CC BY
95
АНАЛИЗ ПРИЧИН ОТКАЗОВ ИНСТРУМЕНТА ДЛЯ ОБРАБОТКИ ДРЕВЕСИНЫ И МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ДРЕВЕСИНЫ
Шуленина Т.И. (БГИТА, г.Брянск, РФ)
Надежность дереворежущего инструмента - его свойство сохранять во времени работоспособное состояние, при котором значения параметров и показателей качества соответствуют требованиям, установленным в нормативно-технической, конструкторской и технологической документации.
Потеря работоспособности дереворежущим инструментом обусловлена "потерей" его стойкости, т.е. снижением способности сопротивляться внешним нагрузкам - изнашиванием режущей части инструмента.
Комплекс вопросов, характеризующих технологические свойства древесины и материалов на ее основе, охватывается понятием обрабатываемости резанием, основными характеристиками которой служат: силовые параметры резания (удельная работа резания, удельное сопротивление резанию, условное напряжение резания и пр.); качество обработанной поверхности; влияние обрабатываемого материала на затупление режущего инструмента; оптимальные параметры режимов резания и пр. Эти характеристики проявляются по-разному в зависимости от физико-механических свойств обрабатываемой породы древесины или материалов на ее основе и касаются главным образом проблем оптимального резания в зависимости от угловых параметров, степени заострения режущей части инструмента, скоростей резания, подачи и их соотношений в процессе обработки.
Установлено, что между отдельными механическими свойствами древесины наблюдается определенная зависимость, причем наиболее высокая степень связи наблюдается между пределом прочности при сжатии вдоль волокон и торцовой твердостью. Эти два свойства зависят также от плотности древесины. Плотность и прочностные показатели древесины связаны с одним из основных ее технологических свойств - сопротивлением резанию.
Поэтому необходимо проанализировать наиболее весомые причины отказов инструмента для обработки древесины и материалов на ее основе с целью продления срока его службы.
В различные моменты периода стойкости режущего инструмента происходит износ и затупление режущей части, что приводит к его отказу. Изнашивание режущего инструмента условно можно разделить на два периода: период аварийного износа, который наблюдается в начальной стадии работы инструмента (хрупкое разрушение режущей кромки), и период постепенного (монотонного, усталостного) износа. Причем, первый период изнашивания реализуется, в основном, за счет микровыкрашивания режущих кромок, а второй - за счет монотонного износа - истирания рабочих поверхностей режущей части инструмента.
Микровыкрашивание лезвия и постепенное изнашивание поверхностей его образующих имеют различную природу и протекают по различным механизмам.
Одной из причин отказа твердосплавного инструмента часто является хрупкое разрушение режущей части, которое является результатом постепенного
накапливания и развития микротрещин под действием сил механического и термического происхождения. В зависимости от уровня нагрузки, ее характера и температуры происходит микровыкрашивание, макровыкрашивание, скалывание режущей кромки. Микровыкрашивание характерно для периода приработки, макровыкрашивание для периода нормальной эксплуатации, а скалывание - это отделение относительно большого объема лезвия происходит тогда, когда нагрузка, возникающая в результате резания, создает в инструменте напряжения, превышающие допускаемые прочностью твердого сплава.
Исследования и производственный опыт показывают, что скалывание рабочей части в значительной степени определяется соответственно угловыми параметрами резца (передним углом, углом заострения, углами косой боковой заточки), а также предельными значениями режимов резания, причем наибольшее влияние оказывает максимальная подача на зуб - Sz max, и толщина срезаемого слоя.
Небольшие углы заострения, малый радиус закругления режущей кромки, ударно-циклический характер нагружения режущей части, сопутствующие работе твердосплавного дереворежущего инструмента, работающего в условиях прерывистого резания, температурных деформаций, а также наложение остаточных напряжений, возникающих при заточке, напайке и других операций технологического процесса изготовления и подготовки к работе инструмента, вызывают отклонения от оптимальных условий эксплуатации инструмента или от оптимальных значений параметров его начального состояния, что приводит к преждевременному отказу инструмента в виде скалывания. Причем особенностью характера работы инструмента в условиях ударно-циклического нагружения является то, что соударение инструмента и обрабатываемого материала происходит в условиях большего или меньшего абразивного воздействия. Учитывая свойства обрабатываемых материалов (наличие связующих в материалах на основе древесины, обладающими абразивным действием), можно утверждать, что при их обработке имеет место износ за счет абразивного воздействия, результатом которого является скалывание режущей кромки и монотонное изнашивание рабочих элементов инструмента.
Отказов инструмента в виде скалывания в значительной мере можно избежать, если использовать оптимальные инструментальные материалы, геометрию инструмента, а также условия его эксплуатации. Свойства инструментальных материалов, механизм их разрушения и критерий прочности в большой степени обуславливают надежность режущего инструмента вообще и дереворежущего в частности.
Анализ разрушения режущей части инструментов показывает, что не только при прерывистых (пилении, фрезерование насадными фрезами), но и при непрерывных процессах обработки (фрезерование концевыми фрезами, сверление, строгание) наблюдается образование трещин в ее контактной зоне, вызываемое нестабильностью условий обработки древесины и древесных материалов. Под действием сил резания в контактной зоне существуют только сжимающие напряжения, достигающие значительных величин, поэтому и амплитуда их колебаний имеет большое значение в усталостной прочности инструмента. По мере износа режущей части инструмента силы резания и их
величины колебаний еще более возрастают, снижая запас прочности режущей части. В связи с этим для оценки надежности, долговечности и безотказности дереворежущего инструмента большой интерес представляет предел выносливости инструментальных материалов при циклическом ассиметричном сжатии в условиях высоких температур, соответствующих напряженному состоянию режущей части инструмента.
Выкрашивание режущих кромок - это хрупкое разрушение малых объемов инструментального материала в пределах области ограниченной площадки контакта на передней и задней поверхностях режущего участка инструмента.
Отказы из-за выкрашивания наиболее часто имеют место при прерывистом резании. Одной из наиболее распространенных причин выкрашивания режущей кромки при прерывистом резании являются возникающие термоциклические напряжения - результат воздействия чередующихся нагреваний во время рабочего хода и охлаждения во время холостого хода. Значительный удельный вес отказов инструмента из-за выкрашиваний связан с несоблюдением режимов заточки и невыполнением режимов доводки инструмента на деревообрабатывающих предприятиях, т.к. качество последних несопоставимо ниже, чем на специализированных предприятиях по изготовлению инструмента.
Стойкость дереворежущего инструмента во многом определяет надежность функционирования не только деревообрабатывающего оборудования, но и надежность функционирования всей технологической системы, обеспечивающей выполнение технологического процесса, и формирует качественные показатели (параметры) обрабатываемых деталей. Выход одного или нескольких параметров у обрабатываемой детали за пределы, установленные в нормативно-технической или технологической документации приводит к параметрическому отказу. Изменение параметров инструмента в результате механических, тепловых и других воздействий которые вызывают изменение значений параметров его начального состояния, приводит к снижению точности, шероховатости обрабатываемой заготовки, нарушается стабильность работы и возникает параметрический отказ. Таким образом, изменение параметров инструмента приводят к изменению параметров обработанной детали, а параметрический отказ одного приводит к параметрическому отказу другого и отказу всей технологической системы. Высокие требования к качеству обрабатываемых деталей делают параметрические отказы главным объектом исследований в теории надежности. В связи с этим рассматривается параметрическая (технологическая) надежность станков и инструментов, их свойство сохранять во времени в заданных пределах значения параметров, определяющих необходимое качество обработки деталей.
Важными показателями, характеризующими качество и надежность дереворежущего инструмента, являются его ресурс - суммарная наработка от начала эксплуатации или ее возобновления после ремонта до перехода в предельное состояние, т.е. когда дальнейшая его эксплуатация невозможна или нецелесообразна. Если качество изготовление инструмента и условия его эксплуатации можно характеризовать наработкой до отказа - наработка от начала эксплуатации до наступления первого отказа, то ресурс учитывает и качество подготовки его к работе между отказами.
Анализ структуры отказов различных твердосплавных дереворежущих инструментов показывает, что 7-8% отказов формируются на стадии проектирования, 30-40% на стадии изготовления, а 52-63% - это отказы, связанные с условиями эксплуатации. Для обеспечения эффективной обработки резанием и необходимой производительности, для расчета расхода инструмента еще на стадии проектирования должны прогнозироваться показатели надежности дереворежущего инструмента. Однако повышение производительности за счет режимов резания изменяет структуру отказов на стадии эксплуатации, делая ее неблагоприятной, которой способствуют также случайные отклонения режимов технологических процессов изготовления и подготовки к работе от оптимальных. Наиболее благоприятной структурой является та, где доля отказов из-за изнашивания составляет 80-85 0.
Для повышения ресурса инструмента необходимо решить следующие задачи:
- систематизировать структуру отказов инструмента и, исходя из этого, оптимизировать режимы резания для обеспечения прогнозируемого вида отказа режущей части;
- получить полную информацию о стойкости инструмента с целью выявления наиболее частых видов отказов (выкрашивания и сколы в начальной стадии и монотонного изнашивания и закономерностей постепенного изнашивания) с целью уточнения технологии изготовления и подготовки инструмента к работе;
- определить период стойкости инструмента между переточками по фактическому отказу его режущей части.
Кроме того, при исследовании причин отказов дереворежущего инструмента для обработки материалов на основе древесины установлено, что немаловажным фактором, обеспечивающим долговечность работы инструмента, а также качественную обработку и требуемую точность изготавливаемых деталей, является точность и надежность деревообрабатывающего оборудования.
Таким образом, на основании вышесказанного, определив основные причины отказов твердосплавного инструмента, можно выработать направления повышения его износостойкости.
