоянии полосы (Ai), при распрямленном состоянии,
прижатом к поверхности текстолита (Л2 ), после обработки ПЭТ (пропускание
тока и последую щ ее охлаждение) (A3 ) и при свободном состоянии после
обработки (Л 4 ).
По результатам измерений с учетом калибровочного коэффициента к
определялись величина растягивающей деформации, возникшей вследствие
выпрямления полосы в исходном (без обработки ПЭТ) состоянии (е ь =
PEC
= к (A 2 — Ai ) ) и после обработки ПЭТ (е й = к (A 3 — A 4 )), а также вызван
ные обработкой продольное сжатие (Де = к ( A 2 — A 3 )) и уменьш ение изгиб-
PEC
ной деформации при свободном состоянии ( Де ь = е ь — е b ).
А н ал из п роцесса релаксации напряж ений при пропускании ИЭТ.
Рассмотрим процесс формирования и релаксации ОН в полосе металла при ее
шлифовании и пропускании ПЭТ. Пластическое сжатие поверхностного слоя
1 в результате нагрева при шлифовании после охлаждения формирует в
полосе поле ОН (растягивающих в слое 1 и сжимающих в слое 2) - рис. 2,а.
Пзменение усилия и деформации в слоях описывается диаграммой продоль
ное усилие-деформация, представленной на рис. 2,б. Наличие сил в слоях 1 и
2 (Р 01 = —Р 02) приводит к возникновению в них растягивающих и сжима
ющ их напряжений. Снижение напряжений в растянутом слое при действии
ПЭТ приводит к изменению его неупругой деформации и перераспределению
напряжений в полосе. В результате перераспределения напряжений нагрузка
понижается до р = — Р 2 при равном изменении деформации в слоях.
а б
Рис. 2. Схематическое представление распределения напряжений в поперечном сечении поло
сы (а) и диаграммы продольное усилие-деформация в слоях (б).
46 ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2009, № 6
Влияние обработки импульсным электрическим током
Из условий равновесия СИЛ В СЛОЯХ ДО (Р 01 = Р 02) и после р = Р 2 )
обработки ИЭТ и совместности деформаций слоев в результате действия ИЭТ
(Дв 1 = Дв 2 = Дв) следует
О 01^1 = ° 025 2 ; ( а 01 - О \ ЕС ) 5 1 = О25 2 ; (1)
Д а 2 = ЕДв; Д о 1 = а рЕС. (2)
Из уравнений (1) и (2) при заданном отношении толщины слоев изме
нение напряжения, вызванное действием ИЭТ, связано с величиной продоль
ной деформации сжатия полосы Дв:
о рЕС = [ (< 5 -< 5 0 /^х]ЕДе. (3)
Толщина пластически деформированного поверхностного слоя ^ может
быть определена по уменьш ению деформации шлифованной поверхности
полосы при изгибе, полагая, что уровень изгибающего момента сил в попереч
ном сечении плоской полосы при ее свободном (изогнутом, незакрепленном)
состоянии нулевой.
Изменение момента сил в поперечном сечении плоской полосы при ее
изгибе М = д ^ о 01/2 вызывает перераспределение ОН, которое определяет
ся разницей напряжений в закрепленной полосе и напряжений разгрузки при
снижении изгибающего момента, т.е. разницей эпюр начальных напряжений в
прямой полосе и эпюры упругого изгиба. На шлифованной поверхности изме
нение напряжений при изгибе будет о b = 6м / д 2 = 3 ( д ^ д ) о 01. Следователь
но, уровень напряжений о 01 - 3 (д ^ д ) о 01 = [ 1 - 3 ( д ^ д ) ] о 01 и деформации
на поверхности при изгибе пропорционален исходному напряжению. И зме
нение деформации, вызванное ИЭТ, составляет Д г b = [ 1 - 3 (д ^ д ) ] о p EC/ е .
Следовательно,
0 ^ = д — Д£ ь К (4 )
Толщина деформированного слоя д 1 определяется из условия равенства
PECзначения о 1 по уравнениям (3) и (4):
д
Дг ь = [(д - д ^ / д 1 ]Дг,
откуда получим
где
б — 3dj
с
61 = - [£ + 4 — (£ 2 + 8£ + 4 )1/2],
6
£ = Дг ь і Д«- (5)
ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2009, № 6 47
Г. В. Степанов, А. И. Бабуцкий, И. А. Мамеев
С помощью полученных в эксперименте значений снижения изгибной и
продольной деформации £ = A s ъ / A s = 0 ,19/0,33 при толщине полосы д =
= 1,8 мм по уравнению (3) можно определить толщину деформированного слоя
d i = 0 ,476 мм, при этом снижение ОН в результате пропускания тока через
PEC
образец, определенное по уравнению (3) или (4), составляет а 1 == 39 МПа.
О ценка нетеплового действия тока на релаксацию напряжений. Полу
ченные выше данные используются для оценки “специфического”, т.е. нетепло
вого [5, 6 ], действия тока на релаксацию ОН. Принимаем, что предел текучес
ти а у исследованной стали при нулевой температуре составляет 250 МПа.
Тепловое действие тока при линейном снижении предела текучести с
а у = 250 МПа до а у = 25 МПа при повышении температуры на 1000° С
(принимается линейный характер влияния температуры на предел текучести)
можно характеризовать коэффициентом к Т = ( а у — аУ000) /А Г = 0,225 МПа/° С.
Аналогичный коэффициент при пропускании ПЭТ через полосу при ее за
креплении (без изгиба) с учетом повышения температуры и снижения напря-
PEC PEC I PEC
жения в слое 1 (рис. 3) (по линии а ш - 2) составляет к Т = а / А Т =
= 3 9 /110= 0,3545 МПа/° С.
Рис. 3. Схема изменения напряжения в деформированном слое при повышении температуры
вследствие ИЭТ.
РЕСИз сравнения коэффициентов к т и к т следует, что снижение напря
жения вследствие пропускания ИЭТ происходит более интенсивно. Причем
при действии ИЭТ напряжение снижается с максимального уровня о 01 после
нагрева и остывания в процессе шлифования до о 1 в точке 2 (рис. 3),
оставаясь ниже предела текучести металла при соответствующей темпера
туре. Величина напряжения о 01 определяется пределом текучести поверх
ностного слоя в момент, соответствующий переходу деформирования от
упругопластического к упругому в процессе остывания после шлифования.
Различие в температуре слоев А Т обеспечивает разное тепловое их расш и
рение и приводит к напряжению а Е А Т , равному пределу текучести при
соответствующей температуре о у — кт А Т . Из равенства этих величин, т.е.
о у — к т А Т = а Е А Т , следует
о 01 = о у — к т А Т = о у а Е I ( к т + а Е ). (6 )
48 ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2009, № 6
Влияние обработки импульсным электрическим током
Таким образом, в результате теплового действия ИЭТ (повышение темпе
ратуры на 11Q0 С) предел текучести снижается до о у ( T ) = о у — кт Д Т РЕС =
= 224 ,75 МПа (на рис. 3 точка 3).
П осле нагрева и охлаждения поверхностного слоя при шлифовании
напряжения в нем ( о qi = 23Q МПа) по данным численного моделирования,
которые совпадают с расчетом по формуле (б), ниже предела текучести.
Следовательно, собственно, тепловое действие тока может уменьшить напря
жения на величину о qi — о у ( Т ) = 5,25 МПа, в то время как снижение напря-
PECжения Д о = 39 МПа, полученное экспериментально, почти в 7,5 раза
выше. Указанное повышенное снижение напряжения в поверхностном слое
может быть результатом специфического (нетеплового) действия тока.
В ы в о д ы
1. Пропускание импульсного тока через полосу из стали X 18H 10T с
поверхностным слоем растягивающих напряжений, возникших вследствие
шлифования, снижает уровень растягивающих напряжений.
2. Снижение остаточных напряжений в результате обработки током не
связано с макронагревом металла полосы.
Р е з ю м е
Експериментально показано, що пропускання імпульсного електричного
струму через смугу з нержавіючої сталі з поверхневим шаром розтяжних
напружень, зумовлених шліфуванням, суттєво зниж ує рівень цих напру
жень, при цьому ефект обробки не пов’язаний з макронагріванням металу
смуги.
1. G rum J. A nalysis o f residual stresses in main crankshaft bearings after
induction surface hardening and finish grinding // Proc. Inst. M ech. Eng. -
Pt. D: J. A utom obile Eng. - 2003. - 2 1 l , N o. 3. - P. 173 - 182.
2. S ch o ltes B. Residual stress analysis - a useful tool to assess the fatigue
behavior o f structural components // Advances in X-ray Analysis. - 2QQQ. - 43.
- P. 39 - 47.
3. H e rzo g R. Auswirkungen bearbeitungsbedingter Randschichteigenschaften
auf das Schwingungsrißkorrosionsverhalten von CK45 und X 35C rM ol7 . -
Aachen: Shaker Verlag, 1998.
4. S ollich A . Verbesserung des Dauerschwingverhaltens hochfester Stähle durch
gezielte Eigenspannungserzeugung, Fortschrittsberichte VDI, Reihe 5, N o. 37б,
Düsseldorf: VDI-Verlag, 1994.
5. С т еп анов Г. В., Б абуц ки й A. И., М а м еев И. A . Нестационарное напря
женно-деформированное состояние в длинном стержне, вызванное им
пульсом электрического тока высокой плотности // Пробл. прочности. -
2004. - № 4. - С. б0 - б7.
ISSN Ü556-171X. Проблемы прочности, 2ÜÜ9, N б 49
6 . С т еп анов Г. В., Б абуц ки й Л. И ., М а м еев И. Л., О ли сов А. Н , Анализ
процесса релаксации растягивающих напряжений под действием импуль
са электрического тока // Там же. - 2006. - № 1. - С. 116 - 127.
7. С т еп анов Г. В., Б абуцъкий А. І., М а м єєв І. А . Вплив імпульсного елект
ричного струму на релаксацію залишкових зварювальних напружень //
Вісн. Терн. держ. техн. ун-ту. - 2007. - № 3. - С. 16 - 22.
8 . Л о б а н о в Л . М., П івт о р а к В. А . т а ін. Нові методи оцінки технічного
стану зварних з ’єднань, визначення і регулювання залишкових напру
жень // Проблеми ресурсу і безпеки експлуатації конструкцій, споруд та
машин. - Київ: Ін-т електрозварювання ім. Є. О. Патона, 2006. - С. 368 -
373.
Поступила 05. 03. 2008
Г. В. Степанов, А. И. Бабуцкий, И. А. Мамеев
50 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2009, № 6
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-48529 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0556-171X |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T17:47:10Z |
| publishDate | 2009 |
| publisher | Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Степанов, Г.В. Бабуцкий, А.И. Мамеев, А.И. 2013-08-20T13:07:31Z 2013-08-20T13:07:31Z 2009 Влияние обработки импульсным электрическим током на остаточные
 напряжения, возникающие при шлифовании / Г.В. Степанов, А.И. Бабуцкий, И.А. Мамеев // Проблемы прочности. — 2009. — № 6. — С. 44-50. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. 0556-171X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/48529 539.3; 537.39 Экспериментально показано, что пропускание импульсного электрического тока через полосу
 из нержавеющей стали с поверхностным слоем растягивающих напряжений, возникших при
 шлифовании, существенно снижает их уровень, при этом эффект обработки не связан с
 макронагревом металла полосы. Експериментально показано, що пропускання імпульсного електричного
 струму через смугу з нержавіючої сталі з поверхневим шаром розтяжних
 напружень, зумовлених шліфуванням, суттєво знижує рівень цих напружень,
 при цьому ефект обробки не пов’язаний з макронагріванням металу
 смуги. Our experimental studies show that pulse electric
 current passed through a stainless strip with
 grinding-induced residual stresses in the surface
 layer significantly reduces these stresses. The observed
 treatment effect is not attributed to the
 strip metal heating. ru Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України Проблемы прочности Научно-технический раздел Влияние обработки импульсным электрическим током на остаточные напряжения, возникающие при шлифовании Pulse electric current treatment effect on residual stresses induced by grindin Article published earlier |
| spellingShingle | Влияние обработки импульсным электрическим током на остаточные напряжения, возникающие при шлифовании Степанов, Г.В. Бабуцкий, А.И. Мамеев, А.И. Научно-технический раздел |
| title | Влияние обработки импульсным электрическим током на остаточные напряжения, возникающие при шлифовании |
| title_alt | Pulse electric current treatment effect on residual stresses induced by grindin |
| title_full | Влияние обработки импульсным электрическим током на остаточные напряжения, возникающие при шлифовании |
| title_fullStr | Влияние обработки импульсным электрическим током на остаточные напряжения, возникающие при шлифовании |
| title_full_unstemmed | Влияние обработки импульсным электрическим током на остаточные напряжения, возникающие при шлифовании |
| title_short | Влияние обработки импульсным электрическим током на остаточные напряжения, возникающие при шлифовании |
| title_sort | влияние обработки импульсным электрическим током на остаточные напряжения, возникающие при шлифовании |
| topic | Научно-технический раздел |
| topic_facet | Научно-технический раздел |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/48529 |
| work_keys_str_mv | AT stepanovgv vliânieobrabotkiimpulʹsnymélektričeskimtokomnaostatočnyenaprâženiâvoznikaûŝieprišlifovanii AT babuckiiai vliânieobrabotkiimpulʹsnymélektričeskimtokomnaostatočnyenaprâženiâvoznikaûŝieprišlifovanii AT mameevai vliânieobrabotkiimpulʹsnymélektričeskimtokomnaostatočnyenaprâženiâvoznikaûŝieprišlifovanii AT stepanovgv pulseelectriccurrenttreatmenteffectonresidualstressesinducedbygrindin AT babuckiiai pulseelectriccurrenttreatmenteffectonresidualstressesinducedbygrindin AT mameevai pulseelectriccurrenttreatmenteffectonresidualstressesinducedbygrindin |