Владимирович износостойкость режущего инструмента при обработке композиционных материалов на древесной основе
На правах рукописи
_______________
АБРАЗУМОВ Владимир Владимирович
ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА
ПРИ ОБРАБОТКЕ КОМПОЗИЦИОННЫХ
МАТЕРИАЛОВ НА ДРЕВЕСНОЙ ОСНОВЕ
05.21.05 – Древесиноведение, технология
и оборудование деревообработки
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание учёной степени
доктора технических наук
Москва – 2009
Работа выполнена в ГОУ ВПО
"Московский государственный университет леса"
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
Станислав Николаевич Рыкунин
доктор технических наук, профессор
Евгений Анатольевич Памфилов
доктор технических наук, профессор
Анатолий Константинович Прокопенко
Ведущая организация – ОАО "Мегаполис инструмент"
Защита состоится « » июня 2009 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.146.03 при ГОУ ВПО "Московский государственный университет леса" в ауд. 1222 по адресу: 141005, Московская область, Мытищи-5.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУЛ.
Автореферат разослан « » марта 2009 г.
Учёный секретарь диссертационного совета,
доктор технических наук, профессор Б.М. Рыбин
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. В рамках национальной программы, направленной на решение жилищной проблемы в стране, правительством Российской Федерации уделяется большое внимание развитию малоэтажного строительства и, в первую очередь, деревянного домостроения. Реализация намеченной программы предполагает широкое использование как натуральной древесины, прошедшей глубокую стадию переработки, так и созданных на её основе экологически чистых композиционных материалов, производство которых успешно осваивается и будет неуклонно расширяться в будущем. Несомненным достоинством этих материалов является легкость получения большого их ассортимента с требуемыми физико-механическими и потребительскими свойствами и, не менее важным, возможность использования древесных отходов и низкокачественной древесины, которая непригодна в фанерном производстве и лесопилении.
На деревообрабатывающих производствах древесные композиционные материалы подвергаются различным видам механической обработки с использованием современного высокоавтоматизированного оборудования, эффективность работы которого существенно зависит от стойкости и надежности режущего инструмента. В связи с этим инструмент должен обладать высокими эксплуатационными характеристиками и в полной мере обеспечивать возрастающие требования к точности и качеству обработки в условиях высокопроизводительного резания. Поэтому в настоящее время проблема создания эффективных и надежных режущих инструментов для обработки широкой гаммы композиционных материалов на древесной основе является весьма актуальной. Успешное решение этих задач требует
комплексного подхода, который предполагает как создание высококачественного инструмента на стадии его производства, так и высокий уровень подготовки его в доэксплуатационный период и строгое соблюдение технологических требований в процессе эксплуатации.
Уровень показателей стойкости и надежности режущего инструмента определяется, в первую очередь, характеристиками физико-механических свойств инструментального материала, в связи с чем направление, связанное с совершенствованием и разработкой новых материалов, было и остается определяющим. Тем не менее, инструментальные материалы, обладающие высокой твердостью и износостойкостью при резании неметаллических материалов, могут быть далеко неэффективны при обработке композиционных материалов на древесной основе, что связано с особенностями их строения и свойств. Поэтому исследования обрабатываемости резанием древесных композитов с целью выбора износостойкого инструментального материала для режущей части инструмента являются востребованными в настоящее время.
Комплексные научные исследования в области резания древесных композитов практически не проводятся с середины 90-х г.г. прошлого века. Необходимость таких исследований в настоящее время вызвана потребностью обработки современных композиционных материалов, недавно появившимся на отечественном рынке, и отсутствием обоснованных рекомендаций по выбору материала инструмента и режимов обработки. Кроме того, успехи, достигнутые в области материаловедения при создании наноструктурных инструментальных материалов, которые обладают высокими физико-механическими и эксплуатационными свойствами и представляют несомненный интерес для оснащения ими дереворежущего инструмента, предопределяют направление исследований их режущих свойств в этой области.
Успешное решение задач, связанных с повышением стойкости и надежности режущего инструмента, неразрывно связано с дальнейшей разработкой теории процесса резания древесных композитов, более глубоким изучением физических явлений, протекающих на контактных поверхностях режущей части резца, выявлением кинетики изнашивания различных видов инструментальных материалов и факторов, определяющих их износостойкость, и поиск путей повышения работоспособности инструментальных систем. В связи с этим тема диссертационной работы является актуальной.
Цель работы: разработать структурные модели гетерофазных транстропных и трансверсально изотропных древесных композиционных материалов, на их основе представить модели процессов взаимодействия отдельных структурных составляющих с функциональными поверхностями режущей части инструмента, выявить основные факторы, влияющие на формирование механизмов изнашивания различных инструментальных материалов, и наметить пути повышения стойкости и работоспособности режущего инструмента.
Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:
1. Разработать структурные модели композиционных материалов с позиции влияния их структурных составляющих на физические явления в зоне резания и на микроконтактных площадках режущей части инструмента.
2. Разработать математическую модель тепловых явлений, сопровождающих процесс резания древесных композиционных материалов с учётом их структурных особенностей. На основе численных экспериментов, выполненных на математической модели, произвести анализ влияния на распределение температуры на активных поверхностях режущего клина теплофизических свойств инструментального и обрабатываемого материалов резания, структуры древесных композитов и режимов резания.
3. Рассмотреть явления, протекающие на микроконтактных площадках режущего клина в процессе резания, и разработать модели взаимодействия структурных составляющих инструментального и обрабатываемого материалов.
4. Исследовать кинетику изнашивания микроповерхностных слоев инструментального материала на контактных площадках режущего клина и выявить влияние тепловых процессов в зоне резания на формирование механизмов изнашивания для различных марок инструментальных материалов.
5. Исследовать влияние параметров морфологического строения инструментальных материалов на формирование механизмов изнашивания контактных поверхностей режущего клина и их износостойкость.
6. Разработать требования к инструментальным материалам, которые должны обеспечивать высокую износостойкость и надежность инструмента при резании композиционных материалов на древесной основе, и наметить пути их реализации.
7. Провести экспериментальные исследования режущих свойств инструментальных материалов различных марок для изучения влияния параметров их структуры на износостойкость.
8. Выполнить сравнительный анализ стойкости различных марок инструментальных сплавов для условий резания наиболее труднообрабатываемых древесных композитов на основе минерального вяжущего (ЦСП).
Методы исследования. Исследования выполнены на базе комплексного использования современных достижений математической физики в области описания тепловых явлений в процессах резания, средств вычислительной техники, экспериментов при обработке резанием древесных композитов различными инструментальными материалами, методов рентгеноструктурного и фазового анализа изнашиваемых поверхностей режущей части инструмента.
Научная новизна выполненной работы заключается в следующем:
Предложена математическая модель тепловых явлений процесса резания древесных композиционных материалов, учитывающая особенности структуры этих материалов. Детальный анализ структурных особенностей древесных композитов позволил выявить механизмы взаимодействия каждого компонента с контактными поверхностями режущего инструмента, установить местоположение источников и стоков теплоты и схематизировать их. С помощью численных экспериментов, проведённых на математической модели, выявлены факторы, определяющие формирование механизмов изнашивания различных инструментальных материалов и влияние на них режимов резания.
Впервые выполнен глубокий анализ физических явлений, протекающих в микроповерхностных слоях инструментального материала режущей части инструмента при обработке древесных композитов, выявлены механизмы изнашивания контактных поверхностей режущего клина и факторы, влияющие на развитие этих процессов. Представлены модели, характеризующие формирование механизмов изнашивания, и подтверждены исследованиями активных поверхностей режущего клина методами электронной микроскопии и рентгеноструктурного анализа.
Результатами экспериментальных исследований подтверждены влияние морфологического строения инструментальных материалов и теплофизических свойств связки твердых сплавов на показатели износостойкости.
Сформулированы требования к инструментальным материалам для обработки резанием древесных композитов и намечены пути повышения их износостойкости и надежности, проведены сравнительные экспериментальные исследования режущих свойств современных твёрдых сплавов и поликристаллических алмазов при обработке труднообрабатываемых древесных композитов на минеральном связующем.
Практическая ценность. Определён круг инструментальных материалов, которые могут быть использованы для обработки резанием древесных композиционных материалов на минеральных вяжущих и полимерных связующих. Эти режущие материалы обеспечивают требуемое качество обработанной поверхности и обладают высокой износостойкостью.
На основе математической модели тепловых явлений процесса резания представляется возможность расчетным путем определить оптимальные режимы резания конкретных видов древесных композитов по температурному критерию.
Разработаны рекомендации и намечены пути повышения стойкости и надежности режущего инструмента для обработки композиционных материалов на древесной основе.
Достоверность полученных результатов обеспечивается выбором обоснованных допущений, проверкой адекватности используемых моделей, надёжной методикой проведения численных экспериментов, применением современных инструментальных приборов и средств для рентгеноструктурного и фазового анализа, а также внедрением результатов исследования в производство.
На защиту выносятся:
1. Структурные модели древесных композиционных материалов на минеральных вяжущих и полимерных связующих, которые отражают особенности обработки этих материалов резанием.
2. Модели процессов взаимодействия компонентов древесных композитов с контактными поверхностями режущего инструмента.
3. Математическая модель тепловых явлений процесса резания композиционных материалов на древесной основе.
4. Механизмы износа активных поверхностей режущего клина различных инструментальных материалов и факторы, влияющие на их формирование, выявленные по результатам численных экспериментов на математической модели тепловых явлений процесса резания.
5. Модели износа материалов режущих инструментов, полученные по результатам анализа состояния их контактных поверхностей методами рентгеноструктурного и фазового анализа.
6. Экспериментальные данные по износостойкости различных инструментальных материалов при обработке древесных композиционных материалов резанием и практические рекомендации по выбору марки материала.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались:
- на научно-технических конференциях профессорско-преподава-тельского состава и аспирантов МГУЛ 1990…2008 г.г.;
- на Всероссийских совещаниях заведующих кафедрами материаловедения и технологии конструкционных материалов в 2006…2007 г.г.;
- на международных конференциях
Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 22 научных статьях, в том числе в 7 изданиях, входящих в перечень ведущих изданий, рекомендованных ВАК к публикации при представлении докторских диссертаций, и в 1 монографии.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, шести приложений и списка использованных источников из 122 наименований. Объём диссертации 248 печатных страниц, включая 70 рисунков и 9 таблиц.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении представлена общая характеристика проблемы, ее актуальность, сформулированы основные положения диссертационной работы, которые выносятся на защиту.
В первой главе выполнен обзор исследований процесса резания плитных древесных композиционных материалов, рассмотрены особенности условий эксплуатации режущего инструмента, представлен анализ теорий изнашивания контактных поверхностей режущего клина, сформулированы цель и задачи исследований.
Большой вклад в развитие теории резания древесины и материалов на ее основе внесли ученые Афанасьев П.А., Амалицкий В.В., Алексеев А.В., Бершадский А.Л., Воскресенский С.А., Грубе А.Э., Демьяновский К.И., Дешевой М.А., Зотов Г.А, Ивановский Е.Г., Кряжев Н.А., Любченко В.И., Манжос Ф.М., Моисеев А.В., Памфилов Е.А., Рыбалко В.С., Санев В.И., Тиме И.А., Цуканов Ю.А. и другие.
Обширные исследования пиления и фрезерования ДСтП, выполненные в начале 60-х гг. Амалицким В.В. и Цукановым Ю.А., послужили основой для разработки теории резания древесных композиционных материалов и методологии исследований материалов этого класса.
Комплексные исследования обработки резанием композиционных материалов на минеральном вяжущем (ЦСП) выполнены Амалицким Вит.В., Адеишвили О.Г., Квачадзе Т.Д., Шустыкевич О.С.. Авторами работ разработаны и реализованы математические модели оптимизации режимов резания для различных видов обработки (пиления, фрезерования, сверления) и даны практические рекомендации по выбору режимов резания, материала и геометрических параметров режущего инструмента.
Изучению природы изнашивания дереворежущего инструмента посвящены исследования Грубе А.Э., Гаркунова Д.Н, Демьяновского К.И., Зотова Г.А, Ивановского Е.Г., Куриса И.М., Моисеева А.В., Памфилова Е.А., Рыбалко В.С., Цуканова Ю.А. и других. Исследователями установлены классификация видов изнашивания (механический, абразивный, тепловой и окислительный износы, электрохимическая и электрическая эрозия) и причины, приводящие к изнашиванию контактных поверхностей резца. Рассматриваются вопросы, связанные с выявлением механизмов формирования износа контактирующих поверхностей и влияния параметров их состояния на развитие этих процессов. Авторами работ не отрицается, что процесс изнашивания носит комплексный характер, но разногласия между ними возникают только по вопросу определения доминирующего вида износа, который лежит в основе изнашивания поверхностей резца и зависит от вида обработки, свойств инструментального и обрабатываемого материалов.
Ряд исследователей Даниелян Л.М., Двоскин Л.М., Клушин М.И., Костецкий Б.И., Кушнер В.С., Резников А.Н., Талантов Н.В., Моисеев А.В, Лейхтлинг Р.А., Воронин В.В. и другие посвятили свои работы теплофизике процесса резания металлов и древесины, связывая нагрев и затупление лезвия инструмента. В работах акцентируется внимание на тепловых явлениях в зоне резания и рассматриваются вопросы, связанные с потерей работоспособности, чаще всего, инструментальных сталей, которая происходит из-за снижения механических свойств вследствие структурных превращений в инструментальном материале.
До сих пор нет системных исследований, оценивающих режущие свойства современных инструментальных материалов при обработке древесных композитов, в частности, на минеральной основе. В настоящее время разрабатываются новые наноструктурные материалы, которые благодаря особым физико-механическим свойствам способны обеспечить высокие стойкость и надежность инструмента и могут найти широкое применение для обработки композиционных материалов на древесной основе. Поэтому более глубокие исследования процессов изнашивания поверхностей инструмента, особенностей взаимодействия их не только с обрабатываемым материалом в целом, но и с отдельными его структурными составляющими, позволят выявить механизмы изнашивания инструментальных материалов, наметить пути их совершенствования и определить области рационального применения.
На основании изложенного были сформулированы цель и задачи исследования.
Во второй главе представлена краткая характеристика современных плитных древесных композиционных материалов на минеральной (ЦСП) и полимерных связующих (ДСтП, MДФ, ОСП), рассмотрены особенности структуры и влияние их на показатели процесса резания древесных композитов.
Основными структурными составляющими композиционных материалов на основе древесины являются древесная стружка или волокна (наполнитель) и связующее органического или минерального происхождения, имеющее различную физическую природу и свойства. Древесные композиты, обладая высокой пористостью, являются анизотропными, чаще всего трансверсально изотропными материалами. Эти особенности оказывают существенное влияние на процесс резания. Как правило, при резании структурно-неоднородных материалов наблюдаются: дискретный характер стружкообразования; зависимость энергетических показателей резания от видов и направлений обработки; интенсивность тепловых процесcов в зоне резания; зависимость состояния (шероховатости) обработанной поверхности от прочности межфазного слоя и ряд других явлений.
Условия резания композиционных материалов на древесной основе, имеющих в своем составе абразивосодержащую составляющую в виде минеральных частиц или частиц затвердевшего полимера, существенно отличаются от условий резания натуральной древесины. Действие минеральных частиц, имеющих твёрдость, соизмеримую с твёрдостью инструментального материала, или частиц затвердевшего полимера приводит к возрастанию сил трения на задней поверхности резца и к более интенсивному абразивному износу контактных поверхностей инструмента. Всестороннее изучение и анализ явлений, происходящих в микрообласти резания, позволят выявить индивидуальный вклад отдельной составляющей этих материалов в общий процесс изнашивания режущей части резца.
Особые теплофизические свойства древесных композитов, у которых теплопроводность более чем на два порядка меньше, чем у металлических сплавов, обуславливают перераспределение тепловых потоков в зоне резания и интенсивный отвод теплоты от сил трения на поверхностях контакта в режущий инструмент. В поверхностном слое резца концентрируется практически вся теплота от сил трения, вызывая высокие градиент температур и уровень термических напряжений, значения которых зависят от теплофизических свойств инструментального материала. Кроме того, высокие скорости резания и прерывистый характер взаимодействия резца с обрабатываемым материалом вызывают периодическое изменение температурного поля (тепловые волны) и, как следствие, высокочастотное термоциклирование в тонких поверхностных слоях режущего клина. Поэтому тепловые явления, локализованные в микроповерхностном слое резца, могут играть ключевую роль в формировании механизмов изнашивания инструментального материала.
Силы резания при обработке древесных композиционных материалов на порядок меньше сил, возникающих при обработке металлов. Однако, динамический характер нагружения режущих элементов в условиях прерывистого резания и необходимость вести обработку только остро заточенным инструментом для достижения требуемого качества обработанной поверхности создают условия для хрупкого разрушения режущей кромки резца. В связи с этим инструментальный материал должен обеспечивать требуемую динамическую прочность, а технологическая подготовка инструмента к работе исключать формирование дефектного приповерхностного слоя.
Процесс резания композиционных материалов на древесной основе отличается от резания массивной древесины и характеризуется одновременным перерезанием режущей кромкой резца древесных частиц в различных направлениях и связующего в виде цементного камня или затвердевших частиц полимерного связующего. При этом структура плиты, физико-механические свойства отдельных её составляющих, а также вид резания определяют силовые показатели процесса резания плиты в целом. Величина сил резания зависит как от прочности всего композита в целом, так и от механических свойств отдельных составляющих плиты. Вследствие анизотропности плиты силы резания также зависят от вида резания (прямолинейное, фрезерование, пиление и т.д.) и направления резания относительно плоскости плиты.
Стружкообразование при резании древесных композитов имеет некоторые особенности и существенно зависит от направления резания плиты в трех главных направлениях, потому что процесс разрушения материала определяется, в основном, свойствами связующего и качеством состояния межфазного слоя. Так, при резании ЦСП разрушение цементного камня носит хрупкий характер и образуется пылевидная тонкодисперсная стружка, которая остро ставит задачу направленного отвода её из зоны резания для защиты оборудования и обслуживающего персонала от её воздействия.
Высокие упругие свойства древесной составляющей приводят к упругому восстановлению слоя обрабатываемого материала, увеличению фактических площадок контакта на задней поверхности резца и возрастанию сил резания. Больший уровень упругого восстановления древесной составляющей по сравнению со связующей оказывает влияние на точность и качество обработки. Кроме того, шероховатость обработанной поверхности определяется наличием ворсистости, вырывов, структурных пустот, зависящих от строения материала и прочностных показателей межфазного слоя структурных составляющих. Основным параметром, определяющим качество обработки, служит величина сколов на пласти плиты.
В третьей главе представлен общий анализ контактных явлений, происходящих на рабочих поверхностях режущего клина при резании древесных материалов, рассматриваются основные факторы, влияющие на формирование механизмов изнашивания инструментальных материалов, и особенности физических явлений, происходящих в микрообласти резания композитов на минеральном вяжущем.
Показано, что специфические условия эксплуатации дереворежущего инструмента, а, именно, большие скорости резания, динамический характер нагружения режущих элементов резца, особые теплофизические свойства обрабатываемого материала предопределяют многообразие явлений, сопровождающих процесс резания древесных композитов: действие волн напряжений в макро- и микрообъемах режущего клина; локальные "температурные вспышки" в микроповерхностных слоях инструментального материала; активизацию химических процессов и т. д. Сложность этих явлений обусловлена прежде всего тем, что абразивосодержащая составляющая древесных композитов существенно изменяет характер взаимодействия рабочих поверхностей резца с обрабатываемым материалом в условиях высокоскоростного нагружения и фрикционного контакта их с поверхностью трения. Изнашивание микроповерхностного слоя инструментального материала рассматривается как совокупность процессов, которые происходят как в макрообъемах поверхности трения, так и в локальных микроконтактах абразивных частиц при их взаимодействии с отдельными структурными составляющими инструментального материала. Взаимообусловленность между работоспособностью поверхностей трения и физико-механическими характеристиками контактного слоя носит двойственный характер и определяется способностью материала противостоять динамическому внедрению абразивных частиц и интенсивностью последующих деформационных процессов в области микроконтакта, инициированных тепловыми явлениями.
Влияние температуры на работоспособность режущего инструмента связано как непосредственно с тепловым расширением и изменением напряженного состояния режущей кромки резца, носящими циклический характер, так и влиянием на механические свойства отдельных структурных составляющих и материала в целом, а также возникновением тепловых ударов и, как следствие, высокого уровня термических напряжений при большой плотности тепловых потоков. Кроме того, тепловые процессы могут трансформировать явления, протекающие на микроконтактных площадках резца. Отсюда, можно сделать о существовании многообразия форм влияния теплоты резания на износостойкость инструментальных материалов и о необходимости более глубокого изучения этих явлений.
Для обработки резанием древесных композитов наибольшее применение нашли твердые сплавы, которые можно также отнести к классу композиционных материалов с дисперсными наполнителями. На основании структурной модели твердого сплава рассмотрены возможные варианты контактного взаимодействия задней поверхности режущего клина с поверхностью резания и влияние их на формирование механизмов изнашивания инструментального материала.
В четвёртой главе представлены математические модели тепловых явлений, происходящих в области резания древесных композиционных материалов на минеральном связующем и на контактной площадке отдельного абразивного зерна обрабатываемого материала, взаимодействующего с задней поверхностью режущего клина. На основе моделей выполнен численный анализ тепловых процессов на активных поверхностях резца при цилиндрическом фрезеровании кромки плиты различных древесных композитов и определена температура на активной поверхности абразивного зерна, выполняющего работу микрорезания инструментального материала.
По результатам анализа состава и механизмов взаимодействия компонентов в древесных композиционных материалах на минеральных вяжущих и полимерных связующих, приведенных в главах 1 и 2, представлены разработанные автором структурные модели, которые отражают особенности обработки этих материалов резанием.
Структурная модель древесного композита на минеральном связующем представлена в следующем виде: непрерывный каркас композита образуют тонкие плёнки цементного камня, состоящие из тонкодисперсного геля, в котором статистически распределены негидратированные зёрна цементного клинкера размером 10…40 мкм и более; в цементном камне размещаются древесные частицы, которые располагаются послойно с произвольной ориентацией волокон в каждом слое.
Содержание негидратированных зёрен в цементном камне может достигать 40% и более.
Микротвёрдость клинкерных зёрен составляет 5500…9000 МПа, они устойчивы при нагреве до температуры 2070…2190 0С. Строение цементного камня – поровое. В нём имеются микропоры, переходящие в поры и макропоры. Общее содержание пор может составлять 20...28%.
В настоящее время достаточно хорошо разработан математический аппарат, позволяющий анализировать тепловые явления процессов резания металлических материалов.
Сформулированная таким образом задача позволяет с использованием метода источников теплоты получить аналитические решения для описания температурного поля в резце, которое возникает под действием различных типов источников теплоты: точечных, полосовых, линейных, объёмных, мгновенных, быстродействующих, постоянно действующих и т.д. Эти решения для различных источников теплоты систематизированы и представлены в справочной литературе.
Уравнения для расчёта распределения температуры и плотности тепловых потоков на контактных поверхностях режущего инструмента получают из условия равенства тепловой и механической мощности процесса резания
,
где Pz – касательная составляющая силы резания; - скорость резания,
Для получения аналитических решений, описывающих тепловые явления на контактных поверхностях резца при обработке резанием металлов, составляются уравнения теплового баланса в соответствии со схемой распределения тепловых потоков
При этом мощности теплообразующих источников
;
;
.
Для записи дифференциального уравнения теплопроводности принимаются следующие допущения:
- процесс резания рассматривается стационарным, т.е. установившимся;
- теплообмен стружки, резца и изделия с окружающей средой ничтожно мал, и они представляются как полуограниченные тела с адиабатической поверхностью;
- источники теплоты рассматриваются как быстродвижущиеся, т.е. скорость источника теплоты превышает скорость её распространения;
- теплофизические и физико-механические свойства материала обрабатываемого изделия и материала режущего клина не зависят от температуры;
- любая точка контактной площадки одного из тел имеет температуру, равную температуре точки другого тела, соприкасающейся с ней в данный момент времени (граничные условия 4-го рода).
С учётом сформулированных допущений необходимо решить уравнение теплопроводности при отсутствии внутренних источников теплоты
,
где 
– оператор Лапласа.
при следующих начальных ( = 0)
,
и граничных условиях
,
.
При моделировании процесса резания цементно-стружечных плит учтены особенности, характерные для обработки резанием этого материала.
ЦСП является неоднородным материалом, поэтому на поверхности резания можно выделить три различающиеся по структуре составные части этой поверхности: поры, цементный камень и древесные частицы. Если в поверхности резания доля поверхности пор составляет сп,, цементного камня сцк и древесных частиц сдч, тогда справедливо уравнение
сп+ сцк + сдч = 1
Часть усилия резания при обработке ЦСП затрачивается на разрушение (скалывание) цементного камня, которое происходит при упругих деформациях, т. е. разрушение цементного камня носит хрупкий характер.
Тепловые потоки, образующиеся вследствие упругой деформации настолько малы, что соответствующие им члены в уравнениях теплопроводности могут не учитываться. Усилие, затрачиваемое на разрушение цементного камня, может быть рассчитано по формуле
Pцк = всж Sc сцк.
На основании решения дифференциального уравнения получены зависимости, отражающие распределение температуры на передней поверхности
где 
.
,
где 
,
и на задней поверхности режущего инструмента ( = Т – Т0)
где 
.
Особенностью математической модели является то, что она учитывает физико-механические и теплофизические характеристики материалов изделия и режущего инструмента (включая его геометрические параметры), а также параметры режимов резания. Поэтому позволяет рассчитать не только плотности тепловых потоков и распределение температур на контактных поверхностях режущего клина, но и произвести численный анализ влияния на них режимов резания, теплофизических свойств материала режущего инструмента и его геометрических параметров.
Для условий резания с переменным сечением стружки (например, фрезерования) законы распределения интенсивности теплообразующих потоков в любой момент времени одинаковы по форме и зависят от угла поворота зуба фрезы на дуге резания. Поэтому при теплофизических расчетах необходимо учесть зависимость переменных параметров процесса резания от угла поворота зубы фрезы на дуге резания.
На рис. 1 и 2 представлены результаты численных расчётов распределения температур на контактных поверхностях режущего инструмента из твёрдого сплава ВК8 при цилиндрическом фрезеровании кромки плиты из различных древесных композитов.
Характеры распределения температур на передней и задней поверхностях режущего клина существенно отличаются, что вызвано разными условиями взаимодействия их с обрабатываемым материалом.
Абсолютные значения максимальных температур на поверхностях резца невысоки, так как теплота деформации древесных композитов мала, и основным источником её является трение на контактных площадках.
Источником теплоты на передней поверхности являются силы трения, которые имеют максимальное значение в прикромочной области и существенно снижаются по мере удаления от режущей кромки.
При скольжении задней грани резца по поверхности резания наблюдается более интенсивный нагрев поверхностных слоёв инструментального материала за счет трения, создаваемого абразивными частиц в виде зерен цементного клинкера и затвердевшего клея, или работы микрорезания, которую они совершают. При этом в ограниченной области фрикционного контакта и на поверхности частиц могут развиваться высокие температуры, представляющие собой "температурные вспышки", влияние которых на уровень и общий характер распределение температуры на задней поверхности резца может быть исключительно велико.
 Рис. 1. Распределение температуры на контактных площадках режущего клина при резании ЦСП ( = 1400 кг/м3) в зависимости от угла поворота зуба фрезы на дуге резания : 1 - 2,50; 2 - 7,50; 3 - 12,50; 4 - 17,50 |
В условиях высокотемпературного нагрева, когда механические напряжения превышают предел текучести инструментального материала или его отдельных структурных составляющих, в микроконтактной области развиваются пластические деформации, характерные для процессов микро или нанорезания.
Значения максимальных температур в зоне контакта экспериментально зафиксировать невозможно, поэтому единственным методом является аналитический расчёт, полученный на основе решения теплофизической задачи.
В диссертационной работе произведена оценка характера взаимодействия абразивных частиц с активной поверхностью резца и расчётным путём определена температура на контактной площадке отдельного абразивного зерна.
Для этого выполнен анализ дисперсного состава портландцемента марки 500, который применяется при производстве ЦСП. Принималось, что степень гидратации портландцемента при твердении в течение 180 суток составляет 60%, а при твердении в течение десятков лет не превышает 80…90% ; зёрна клинкера размером до 5 мкм почти полностью гидратируются в течение 1…3 суток, а в конце месяца наступает полная гидратация частиц до 10 мкм. Распределение зёрен клинкера по размерам в интервале 15…60 мкм подчиняется нормальному закону распределения.
Рис. 2. Распределение температуры на контактных площадках режущего клина при резании ДСтП ( = 600 кг/м3) (а) и МДФ ( = 800 кг/м3) (б) для разных значений угла : 1 - 2,50; 2 - 7,50; 3 - 12,50; 4 - 17,50
Определено количество зёрен, участвующих в процессе микро и нанорезания, которое зависит от глубины резания. Так как вершины зёрен расположены на различном расстоянии от поверхности резания, то в слой, ограниченный глубиной резания, попадает только часть зёрен. Количество их является случайной величиной и подчиняется закону нормального распределения.
Количество зёрен, выполняющих работу микрорезания, определяется по формуле
Исходя из этого, средняя сила резания на зерне составит
Для решения теплофизической задачи распределения теплоты между абразивным зерном и задней поверхностью режущего клина каждое зерно моделируется в виде цилиндра, а распределение теплоты между поверхностями контакта учитывается коэффициентом.
Аналитическое выражение для расчёта температуры на контактной поверхности зерна имеет вид
.
Критерий Фурье, входящий в уравнение, рассчитывается по формуле
На рис. 3 представлены результаты расчета температуры на контактной поверхности зерна клинкера в зависимости от относительной глубины резания. Температура на поверхности зерна возрастает с уменьшением относительной глубины резания и достигает значений, соответствующих пластическому состоянию инструментального материала или отдельных его компонентов и развитию деформационных процессов.
Рис. 3. Температура на контактной поверхности зерна
в зависимости от относительной глубины резания
Представленные в главе 4 математические модели позволяют производить количественную оценку тепловых явлений в процессах резания древесных композитов. На основе анализа результатов численного расчёта по предложенным математическим моделям распределения температуры на контактных поверхностях режущего клина при резании различных плитных древесных композиционных материалов и аналитического расчета температуры на отдельном абразивном зерне при резании ЦСП сделаны следующие выводы.
1. Распределение температуры на передней поверхности режущего клина характеризуется наличием максимума на некотором расстоянии от режущей кромки, что связано с влиянием сил трения стружки с контактной поверхностью на распределение тепловых потоков, достигающих максимальных значений в этой зоне. Наибольшие значения температуры характерны для случая резания ДСтП, в меньшей степени – MДФ и существенно ниже при резании ЦСП.
2. Температура на задней поверхности режущего клина достигает максимальных значений в конце площадки контакта его с поверхностью резания. Максимальные значения температур в меньшей степени зависят от вида обрабатываемого материала.
3. При резании древесных композиционных материалов практически вся теплота деформации в зоне резания поступает в стружку, что объясняется влиянием низкой теплопроводности этих материалов.
4. Затупление режущей кромки инструмента при обработке древесных композитов оказывает большее влияние на температуру в зоне резания по сравнению с обработкой металлических сплавов.
5. Средний уровень температур на задней поверхности режущего клина сравнительно невысок, поэтому первостепенное значение имеют "температурные вспышки" на контактных поверхностях отдельных абразивных зерен, которые оказывают решающее влияние на развитие процессов микрорезания и характер распределения температур.
6. Уровень температуры на контактных площадках резца существенным образом зависит от режимов резания, что необходимо учитывать при выборе их для инструментальных материалов с разными теплофизическими свойствами.
7. В приповерхностных слоях инструментального материала возникают большие градиенты температур (1000…2800 0С/мм), которые создают циклические температурные напряжения в теле резца и условия для развития усталостного механизма изнашивания инструментального материала.
В пятой главе представлен анализ инструментальных материалов, которые наиболее приемлемы для обработки древесных композитов, рассмотрено влияние на их структуру, механические и теплофизические свойства тепловых явлений при резании, изучена кинетика изнашивания контактных поверхностей резцов из твердых сплавов и поликристаллических алмазов.
Для обработки композиционных материалов на древесной основе наибольшее применение нашли однокарбидные вольфрамокобальтовые твердые сплавы, механические и теплофизические свойства которых зависят от процентного содержания связки, зернистости карбидной фазы, степени легирования связки тугоплавкими карбидами и металлами, а также содержания свободного углерода.
Представлены характеристики химический состав и механические свойства твердых сплавов отечественного и импортного производства. Отмечено, что существенное повышение механических свойств и износостойкости твердых сплавов достигается за счет повышения степени дисперсности упрочняющей фазы и создания связки повышенной прочности и термостойкости, а надежность инструмента - технологическими методами, обеспечивающими стабильность механических свойств. Повышение износостойкости может быть достигнуто за счет поверхностного упрочнения, направленного на изменение структуры поверхностного слоя с целью получения оптимального сочетания поверхностных и объемных свойств.
Отмечено, что большой интерес для обработки древесных композитов представляют инструментальные материалы на основе синтетических алмазов. Имея недостаточно высокую прочность и повышенную хрупкость, но, обладая высокой твердостью и износостойкостью при высоких скоростях резания они являются перспективными инструментальными материалами для обработки древесных композитов.
Огромный интерес представляют искусственные монокристаллическим алмазы, превосходящие по твердости и износостойкости поликристаллические, стойкость которых при обработке древесных композитов может быть выше твердосплавного инструмента в сотни раз.
В главе рассматривается влияние тепловых процессов на структуру и свойства инструментальных материалов.
Все виды инструментальных сталей, подвергаемые термической обработке для повышения твердости и прочности, в процессе нагрева могут испытывать структурные превращения, следствием которых является разупрочнение и снижение твердости.
Механические свойства твердых сплавов, которые обладают высокой твердостью и термостойкостью, при нагреве также снижаются, что вызвано влиянием изменения свойств отдельных структурных составляющих. Так, при нагреве кобальта до температуры 800С прочность и твердость его снижаются почти в 3 раза.
Отмечено, что фазы гетерогенной структуры твердых сплавов вследствие весьма значительного различия их физико-механических свойств могут испытывать разные виды деформаций в процессе нагружения: кобальт – пластические, а карбид вольфрама, имея высокий предел текучести, - только упругие. Отсюда, связка твердого сплава, повышая прочность его и одновременно снижая износостойкость вследствие разупрочнения при нагреве, является наиболее "слабым звеном". Поэтому улучшение теплофизических и механических свойств связки, в частности, путем легирования ее чистыми металлами (рением или рутением) или карбидами металлов представляется как один из возможных путей повышения износостойкости твердых сплавов.
В данной главе изложены результаты исследований кинетики изнашивания контактных поверхностей резца из различных инструментальных материалов, выполненные методами растровой электронной микроскопии. Исследования структуры поверхностей изнашивания резца и спектральный анализ выполнялись на растровом электронном микроскопе (РЭМ) модели VEGA TS 5136LM (США) с разрешением 3,0 нм в режиме высокого вакуума и 3,5 нм в режиме низкого вакуума.
Результатами исследований установлено, что на начальном этапе пути резания основным фактором, определяющим интенсивность износа режущей кромки твердосплавного резца, является дефектность поверхностного слоя, которая образуется на стадии подготовки его к работе. Показано, что поверхностный слой, сформированный при заточке резца методами абразивной обработки алмазными шлифовальными кругами, неоднороден по строению. В процессе заточки (особенно, при неблагоприятных режимах резания) из-за повышенной температуры в приповерхностном слое возникают термические напряжения и образуются дефектные области, характеризующиеся наличием в них остаточных напряжений первого и второго рода, субмикротрещин, микровыкрашиваний и др., в основе которых лежит дислокационный механизм формирования. В дефектном слое создаются необходимые условия для выкрашивания микрообъемов инструментального материала, которые могут происходить при первых же актах взаимодействия режущей кромки с обрабатываемым материалом (рис. 4) и завершаться аварийным износом путем образования скола (рис. 5).
Выявлено, что образование субмикротрещин на межфазных границах в большей степени характерно для резцов из низкокобальтовых твердых сплавов, которые, обладая высокой твердостью и низкой ударной вязкостью, наиболее склонны к хрупкому разрушению.
Рис. 4. Выкрашивание режущей кромки зуба фрезы. Твердый сплав T02SMG. х 400
Рис. 5. Скол на передней поверхности резца.Твердый сплав T02SMG. х 250
Отмечено, что формоустойчивость режущей кромки резца зависит от дисперсности карбидной фазы, процентного содержания, состава и теплофизических свойств связки, а также несовершенств структуры в виде свободного углерода, пористости и наличия хрупкой -фазы.
Период монотонного износа контактных поверхностей резца характеризуется слабым увеличением радиуса округления режущей кромки до некоторого оптимального для данных условий резания и обрабатываемого древесного композита значений и постепенным (монотонным) ростом величины фаски износа на задней поверхности. Продолжительность этого периода зависит от интенсивности изнашивания инструментального материала и определяет показатель периода стойкости инструмента.
Выявлены механизмы изнашивания контактных поверхностей режущего клина, они различны, но действуют одновременно, взаимосвязаны и инициируют друг друга.
В основе механизмов изнашивания твердых сплавов на протяжении всего периода монотонного износа лежит механическое диспергирование связки, заключающееся в многократной пластической деформации тонких нагретых слоев кобальта, их дислокационном упрочнении, охрупчивании, разрушении и удалении из зоны резания продуктов разрушения (износа) в виде субмикроскопических частиц кобальта. Интенсивность диспергирования зависит от температуры поверхностности трения и, по мере износа цементирующей фазы, снижается, так как в работу вступают зерна карбида вольфрама, истирание которых ограничено вследствие их высокой твердости и износостойкости. На этом этапе изнашивания проявляется механизм изнашивания, связанный с «вымыванием» связки из межкарбидного пространства тонкодисперсными абразивными частицами и частицами древесной составляющей, который наиболее интенсивно происходит в твердых сплавах с высоким содержанием кобальта (10…15% Co), которые имеют большую толщину межкарбидной прослойки. При этом кобальт, либо удаляется из межзеренного пространства в виде тонкодисперсных частиц, либо под действием напряжений, создаваемых соседними частицами карбида вольфрама, предварительно "экструдирует" из области сжатия и, испытывая значительные многократные пластические деформации, подвергается истиранию и частично "наволакивается" на поверхность карбидных зерен. Зерна карбида вольфрама, которые ранее надежно удерживались связкой, по мере удаления кобальта приобретают большую подвижность и вследствие этого возрастает степень пластических деформаций цементирующей фазы. В условиях высокочастотного механического нагружения и термоциклирования (кобальт по сравнению с карбидом вольфрама имеет больший коэффициент линейного термического расширения) происходит развитие усталостных явлений в микрообласти межфазных границ, которое создает условия для «расшатывания» карбидных зерен и удаления их из связки.
Утверждается, что на развитие деформационных процессов огромное влияние оказывает теплота, локализованная в тонком поверхностном слое, которая размягчает связку и повышает её пластичность. Работу разрушения связки, находящейся в пластическом состоянии, наиболее активно могут выполнять дисперсные частицы матрицы (например, цементного геля, негидратированные зерна цементного клинкера) при резании древесно-минеральных материалов, а при резании древесно-полимерных материалов – частицы отверждённых синтетических смол.
В случае действия больших касательных напряжений в плоскости скольжения и достаточной толщины кобальтовой прослойки может происходить сдвиг монослоя карбидных зерен, отрыв их и удаление из зоны контакта (рис. 6). Траектория перемещения зерен представляет собой неглубокие риски и царапины шириной 8…15 мкм.
При высокой жесткости карбидного каркаса, характерного для низкокобальтовых твердых сплавов, когда соседние зерна создают «подпор» за счет малой толщины кобальтовой прослойки, процесс вырывания зерен носит локальный характер. В этом случае с поверхности трения удаляются как единичные зерна, так и целые микрообласти, затрагивающие более глубоколежащие слои, чему способствуют несовершенства структуры в виде пор, которые выполняют роль концентраторов напряжений и создают условия для разрушения. Поверхность износа при этом имеет равномерную шероховатость.
Исследованиями выявлены механизмы разрушения карбидной фазы, которые характерны для крупнозернистых сплавов. Разрушения могут носить объемный характер, охватывающий область целого зерна или его части, или поверхностный, происходящий в тонком поверхностном слое. Разрушению или растрескиванию зерна могут предшествовать пластические деформации, вызванные тепловыми явлениями, которые представляются в виде полос скольжения на его поверхности.
Чаще всего поверхностные разрушения носят избирательный характер и вызваны термомеханическими напряжениями, возникающими на части поверхности зерна вследствие действия "температурных вспышек".
В процессе резания механизмы изнашивания инструментального материала постоянно трансформируются, что связано с гетерогенностью их и влиянием уровня напряженного и теплофизического состояния микроконтактных поверхностей трения.
Исследованы механизмы изнашивания передней поверхности резца, которая испытывает ударное воздействие как отдельных абразивных частиц, так и входящих в состав стружки. На поверхности формируется своеобразный макрорельеф, присущий ударно-абразивному механизму изнашивания.
Рис. 6. Сдвиг монослоя зерен карбида вольфрама.
Твердый сплав H10F. х 4000
Рассмотрены особенности изнашивания поликристаллических алмазов, у которых интенсивность изнашивания по задней и передней поверхностям резца на начальном этапе пути резания практически одинакова. В основе механизмов изнашивания этих материалов на всех этапах пути резания лежат явления, связанные с микроразрушениями режущей кромки, которые вызваны недостаточной хрупкой прочностью острозаточенного лезвия и влиянием факторов, связанных с циклическим характером нагружения режущих элементов. Высокая формоустойчивость режущей кромки у алмазного инструмента достигается не только за счет исключительно высокой твердости алмазных зерен, хорошо противостоящих механическому истиранию в условиях абразивного износа, но и не менее важным – высокой теплопроводности ( = 134 Вт/(мК)), которая обеспечивает интенсивный отвод теплоты в тело резца и снижает теплонапряженность в области режущей кромки. В этом случае более низкий уровень термических напряжений (по сравнению с другими инструментальными материалами) снижает термоциклическую усталость в микрообласти режущего лезвия и, как результат, вероятность микроразрушений и сохраняет стабильность его геометрических параметров.
Отмечено, что снижению интенсивности тепловых потоков на контактных поверхностях резца из ПКА способствует более низкий коэффициент трения, влияние которого связано с уменьшением тепловыделения на поверхностях трения.
Микроструктура алмазных зерен по мере износа претерпевает ряд закономерных изменений. Решающее значение для снижения прочности ПКА имеет состояние, когда на поверхности образуются субмикротрещины, создающие ячеистую структуру, и микротрещины, приводящие к растрескиванию и появлению микросколов. Образование трещин на межфазных границах может быть действием одного или сразу нескольких механизмов терморазрушения: различием коэффициентов термического расширения алмазных кристаллитов и металлофазы, окислением меж- и внутрикристаллитных включений, окислением самих алмазных зерен, отчасти их пластической деформацией, а также микропор, образовавшихся на стадии спекания.
В шестой главе приводятся результаты экспериментальных исследований износостойкости режущих инструментов при обработке древесных композитов. В качестве оценочных показателей износа и затупления режущей части инструмента приняты: радиус округления режущей кромки , мкм; износ по передней поверхности Ап, мкм; износ по задней поверхности Аз, мкм.
Анализ результатов исследования показал, что основное влияние на износостойкость режущего инструмента оказывают физико-механические свойства составляющих древесных композитов и, главным образом, абразивосодержащая составляющая (клинкерные зерна цементного камня, отвержденные частицы полимерных матриц, а также минеральные частицы, попавшие в материал в виде загрязнения на стадии изготовления).
При обработке композиционных материалов на древесной основе износ режущей части резца происходит преимущественно по задней поверхности с образованием фаски износа, геометрические параметры которой определяют энергетические показатели процесса резания и качество обработанной поверхности.
Исследования показали, что зависимость параметров износа по задней поверхности резца Аз и радиуса округления режущей кромки от режимов резания имеют схожий характер для всех исследованных инструментальных материалов.
На начальном этапе пути резания микроразрушения на поверхности лезвия происходят при небольшом числе циклов нагружения режущей части и характеризуются отрывом наиболее крупных зерен карбидов вольфрама или их конгломератов. Поэтому интенсивность изнашивания в этот период очень высока и существенно зависит от среднего размера зерна карбидной фазы и состояния поверхностного слоя.
Установлено, что интенсивность изнашивания путем микроразрушений снижается по мере увеличения радиуса округления режущей кромки и фаски износа на задней поверхности резца. Это связано с разрушенем дефектного слоя и снижением уровня механических напряжений, вызванных концентраторами напряжений. При этом размеры отделяемых частиц инструментального материала на режущей кромке неуклонно уменьшаются и наступает период окончательное формирования параметров режущего лезвия, характеризуемое величиной радиуса округления.
Экспериментальным путем определялась продолжительность периода приработочного износа, которая для разных марок твердых сплавов неодинакова и зависела от физико-механических свойств, структурных особенностей твердого сплава и качества подготовки инструмента к работе. Фактический путь резания режущего лезвия резца при обработке кромки плиты составлял 800…1500 м и зависел от вида и плотности обрабатываемого композиционного материала. Завершающей стадией этого периода работы инструмента является снижение интенсивности изнашивания за счет микровыкрашиваний режущей кромки и стабилизация ее параметров на некотором уровне.
Период установившегося (монотонного) изнашивания характеризуется низкой интенсивностью, которая аппроксимируется линейной зависимостью, и зависит от множества факторов, главными из которых являются физико-механические свойства инструментального материала, геометрические параметры инструмента и режимы резания.
Отмечено, что в этот период параметр износа Аз превышает износ по передней поверхности в 1,5…1,7 раза. Интенсивность изнашивания резца по задней поверхности зависит от содержания кобальта, с уменьшением которого снижается и составляет для сплавов ВК8 и ВК6 2,56 ·10-2 мкм/м и 2,12·10-2 мкм/м соответственно.
Зависимость интенсивности износа твердых сплавов по передней поверхности от содержания кобальта носит более сложный характер. При увеличении содержания Со от 6 до 10% интенсивность изнашивания несколько снижается. В основе механизма изнашивания передней поверхности резца лежит ударно-абразивное изнашивание, механизм которого рассмотрен в главе 3.
Анализ результатов экспериментальных исследований влияния среднего размера зерна карбида вольфрама на износостойкость твердого сплава показал, что для обработки абразивосодержащих материалов (ЦСП, МДФ) наиболее эффективными являются сплавы с особомелкой и ультрадисперсной структурами карбидной фазы.
Наибольшую износостойкость при обработке древесных композитов показали мелкозернистые ПКА, превышающую стойкость твердых сплавов в 6...12 раз.
По результатам экспериментальных исследований износостойкости инструментальных материалов сделаны следующие выводы.
1. Характер износа резцов из различных марок твердого сплава одинаков. Период приработочного износа характеризуется явлениями хрупкого микровыкрашивания режущей кромки, а его продолжительность зависит от прочностных свойств инструментального материала и качества подготовки инструмента к работе. Период монотонного изнашивания, который аппроксимируется линейной зависимостью, определяет период стойкости инструмента. Продолжительность его зависит от физико-механических свойств инструментального и обрабатываемого материалов, геометрических параметров резца и режимов резания. Период интенсивного износа наступает вследствие действия усталостных процессов, завершающихся образованием микротрещин в поверхностном слое и сколов на рабочих поверхностях режущей части резца.
2. Износ резца при обработке композиционных материалов на древесной основе происходит преимущественно по задней поверхности с образованием фаски износа. Радиус округления режущей кромки растет наиболее интенсивно в период приработочного износа и затем стабилизируется на некотором уровне, имея слабую тенденцию к увеличению, т. е. имеет место явление “самозатачивания”, характерное для условий резания абразивосодержащих материалов.
3. Интенсивность изнашивания инструментальных материалов зависит от физико-механических свойств инструментальных материалов, их структуры, свойств отдельных структурных составляющих, а также свойств обрабатываемого материала и режимов резания.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
1. В работе выполнены исследования износостойкости режущих инструментов, применяемых для обработки древесных композитов, основанные на глубокой теоретической проработке сущности явлений, происходящих в зоне резания и на активных поверхностях режущего клина, для выявления механизмов изнашивания инструментальных материалов и выработки научно обоснованных требований к ним с целью поиска эффективных путей повышения стойкости и надежности режущего инструмента.
2. Представлены структурные модели древесных композиционных материалов с целью разработки теоретических основ процесса резания, включающих в себя обоснование характера взаимодействия элементов режущего клина со структурными составляющими гетерофазных транстропных и трансверсально изотропных материалов на минеральной и полимерной связующей и влияния их на силовые и качественные характеристики, а также для математического моделирования тепловых явлений в зоне резания. Рассмотрены механизмы разрушения компонентов обрабатываемого материала режущей кромкой резца и выявлены общие закономерности стружкообразования во взаимосвязи с качеством обработки.
3. Выполнен анализ контактных явлений на поверхностях режущего клина при резании древесных композитов, на основании которого выявлены особенности взаимодействия контактных поверхностей резца, вызванные гетерогенностью структуры обрабатываемого материала, и основные факторы, влияющие на характеристики состояния, физико-механические свойства микроповерхностного слоя инструментального материала, которые определяют интенсивность изнашивания и эксплуатационные свойства режущего инструмента. Отмечены особенности физических явлений в микрообласти резания при обработке композитов на минеральной связующей. Сделан вывод о том, что особые условия работы инструмента при обработке древесных материалов предопределяют многообразие явлений, сопровождающих процесс резания.
3. Представлена математическая модель тепловых явлений процесса резания древесных композитов для оценки теплового состояния в зоне резания, которая отражает структурные особенности этих материалов. Модель позволяет производить численный анализ распределения температуры и тепловых потоков на контактных поверхностях по заданным режимам резания с учётом теплофизических и геометрических характеристик режущего инструмента и обрабатываемого материала. Получены зависимости, позволяющие аналитическим путем определить температуру в микроконтактной области при взаимодействии абразивного зерна, представляющего собой негидратированную частицу цементного клинкера обрабатываемого материала, с поверхностью инструментального материала.
Показано исключительное влияние тепловых явлений на контактных площадках резца на состояние и структуру микроповерхностного слоя инструментального материала и формирование механизмов изнашивания.
4. Впервые для условий резания древесных материалов выполнены системные исследования кинетики изнашивания контактных поверхностей резцов, на основании которых выявлены основные механизмы изнашивания инструментальных материалов, применяемых для режущего инструмента в настоящее время, а также перспективных материалов на основе ультрадисперсных модификаций твердых сплавов и поликристаллических алмазов. Достоверность результатов исследований подтверждена методами электронной микроскопии и спектрального анализа.
Установлена взаимосвязь физических явлений процесса резания, изнашивания поверхностей резца с особенностями структуры инструментальных материалов. Выявлены влияние тепловых явлений на структурные превращения, происходящие в тонком поверхностном слое, и их связь с механическими, теплофизическими характеристиками и износостойкостью инструментального материала.
Определены критерии, определяющие износостойкость и надежность инструмента, а также сформулированы требования, предъявляемые к инструментальным материалам, которые должны обеспечивать эффективность эксплуатации инструмента.
5. Намечен комплекс технологических мероприятий, позволяющий обеспечить существенное повышение стойкости режущего инструмента на основе твердых сплавов, а также представлена характеристика перспективных инструментальных материалов, разработанных на основе нанотехнологий.
6. Выполнены экспериментальные исследования влияния структурных параметров твердых сплавов на износостойкость резцов при резании наиболее труднообрабатываемых материалов на основе минеральной связующей. Получены зависимости параметров износа резцов от режимных факторов обработки. Проведены сравнительные испытания износостойкости различных инструментальных материалов при резании ЦСП и даны рекомендации по выбору инструментального материала и режимов обработки.
7. Разработаны и внедрены на деревообрабатывающих предприятиях рекомендации по выбору инструментальных материалов для конкретного вида инструмента и обрабатываемого композиционного материала, повышающие эффективность его работы.
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
– передний угол, град; – задний угол, град; – угол заострения резца, град; 1 - угол сдвига, град; t – глубина резания, мм; b – ширина поверхности резания, мм; Sz – подача на зуб, мм; Pz – нормальная составляющая силы резания, Н ; – скорость резания, м/с; FZ – удельная касательная сила, Н/мм2; FN – удельная нормальная сила, Н/мм2; PZ0 – тангенциальная сила, действующая со стороны передней поверхности резца, Н; PN0 – нормальная сила, действующая со стороны передней поверхности резца, Н; Pz– тангенциальная сила, действующая со стороны задней поверхности резца, Н; Q – количество теплоты, Вт; – коэффициент теплопроводности, Вт/(мК); – коэффициент температуропроводности, м2/с; Fтп, Fтз – сила трения на передней и задней контактных площадках режущего инструмента, Н; k – коэффициент усадки стружки; Pцк – сила, затрачиваемая на разрушение цементного камня, Н; всж – предел прочности при сжатии, МПа; Sc – площадь сечения стружки, мм2; – плотность плиты, кг/м3; – температура, 0С; 
и 
– температуры, вызванные соответственно теплотой деформации и теплотой трения на надрезцовой стороне стружки, 0С; lп – длина контактной площадки на передней поверхности, мм; lз длина контактной площадки на задней поверхности, мм; Ти – безразмерная функция, описывающая закон распределения температур в изделии, вызванных деформацией; b – коэффициент, учитывающий долю поступления теплоты деформации в стружку; с – коэффициент, учитывающий подогрев поверхностных слоев материала, из которого образуется стружка; К – концентрация негидратированных зёрен цементного клинкера, %; q – поверхностная плотность теплового потока, Вт/см2; n – расчётное количество режущих зёрен клинкера; d – диаметр моделируемого зерна клинкера; – коэффициент, учитывающий неравномерность распределения сил резания на площадке контакта.
ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
Печатные работы, входящие вперечень изданий, рекомендованных ВАК к публикации при представлении докторских диссертаций
1. Амалицкий Вик.В., Амалицкий Вит.В., Абразумов В.В. Выбор инструмента для обработки ЦСП //Деревообрабатывающая промышленность, 2002, №6,С.2-4.
2. Абразумов В.В., Котенко В.Д. Моделирование процесса резания древесных композитов на минеральных вяжущих //Вестник Московского государственного университета леса - Лесной вестник.- 2005. №6(42).- С.58-62.
3. Абразумов В.В. Взаимодействие обрабатываемой поверхности ЦСП с задней поверхностью режущего инструмента // Лесная промышленность, 2005, №4,С. 25-28.
4. Абразумов В.В., Котенко В.Д. Анализ явлений на контактных поверхностях режущего клина при резании плитных древесных композиционных материалов на минеральных вяжущих //Вестник Московского государственного университета леса - Лесной вестник.- 2006.№6(48).- С.138-141.
5. Абразумов В.В., Котенко В.Д. Перспективы применения режущих инструментов из наноматериалов для обработки древесных композитов //Материалы совещания зав. кафедрами Материаловедения России,- Ульяновск.-УлГТУ, 2006.- С.24-25
6. Абразумов В.В., Морозов А.В. Влияние режимов резания на температуру контактных поверхностей резца при обработке композиционных материалов из древесины //Вестник Московского государственного университета леса - Лесной вестник.- 2007. №4(53).- С.87-89.
7. Абразумов В.В. Строение и свойства ориентированно-стружечных плит //Вестник Московского государственного университета леса - Лесной вестник..- 2007.№6(55).- С.115-117.
8. Абразумов В.В., Разуваев С.П., Толчеев А. В. Особенности обработки плитных древесных композиционных материалов хвостовыми фрезами //Вестник Московского государственного университетата леса - Лесной вестник.- 2007.№6(55).- С.118-120.
Публикации в журналах, сборниках научных трудов,
тезисы докладов на конференциях разного уровня
9. Абразумов В.В. Перспективные материалы для режущего инструмента //Научные труды МЛТИ /М: МЛТИ. -1990.– Вып. 228.-С.64-66.
10. Абразумов В.В. Режущие свойства твердого сплава с кобальторениевой связкой //Научные труды МЛТИ /М: МЛТИ. -1991.– Вып. 243.-
С.79-82.
11. Абразумов В.В. Методика расчета режущей части инструмента из твердого сплава методом конечных элементов //Научные труды МЛТИ / М: МЛТИ. -1991.– Вып. 243.-С.76-79/
12. Амалицкий В.В., Абразумов В.В., Квачадзе Т.Д. Исследование режущих свойств керамики при фрезеровании ЦСП //Научные труды МЛТИ /М: МЛТИ. -1991.– Вып. 236.-С.5-10.
13. Абразумов В.В. Исследование режущих свойств поликристаллических сверхтвердых материалов при фрезеровании ЦСП //Научные труды МЛТИ /М: МЛТИ. -1992.– Вып. 240.-С.117-124.
14. Абразумов В.В. О механизме изнашивания твердых сплавов при фрезеровании ЦСП //Научные труды МЛТИ /М: МЛТИ. -1992.– Вып. 251.-С.67-72.
15. Абразумов В.В., Сапронова З.Н. Исследование режущих свойств сплавов, легированных рением, при фрезеровании ЦСП //Научные труды МЛТИ /М: МЛТИ. -1992.– Вып. 251.-С.67-72.
16. Абразумов В.В. Характер износа и пути повышения стойкости твердосплавного инструмента при фрезеровании цементно-стружечных плит ЦСП //Научные труды МГУЛ /М:. МГУЛ. -1993.– Вып. 253.-С.
17. Абразумов В.В. Особенности процесса резания цементно-стружечных плит //Научные труды МГУЛ, Технология и оборудование для переработки древесины /М:. МГУЛ. -2005.– Вып. 326.-С.93-96/
18. Абразумов В.В. Моделирование источника теплоты на задней поверхности режущего клина при обработке ЦСП //Труды международного симпозиума «Надежность и качество»,- Пенза.-2005.-С.273-274.
19.Суханов В.Г., Абразумов В.В. Деревообрабатывающий инструмент для деревообрабатывающих центров с числовым программным управлением //Научные труды МГУЛ /М:. МГУЛ. -2005.– Вып. 331.-C.157-174.
20. Абразумов В.В., Котенко В.Д. Управление износом твердых сплавов при резании древесных композиционных материалов // Материалы 3-ей научно-практической конференции “Информагро-2007”,-п. Правдинский. 2007- С.271-275.
21. Абразумов В.В., Морозов А.В. Влияние теплопроводности материала режущего инструмента на температуру контактных поверхностей при обработке композиционных материалов из древесины // Материалы 3-ей научно-практической конференции “Информагро-2007”,-п. Правдинский. 2007- С.276-280.
22. Абразумов В.В. Анализ влияния абразивосодержащей связки в древесных композиционных материалах на стойкость лезвийного режущего инструмента // Науч.труды 11-ой Международной научно-технической конференции “Шлифабразив-2007”, -г. Волжский. 2007- С.95-97.
Монография
Абразумов В.В., Котенко В.Д. Износостойкость инструмента при резании древесных композитов. – М.: ГОУ ВПО МГУЛ, 2009. – 170 с.
Отпечатано в полном соответствии с качеством
представленного оригинал-макета
Подписано в печать 04.2009. Фомат 60х90 1/16 Бумага 80 г/м2
Ризография.Усл. печ. л. 2,0 Тираж 100 экз. Заказ №
Издательство Московского государственного университета леса
141005, Мытищи-5, Московская обл., 1-ая Институтская, 1, МГУЛ
E-mail: [email protected]
| Объявления о защите докторских диссертаций / Технические науки / |
Абразумов Владимир Владимирович "Износостойкость режущего инструмента при обработке композиционных материалов на древесной основе" 05.21.05 технические науки Д 212.146.03 ГОУ ВПО "Московский государственный университет леса 141005, г. Мытищи – 5, Московская, область, МГУЛ Тел.: 8 (498) 687-38-81 E-mail: [email protected] Предполагаемая дата защиты диссертации - 5 июня 2009 года Автореферат |
|
