CC BY
9Анализ влияния микроструктуры инструментального материала режущего инструмента, напряженно-деформированного состояния установки и натяжения пил и их температурной деформации
Воробьев Анатолий Анатольевич,
канд. техн. наук, доцент, кафедра технологии композиционных материалов и древесиноведения, Сибирский государственный университет науки и технологии имени академика М.Ф. Решет-нева, vorant1@rambler.ru
Егоров Юрий Владимирович,
старший преподаватель, кафедра технологии композиционных материалов и древесиноведения, Сибирский государственный университет науки и технологии имени академика М.Ф. Решетнева, egorovuv@sibsau.ru,
Карлов Геннадий Петрович,
канд. техн. наук, доцент, кафедра технологии композиционных материалов и древесиноведения, Сибирский государственный университет науки и технологии имени академика М.Ф. Решетнева, karlovgp@sibsau.ru,
Кравченко Наталия Викторовна,
канд. техн. наук, доцент, кафедра технологии композиционных материалов и древесиноведения, Сибирский государственный университет науки и технологии имени академика М.Ф. Решетнева, kravchenkonv@sibsau.ru,
Очирова Лариса Аппяевна,
канд. техн. наук, доцент, кафедра технологии композиционных материалов и древесиноведения, Сибирский государственный университет науки и технологии имени академика М.Ф. Решетнева, ochirovala@sibsau.ru.
В работе представлены результаты анализа порыва рамных пил для лесопильных рам при распиловке в суровых климатических условиях Сибири мерзлой древесины, в которой происходит переход свободной и связанной влаги полостей клеток в твердое агрегатное состояние в виде льда. Выполнено исследование микроструктуры инструментального материала режущего инструмента методами дюрометрического анализа с определением микротвердости изучаемых образцов, напряженно-деформированного состояния установки и натяжения пил в пильной рамке и их температурной деформации. Термодинамические процессы, протекающие в материале рамной пилы, вызывают перераспределение напряжений в поверхностном слое и способствуют образованию микротрещин глубиной 1015 мкм. Особенно опасно появление микротрещин в межзубой впадине пилы, которая является концентратором напряжений, что в совокупности с увеличением сил резания, при распиловке мерзлой древесины повышенной твердости, приводит к разрыву режущего инструмента. Дополнительные напряжения и силы в полотне рамной пилы, возникающие вследствие линейной температурной деформации, по результатам расчетов, могут составлять в среднем порядка 50% от усилия натяжения пилы в пильной рамке, что приводит к ее разрыву.
Рассмотрено также влияние факторов относящихся к режимам подготовки рамных пил при изготовлении и эксплуатации с практическими рекомендациями по повышению эффективности распиловки мерзлой древесины на лесопильных рамах. Ключевые слова: рамная пила, лесопильная рама, мерзлая древесина, температура, деформация, напряжение, усилие натяжения.
Одной из характерных черт развития лесопиления в нашей стране является перебазирование его в районы Сибири и Дальнего Востока. Основной объем пиломатериалов вырабатывается на лесопильных рамах различного исполнения, построенных на кинематике криво-шипно-шатунного механизма резания. Анализ внутрис-менных простоев на предприятиях показывает, что значительная часть простоев приходится на неисправность режущего инструмента, вследствие поломки зубьев и порывов полотен полосовых пил.
Необходимым условием устойчивой работы рамных пил является создание в полотнах растягивающих напряжений допустимых значений. Порыв пил чаще всего происходит во время остановки лесопильных рам, работающих в не отапливаемых помещениях.
Ряд предприятий производят продольный раскрой бревен при температурах порядка - 250С. На экспертизу были представлены фрагменты рамных пил, выпускаемых по техническим условиям ГОСТ 33532-2015 первого типа. Исходная пила имела размеры: длину 1500 мм, толщину 2,2 мм, ширину 160 мм, шаг зубьев 2б мм, угол заострения 520, передний угол 200. Материал пилы - инструментальная легированная сталь марки 9ХФ по ГОСТ 5950- 2000.
Первоначальный дюрометрический анализ двух образцов показал среднюю твердость по 8 измерениям 44Н13С, что отвечает техническим условиям с базовым показателем 42-46 НРС. Измерения микротвердости проводились при условии, когда соседние и смежные отпечатки располагались в пределах 0,80-1,2 длины диагонали отпечатков. Принятые технологические ограничения при подготовке образцов из фрагментов порванных пил обеспечили хорошие результаты испытаний.
При исследовании микроструктуры образцов стали марки 9ХФ установлено: на поверхности шлифов видна характеристика структуры троостита, который образуется при ускоренном охлаждении в процессе распада аустенита в интервале температур 400°С-600°С, так называемый троостит закалки, а также при отпуске мартенсита - троостит отпуска. Микроструктура стали соответствует техническим условиям. Массовая доля углерода при испытаниях не лимитировалась. Отмечено, что термодинамические процессы, происходящие в полотне пилы в сочетании с низкой температурой окружающей среды вызывают существенные изменения в напряжениях поверхностного слоя на толщинах 10-15 мкм.
Обследование образцов показало, что поверхность излома имеет следы микротрещин. Такие микротрещины возникают при кратковременной перегрузке, возникающей при перетяжке установленных в упряг пил, а также упруго-пластических деформациях при первоначальной насечке зубьев пилы. Кроме того, при интенсивных режимах заточки в зоне резания температура достигает порядка 7300С и более, а при быстром охлаждении
X X
о
го А с.
X
го т
о
м о м о
поверхностный слой впадины приобретает микроструктуру мартенсита. В этом слое создаются дополнительные напряжения растяжения, увеличивающие общие напряжения, которые приводят к растрескиванию полотна пилы (рисунок 1).
о
CS
о
CS
О Ш
m
X
<
m О X X
Рисунок 1 - Микроструктура образцов рамных пил
В следующей операции оценивалась усадка полотна пилы по длине йЬ при температуре £ =- 250С по функции й1 = 10{1-а^ 0, (1)
где Ь0 - начальная длина рамной пилы, мм; а - линейный коэффициент расширения стали, 0С йЬ = 1500(1 - 10"5 • (-25)) = 0,375 мм Относительная продольная деформация определялась по выражению
£ = Г , (2)
£= — = 0,00025
1500
Дополнительное продольное напряжение сжатия от усадки составило
а = е-Е, (3)
где Е - модуль упругости стали, МПа. а = 0,00025 • 2 • 105 = 50 МПа,
что составляет от 42% до 62,5% от первоначального напряжения.
Предварительная сила натяжения пилы Р0 в пильной рамке
Ро=оуд • 5, (4)
где <гуд - удельное напряжение натяжения пилы, МПа; 5 - площадь сечения рамной пилы, мм2. Р = (80 + 120) • 352 = 28160 + 42240 Н Дополнительная сила Р, действующая на полотно пилы, составила р = °уд- ^
Р = 50 • 352 = 17600 Н,
которая является главной причиной порыва рамной пилы.
Технология раскроя бревен на вертикальных лесопильных рамах при низких температурах требует строгого соблюдения режимов натяжения полосовых пил, включая периоды длительного останова. Результаты экспертизы о причинах порыва рамных пил доведены до предприятий, работающих по раскрою бревен при низких температурах.
В условиях Сибири значительное время года распиливается мерзлая древесина, имеющая специфические физико-механические свойства, вследствие перехода влаги, находящейся в древесине в твердое агрегатное состояние, приводящее к увеличению сил резания в 1,51,7 раза [1,2].
В процессе работы пилы нагреваются, поэтому для обеспечения их устойчивости после распиловки 3-5 бревен выполняют дополнительную операцию подтягивания и ослабления их при первой же останове процесса раскроя.
Во избежание поломок зубьев и порыва пил рекомендуется радиус закругления впадины увеличить на 1-2 мм, а высоту зубьев уменьшать на 2-3 мм при зимних распиловках.
Также следует использовать рекомендации по выбору линейных и угловых параметров зубьев рамных пил, полученных на основе математического и твердотельного моделирования и исследования процесса распиловки мерзлой древесины, изложенные в работах [36].
В работающих лесопильных рамах при обнаружении небольших трещин на полотне пилы ремонт пил производят кернением конечной области трещины глубиной лунки до 1,0-1,5 мм так, чтобы края лунки коснулись вершины трещины. Созданные в лунке напряжения сжатия тормозят её дальнейшее развитие.
Дополнительный анализ и производственные наблюдения показали наличие порывов пил и поломки зубьев вследствие нарушения режимов подготовки и установки пил, выбора значений контурных углов зубьев рамной пилы, а также низкочастотной вибрации механизма главного движения.
По результатам работы можно сделать следующие выводы:
1. Распиловка мерзлой древесины в зимний период требует специальных методик подготовки рамных пил на этапах проектирования, изготовления и эксплуатации.
2. Напряжения и силы, вызываемые температурной деформацией, могут составлять в среднем до 50 % от первоначальных при натяжения рамных пил и являются основной причиной порыва режущего инструмента.
3. Требуется проведение специальных исследований по созданию новых инструментальных материалов для полотна пилы, работающей при низких температурах.
Литература
1. Вишуренко, Н.В. Повышение эффективности распиловки мерзлой древесины на лесопильных рамах [Текст] / Н.В. Вишуренко, И.С. Корчма // Системы. Методы. Технологии. - 2012. - № 1(13). - С. 123-128.
2. Вишуренко, Н.В. Повышение производительности лесопильных рам при распиловке мерзлой древесины [Текст] / Н.В. Вишуренко, И.С. Корчма // Деревообрабатывающая промышленность. - 2011. - № 2. - С. 8-10.
3. Кравченко, Н.В. Совершенствование конструкций рамных пил методами математического и твердотельного моделирования [Текст] / Н.В. Кравченко, А.А. Воробьев, И.Н. Спицын, Л.А. Очирова // Системы. Методы. Технологии. - 2018. - № 4(40). - С. 40-46.
4. Воробьев, А.А. Моделирование качества обработки и динамики работы дереворежущих станков [Текст] / А.А. Воробьев, И.Н. Спицын, Ю.А. Филиппов // Справочник. Инженерный журнал. - 2012. - № 3. - С. 3741.
5. Воробьев, А.А. Влияние анизотропии древесины и вибрации на качество фрезерования деталей мебели [Текст] / А.А. Воробьев, И.Н. Спицын, Ю.А. Филиппов // Хвойные бореальной зоны. - 2013. Т. XXXI, № 1-2. - С. 164-167.
6. Воробьев, А.А., Вишуренко Н.В., Корчма И.С. «Frame_Saw»: программа для ЭВМ. Св. о гос. рег. № 2012616762 Рос. Федерация. СибГТУ. Заявка № 2012614505 от 04.06.2012; зарег. 27.07.2012.
Analysis of the influence of the microstructure of the tool material of the cutting tool, the stress-deformed state of the installation and tension of saws and their temperature deformation
Vorobjev A.A., Egorov Yu.V., Karlov G.P., Kravchenko N.V., Ochirova L.A.
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology
The paper presents the results of the analysis of the rupture of frame saws for sawmills when sawing frozen wood in the harsh climatic conditions of Siberia, in which the free and bound moisture of the cell cavities passes into a solid state of aggregation in the form of ice.
The study of the microstructure of the tool material of the cutting tool by the methods of durometric analysis with the determination of the microhardness of the samples under study, the stress-strain state of the installation and the tension of saws in the saw frame and their temperature deformation.
Thermodynamic processes occurring in the frame saw material cause a redistribution of stresses in the surface layer and contribute to the formation of microcracks with a depth of 10-15 microns. Particularly dangerous is the appearance of microcracks in the interdental cavity of the saw, which is a stress concentrator, which, together with an increase in cutting forces, when sawing frozen wood of increased hardness, leads to rupture of the cutting tool. Additional stresses and forces in the saw blade arising from linear thermal deformation, according to the calculation results, can be on average about 50% of the tension force of the saw in the saw frame, which leads to its rupture.
The influence of factors related to the modes of preparation of frame saws during manufacture and operation is also considered with
practical recommendations for increasing the efficiency of sawing frozen wood on sawmills.
Keywords: frame saw, sawmill frame, frozen wood, temperature, deformation, stress, pulling force.
References
1. Vishurenko, N.V. Effectiveness increase of frozen timber sawing at the log frames [Text] / N.V Vishurenko, I.S. Korchma // System. Methods. Technologies. - 2012. - №1(13). - p. 123128.
2. Vishurenko, N.V. Saw frames productivity improvement while sawing frozen timber [Text] / N.V Vishurenko, I.S. Korchma // Woodworking Industry. - 2011. - №2. - p. 8-10.
3. Vishurenko, N.V. Improving the frame saw designs with the help of mathematical and solid-state modeling methods [Text] / N.V Vishurenko, A.A. Vorobjev, I.N. Spitsyn, L.A. Ochirova // System. Methods. Technologies. - 2018. - №4(40). - p. 40-46.
4. Vorobjev, A.A. Modeling of quality of processing and dynamics of work woodcutting of machine tools [Text] / A.A. Vorobjev, I.N. Spitsyn, J.A. Filippov // HANDBOOK. An Engineering Journal. - 2012. - №3. - p. 37-41.
5. Vorobjev, A.A. Influence of anisotropy of wood and vibration on quality of milling of details of furniture [Text] / A.A. Vorobjev, I.N. Spitsyn, J.A. Filippov // Conifers of the boreal area. - 2013. -Volume XXXI. № 1-2.- p. 164-167.
6. Vorobjev, A.A., Vishurenko, N.V., Korchma, I.S. «Frame_Saw».
Certificate of state registration computer programms. № 2012616762. Russian Federation.
X X
o
00 >
c.
X
00 m
o
ho o ho o
