Надежность дереворежущего инструмента наработка на отказ

Надежность дереворежущего инструмента

Зотов Г.А.

Каждый производственник знает сколько дополнительных забот и материальных потерь доставляет ненадежный инструмент, который быстро теряет остроту или даже разрушается. Однако далеко не все деревообработчики ясно представляют, каков же механизм потери режущей способности инструмента и каковы пути увеличения его стойкости. Более того, в этих вопросах укоренилось много предрассудков и заблуждений, путаницы в терминах. В данной статьи предпринята попытка по возможности просто и доступно рассказать о комплексе проблем, связанных с надежностью дереворежущего инструмента.

Основные понятия
Цель процесса резания - получение изделий требуемой формы и размеров с заданной шероховатостью обработанных поверхностей. Она достигается посредством воздействия на заготовку рабочих орудий, целенаправленно разрушающих связи между частицами обрабатываемого материала по заданной поверхности. Рабочие орудия – традиционные режущие инструменты - имеют лезвия клинообразной формы, непосредственно взаимодействующие с заготовкой и отделяющие стружку. Требуемое качество обработки, минимальные силы и мощность резания достигаются концентрацией напряжений в локальной области обрабатываемого материала, прилегающего к достаточно острому лезвию.

Однако даже тщательно заточенные лезвия не являются абсолютно острыми – их режущие кромки, образованные пересечением передней и задней поверхностей, представляют собой не линию, а переходную поверхность радиуса r₀ (рис. 1). В процессе резания рабочая часть лезвия изнашивается по передней и задней поверхностям и режущей кромке. Чем больше наработка лезвия, тем больше величины радиуса затупления r, износа по передней поверхности l_п, по задней поверхности l_з, укорочение лезвия по биссектрисе угла заточки А_µ. Чаще всего износ сопровождается уменьшением переднего и заднего углов и увеличением радиуса округления лезвия . Перечисленные параметры (l_п, l_з, r и др) служат критериями затупления лезвия. Увеличение параметров затупления сопровождается уменьшением режущей способности лезвия и ухудшением оценочных параметров процесса резания: повышением сил и мощности резания, температуры в зоне резания, вибраций, ухудшением качества обработки (шероховатости обработанной поверхности, длины сколов, точности получаемой детали и т.п.).Событие, когда хотя бы один из параметров затупления или оценочных показателей процесса резания достигает предельно допустимого значения (например, предельно большой радиус затупления r_пред) называют отказом. Предельный радиус затупления на чистовых операциях не превышает обычно 20 – 25 мкм, на черновых может достигать 40-50 мкм. Отказы могут быть постепенными (в результате затупления) и внезапными (в результате поломки инструмента).

Наработка лезвия к моменту отказа, характеризуемая продолжительностью или объемом работы, - основная характеристика надежности. Наработка до отказа, выраженная временем резания, называют периодом стойкости Т, час. Наработка до отказа может выражаться и объемом работы лезвия, например длиной пути резания L_рез, м или погонной длиной обработанных заготовок L_п, м.После отказа инструмент обычно подлежит восстановлению путем заточки или замены отказавшего лезвия. Состояние лезвия, характеризуемое невозможностью или нецелесообразностью его восстановления, называют предельным. Наработка от начала резания новым лезвием до достижения им предельного состояния есть ресурс лезвия. Ресурс, как и наработка, может измеряться суммарным временем (полный период стойкости лезвия) R_T, суммарной длиной пути резания R_L или суммарной длиной обработанных заготовок R_п. Составной режущий инструмент (с неразъемным соединением лезвий из инструментальных материалов с корпусом инструмента), достигший предельного состояния, в ряде случаев может быть подвергнут ремонту. При этом удаляются остатки пластин инструментального материала, зачищаются места под лезвия и на корпусе путем пайки, сварки или склеивания закрепляются новые пластины. Их профилируют, затачивают и отремонтированный инструмент готов к новому циклу работы.

Если измерить наработку до отказа нескольких одинаковых лезвий, мы получим различные значения. Это вызвано многими причинами: неоднородностью структуры и свойств обрабатываемого и инструментального материалов, погрешностями изготовления и установки лезвия, точностью и жесткостью станка, изменением неконтролируемых внешних воздействий на процесс резания, а также погрешностями самих измерений. В реальных производственных условиях разброс значений наработки может достигать 2 и более раз. Поэтому для правильной оценки инструмента и организации его рациональной эксплуатации важно знать не только среднее (из не менее, чем трех одинаковых опытов) значение наработки Тср, но и такие характеристики надежности, как гамма-процентная наработка до отказа Тg (наработка, в течение которой отказ не возникнет с заданной вероятностью g, выраженной в процентах) и установленная безотказная наработка Тy, в течение которой ни у одного лезвия из партии не должен наступить отказ в заданных условиях и при установленных требованиях к обработке.

  Взаимосвязь показателей надежности
  Наработка до отказа лезвия, выраженная временем резания Т, час и объемом работы лезвия (длиной пути резания L_рез, м или погонной длиной обработанных заготовок Lп, м.) связаны простыми зависимостями:
  L_рез = 3600 х Т х V;
L_п = (L_рез х Sz) / l , где   V – скорость главного движения резания, м/с;
  Sz – подача на зуб, мм;
   l – длина стружки, мм.
Ресурс (полный период стойкости) лезвия представляет сумму всех наработок до отказа (периодов стойкости) от начала эксплуатации до предельного состояния и в простейшем случае R_T = Тср х i, где i – допускаемое конструкцией лезвия число его восстановлений (заточек).   Для однолезвийных инструментов (токарных резцов, лущильных и шпонострогальных ножей, однозубых концевых фрез и сверл) все показатели надежности (Тср, L_рез, L_п, R_T, R_L_, R_п_,Тg_,Ту) лезвия и инструмента совпадают. Для многолезвийных инструментов (всех видов пил, большинства фрез и сверл), имеющих Z последовательно расположенных в направлении движения резания лезвий, все показатели надежности инструмента в Z раз больше соответствующих показателей лезвия.

Механизм изнашивания лезвия

Рассмотрим, каким образом древесина и древесные материалы изнашивают лезвия, изготовленные из значительно более твердых и прочных инструментальных материалов - закаленных инструментальных сталей, твердых сплавов и сверхтвердых материалов. Изнашивание – сложный физико-механический процесс отделения от лезвия частиц материала. В зависимости от величины отделяемых частиц различают скол (разрушение за пределами контакта лезвия с обрабатываемым материалом), выкрашивание (разрушение в пределах контакта лезвия с обрабатываемым материалом) и, наконец, истирание (разрушение и отделение частиц материала, сопоставимых с высотой неровностей поверхности лезвия).

Длина контакта стружки с передней поверхностью лезвия при резании древесины обычно не превосходит 0,3 – 0,5 мм. Расчеты показывают, что максимальные растягивающие напряжения в лезвии от силы резания возникают на передней поверхности при резании острым (r = 10 мкм) лезвием. При фрезеровании сосны влажностью 10%, b =40^о, g=30^о на расстоянии 0,3 мм от режущей кромки напряжения растяжения не превышают 160 МПа. Предел прочности на растяжение закаленной инструментальной стали марки Х6ВФ, рекомендуемой для дереворежущих фрез не менее 2000 МПа, а предел выносливости не менне 800 МПа. Даже с учетом возможных всплесков сил резания (перерезание сучков, непостоянство скорости и т.п.) вероятность хрупкого или усталостного разрушения лезвия за пределами контакта с обрабатываемым материалом весьма мала. Скол лезвия возможен лишь при ошибке в выборе марки или значительных дефектах инструментального материала. Такие дефекты могут возникнуть при грубых нарушениях режимов заточки и термообработки инструмента.

Вероятность выкрашиваний лезвия существенно выше. При тех же условиях фрезерования сосны коэффициент запаса хрупкой прочности лезвия составляет около 2. С учетом возможных всплесков контактных нагрузок на передней поверхности при перерезании сучков выкрошины режущей кромки могут появиться уже на первых метрах взаимодействия лезвия с обрабатываемым материалом, а при наработке L_рез= 2…3 км (число циклов нагружения лезвия около 3х10⁶) должно наступить усталостное разрушение лезвия. Для уменьшения вероятности выкрашивания лезвия следует применять более прочные инструментальные материалы и по возможности увеличивать угол заточки b. Так как угол заточки влияет не только на прочность лезвия, но и на величины переднего g и заднего a углов, следует сказать о влиянии этих углов на процесс резания.

Задний угол a обеспечивает зазор между задней поверхностью лезвия и поверхностью резания. С увеличением заднего угла уменьшается площадка контакта лезвия с заготовкой, снижаются силы резания и износ по задней поверхности лезвия, но уменьшается его прочность.

Передний угол g оказывает влияние на направление силы, действующей со стороны передней поверхности лезвия на срезаемую стружку. Большинство видов неровностей (вырывы волокон, ворсистость, глубина концевого скола) тем меньше, чем больше передний угол. Ограничением для увеличения переднего угла, так же как и заднего, служит одновременное уменьшение угла заточки b.

Истирание является результатом сложного процесса механического и физико-химического взаимодействия рабочих поверхностей лезвия с обрабатываемым материалом. В соответствии с усталостной теорией изнашивания, лезвие рассматривают как жесткое шероховатое тело, а обрабатываемый материал как упруго-пластическое тело. Их контакт является дискретным, реализующимся только на максимальных выступах рабочей поверхности лезвия. Каждый такой выступ находится в сложном напряженном состоянии: перед ним существует зона сжатия, а за ним – растяжения. В результате относительного перемещения трущихся поверхностей возникает многократно повторяющийся знакопеременный цикл нагружения материала на поверхности лезвия. С каждым циклом в поверхностном слое накапливаются повреждения, ослабляющие инструментальный материал и приводящие в итоге к отделению выступа. Интенсивность изнашивания истиранием зависит главным образом от величины нормального давления на контактирующих поверхностях, механических свойств инструментального материала (модуля упругости, временного предела прочности и предела выносливости при знакопеременном нагружении), шероховатости поверхности лезвия и коэффициента трения лезвия по обрабатываемому материалу. Величина нормального давления тем выше, чем больше плотность обрабатываемого материала и ближе к режущей кромке расположен рассматриваемый участок лезвия. Механические свойства материала лезвия определяют его химический состав, структура и режим термообработки. Начальная шероховатость рабочих поверхностей лезвия формируется при его заточке и обычно меняется во времени. Начальный период взаимодействия контактирующих поверхностей называют этапом приработки (рис.2).

Если начальная шероховатость велика, то в контакте участвует относительно небольшое количество максимальных выступов. Фактические напряжения на них велики, что приводит к интенсивному разрушению наибольших выступов и сглаживанию рабочей поверхности лезвия. В результате коэффициент трения, температура в зоне контакта и интенсивность истирания уменьшаются. При слишком гладкой исходной поверхности на трение начинают оказывать влияние молекулярные силы сцепления поверхностей, что приводит к их схватыванию, повышению интенсивности износа и образованию более высоких выступов. Опыты показывают, что в процессе приработки рабочая поверхность лезвия стремится к некоторой равновесной шероховатости, обеспечивающей минимальный коэффициент трения для данной пары трущихся материалов. При неизменных условиях трения в период стационарного изнашивания, наступающий после приработки, равновесная шероховатость воспроизводится на всем дальнейшем процессе работы инструмента. Чем ближе исходная шероховатость к равновесной, тем короче этап приработки и меньше величина износа лезвия.  При взаимодействии с обрабатываемым материалом, особенно при высоких скоростях резания и прерывистых процессах, лезвие нагревается неравномерно. Это служит причиной циклических термических напряжений, которые, суммируясь с механическими напряжениями от сил резания, увеличивают интенсивность затупления лезвия. Нагрев лезвия выше температуры теплостойкости (красностойкости) приводит к разупрочнению инструментального материала. Нагрев древесины может приводить к ее деструкции, что в свою очередь требует учета химический явлений на контактирующих поверхностях. Так, насыщение поверхностных слоев лезвия водородом делает инструментальный материал более хрупким и резко снижает его прочностные характеристики.
  Пути повышения наработки дереворежущего инструмента.
Полученные сведения о механизме изнашивания лезвия позволяют сделать очевидный вывод о том, что решающее влияние на стойкость лезвия оказывают свойства инструментального материала.   С целью улучшения структуры и физико-механических свойств инструментальных материалов в зоне, примыкающей к режущей кромке, где собственно и происходит изнашивание лезвия, разработан ряд методов локальной упрочняющей обработки. Они подробно описаны и проанализированы в книге Г.А.Зотова и Е.А.Памфилова “Повышение стойкости дереворежущего инструмента” (издательство “Экология” 1991 г.). Однако прогресс в области порошковой металлургии, главным образом в производстве твердых сплавов, снизил сегодня актуальность работ по локальной упрочняющей обработке. Уникальное сочетание твердости, прочности и теплостойкости при вполне приемлемых ценах делает сегодня твердые сплавы оптимальным материалом для изготовления почти всех станочных дереворежущих инструментов. Существует два ограничения для использования твердых сплавов в дереворежущем инструменте. Их не следует применять в инструментах, требующих малых углов заточки b<45⁰ (например, ножи для лущения и строгания шпона). Кроме того, пластины твердого сплава не удается применять в тонких инструментах (например, в рамных и ленточных пилах) в связи с трудностями закрепления пластин на тонких полотнах. В этом случае получили достаточно широкое применение литые твердые сплавы.

Следует признать безнадежно устаревшим предвзятое отношение к твердым сплавам некоторых старых деревообработчиков. Не случайно, многие из них до сих пор называют любой твердый сплав “Победит”, по наименованию первой отечественной торговой марки твердого сплава. Первые марки твердых сплавов действительно были как правило крупнозернистыми и недостаточно прочными. Инструменты, оснащенные этими твердыми сплавами, не удавалось качественно заточить имевшимися в то время абразивными и алмазными кругами. Радиус округления режущей кромки заточенного твердосплавного лезвия r₀ не удавалось получить менее 10-15 мкм. Таким образом, твердосплавные инструменты начинали работать уже притупленными по сравнению со стальными, радиус округления лезвия которых r₀ < 5 мкм. Качество обработанной поверхности, особенно при резании древесины мягких пород, зачастую не удовлетворяло предъявляемым требованиям. За прошедшие десятилетия технология изготовления твердых сплавов значительно усовершенствована, особенно ведущими зарубежными фирмами. Свойства двух из перечисленных в марок твердых сплавов фирмы ”SANDVIK”, H10F и H6N , это наглядно подтверждают. Лезвия, выполненные из этих марок твердого сплава и заточенные современными алмазными кругами на оптимальных режимах, по начальной остроте не уступают стальным, а по стойкости на порядок превосходят их. Следует сказать, что твердые сплавы с аналогичными механическими свойствами выпускает целый ряд зарубежных фирм. Заточка и доводка инструмента на оптимальных режимах, - важное направление повышения надежности инструмента.

Из перечисленных в таблице режимов шлифования (окружной скорости круга Vг, скорости подачи Vs, поперечной подачи Vп) наибольшее влияние на качество заточки оказывает величина поперечной подачи. К сожалению, этот параметр чаще всего и не соблюдается неопытными заточниками. Работоспособность шлифовальных кругов и качество заточки существенно повышаются при непрерывной подаче в зону шлифования смазочно-охлождающих жидкостей (СОЖ). При заточке стальных лезвий кругами из электрокорунда 14А или 24А на керамической связке (К) в качестве СОЖ используют воду с добавкой 2-3% кальцинированной соды или буры. Чаще применяют круги на бакелитовой (Б) связке, оказывающей полирующее действие на лезвие. В составе СОЖ в этом случае щелочные добавки не должны превышать 1,5%. При заточке и доводке стальных фрез эльборовыми кругами КНБ используют воду с добавлением 1% нитрита натрия и 2% нитрата натрия. При заточке и доводке твердосплавных лезвий кругами из синтетических алмазов АСО, АСП и др.марок на бакелитовой связке используют воду с добавлением 0,5% сульфинированного касторового масла, 0,6% тринатрийфосфата, 0,5% буры и 0,25% азотнокислого натрия.
На лезвии стального инструмента, даже заточенного и доведенного на оптимальных режимах абразивными или эльборовыми кругами, остается заусенец. Он должен быть удален до начала работы, иначе уже на первых метрах лезвия в обрабатываемом материале произойдет выламывание заусенца вместе с прилегающим участком режущей кромки. Обычно заусенцы снимают вручную эльборовыми или алмазными брусками. Это трудоемкая, требующая высокой квалификации заточника операция. При ее выполнении крайне трудно избежать заваливания режущей кромки. Более предпочтительно электрохимическое полирование лезвия, описанное в уже упомянутой книге “Повышение стойкости дереворежущего инструмента”. Достоинством электрохимического полирования кончика лезвия является не только его технологичность, но и то, что одновременно с удалением заусенца формируется шероховатость рабочей части лезвия, близкая к равновесной. При этом достигается существенное увеличение наработки лезвия и инструмента в целом (см. рис.2). Следует признать, что сегодня квалификация заточников, наличие и состояние заточного оборудования на большинстве деревообрабатывающих производств таковы, что не позволяют качественно вести заточку режущего инструмента. Налаживать качественную подготовку традиционных видов инструмента, особенно на малых и средних предприятиях, сегодня крайне сложно и в большинстве случаев экономически не целесообразно. Более приемлемым представляется заключение деревообрабатывающими предприятиями договоров на заточку и ремонт инструмента со специализированными инструментальными организациями, а также более широкое применение инструментов с неперетачиваемыми пластинами твердого сплава.

надежность

Рис.1 Параметры затупления лезвия

фрезы по дереву

Рис. 2 Изменение параметров затупления лезвия в процессе работы

Пишите:sae@sae.kiev.ua Звоните: +380 (67) 504-64-49 или +380 (50) 377-85-09

О надежности дереворежущего инструмента

Надежность инструмента

Надежность дереворежущего инструмента

Механизм изнашивания лезвия