CC BY
50
УДК 675.055.18
ИЗНОС ВИНТОВЫХ НОЖЕЙ СТРОГАЛЬНОЙ МАШИНЫ, ИЗГОТОВЛЕННЫХ С ПРИМЕНЕНИЕМ РАЗЛИЧНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ УПРОЧНЕНИЯ
Александр Васильевич Максимов, к.т.н., проф., e-mail: byttech@yandex.ru Алексей Сергеевич Кочетков, ст. преподаватель, e-mail: alesha2701@mail.ru ФГБОУ ВПО «Российский государственный университет туризма и сервиса», Москва
Выявлены факторы, влияющие на скорость изнашивания ножей; проведено экспериментальное исследование интенсивности износа ножей, изготовленных с применением различных технологий упрочнения, в ходе которого установлена взаимосвязь между износом отдельного ножа и появлением на обрабатываемой коже дефекта типа «лестница»; определен способ равномерного распределения микротвердости передней поверхности ножа по всей его глубине; по результатам эксперимента составлена таблица сравнительных характеристик изменения твердости по глубине для различных ножей.
The authors identified the factors affecting the rate of the depreciation and conducted an experimental study of the intensity of depreciation of knives, manufactured with the using of different technologies of hardening. During this study the authors defined the interrelation between the depreciation of the knife and an appearance of the defect of the "ladder" on the treated skin. The article determined the method of uniform distribution microhardness offront surface of the knife across its depth. The authors composed a table of the comparative characteristics of variation of hardness on depth for different knives. Ключевые слова: технологии упрочнения, интенсивность износа ножей, распределение микротвердости.
Keywords: technology of hardening, the intensity of depreciation of knives, the distribution of microhardness.
Ножевой вал кожевенных машин оснащен комплектом из 8 или 12 ножей, которые одновременно участвуют в обработке материала. Однако производственные наблюдения свидетельствуют о том, что в некоторых случаях скорость изнашивания отдельных ножей в комплекте, закрепленном на одном ножевом валу, может резко отличаться от скорости изнашивания остальных ножей. Причиной может служить неодинаковая твердость всех ножей в комплекте, неправильная зачеканка одного или нескольких ножей, разная толщина поперечного сечения ножей и т.п. Это существенно влияет на снижение качества обработки кожевенного материала, так как процесс резания происходит в непостоянном режиме, что усугубляется и разными свойствами кожи по площади [1]. Значимость отдельных факторов на процесс обработки кожевенных материалов была проанализирована в работе [2].
Ножевой вал является рабочим инструментом, и к нему предъявляются такие требования, как жесткость, виброустойчивость, минимальное биение, цилиндричность и круглость, быстросменность, а также высокая ремонтопригодность. Вал входит в замкнутый контур затачивающей системы машины, звеньями которого, среди прочих, являются абразивный инструмент и затачивающий аппарат (шлифовальная бабка). Именно острота лезвия ножа, определяемая величиной радиуса притупления его режущей кромки и другими факторами [3], в наибольшей степени влияет на качество обработки материала.
В работах [4] и [5] были сформулированы основные требования к системе заточки: увеличение жесткости основных звеньев механизмов подачи и замыкания машины, повышение точности изготовления валов, совершенствование системы регулирования и управления элементами технологических систем машин.
Цель данной работы - с помощью методики, приведенной в [5], экспериментально исследовать интенсивность изнашивания ножей, наиболее часто применяемых на производстве, а также опытных образцов ножей. Приоритетными целями проведенного эксперимента стали: определение факторов, влияющих на скорость износа ножей, сравнение степени износа ножей, изготовленных с применением различных технологий упрочнения, и выявление причин, приводящих к возникновению дефекта «лестница».
В проведенном эксперименте участвовали следующие образцы ножей:
• упрочненные детонационным напылением сплава ВК15;
• изготовленные из двухслойной стали (страна-производитель - США);
• цементированные и термообработанные (страна-производитель - Финляндия);
• упрочненные трением, серийные;
• упроченные электроискровой обработкой (ЭИО).
Размеры микронеровностей рассчитывались по профилограммам, полученным по средней поверхности образцов соответствующих ножей, которые были сняты на профилографе-профилометре модели 251 при горизонтальном увеличении 20 и вертикальном увеличении 1000 (рис. 1). Масштаб увеличения приведен на профилограмме № 14.
Также были сняты профилограммы с бахтармяной стороны образцов кожи после строгания (вертикальное увеличение х 500). Известно, что величина износа зависит прежде всего от твердости поверхности режущего инструмента, поэтому в ходе эксперимента в первую очередь определялась именно эта механическая характеристика.
Рис. 1. Шероховатость поверхности образцов ножей и кожи после строгания
Средние значения твердости по передней поверхности контролировались на микротвердомере ПмТ-3 с шагом измерения приблизительно 0,1 мм (рис. 2).
В зависимости от микрогеометрических свойств передней поверхности, которые определяются видом предшествующей обработки и характеризуются микрорельефом передней поверхности, все образцы рассматриваемых ножей можно объединить в четыре группы (кластера):
1) детонационно-упрочненные;
2) двухслойные;
3) цементированные и серийные с ЭИО;
4) упрочненные трением.
Рис. 2. Распределение микротвердости серийных ножей для комплекта, выбракованного по достижении окончательного износа
Изменение микротвердости передней поверхности по высоте ножа в пределах слоя, снимаемого при одной подзаточке, как у образца № 1, составляет 0,5 - 1,0 мм, что в целом незначительно для каждого отдельно взятого ножа. Характер износа ножей в процессе уменьшения их высоты не изменится. Но разность микротвердости по передней поверхности, например у образцов № 3 и № 2, достигает 300 кгс/мм2, что не может не сказаться на разности их скоростей изнашивания. Поэтому попадание в комплект одного или нескольких подобных ножей может существенно отразиться на их технологических свойствах.
По глубине изменение микротвердости в пределах ранее установленной величины предельного износа в 0,17 мм по задней поверхности также достигает значительных величин. У образца № 5 на глубине всего 0,04 мм она составляет уже 774 кгс/мм , а на
о
глубине 0,12 мм - 824 кгс/мм . У образца № 4 на расстоянии 0,07 мм от передней
2 2 поверхности микротвердость равна 514 кгс/мм , а на глубине 0,16 мм - 322 кгс/мм .
В ходе экспериментальных исследований установлено, что скорость изнашивания режущей части отдельного ножа может увеличиваться по мере изнашивания его по задней поверхности. Это приведет к тому, что некоторые ножи в комплекте быстрее достигнут величины предельного износа, возрастут усилия резания кожи этими ножами и снизится качество обработки за счет появления таких характерных дефектов, как «лестница».
Производительность современной строгальной машины, когда обработка кожи производится в основном за один проход, значительно сдерживается требованиями к качеству обработанной поверхности, т.е. к возникновению дефектов (в том числе и «лестницы»). При прочих равных условиях возникновение указанных дефектов связано с состоянием ножевого вала (соблюдением требований к точности его формы и остроте
режущих кромок ножей) и его способностью обработать (прострогать) кожу с максимально возможной скоростью (скоростью подачи).
Рабочие показатели ножевых валов, такие как долговечность и вибрационная нагруженность строгальных машин в эксплуатационный период, во многом зависят от характеристик затачивающего устройства и его параметров. При более высокой твердости ножей увеличивается период времени между очередными подзаточками, что сокращает технологические простои машины. Это увеличивает рабочее время и дает возможность работать на более высоких скоростях подачи материала. Таким образом, затачивающая система современной строгальной машины непосредственным образом влияет на её производительность.
Из сказанного следует, что качество работы обрабатывающей системы строгальной машины существенно зависит от характеристик (конструктивных, режимных, технологических и т.д.) затачивающей системы. В первую очередь, потому, что ножевой вал, от состояния которого зависит производительность и качество, является общим элементом обеих систем. Дело в том, что работа механизма заточки существенно зависит и от конструктивных характеристик самого ножевого вала.
Степень неравномерности распределения по поверхности ножа параметров микротвердости обусловлена в значительной степени различием свойств структурных составляющих, образующих поверхностный слой ножа. Это является результатом неравномерности насыщения углеродом различных слоев ножа в процессе цементации и механических нагрузок при термообработке. На микрошлифе (рис. 3, а) видно, что у поверхности ножа до глубины около 0,05 мм располагаются мелкозернистые мартенситные структуры с твердостью порядка 800 кгс/мм .
Затем, на более глубоких слоях, зерна мартенсита начинают увеличиваться. Твердость при этом снижается до 700 кгс/мм2, а на глубине 0,1 - 0,15 мм проявляются карбиды железа (цементная сетка) вокруг зерен перлита с приблизительной твердостью 450 кгс/мм.
Достичь более равномерного распределения микротвердости по передней поверхности на всей глубине ножа можно, создав слой с одинаковой микроструктурой. Эта глубина должна соответствовать величине предельного износа по задней поверхности. В данном случае очевидно преимущество использования двухслойных сталей, где один слой образован сталью с высокими физико-механическими свойствами, другой - с более низкими. Также перспективным является применение упрочняющих технологий, т.е. нанесение твердого, износостойкого материала на переднюю поверхность ножа. В качестве твердого слоя используют инструментальную углеродистую сталь типа
У8-У10, в качестве более мягкого - низкоуглеродистую сталь обыкновенного качества. Часто применяется низкоуглеродистая кипящая сталь 08кп, которая легко деформируется и завивается в спираль.
Типовая технология упрочнения низкоуглеродистых сталей предполагает проведение цементирования с последующей закалкой, в то время как двухслойная сталь позволяет закаливать нож без предварительного насыщения углеродом. На микрошлифе, изображенном на рис. 3, б, видно, что поверхностные слои состоят из мартенсита (твердостью около 780 кгс/мм ), а в зоне приварки имеются карбиды, затем переходящие в перлитно-ферритную структуру, твердость которой при испытаниях имела значения приблизительно 400 - 450 кгс/мм . Учитывая, что твердость самих перлитно-ферритных структур не может превышать 200 кгс/мм , более высокая твердость сплава свидетельствует о присутствии в нем твердой фазы - мартенсита (обычно это цементитная сетка).
Некоторое снижение твердости в глубинных слоях материала по сравнению с поверхностным мартенситным слоем происходит на глубине около 0,4 - 0,5 мм. Это уже не вызовет эффекта повышенного износа задней поверхности на границе раздела более твердого и более мягкого слоев, поскольку контактные напряжения на таком расстоянии от передней поверхности незначительны. Данное состояние материала ножа не снизит усилия резания на режущей кромке ножа, как и происходит в случае применения экспериментальной упрочняющей технологии.
Рис. 3. Микроструктура образцов ножей при увеличении (*500): а - серийный; б - из двухслойной стали; в - с электроискровой обработкой сплавом ВК15; г - с детонационно-напыленным сплавом ВК15; д - с покрытием оксидом А1203
Упрочненные электроискровым легированием твердым сплавом ВК15 ножи представлены на микрошлифе, изображенном на рис. 3, в. Упрочняющий слой толщиной около 0,01 мм повторяет все микронеровности рельефа передней поверхности ножа, что легко объяснить самой природой его нанесения - наносимый слой не разрушает основную поверхность. Так как нож не проходит дополнительной механической обработки, то при таком способе упрочнения его поверхность характеризуется относительной шероховатостью. Структура слоя однородна, микротвердость достаточно равномерна, в переходной зоне нет перекрытий, подложка не разупрочняется в результате термического нагрева в месте контакта наплавляемого электрода, поскольку температура проведения операции не превышает 200°С, структура основного слоя - мартенсит с твердостью около 800 кгс/мм2 . Твердость упрочняющего слоя, состоящего из карбидов вольфрама в твердом растворе кобальта, составляет около 900 кгс/мм.
Образец ножа, изготовленного из малоуглеродистой стали без термической обработки с нанесенным слоем твердого сплава ВК15 методом детонационного напыления, представлен на рис. 3, г. Микроструктура напыленного слоя однородна и состоит из карбидов вольфрама в твердом растворе кобальта, твердость которых составляет 850 - 920 кгс/мм . Зона перехода напыленного слоя резко выражена. Изменений в структуре упрочняемого материала не наблюдается. Твердость лежит в пределах 200 - 250 кгс/мм .
На микрошлифе, изображенном на рис. 3, д, представлен образец ножа, изготовленного из низкоуглеродистой стали с детонационно напыленным слоем окиси алюминия. Граница между основным и напыленным слоями резкая. Однородная структура, состоящая из напыленных частиц окиси алюминия, имеет твердость порядка 1100 - 1500 кгс/мм . Это позволяет использовать такой порошковый материал для получения инструмента повышенной износостойкости. Сравнительные характеристики изменения твердости по глубине с шагом измерения 0,05 мм для различных ножей представлены ниже в таблице.
Твердость, ножей, кгс/мм, 2 в зависимости от глубины слоя
Образец ножа Номер измерения
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Серийный 725 724 774 724 683 543 489 420 360
Упрочнение А12О3 1299 1290 1100 274 274 236 254 204 254
Двухслойный 624 624 663 724 353 335 367 322 266
Двухслойный (США) 624 772 772 543 514 572 572 420 400
Однослойный (Финляндия) 814 614 614 814 720 720 583 472 384
Упрочненный трением 885 724 464 266 274 264 274 274 274
В результате анализа микрофотографий и распределения твердости по глубине ножа можно сделать заключение о том, что для повышения износостойкости и долговечности ножей необходимо обеспечить твердость их передней поверхности на глубину до 0,2 мм. Упрочняющий слой должен иметь однородную структуру, равномерную твердость и резкую границу разделения двух слоев различной твердости, что приведет к неравномерному износу задней поверхности ножа в зоне разделения и стабилизации радиуса затупления в течение определенного времени. Этим требованиям в полной мере отвечают ножи, изготовленные из низкоуглеродистой стали без термообработки и упрочненные по передней поверхности детонационным напылением одним из сплавов с высокими физико-механическими свойствами.
Таким образом, с учетом рекомендаций по совершенствованию строгальных машин [6], результаты выполненных экспериментальных исследований могут найти применение в практических предложениях по увеличению износостойкости ножей и должны учитываться в общей методике повышения ресурса и долговечности основных узлов и деталей кожевенных машин. Литература
1. Афанасьев В.В., Волков А.Н., Иванов В.А. Исследование приоритетов факторов механической обработки экспертно-аналитическими методами // Новые технологии. Образование и наука. Сб. научн. трудов. М.: МГУДТ. 2001. С.67 - 72.
2. Применение нейросетевых технологий для анализа влияния параметров оборудования на качество натуральных кож / В.Г. Шуметов, С.А. Дьяченко, В.В. Афанасьев, В.А. Иванов // Наука и образование. Новые технологии. Межвуз. сб. научн. трудов. Вып.2. М.: МГУДТ. 2002. С.165 - 174.
3. Нейросетевые модели в управлении производительностью оборудования / В.В. Афанасьев, Е.В. Иванова, Р.В. Морозов, С.А. Дьяченко // Наука и образование. Новые технологии. Межвуз. сб. научн. трудов. Вып.2. М.: МГУДТ. 2004. С.35 - 40.
4. Иванов В.А. Колебательные процессы в вязкоупругих материалах при их механической обработке // Совершенствование техники и технологии и улучшение качества изделий легкой промышленности. Сб. научн. трудов. М.: ЦНИИТЭИлегпром. 1986. С.81 - 83.
5. Иванов В.А., Рашкин В.В. Некоторые вопросы теории заточки ножей строгальных машин // Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2010. Т.6. № 1. С. 41 - 44.
6. Рашкин В.В., Сумзина Л.В., Пономарева Ю.Н. Использование нейронных сетей при моделировании процессов (на примере строгальных машин) // Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2010. Т.6. № 1. С. 50 - 54.
Поступила 18. 04.2011 г.
