ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА СПОСОБА УПРОЧНЕНИЯ ДЕРЕВОРЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА, РАБОТАЮЩЕГО В СЛОЖНЫХ УСЛОВИЯХ
Сиваков В.В. (БГИТА, г.Брянск, РФ)
The analysis of methods of hardening processing for the instrument treating timber is given. The informations about application of a new method of hardening are resulted.
Повышение надежности дереворежущего инструмента является одной их важнейших задач, решение которой способствует достижению более высокой эффективности производства. Особенно актуальна эта задача для инструментов, эксплуатируемых в сложных условиях (воздействии отрицательных температур, агрессивных сред, резких температурных перепадов и т.д.), когда интенсивность изнашивания инструмента резко возрастает.
Снижение сопротивляемости инструмента изнашиванию в указанных условиях связано с изменением под действием отрицательных температур физико- механических свойств древесины и материала инструмента. При этом затупление режущего инструмента существенно интенсифицируется вследствие снижения пластических свойств инструментального материала и может протекать, главным образом, за счет возрастания микровыкрашивания и сколов. Кроме того, происходит рост нагрузки на лезвие из-за увеличения прочностных характеристик древесины, что также способствует повышению интенсивности изнашивания. Дополнительный рост хрупкости режущей части инструмента происходит в результате насыщения рабочих поверхностей водородом за счет активного воздействия продуктов деструкции древесины. В связи с вышеизложенным важно выбрать эффективные методы упрочняющей обработки для указанных условий эксплуатации инструмента.
Возможность применения тех или иных методов повышения износостойкости инструмента тесно связана как с условиями работы инструмента, так и размерами инструмента. Выбор метода упрочняющей обработки основывается на тщательном анализе процессов, происходящих в поверхностном упрочняемом слое. Так, достаточно перспективные для металлообрабатывающего инструмента методы ХТО являются мало приемлемыми для дереворежущего инструмента из-за сложности упрочнения инструмента больших габаритных размеров, а применение твердых сплавов практически не дает эффекта из-за высокой хрупкости последних. Это происходит вследствие того, что дереворежущий инструмент работает в условиях динамически изменяемых нагрузок, а вязкость разрушения твердых сплавов очень низкая.
Перспективным является ионно-плазменное напыление инструмента, однако оно мало приемлемо для инструмента, работающего в указанных условиях (пильные цепи переносных и машинных пил, рамные и круглые пилы) из-за больших габаритных размеров инструмента (камеры установок имеют небольшой размер).
Тоже можно сказать и о методах поверхностно-пластического деформирования для инструментов, имеющих сложную форму режущей части.
Для достижения высокой надежности и износостойкости дереворежущего инструмента весьма перспективными являются методы, основанные на обработке поверхностей с использованием концентрированных потоков энергии. Воздействие высоких энергий на поверхностные слои позволяет направленно и в существенной степени изменять их свойства, обеспечивая гибкое изменение формируемых характеристик при переходе граничных зон между локальными участками рабочих поверхностей.
Среди этих методов вызывают интерес электроискровое упрочнение и плазменная обработка. Насыщение поверхностных слоев при электроискровом легировании карбидо- и нитридообразующими элементами, например, хромом, молибденом и вольфрамом, препятствует диффузии водорода в глубь металла. Однако возникающие в процессе электроискрового воздействия дефекты поверхности и повышенная ее шероховатость делают затруднительным использование упрочненного инструмента без последующей финишной обработки.
Плазменное упрочнении, основанное на высоких скоростях нагрева металла в зоне падения луча и последующей закалке, формирует тонкий поверхностный слой, обладающий повышенными значениями микротвердости. В расположенном же под ним слое материала достигаются высокие пластические свойства. Кроме того, в поверхностном слое происходит существенное измельчение размеров зерен.
Однако, при работе инструмента в рассматриваемых условиях повышения стойкости каждым методом в отдельности недостаточно. Для снижения отрицательного влияния от совместного действия климатически низких температур и наводораживания можно предложить проведение предварительного электроискрового легирования и последующей плазменной обработки. При этом происходит формирование поверхностного слоя, насыщенного легирующими элементами, повышающих износостойкость и обеспечивающих защиту от проникновения водорода нижележащего слоя металла, обладающего более высокими пластическими свойствами, способствующими снижению микровыкрашивания режущей кромки.
Плазменный нагрев после электроискрового легирования приводит к диффузии легирующих веществ на большую глубину, что снижает степень воздействия температуры на пластические свойства материала. При этом каждый цикл плазменного нагрева приводит к дополнительной диффузии легирующих элементов в глубь металла, увеличивается степень дисперсности микроструктуры и достигается более равномерное распределение карбидов в массе основного металла. Время воздействия плазменной струи на поверхность металла должно быть мало, чтобы не допустить ее оплавления, а также роста зерен металла. Толщина упрочненного слоя будет определяться скоростью нагрева и охлаждения, достигаемой температурой, временем нагрева.
Полученные теоретические предпосылки проверялись на образцах рамных пил из стали 9ХФ. Величиной, характеризующей тепловой режим плазменного нагрева была принята погонная мощность плазменной струи, определяемая по формуле
;
где Qn- погонная мощность плазменной струи, кДж/см; q- эффективная мощность плазменной струи, кДж; v- скорость перемещения плазмотрона относительно упрочняемой поверхности, см/c; I- сила тока, А; U- напряжение, В; h- коэффициент плазменного нагрева.
Величиной погонной мощности плазменной струи варьировали за счет изменения силы тока. Плазменный нагрев происходил на установке «Plasma-Technik» (Швейцария) при следующих режимах: напряжение на плазмотроне 45-50 В, ток 180-300 А, расстояние от упрочняемой поверхности до плазмотрона 8-10 мм, скорость перемещения пилы относительно плазмотрона 8-9 см/с.
Установлено, что с увеличением погонной мощности микротвердость и размеры зоны упрочнения увеличиваются, при этом размеры зерен снижаются и формируются микронапряжения сжатия.
Производственные испытания рамных пил при пилении мерзлой древесины сосны подтвердили эффективность предложенного способа упрочнения для дереворежущего инструмента, работающего в сложных условиях.