Определение возможностей повышения износостойкости дереворежущего инструмента в условиях климатически низких температур

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ПОВЫШЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ДЕРЕВОРЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА В УСЛОВИЯХ КЛИМАТИЧЕСКИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР

IDENTIFYING OPPORTUNITIES TO IMPROVE WEAR RESISTANCE OF WOOD-CUTTING INSTRUMENT IN CLIMATE CONDITIONS OF LOW TEMPERATURES

Сиваков В.В.

Sivakov V.V.

Рассматриваются вопросы воздействия низких климатических температур на износостойкость инструмента для обработки древесины.

Considered the issues of impact of low climatic temperatures of the durability of tools for wood processing.

Ключевые слова: инструмент, низкие температуры, древесина, изнашивание

Key words: tool, low temperatures, wood, wear.

Повышение износостойкости режущих рабочих органов лесозаготовительных машин и инструмента является одной из важных задач, решение которой способствует повышению эффективности предприятий лесопромышленного комплекса. Особенно важна эта задача при заготовке и обработке древесины в условиях эксплуатации машин и инструментов при низких климатических температурах и при резании мерзлой древесины, так как основные запасы древесины в Российской Федерации сосредоточены на севере европейской части страны, Сибири, Урале. Так, В СССР в течение нескольких десятилетий сезонность имела следующий характер: 71% годового объема древесины заготавливалось за 5 зимних месяцев, остальные 29 % - за 7 месяцев.

В настоящее время ситуация несколько изменилась: сезон зимних лесозаготовок сократился на 20% (с 5 до 4 месяцев), а объем заготовленной древесины снизился на 22,8% и составил 48,2% [1].

Динамика помесячной заготовки древесины за 2010-2011 гг. представлена на рис.1.

Рисунок 1 - Динамика помесячной заготовки древесины в 2010-2011

гг.[1].

Под действием отрицательных температур наблюдается значительный рост прочностных характеристик древесины [2]. Это происходит за счет замерзания влаги, находящейся в древесине, что значительно увеличивает ее прочность.

Отрицательная температура приводит не только к изменению свойств древесины, но и изменяет свойства инструментальных материалов [3], снижая их характеристики.

При эксплуатации дереворежущих инструментов последние испытывают значительные переменные нагрузки, приводящие к процессу усталостных разрушений [4].

Процесс усталостного разрушения включает три этапа: инкубационный, зарождения трещины и ее докритическое развитие.

Первая стадия связана с развитием пластических деформаций, образованием полос скольжения, выходящих на поверхность тела. Именно в этих полосах скольжения происходит образование субмикротрещин.

Вторая стадия связана с формированием микротрещины в результате слияния субмикротрещин.

Третья стадия начинается в тот момент, когда одна из микротрещин оказывается в наиболее благоприятных условиях, пересекает границу одного, а затем и нескольких зерен и перерастает в макротрещину.

Разрушение, которое вначале было равномерно рассеянным в материале, концентрируется в одной доминирующей трещине. Таким образом, дальнейший процесс усталостного разрушения связан с развитием одной трещины. Этот процесс контролируется не локальными условиями напряженно-деформированного состояния в пределах одного зерна, а более общими характеристиками материала.

Третья стадия заканчивается, когда макротрещина достигает критического размера, и дальнейшее ее развитие происходит спонтанно за счет накопления телом энергии, как и при статическом нагружении. По различным оцен-

о-

должительность зависит от свойств материала, а также конструктивных особенностей объекта.

В условиях динамического взаимодействия инструмента и обрабатываемой древесины значительную роль приобретает скорость роста трещины и ее критическая длина.

Основным фактором, определяющим скорость развития трещин и тем самым склонность материала инструмента к выкрашиванию является вязкость разрушения [5]. На ее величину оказывают влияние структура материала, окружающая среда, температурный режим [6]. В общем случае величину вязкости разрушения можно будет определить по формуле

Ко = / (Кст; Ко,; Ке8СС ),

где Кст- критическое значение коэффициента интенсивности напряже-

ния, определяемое в зависимости от структурного состояния материала;

критическое значение коэффициента интенсивности напряжения, соответствующее температурным условиям работы;

^^^ критическое значение коэффициента интенсивности напряжения, соответствующее максимальному влиянию активных сред.

Таким образом вязкость разрушения оказывается зависимой от многих факторов, которые способствуют его увеличению или снижению в разнообразных сочетаниях. Рассмотрим каждый из приведенных факторов в отдельности.

С понижением температуры величина ^ уменьшается, что приводит к охрупчиванию инструментального материал, повышает скорость роста усталостных микротрещин и интенсивность выкрашивания режущей кромки. Для инструмента при обработке мерзлой древесины это характерно в начальный момент работы, до того, как температура резца в результате взаимодействия его с древесиной повысится.

Вязкость разрушения во многом определяется структурным состоянием материала. Размер зерен - один из основных факторов, оказывающих влияние на вязкость разрушения и хрупкость инструментального материала. С уменьшением размера зерен и равномерным распределением карбидных включений сопротивляемость материала распространению трещины увеличивается [6], в основном за счет повышения критической длины трещины. В тоже время для усталостных характеристик важен способ, которым было получено мелкое зерно. При сравнимых значениях размеров зерен после термической обработки усталостные характеристики выше.

Снижение размеров зерен и повышение степени дисперсности структуры приводит также к уменьшению степени влияния низких температур на усталостные характеристики. Благоприятным в этих условиях является и легирование поверхностного слоя, что одновременно, при использовании соответствующих материалов электрода (например Cr,W,Mo), может эффективно препятствовать насыщению поверхностного слоя водородом и другими продуктами деструкции древесины. Однако, влияние среды на материал инструмента проявляется не мгновенно, а постепенно, возрастая при работе от минимальной величины до максимального значения.

Кроме того, мелкодисперсная микроструктура и остаточные напряжения сжатия способствуют закрытию устьев субмикроскопических трещин, в которые проникают поверхностно-активные вещества и облегчают их развитие.

Анализ возможности повышения износостойкости дереворежущих инструментов для резания мерзлой древесины показывает, что существенный эффект может быть достигнут за счет использования поверхностной упрочняющей обработки, позволяющих направленно и в значительной степени изменять свойства поверхностных слоев материала. Среди них особое место занимают плазменное воздействие и электроискровое упрочнение, хорошо зарекомендовавшие себя при поверхностном упрочнении различных деталей и инструментов [7].

Список использованных источников

1. Суханов, В.С. О формировании позиции лесного бизнеса по вопросу повышения

эффективности использования и воспроизводства лесных ресурсов в Российской Федерации: [Электрон, ресурс].- 1 ноября 2013 г. - Режим доступа: http://gnclpkte.ru/wp-content/themes/zeecompany/images/Publications/Strategy-of-development-of-Russian-forest-industry-Dr.Sukhanov-2012.pdf

2. Курицын, В.Н. Особенности резания мерзлой древесины: [Текст]/ В.Н.Курицын. -М.: Лесн. пром-сть, 1981. -105 с.

3. Вигли, Д.А. Механические свойства материалов при низких температурах: [Текст]/ Д.А. Вигли. - М.: Мир, 1974.- 373 с.

4. Петренко, Н.М. Повышение стойкости дереворежущего инструмента технологическими методами: [Текст]/ //Диссертация на соиск.уч.ст. к.т.н. Брянск, 1984.- 198 с.

5. Соловьев В.В., Михайлова А.Р. К вопросу о прочности рамных пил: [Текст]/ В.В.Соловьев, А.Р.Михайлова //Лесной журнал.- 1982. -№1. -С.77-80.

6. Памфилов, Е.А. К вопросу о механизме изнашивания дереворежущего инструмента: [Текст]/ Е.А.Памфилов, Н.М.Петренко //Изв.вузов. Лесной журнал. -1978.- №3.- С.148-150.

7. Сиваков, В.В. Формирование заданных характеристик поверхностного слоя инструментального материала воздействием концентрированных потоков энергии: [Текст/] //Новые материалы и технологии в машиностроении/ Под общей редакцией Е.А. Памфилова. Сборник научных трудов по итогам международной научно-технической конференции. Выпуск 13. - Брянск: БГИТА, 2011. - С.97-99.