О механизме абразивного изнашивания задней поверхности режущего инструмента из твердых сплавов при обработке цементно-стружечных плит

С целью устранения перегрузок отдельных станков лесообрабатывающего цеха зачастую возникает необходимость балансировки программы выпуска ле-сопродукции за счёт перевода выполняемых операций с одних станков на другие, то есть путём изменения маршрута обработки древесного сырья. Эти изменения маршрутов могут быть осуществлены оперативным управлением производственным процессом цеха по предварительно рассчитанным вариантам.

Оперативное управление предназначено для обеспечения управления технологическими потоками по обработке древесного сырья, разработки оперативных заданий для станков и транспортной системы по согласованию перемещений заготовок в процессе их обработки, выбору маршрутов обработки заготовок.

При автоматизированном производстве системы управления состоят из средств вычислительной техники (управляющего вычислительного комплекса) со средствами программного обеспечения. Массив данных по маршрутным вариантам обработки древесного сырья в сочетании с параметрами взаимодействующих станков используется для формального описания гибкого лесообрабатывающего процесса цеха.

Поэтому исследование гибких технологических процессов деревообрабатывающих цехов проводится методом статистического моделирования. Полученные данные можно использовать при моделировании гибких технологических потоков деревообрабатывающих цехов лесозаготовительных предприятий.

ЛИТЕРАТУРА

1. Акинин, Д.В. Методика проектирования близкой к оптимальной структуры парка лесных машин / Д.В. Акинин, Г.О. Комаров, В.Ю. Прохоров // Труды Международного симпозиума Надежность и качество. 2014. Т. 2. С. 178-179.

2. Шадрин, А.А. Гибкие лесообрабатывающие процессы лесозаготовительных предприятий / Вестник МГУЛ. - Лесной вестник. 2009. № 2. С. 108-110.

3. Шегельман, И.Р. К выбору направлений формирования гибких технологий лесозаготовок, ле-совосстановления и борьбы с лесными пожарами с использованием многофункциональной техники / И.Р. Шегельман, А.С. Васильев, А.А. Шадрин // Новое слово в науке: перспективы развития. 2016. № 1-2(7). С. 86-88.

4. Шадрин, А.А. Управление потоками лесоматериалов в комбинированном цехе / Вестник МГУЛ.

- Лесной вестник. 2003. № 5. С. 123-125.

5. Медведев, А.В. Технологические основы гибких производственных систем / В.А. Медведев.

- М. Высшая школа, 2000. 255 с.

6. Гоберман, В.А. Технология научных исследований - методы, модели, оценки: учебное пособие. 2-е изд. стериотипное/ В.А. Гоберман, Л.А. Гоберман // - М. : ГОУ ВПО МГУЛ, 2002. - 390 с.

7. Прохоров, В. Ю. Менеджмент качества сервисных услуг. Техническое регулирование при оценке качества продукции и услуг сервисных предприятий : учеб. пособие. - М. : ГОУ ВПО МГУЛ, 2007. - 87 с.

8. Шадрин, А.А. Транспортное обслуживание станков в лесообрабатывающем цехе при их гибкой компановке / Вестник МГУЛ. - Лесной вестник. 2009. № 2. С. 106-107.

9. Фёдоров, В.В. Определение потребности запасных частей лесовозных автомобилей в условиях лесопромышленных предприятий / В.В. Федоров, А.Н. Шестов, В.Ю. Прохоров // Труды международного симпозиума Надежность и качество. - 2016. № 2. С. 181-182.

УДК 674.023

Абразумов В.В., Котенко В.Д,

ФГБОУ ВО «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана» (МГТУ им. Н.Э. Баумана), Мытищинский филиал, Московская обл., Мытищи, Россия

О МЕХАНИЗМЕ АБРАЗИВНОГО ИЗНАШИВАНИЯ ЗАДНЕЙ ПОВЕРХНОСТИ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА ИЗ ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ ПРИ ОБРАБОТКЕ ЦЕМЕНТНО-СТРУЖЕЧНЫХ ПЛИТ

Рассмотрены структурные особенности вольфрам-кобальтовых твёрдых сплавов и цементно-стружечных плит. Характерной особенность этих материалов является то, что они содержат включения в виде частиц (зёрен карбида вольфрама и цементного клинкера) различных форм и размеров, которые имеют практически одинаковую твёрдость. Моделирование зёрен в виде цилиндров позволило рассчитать температуру на контактных поверхностях этих зёрен в процессе резания, которая при определённых условиях может достигать температуры плавления материала связки (кобальта) твёрдых сплавов. При нагреве зерно карбида вольфрама теряет связь с матрицей и «выворачивается» из связки. В результате силового воздействия происходит также освобождение негидратированных зёрен из цементного камня. Это приводит к абразивному износу контактной поверхности режущего инструмента частицами, находящимися как в закреплённом, так и в свободном состоянии. С помощью растрового электронного микроскопа проведены исследования контактной поверхности нескольких марок режущих инструментов из твёрдых сплавов с высоким содержанием кобальта, подвергшихся абразивному износу при обработке ЦСП. Слабым звеном таких сплавов, как показали исследования, является связка. Даны рекомендации по повышению износостойкости режущих инструментов из твёрдых сплавов и применению перспективных материалов для обработки резанием древесных композитов Ключевые слова:

цементно-стружечная плита, твёрдый сплав, клинкерные и карбидные зёрна, структура, температура, абразивный износ

Обычно такие цехи имеют гибкую транспортную систему для обслуживания лесообрабатывающих станков в виде кран-балок. Маршруты обработки лесоматериалов для данного цеха, представленные в виде графов, могут быть следующими, показанные на рис. 5.

Рисунок 5 - Технологические маршруты обработки древесного сырья в цехе с гибкой транспортной системой: 1 - окорочные станки; 2 - лесопильная рама; 3 -многопильный станок; 4 - обрезной станок; 5 - торцовочный станок; 6 - рубильная машина

Обработка цементно-стружечных плит (ЦСП) чаще всего производится режущими инструментами из твёрдых сплавов типа ВК. Эти сплавы изготавливаются методом порошковой металлургии и состоят из тугоплавких карбидов вольфрама МО (Ьпл = 2776 0С), сцементированных металлической связкой -кобальтом Со ( trш = 1500 0С) . Порошки карбидов вольфрама и кобальта смешивают, прессуют и спекают при температуре 1400 - 1550 °С. При спекании кобальт плавится, в результате образуется твёрдый материал, структура которого состоит из карбидных частиц, соединённых связкой [4, 8]. Такие материалы можно отнести к классу композиционных материалов с дисперсными наполнителями, в которых роль матрицы выполняет кобальт, а упрочни-теля - частицы (зёрна) карбида вольфрама (рис.1).

Рисунок 1 - Структурная модель твердого сплава

Зерна порошка карбидов вольфрама имеют разные форму и размеры. Карбиды с размерами частиц от 3 до 5 мкм относятся к крупнозернистым, от 0,5 до 1,5 мкм - к мелкозернистым, а менее 0,5 мкм - к особо мелкозернистым. Сплавы с меньшим раз-

мером карбидной фазы более износостойкие и теплостойкие (радиус округления режущей кромки для таких сплавов может составлять 1,0-2,0 мкм).

Наибольшее изнашивание контактных поверхностей режущего клина при обработке ЦСП, как практически всех древесных композитов, происходит по задней поверхности резца [3]. Обусловлено это рядом причин, основными из которых являются:

- ударное взаимодействие контактируемых поверхностей вследствие высокой пористости древесных композитов;

- увеличение площадки контакта задней поверхности резца с обрабатываемым материалом вследствие высокого упругого последействия;

- наличие в составе древесных композитов абразивных частиц в виде клинкерных зёрен (ЦСП), минералов различного происхождения и частиц затвердевшего полимера (ДСтП, МДФ, ОСП), твёрдость которых соизмерима с твёрдостью компонентов твёрдого сплава.

Структура ЦСП состоит из древесных частиц, вокруг которых сформирован непрерывный каркас из цементного камня, состоящего из тонкодисперсного геля [5]. Внутри геля содержатся не прореагировавшие (негидратированные) зёрна цементного клинкера (степень гидратации клинкерных зёрен в ЦСП - 40...70%) размером 10...60 мкм, твёрдость которых составляет 5500.9000 МПа и сохраняется при нагреве до 2070.2190 0С [6, 9].

На поверхности геля негидратированные зёрна имеют разную глубину заделки и в связи с тем, что они имеют разные форму и размеры, их вершины будут располагаться на различном расстоянии от поверхности резания, вследствие этого в процессе резания может участвовать разное количество зёрен. На рис. 2 приведена схема для определения количества зёрен, которые одновременно могут участвовать в процессе резания

Рисунок 2 - Схема для расчёта количества зёрен, которые могут участвовать в процессе резания: е -относительное критическое значение глубины заделки зёрен, исключающее выворачивание зёрна из геля

в процессе резания

Вершины зёрен, как следует из рис. 2, располагаются между Л = 0 и Л = Дтах, причём величина Л является случайной величиной, которую можно описать с помощью кривой нормального распределения. Такая кривая представлена на рис. 3 [2]. По оси ординат отложено отношение глубины резания t к расчётному значению Лтах, по оси ординат - относительное количество зёрен расположенных в плоскости резания к общему количеству зёрен, приходящихся на единицу поверхности (на 1 мм2).

Режущее зерно твёрдого сплава и негидратиро-ванное зерно цементного клинкера не имеют строгой геометрической формы, поэтому при моделировании их формы, зерну можно придавать форму шара, стержня или форму другой правильной фигуры [10]. Моделирование зёрен в виде цилиндров, которые частично размещены в геле (связке) позволило определить температуру на контактной поверхности зерен, которые расположены нормально к плоскости резания, в зависимости от относительной глубины резания [1, 7]. Расчётные значения температуры на контактных поверхностях зёрен в зависимости от относительной глубины резания представлены на рис. 4.

ш 1

0,6

0,4

0,2

0,02

/

/

/

/ ^ -10,3; °Л"5

.У

О 0,2 0,4 0,6 0,8 1

1/д

"так

Рисунок 3 - Распределение вероятного количества зёрен, участвующих в процессе резания

Рисунок 4 - Распределение температуры на контактной поверхности зерна в зависимости от относительной глубины резания

Расчёты показали, что температура на контактных поверхностях отдельных зёрен может достигать температуры плавления кобальта, в связи с чем изменяются его механические свойства (рис. 5). Кроме того, температурный коэффициент линейного расширения кобальта в 2-3 раза выше, чем у карбидов. Необычное изменение относительного удлинения (5) в интервале температур 250...500 0С объясняется полиморфным превращением кобальта в этом температурном интервале.

Карбид вольфрама имеет более высокую температуру плавления по сравнению с кобальтом и более высокую твердость. В результате нагрева зерно карбида вольфрама теряет связь с матрицей и «выворачивается» зерном цементного клинкера. Кроме того, в результате силового воздействия происходит также разрушение геля (матрицы) в зоне расположения (заделки) негидратированного зерна цементного клинкера вследствие малой адгезионной прочности на границе раздела древесина/цементный камень. Таким образом, абразивный износ контактной поверхности режущего инструмента происходит в результате механического воздействия частиц, находящихся как в закреплённом, так и в свободном состоянии.

Рисунок 5 - Зависимость от температуры предела прочности (об), относительного удлинения (5) и

относительного сужения (Со

Для обработки древесных композитов используют однокарбидные ВК сплавы с повышенным содержанием кобальта, так как такие сплавы обладают большей пластичностью и в условиях действия ударных нагрузок обеспечивают более высокие значения циклической прочности.

Исследования абразивного изнашивания контактной поверхности режущих инструментов из таких

Характерные механизмы абразивного изнашивания

сплавов (ВК-8, ВК-10, ВК-15, ВК-IOOM, H10F) выполнялись на растровом электронном микроскопе модели VEGA TS 5136LM (США) с разрешением 3,0 нм в режиме высокого вакуума и 3,5 нм в режиме низкого вакуума.

В таблице представлены наиболее характерные механизмы абразивного изнашивания поверхности.

Таблица 1

Изображение поверхности | Схема процесса

Изображение поверхности | Схема процесса

Экструзия кобальта из межкарбидного пространства ^твёрдый сплав ВК10)

Локальный сдвиг монослоя зёрен карбида в плоскости

«Наволакивание» кобальта на поверхность зерна карбида

Вырывание отдельных зёрен карбида вольфрама

У " ШГ

Исследования абразивного износа показали, что слабым звеном в ВК сплавах является связка. Для повышения износостойкости следует использовать материалы для связки с более высоким модулем упругости - рений, рутений, иридий. Однако температура плавления этих металлов соизмерима с температурой разложения карбидов. Поэтому их можно использовать только в виде сплавов с кобальтом. Твёрдые сплавы ВРК10 и ВРК15, связка которых состоит из 4 0% Со и 60% Яе, обладают большей износостойкостью при обработке абрази-восодержащих древесных композитов. Высокие дефицитность и стоимость рения являются сдерживающим фактором широкого применения таких сплавов.

В связи с этим в последнее время находят применение твёрдые сплавы со связками Ге-Со, Ге-Мо, Со-Ы1, Ге-Ы1-Со, Ге-Мо и др.

Дальнейшее совершенствование ВК сплавов связано также с разработкой сплавов с особомелко-зернистой (0,5.0,8 мкм), ультрадисперсной (0,2.0,5 мкм) и нанодисперсной (< 0,2 мкм) структурой, а также за счёт поверхностного упрочнения.

Перспективным при обработке резанием древесных композитов является применение поликристаллических алмазов, но их применение сдерживается трудностями, связанными с технологией профилирования, крепления и заточки инструмента.

ЛИТЕРАТУРА

1. Абразумов, В.В. Анализ явлений на контактных поверхностях режущего клина при резании плитных древесных композиционных материалов на минеральных вяжущих [Текст] / В.В. Абразумов, В.Д. Котенко // Вестник Московского государственного университета леса - Лесной вестник- 2006. - №6 (48). - с. 138-141.

2. Абразумов, В.В. Взаимодействие обрабатываемой поверхности ЦСП с задней поверхностью режущего инструмента [Текст] /В.В. Абразумов // Лесная промышленность, -2005, - № 4. - с. 25-28.

3. Абразумов, В.В. Износостойкость инструмента при резании древесных композитов [Текст]: монография / В.В. Абразумов, В.Д. Котенко. - М.: МГУЛ, 2009. - 170 с.

4. Конструкционные материалы [Текст]: справочник / под общ. ред. Б.Н. Арзамасова. - М.: Машиностроение, 1990. - 688 с.

5. Мельникова, Л.В. Технология композиционных материалов из древесины [Текст]: учебник / Л.В.Мельникова. - М.: МГУЛ, 1999. - 226 с.

6. Минеральные вяжущие вещества [Текст]: учебник / А.В. Волженский, Ю.С. Буров, В.С. Колоколь-ников.- М.: Стройиздат, 1973. - 480 с.

7. Прохоров, В. Ю. Исследование влияния сочетания конструкционных материалов на противозадирные и противоизносные свойства смазок / В. Ю. Прохоров, Л. В. Окладников, Н. В. Синюков // Труды международного симпозиума Надежность и качество. - 2015. - Т. 2. С. 139-141.

8. Прохоров, В.Ю. Повышение износостойкости шарнирных сопряжений манипуляторов лесозаготовительных машин / Труды Международного симпозиума Надежность и качество. - 2011. - Т. 2. - С. 198.

9. Прохоров, В.Ю. Исследование физико-химических и трибологических характеристик углерод-углеродных композиционных материалов / В.Ю. Прохоров // Техника и оборудование для села. 2014. № 4 (202). С. 20-23.

10. Резников А.Н. Теплофизика резания [Текст] / А.Н.Резников. - М.: Машиностроение, 1969. - 288с

УДК 674.092 Шиловская С.А.

ФГБОУ ВО «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана»

(МГТУ им. Н.Э. Баумана), Мытищинский филиал, Московская обл., Мытищи, Россия

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ЛЕСОСЕЧНЫХ РАБОТ С ПРИМЕНЕНИЕМ ВАЛОЧНО-ПАКЕТИРУЮЩЕЙ МАШИНЫ

С КОРНЕПЕРЕРЕЗАЮЩИМ УСТРОЙСТВОМ

В статье приводится технология лесосечных работ с применением валочно-пакетирующей машины с корнеперерезающим устройством, направленная на увеличение объема древесного сырья, а так же исключение затрат на проведение подготовительных работ при лесопосадках

Ключевые слова:

корнеперерезающее устройство, валочно-пакетирующая машина, лесосечные работы, древесное сырье, лесовосстановление

Рост потребности народного хозяйства в больших объемах заготавливаемой древесины вызывает необходимость изыскания дополнительных источников древесного сырья. Необходимо создание таких технологических процессов и машин, применение которых на лесозаготовках даст наибольший эффект [1, 2].

Наиболее крупным резервом сырья может стать древесина пней и корней, которая, как правило, остается в лесу и пропадает.

В настоящее время все имеющиеся валочные машины и механизмы заготавливают только стволовую часть дерева. Пнево-корневая древесина выкорчевывается специальными агрегатами (корчевателями) во втором технологическом потоке. Однако, расчет показывает, что наибольший экономический эффект получается при заготовке стволовой и пнево-корневой древесины в одном технологическом потоке.

Работы по созданию таких машин для одновременной заготовки стволовой и пнево-корневой древесины, проводятся в нашей стране и за рубежом.

Существующие методы валки (бензопилами, ва-лочными машинами типа ЛП-19, ЛП-17 и др. ) позволяют заготовлять лишь стволовую часть растущего дерева, а пни и корни, как правило, не заготовляются на стадии лесосечных работ [3]. Спелые сосновые и кедровые пни заготавливаются во втором технологическом потоке через 8-15 лет.

Между тем, свежая древесина пней и корней является важным дополнительным источником сырья для лесоперерабатывающей промышленности. В ряде стран (США, Финляндия) эта древесина находит практическое применение в целлюлозно-бумажной промышленности и в производстве плит.

Для нашей страны древесина пней и корней является одним и наиболее крупных резервов сырья. Метод валки деревьев с корнями позволяет максимально использовать биологические возможности лесосеки и увеличивать объем древесного сырья с каждого гектара лесонасаждений на 10-15%. На рис. 1 представлено распределение биомассы дерева при валке с корнями.

Доля корней в абсолютно сухой фитомассе древесины составляет, %: сосна - 19,3, ель - 27,1, береза - 22, осина -18.

Анализ патентной и технической литературы показывает, что разработки в направлении механизации процесса валки деревьев корнями ведутся более 40 лет [4]. Больше всего изобретений приходится на долю США и России. В Американских журналах освещены вопросы механизации процесса валки деревьев с корнями и возможности использования свежей древесины пней и корней для производства древесностружечных и древесноволокнистых плит, бумаги и картона.