CC BY
61
УДК 674.023
ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПОДГОТОВКИ К РАБОТЕ ДЕРЕВОРЕЖУЩИХ ИНСТРУМЕНТОВ, ОСНАЩЕННЫХ ТВЕРДЫМ СПЛАВОМ Л. Т. Свиридов, А. В. Ивановский, В. П. Ивановский
ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия»
ivanovsky@bk.ru
В деревообрабатывающей промышленности непрерывно увеличивается применение уплотненной древесины, пропитанной антисептиками, склеенной различными клеями, термообработанной, а также древеснослоистых пластиков, древесностружечных, древесноволокнистых и других плит. Обработка таких древесных материалов требует применения режущего инструмента с повышенной износостойкостью, так как различные недревесные включения и клеевые прослойки обладают значительными абразивными свойствами, быстро изнашивающими инструмент.
Существенное влияние на износостойкость, продолжительность работы без переточек, срок службы и другие «качественные» показатели дереворежущих инструментов оказывает технология изготовления и подготовки к работе дереворежущих инструментов, которую можно разделить на три этапа:
1. Изготовление корпуса инструмента, к которому припаиваются пластинки твердых сплавов и подготовка самих пластинок к пайке.
2. Пайка пластинок к корпусу.
3. Заточка напаянного инструмента с целью получения окончательных линейных, угловых параметров и остроты режущих граней.
При изготовлении дереворежущих
инструментов из инструментальной стали марки 45 (для пил сталь 9ХФ и 9ХФМ), кроме общей подготовки профиля, предусматривается выборка гнезда (паза) под твердосплавную пластинку [2]. От правильной подготовки опорной поверхности под пластинку во многом зависит качество пайки пластинки к телу инструмента. Опорные поверхности паза обрабатываются чистовым фрезерованием с шероховатостью поверхности по 5-6 классу ГОСТ 2789-83. При обработке опорных поверхностей должны соблюдаться определенные требования: на опорных поверхностях под пластинку не должно быть выступов и заусенцев, образовавшихся при создании паза. Пластинки должны плотно прилегать по всем опорным поверхностям.
Разновидности способов пайки пластинок твердого сплава к корпусу инструмента представлены на рис. 1, где пунктиром показан профиль инструмента после многократных переточек. Крепление пластинок в открытый паз по передней грани (рис. 1а) наиболее распространено. Это объясняется благоприятным действием сил при резании, большим запасом материала на переточку: ¡2 - по передней грани и ¡1 -по задней грани. При пайке пластинок в открытый паз по задней грани (рис. 1б) заточка проводится по передней грани, чем
обеспечивается необходимый запас на последующие переточки. Однако большая возможность отрыва пластинок твердого сплава под действием сил при резании и сил инерции не способствует распространению этого способа. Кроме того, при заточках расходуется и тело инструмента, что исключает повторное его использова-
ние. Это снижает эффективность данного способа в сравнении с другими. Большая прочность крепления пластинок твердого сплава в закрытый паз (рис. 1в) обеспечивает безопасность инструмента [5]. Однако и в этом случае расход тела инструмента при переточках также имеет место.
Рис. 1. Возможные переточки резцов при креплении пластинок твердого сплава: а - в открытый паз по передней грани, б - в открытый паз по задней грани, в - в закрытый
паз
Заточка стального инструмента с пластинками твердого сплава производится различными абразивными кругами. Одновременная обработка твердого сплава и стального тела инструмента не рациональна. Поэтому предусматривается выступа-ние пластинки твердого сплава над стальным телом инструмента на определенную величину [3]. Величина «выступа» для пластинок твердого сплава применительно к различным дереворежущим инструментам в современной технической литературе не обоснована [1].
Твердые сплавы, выпускаемые в Российской Федерации, подразделяются на вольфрамокобальтовые (ВК) и титано-вольфрамокобальтовые (ТК). Для оснащения дереворежущего инструмента наиболее широко применяются вольфрамоко-
бальтовые твердые сплавы марок ВК6, ВК8, ВК15, ВК15М, ВК20 по ГОСТ 388280, физико-механические свойства которых представлены в табл. 1.
Форморазмеры применяемых пластинок твердого сплава для пил выбираются по ГОСТ 13833-87, ГОСТ 830-85; для фрез и ножей по ГОСТ 13834-87 [3].
Опорные поверхности пластинок должны быть очищены от окалины и окис-ной пленки. Зачистка проводится на шлифовальных кругах (преимущественно алмазных) или галтовочных барабанах в течение 2 часов с частотой вращения 80.. .100 оборотов в минуту с применением абразивной крошки карбида кремния зеленого зернистостью не мельче 25. Зачищенные пластинки промывают в органических растворителях (спирт, ацетон или бензин).
Таблица 1
Химический состав и физико-механические свойства основных металлокерамических
твердых сплавов (ГОСТ 3882-80)
Марка сплава Химический состав, % Предел прочности при изгибе, Н/мм2 Плотность, кг/м3 Твердость по Роквеллу, Ш.С
карбиды вольфрама кобальт
1 2 3 4 5 6
ВК2 98 2 1000 15,0-15,4 90,0
ВК3 97 3 1100 15,0-15,4 90,0
ВК3М 97 3 1100 15,0-15,3 91,0
ВК4 96 4 1300 14,9-15,1 89,5
ВК4В 96 4 1400 14,9-15,1 88,0
ВК6 94 6 1350 14,6-15,0 88,5
ВК6М 94 6 1300 14,8-15,0 90,0
ВК6В 94 6 1400 14,4-14,8 87,5
ВК8 92 8 1400 14,4-14,8 87,5
ВК8В 92 8 1550 14,4-14,8 86,5
ВК10 90 10 1500 14,2-14,6 87,0
ВК15 85 15 1650 13,9-14,1 86,0
ВК20 80 20 1900 13,4-13,7 85,0
ВК25 75 25 2000 12,9-13,2 84,5
При условии точного базирования твердосплавных пластинок на опорной поверхности тела инструмента при пайке возможно предварительное их формирование по заданным линейным параметрам. Это устраняет наиболее трудоемкие операции обработки зубьев после пайки (например, «поднутрение»). Пластинки обрабатываются на универсально-заточном станке комплектом до 50 штук в специальном приспособлении.
При выборе марок твердых сплавов вольфрамокобальтовой группы необходимо руководствоваться условиями работы инструмента [8]. Высокие скорости резания, наличие ударных нагрузок, большие усилия, действующие на зуб, требуют применения более пластичных марок твердых сплавов с большим содержанием кобальта (например, ВК15^ВК25). При малых подачах на зуб, наоборот, целесооб-
разнее использовать сплавы более твердые, повышенной износостойкости (например, ВК6^ВК10) [6]. При изготовлении фасонных фрез и резцов, а также экспериментальных дереворежущих инструментов бывает невозможно подобрать пластинки твердого сплава необходимых формораз-меров [7]. В этом случае необходимые пластинки могут быть заготовлены из пластифицированного твердого сплава.
Другим способом изготовления твердосплавных пластинок необходимых фор-моразмеров является их вырезка из более крупных. Такая операция может быть выполнена посредством деления твердого сплава алмазным кругом. Это весьма трудоемкая операция, а в случае сложных криволинейных поверхностей - почти невозможная. Одним из таких способов является раскрой пластинок на электроэрозионных станках.
Крепление пластин из твердого сплава к телу дереворежущего инструмента осуществляется посредством соединения их тугоплавкими припоями [2]. Перед пайкой основные металлы и припой обычно загрязнены, покрыты пленкой окислов, продуктами коррозии (сульфитами, карбонатами и др.). Это препятствует равномерному смачиванию припоем основных металлов. Очистка контактных поверхностей выполняется механически с последующим обезжириванием в растворителях. Чтобы предотвратить окисление поверхностей в процессе пайки (особенно при нагреве) применяются флюсы.
Надежность паяного соединения зависит от правильного выбора и физико-механических свойств основного металла, припоя, флюса, а также от режимов пайки (температуры, времени выдержки, отпуска с целью снятия внутренних напряжений и др.).
Основным свойством припоя, обеспечивающим надежное паяное соединение, является способность к смачиванию. Под смачиванием понимается свойство атомов припоя вступать в контакт с поверхностными атомами твердого металла. Смачивание зависит как от свойств припоя, так и от свойств основного металла и характери-
Химический с(
зуется величиной краевого угла смачивания (0). При полном смачивании 0=0°, а если 0>90°, то припой не смачивает металл. Припои разделяют на мягкие и твердые. Мягкие припои, главную составляющую часть которых представляет олово, сравнительно легкоплавки, но обладают незначительной прочностью.
По условиям работы дереворежущего инструмента (высокие скорости, нагрев, ударные и знакопеременные нагрузки) мягкие припои (прочность до 70 Н/мм2) не применяются для оснащения инструмента твердыми сплавами. В практике изготовления твердосплавного инструмента применяются твердые (предел прочности свыше 250 Н/мм2) припои на медной основе: латуни Л-62 и Л-68, медноникелевые ПрМНМц68-4-2, серебряные ПСр40 и ПСр65 [3].
Соотношение компонентов различно влияет на физико-механические свойства и температуру плавления сплавов. Состав и основные физико-механические свойства припоев приведены в табл. 2.
Таблица 2
и свойства припоев
Марка припоя Химический состав в % Предел прочности при растяжении, Н/мм2 Температура плавления, °С
медь никель марганец кремний цинк кадмий серебро
120°С 600°С
Л62 62 - - - 38 - - 260 20- 22 905
Л68 68 - - - 32 - - 260 20- 22 938
ПрМНМц 68 5 2 0,3 24,7 - - 270 70- 80 930
68-4-2
ПСр 40 16,7 0,3 - - 17 26 40 280 - 605
ПСр 65 17 0,5 - - 10 20 65 300 - 620
Припои должны удовлетворять следующим требованиям:
- приближаться по прочности и значениям коэффициента термического расширения к свойствам паяемого металла;
- иметь температуру плавления более низкую, чем у паяемых металлов;
- обеспечивать хорошую смачиваемость паяемых металлов и иметь достаточную жидкотекучесть;
- обладать коррозийной стойкостью, не выделять при пайке вредных газов, не оказывать химического воздействия на основной металл;
- при эксплуатации инструмент не должен плавиться или терять прочность в результате его нагрева;
- иметь низкую стоимость и не быть дефицитными.
Флюсы по своему действию можно разделить на несколько групп. Одни из них только предохраняют спаиваемые поверхности от действия воздуха, другие растворяют посторонние вещества, мешающие пайке, например, ржавчину на железе, зеленый налет на меди; третьи травят поверхность, то есть ее разъедают, так что при этом нет необходимости в предварительной механической обработке, и, наконец, четвертые уничтожают пленки окислов, превращая их снова в металлы.
К первой группе можно отнести только одно вещество - глину, очищенную от песка. Применяется такой флюс редко, в случае грубой пайки, когда не обращают
внимания на чистоту спаянного места или для консервации деталей. Ко второй группе, прежде всего, относят буру. Бура предварительно кальцинируется, то есть обезвоживается. Для этого буру нагревают до плавления, а затем из нее начинает выпариваться вода, так что жидкость постепенно густеет; загустев, она сильно пучится и брызгает, обращаясь в белую спекшуюся массу. Эту массу, еще теплую, размельчают в порошок и хранят в герметических емкостях, предотвращая поглощение влаги из воздуха. К этой группе флюсов следует отнести также легкоплавкое стекло, растворимое стекло (сплав соды с чистым белым песком, растворяющийся в воде), фосфорную кислоту - сгущенную выпариванием и смешанную с 1-2 частями 80 %-ного спирта, фосфорные соли натрия и аммония и т.д. К третьей коррозионной (активной) группе следует отнести соляную кислоту, фториды и хлориды металлов (хлористый цинк, хлористый цинк-аммоний) и другие. К четвертой группе относятся различные смолянистые и жировые вещества: канифоль, терпентин, нашатырное масло и т.д. [4].
В зависимости от температуры пайки все флюсы делятся на две группы: флюсы для пайки легкоплавкими припоями и флюсы для пайки тугоплавкими припоями. При пайке твердосплавного инструмента применяют флюсы для пайки тугоплавкими припоями. Наиболее распространены из этой группы флюсов бура и ее смеси с
борной кислотой с добавками фтористых металлов (калия, кальция, натрия). Марки
рекомендуемых флюсов и их химический состав приведены в табл. 3.
оказывает при температурах свыше 90 °С, когда образующийся борный ангидрит, вступая в реакцию с окислами металлов, образует легко растворяющиеся во флюсе соединения. Применение многокомпонентных флюсов повышает их термическую стабильность и расширяет диапазон температурной активности. Для повышения химической активности в состав флюса вводят фтористые соединения и другие добавки. Входящие в состав таких добавок алюминий и магний при высоких температурах восстанавливают окислы на поверхности металла.
Чтобы сохранить паяемые поверхности чистыми длительное время, их подвергают лужению, которое облегчает процесс пайки и способствует стабильному получению прочных паяных соединений.
При изготовлении твердосплавного инструмента известно несколько способов нагрева паяемого соединения. Применительно к дереворежущему инструменту наибольшее распространение получили
Таблица 3
Марки и химический состав флюсов
Марка флюса (номер) Химический состав, % Область применения
бура борная кислота фтористый кальций лигатура
1 100 - - - Пайка всеми припоями
2 50 50 - - Пайка латунными припоями
3 - 51 49 - Пайка серебряными и медноникеле-выми припоями
4 69-73 21-22 5-10 - Пайка медными припоями
200 21 70 9 - Пайка медными припоями
201 14 80 5,5 0,5 Пайка медными припоями
ВГЛТА 77 8 15 - Пайка медноникелевыми припоями
Требования к флюсам при их выборе следующие:
- улучшать смачиваемость поверхности пайки припоем, то есть уменьшать угол смачивания, изменяя величину поверхности энергии;
- химически активно растворять окисные пленки и предохранять поверхности пайки и припой от окисления;
- быть термически стабильными, то есть сохранять свои свойства в определенном интервале температур, не испаряться и не разлагаться;
- сохранять температурную активность, то есть способность химического воздействия, препятствующего загрязнению паяемой поверхности припоя.
Флюсы из буры и борной кислоты дают наилучшие результаты при температурах плавления припоя выше 60 °С. Бура обладает хорошей жидкотекучестью и химической активностью по отношению к большинству окислов металлов. Борная кислота наиболее активное воздействие
три: 1) индукционный - токами высокой частоты; 2) электроконтактный - пропусканием тока большой силы (по способу нагрева получила название и сама пайка: индукционная (пайка ТВЧ), электроконтактная - пайка сопротивлением); 3) в пламени ацетилено-кислородной горелки. В Российской Федерации не выпускаются специальные станки для пайки пластинок, поэтому, чаще всего, пользуются своими разработками.
Индукционный нагрев целесообразно применять при пайке крупного инструмента с массивными пластинками из твердого сплава - фрез, ножей, сверл большого диаметра, так как при этом методе детали нагреваются легко и равномерно. При пайке пил с нагревом токами высокой чистоты (ТВЧ) возникают осложнения, связанные с короблением инструмента из-за большой зоны термического влияния. Уменьшить зону термического влияния при нагреве ТВЧ можно за счет выбора наиболее рациональных форморазмеров индуктора и применения специальных охлаждающих устройств (например, для полотен пил). Конструкция индуктора должна охватывать нагреваемый инструмент только в зоне пайки. Это достигается сложной конфигурацией рабочей части индуктора, изготовленной из тонкой медной трубки, охлаждаемой очищенной водой. Электроконтактный метод нагрева выгодно применять при пайке круглых и рамных пил; мелких сверл, фрез и т.д. Максимальная зона прогрева при этом способе легко обеспечивается за счет выбора схемы, режимов и большей скорости нагрева. Однако этот способ малопригоден при пайке крупного
инструмента из-за местных перегревов, которые приводят к образованию трещин в пластинках твердого сплава, выгоранию припоя и другим дефектам, снижающим прочность паяного соединения.
Качество пайки во многом зависит от квалификации рабочих, выполняющих эту операцию, и совершенства оснастки и оборудования. Простая и низкая стоимость оборудования, малая зона термического влияния сделали электроконтактный метод нагрева широко применяемым на деревообрабатывающих предприятиях. Пайка в пламени ацетилено-кислородной горелки особо целесообразна при изготовлении сложных фрез и резцов. Другие способы нагрева в этом случае менее пригодны ввиду различной толщины инструментов по профилю. Наилучшие результаты достигаются в случае прогрева ацетилено-кислородным пламенем в среде аргона, что дает возможность более качественно распределять тепловые зоны при пайке. Этот способ нашел широкое применение для наплавки литых твердых сплавов (типа стеллит и сормайт) на режущие элементы дереворежущих инструментов.
Таким образом, наиболее распространенный способ крепления твердосплавных пластин в открытый паз по передней грани не всегда обеспечивает должную прочность паяного соединения, так как не обоснована величина выступа пластин. Форморазмеры применяемых твердосплавных пластин, выпускаемых промышленностью, позволяют использовать их для раскроя на электроэрозионных станках для вырезки необходимых, более мелких, алмазным инструментом. Но эта
операция очень трудоемка, поэтому необходимо увеличить номенклатуру выпускаемых пластин. Для крепления пластин наиболее благоприятно использование серебряных припоев, но они имеют высокую стоимость. При пайке пластин обязательно применение флюсов. Наилучшие характеристики показал флюс ВГЛТА для пайки медноникелевыми припоями. В целом же качество пайки может быть обеспечено современным оборудованием, которое, к сожалению, в Российской Федерации не выпускается. Свойства древесины и древесных материалов влияют на эксплуатационные (механические) характеристики инструмента, то есть необходимо подбирать инструмент в соответствии с его назначением.
Библиографический список
1. Свиридов Л.Т., Ивановский А.В., Ивановский В.П. Современные процессы и оборудование в деревообработке. Воронеж : Воронежский ЦНТИ - филиал ФГУ «РЭА» Минэнерго России, 2011. 363 с.
2. Пат. 2378104 РФ, МПК B27B 33/02. Круглая пила для обработки мягколиственной древесины [Текст] / Л.Т. Свиридов, А.В. Ивановский, В.П. Ивановский (РФ) ; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «ВГЛТА». -№2008126798/03 ; заявл. 01.07.2008 ; опубл. 10.01.2010, Бюл. № 1. 5 с.
3. Воронин В.В., Платонов А.Д., Ивановский В.П., Цуриков А.И., Сафонов А.О. Теория резания и дереворежущий инструмент. Воронеж : ВГЛТА, 1998. 70 с.
4. Свиридов Л.Т., Ивановский В.П. Резание древесины различной плотности. Воронеж : ВГУ, 2005. 200 с.
5. Ивановский В.П. Основы теории резания древесины. Воронеж ВЛТИ, ВПИ, 1988. - 37 с.
6. Свиридов Л.Т., Ивановский А.В., Ивановский В.П. Обрабатываемость резанием древесины различных пород [Текст] // Известия высших учебных заведений. Лесной журнал, 2010. №6. с. 126-132.
7. Ивановский А.В., Ивановский В.П. Новые инструменты для обработки мягко-лиственной древесины // Лесное хоз-во, 2010. №3. С. 47-48.
8. Ивановский, А.В., Ивановский В.П. Уточнение инженерных расчетов процессов деления мягколиственной древесины // Известия вузов. СевероКавказский регион. Технические науки, 2009. №2. с. 68-70.
