Особенности формирования ТiN покрытий на ножах хвостовых фрез при обработке плитных материалов

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ТiN ПОКРЫТИЙ НА НОЖАХ ХВОСТОВЫХ ФРЕЗ ПРИ ОБРАБОТКЕ ПЛИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Алифанов А.В.

Гришкевич А.А.,

Гаранин В.Н.,

Чаевский В.В.

В настоящее время в Республике Беларусь для механической обработки древесины используется только импортный дереворежущий инструмент. Поэтому увеличение периода стойкости как основного показателя ресурса работы применяемого дереворежущего инструмента, создание новых материалов для изготовления отечественного дереворежущего инструмента является актуальной и экономически обоснованной задачей.

Одним из наиболее современных эффективных способов увеличения периода стойкости дереворежущего инструмента, применяемых ведущими зарубежными фирмами по производству дереворежущего инструмента (Leitz, АКЕ, JSO, TIGRA, Stark, Gold, Schunk, Faba, LEUCO, KANEFUSA CORPORATION и др.), является его изготовление из твердых сплавов или быстрорежущей стали с использованием рационального выбора конструкции инструмента [1].

Известно, что использование метода конденсации вещества из плазменной фазы в вакууме с ионной бомбардировкой поверхности (КИБ) позволяет значительно увеличить физико-механические свойства различных материалов. В частности, существенно возрастает значение периода стойкости модифицированных с помощью метода КИБ дереворежущих фрез различных видов [2, 3].

В конструкции используемого для обработки древесины и плитных материалов в Республике Беларусь дереворежущего фрезерного инструмента в основном применяют твердосплавные импортные ножи, имеющие мелкозернистую структуру с низким содержанием кобальта как связующего компонента (таблица 1), что позволяет повысить надежность и ресурс работы фрез.

Целью данной работы было исследование элементного состава ножей фирмы Leitz (Германия) хвостовых дереворежущих фрез, получение TiN ионно-плазменных покрытий на поверхности импортных ножей, определение оптимальных режимов формирования покрытий, изучение влияния TiN покрытий на период стойкости модифицированного инструмента при обработке ламинированных ДСтП.

Таблица 1 - Классификация твердых сплавов различных фирм производителей

На деревообрабатывающих предприятиях часто сталкиваются с большими трудностями выбора материала ножей для дереворежущего инструмента. На основании анализа данных, представленных в каталогах фирм-производителей твердого сплава, можно заключить, что основными свойствами, характеризующими твердые сплавы, выступают:

1) размер зерна (таблица 2);

2) количество связующего вещества (кобальта).

От этих характеристик зависят физико-механические свойства твердого сплава, которые, как правило, существенно влияют на характеристики сформированного на твердом сплаве покрытия.

Таблица 2 - Маркировка зерен твердых сплавов

Установлено, что количество кобальта влияет на износостойкость твердого сплава и восприятие ударных нагрузок. Чем выше содержание кобальта, тем выше предел прочности инструмента, изготовленного из твердого сплава или его твердосплавных режущих элементов.

Несмотря на то, что с увеличением размера зерна в конечном итоге улучшается период стойкости инструмента, однако подготовка инструмента с небольшими углами заострения лезвий ножей становится затруднительной. Снижение размера зерна (при неизменной концентрации связующего вещества) ведет не только к снижению периода стойкости инструмента, но и дает возможность более качественно вести подготовку ножей инструмента перед нанесением покрытия.

На рисунке 1 представлена схема взаимодействия режущего элемента ножа с обрабатываемым плитным древесным материалом.

Рисунок 1 - Схема взаимодействия режущего элемента фрезы с обрабатываемым материалом (D_s - движение подачи, D_г - движение главное)

Специфика обработки плитных материалов, в отличие от резания натуральной древесины, заключается в том, что по передней поверхносити отсутствует образование стружки [4]. Эта особенность отражается на характере износа режущего элемента, связанная с более интенсивной потерей режущей способности по его задней поверхности.

Таким образом, упрочнение режущих элементов следует проводить по их задней поверхности кромки, что позволит с одной стороны снизить основной износ ножа, а с другой - сохранить упрочненный слой после восстановления режущей способности кромки ножа.

TiN покрытия осаждались на поверхность двухлезвийных ножей хвостовых фрез методом КИБ на установке ВУ-1Б «Булат» на кафедре деревообрабатывающих станков и инструментов (ДОСиИ) БГТУ в два этапа - с предварительной обработкой ионами титана в вакууме 10-³ Па при потенциале подложки -1 кВ и последующим нанесением покрытий при токе горения дуги катода 100 А и опорном напряжении -100 В в атмосфере азота при давлении 10-¹ Па [5]. Для получения высокой адгезии покрытия к лезвию ножа варьировалось время предварительной ионной очистки и время непосредственного осаждения покрытия. Температура при осаждении покрытия соответствовала 500 - 550 ⁰C. Толщина полученных покрытий не превышала 1, 5 мкм.

Для выяснения элементного состава импортного инструмента, определения периода стойкости ножей с TiN покрытиями при обработке ламинированных ДСтП были выполнены с помощью методов рентгеноспектрального микроанализа (РСМА) и растровой электронной микроскопии (РЭМ) на сканирующем электронном микроскопе JSM-5610 LV (Япония) фрактографические исследования морфологии и элементного состава режущих кромок лезвий инструмента.

Лабораторные испытания на износостойкость лезвий ножей сборной фрезы диаметром 21 мм при резании ламинированного ДСтП толщиной 25 мм с двусторонней отделкой пластей проводились на кафедре ДОСиИ БГТУ на обрабатывающем центре ROVER-B 4.35 (Италия) при следующих режимах: частота вращения фрезы - 12000 мин^-1; скорость подачи - 4 м/ мин; припуск - 5, 0 мм / проход; толщина стружки на дуге контакта - 0, 15 мм; величина длины резания - 10000 м. Критерием потери режущей способности резца являлось появление сколов отделки плиты.

Ранее было установлено, что TiN покрытия, осажденные методом КИБ на импортные твердосплавные ножи, имеют ОЦК структуру с текстурой (111) [3].

В результате выполненной работы по формированию TiN покрытий на поверхности двухлезвийных ножей инструмента была определена оптимальная геометрия расположения кромок лезвий ножей при осаждении покрытия - поверхность кромок лезвий ножей должна полностью находиться в зоне плазменного потока.

Установлено, что испытываемые ножи имеют состав из ~ 96% WC и ~ 4% Co (таблица 3), что соответствует отечественному твердому сплаву ВК - 3.

Таблица 3 - Результаты определения состава испытываемых импортных ножей

Сравнение данных таблиц 1 и 3 показывает, что установленный состав материала импортного инструмента соответствует мелкозернистому твердому сплаву T03SMG фирмы TIGRA. Использование данного материала для изготовления фрезерного инструмента, эксплуатируемого при обработке плитных материалов и древесины, обосновано снижением вероятности разрыва связки кобальта и зерен карбидов. Это, в конечном итоге, приводит к повышению надежности дереворежущего инструмента и его периода стойкости.

Исследования морфологии поверхности кромок лезвий ножей подтверждают вывод о мелкодисперсном характере структуры материала ножей (рисунок 2). На основании данных РЭМ можно предположить, что размер зерен Со в структуре материала ножей не превышает 0, 5 мкм.

Рисунок 2 - РЭМ - изображение поверхности кромки лезвия ножа

Изучение закономерности между временем осаждения покрытий и их толщиной на задней грани (таблица 4) показывает их полную корреляцию: максимальная толщина покрытия соответствует наибольшему времени его осаждения.

Таблица 4 - Параметры осаждения ТiN покрытий

Промышленные испытания периода стойкости фрезерного инструмента с неперетачиваемыми режущими твердосплавными пластинами с TiN покрытиями, проведенные на ОАО «Минскдрев» (г. Минск) при резании ДСтП, показали увеличение периода стойкости инструмента с покрытиями на 20 % по сравнению с инструментом без покрытия.

Выводы

1 Установлено, что испытываемые ножи фирмы Leitz (Германия) хвостового фрезерного дереворежущего инструмента имеют состав мелкозернистого твердого сплава типа ВК - 3 и соответствуют материалу ножей марки T03SMG фирмы TIGRA (Германия).

2 В связи с тем, что характер износа ножа связан с более интенсивной потерей режущей способности по его задней кромке, упрочнение режущих элементов необходимо проводить по их задней поверхности, что позволит с одной стороны снизить основной износ ножа, а с другой - сохранить упрочненный слой после восстановления режущей способности.

3 При осаждении покрытия поверхность кромок лезвий ножей фрезы должна полностью находиться в зоне плазменного потока.

4 Осажденные методом КИБ TiN покрытия на импортные двухлезвийные ножи из твердых сплавов типа ВК - 3 хвостовых фрез обеспечивают при обработке материалов из ламинированных ДСтП существенное повышение периода стойкости режущего инструмента. Максимальное значение периода стойкости имеют лезвия ножей с наибольшей полученной толщиной TiN покрытий. Опытно-промышленные испытания модифицированного инструмента с TiN покрытиями на ОАО «Минскдрев» (г. Минск) подтверждают актуальность проведенных исследований, а также необходимость повышения периода стойкости и, тем самым, ресурса работы дереворежущего инструмента.

дереворежущий нож хвостовой фреза

Библиографический список

1. Каталоги фирм: Leitz, Leuco, Guhdo, Stehle, Faba, Freud, 2008-2009.

2.Гришкевич, А.А. Влияние ионно-плазменных покрытий на износостойкость стальных резцов при резании древесины на фрезерно-брусующих станках / А.А. Гришкевич, В.В. Чаевский // Труды БГТУ. Сер II, Лесная и деревообраб. пром-сть. - Вып. XVIII., 2010.

3. Гришкевич, А.А. Повышение ресурса дереворежущего инструмента с помощью упрочняющих технологий при обработке плитных материалов / А.А. Гришкевич [и др.] // Материалы Междунар. науч.-техн. конф. «Ресурсо- и энергосберегающие технологии и оборудование, экологически безопасные технологии», Минск, 19-20 ноября 2008г. - Мн.: Изд. БГТУ, 2008.

4. Раповец, В. В. Практические результаты экспериментальных исследований резания древесины двухлезвийными резцами на фрезерно-брусующих станках / В. В. Раповец // Труды БГТУ. Сер II, Лесная и деревооб-раб. пром-сть. - Вып. XVI., 2008.

Размещено на Allbest.ru