Износостойкость режущего инструмента при обработке композиционных материалов на древесной основе

Анализ результатов исследования показал, что основное влияние на износостойкость режущего инструмента оказывают физико-механические свойства составляющих древесных композитов и, главным образом, абразивосодержащая составляющая (клинкерные зерна цементного камня, отвержденные частицы полимерных матриц, а также минеральные частицы, попавшие в материал в виде загрязнения на стадии изготовления).

При обработке композиционных материалов на древесной основе износ режущей части резца происходит преимущественно по задней поверхности с образованием фаски износа, геометрические параметры которой определяют энергетические показатели процесса резания и качество обработанной поверхности.

Исследования показали, что зависимость параметров износа по задней поверхности резца Аз и радиуса округления режущей кромки с от режимов резания имеют схожий характер для всех исследованных инструментальных материалов.

На начальном этапе пути резания микроразрушения на поверхности лезвия происходят при небольшом числе циклов нагружения режущей части и характеризуются отрывом наиболее крупных зерен карбидов вольфрама или их конгломератов. Поэтому интенсивность изнашивания в этот период очень высока и существенно зависит от среднего размера зерна карбидной фазы и состояния поверхностного слоя.

Установлено, что интенсивность изнашивания путем микроразрушений снижается по мере увеличения радиуса округления режущей кромки и фаски износа на задней поверхности резца. Это связано с разрушенем дефектного слоя и снижением уровня механических напряжений, вызванных концентраторами напряжений. При этом размеры отделяемых частиц инструментального материала на режущей кромке неуклонно уменьшаются и наступает период окончательное формирования параметров режущего лезвия, характеризуемое величиной радиуса округления с.

Экспериментальным путем определялась продолжительность периода приработочного износа, которая для разных марок твердых сплавов неодинакова и зависела от физико-механических свойств, структурных особенностей твердого сплава и качества подготовки инструмента к работе. Фактический путь резания режущего лезвия резца при обработке кромки плиты составлял 800…1500 м и зависел от вида и плотности обрабатываемого композиционного материала. Завершающей стадией этого периода работы инструмента является снижение интенсивности изнашивания за счет микровыкрашиваний режущей кромки и стабилизация ее параметров на некотором уровне.

Период установившегося (монотонного) изнашивания характеризуется низкой интенсивностью, которая аппроксимируется линейной зависимостью, и зависит от множества факторов, главными из которых являются физико-механические свойства инструментального материала, геометрические параметры инструмента и режимы резания.

Отмечено, что в этот период параметр износа Аз превышает износ по передней поверхности в 1,5…1,7 раза. Интенсивность изнашивания резца по задней поверхности зависит от содержания кобальта, с уменьшением которого снижается и составляет для сплавов ВК8 и ВК6 2,56 ·10-2 мкм/м и 2,12·10-2 мкм/м соответственно.

Зависимость интенсивности износа твердых сплавов по передней поверхности от содержания кобальта носит более сложный характер. При увеличении содержания Со от 6 до 10% интенсивность изнашивания несколько снижается. В основе механизма изнашивания передней поверхности резца лежит ударно-абразивное изнашивание, механизм которого рассмотрен в главе 3.

Анализ результатов экспериментальных исследований влияния среднего размера зерна карбида вольфрама на износостойкость твердого сплава показал, что для обработки абразивосодержащих материалов (ЦСП, МДФ) наиболее эффективными являются сплавы с особомелкой и ультрадисперсной структурами карбидной фазы.

Наибольшую износостойкость при обработке древесных композитов показали мелкозернистые ПКА, превышающую стойкость твердых сплавов в 6...12 раз.

По результатам экспериментальных исследований износостойкости инструментальных материалов сделаны следующие выводы.

1. Характер износа резцов из различных марок твердого сплава одинаков. Период приработочного износа характеризуется явлениями хрупкого микровыкрашивания режущей кромки, а его продолжительность зависит от прочностных свойств инструментального материала и качества подготовки инструмента к работе. Период монотонного изнашивания, который аппроксимируется линейной зависимостью, определяет период стойкости инструмента. Продолжительность его зависит от физико-механических свойств инструментального и обрабатываемого материалов, геометрических параметров резца и режимов резания. Период интенсивного износа наступает вследствие действия усталостных процессов, завершающихся образованием микротрещин в поверхностном слое и сколов на рабочих поверхностях режущей части резца.

2. Износ резца при обработке композиционных материалов на древесной основе происходит преимущественно по задней поверхности с образованием фаски износа. Радиус округления режущей кромки растет наиболее интенсивно в период приработочного износа и затем стабилизируется на некотором уровне, имея слабую тенденцию к увеличению, т. е. имеет место явление “самозатачивания”, характерное для условий резания абразивосодержащих материалов.

3. Интенсивность изнашивания инструментальных материалов зависит от физико-механических свойств инструментальных материалов, их структуры, свойств отдельных структурных составляющих, а также свойств обрабатываемого материала и режимов резания.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. В работе выполнены исследования износостойкости режущих инструментов, применяемых для обработки древесных композитов, основанные на глубокой теоретической проработке сущности явлений, происходящих в зоне резания и на активных поверхностях режущего клина, для выявления механизмов изнашивания инструментальных материалов и выработки научно обоснованных требований к ним с целью поиска эффективных путей повышения стойкости и надежности режущего инструмента.

2. Представлены структурные модели древесных композиционных материалов с целью разработки теоретических основ процесса резания, включающих в себя обоснование характера взаимодействия элементов режущего клина со структурными составляющими гетерофазных транстропных и трансверсально изотропных материалов на минеральной и полимерной связующей и влияния их на силовые и качественные характеристики, а также для математического моделирования тепловых явлений в зоне резания. Рассмотрены механизмы разрушения компонентов обрабатываемого материала режущей кромкой резца и выявлены общие закономерности стружкообразования во взаимосвязи с качеством обработки.

3. Выполнен анализ контактных явлений на поверхностях режущего клина при резании древесных композитов, на основании которого выявлены особенности взаимодействия контактных поверхностей резца, вызванные гетерогенностью структуры обрабатываемого материала, и основные факторы, влияющие на характеристики состояния, физико-механические свойства микроповерхностного слоя инструментального материала, которые определяют интенсивность изнашивания и эксплуатационные свойства режущего инструмента. Отмечены особенности физических явлений в микрообласти резания при обработке композитов на минеральной связующей. Сделан вывод о том, что особые условия работы инструмента при обработке древесных материалов предопределяют многообразие явлений, сопровождающих процесс резания.

3. Представлена математическая модель тепловых явлений процесса резания древесных композитов для оценки теплового состояния в зоне резания, которая отражает структурные особенности этих материалов. Модель позволяет производить численный анализ распределения температуры и тепловых потоков на контактных поверхностях по заданным режимам резания с учётом теплофизических и геометрических характеристик режущего инструмента и обрабатываемого материала. Получены зависимости, позволяющие аналитическим путем определить температуру в микроконтактной области при взаимодействии абразивного зерна, представляющего собой негидратированную частицу цементного клинкера обрабатываемого материала, с поверхностью инструментального материала.

Показано исключительное влияние тепловых явлений на контактных площадках резца на состояние и структуру микроповерхностного слоя инструментального материала и формирование механизмов изнашивания.

4. Впервые для условий резания древесных материалов выполнены системные исследования кинетики изнашивания контактных поверхностей резцов, на основании которых выявлены основные механизмы изнашивания инструментальных материалов, применяемых для режущего инструмента в настоящее время, а также перспективных материалов на основе ультрадисперсных модификаций твердых сплавов и поликристаллических алмазов. Достоверность результатов исследований подтверждена методами электронной микроскопии и спектрального анализа.

Установлена взаимосвязь физических явлений процесса резания, изнашивания поверхностей резца с особенностями структуры инструментальных материалов. Выявлены влияние тепловых явлений на структурные превращения, происходящие в тонком поверхностном слое, и их связь с механическими, теплофизическими характеристиками и износостойкостью инструментального материала.

Определены критерии, определяющие износостойкость и надежность инструмента, а также сформулированы требования, предъявляемые к инструментальным материалам, которые должны обеспечивать эффективность эксплуатации инструмента.

5. Намечен комплекс технологических мероприятий, позволяющий обеспечить существенное повышение стойкости режущего инструмента на основе твердых сплавов, а также представлена характеристика перспективных инструментальных материалов, разработанных на основе нанотехнологий.

6. Выполнены экспериментальные исследования влияния структурных параметров твердых сплавов на износостойкость резцов при резании наиболее труднообрабатываемых материалов на основе минеральной связующей. Получены зависимости параметров износа резцов от режимных факторов обработки. Проведены сравнительные испытания износостойкости различных инструментальных материалов при резании ЦСП и даны рекомендации по выбору инструментального материала и режимов обработки.

7. Разработаны и внедрены на деревообрабатывающих предприятиях рекомендации по выбору инструментальных материалов для конкретного вида инструмента и обрабатываемого композиционного материала, повышающие эффективность его работы.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

- передний угол, град; - задний угол, град; - угол заострения резца, град; 1 - угол сдвига, град; t - глубина резания, мм; b - ширина поверхности резания, мм; Sz - подача на зуб, мм; Pz - нормальная составляющая силы резания, Н ; х - скорость резания, м/с; FZ - удельная касательная сила, Н/мм2; FN - удельная нормальная сила, Н/мм2; PZ0 - тангенциальная сила, действующая со стороны передней поверхности резца, Н; PN0 - нормальная сила, действующая со стороны передней поверхности резца, Н; Pz- тангенциальная сила, действующая со стороны задней поверхности резца, Н; Q - количество теплоты, Вт; - коэффициент теплопроводности, Вт/(мК); - коэффициент температуропроводности, м2/с; Fтп, Fтз - сила трения на передней и задней контактных площадках режущего инструмента, Н; k - коэффициент усадки стружки; Pцк - сила, затрачиваемая на разрушение цементного камня, Н; всж - предел прочности при сжатии, МПа; Sc - площадь сечения стружки, мм2; - плотность плиты, кг/м3; - температура, 0С; и - температуры, вызванные соответственно теплотой деформации и теплотой трения на надрезцовой стороне стружки, 0С; lп - длина контактной площадки на передней поверхности, мм; lз длина контактной площадки на задней поверхности, мм; Ти - безразмерная функция, описывающая закон распределения температур в изделии, вызванных деформацией; b - коэффициент, учитывающий долю поступления теплоты деформации в стружку; с - коэффициент, учитывающий подогрев поверхностных слоев материала, из которого образуется стружка; К - концентрация негидратированных зёрен цементного клинкера, %; q - поверхностная плотность теплового потока, Вт/см2; n - расчётное количество режущих зёрен клинкера; d - диаметр моделируемого зерна клинкера; д - коэффициент, учитывающий неравномерность распределения сил резания на площадке контакта.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Печатные работы, входящие вперечень изданий, рекомендованных ВАК к публикации при представлении докторских диссертаций

1. Амалицкий Вик.В., Амалицкий Вит.В., Абразумов В.В. Выбор инструмента для обработки ЦСП //Деревообрабатывающая промышленность, 2002, №6, С. 2-4.

2. Абразумов В.В., Котенко В.Д. Моделирование процесса резания древесных композитов на минеральных вяжущих //Вестник Московского государственного университета леса - Лесной вестник. 2005. №6(42). С.58-62.

3. Абразумов В.В. Взаимодействие обрабатываемой поверхности ЦСП с задней поверхностью режущего инструмента // Лесная промышленность, 2005, №4,С. 25-28.

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

5. Абразумов В.В., Котенко В.Д. Перспективы применения режущих инструментов из наноматериалов для обработки древесных композитов //Материалы совещания зав. кафедрами Материаловедения России, Ульяновск. УлГТУ, 2006. С.24-25.

6. Абразумов В.В., Морозов А.В. Влияние режимов резания на температуру контактных поверхностей резца при обработке композиционных материалов из древесины //Вестник Московского государственного университета леса - Лесной вестник. 2007. №4(53). С.87-89.

7. Абразумов В.В. Строение и свойства ориентированно-стружечных плит //Вестник Московского государственного университета леса - Лесной вестник.. 2007.№6(55). С.115-117.

8. Абразумов В.В., Разуваев С.П., Толчеев А. В. Особенности обработки плитных древесных композиционных материалов хвостовыми фрезами //Вестник Московского государственного университетата леса. Лесной вестник. 2007.№6(55). С.118-120.

Публикации в журналах, сборниках научных трудов, тезисы докладов на конференциях разного уровня

9. Абразумов В.В. Перспективные материалы для режущего инструмента //Научные труды МЛТИ /М: МЛТИ. 1990. Вып. 228. С.64-66.

10. Абразумов В.В. Режущие свойства твердого сплава с кобальторениевой связкой //Научные труды МЛТИ /М: МЛТИ. 1991. Вып. 243. С.79-82.

11. Абразумов В.В. Методика расчета режущей части инструмента из твердого сплава методом конечных элементов //Научные труды МЛТИ / М: МЛТИ. 1991. Вып. 243. С.76-79.

12. Амалицкий В.В., Абразумов В.В., Квачадзе Т.Д. Исследование режущих свойств керамики при фрезеровании ЦСП //Научные труды МЛТИ /М: МЛТИ. 1991. Вып. 236. С.5-10.

13. Абразумов В.В. Исследование режущих свойств поликристаллических сверхтвердых материалов при фрезеровании ЦСП //Научные труды МЛТИ /М: МЛТИ. 1992. Вып. 240. С.117-124.

14. Абразумов В.В. О механизме изнашивания твердых сплавов при фрезеровании ЦСП //Научные труды МЛТИ /М: МЛТИ. 1992. Вып. 251. С.67-72.

15. Абразумов В.В., Сапронова З.Н. Исследование режущих свойств сплавов, легированных рением, при фрезеровании ЦСП //Научные труды МЛТИ /М: МЛТИ. 1992. Вып. 251. С.67-72.

16. Абразумов В.В. Характер износа и пути повышения стойкости твердосплавного инструмента при фрезеровании цементно-стружечных плит ЦСП //Научные труды МГУЛ /М:. МГУЛ. 1993. Вып. 253. С.

17. Абразумов В.В. Особенности процесса резания цементно-стружечных плит //Научные труды МГУЛ, Технология и оборудование для переработки древесины /М:. МГУЛ. 2005. Вып. 326. С.93-96.

18. Абразумов В.В. Моделирование источника теплоты на задней поверхности режущего клина при обработке //Труды международного симпозиума «Надежность и качество»,- Пенза. 2005. С.273-274.

19.Суханов В.Г., Абразумов В.В. Деревообрабатывающий инструмент для деревообрабатывающих центров с числовым программным управлением //Научные труды МГУЛ /М:. МГУЛ. 2005. Вып. 331. C.157-174.

20. Абразумов В.В., Котенко В.Д. Управление износом твердых сплавов при резании древесных композиционных материалов // Материалы 3-ей научно-практической конференции “Информагро-2007”,-п. Правдинский. 2007- С.271-275.

21. Абразумов В.В., Морозов А.В. Влияние теплопроводности материала режущего инструмента на температуру контактных поверхностей при обработке композиционных материалов из древесины // Материалы 3-ей научно-практической конференции “Информагро-2007”, п. Правдинский. 2007. С.276-280.

22. Абразумов В.В. Анализ влияния абразивосодержащей связки в древесных композиционных материалах на стойкость лезвийного режущего инструмента // Науч.труды 11-ой Международной научно-технической конференции “Шлифабразив-2007”, г. Волжский. 2007. С. 95-97.

Монография

Абразумов В.В., Котенко В.Д. Износостойкость инструмента при резании древесных композитов. М.: ГОУ ВПО МГУЛ, 2009. 170 с.

Размещено на Allbest.ru