УДК 674:621.9.02

К ВОПРОСУ ИССЛЕДОВАНИЯ ИЗНАШИВАНИЯ ДЕРЕВОРЕЖУЩЕГО И БУМАГОРЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА ПОСЛЕ КОМПЛЕКСНОЙ УПРОЧНЯЮЩЕЙ ОБРАБОТКИ

 

TO THE QUESTION OF RESEARCH OF WEAR WOODCUTTING

AND THE BUMAGOREZHUSHCHY TOOL AFTER THE COMPLEX STRENGTHENING PROCESSING

 

Пыриков П.Г, Марчук Т.Д.

(Брянский государственный технический университет, г.Брянск, РФ)

Pyrikov P. G., Marchuk T.D.

(Bryansk state technical university, Bryansk, Russia)

 

In article some results of researches of wear of the cutting tools for processing of wood and materials are reflected in its basis (papers, a corrugated cardboard). Productivity of the strengthening processing of various tool materials is shown. Regularities of wear of samples of the tool on various technological modes are analysed.  

 

Ключевые слова: инструментальные материалы, режущий инструмент, упрочняющая обработка, износ, режущие свойства, древесина, бумага

Keywords: tool materials, the cutting tool, the strengthening processing, the wear cutting properties, wood, paper

 

Значительные динамические нагрузки на рабочие части цепных пил и других инструментов деревообрабатывающего назначения, в сочетании с влиянием продуктов термодеструкции древесины требуют особого подхода в вопросах технологического обеспечения качества поверхности инструментальных материалов в зонах износа. Ранее [3] было отмечена перспективность применения для этих целей методов воздействия высокоэнергетическими источниками (низкотемпературной плазмой, электроискровыми разрядами, электромагнитными волнами, магнитными полями), позволяющими управлять механическими и трибохимическими параметрами с позиции достижения прогнозируемой износостойкости. Исследованиями установлено, что формирование сочетания благоприятных уровней микротвердости, шероховатости и структурного состояния (в частности, кристаллографического текстурообразования) в поверхностных слоях режущей части приводит к снижению величины износа в среднем в 1.5-2 раза [4].

Для оценки эффективности способов упрочнения проводилось изнашивание цепных пил ПЦП-15М и ПЦУ-20  на рабочих поверхностях, которых лазерным текстурированием получали <100>-формат кристаллографического упорядочивания.

Установлено, что за счет снижения величины микротвердости и как следствие контактной жесткости инструментального материала величина износа возросла в 1.4 раза (Rmax 10.9 мкм). Магнитострикционные напряжения растяжения, способствующие раскрытию устьев пор и микротрещин, привели к увеличению износа в 1.1 раза (Rmax 9.2 мкм).

Для образцов ножей гильотин и стопорезок из стали У10А при лазерном текстурировании с образованием <111>-формата текстуры характерно снижение износа в 1.6 раза (Rmax 5.8 мкм); при  <100>- формате износ возрос в 1.46 раза (Rmax 11.8 мкм).

Для образцов дисковых ножей из стали ШХ15, прошедших объемную термическую обработку, износ на пути трения 10 км составил 34.8 мкм. При этом параметр шероховатости Rmax  изменился с исходного 5.2 до 9.1 мкм. Величина износа при лазерном текстурировании с образованием <111>-формата текстуры составила 22.31 мкм (Rmax 6.1 мкм), <100>-формата – 50.46 мкм (Rmax 12,3 мкм). Величина износа при формировании магнитострикционных напряжений сжатия составила 29.0 мкм (Rmax 7.7 мкм), напряжений растяжения 41.76 мкм.

Принимая в качестве оценочного критерия износостойкости величину радиального износа (U) было установлено [2], что создание на изнашиваемой поверхности  образцов инструмента <111>-формата текстуры способствует повышению стойкости в среднем на 40-50 % (по сравнению с образцами, прошедшими объемную термическую обработку - рисунок 1). При этом магнитострикционное упрочнение повышает стойкость в среднем на 30-45 % за счет формирования изнашиваемой зоне благоприятного напряженного состояния.

Рисунок 1 – Зависимость износа образцов от пути трения  в различных состояниях упрочнения (S-формат <111>; P-формат <100> (ШХ15,бумага Б-3; ТО – объемная термическая обработка)

Рисунок 2 – Развертки профилограмм изнашиваемых поверхностей образцов в различных состояниях упрочнения (65Г, гофрокартон Т-21, продолжительность испытаний - 40 ч):

 а – исходная шероховатость; б – объемная термическая обработка; в – упрочнение магнитострикционным эффектом; г – лазерное упрочнение текстурированием

 

Установлено, что в случае лазерного текстурирования (S-формат) величина радиального износа образцов из стали У10А на базе 120 часов изнашивания составила 0,25 мм, для стали 65Г – 0,29 мм, для стали ШХ15 – 0,32 мм (рис.3).

Рисунок 3 – Зависимость износа образцов от продолжительности  испытаний (гофрокартон Т-22, v = 40 м/мин, P= 20 Н)

 

В случае магнитострикционного упрочнения существенное влияние на износ оказывает способ намагничивания: непосредственное крепление электромагнита к поверхности образца  способствует снижению износа в среднем в 1,25 раза по сравнению с намагничиванием зоны резания через воздушный зазор [1].

При реализации испытаний резанием установлено, что интенсивность радиального износа образцов возрастает в наибольшей степени в начале оперативного периода, который в зависимости от марки стали, составляет от 30 до 40 часов, затем, несколько уменьшаясь, сохраняет прогрессирующий характер. При этом, происходит некоторое изменение первоначального состояния режущих кромок в результате микровыкрашивания отдельных участков или отгибов, что присуще как упрочненным образцам, так и промышленным инструментам, с разницей в интенсивности появления выкрошин, их величине и продолжительности периода выкрашивания. В большинстве случаев общая протяженность поврежденных участков по сравнению с длиной режущей кромки у образцов, упрочненных магнитострикционным способом в 1.5 раза меньше чем у типовых. В то время как у текстурированных в 2 раза меньше. Мелкие выломы (0.005 – 0.01 мм) постепенно исчезают с увеличением радиуса округления режущей кромки. Количество выкрошин стабилизируется после 0.5 – 1 км пути трения, уменьшаясь с ростом микротвердости и несущей способности режущей кромки.

Установлено, что интенсивность выкрашивания режущей кромки промышленных дисковых ножей для резания бумаги возрастает на начальном этапе изнашивания (в среднем 40 часов работы) и составляет при исходной величине Rmax 5.2 для образцов из стали У10А – 14.3 мкм, стали 65Г – 13.8 мкм, стали ШХ15 – 16.9 мкм (рисунок 4).

Для образцов с кристаллографическим упорядочиванием величина данного параметра составила при той же исходной величине: для стали У10А – 9.8 мкм, стали 65Г – 9.6 мкм, стали ШХ15 – 10.8 мкм. Величина высотного параметра шероховатости у образцов, упрочненных индуцированием, составила: для стали ШХ15 – 12.7 мкм, для стали 65Г – 11.5 мкм.

На завершающем этапе изнашивания (150 часов работы) величина параметра Rmax для типовых образцов продолжает сохранять преобладающее значение и составляет для стали У10А – 26.4 мкм, стали 65Г – 25.5 мкм, стали ШХ15 – 29.8 мкм. При таком состоянии режущей кромки дальнейшая эксплуатация бумагорезательного инструмента является нецелесообразной, вследствие недопустимого качества реза. При этом  качество реза гофрокартона инструментом, упрочненным магнитострикционным способом, а также прошедшего лазерное упрочнение текстурированием  на данном этапе продолжает оставаться удовлетворительным: величина Rmax образцов, упрочненных магнитострикционным способом, составляет для стали 65Г – 18.9 мкм, стали ШХ15 – 20.8 мкм.      

Рисунок 4 - Профилограммы поверхности образцов лезвийного инструмента:

а – исходный микропрофиль; б, в – объемная термическая обработка.; г, д – упрочнение магнитострикционным эффектом; е, ж – лазерное текстурирование 

 

Величина Rmax образцов, упрочненных лазерной обработкой, составляет для стали У10А – 16.6 мкм, стали 65Г – 15.4 мкм, стали ШХ15 – 17.3 мкм.

Радиус округления режущей кромки возрастает в начале периода стойкости, затем интенсивность роста уменьшается и остается относительно постоянной (рисунок 5).  При этом промышленные инструменты имеют  радиус округления режущей кромки в период приработки 40 мкм.

Анализ стойкости образцов, прошедших электроискровое упрочнение в магнитном поле с технологической деформацией в пределах 0.15 - 0.20 %, позволяет отметить эффективность этого вида упрочнения: износ образцов из стали 8Х6НФТ составил 0.12 мм (Iк.з 0.8-1.2 А); сталь Р6М5 -  0.07 мм (Iк.з 1.2 – 1.5 А), сталь ШХ15 – 0.25 (Iк.з 1.2 – 1.5 А) мм на базе 72 часов. При этом величина износа образцов, прошедших объемную закалку, составила: для стали 8Х6НФТ – 0.27 мм, для стали Р6М5- 0.18 мм, для стали ШХ15 – 0.32 мм.

Характер изнашивания образцов во многом различен. Для промышленных образцов инструмента отмечен рост интенсивности изнашивания в период до 6 – 8 часов. Количество поврежденных участков на поверхности определяется качеством доводочных операций. Сохранившиеся поверхностные дефекты в виде микротрещин, шероховатостей и т.д., способствуют продолжительности приработочного периода.

С повышением величины предварительной деформации образцов интенсивность изнашивания снижается. Необходимость обеспечения благоприятного напряженного состояния в материале, способствующего ослаблению влияния трещин и повышению стойкости к истиранию достигается повышением деформационных напряжений. Для стали Р6М5 это обеспечивается при меньшей величине предварительной деформации, лимитированной режимами упрочнения и, в частности, температурным градиентом в установленном диапазоне токов короткого замыкания Iк.з. Большая величина деформации, по-видимому, способствует разупрочнению поверхностного слоя, о чем свидетельствует незначительное возрастание интенсивности изнашивания.

Анализ влияния предварительной деформации образцов на характер развития отдельных периодов изнашивания позволяет отметить существенное снижение интенсивности выкрашивания как в приработочный период, так и в период установившегося износа. Наименьшая величина выкрашивания отмечена у образцов, упрочненных с предварительной деформацией в пределах 0.20 %.

В результате исследования влияние клеевого связующего (при резании гофрокартона) на износ режущих элементов установлена повышенная способность к выкрашиванию режущих кромок ножей упрочненных объемной закалкой с отпуском (рисунок 6). В процессе изнашивания в зоне контакта образцов происходит гидролиз сложных эфиров канифольного клея, с образованием слабощелочного раствора, способствующего газонасыщению поверхности  инструментального материала водородом.

 

Рисунок 5 - Зависимость радиуса округления изнашиваемых кромок от продолжительности испытаний (сталь 65Г)

Рисунок 6 - Зависимость интенсивности выкрашивания от продолжительности испытаний (65Г, объемная термическая обработка)

 

Интенсивность проникновения активных сред в поверхностные слои инструмента,  упрочненного предлагаемыми способами, оказывается существенно ниже. Однако фрактоографическими исследованиями поверхности изломов установлено, что водородонасыщение  поверхностных слоев все же имеет место. Определенным образом этому способствует дислокационная ползучесть, обусловленная релаксационными процессами. Выход дислокаций на поверхность создает поры и пустоты – дополнительные коллекторы  ПАВ. При этом в поле действия формируемых сжимающих напряжений их образуется значительно меньше.

Таким образом, влияние адсорбированного водорода на реакционную активность карбидов оказывается существенно ниже. Хотя на самой поверхности процесс молизации, способствующий охрупчиванию металла, по-видимому, протекает без изменений, вследствие чего полностью устранить микровыкрашивание на режущих кромках не удается.

Наличие абразивных частиц в клеевом связующем еще более интенсифицирует изнашивание. В результате трения о незакрепленный абразив в присутствии коррозионно-активной среды на поверхности инструментальных материалов активизируются окислительно-восстановительные реакции и трибохимические процессы, ведущие к образованию водорода, большая часть которого диффундирует в сталь.

Обобщая следует отметить, что изнашивание инструментальных материалов, прошедших упрочняющую обработку по предлагаемым технологическим приемам, реализуется преимущественно по механизму истирания, что способствует более длительному сохранению режущей способности.

Список использованных источников

1.    Пыриков П.Г. Управление функциональными качествами рабочих органов технологического оборудования лесного комплекса / Технология реновации машин и оборудования // В сб. Всероссийской научно-практической конференции. Уфа: Башкирский государственный аграрный университет, 2016. С.237- 243.

2.    Пыриков П.Г., Пилюшина Г.А., Рухлядко А.С. Повышение работоспособности рабочих органов оборудования и режущих инструментов для обработки неметаллических материалов // Станки и инструмент (СТИН). 2013. № 2. С. 9-14.

3.    Заикин А.Н., Меркелов В.М, Памфилов Е.А., Пыриков П.Г. Обеспечение работоспособности рабочих органов и инструментов машин и оборудования лесного комплекса //Лесной журнал. 2010. № 3. С.10-16.

4.    Пыриков П.Г. Повышение стойкости инструментов для деревообработки. Брянск: БГИТА, 2009. 218 с.