ПОВЫШЕНИЕ СТОЙКОСТИ ДЕРЕВОРЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА МЕТОДОМ ЛОКАЛЬНОГО ЭЛЕКТРОИСКРОВОГО НАНЕСЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКИХ ПОКРЫТИЙ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Повышение стойкости дереворежущего инструмента методом локального электроискрового нанесения износостойких покрытий

сч о сч

СП О!

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

Косарев Владимир Константинович

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

В работе представлены результаты теоретического и экспериментального анализа по возможности увеличения износостойкости режущей части дереворежущего инструмента способом электроискрового нанесения износостойких покрытий на переднюю и заднюю грани режущего инструмента с целью повышения его долговечности и работоспособности. Выполнено нанесение износостойких покрытий на дереворежущий инструмент методом локального электроискрового нанесения и проведены исследования получаемой микроструктуры инструментального материала режущего инструмента методами металлографического и рентгеноструктурного анализа микрошлифов с определением микротвердости изучаемых образцов, их состава и структуры, параметров микрогеометрии резца. Для повышения физико-механических свойств рабочей части режущего инструмента применяют метод электроискрового легирования, который имеет ряд существенных недостатков, среди которых - неудовлетворительное качество нанесенного покрытия. В связи с этим, предпочтение было отдано методу локального электроискрового нанесения покрытия. Повышение стойкости дереворежущего инструмента к затуплению позволяет увеличить время его работы и ресурс при заточке. В результате медленного увеличения радиуса заострения резца обеспечить получение более качественных изделий, снижения энергопотребления процесса резания, а также повышения надежности и долговечности работы сопряжений и контактных пар технологического оборудования, вследствие снижения действующих сил резания при работе острым инструментом.

Рассмотрено также влияние факторов относящихся к режимам подготовки дереворежущего инструмента с практическими рекомендациями по повышению эффективности нанесения износостойких покрытий.

Ключевые слова: покрытие, дереворежущий инструмент, метод ЭИЛ, шероховатость, твердость, микрогеометрия резца, износ, режим подготовки, микрошлиф, рентгеноструктурный анализ

Среди различных методов нанесения покрытий, позволяющих изменять физико-механические свойства рабочих поверхностей режущего инструмента в заданном направлении, значительный интерес представляет метод электроискрового легирования (ЭИЛ). Сущность его состоит в том, что при искровом разряде в газовой среде происходят преимущественное разрушение материала анода и перенос продуктов эрозии на катод.

Широкая область применения метода обусловлена его положительными свойствами: высокой прочностью сцепления покрытий с основой, незначительным нагревом материала основы, возможностью наносить любые тугоплавкие металлы и их соединения; простотой оборудования и осуществления технологического процесса.

В то же время методу ЭИЛ свойствен ряд недостатков, которые сдерживают его применение в деревообрабатывающей промышленности. К ним относятся: высокая шероховатость покрытий; зависимость качества покрытий от квалификации оператора и его субъективного состояния; недостаточная повторяемость качественных показателей покрытий; недостаточная механизация и автоматизация процесса.

В значительной степени лишен перечисленных недостатков разработанный болгарскими специалистами метод локального электроискрового нанесения (ЛЭН), на основе которого создана серия высокомеханизированных установок класса ЕЛФА-500.

Основные особенности метода ЛЭН: значительное уменьшение энергии единичного импульса; применение независимого высокочастотного генератора импульсов; использование электронной следящей системы, поддерживающей межэлектродный зазор в пределах 3- 30 мкм; вращение электрода с частотой 10-50 с-1. Получаемые этим способом покрытия равномерны, с малой шероховатостью, плотные, прочной диффузионной связью между покрытием и основным металлом, копируют рельеф обрабатываемой поверхности.

На кафедре технологии композиционных материалов и древесиноведения СибГУ им. М.Ф. Решетнева проведены исследования возможности и целесообразности применения метода ЛЭН для повышения стойкости дереворежущего инструмента. Исследовали влияние режимов нанесения на основные характеристики ЛЭН-покрытий: толщину, шероховатость, микротвердость, износостойкость; На основании полученных результатов были выбраны режимы для нанесения покрытий на режущие инструменты, которые затем испытаны в производственных условиях.

Нанесение покрытий во всех опытах осуществляли на установке ЕЛФА-512. Материал электрода - твердый сплав ВК6-М по ГОСТ 3882-74. Материал образцов - инструментальная сталь 55Х7ВСМФ по ТУ 14-1-358-72 твердостью 56 - 58 ед. HRC. Исследования проводили в следующем диапазоне изменения основных параметров процесса ЛЭН: сила тока I = 3,2 ■ 16 А; емкость конденсаторного блока С = 1 мкФ; длительность импульсов

тока Т = 3 - 20 мкс; скорость нанесения покрытий V = 0,1-1,0 мм/с; число проходов по одному и тому же участку К = 1 ■ 3.

При проведении экспериментов толщину покрытий замеряли на микрошлифах на металлографическом микроскопе МИМ-8М с окулярным винтовым микрометром М0В-1-15Х при увеличении 450х. За толщину ЛЭН-покрытий принимали нетравящийся белый слой. Шероховатость покрытий замеряли по параметру Ra на про-филометре модели 283. Микротвердость определяли на приборе ПМТ-3 при нагрузке 0,498 Н (50 г).

Износостойкость ЛЭН-покрытий исследовали на специально созданной лабораторной установке, позволяющей осуществлять процесс истирания металла древесиной с постоянным возобновлением поверхности древесины. Удельная нагрузка 0,4 МПа, линейная скорость 0,71 м/с. Износ покрытий определяли с помощью метода искусственных баз. Покрытия наносили на пяти специально подобранных режимах, обеспечивающих изменение основных характеристик покрытий от минимальных до максимальных значений.

В результате проведения эксперимента получены следующие результаты. Толщина покрытий в исследуемой области изменения основных параметров процесса ЛЭН находится в пределах 3-13 мкм„ шероховатость Ra = 0,60 ■ 1,9 мкм, микротвердость Н=8500^13000 МПа, износостойкость ЛЭН-покрытий выше износостойкости материала подложки в 1,3 - 2,2 раза (1,3 на мягких режимах нанесения; 2,2 на максимальных режимах).

С увеличением силы тока, емкости конденсаторного блока, длительности импульсов тока и числа проходов толщина, шероховатость, микротвердость покрытий возрастают, а с увеличением скорости нанесения снижаются. Наибольшее влияние на толщину покрытий оказывают длительность импульсов тока и емкость конденсаторного блока, на шероховатость - емкость конденсаторного блока и сила тока. Шероховатость покрытий на втором проходе увеличивается, на третьем остается прежней либо незначительно уменьшается.

Рентгеноструктурный анализ показал наличие в белом слое WC в пределах 5 - 8 %, Со 3 - 5 %. Количество аустенита увеличивается на 4 - 8 % по сравнению с материалом подложки.

Исследования влияния покрытий на процесс износа и затупления режущей части инструмента проводили на фрезерных ножах из стали 8Х6НФТ на ООО «Красноярский региональный инструментальный центр» (научно-внедренческая фирма НВФ «Технология») и стружечных ножах из стали 55Х7ВСМФ в условиях ООО «Центр режущего инструмента» [1,2,3].

Анализ результатов показал, что эффективность метода во многом зависит от правильности выбора поверхности инструмента, на которые наносят покрытия, для чего необходимо знать характер износа и затупления резца [4,5]. В случае, если износ идет с образованием фаски по задней грани, покрытия на нее наносить не следует, так как они будут находиться на режущей части только в начальный период работы инструмента, а в дальнейшем активной роли не играют. Покрытие целесообразно наносить на переднюю грань, где оно и будет играть активную роль на протяжении всего периода работы инструмента [6,7]. На рис. 1 показан типичный микропрофиль стружечного ножа после 4 часов работы с нанесением ЛЭН-покрытий по передней грани (1) и без покрытия (2).

Рис. 1 - Микропрофиль стружечных ножей после 4 ч работы: 1 - с нанесением ЛЭН-покрытия по передней грани; 2 - без покрытия

Производственные испытания фрезерных ножей при обработке древесно-волокнистых плит показали, что стойкость ножей с ЛЭН-покрытиями выше обычных в 1,5

- 1,6 раза. Стойкость стружечных ножей с покрытиями выше обычных ножей в 1,7 - 1,9 раза.

Выводы:

1) для эффективного применения метода ЛЭН необходимо знать характер износа и затупления инструмента и правильно выбирать грани, на которые следует наносить покрытия;

2) при выборе режимов нанесения следует учитывать, что на режимах, обеспечивающих высокую микротвердость и толщину, шероховатость покрытий также высокая - Ra = 1,3 ■ 1,8 мкм;

3) наносить покрытия следует на режимах: I = 9,6 ■ 12,8 А; С = 0,22 ■ 0,68 мкФ; T= 12 ■ 20 мкс; V = 0,4 ■ 0,6 мм/с; К = 2. На этих режимах обеспечиваются следующие значения основных характеристик: толщина 6-11 мкм; шероховатость Ra = 0,9 ■ 1,3 мкм; микротвердость Н = 9000 ■ 10500 МПа.

Литература

1. Воробьев, А.А. Анализ влияния микроструктуры инструментального материала режущего инструмента, напряженно-деформированного состояния установки и натяжения пил и их температурной деформации / А.А. Воробьев, Ю.В. Егоров, Г.П. Карлов, Н.В. Кравченко, Л.А. Очирова // Инновации и инвестиции. - 2020. - №11

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. Воробьев, А.А. Установление зависимости шероховатости поверхности древесины от показателей вибрации станка [Текст] / А.А. Воробьев, Ю.А. Филиппов // Деревообрабатывающая промышленность. - № 2, 2010.

- С. 6 - 7.

6. Воробьев, А.А. Сравнительный анализ компоновок конструкции механизма резания ленточнопильного

X X

о го А с.

X

го m

о

ю

2 О

м

станка [Текст] / А.А. Воробьев, И.Н. Спицын, Н.В. Кравченко, Г.П. Карлов, Е.В. Раменская // Успехи современной науки. - Белгород, Том 4, №4, 2017. - С. 194 - 201.

7. 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.

Raise of durability woodcutting tools by the method of local electro-

spark drawing of wearproof coverings Egorov Yu.V., Vorobjev A.A. Kosarev V.K., Kravchenko N.V., Ochirova L.A.

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

Results of the theoretical and experimental analysis whenever possible increases in wear resistance of the cutting end woodcutting tools by way of electrospark drawing of wearproof coverings on fast-head and back basils of an edge tool for the purpose of raise of its durability and working capacity are in-process presented.

Drawing of wearproof coverings on woodcutting tools by a method of local electrospark drawing is executed and researches of a gained microscopic structure of the instrumental material of an edge tool by methods metallographical and x-ray diffraction analysis of micrometallographic speciments with definition of microhardness of studied samples, their composition and structure, parametres of microgeometry of a cutter are carried out.

To raise of physicomechanical properties of a working part of an edge tool apply a method of electrospark alloying which has a number of essential deficiencies among which - unsatisfactory quality of the put covering. In this connection, the preference has been given a method of local elec-trospark drawing coverings.

Durability raise woodcutting tools to bluntness allows to increase a time of its work and a resource at rounding-off shoulder. As a result of slow increase in radius of acuminating of a cutter to ensure better products, decrease in power consumption of process of cutting, and also raise of reliability and durability of work of matings and contact pairs of the process equipment, owing to decrease in acting forces of cutting at work as the acute tool.

Agency of factors referring to to preparation regimes woodcutting tools with practical recommendations about raise of efficiency of drawing of wearproof coverings is observed also.

Keywords: covering, woodcutting tools, method EAM, a roughness, hardness, cutter microgeometry, deterioration, a preparation regime, a microsection, x-ray diffraction analysis

References

1. Vorobjev, A.A. Analysis of the influence of the microstructure of the tool

material of the cutting tool, the stress-strain state of the installation and the tension of saws and their thermal deformation [Text] / A.A.Vorobiev, Yu.V Egorov., G.P. Karlov, N.V. Kravchenko, L.A. Ochirova // Innovations and investments. - 2020. - №11. - p. 167-169.

2. Vishurenko, N.V. Improving the frame saw designs with the help of mathe-

matical 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.

3. 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.

4. 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.

5. Vorobjev, A.A. Installation of dependence of a surface roughness of wood

from indexes of vibration of the machine tool [Text] / A.A Vorobjev, J.A. Filippov // Woodworking Industry. - 2010. - №2. - p. 6-7.

6. 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.

7. 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.

СЧ

0

СЧ an

01

О Ш

m x

<

m о x

X