ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА СТАБИЛЬНОСТЬ ПРОЦЕССА НАГРЕВА ПРИ ЭЛЕКТРОКОНТАКТНОЙ НАПАЙКЕ ТВЕРДОСПЛАВНОГО ДЕРЕВОРЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Факторы, влияющие на стабильность процесса нагрева при электроконтактной напайке твердосплавного дереворежущего инструмента

сч о сч

о ш т

X

<

т О X X

Егоров Юрий Владимирович,

старший преподаватель, кафедра технологии композиционных материалов и древесиноведения, Сибирский государственный университет науки и технологии имени академика М.Ф. Решет-нева, egorovuv@sibsau.ru,

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,

Кравченко Наталия Викторовна,

канд. техн. наук, доцент, кафедра технологии композиционных материалов и древесиноведения, Сибирский государственный университет науки и технологии имени академика М.Ф. Решет-нева, kravchenkonv@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. Решет-нева, karlovgp@sibsau.ru,

Харченко Павел Викторович,

магистр, кафедра технологии композиционных материалов и древесиноведения, Сибирский государственный университет науки и технологии имени академика М.Ф. Решетнева, Pavel1999krsk@yandex.ru

В данной работе представлены результаты теоретического и экспериментального анализа факторов процесса пайки пластинок твердого сплава на зубья дереворежущих дисковых пил и их последующего снятия при ремонте режущего инструмента с целью повышения эффективности процесса, увеличения долговечности и работоспособности дисковой пилы. Нестабильность процесса пайки пластинок твердого сплава обусловлена рядом факторов, связанных с вариацией сопротивления в спаиваемом контакте, среди которых доминирующими являются: качество подготовки поверхностей спаиваемых элементов (микронеровности и шероховатость), наличие окисных пленок на поверхностях сопряжения и величины прикладываемого давления при пайке, определяющего площадь поверхности контакта при пайке.

При демонтаже пластинок твердого сплава с зубьев режущего инструмента реализовано конструкторское решение, заключающееся в форме электродов и механизма отвода дисковой пилы после снятия пластинки твердого сплава. Повышение эффективности процесса пайки и снятия пластинок твердого сплава с дисковой пилы позволяет увеличить время ее работы и ресурс пилы при заточке, сократить общее время подготовки к работе режущего инструмента. На основании разработанных режимов пайки и демонтажа пластинок твердого сплава удалость реализовать возможность управления данными процессами с использованием системы числового программного управления.

Ключевые слова: твердый сплав, дереворежущий инструмент, дисковая пила, шероховатость, микротвердость, пайка, сопротивление, режим подготовки, окисная пленка, температура нагрева.

В деревообрабатывающей промышленности все большее применение находят инструменты, оснащенные пластинками из твердых сплавов для обработки широко применяемых древесностружечных, древесноволокнистых плит, древесносло-истых пластиков, плит армированных шпоном, пластмассами, прессованной и пропитанной древесины и других современных композиционных древесных материалов.

Для обработки этих материалов широко используются пилы дисковые, дереворежущие с пластинками из твердых сплавов, изготовляемые по ГОСТ 9769, ГОСТ Р 54489-2011 ЕН 847-1:2005 и другие твердосплавные инструменты.

Централизованное обеспечение такими инструментами не в полной мере удовлетворяет потребности промышленности. Поэтому, многие деревообрабатывающие предприятия восполняют свои потребности собственным изготовлением необходимого твердосплавного инструмента.

Основным методов крепления пластинок является пайка [1] (рис. 1).

а - пропусканием тока через корпус инструмента; б - пропусканием тока через корпус и пластину; в - конструкция шарнирного электрода: 1 - стойка; 2 - инструмент; 3 -упор; 4 - пластина; 5 - электрод; 6 - зажим; 7 - шарнир; 8 -корпус электрода

Рисунок 1 - Электроконтактная пайка пластин на зубья дисковых пил

Предприятия изготовляют собственными силами или приобретают для напайки инструментов различные приспособления и установки, основанные на принципе электроконтактного нагрева при пайке как наиболее простой и доступной в условиях деревообрабатывающих производств и сервисных центров по подготовке дереворежущего инструмента [2,3,4,5,6].

Внедрению схем автоматического управления в производство препятствует нестабильность процесса, нагрева, так как во время нагрева ток и сопротивление цепи не остаются постоянными.

Закон Джоуля-Ленца для нестабильного процесса нагрева следует выражать в дифференциальной форме

Q = 0,24J*I2Rdт, (1)

где Д - сопротивление нагреваемого участка инструмента, включенного в электрическую цепь, Ом;

I - сила тока, А;

т - время нагрева до температуры пайки, с. По результатам исследований доцента Лейхт-линга С.Р., сопротивление спаиваемой цепи складывается из сопротивлений нагреваемых участков корпуса инструмента - Ди, твердосплавной пластинки - Дп; сопротивления контакта - Дк между соединяемыми участками инструмента и твердосплавной пластинки, сопротивления контакта между электродом и корпусом инструмента - Дэи и электродом и твердосплавной пластинки - Дэп. В зависимости от компоновки спаиваемого участка припой может укладываться в виде латунной фольги или брикета между инструментом и твердосплавной пластинкой, а такие в виде скоб из латуни или меди, которые надеваются на напаиваемый резец в расчете на получение шва горизонтально-капиллярной пайкой.

Таким образом, сопротивление спаиваемой цепи при электроконтактной пайке можно выразить следующим соотношением

Д = (Ди + Дп + Дк + Дэи + Дэп), (2)

Тепловая мощность, Р и выделяемое количество тепла, Q соответственно определяются по формулам

Р = 0,24-/2(Ди + Дп + Дк + Дэи + Дэп), (3)

(} = 0,24 • /; /2 (Ди + Дп + Дк + Дэи + йэп). (4) Для процесса пайки полезным является тепло, выделяемое в инструменте, в твердосплавной пластинке и на контакте между ними. Количество тепла, развивающееся на контактах между электродами и корпусом инструмента, электродами и твердосплавной пластинкой, является вредным для процесса пайки, так как подгорают поверхности контакта и тем самым нарушается стабильность процесса нагрева. Сопротивление цепи зависит и от способа подвода электрического тока к месту пайки. С повышением температуры сопротивление металла прохождению тока быстро растет. Исследования, проведенные с различными сталями, которые при низких температурах имеют весьма различное сопротивление, показали, что при повышении температуры сталей до значений выше ликвидуса медно-цинковых припоев (900-1050°С) сопротивления их стремится к одному и тому же приблизительно постоянному значению.

Это может быть объяснено аустенитным превращением железа при указанных температурах. Электрическое сопротивление спаиваемого контакта меняется при пайке иным образом. При пропускании электрического тока в спаиваемом контакте наблюдается заметное падение напряжения. Это указывает на наличие соответствующего сопротивления в контакте.

Повышение сопротивления контакта вызывается, следующими причинами:

1. Резким уменьшением действительного сечения в спаиваемом участке, через который проходит ток в зоне контакта, так как поверхности металла корпуса инструмента и твердосплавной пластинки, даже хорошо обработанные, имеют неровности и при сжатии их действительное соприкосновение происходит лишь в некоторых физических точках. Это приводит к сужению линий тока и к возникновению очень высоких плотностей тока в зоне контакта.

2. Наличием до нагрева и дополнительным появлением при нагреве на спаиваемых поверхностях инструмента, твердосплавной пластинки и медных электродах окисных пленок с малой электропроводностью.

Сопротивление контакта в зоне пайки в значительной степени зависит от прилагаемого к нему давления.

Переходное сопротивление между медными электродами и стальным инструментом равно примерно половине сопротивления между стыкуемыми образцами из стали 9ХФ при прочих равных условиях.

С повышением температуры сопротивление контакта уменьшается, что может быть объяснено увеличением пластических деформаций и возможным разрушением окисных и поверхностных пленок в процессе нагрева.

Принятие мер, обеспечивающих стабильное изменение сопротивления цепи: корпус инструмента - припой - твердосплавная пластинка, включенной на электроконтактную пайку, позволяет перейти на автоматическое регулирование режимов пайки с программным управлением процесса.

Нами разработаны и экспериментально апробированы схемы автоматического управления процессом пайки, в широком диапазоне изменения программ на специально созданной экспериментальной установке кафедры технологии композиционных материалов и древесиноведения совместно с научно-внедренческой фирмой «Технология».

При эксплуатации твердосплавной инструмент многократно затачивается. Снятие оставшейся или аварийно вышедшей из строя части твердосплавной пластинки для повторного оснащения или ремонта инструмента представляет определенные трудности. Часто применяется их абразивное стачивание.

х

X

о

го А с.

X

го т

о

м о м

сч о сч

о ш Ш X

<

m о х

X

Приспособления и установки для напайки пластинок твердого сплава на инструмент с использованием электроконтактного нагрева для пайки могут быть применены для снятия отработавших пластинок. Этот способ снятия пластинок твердого сплава исследован и апробирован на разработанной и изготовленной промышленной установке, внедренной в производство на научно-внедренческой фирме «Технология» (ООО «Красноярский региональный инструментальный центр»), в порядке оказания технической помощи по снятию пластинок твердого сплава с дисковых пил. Установка для напайки дисковых пил твердым сплавом, основанная на электроконтактном нагреве, позволяет производить нагрев зоны пайки четырьмя способами подвода тока.

Наиболее удобен при снятии пластинок является второй способ, где электродами используются медные губки, на которые при пайке шаблоном устанавливается твердосплавная пластинка. Для снятия пластинки внесено конструктивное изменение, обеспечивающее винтовое перемещение одной из губок. Это дает возможность плотно зажать твердосплавную пластинку между губками с надежным контактом в зоне нагрева, оставляя свободным зуб пилы. Включая установку на режим пайки, осуществляется нагрев пластинки и за счет теплопроводности и теплоотдачи передается от нагретой пластинки в зону паянного шва. Для сужения размеров температурного поля, и предотвращения его распространения в пильный диск на нагревающийся зуб прорезями плотно навешиваются теплоотводящие медные скобы или зуб зажимается клещами с медными губками. При достижении температуры паянного шва выше ликвидуса припоя, стойка, крепящая пилу, отводится в продольном направлении вдоль направления шва. Отработавшая пластинка остается зажатой в медных губках, отведенный зуб пилы сохраняет поверхность зуба луженой, не требующей последующей обработки для повторной напайки. В крайнем случае, нуждается лишь в обезжиривании.

Этот процесс удобен и производителен. Температурный режим для снятия напаянной пластинки с корпуса инструмента остается таким же, как при пайке и назначается по разработанным кафедрой технологии композиционных материалов и древесиноведения номограммам для пайки, представляющим собой осциллографическую запись зависимости температуры от времени нагрева при различных значениях силы тока, напряжения и сопротивления замкнутой электрической цепи в зона нагрева.

По результатам исследования можно сделать следующие выводы:

1. Выполнен анализ влияния различных факторов процесса пайки пластинок твердого сплава на зуб дисковой пилы по результатам которого уста-

новлено, что сопротивления контакта определяется качеством поверхностей спаиваемых элементов, их шероховатостью, наличием окисных пленок, величиной давления при прижиме твердосплавной пластики.

2. Нестабильность температурного режима процесса пайки, вследствие изменения сопротивления в зоне контакта потребовало разработки режимов пайки и экспериментальной установки для их опытной проверки. Оснащение установки системой числового программного управления позволило эффективно управлять процессом, на основании варьирования основными электрическими (ток, напряжение и сопротивление) и физико-механическими параметрами (усилие прижима, давление и напряжение).

3. Для снятия пластинок твердого сплава с зубьев дисковых пил при их ремонте может быть использована та же установка, на которой производилась пайка. Реализованное конструкторское решение конструкции электродов и отвода режущего инструмента после демонтажа пластинки твердого сплава после цикла нагрева, параметры которого нормируются с помощью разработанной номограммой процесса.

Литература

1. Зотов, Г.А. Дереворежущий инструмент. Конструкция и эксплуатация [Текст] / Г.А. Зотов. -СПб.: Изд-во «Лань», 2010. - 384 с.

2. Егоров, Ю.В. Повышение стойкости дереворежущего инструмента методом локального электроискрового нанесения износостойких покрытий / Ю.В. Егоров, А.А. Воробьев, В.К. Косарев, Н.В. Кравченко, Л.А. Очирова // Инновации и инвестиции. - 2021. - №9.

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. - 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. 37-41.

5. Воробьев, А.А. Сравнительный анализ компоновок конструкции механизма резания ленточ-нопильного станка [Текст] / А.А. Воробьев, И.Н. Спицын, Н.В. Кравченко, Г.П. Карлов, Е.В. Рамен-ская // Успехи современной науки. - Белгород, Том 4, №4, 2017. - С. 194 - 201.

6. Воробьев, А.А. Кластерный анализ новизны проектного решения [Текст] / А.А. Воробьев, И.Н. Спицын, Н.В. Кравченко // Международный научно-исследовательский журнал. Екатеринбург. - Часть 3, № 05(59), 2017. - С. 28 - 31.

The factors, influencing stability of process heat at electrocontact of

soldering hard alloy of woodcutting tools Egorov U.V., Vorobjev A.A., Kravchenko N.V., Karlov G.P., Harchenko P.V.

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology JEL classification: C10, C50, C60, C61, C80, C87, C90

In the given operation results of the theoretical and experimental analysis of factors of process of the soldering of plates of a hard alloy on teeths woodcutting peripheral saws and their subsequent removal are presented at repair of the cutting instrument for the purpose of heightening of efficiency of process, increase in longevity and working capacity of a peripheral saw.

Instability of process of the soldering of plates of a hard alloy is caused by a number of the factors linked with a variation of resistance in accustomed to drinking contact among which dominating are: quality of preparation of surfaces of accustomed to drinking elements (asperities and a roughness), presence okmchhx films on surfaces of interface and magnitude of affixed pressure at the ration, defining the area of a surface of contact at a ration.

At dismantle of plates of a hard alloy from teeths of the cutting instrument the designer decision consisting in the shape of electrodes and the mechanism of a tap of a peripheral saw after removal of a plate of a hard alloy is realised.

Heightening of efficiency of process of the soldering and removal of plates of a hard alloy from a peripheral saw allows to augment time of its operation and a saw resource at sharpening, to reduce common time of preparation for operation of the cutting instrument. On the basis of designed conditions of the soldering and dismantle of plates of a hard alloy it was possible to realise possibility of a data control processes with use of system of numerical programmed control.

Keywords: hard alloy, woodcutting tools, a peripheral saw, a roughness, microhardness, the soldering, resistance, a preparation condition, oxides a film, heat temperature.

References

1. Zotov, G.A. Woodcutting tools. A construction and maintenance [Text] / G.A. Zotov. - SPb.: Publishing house «Lan», 2010. - 384 p.

2. Egorov, Yu.V. Raise of durability woodcutting tools by the method of local electrospark drawing of wearproof converings [Text] / Yu.V Egorov, A.A.Vorobiev, V.K. Kosarev, N.V. Kravchenko, L.A. Ochirova // Innovations and investments. - 2021. - №9.

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. 3741.

5. Vorobjev, A.A. The comparative analysis of arrangements constructions mechanism of cutting bandsaw machine tool [Text] / A.A Vorobjev, I.N. Spitsyn, N.V. Kravchenko, G.P. Karlov, E.V Ramenskaya // Modern Science Success. - Belgorod, Volume 4, №4, 2017. - p. 194 - 201.

6. Vorobjev, A.A. The cluster analysis of novelty of the design decision [Text] / A.A Vorobjev, I.N. Spitsyn, N.V. Kravchenko // International research journal // Ekaterinburg. - Volume 3, № 05(59), 2017. - p. 28 -31.

X X

o

00 >

c.

X

00 m

o

ho o ho