Особенности и механизмы отказов инструментов для обработки древесно-металлических материалов

ОСОБЕННОСТИ И МЕХАНИЗМЫ ОТКАЗОВ ИНСТРУМЕНТОВ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ДРЕВЕСНО-МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Пилюшина Г.А., Прусс Б.Н.

Features and mechanisms of refusals of the tool for processing wood-metal materials are considered.

К факторам, определяющим работоспособность инструментов относятся в первую очередь их стойкость по показателям интенсивности изнашивания и сопротивляемости выкрашиванию лезвия, способности формирования заданной геометрической формы функциональных поверхностей подшипников скольжения деревообрабатывающих станков и т.д. Условия взаимодействия инструмента и заготовки при обработке последней в значительной степени определяются эксплуатационными и конструктивно-технологическими факторами.

К основным эксплуатационным факторам относятся: величины и закономерности приложения нагрузок; напряжения, действующие в режущей части; скорость резания; температурный режим работы инструмента; химическое воздействие обрабатываемого и инструментального материалов при резании и др. Особенностью силового нагружения инструментов при рассматриваемых условиях обработки является ударно-циклический характер действия сил резания на инструмент.

В результате такого характера взаимодействия режущего элемента с обрабатываемым материалом в слое, прилегающем к передней поверхности резца, формируются напряжения растяжения, на величину которых значительное влияние оказывает характер распределения давлений по передней поверхности резца. Силы, действующие на заднюю поверхность резца, в несколько раз меньше и не могут существенно влиять на напряжения в режущей части.

В то же время эксцентриситет приложения равнодействующих сжимающих сил на переднюю и заднюю поверхности невелик и в режущей части резца от действия этих сил могут возникать только напряжения сжатия. Складываясь с более опасными напряжениями растяжения на передней поверхности резца, эти напряжения уменьшают их значения, что благоприятно складывается на общем напряженном состоянии режущей части инструмента.

Касательные напряжения, возникающие в резце, не могут достигать высоких значений [1], однако согласно положениям теории прочности, микротрещины усталости от их действия могут развиваться по линиям сдвига в отдельных зонах инструментального материала.

Вследствие возникновения значительных нагрузок на режущие кромки инструментов при обработке композиционных древесных материалов наблюдается значительная частота отказов инструментов не только по причине износа и микровыкрашивания, но и за счет объемного разрушения инструмента. В частности происходит разрыв полотен и выломы зубьев из-за пиковых нагрузок и снижения запаса усталостной прочности, появления трещин усталости во впадинах зубьев и разрывов полотен и т.д.

Как уже отмечалось выше, инструмент теряет свою работоспособность не только по причине различных разрушений, но и вследствие достижения предельного износа режущих кромок зубьев, в результате чего износостойкость инструмента оказывается недостаточной для эффективной работы.

При обработке древесно-металлических композиционных материалов качественное проявление изнашивания рабочих поверхностей инструментов может носить постепенный характер или выражаться в виде дискретного микровыкрашивания. Соотношение постепенного износа и износа микровыкрашиванием зависит от условий эксплуатации, свойств обрабатываемого и инструментального материалов и других факторов.

Для управляющего воздействия на составляющие износа с целью повышения износостойкости необходимо на протяжении процесса изнашивания осуществлять дифференцированную оценку факторов, оказывающих наибольшее влияние на затупление режущей части инструментов.

Выкрашивание происходит, когда напряжения у кончика лезвия превышают предел прочности инструментального материала. Однако, напряжения, образующиеся в режущей части резца, относительно невелики и составляют не более 30% от предела прочности инструментального материала [1]. Поэтому в таких условиях на закономерности возникновения и распространение трещин существенное влияние оказывают особенности приложения нагрузок, уровень их динамичности, внешнее влияние среды, дефектное состояние поверхностных слоев, приводящие к возникновению опасных напряжений при меньших уровнях нагружения.

В основном, микровыкрашивание при резании древесины и композиционных материалов на ее основе возникает вследствие несоответствия угловых параметров резца условиям резания, объемной неравнопрочностью отдельных участков режущих кромок и прилегающих к ним поверхностей вследствие пониженной прочности границ зерен, неудачной ориентацией их по отношению к действующим нагрузкам, неоднородностью химического состава и структуры, напряженным состоянием, макро- и микронеровностями поверхностей, дефектами в материале, а также дефектами образующимися при заточке. Кроме того, существенную роль играет неравномерность нагружения лезвия по ширине, приводящего к развитию микротрещин в условиях антиплоского сдвига [4]. Такая неравномерность нагружения особенно характерна при обработке резанием гетерогенных композиционных материалов.

При этом в начале возникают выкрошины малых размеров и глубины, которые в дальнейшей работе укрупняются и перекрывают первоначально образовавшиеся. Резцы с малыми (1,6-3,0 мкм) радиусами округления режущей кромки наиболее подвержены микровыкрашиванию. Оптимальный радиус округления режущей кромки по энергопотреблению и износостойкости составляет 5-7 мкм [2].

Существенное влияние на выкрашивание режущей части инструмента оказывает микрорельеф образующих ее поверхностей. Следы механической обработки являются концентраторами напряжений и в значительной степени способ-стуют разрушающему действию динамических нагрузок. Так, риски от абразивных зерен шлифовального круга приводят к интенсивному изнашиванию лезвия.

Во время нагревания и последующего охлаждения в микрообъемах инструментального материала, характерных для осуществления процесса резания, происходят необратимые структурные изменения, проявляющихся чаще всего в виде образования белых слоев, имеющих высокую износостойкость, но отличающихся высокой хрупкостью. При малых углах заострения лезвия такая структура приводит к его обламыванию при первых же контактах с обрабатываемым материалом. Особенно часто это происходит при обработке гетерогенных высокопрочных древесных материалов, когда инструментальный материал под действием активных сред охрупчивается, а нагрузки от сил резания и неравномерность их действия увеличиваются.

Силы трения, зависящие от действующих на резец нагрузок, его угловых параметров, радиуса округления режущей кромки, микрорельефа и волнистости контактирующих поверхностей, скорости их относительного перемещения, способствуют протеканию как механического диспергирования, так и проявлению сложных химических и электрохимических явлений.

Периодичность процесса резания приводит к цикличности нагрева-охлаждения резца. Это обусловливает появление термических напряжений в при-кромочной зоне, вызывающих образование термоусталостных трещин в основном на передней поверхности, перпендикулярных режущей кромке. Позже образуются трещины, параллельные режущей кромке, после чего инструмент быстро теряет свою работоспособность вследствие возникновения выкрошин крупных размеров. Для некоторых инструментальных материалов при действии 105 и более циклов может происходить усталостное выкрашивание режущего элемента [2]. Увеличение продолжительности промежутка между единичными актами резания исследуемых древесных материалов приводит к некоторому снижению температуры лезвия. Однако при этом достигается более высокая разность температур в процессе контакта резца с древесиной и после него, что приводит к увеличению уровня термического напряжения в материале резца.

По данным многих исследований, главным фактором изнашивания резцов при обработке труднообрабатываемых древесных материалов является механическое диспергирование. Нагрев тонких поверхностных слоев резца приводит к окислительному износу. Концентрация химических соединений может существенно повыситься в результате термической и механической деструкции, приводя к адсорбционному понижению твердости поверхностных слоев и охрупчиванию нижележащих, ослаблению связей между зернами и последующему удалению их при трении. Изнашивание в этом случае объясняется действием адгезионной и деформационной составляющих в условиях взаимодействия поверхностно-активных веществ с окисным слоем металла.

На затупление инструмента немаловажное значение оказывают химические составляющие обрабатываемого материала [1]. Главная роль в механо-химическом изнашивании стального лезвия отводится продуктам термодеструкции древесины, которые адсорбируются на рабочих поверхностях инструмента. Продукты деструкции вызывают коррозию лезвия, в результате чего изнашивание носит питтинговый характер и проявляется в виде микровыкрашивания зерен металла лезвия, которые могут шаржироваться в поверхностные слои рабочей

поверхности вызывая повышение интенсивности изнашивания подшипникового узла деревообрабатывающей техники.

Износ инструмента усиливается при насыщении поверхностных слоев режущих элементов газами, происходящем вследствие контакта с обрабатываемой древесиной, содержащей значительное количество водорода, кислорода, азота и других газов, влаги и растворенных кислот, а также термодеструкцией древесины при резании. Жидкая фаза, содержащаяся в древесине, действует как катализатор наводораживания, способствующий более интенсивному газонасыщению инструмента [3]. Накопление газов, в частности водорода, в сталях вызывает их ох-рупчивание, которое начинает проявляться уже при содержании водорода 0,2мл/100г. При концентрации свыше 1,0мл/100г происходит резкое уменьшение пластичности материала. Это отрицательно сказывается на износостойкости инструмента и склонности его к выкрашиванию, особенно в условиях приложения динамических нагрузок.

Таким образом, важно обеспечить целесообразный выбор инструментального материала в связи со свойствами обрабатываемых материалов, конструкционными особенностями и условиями работы инструмента.

Учитывая труднообрабатываемость композиционных материалов на основе древесины и сложное влияние их свойств на износ и затупление твердосплавного инструмента, результаты ранее проведенных исследований не позволяют определить достаточно надежно оптимальный уровень многих показателей качества поверхностных слоев. Поэтому, чтобы правильно выбрать методы упрочнения и определить условия их выполнения, позволяющие в максимальной степени продлить срок службы инструмента, необходимо выявить механизм изнашивания режущих элементов твердосплавного инструмента и возможности существующих упрочняющих технологий, а также перспективы их адаптации применительно к инструментам для обработки композиционных древесных материалов.

Литература

1. Моисеев А.В. Износостойкость дереворежущего инструмента. -М.: Лесн. пром-сть, 1981. -112 с.

2. Зотов Г.А., Памфилов Е.А. Повышение стойкости дереворежущего инструмента. -М.: Экология, 1991.- 304 с.

3. Морозов В.Г. Дереворежущий инструмент/ Справочник. -М.: Лесн. пром-сть, 1988. -340

с.

4. Памфилов Е.А. Современные методы повышения износостойкости дереворежущих инструмента: Обзорн. информ. -М.: ВНИПИЭИлеспром, 1989.- 60 с.