CC BY
22
УДК 674.055:621.934(043.3)
А. В. Алифанов, доктор технических наук, профессор (БрГУ), заведующий отделом (ФТИ НАН Беларуси); А. А. Гришкевич, кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой (БГТУ); В. В. Чаевский, кандидат физико-математических наук, доцент (БГТУ); В. Н. Гаранин, кандидат технических наук, ассистент (БГТУ)
ВЛИЯНИЕ Т1]]-ПОКРЫТИЙ ТВЕРДОСПЛАВНЫХ НОЖЕЙ НА ЭКСПЛУАТАЦИЮ ДЕРЕВОРЕЖУЩЕГО ФРЕЗЕРНОГО ИНСТРУМЕНТА ПРИ ОБРАБОТКЕ ЛАМИНИРОВАННЫХ ДСтП
Проведены исследования влияния TiN-покрытий на поверхности ножей дереворежущего фрезерного инструмента на процесс износа ножей при открытом фрезеровании ламинированного ДСтП. TiN-покрытия были сформированы методом конденсации с ионной бомбардировкой на поверхности импортных ножей фрезерного инструмента. Элементный состав покрытий и инструмента, морфология поверхности ножей изучались с помощью рентгеноспектрального микроанализа и растровой электронной микроскопии. Установлено, что исследуемые импортные ножи имеют состав из твердого сплава типа ВК-3. При фрезеровании ламинированных ДСтП инструментом с двухлезвийными ножами с покрытиями TiN значение периода стойкости инструмента увеличивается на 20% в сравнении с инструментом без покрытия. Определен вид износа поверхности кромок твердосплавных ножей фрезерного инструмента как абразивно-химический.
The influence of TiN-coatings surface of cutters mill wood tools on wear of cutters for milling special woods was investigated. The TiN-coatings were formed on surfaces of import cutting inserts of mill tools by the method of condensation from a plasma phase in a vacuum with ion bombardment of surface. The element composition coatings and tools, the surface morphology of cutting tools were studied by X-ray microanalysis and transmission electron microscopy. The phase composition of import cutting tools is a hard alloy with type of WC-3. The tools consist of double-blade cutters with TiN coatings for milling special woods showed growth of wear resistance by 20% in comparison with bare tools. There is abrasive chemical type of wear on surface coating of cutters mill tools.
Введение. В настоящее время в Республике Беларусь наблюдается тенденция расширения ассортимента обрабатываемых материалов на основе древесины. Кроме того, для механической обработки древесины используется только импортный дереворежущий инструмент. Поэтому увеличение периода стойкости как основного показателя ресурса работы применяемого дереворежущего инструмента, создание новых материалов для изготовления отечественного дереворежущего инструмента является актуальной и экономически обоснованной задачей.
В сравнении с используемым ранее способом получения максимального значения периода стойкости дереворежущего инструмента за счет только расчета его рациональной конструкции и геометрии, нахождения оптимальных режимов резания [1] в настоящее время ведущие зарубежные фирмы по производству дереворежущего инструмента (Leitz, АКЕ, JSO, TIGRA, Stark, Gold, Schunk, Faba, LEUCO, KANEFUSA CORPORATION) инструмент для повышения периода его стойкости изготавливают из твердых сплавов или быстрорежущей стали с уникальной конфигурацией, широко применяя также твердосплавные напаенные пластинки [2].
Предлагаемый среди технологических новинок зарубежных компаний дереворежущий инструмент с применением синтетического алмаза, несмотря на привлекательную перспективу его
использования, не всегда находит применение в условиях производства предприятий Республики Беларусь.
Одним из наиболее эффективных материалов для деревообработки с точки зрения износостойкости является нанесение на поверхность зуба твердого сплава на основе карбида вольфрама WC На рынке Республики Беларусь дереворежущего фрезерного инструмента, используемого при обработке древесины и плитных материалов, для изготовления элементов фрез применяются в основном мелкозернистые с низким содержанием связующих компонентов твердые сплавы импортных производителей (табл. 1), что позволяет повысить надежность и стойкость фрез.
Среди наиболее эффективных способов модификации поверхности стальных и твердосплавных лезвий дереворежущих инструментов также является метод конденсации вещества из плазменной фазы в вакууме с ионной бомбардировкой поверхности (КИБ), существенно увеличивающий ресурс работы резцов [3].
Целью данной работы было получение ТК ионно-плазменных покрытий на поверхности лезвий ножей фирмы Ье^ (Германия) фрезерного дереворежущего инструмента, исследование элементного состава импортных ножей, влияния покрытий на износ лезвий инструмента при обработке ламинированных ДСтП.
Таблица 1
Общая классификация твердых сплавов различных фирм производителей
Фирма производитель (страна) Стандарт 180
0,1 0,5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
(Россия) ВК3 ВК3М ВК6
ВП322 ВК8
TIZIT TW10
TW15
TW220
TW20 TW30 TW40
TSM10
TSM20
TSM30
TIGRA T03SMG
T04F T06MF T08MF T10MF T12MF
T06MG T06MG T10MG Tigra
Ceranetal HC05 HC20 HC27
HC35
Ceratizil BC01
BC05 BC10 BC20 TS30
Основная часть. На деревообрабатывающих предприятиях часто сталкиваются с большими трудностями при выборе материала для дереворежущего инструмента. Исходя из каталогов фирм-производителей твердого сплава, можно выделить основные свойства, характеризующие твердые сплавы:
1) размер зерна (табл. 2);
2) количество связующего вещества.
От этих характеристик зависят физико-механические свойства твердого сплава.
Таблица 2 Маркировка зерен твердых сплавов
Установлено, что количество связующего материала (кобальта) влияет на стойкость и восприятие ударных нагрузок. Чем выше содержание кобальта, тем выше предел прочности инструмента.
Несмотря на то, что с увеличением размера зерна улучшается стойкость инструмента, под-
готовка инструмента с небольшими углами заострения становится затруднительной. Снижение размера зерна (при неизменной концентрации связующего вещества) ведет не только к снижению стойкости инструмента, но и к более равномерному износу ножа, что дает возможность более качественно вести подготовку инструмента.
На рис. 1 представлена схема взаимодействия режущего элемента ножа с обрабатываемым плитным древесным материалом.
Рис. 1. Схема взаимодействия режущего элемента фрезы с обрабатываемым материалом
Специфика обработки плитных материалов, в отличие от резания натуральной древесины, заключается в том, что по передней поверхно-сити отсутствует образование стружки [4]. Эта особенность отражается на характере износа режущего элемента (более интенсивная потеря режущей способности по его задней поверхности).
Маркировка Размер зерна, мкм
NG <0,2
UMG 0,2-0,5
SMG 0,5-0,7
MG 0,7-1,0
F 1,0-1,4
MF 1,4-2,5
M 2,5-4,0
C 4,0-10
EC 10>
Из этого следует, что упрочнение режущих элементов следует проводить по их задней поверхности, что позволит, с одной стороны, снизить основной износ ножа, а с другой - сохранить упрочненный слой после восстановления режущей способности.
TiN-покрытия осаждались на поверхность двухлезвийных ножей хвостовых фрез методом КИБ на установке ВУ-1Б «Булат» на кафедре деревообрабатывающих станков и инструментов (ДОСиИ) БГТУ в два этапа - с предварительной обработкой ионами титана в вакууме 10-3 Па при потенциале подложки -1 кВ и последующим нанесением покрытий при токе горения дуги катода 100 А и опорном напряжении -100 В в атмосфере азота при давлении 10-1 Па [5]. Для получения высокой адгезии покрытия к лезвию ножа варьировалось время предварительной ионной очистки и время непосредственного осаждения покрытия. Температура при осаждении покрытия соответствовала 400 - 450°C. Толщина полученных покрытий не превышала 1,5 мкм.
Для выяснения элементного состава импортного инструмента, механизма износа лезвий инструмента и определения периода стойкости ножей с TiN-покрытиями при обработке ДСтП были выполнены с помощью методов рентгеноспектрального микроанализа (РСМА) и растровой электронной микроскопии (РЭМ) на сканирующем электронном микроскопе JSM-5610 LV (Япония) фрактографические исследования морфологии и элементного состава изношенных режущих кромок лезвий инструмента. Лабораторные испытания на износостойкость лезвий ножей сборной фрезы диаметром 21 мм при резании ламинированной ДСтП толщиной 25 мм с двусторонней отделкой пластей проводились на кафедре ДОСиИ БГТУ на обрабатывающем центре ROVER-B 4.35 (Италия) при следующих режимах: частота вращения фрезы - 12 000 мин-1; скорость подачи - 4 м/ мин; припуск - 5,0 мм / проход; толщина стружки на дуге контакта - 0,15 мм; величина длины резания - 10 000 м. Критерием потери режущей способности резца являлось появление сколов отделки плиты.
Ранее установлено, что TiN-покрытия, осажденные методом конденсации вещества из плазменной фазы в вакууме с ионной бомбардировкой поверхности на неперетачиваемые твердосплавные ножи (производство - Германия), имеет ОЦК структуру с текстурой (111), формирование которой связано с ростом зерен в направлении плазменного потока [5].
В результате выполненной работы по формированию TiN-покрытий на поверхности двухлез-вийных ножей инструмента была определена оп-
тимальная геометрия расположения кромок лезвий ножей при осаждении покрытия - поверхность кромок лезвий ножей должна полностью находиться в зоне плазменного потока.
Установлено, что состав испытуемых ножей WC ~ 96%, Со ~ 4% (табл. 3) соответствует твердому сплаву ВК-3.
Таблица 3
Результаты определения состава ножей
Элемент Концентрация, ат. % Погрешность измерения, ат. %
С 32,89 0,22
W 62,86 0,33
Co 4,25 0,34
Согласно данным табл. 1, материал импортного инструмента соответствует мелкозернистому твердому сплаву T03SMG фирмы TIGRA. Использование представленного материала для изготовления фрезерного инструмента, эксплуатируемого при обработке плитных материалов и древесины, обосновано снижением вероятности вырыва зерен карбидов из кобальтовой связки. Это в конечном итоге приводит к повышению надежности дереворежущего инструмента и его периода стойкости.
Исследования морфологии поверхности изношенных кромок лезвий ножей подтверждают вывод о мелкодисперсном характере структуры материала ножей (рис. 2). На основании данных РЭМ можно предположить, что размер зерен Со в структуре материала ножей менее 0,1 мкм.
Рис. 2. РЭМ-изображение поверхности изношенной кромки лезвия ножа
Результаты расчета размеров изношенных кромок ножей при резании плиты (табл. 4), выполненные на основании измерения режущих кромок на РЭМ-снимках (рис. 3), показали, что максимальное значение периода стойкости имеют лезвия ножей с наибольшей полученной толщиной ТШ-покрытия.
Таблица 4
Параметры осаждения Т1К-покрытия и результаты расчета размеров изношенных кромок ножа
Время Время Напыляе- Размеры кромок ножа Ь ха, мкм, Толщина h
№ ионнои осаждения мая при фрезеровании ламинированного TiN-покрытия
ножа очистки TiN-покрытия кромка слоя ДСтП (Ь - задняя кромка ножа, кромки
ножа, с на нож, мин ножа а - передняя кромка ножа) ножа, мкм
1 - - - 245x165 0
2 80 5 задняя 230x145 0,5
3 80 10 задняя 210x140 0,8
6 140 10 задняя 45x34 1,2
Ранее установлено, что рабочая поверхность твердосплавных ножей без покрытия подвержена хрупкому разрушению в виде скалывания и выкрашивания в процессе эксплуатации [6].
б
Рис. 3. РЭМ-изображение поверхности
торца лезвия ножа без покрытия (а), лезвия ножа (№ 3) с Т1К-покрытием (б) после резания ДСтП
На основании полученных РЭМ-снимках изношенных кромок лезвий с ТК-покрытиями (рис. 4) можно заключить, что данные покрытия на поверхности резца не меняют характер износа режущей кромки инструмента.
Рис. 4. РЭМ-изображение изношенного лезвия задней кромки ножа (№ 6) с TiN-покрытием после резания ламинированного ДСтП
Промышленные испытания периода стойкости инструмента с неперетачиваемыми режущими пластинами с TiN-покрытиями, проведенные на ОАО «Минскдрев» (г. Минск) при резании ДСтП, показали увеличение периода стойкости инструмента с покрытиями на 20% по сравнению с резцами без покрытия.
Заключение. Установлено, что испытываемые ножи дереворежущего фрезерного инструмента имеют состав мелкозернистого твердого сплава типа ВК-3 и соответствуют материалу ножей импортного инструмента марки T03SMG фирмы TIGRA (Германия).
В связи с тем, что характер износа ножа связан с более интенсивной потерей режущей способности по его задней кромке, упрочнение режущих элементов необходимо проводить по их задней поверхности, что позволит, с одной стороны, снизить основной износ ножа, а с другой - сохранить упрочненный слой после восстановления режущей способности.
Осажденные методом КИБ TiN-покрытия на импортные двухлезвийные ножи из твердых сплавов типа ВК-3 хвостовых фрез обеспечивают при обработке материалов из ламинированных ДСтП существенное повышение периода стойкости режущего инструмента. Максимальное значение периода стойкости имеют лезвия
а
ножей с наибольшей полученной толщиной TiN-покрытий. Опытно-промышленные испытания модифицированного инструмента с TiN-покры-тиями на ОАО «Минскдрев» (г. Минск) подтверждают актуальность проведенных исследований, а также необходимость повышения периода стойкости и тем самым ресурса работы дереворежущего инструмента.
При резании ламинированных ДСтП двух-лезвийными твердосплавными ножами наблюдается абразивно-химический вид износа поверхности твердосплавных лезвий фрезерного инструмента.
Литература
1. Кузнецов, А. М. Износостойкость твёрдо-сплавного инструмента при обработке ДСТП / А. С. Янюшкин, А. М. Кузнецов // Технология машиностроения. - М.: Издат. центр «Технология машиностроения», 2008. - № 11. - С. 29-31.
2. Каталоги фирм: Leitz, Leuco, Guhdo, Stehle, Faba, Freud. - 2008-2009.
3. Гришкевич, А. А. Влияние ионно-плаз-менных покрытий на износостойкость стальных
резцов при резании древесины на фрезерно-брусующих станках / А. А. Гришкевич, В. В. Чаев-ский // Труды БГТУ. Сер II, Лесная и деревообраб. пром-сть. - 2010. - Вып. XVIII. - С. 348-351.
4. Раповец, В. В. Практические результаты экспериментальных исследований резания древесины двухлезвийными резцами на фрезерно-брусующих станках / В. В. Раповец // Труды БГТУ. Сер II, Лесная и деревообраб. пром-сть. -2008. - Вып. XVI. - С. 205-208.
5. Эффективность применения ТК-, 2гК-, Т-2г-К- и Т>покрытий на твердосплавных резцах при обработке ламинированных древесностружечных плит концевыми фрезами / А. А. Гришкевич [и др.] // Труды БГТУ. Сер. VI, Физ.-мат. науки и информатика. -2008. - Вып. XVI. - С. 52-54.
6. Моисеев, А. В. Контактные явления в микрообласти лезвия при резании древесины и их влияние на природу затупления инструмента: автореф. дис. ... д-ра техн. наук: 05.03.01 / А. В. Моисеев; Моск. гос. ун-т леса. - М., 1983. -С.15-16.
Поступила 19.03.2012
