CC BY
17
Труды БГТУ, 2017, серия 1, № 2, с. 381-384
381
УДК 539.197; 674.055:621.934(043.3)
В. В. Чаевский, И. И. Бавбель
Белорусский государственный технологический университет
ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ МОДИФИЦИРОВАННОГО КОМБИНИРОВАННОЙ ОБРАБОТКОЙ ЛЕЗВИЙ НОЖЕЙ ДЕРЕВОРЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА
Исследован износ твердосплавного модифицированного фрезерного инструмента при резании ламинированных древесностружечных плит. На поверхность лезвий ножей из карбида вольфрама твердых сплавов осаждались электрохимическим методом Ni-наноалмаз (УДА)-по-крытия, методом конденсации с ионной бомбардировкой (КИБ) ZrC-покрытия и комбинированные ZrC-Ni-УДА-покрытия. Износу подвергались передние и задние грани ножей образцов модифицированного твердосплавного инструмента с вырыванием зерна сплава, отслаивания покрытий и сколов. Механизмами износа твердосплавного режущего инструмента были адгезионный и абразивный износ.
В условиях производственных испытаний период стойкости инструмента с ZrC-Ni-УДА-покрытиями увеличился в 1,5-1,6 раза по сравнению с необработанным инструментом. Лезвия ножей с ZrC-покрытиями являются более износостойкими, чем с комбинированными ZrC-Ni-УДА-покрытиями.
Ключевые слова: износ, покрытие, лезвие ножа, инструмент, ультрадисперсные алмазы.
V. V. Chayevskiy, I. I. Bavbel'
Belarusian State Technological University
WEAR RESISTANCE OF MODIFIED KNIVE BLADES BY WOODCUTTING COMBINED TREATMENT
In this paper, hard alloy tool wear when milling laminated chipboards with modified cutting tools were investigated. Ni-nanodiamond (UDD)-electroplatings, ZrC-coatings formed by the method of physical vapor deposition (PVD), and combined ZrC-Ni-UDD-coatings were deposited on the surface of knive blades made of tungsten carbide hard alloys. The wear patterns of hard alloy modified cutting tools are rake face wear and flank wear, which may take the patterns of pull-out of grain, flaking, and chipping. The wear mechanisms of hard alloy cutting tools were adhesive wear and abrasive wear.
Under the condition of the pilot tests, the results shown are as follows: first, if compared with bare tool, the durability period of tool with ZrC-Ni-nanodiamond coated blades increased in 1.5-1.6 times. Second, knife blades with ZrC-coatings are more wear resistant than cutter edge coated with combined ZrC-Ni-UDD.
Key words: wear, coating, knife blade, tool, ultradisperse diamonds.
Введение. При резании композиционных материалов на древесной основе (древесностружечных плит (ДСтП), слоистых пластиков и др.) действие входящих в их состав абразиво-содержащих частиц, имеющих твердость, соизмеримую с твердостью инструментального материала, приводит к возрастанию сил трения на задней поверхности резца и к более интенсивному абразивному износу контактных поверхностей инструмента [1]. Износостойкость поверхностей деталей и инструмента повышается с помощью композиционных электролитических покрытий (КЭП), содержащих в качестве композиционного материала ультрадисперсные алмазы (УДА), которые способствуют существенной адгезии, резкому снижению коэффициента трения [2]. Установлено, что сформированные гальваническим методом и методом конденсации с ионно-плазменной бомбардировкой (КИБ) комбинированные 2гК-№-Со-
покрытия на лезвиях стальных ножей хвостовых фрез обеспечивают при резании материалов из ламинированных ДСтП и хвойных пород древесины повышение периода стойкости режущего инструмента [3].
Целью данной работы было сформировать методами КИБ и электрохимического осаждения комбинированные ионно-плазменные и гальванические (на основе УДА) покрытия на поверхности твердосплавных лезвий ножей из карбида вольфрама WC дереворежущего инструмента и исследовать их износостойкость.
Основная часть. №-УДА-КЭП наносили на подготовленную поверхность лезвий ножей на экспериментальной установке при плотностях тока 1-24 А/дм2 в гальвано статическом и импульсном режимах электролиза из сульфа-миновокислых электролитов никелирования. Толщина покрытий не превышала 10 мкм. В качестве дисперсной фазы использовали УДА
382 Износостойкость модифицированного комбинированном обработкой лезвии ножей инструмента
(ТУ РБ 28619110.001-95) с размерами 3-5 нм, являющиеся продуктом детонационного превращения взрывчатых веществ. Ионно-плазмен-ные 2гС-покрытия осаждались методом КИБ на поверхность ножей хвостовых фрез и поверхность ножей с М-УДА-покрытием на установке ВУ-1Б «Булат» по стандартной методике: с предварительной обработкой ионами циркония подложки в вакууме 10-3 Па при потенциале подложки, равном 1 кВ, и последующим нанесением покрытий при токах горения дуги катода 80-100 А и опорном напряжении, равном 100 В, в атмосфере углеводорода СН4 при давлении 10-1 Па. Температура при осаждении соответствовала 400-450°С. Толщина 2гС-покрытий не превышала 1,5 мкм. Для формирования комбинированных 2гС-№-УДА-покрытий предварительно на поверхность твердосплавных ножей фирмы Ье1/ (Германия) осаждались №-УДА-КЭП с последующим напылением 2гС-покрытия.
Морфология поверхности образцов изучалась методами растровой электронной микроскопии (РЭМ) и сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) с использованием микроскопа ЬЕО-1455 УР, который также применялся для определения элементного состава полученных покрытий методами СЭМ и рентгено-спектрального микроанализа (РСМА).
Опытно-промышленные испытания на период стойкости модифицированных ножей
сборной фрезы диаметром 21 мм при резании ламинированных ДСтП толщиной 16 мм проводили на станке с ЧПУ ЯЛМС-330ЛЕ при следующих режимах: число ножей на фрезе - 1; частота вращения фрезы — 12 000 мин1; скорость подачи - 4 м/мин. Рассчитанная длина резания ДСтП составила 9000-10 000 (±1000) м. п. Критерием потери режущей способности резца являлось появление сколов отделки плиты.
Объемный износ лезвия ножа после опытно-промышленных испытаний рассчитывался по методике определения поперечных размеров кромки лезвия по всей ее длине с помощью оптического микроскопа МгсгоуеЛ (холдинг «Пла-нар», Республика Беларусь) в 2 этапа с учетом первоначального неизношенного угла заточки лезвия [4]. Для оценки износа лезвия ножей с учетом крупных участков разрушения лезвия проводилась математическая обработка оптических снимков этих участков.
Процесс резания ламинированных ДСтП в промышленных условиях модифицированными фрезами с покрытиями лезвий ножей сопровождался интенсивным абразивным износом ножей. На лезвиях ножей наблюдались многочисленные участки разрушения в виде оставшихся после вырывания материала основы (в том числе с покрытиями) углублений, пустот, сколов (рис. 1), а также истирания покрытий лезвия (рис. 1-3).
^ Спектр 3-фото47б5
уу
с Н о ■ Со |
Вес % 80%
в г
Рис. 1. РЭМ-снимки разрушенного участка лезвия ножа с вырыванием покрытия с основой, истиранием покрытия (а) и выделенного фрагмента полосы истирания (б), скола лезвия (в), с РСМА-определения элементов на полосе (г)
б
а
В. В. Чаевский, И. И. Бавбель
383
а
80
60
0х
<и 40 т
20-М 0
0
учлЛ
А
г
л
N1 Вес, % С Вес, % О Вес, % гг Вес, % W Вес, %
Г"'
10 20
ГГ?. |'| N Т^О^^Т^ЯТ^^уГ^^ргК^-. I 111 I |
30 40 50 60 70
б
и .тП'^^.'Г?! 111111 11 и :г>|1 80 90 100 110 120 мкм
Рис. 2. РЭМ-снимок изношенного участка лезвия ножа с ггС-покрытием (а) и распределение концентрации элементов вдоль линии А В (б)
Для ггС-покрытий на лезвии ножа наблюдается достаточно четкая граница истирания на расстояниях до ~50 мкм от острия лезвия (рис. 2) в отличие от ггС-№-УДА-покрытий, для которых характерна переходная область истирания (до ~100 мкм), связанная с наличием переходного №-УДА-слоя (рис. 3).
Выполненные расчетные оценки объемного износа лезвия ножей после опытно-промыш-
ленных испытаний модифицированных фрез (таблица) свидетельствуют, что объемный износ лезвия с ггС-покрытием уменьшается более чем в 1,3 раза по сравнению с лезвием без покрытия.
Объемный износ лезвия с ггС-№-УДА-покрытием незначительно снижается по сравнению с необработанным инструментом.
80 60
£
,с 40 е В
гг Вес, % N1 Вес, % W Вес, % С Вес, % О Вес, %
20
0
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 мкм
б
Рис. 3. РЭМ-снимок морфологии изношенного участка лезвия ножа с ггС-№-УДА-покрытием (а), распределение концентрации элементов вдоль линии АВ (б)
а
384 Износостойкость модифицированного комбинированной обработкой лезвий ножей инструмента
Результаты расчета объемного износа лезвия ножей после резания ламинированной ДСтП
Вид обработки Объемный износ, х107 мкм3
Без покрытия 129,9 ± 0,9
ZrC-покрытие 93,6 ± 0,6
ZrC-Ni-УДА-покрытие 115,2 ± 0,8
Проведенные на предприятии «Мебельная фабрика "Пинскдрев-Адриана"» опытно-промышленные испытания модифицированных фрез при резании ДСтП показали, что период
стойкости фрезерного инструмента с 2гС-№-УДА-покрытиями увеличивается в 1,5-1,6 раза по сравнению с необработанным инструментом.
Заключение. Показано, что при резании ламинированных ДСтП в условиях производства лезвия твердосплавных ножей фрез с 2гС-, 2гС-№-УДА-покрытиями испытывают интенсивный адгезионный и абразивный износы с вырыванием зерна сплава, отслаивания покрытий и появления сколов. Рассчитанный объемный износ лезвий ножей с 2гС-покрытием уменьшается в 1,3 раза по сравнению с необработанным инструментом.
Литература
1. Абразумов В. В., Котенко В. Д. Анализ явлений на контактных поверхностях режущего клина при резании плитных древесных композиционных материалов на минеральных вяжущих // Вестник Московского государственного университета леса. Лесной вестник. 2006. № 6. С. 138-141.
2. Долматов В. Ю. Ультрадисперсные алмазы детанационного синтеза: свойства и применение // Успехи химии. 2001. Т. 70, № 7. C. 687-708.
3. Физико-механические свойства ZrN-Ni-Со-покрытий на лезвиях стальных ножей дереворежущего инструмента / В. В. Чаевский [и др.] // Труды БГТУ. 2015. № 6: Физ.-мат. науки и информатика. С. 97-101.
4. Influence of high energy treatment on wear of edges knives of wood-cutting tool / V. Chaevskiy [et al.] // MM (Modern Machinery). Science Journal. 2016, no. 6. P. 1519-1523.
References
1. Abrazumov V. V., Kotenko V. D. The analusis of the phenomena on contact surfaces of a cutting at cutting board wood composite materials. Vestnik Moskovskogo gosudarstvennogo universiteta lesa. Lesnoy vestnik [Bulletin of Moscow State University of the Wood. Forestry Bulletin], 2006, no. 6, pp. 138-141 (In Russian).
2. Dolmatov V. Yu. Detonation synthesis ultradispersed diamonds: properties and applications. Uspe-khi khimii [Russian Chemical Reviews], 2001, vol. 70, no. 7, pp. 687-708 (In Russian).
3. Chayevskiy V. V., Grishkevich A. A., Zhylinskiy V. V., Cernasheyus O. Physical and mechanical properties of ZrN-Ni-Co-coatings on the edges of steel knives of wood-cutting tools. Trudy BGTU [Proceedings of BSTU], 2015, no. 6: Physicsand-Mathematics. Informatics, pp. 97-101 (In Russian).
4. Chaevskiy V., Zhylinskiy V., Grishkevich A., Rudak P., Barcik S. Influence of high energy treatment on wear of edges knives of wood-cutting tool. MM (Modern Machinery). Science Journal, 2016, no.6, pp.1519-1523.
Информация об авторах
Чаевский Вадим Витальевич - кандидат физико-математических наук, доцент, доцент кафедры физики. Белорусский государственный технологический университет (220006, г. Минск, ул. Свердлова, 13а, Республика Беларусь). E-mail: [email protected]
Бавбель Иван Иванович - инженер кафедры деревообрабатывающих станков и инструментов. Белорусский государственный технологический университет (220006, г. Минск, ул. Свердлова, 13а, Республика Беларусь). E-mail: [email protected]
Information about the authors
Chayevskiy Vadim Vital'yevich - PhD (Physics and Mathematics), Associate Professor, Assistant Professor, the Department of Physics. Belarusian State Technological University (13а, Sverdlova str., 220006, Minsk, Republic of Belarus). E-mail: [email protected]
Bavbel' Ivan Ivanovich - Engineer, the Department of Woodworking Machines and Tools. Belarusian State Technological University (13а, Sverdlova srt., 220006, Minsk, Republic of Belarus). E-mail:dosy@ belstu.by
Поступила 20.04.2017
