CC BY
9Определение наиболее рационального способа увеличения срока службы деревообрабатывающих пильных инструментов
Долгирев Алексей Анатольевич
аспирант кафедры машиностроения и материаловедения, Поволжский государственный технологический университет, ado-stalr@mail.ru
В настоящее время для заготовки древесины применяется более 85% пильного деревообрабатывающего инструмента. Они как правило эксплуатируются в две-три смены и подвержены большим механическими нагрузками. В купе с загрязненностью древесины минеральными включениям такие условия приводят к быстрому затуплению пил и их выходу из строя. Заточка позволяет вернуть работоспособность инструменту ограниченное количество раз. Поэтому возникает проблема качественного увеличения срока службы деревообрабатывающего инструмента направленная в область материаловедения. В данной статье рассматриваются существующие методы повышения ресурса работы режущих инструментов и упрочнения режущих кромок пильных инструментов. Затем идет анализ каждого из рассматриваемых и их сравнение. В заключении осуществляется взгляд на них сквозь призму реального производства деревообрабатывающих инструментов и определение наиболее рационального способа увеличения срока службы деревообрабатывающих инструментов.
Ключевые слова: деревообрабатывающий инструмент, ресурс работы, нанесение покрытий, упрочнение режущего инструмента, лазерное легирование, плазменное напыление
В современном строительстве и промышленности очень часто используются машины и инструменты с пильными цепями в качестве режущего механизма. Причем, большая часть таких устройств работает непосредственно на этапе заготовки древесины, валке, обрезке сучьев и раскряжевке. Как правило, на каждом из этих этапов, а также и в заключительном процессе стройки древесина в большей мере контактирует с землей. Из-за частичек глины, силикатного песка и прочих минеральных включений вкупе с высокими механическими нагрузками и высокой скоростью резания цепной деревообрабатывающий инструмент быстро затупляется. Процесс заточки позволяет вернуть режущим кромкам работоспособность, однако такой процесс возможно выполнить ограниченное количество раз. Вследствие чего возникает проблема восстановления режущих кромок пильных цепей деревообрабатывающего инструмента, а также его упрочнения.
Упрочняющие методы, основанные на пластической деформации поверхности режущих кромок деревообрабатывающего инструмента, характеризуются их деформационной механикой, специфическими особенностями формирования геометрических и физико-механических свойств поверхностного слоя. Такие упрочняющие методы делятся на динамические (дробеструйная обработка, вибрационный и ультразвуковой методы, тиснение) и статические (сглаживание и тп).
Непрерывный деформационный контакт с упрочняющимся инструментом, а также постоянство его силы влияния характеризуют статические методы.
Для динамических методов характерен импульсный эффект деформирующих элементов на режущие поверхности деревообрабатывающего инструмента [1, с. 22-27].
Однако одним из наиболее рациональных способов обеспечения нужного сочетания «пластичности- твердости» материалов режущих инструментов является нанесение упрочняющих и износостойких покрытий
Современные технологии позволяют получать соединения до 3-х тугоплавких металлов и покрывать ими требуемые поверхности. Покрытия, нанесенные на основе нитридов, карбидов, оксидов, карбонитридов металлов характеризуются высокой твердостью, высоким энергопотреблением, минимальным числом дефектов при мелкодисперсной структурой , а также значительной окислительной стойкостью. К недостаткам такого метода можно отнести техническую сложность контроля структуры и состава покрытия в широких пределах, а также расслаивание покрытия с поверхностью режущего инструмента. Однако при использовании таких износостойких покрытий становятся возможными экономия твердых, дорогостоящих и редких сплавов, а также повышение производительности труда [2, с. 336].
Все разновидности нанесения такого типа упрочняющих и восстанавливающих покрытий зависит в основном от способа концентрирования потоков энергии. Можно выделить импульсный лазерный, ионный, электронно-лучевой и плазменный. Под их влиянием достигается нагрев, плавление, испарение и быстрая кристаллизация материала.
Методы упрочнения режущих кромок инструмента путем изменения химического состава внешнего слоя включают ионное азотирование. Суть процесса состоит в том, чтобы насыщать режущую кромку инструмента азотом при бомбардировке ионами из плазмы с низкотемпературной характеристикой. Полученная режущая поверхность инструмента имеет уменьшенный коэффициент трения и усиленные антифрикционные свойства, предотвращает образованию центров износа, что позволяет увеличить скорость резания. Преимуществом нитрирования является малое деформирование обработанного инструмента. Его недостатками являются малая толщина (0,3 ... 0,5
О £
ю
5
2
см со £
Б
а
2 ©
мм) диффузионного слоя, а также длительность выдержки во время процесса азотирования, которая может достигает 80 ч.
При использовании процесса ионной имплантации поток ионов с энергией до нескольких МэВ доставляет практически любой элемент системы Менделеева в поверхностную зону режущих кромок, что позволяет увеличить срок службы инструмента до 2-4 раз. Однако, ионная имплантация главным образом используется в областях, где часто требуется создание ультра- и наноразмерных структур, например в микроэлектронике и медицине, и не распространена в инструментальном производстве, что связано с высокой стоимостью имплантационного материала и относительно низкой производительностью. Данные недостатки особенно очевидны, когда необходимо имплантировать толстые слои(до 0.5 -1 мм) [3, с 296].
Различные виды обработки поверхности с использованием лазерного излучения - лазерные нанесения покрытий - в последнее время становятся все более используемы в производстве режущих инструментов.
Лазерное нанесение покрытий достигается высококонцентрированным на небольшой площади излучением ,от нескольких микрометров до нескольких миллиметров. В результате нагрева и материал обмазки и материал поверхностного слоя режущего инструмента перемешиваются. После прекращения излучения нагретая часть охлаждается, и распределение внутренних напряжений при этом приводит к образованию закалочных конструкций и легированию поверхностного слоя. Среди остальных преимуществ лазерного метода упрочнения и нанесения защитных покрытий можно выделить:
- Высокая плотность энергетического потока позволяет нагревать и охлаждать поверхность упрочняющего инструмента на высоких скоростях с минимальным по времени воздействием, что минимизирует нарушение внутреннего состояния материала деревообрабатывающего инструмента.
- Способность контролировать лазерное облучение в широком диапазоне, при котором легко регулировать структуру поверхностного слоя и его свойства
- Возможность обработки при атмосферном воздухе, простота компьютеризации процесса, отсутствие вредных выбросов при такой обработке и т. д.
К недостаткам такого метода упроч-
Лазерный луч
Расплавленный металл
Обмазка
Полученное-покрьгше
Рисунок 1 Схема лазерного нанесения покрытий
Рисунок 2. Схема электроно-лучевого упрочнения.1-электронная пушка; 2-пучок электронов; 3-коллектор вторичных электронов; 4-упрочняемая поверхность; 5-вторичные электроны
покрытие част™ см
Электроды
/ Порошок |ппазмообразующий
Г&1
Рисунок 3 Схема плазменного нанесения покрытий
нения деревообрабатывающих инструментов относятся большая цена лазерного оборудования, очень низкая эффективность и не высокая производитель-ность(до 10 кг/ч), а также возникающие проблемы с затвердеванием сложнопо-верхностных режущих кромок пильных цепей.
Электронно-лучевое упрочнение режущего деревообрабатывающего инструмента основано на том, что кинематическая энергия электронного пучка, генерируемого в глубоком вакууме, преобразуется в тепло в зоне обработки. Влияние электронного пучка на поверхность режущих кромок, в зависимости от обрабатываемого материала и условий резания, снижает интенсивность износа на 80200%.
Преимущества этой обработки, определяющие осуществимость ее практического применения, заключаются в следующем:
-возможность широкой регулировки режимов облучения;
-высокая эффективность (до 90%), значительно превышающая эквивалентную цифру для лазерной обработки;
-возможность автоматизации процесса.
Недостатками данного способа упрочнения режущих кромок инструмента, ограничивающими его использование, являются: необходимость защиты от рентгеновского излучения при работе, а также еще более высокая стоимость относительно лазерного оборудования и его техническая сложность.
Суть плазменного напыления заключается в том, что распыленный материал вводится в высокотемпературную(до 50 тыс. градусов Цельсия) плазменную струю, нагревается, плавится и направляется в виде дифазического потока на напыляемую поверхность режущих кромок деревообрабатывающей пилы. После удара о напыляемую поверхность и деформации частиц, происходит их взаимодействие с поверхностью, и образование защитного покрытия. [4, с. 64]
Плазменное нанесение покрытий в большей степени используется для напыления твердосплавных порошков(про-волоки) оксидов различных металлов, что позволяет получать защитные и восстанавливающие покрытия толщиной до 1 мм и при этом повышать прочность режущих кромок деревообрабатывающих пил на 150- 300 %. Наиболее современные плазменные установки, могут достигать производительности от 3-5 кг/ч для малых установок и до 20 кг/ч для больших промышленных. Также к преимуществам можно отнести низкую температуру нагрева напыляемой поверхности, а также возможность напыления любого не разлагающегося и не сублимирующего материала и соединения.
К недостаткам этого метода относятся: большие энергозатраты и малый коэффициент использования энергии (достигает максимум 0,02), высокая пористость покрытия при неверно выставленных параметрах напыления и высокий уровень шума - до 120 дБ.[5, с. 344345]
Как итог, можно сделать вывод, что практически все ныне существующие технологии нанесения защитного покрытия способны увеличить срок службы деревообрабатывающего инструмента, как дисковых пил, так и пильных цепей. Главным образом это достигается за счет упрочнения поверхностного слоя режущих кромок деревообрабатывающего инструмента в процессе сверхбыстрого нагревания и сверхбыстрого затвердевания материала, а также создания покрытия из более твердого оксида металла или легирующих материалов.
Однако некоторые методы не применимы в области деревообрабатывающих инструментов из-за своей дороговизны и критически маленькой производительности. Ионная имплантация главным образом используется в областях микроэлектроники и медицине и т.д., где требуется создание ультра-размерных структур, и не применима в инструментальном производстве.
Недостатки электроннолучевого способа упрочнения режущих кромок распиловочного инструмента, такие как необходимость защиты от рентгеновского излучения при работе установки и еще более дорогостоящее оборудование и его техническая сложность, не позволяют использовать его на производственных линиях по производству деревообрабатывающих режущих инструментов
Наиболее применимыми для упрочнения и восстановления деревообрабатывающего инструмента можно считать лазерные и плазменные технологии. Они во много коррелируют друг с другом, однако, из-за меньшей производительности и более дорогом оборудовании лазерной установки и материалов для её функционирования, более рационально использование плазменного напыления для продления срока службы пильного деревообрабатывающего инструмента.
Литература
1. Кокорева О.Г. Технологические возможности статико-импульсной обработ-ки//Вестник Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный агроинже-нерный университет им. В.П. Горячкина» - Российский государственный аграрный университет - МСХА им. К.А. Тимирязева, 2013. - с. 22-27
2. Верещак А. С. Работоспособность режущего инструмента с износостойкими покрытиями. - М.: Машиностроение, 1993. - 336 с.
3. Метель А. С., Григорьев С. Н. Тлеющий разряд с электростатическим удержанием электронов для генерации плазмы и пучков ускоренных частиц: Моно-
графия. - М.: ИЦ МГТУ «Станкин», Янус-К, 2005. - 296 с.
4. Лащенко Г.И. Плазменное упрочнение и напыление.- Киев: Екотехноло-гия, 2003. - 64 с.
5. Якубович И.О., Орешенко Т.Г. Задачи и перспективы качества покрытий, получаемых методом плазменного напыления/актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2016. Том 1.- Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Ре-шетнева, 2016. - с. 344-345.
Determination of the most rational way to increase the service life of woodworking sawing tools Dolgirev A.A.
Volga State University of Technology Currently, more than 85% of saw woodworking tools are used for wood harvesting. They are usually operated in two or three shifts and are subject to heavy mechanical loads. In a compartment with pollution of wood to mineral inclusions such conditions lead to fast blunting of saws and their failure. Sharpening allows to return the tool to work a limited number of times. Therefore there is a problem of qualitative increase of service life of the woodworking tools. This article discusses the existing methods of increasing the service life of cutting tools and hardening of the cutting edges of saw tools. Then there is an analysis of each of the considered and their comparison. In conclusion, looking at them through the prism of the real production of woodworking tools and determine the most rational way to increase the service life of woodworking tools. Keywords: woodworking tools, service life, coating, hardening of the cutting tool, laser alloying, plasma spraying
References
1. Kokoreva O.G. Technological capabilities of static-
impulse processing // Bulletin of the Federal State Educational Institution of Higher Professional Education "Moscow State Agroengineering University. V.P. Goryachkina «- Russian State Agrarian University - Moscow Agricultural Academy. K.A. Timiryazeva, 2013. - p. 22-27
2. A. Vereshchak. The efficiency of cutting tools
with wear-resistant coatings. - M .: Mashinostroenie, 1993. - 336 p.
3. Metel, A.S., Grigoriev, S.N. A glow discharge
with electrostatic confinement of electrons for the generation of plasma and beams of accelerated particles: Monograph. - M .: ITs MSTU «Stankin», Janus-K, 2005. - 296 p.
4. Laschenko G.I. Plasma hardening and spraying. -
Kiev: Ecotechnology, 2003. - 64 p.
5. Yakubovich I.O., Oreshenko T.G. Tasks and
prospects of the quality of coatings obtained by plasma spraying // Actual problems of aviation and cosmonautics - 2016. Volume 1.2016 Siberian State Aerospace University named after Academician M. F. Reshetnev. -p. 344-345.
©
Ю
5
*
CO 2
