МЕХАНИЗМЫ ИЗНАШИВАНИЯ ИНСТРУМЕНТОВ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ДРЕВЕСНЫХ МАТЕРИАЛОВ

 

Прозоров Я.С. (БГИТА, г. Брянск, РФ)

 

According to its properties and behaviour wood composite materials are the difficult-to-machine materials since materials possess a low cutability and fabricability. Therefore the instruments for this material processing have low wearlessness. The article is devoted to detailed description of mechanisms of wear process of working tools at manufacturing products from wood composite materials.

 

Мировая индустрия, повинуясь требованиям современной промышленной экологии, постепенно переходит на работу с восстанавливаемыми ресурсами, таким образом в перспективе расширение использование древесных композитов очевидно. Потеря работоспособности инструментов деревообрабатывающего оборудования происходит в основном по причине достижения предельного износа. Сложность механизма изнашивания не позволяет в настоящее время дать однозначную трактовку его закономерностям. Соответственно проблему изнашивания инструментов при обработке  древесных композиционных материалов можно назвать актуальной.

В процессе эксплуатации зафиксированы следующие виды отказов рабочих инструментов:

o    механический (боковой и/или торцевой) износ матрицы и/или пуансона;

o    микровыкрашивание поверхности;

o    макросколы кромок (хрупкое разрушение);

o    смятие (пластическое деформирование) кромок;

o    механическое разрушение (поломка) пуансона и/или матрицы.

Механический износ, который связывают с усталостным поверхностным разрушением, является результатом процесса, названного разными авторами постепенным или установившимся изнашиванием.

Важно провести количественную границу между первыми тремя разновидностями отказов. Можно полагать, если углубления, образующиеся на кромке вследствие отделения продуктов износа, не превышают R_max микрорельефа кромки, то изнашивание носит постепенный характер. Если отделяемая частица более R_max, но меньше радиуса округления кромки, то можно говорить об изнашивании путем микровыкрашивания. Повреждения, превышающие радиус округления, следует относить к сколам[1].

Смятие кромок наблюдается, как правило, при использовании штампов с пониженной твердостью рабочих элементов, а также при установлении температурно-скоростных условий штамповки, оптимальных для пластической деформации материала пуансона или матрицы.

Механическое разрушение рабочих элементов штампа может быть вызвано превышением предела прочности материала штампа или иметь усталостный характер.

В операциях штамповки и прессования древесных композиционных материалов рабочие части подвергаются следующим видам изнашивания: абразивному, усталостному, коррозионно-механическому, окислительному, водородному, электроэрозионному, и в некоторых случаях адгезионному.

Абразивное - механическое изнашивание материала в результате режущего или царапающего действия твердых тел или твердых частиц. Присутствие признаков абразивного воздействия на инструментальные материалы следует отнести, главным образом, к влиянию содержащихся  в наполнителях минеральным компонентам и других достаточно твердых составляющих ДКМ. Это отмечает А.Э.Грубе, который зафиксировал абразивный износ при обработке древесных пластиков. Такой износ обусловлен наличием в зоне контакта клеевых прослоек и кристаллических веществ из состава пропитки. При обработке древесно-металлических композиционных материалов абразивный износ вызван присутствием в зоне контакта дисперсной металлической фазы. Также абразивное изнашивание возможно при попадании в зону контакта инородных частиц.

Усталостное — механическое изнашивание в результате усталостного разрушения при повторном деформировании микрообъемов материала. Изнашивание инструментов при обработке ДКМ в условиях, когда процессы, протекающие в зоне контакта, не приводят к диффузионному насыщению рабочих поверхностных слоев, носит главным образом усталостный характер. В основу расчетов такого вида изнашивания может быть положена молекулярно-механическая теория, разработанная под руководством И.В.Крагельского.

Особенностью изнашивания является то, что в трении, с одной стороны, участвует постоянная поверхность инструмента, а с другой – непрерывно обновляющийся слой обрабатываемого материала. Это приводит к тому, что на определенный объем инструментального материала действует многократно изменяющаяся нагрузка, причем закономерности изменения нагрузки обусловлены характеристиками контакта.

В соответствии с основными видами контактного взаимодействия твердых тел различают фрикционную усталость при упругом контакте (аналогичную многоцикловой усталости) и малоцикловую усталость при пластическом контакте.

Коррозионно-механическое — изнашивание в результате механического воздействия, сопровождаемого химическим и (или) электрохимическим взаимодействием материала со средой. В химических и электрохимических реакциях, протекающих в зоне контакта инструмента с обрабатываемым материалом, участвуют продукты механической и термической деструкции фаз древесного композиционного материала.

При механической деструкции полимерных цепочек веществ, входящих в состав древесины (целлюлозы, лигнина и пр.), возникают свободные радикалы — обрывки молекул, обладающие способностью вступать во взаимодействие с материалом инструмента. В результате образуются химические соединения, слабо связанные с металлической поверхностью и легко выносящиеся из зоны трения в виде продуктов изнашивания.

Воздействии продуктов деструкции на рабочие элементы штампа способствует появлению и протеканию коррозионных процессов. В результате накопления коррозионных повреждений в поверхностных слоях могут возникать микротрещины, являющиеся источником хрупкого повреждения. При этом свойственная инструментам неравномерная коррозия оказывает большее влияние на сопротивляемость хрупкому разрушению, чем равномерная.

Например, у сталей с пределом прочности σ_в=12-15 Гпа местная коррозия приводит к снижению на 20-30% и более разрушающих напряжений.

Окислительное изнашивание— коррозионно-механическое изнашивание, при котором преобладает химическая реакция материала с кислородом или окисляющей средой[3].

К. И. Демьяновский указывает на возможность образования на контактных поверхностях окисных пленок толщиной 0,2... 1,0 мкм вследствие взаимодействия инструментальных материалов с кислородом воздуха и другими активными средами. Процесс поверхностного окисления интенсифицируется действием повышенных температур, при которых увеличивается пластичность металла и создаются условия для ускорения диффузионных явлений. В ряде случаев происходит химическое вытравливание отдельных структурных составляющих инструментального материала[1].

Электроэрозионное изнашивание — изнашивание поверхности в результате воздействия зарядов при прохождении электрического тока. В процессе обработки ДКМ происходит электризация поверхностей рабочих инструментов и обрабатываемого материала. При образовании новых поверхностей древесины происходят разрывы молекулярных связей и на поверхностях раздела обнажаются полярные концы. Вероятности появления положительного и отрицательного заряда в каждой молекуле одинаковы, поэтому образуется большое число заряженных точек со случайным распределением зарядов. На кромках матрицы и пуансона возникает аналогичная совокупность распределения зарядов, но с противоположными знаками. Эти заряды перемещаются вдоль поверхностей рабочих элементов штампа сопряженно материалу штампуемой детали. Однако величина этих зарядов мала, и их действие может быть заметным только при появлении условий накопления электричества[2].

Одновременно за счет деформации древесины возникают пьезозаряды, величина и знак которых зависят от направленности и величины давления на древесину. На поверхностях резца индуцируются заряды обратного знака, поэтому система заготовка — штамп превращается в конденсатор. Величина пьезозарядов снижается по мере удаления от кромки, и если она не падает до нуля на последней стадии штамповки, то в этот момент возможно возникновение искрового заряда.

Кроме того, на поверхностях фрикционного контактирования древесного композиционного материала и рабочих кромок образуются трибозаряды, величина которых зависит от свойств древесного композита, давления в контакте, скорости и пути скольжения. Эти заряды возрастают на пути от рабочей кромки до момента прекращения контактирования рабочих элементов и обрабатываемого материала. Искровой заряд здесь более вероятен, чем при действии пьезозарядов.

Пьезо- и трибозаряды, суммируясь на поверхностях скольжения, образуют электрическую систему, в которой следует ожидать токов нейтрализации и искровых разрядов.

Наряду с электрическими явлениями в процессе штамповки происходят и сложные электрохимические процессы. Возможность их реализации обусловлена присутствием в зоне контактирования обрабатываемого материала и поверхностей рабочих элементов штампа электропроводящих жидкостей. Такими жидкостями являются влага, выдавленная из одной из фаз композита и обладающая повышенной кислотностью, или жидкая составляющая продуктов деструкции древесного композиционного материала. Действие тока в присутствии указанных сред вызывает электрохимические реакции. Электродами в этом случае могут служить материал штампа и обрабатываемый композит или же структурные составляющие обоих материалов.

Для таких электрохимических реакций характерно постоянное возобновление электролита, что во много раз увеличивает скорость электрохимических процессов. Микрогальванические пары на поверхности инструментального материала могут образовываться между одноименными зернами с различной ориентацией кристаллической решетки или между зернамb с одинаковой ориентацией кристаллической решетки, но находящимися в разном напряженном состоянии. Напряжения, действующие в  рабочей кромке, интенсифицируют электрогальванические процессы.

Водородное изнашивание — процесс изнашивания металлического элемента пары трения, вызванный изменением свойств поверхностных слоев вследствие поглощения металлом водорода[3] .Установлено, что при обработке древесины происходит насыщение материала инструмента газообразными веществами, такими, как водород, кислород, азот. При этом наиболее существенно влияет на износостойкость водород. Наводороживанис инструментальных материалов может происходить за счет действия ионов водорода, выделяющихся при катодной поляризации или при диссоциации газообразного водорода в условиях повышенных температур и давлений в зоне контакта. При этом присутствующая в контакте влага действует как катализатор. В зависимости от степени нагрева инструмента водород может быть непосредственным продуктом деструкции древесной или иной фазы, либо выделяться при химических реакциях, в которых принимают участие соединения, являющиеся продуктами термического разложения обрабатываемых материалов (углеводороды, спирты, альдегиды и др.). Например, при повышенных температурах могут протекать химические реакции, основанные на термическом разложении углеводородов или на процессах конверсии углеводородов и окиси углерода, в результате чего образуется водород: СН₄+Н₂0->СО+ЗН₂, СО+Н₂О->СО₂+Н₂, С₂Н₂->2С+Н₂. Кроме того, при адсорбции углеводородов на поверхности металлов возможно образование полимерных структур с выделением свободного водорода.

Адсорбирующиеся на поверхности ионы скапливаются в местах выхода на поверхность дислокаций, межфазовых границ, неупорядоченных образований и т.п. При этом существенное влияние на скорость диффузии водорода в инструментальную сталь оказывают твердость, шероховатость, остаточное напряженное состояние и некоторые другие характеристики рабочих поверхностных слоев.

При достаточно большой концентрации водорода состояние насыщения решетки металла водородом достигается сравнительно быстро. Затем ионы водорода частично выходят из пересыщенной решетки стали в межзеренное пространство или на поверхности микротрещин, пустот, неметаллических включений, где при сравнительно невысокой температуре происходит молизация водорода. Вследствие этого в замкнутых местах выхода водорода создаются высокие давления, приводящие к образованию напряженного состояния в решетке, деформации, нарушению сплошности металла, образованию трещин и расслаиванию. Диффузия водорода ускоряется напряженным состоянием поверхностных слоев от сил резания и трения.

Кроме диффузионного механизма проникновения водорода в пустоты, существует предположение о перемещении водорода вместе с дислокациями, движущимися под действием приложенных извне напряжений. Водород при этом перемещается быстрее и на большие расстояния, чем при диффузии, пробуждаемой градиентом концентрации.

При наводороживании сталей свободный водород вступает в реакцию гидрирования с карбидами Fe₃С. Вследствие этой реакции, начинающейся при температуре 240...330 ^oС, происходит превращение цементита Fe₃С в мелкодисперсный феррит с образованием метана. В результате уменьшения концентрации карбидов в стали ухудшаются многие ее характеристики, в том числе и износостойкость. Образовавшийся метан не способен диффундировать через решетку металла, поэтому образует раковины внутри металла, что приводит к его растрескиванию.

Кроме того, взаимодействие водорода с окисными пленками, защищающими во многих случаях металл от фрикционного повреждения, вызывает их разрушение, что также интенсифицирует изнашивание инструмента.

Адгезионное изнашивание проявляется при отсутствии смазочных пленок и  поверхностных структур, локализующих линии пластического течения в тонких поверхностных слоях. Данный вид изнашивания может встречаться при обработке давлением изделий из древесно-металлических композиционных материалов.

Исследователями предложен ряд методик оценки изнашивания рабочих инструментов, однако большинство работ из них описывают обработку металлических материалов и применимы к конкретному частному случаю, зачастую носят полуэмпирический характер. Можно сказать, что задача теоретического определения износостойкости рабочих элементов при обработке деталей из древесных композиционных материалов и прогнозирование периодов их стойкости весьма сложна. Она вряд ли может быть решена на основе сведений, которыми располагает на сегодняшний день наука и практика. Это связано с тем, что изнашивание рабочих элементов вызывается проявление большого числа механизмов. При этом условия реализации каждого из них четко не выявлены, нет и надежных сведений о факторах, определяющих интенсивность изнашивания по различным механизмам. Особенно сложными являются расчеты при одновременном проявлении нескольких механизмов, которые вносят сопоставимый вклад в достижении величин износа инструментов. Поэтому разработка расчетных методов для определения износа рабочих элементов при изготовлении изделий из древесных композиционных материалов, по-видимому, явится задачей будущих исследований.

К настоящему моменту наиболее перспективными решениями задачи прогнозирования изнашивания рабочих инструментов являются системы с искусственным интеллектом – экспертные системы и модели на нейронных сетях[2].

Литература

1.    Зотов, Г.А. Повышение стойкости дереворежущего инструмента / Г.А.Зотов, Е.А. Памфилов. –М. : Экология, 1991.- 304 с.

2.    Пыриков, П.Г. Повышение стойкости инструментов для деревообработки. /П.Г. Пыриков. –Брянск: БГИТА,2009. – 210 с.

3.    Чичиндзе, А.В. Основы трибологии (трение, износ, смазка): Учебник для технических вузов. -2-е изд.,перераб. и доп./ А.В.Чичинадзе, Э.Д.Браун, Н.А.Буше и др.; Под общей редакцией А.В.Чичинадзе. –М.:Машиностроение,2001. – 664 с.