Стойкость дереворежущего инструмента как фактор надежности технической системы

СТОЙКОСТЬ ДЕРЕВОРЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА КАК ФАКТОР НАДЕЖНОСТИ ТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

Карлов Г.П., Корчма И.С.

The given articles is devoted to the questions of reliability, serviceability, durability, non-failure operations and wear resistance of wood cutting tools made of hard-facing alloy.

Производительность труда и себестоимость обработки на дереворежущих станках во многом определяются стойкостью режущего инструмента, т.к. стойкость инструмента определяет надежность станков и надежность технологической системы в целом.

При обсуждении проблем надежности дереворежущего инструмента остановимся на некоторых основных понятиях.

Надежность дереворежущего инструмента - его свойство сохранять во времени работоспособное состояние.

Работоспособное состояние дереворежущего инструмента - состояние, при котором значения параметров и показателей качества соответствуют требованиям, установленным в нормативно технической, конструкторской и технологической документации.

Отказ - событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния инструмента.

Потеря работоспособного состояния дереворежущего инструмент обусловлена "потерей" его стойкости, т.е. снижением способности сопротивляться внешним нагрузкам. В различные моменты периода стойкости режущего инструмента происходит износ и затупление режущей части, что приводит к его отказу. Характерной особенностью функционального отказа дереворежущего инструмента (отказ инструмента, в результате прекращение его функционирования, не предусмотренного регламентированными условиями эксплуатации или в технической документации) является хрупкое разрушение, приводящее к невозможности формообразования резанием. Полностью исключить функциональные отказы невозможно. Но, большая часть функциональных отказов, как показывает анализ, является следствием ошибок при выборе инструментальных материалов, при изготовлении, или подготовке инструмента к работе (пайка, заточка, доводка), при назначении условий эксплуатации, а также связаны с состоянием системы СПИД (станок, инструмент, приспособление, деталь).

Причиной отказа твердосплавного инструмента часто является хрупкое разрушение режущей части. Хрупкое разрушение режущей части дереворежущего инструмента является результатом постепенного накапливания и развития микротрещин под действием сил механического и термического происхождения. В зависимости от уровня нагрузки, ее характера и температуры происходит микровыкрашивание, макровыкрашивание, скалывание (поломка). Микровыкрашивание характерно для периода приработки, макровыкрашивание для периода нормальной эксплуатации, а скалывание - это отделение относительно большого объема

лезвия происходит тогда, когда нагрузка, возникающая в результате резания, создает в инструменте напряжения, превышающие допускаемые прочностью твердого сплава.

Исследования и производственный опыт показывают, что скалывание рабочей части в значительной степени определяется формой режущей части, а соответственно угловыми параметрам (передним углом - у, углом заострения - в, углами косой боковой заточки - ф), предельными значениями режимов резания, наибольшее влияние оказывает подача на зуб - 8г, или толщина срезаемого слоя. Максимальная подача 8г тах - при которой наступает скалывание рабочей части режущего элемента называют «ломающая подача» - предельная подача.

Скалывание может и происходит в различные периоды работы инструмента. Оно может быть вызвано, как случайными причинами (наличием инородных тел в древесине или древесных материалов, наличием дефектов в сплаве), так и следствием затупления и выкрашивания режущей части.

Небольшие углы заострения (в = 50-55 градусов), маленький (4-8 мкм) радиус закруглении режущей кромки - р (радиус затупления) и ударно-циклические нагрузки сопутствующие работе твердосплавного дереворежущего инструмента работающего в условиях прерывистого резания, температурные деформации, а также наложение остаточных напряжений, которые возникают при заточке, напайке и других операций технологического процесса изготовления и подготовки к работе инструмента, вызывают отклонение от оптимальных условий эксплуатации инструмента или от оптимальных значений параметров его начального состояния, что приводит к преждевременному отказу инструмента в виде скалывания.

Повышение надежности дереворежущего инструмента может быть обеспечено не столько использованием традиционных методов и средств, которые в значительной мере исчерпаны, а главным образом применением новых методик расчета прочности режущей части инструмента по допускаемым напряжениям (например, метода конечных элементов), которые позволяют решать данную задачу с использованием ЭВМ. Отказов инструмента в виде скалывания в значительной мере можно избежать, если будут назначены оптимальные инструментальные материалы, геометрия инструмента, условия его эксплуатации.

Свойства инструментальных материалов, механизм их разрушения и критерий прочности в большой степени обуславливают надежность режущего инструмента вообще и дереворежущего в частности. Учитывая характер (ударно-циклические нагрузки) и условия (наличие сучков, повышенная твердость и абра-зивность - цементная фракция, наличие органических соединений - смол) работы дереворежущего инструмента при обработке твердых пород древесины (лиственницы) и древесных материалов (ДВП, ДСП, ДСтП, ЦСтП) наиболее широкое распространение в деревообработке нашли металлокерамические сплавы на основе карбида вольфрама и кобальтовой связки (сплавы группы WC-Co). Важной характеристикой данных сплавов является повышенная ударная вязкость, причем она повышается пропорционально содержанию кобальта и с повышением температуры. Проведенные нами исследования и исследования М.Г. Лошака показывают, что при ударно-циклическом нагружении долговечность образцов подчиняется закону распределения Вейбулла, увеличиваясь с повышением содержания ко-

бальта, и особенно с уменьшением в 8- 9 раз пористости, в то время как аизг пористость снижает только на 15%. Усталостная прочность сплава ВК8 при циклическом ударном нагружении по сравнению с гармоническими снижается на 20%.

Анализ разрушения режущей части дереворежущих инструментов показывает, что не только при прерывистых (пилении, фрезерование насадными фрезами), но и при непрерывных процессах обработки (фрезерование концевыми фрезами, сверление, строгание) наблюдается образование трещин в его контактной зоне, вызываемое нестабильностью условий обработки древесины и древесных материалов. Под действием сил резания в контактной зоне существуют только сжимающие напряжения, достигающие значительных величин, поэтому и амплитуда их колебаний имеет большое значение в усталостной прочности инструмента. По мере износа режущей части инструмента силы резания и их величины колебаний еще более возрастают, снижая запас прочности режущей части. В связи с этим для оценки надежности, долговечности (свойства инструмента сохранять работоспособное состояние до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта) и безотказности (свойство инструмента непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или наработки) дереворежущего инструмента большой интерес представляет предел выносливости инструментальных материалов при циклическом асси-метричном сжатии в условиях высоких температур, соответствующих напряженному состоянию режущей части инструмента.

Механика разрушения твердых сплавов является одной из наиболее сложных проблем, которая решается различными дисциплинами - сопротивлением материалов, физикой твердого тела, металловедением, химией, статистической теорией.

Выкрашивание режущих кромок - это хрупкое разрушение малых объемов инструментального материала в пределах области ограниченной площадки контакта на передней и задней поверхностях режущего участка инструмента.

Отказы из-за выкрашивания наиболее часто имеют место при прерывистом резании. Одними наиболее распространенными причинами выкрашивания режущей кромки при прерывистом резании являются возникающие термоциклические напряжения - результат воздействия чередующихся нагреваний во время рабочего хода и охлаждения во время холостого хода. Значительный удельный вес отказов инструмента из-за выкрашиваний связан с несоблюдением режимов заточки и невыполнением режимов доводки инструмента на деревообрабатывающих предприятиях, т.к. качество последних несопоставимо ниже, чем на специализированных предприятиях по изготовлению инструмента. Подтверждением этого является более высокая стойкость и безотказность инструментов оснащенных неперетачи-ваемыми пластинами особенно в начальный период.

Стойкость дереворежущего инструмента во многом определяет надежность функционирования не только деревообрабатывающего оборудования, но и надежность функционирования всей технологической системы, обеспечивающей выполнение технологического процесса, и формирует качественные показатели (параметры) обрабатываемых деталей. Выход одного или нескольких параметров у обрабатываемой детали за пределы, установленные в нормативно-технической

или технологической документации приводит к параметрическому отказу. Изменение параметров инструмента в результате механических, тепловых и других воздействий которые вызывают изменение значений параметров его начального состояния, приводит к снижению точности, шероховатости обрабатываемой заготовки, нарушается стабильность работы и возникает параметрический отказ. Таким образом, изменение параметров инструмента приводят к изменению параметров обработанной детали, а параметрический отказ одного приводит к параметрическому отказу другого и отказу всей технологической системы. Высокие требования к качеству обрабатываемых деталей делают параметрические отказы главным объектом исследований в теории надежности. В связи с этим рассматривается параметрическая (технологическая) надежность станков и инструментов, их свойство сохранять во времени в заданных пределах значения параметров, определяющих необходимое качество обработки деталей.

Важными показателями, характеризующими качество и надежность дереворежущего инструмента, являются его ресурс - суммарная наработка от начала эксплуатации или ее возобновления после ремонта до перехода в предельное состояние, т.е. когда дальнейшая его эксплуатация невозможна или нецелесообразна. Если качество изготовление инструмента и условия его эксплуатации можно характеризовать наработкой до отказа - наработка от начала эксплуатации до наступления первого отказа, то ресурс учитывает и качество подготовки его к работе между отказами.

Анализ структуры отказов различных твердосплавных дереворежущих инструментов показывает, что 7-8% отказов формируются на стадии проектирования, 30-40% на стадии изготовления, а 52-63% - это отказы, связанные с условиями эксплуатации. Для обеспечения эффективной обработки резанием и необходимой производительности, для расчета расхода инструмента еще на стадии проектирования должны прогнозироваться показатели надежности дереворежущего инструмента. Однако повышение производительности за счет режимов резания изменяет структуру отказов на стадии эксплуатации, делая ее неблагоприятной. Неблагоприятной структуре отказов способствуют так же случайные отклонения режимов технологических процессов изготовления и подготовки к работе от оптимальных. Благоприятной структурой является та, где доля отказов из-за изнашивания достигает 80-85%. Для повышения ресурса инструмента, т.е. снижения доли хрупкого разрушения его режущей части и повышения доли отказов из-за изнашивания, необходимо путем постоянного мониторинга процесса и диагностирования состояния инструмента решить следующие задачи:

- проанализировать структуру отказов инструмента и выполнить корректировку режимов резания и параметров инструмента для обеспечения прогнозируемого вида отказа;

- проанализировать зависимость как случайных функций с целью выявления ошибок допущенных при изготовлении или подготовки к работе между отказами инструмента;

- обработка информации о стойкости инструмента для выявления закона ее распределения с целью расчета гарантийной стойкости для предупредительной замены инструмента;

- создание системы диагностирование состояния инструмента и процесса резания для замены инструмента по фактическому отказу. Рациональная эксплуатация режущего инструмента работающего при переменных условиях резания в течение одного периода стойкости;

- формирование необходимой технической документации на базе результатов мониторинга и диагностирования работоспособности дереворежущего инструмента;

- обеспечение необходимых решений по совершенствованию технологических условий по подготовки и эксплуатации дереворежущего инструмента.