Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ условий функционирования и закономерностей отказов рабочих органов и инструментов машин и оборудования лесного комплекса 12
1.1 Типы, назначение и конструктивные характеристики объектов исследований 12
1.2 Анализ условий эксплуатации объектов исследований 14
1.3 Условия отказов и закономерности потери работоспособности 16
1.4 Технологическое обеспечение работоспособности 25
2 Разработка методов управления параметрами состояния функциональных поверхностей рабочих органов и инструментов оборудования отрасли 36
2.1 Управление состоянием поверхностей рабочих органов и инструментов при индуцировании в магнитном поле 36
2.2 Управление состоянием поверхностей рабочих органов и инструментов при индуцировании в условиях термической стимуляции 42
2.3 Управление состоянием поверхностей рабочих органов и инструментов при индуцировании в условиях электролиза 49
3 Основы формирования благоприятной совокупности параметров состояния поверхностей рабочих органов и инструментов оборудования отрасли 60
3.1 Обоснование условий управления параметрами состояния рабочих поверхностей на основе кристаллографического упорядочения 60
3.2 Анализ гидродинамических условий обеспечения управляемого формирования совокупности параметров состояния поверхностных слоев исследуемых объектов 70
3.3 Анализ термокинетических условий обеспечения управляемого формирования совокупности параметров состояния поверхностных слоев исследуемых объектов 77
4 Особенности разрушения рабочих органов и инструментов оборудования отрасли с анизотропным состоянием функциональных поверхностных слоев 91
4.1 Анализ напряженно-деформационного состояния (НДС) в анизотропном упруго-симметричном полупространстве 91
4.2 Закономерности разрушения и изнашивания текстурированных инструментальных материалов 100
4.3 Прогнозирование формируемых состояний режущей части инструментов при обеспечении сопротивляемости различным видам разрушения на основе нейросетей 114
5. Разработка технологических основ и средств упрочнения рабочих органов и инструментов оборудования отрасли 122
5.1 Формирование анизотропного состояния на основе управления напряженным состоянием режущей части инструмента 122
5.2 Разработка способов комплексного упрочнения 127
5.2.1 Управление физико-механическими характеристиками инструментальных материалов при термомагнитном воздействии 128
5.2.2 Управление шероховатостью и структурным состоянием поверхностных слоев 131
5.2.3 Обеспечение поверхностной прочности инструментов при управлении остаточными напряжениями и микротвердостью 134
5.3 Формирование многофункциональных анизотропных покрытий .143
6 Методика исследований и экспериментальное оборудование 155
6.1 Исследуемые материалы. Подготовка образцов 155
6.2 Методика исследования состояния материалов 166
6.2.1 Исследования магнитных характеристик материалов 166
6.2.2 Исследования физико-механических и триботехнических характеристик 170
6.3 Методика исследований закономерностей изнашивания материалов 175
6.4 Методика оценки величины износа образцов 182
7 Формирование качества поверхностных слоев рабочих органов и инструментов при упрочняющей обработке 185
7.1 Управление характеристиками поверхностных слоев инструментов при механической и магнитострикционной формах упрочнения 186
7.2 Управление характеристиками поверхностных слоев инструментов при комплексном термомагнитном воздействии 197
7.2.1 Управление микротвердостыо 202
7.2.2 Управление остаточными напряжениями 217
7.2.3 Управление параметрами шероховатости поверхности 227
7.2.4 Управление поверхностной прочностью 242
7.3 Управление микротвердостью и остаточными напряжениями в текстурированных электролитических покрытиях 246
8. Влияние условий и режимов упрочняющих обработок на работоспособность инструментов 251
8.1. Исследование работоспособности инструментов с регламентированным уровнем напряженного состояния 251
8.2. Исследование работоспособности инструментов после комплексного упрочнения 265
8.3 Исследование работоспособности инструментов с текстурированными покрытиями 274
8.4. Адаптация технологий упрочнения инструментов и промышленные рекомендации по их применению 286
Основные выводы и заключение. Список литературы 296
Приложения 317
- Условия отказов и закономерности потери работоспособности
- Анализ напряженно-деформационного состояния (НДС) в анизотропном упруго-симметричном полупространстве
- Управление характеристиками поверхностных слоев инструментов при механической и магнитострикционной формах упрочнения
- Адаптация технологий упрочнения инструментов и промышленные рекомендации по их применению
Введение к работе
Актуальность темы исследования Возросшие в последние годы требования к качеству и конкурентоспособности продукции предприятий лесного комплекса, появление спроса на новые ее виды и повышение объемов производства определяют необходимость создания и использования новых и усовершенствованных технологий в сфере заготовительных и перерабатывающих производств, использования высокоэффективного технологичного оборудования и инструментов, в значительной степени импортного производства. В связи с этим возникла серьезная проблема сохранения и развития в России станко- инструментальной отрасли, продукция которой определяет технический уровень многих предприятий, осуществляющих заготовку и переработку древесины.
В вопросах совершенствования технического и технологического уровня предприятий лесного комплекса основной, наряду с производительностью, встает проблема обеспечения надежности и работоспособности технических систем. Ее решение в значительной степени затруднено ограниченными эксплуатационными свойствами используемых материалов, недостаточно эффективными технологиями производства изделий и их доэксплуатационной подготовки.
Зачастую серийно выпускаемое оборудование и режущие инструменты не обеспечивают реализацию необходимых технологических режимов, отвечающих современным требованиям к производительности и качеству продукции. Это в полной мере относится к рабочим органам лесозаготовительного оборудования, деревообрабатывающим станкам, оборудованию измельчительного назначения. С расширением спектра обрабатываемых материалов на основе древесины отмечается ограничение возможностей применения серийно выпускаемых режущих и деформирующих инструментов, что связано с необходимостью поиска путей существенного повышения уровня их эксплуатационных свойств.
Многообразие форм и видов разрушения конструкционных и инструментальных материалов, определяемых факторами эксплуатации, вызывает необходимость использования некоего универсального оценочного параметра работоспособности (состояния, обеспечивающего выполнение объектом заданной функции с регламентированными параметрами в течение определенного времени), в качестве которого для многих инструментов и рабочих органов машин может быть успешно использована их стойкость. Эффективное управление стойкостью рабочих органов лесозаготовительного, деревообрабатывающего и бумагоделательного оборудования можно обеспечить путем комплексного формирования благоприятного сочетания составляющих качества поверхностных слоев материалов в зонах разрушения (износа). Основными из них являются: физико-химические свойства, шероховатость, микротвердость, дефектность, структурное и фазовое состояние. Выбор путей оптимизации этих параметров в существенной степени определяется эксплуатационными условиями контактирования взаимодействующих слоев, разрушение которых протекает в широком диапазоне скоростных и температурных режимов и, зачастую, осложнено влиянием активных сред. При этом во многих случаях стойкость рассматриваемых объектов определяется напряженно-деформационным состоянием в зоне контактного взаимодействия.
Учитывая, что поверхностное разрушение локализовано в определенных зонах и определяется трибологическими и механическими свойствами конструкционных и инструментальных материалов, очевидна перспективность управления этими свойствами посредством создания в функциональных слоях благоприятного уровня напряженно-деформационного состояния, в том числе и на основе использования анизотропных эффектов.
Разработка упрочняющих технологий, создающих благоприятные анизотропные эффекты с одновременным управлением свойствами обрабатываемых объектов, может базироваться на основе технологической деформации, индуцирования, обработки концентрированными потоками энергии, механического деформирования и т.д. Вместе с тем сложность формирования параметров, форм и видов анизотропии с одновременным управлением остальными составляющими качества при традиционно реализуемых схемах обработки существенно ограничивает их возможности.
Несмотря на обширную фундаментальную базу сведений о свойствах анизотропных сред, решение лишь ограниченного объема задач доведено до прикладного уровня. В полной мере это касается обеспечения долговечности деталей оборудования и инструментов лесного комплекса, что ограничивает использование технологических возможностей повышения их работоспособности.
Таким образом, можно считать, что обоснование принципов комплексного обеспечения благоприятного сочетания составляющих качества функциональных поверхностей инструментов и рабочих органов деревообрабатывающего оборудования и лесозаготовительных машин и разработка путей его регламентированного формирования для повышения стойкости является актуальной проблемой.
Решение указанной проблемы выполнялось в соответствии с планами научно-исследовательских работ Министерства образования и науки РФ (Государственная регистрация № 01.99.0004519, № 01.20.0004518, № 01.20.0208037), планами НИР Брянской государственной инженерно-технологической академии и др.
Цель и задачи исследования – разработка научных основ комплексного управления совокупностями физико-химических и геометрических характеристик поверхностных слоев рабочих органов и инструментов машин и оборудования лесного комплекса для существенного повышения уровня их работоспособности.
Для достижения цели при выполнении диссертационной работы были поставлены следующие основные задачи:
1. Уточнить характерные виды и закономерности потери работоспособности рабочих органов и инструментов оборудования лесного комплекса.
2. Установить влияние условий эксплуатации инструментов на характер и интенсивность их отказов; установить основные конструктивно-эксплуатационные факторы, влияющие на показатели их работоспособности.
3. Выработать взаимосвязанные требования к показателям качества поверхностных слоев инструментов и разработать основы управления их свойствами для достижения благоприятной совокупности эксплуатационных параметров оборудования лесного комплекса.
4. Теоретически установить закономерности влияния формируемого сочетания уровней физико-химических, механических и геометрических параметров инструментов на их эксплуатационные свойства.
5. Теоретически обосновать и разработать новые способы формирования функциональных поверхностных слоев рабочих органов и инструментов деревообрабатывающего и лесозаготовительного оборудования, обладающих высокой степенью сопротивляемости различным видам разрушения в характерных условиях эксплуатации.
6. Разработать методики экспериментальных исследований закономерностей потери работоспособности инструментов и рабочих органов оборудования с оценкой влияния условий выполнения предлагаемых способов обеспечения стойкости.
7. Исследовать закономерности формирования совокупностей свойств исследуемых объектов в зависимости от режимов их упрочнения для выработки рекомендаций по использованию внешне индуцируемого магнитного поля и технологической деформации для создания благоприятного состояния поверхностных слоев рабочих органов машин и инструментов.
8. Исследовать закономерности влияния состояния поверхностных слоев на характер и интенсивность отказов рабочих органов и инструментов машин и оборудования лесной отрасли; выявить уровни свойств, обеспечивающие наибольшее повышение стойкости при различных режимах эксплуатации.
9. Экспериментально обосновать принципы управляемого формирования благоприятных характеристик поверхностных слоев режущих и деформирующих инструментов для обработки древесины и материалов на ее основе, а также рабочих органов лесозаготовительных машин и оборудования при реализации усовершенствованных методов деформационной, магнитной, лазерной и электроискровой обработок, обеспечивающих эффективное повышение стойкости.
10. Выработать рекомендации по реализации предлагаемых путей повышения работоспособности для их внедрения в промышленность.
В качестве объекта исследования принималось свойство работоспособности рабочих органов и инструментов машин и оборудования лесного комплекса.
Предмет исследования - рабочие органы и инструменты дерево- и бумагообрабатывающего и лесозаготовительного оборудования.
Методы исследования и достоверность результатов. Пути обеспечения управления свойствами поверхностных слоев инструментов оборудования лесного комплекса основаны на использовании данных об условиях их эксплуатации, с выявлением факторов, определяющих работоспособность. С учетом этого предложены новые способы обработки поверхности исследуемых объектов источниками с высокой концентрацией энергии, в управляемых магнитных полях, а также при формировании электролизных покрытий в состоянии направленного индуцирования, обеспечения поверхностной прочности, создания многофункциональных поверхностных структур с регламентированными свойствами, формирования благоприятного уровня остаточных напряжений технологической деформацией и проч.
Теоретической базой выступают экспериментальные данные и теории резания древесины и полимеров, трения и изнашивания, технологии производства техники и инструментов лесной отрасли, теоретической механики, а также теории упругости, математического моделирования, теории вероятности, математической статистики и материаловедения.
Обоснованность и достоверность результатов обеспечивается сопоставлением данных лабораторных, натурных и производственных экспериментов, а также опубликованными результатами исследований ряда авторов. Новизна технических решений подтверждена приоритетом авторских прав.
Научная новизна результатов работы заключается в следующем:
Теоретически обоснованы пути обеспечения работоспособности дерево- и бумагообрабатывающего инструмента, цепных рабочих органов оборудования, окорочных и лущильных станков, а также оборудования измельчительного назначения для производства щепы и стружки на основе управляемого формирования свойств поверхностных слоев конструкционных и инструментальных материалов. Впервые предложено представить комплексное сочетание их параметров в форме анизотропной системы, адаптируемой к условиям эксплуатации машин.
Показано, что формирование требуемых свойств может осуществляться за счет управления напряженно-деформационным состоянием поверхностных слоев при регламентации кристаллографической упорядоченности, структурного и фазового состояния, шероховатости, микротвердости, морфологических и топографических параметров. Установлено, что степень влияния каждого из них на формируемые свойства материалов определяется характером разрушения, видом анизотропии, температурным режимом и действием внешней среды.
Впервые предложена и обоснована возможность обеспечения сбалансированного сочетания показателей составляющих качество рабочих поверхностей инструментов на основе управляемого индуцирования за счет регламентации магнитострикционных напряжений, минимизации эпитаксии, обеспечения текстурирования, а также полеориентированного электроосаждения гальванических покрытий.
Разработаны теоретические основы технологического создания благоприятного сочетания уровней остаточных напряжений, микротвердости, шероховатости, а также структурного и дефектного состояний поверхностей рабочих органов и инструментов оборудования отрасли при воздействии источниками с высокой плотностью энергии в управляемом магнитном поле. При этом впервые предложен системный подход к обоснованию возможности структурной самоорганизации в материалах изделий с позиций магнитной гидродинамики и кинетики структурообразования. Показано, что упорядоченность кристаллографических плоскостей и направлений, создающая прогнозируемый комплекс свойств, определяется величиной напряженности магнитного поля и температурного градиента, создающего условия для направленного роста зерен.
Разработаны теоретические основы управления деформационным состоянием рабочих поверхностей изделий с учетом эффекта упрочнения при объемном нагружении. Установлено, что деформация материала с кристаллографической упорядоченностью реализуется стадийно с накапливанием определенного запаса прочности в направлениях, отличных от главных направлений деформации.
Разработана нейросетевая модель для оценки уровня работоспособности изделий, оптимизированная по критерию стойкости конструкционных и инструментальных материалов. Использование искусственно сформированного алгоритма обработки данных позволяет прогнозировать уровень эксплуатационных качеств при исключении необходимости дифференцированной оценки влияния режимов и условий эксплуатации на формируемые свойства материалов.
Теоретически и экспериментально обоснованы новые технологические решения и оборудование для формирования в материалах регламентированных состояний (патенты РФ № 2118383, № 2162111, № 2186129, № 2186670, № 2224826, № 2238986, № 2240360, № 2275445, № 2275432, № 2273672, № 2273671, № 2276191).
Практическая значимость и реализация результатов работы
Разработаны промышленные рекомендации по реализации новых способов повышения стойкости режущих и деформирующих инструментов деревообрабатывающего и бумагообрабатывающего назначения, а такжерабочих органов лесозаготовительных машин на основе формирования сбалансированного сочетания параметров поверхностных слоев инструментальных материалов.
Разработаны промышленные режимы применения новых видов деформационного, лазерного и электроискрового методов упрочняющей обработки материалов, включающие регламентированную технологическую деформацию и индуцирование внешними магнитными полями. Разработаны рекомендации и предложены способы повышения стойкости инструментов для обработки древесины и материалов на ее основе; использования многофункциональных электролитических покрытий.
Предложены рекомендации по эффективному использованию технологий упрочняющей обработки инструментов для обработки древесины, бумаги и картона.
Даны предложения по целесообразному использованию рекомендаций работы для повышения срока службы инструментов, деталей машин и оборудования лесного комплекса, внедрение которых обеспечивает повышение износостойкости в 1.4 – 2.6 раза.
Внедрены в учебный процесс ВУЗов программные продукты и лабораторное оборудование, использование которых позволяет более эффективно организовывать процесс обучения.
Результаты работы внедрены на ОАО «Котласский ЦБК» (г. Коряжма, Архангельской обл.), ЗАО ПЭФ «Союз» (г. Москва), ОАО «Кондровская бумажная компания» (г. Кондрово, Калужской обл.), ОАО «Брянский Арсенал» (г. Брянск), ЗАО «Группа «Кремний» (г.Брянск), ОАО ПО «Одинцово» (г.Одинцово, Московской обл.), ОАО «Мебельщик» (г. Нижний Тагил), ЗАО «Брянский завод мебельных деталей», в учебный процесс Брянской государственной инженерно-технологической академии (БГИТА), Брянского государственного технического университета (БГТУ).
Положения, выносимые на защиту
- 05.21.05 – Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки:
1. Методы прогнозирования эффективности технологий обеспечения стойкости рабочих органов и инструментов оборудования лесного комплекса и обоснования принципов и систем для их реализации.
2. Результаты внедрения способов повышения надежности и эффективности функционирования процессов механической обработки древесины на основе обеспечения высоких эксплуатационных качеств оборудования и режущего инструмента.
3. Методы управления состоянием рабочих поверхностей инструментов и элементов оборудования лесного комплекса по критерию стойкости.
4. Методы оценки и управления функциональными показателями рабочих элементов в узлах дерево- и бумагообрабатывающего оборудования и инструментов, рабочих органах машин лесного комплекса.
5. Результаты исследований и разработки технологий и средств повышения стойкости рабочих органов и инструментов деревообрабатывающего и лесозаготовительного оборудования.
- 05.21.01. Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства:
1. Результаты исследований условий функционирования рабочих органов и инструментов оборудования и лесозаготовительных машин.
2. Результаты исследований стойкости элементов оборудования и режущих инструментов с обоснованием взаимосвязанных требований к показателям качества поверхностных слоев и прогнозируемому уровню работоспособности.
3. Результаты разработки и совершенствования методов управления качеством работы машин, оборудования и инструментов лесного комплекса.
Апробация работы
Основные результаты работы доложены и обсуждены на семинарах и заседаниях Ученых советов Брянского государственного технического университета, Брянской государственной инженерно-технологической академии, Московского государственного университета леса, Московского государственного технологического университета им. К.Э. Циолковского, Санкт-Петербургской государственной лесотехнической академии, ГНУ «Институт механики металлополимерных систем им. В.А.Белого» НАН Беларуси (1997 – 2005 гг); на научно-технических конференциях разного уровня: «Современные проблемы машиностроения и технический прогресс». г. Севастополь, 1996 г., «Теория, проектирование и методы расчета лесных и деревообрабатывающих машин».г.Москва, МГУЛ, 1996, «Создание ресурсосберегающих машин и технологий». г. Могилев, Машиностроительный институт, 1996 г., «Повышение эффективности технологических процессов изготовления деталей машин». г. Курган, 1999 г., «Ресурсосберегающие технологии в лесном хозяйстве, лесной и деревообрабатывающей промышленности». г. Минск , 2000 г., МНТК «Комплексная переработка древесного сырья на базе эффективных и энергосберегающих технологий». г. Архангельск, АрхГТУ, 2000 г., «Действие электромагнитных полей на пластичность и прочность материалов», г. Воронеж, ВГТУ, 2003 г., «Полимерные композиты и трибология» («Поликомтриб-2005»), г. Гомель, 2005., «BALTTRIB 2007» г. Каунас, 2007.
Публикации
Основные положения диссертации опубликованы в 52 печатных работах, в том числе 13 в изданиях, входящих в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертации на соискание ученой степени доктора наук, а также в монографии, описаниях 14 изобретений, в сети Интернет (, )
Личный вклад автора в опубликованных работах заключается постановке и решении задач диссертации, в выявлении актуальности и формулировании научной проблемы обеспечения износостойкости инструментов и деталей машин и оборудования лесного комплекса, а также инструментальных и конструкционных материалов, использование которых предполагается в условиях идентичных рассматриваемым.
Автором предложены, разработаны и запатентованы новые конструкции рабочих органов машин и инструментов лесного комплекса и способы их доэксплуатационной обработки, обеспечивающие повышение работоспособности.
Структура и объем работы
Диссертация включает введение, 8 разделов, выводы и рекомендации, список использованных источников, 8 приложений. Работа изложена на 326 страницах машинописного текста и содержит 103 рисунка, 20 таблиц.
Список использованных источников включает 215 наименований. В приложениях приведены акты испытаний и внедрений результатов работы.
Условия отказов и закономерности потери работоспособности
Рассмотрение причин потери работоспособности режущих узлов лесозаготовительной техники и инструментов деревообрабатывающего оборудования позволяет представить ее закономерности как результат протекания молекуляр-но-механического, коррозионно-механического, абразивного и окислительного разрушения рабочих поверхностей [1,25,63,114]. Поэтому решение задачи повышения работоспособности рассматриваемых объектов представляется возможным лишь на основе комплексного подхода к анализу процессов, протекающих на их рабочих поверхностях.
Специфика изнашивания рабочих органов и инструментов дерево- и бумагообрабатывающего оборудования и лесозаготовительных машин во многом обусловлена особенностями химического состава и физико-механическими характеристиками (прочностью, твёрдостью, плотностью, теплопроводностью) древесины, бумаги и картона с присущими им изотропными, а в ряде случаев, анизотропными свойствами [16,24,56,64,89].
По данным [65,114,115], химические элементы, входящие в состав древесины, при механическом и тепловом воздействии способны инициировать процессы поверхностного истирающего действия, способствуют газонасыщению (в частности, водородом) поверхностных слоев конструкционных (направляющие суппортов) и инструментальных материалов, развивают явления коррозионного характера, осложненные образованием электрических пьезо — и триборазрядов. Смоляные составляющие древесины, попадая в зазоры соединений, способствуют удержанию продуктов износа и загрязнений извне и приводят к абразивному разрушению поверхностей цапф рабочих валов и шпинделей в местах подшипниковых опор.
Абразивный эффект разрушения характерен также для инструментов и рабочих поверхностей элементов бумагообрабатывающего оборудования. Каолин, находящийся в структуре бумаги, и содержащееся в нем железо, асбестин, остатки минералов в виде кварца, слюды, полевого шпата, силиката кальция, обладающие высокой твердостью, способны инициировать абразивный износ [89,203,199].
Кроме того, в картон вводится меламиноформальдегидая смола, имеющая высокую адгезию к металлическим поверхностям [64,199]. Периодическое образование и разрушение смоляных отложений на поверхностях инструментов интенсифицирует их изнашивание (рисунок 1.1).
Таким образом, абразивное действие, в основном, оказывают наполнители, вводимые в состав бумаги (картона), а процессы коррозионно-окислительного характера инициируются, главным образом, элементами, входящими в состав клеевого связующего. В древесине к таким окислителям следует отнести муравьиную и уксусную кислоты [57,63]. На начальной стадии развитие процессов разрушения микровыкрашиванием рабочих поверхностей обусловлено их прирабатываемостью и формированием микрорельефа, адаптированного к условиям нагружения. Этому способствует геометрическая и структурная неоднородность, а также анизотропия древесины.
В исследованиях [94,114,155,156] микровыкрашивание связывают с объёмной неравнопрочностью структуры конструкционных и инструментальных материалов, вследствие неодинаковой ориентировки зёрен по отношению к действующей нагрузке. Кроме того, фактор зернограничной ориентации также является определяющим в отношении сопротивляемости трещинообразованию [173]. В этой связи следует отметить, что структурная квазиизотропия прочностных свойств инструментальных материалов обусловливает разную степень сопротивления выкрашиванию отдельных структурных составляющих.
В пределах инкубационного периода развития очагов усталостного разг. рушения (рисунок 1.2) с момента первоначального контакта (15 - 20 минут) износ выкрашиванием может достигать 30 - 50 % его суммарной величины [47,56,114].
И.А.Махутов предполагает корреляцию между скоростью роста трещин и вязкостью разрушения материала или удлинением при разрушении [105]. Отме1-чается, что износостойкость возрастает с увеличением вязкости (произведением предела прочности на относительное удлинение); при этом в ряде случаев повышение твердости приводит к увеличению износа [47,74]. По мнению [119], высокую прочность следует ожидать от материалов, структура которых характеризуется большими значениями модуля упругости, поверхностной энергии и минимальными значениями межатомных расстояний, что не согласуется с данными работы [193], в которой для оценки усталостной прочности предложен критерий выносливости в виде a.j/E.
Таким образом, учитывая, что развитие разрушений (трещин) усталостного образования протекает преимущественно на мезомеханическом уровне и в значительной степени определено структурным состоянием материала, особая роль в аспекте влияния на его износостойкость принадлежит кристаллографической анизотропии.
По данным [22,81,82,109,196] анизотропия модуля упругости монокристаллов железа составляет до 50 % и более в зависимости от кристаллографического направления деформации.
При повышенных температурах адсорбционная активность поверхностных слоев инструментов при периодическом реагировании с кислородом воздуха и продуктами деструкции углеводородного комплекса древесины инициирует процессы окисления и диффузионные явления, снижающие вязкость разрушения, критическое значение коэффициента интенсивности напряжений и предел выносливости. Снижение выносливости, кроме того, обусловлено трещинооб-разованием при циклических знакопеременных напряжениях механического и термического характера [101,102,107]. При этом повышенная адгезионная способность клеевой компоненты и ряда наполнителей в составе бумаги (картона) в сочетании с термической деструкцией органических веществ, входящих в состав полимерных связующих, способствует реализации эффекта поверхностного разупрочнения.
Рядом авторов [63,114,135,155,56] отмечена электризация функциональных поверхностей инструментов. Величина зарядов может достигать порядка 30 кВ [56]. На протекание электроэрозионных явлений, обусловленных электростатическим электричеством, указывают также образующиеся кольцевые канавки на каландровых валах и неравномерный износ лезвий шаберов бумаго-обрабатывающих машин [203], а величина износа определяется интенсивностью образования окисных пленок, защищающих поверхность от электрических разрядов. Их образование в момент выхода режущей части инструмента из контакта с древесиной сопровождается образованием следов на рабочих поверхностях в виде микроскопических точечных лунок, являющихся очагами концентрации напряжений.
Присутствие электричества на рабочих поверхностях инструментов обусловливает вероятность протекания восстановительных реакций инструментального материала с кислородом, а также образования в зоне контакта микрогальванических потенциалов за счет содержащихся в древесине и бумаге электропроводящих жидкостей в виде влаги с повышенной кислотностью и жидкой фракции продуктов деструкции наполнителя, что, кроме того, при взаимодействии с металлами способно порождать электрохимические реакции. Следствием их является межзеренная коррозия с ослаблением межкристаллитных связей [57,63,64,97].
Практически отсутствующая в литературе информация о характере насыщения инструментального материала газообразными продуктами не позволяет достаточно надежно установить степень влияния этой составляющей в общей совокупности факторов изнашивания. Однако к источникам содержания газообразных продуктов в древесине следует отнести органические вещества, входящие в состав клеточной ткани; в бумаге и картоне - волокна целлюлозы, отбеленной с применением пероксида водорода или кислородосодержащих реагентов.
Наводороживание поверхностных слоев рабочих органов и инструментов машин и оборудования может быть обусловлено несколькими причинами. Предполагается возможность газонасыщения ионами водорода, выделяющихся при катодной поляризации или при его диссоциации в условиях повышенных температур и давлений в зоне резания при каталитической реакции влаги. Кроме того, при повышенных температурах может происходить также термическое разложение углеводородов и окиси углерода, следствием чего является образование водорода [114,129,155].
При адсорбции углеводородов на рабочих поверхностях инструмента возможно образование полимерных структур с выделением свободного водорода. Адсорбирующийся и диффундирующий водород, в том числе за счет миграции дислокаций, способен реагировать с окисными пленками Ре2Оз, гидрировать с карбидами Fe3C и, вызывая ферритное превращение, приводить к образованию метана [14]. Следствием этого является перенапряжение в кристаллических решетках (до 104 атм.), образование струїсгурньїх несплошностей и расслоений, снижение прочности, пластичности и ударной вязкости и, как следствие, повышение интенсивности изнашивания в целом.
Анализ напряженно-деформационного состояния (НДС) в анизотропном упруго-симметричном полупространстве
В работе модель контактного сближения поверхности инструмента с внешней нагрузкой (например, от реактивной составляющей силы резания или единичного микровыступа шероховатости поверхности сопрягаемого инструмента) представлялась внедрением жесткой шероховатой полусферы в однородное полупространство, характеризующееся анизотропией общего вида с осью упругой симметрии, в плоскости действия нормальной нагрузки (рисунок 4.1). При этом предполагалось, что структура поверхностных слоев режущей части представляет последовательно расположенные верхний слой с регламентированной кристаллографической упорядоченностью, трансверсально— изотропный подслой и квазиизотропную подложку (основу).
Вследствие сложностей в описании НДС многофазных поликристаллических структур, к которым относятся инструментальные материалы, принималась гипотеза континуума, допускающая статистическое осреднение свойств и состояний. При этом считалась уместной концепция эффективной гомогенности, дающая основание полагать одинаковыми однородные свойства среды во всех рассматриваемых точках. При этом, фазовый контраст структуры верхнего слоя, проявляющийся в отношении его НДС, усреднялся и ассоциировался с масштабом длины осреднения, вследствие чего становилось возможным предсказывать свойства идеализированной гомогенной среды через свойства отдельных фаз. При этом отпадала необходимость выполнения анализа для каждой фазы, удовлетворяющего условиям непрерывности векторов напряжений и перемещений по границам фаз с установлением граничных условий. Учет фазового спектра в слое с регламентированной кристаллографической упорядоченностью проводился на основе т.н. эффективной жесткости - усредненного значения жесткости всех фаз гетерогенной среды и их взаимодействий.
За счет введения промежуточного подслоя была обеспечена возможность уточнения граничного состояния между упрочненным и неупрочненным слоями.
При анализе НДС и обосновании предельных состояний инструментального материала в различных форматах кристаллографического упорядочения предполагалось управлять преимущественно анизотропией его пластических свойств.
При моделировании на монокристаллах Fe, Ni и Со с ОЦК, ГЦК и ГПУ-типами решеток при известных константах упругости [109] (таблица 4.1) задавались приращения вертикальных перемещений пуансона (масштаб перемещений принимался равным единице) до значения критического сближения с учетом законов распределения составляющих тензора напряжений в анизотропной среде. При этом определялась величина октаэдрического касательного напряжения по глубине внедрения, сравниваемого с величиной предела текучести на сдвиг в установленных кристаллографических направлениях (таблица 4.2), методика расчета которого приведена в п. 4.2. Кристаллографическое направление назначалось с условием обеспечения наибольшей и наименьшей деформации при определяемых величине и направлении главных напряжений для раз 94 личных анизотропных состояний.
Для анизотропных структур с ОЦК и ГЦК-типами решетки матрицы связи напряжений с деформациями представлялись в нижеследующем виде:
Допускалось, что при однократном приложении нагрузки на режущую часть инструмента с заданным текстурным форматом имеет место предельная величина напряжения, при которой существуют равновероятные условия распределения деформаций в области всестороннего сжатия. Данная величина обратно пропорциональна координационному числу, числу плоскостей скольжения в решетке и температуре деформации. С ее превышением реализуется переход упругих деформаций в нелинейно-упругую и пластическую области, преимущественно в направлениях с меньшим модулем Юнга.
Форма пятна контакта характеризует гидростатические условия нагруже-ния, при которых поле НДС в случае упругой изотропии оказывается сферически симметричной эквидистантой пуансона и не зависит от параметра 0 (в сферических координатах).
В условиях анизотропии девиатор деформации отличен от нуля, что обусловливает вследствие неравномерного развития деформаций переход эпюры давлений в эллиптический параболоид п- го порядка, оси которого ограничивают область определения функциональных потенциалов приведенных упругих переменных ру. Физическая интерпретация эллиптического параболоида сводится к моделированию работы деформации анизотропного полупространства; причем определяемые компоненты тензоров напряжений и перемещений, а также комплексные упругие постоянные являются однозначными функциями координат х, у, z в декартовой системе локальных сечений, непрерывными до поверхности контура.
Функция анизотропии выражается сопротивлением инструментального материала деформации за счет регламентированного кристаллографического упорядочения по заданному направлению относительно вектора внешней нагрузки.
Для стационарных условий нагружения в плоскости симметрии (0 — const) действуют главные растягивающие сг/ и сжимающие oj напряжения, а компонента тензора cr2((j0) (растягивающие напряжения в области под пуансоном и сжимающие около поверхности и вне площадки контакта) везде ей перпендикулярна.
Для идеального жесткопластического материала условие пластичности имеет вид:
Рассмотрим теперь, какие данные можно получить относительно анизотропии слоя с регламентированной кристаллографической упорядоченностью из поведения растягиваемых образцов, вырезанных из его плоскости.
В случаях, когда анизотропия характеризуется текстурированной зональностью (например, при осаждении на поверхности инструментов многослойных покрытий с разной текстурой в каждом слое) анализ НДС отдельно рассматриваемой зоны может быть сведен к частному решению ортотропнои задачи с учетом принятого условия гомогенности для всего анизотропного слоя.
Пусть система главных осей анизотропии выбрана так, что ось 1 представляет собой направление текстуры, ось 2 — поперечное направление в плоскости слоя (или зоны), а ось 3 - направление, нормальное к плоскости слоя. Если любой элемент (например, зерно в структуре) подвержен действию напряжений, приложенных в плоскости слоя, условие текучести будет представлено в виде
Управление характеристиками поверхностных слоев инструментов при механической и магнитострикционной формах упрочнения
Установлено, что в процессе заточки режущих кромок рабочих органов и инструментов в поверхностных слоях образуются относительно небольшие остаточные напряжения, которые не способны вызвать заметные проявления эффектов анизотропии, однако способны обусловить изменения механических свойств инструментального материала.
Обобщая изложенные в работах [13,17, 26,58,63,93] закономерности образования остаточных напряжений при шлифовании следует отметить, что их уровень и знак обусловлен преимущественно соотношением тепловой и механической составляющих нагружения при контакте с абразивным зерном и зависит от способности инструментального материала деформироваться пластически. Пластическая деформация в локализованных областях способствует образованию благоприятных остаточных напряжений сжатия, однако нагрев материала снижает эффект микронаклепа и приводит к образованию остаточных напряжений растяжения, оказывающихся в конечном итоге превалирующими.
При повышении теплопроводности инструментального материала и относительно невысокой способности к механическому упрочнению (стали леде-буритного класса) общий уровень остаточных напряжений несколько снижен.
Наряду с указанными составляющими, определенное влияние на формирование остаточных напряжений оказывают фазовые превращения. В большей степени это относится к периоду образования остаточного аустенита (например, при отпуске), повышающего уровень растягивающих напряжений. Глубина слоя аустенита, как правило, невелика, и составляет величину порядка 5-10 мкм. При этом слой аустенита может располагаться не на самой поверхности, а под некоторым слоем отпущенного металла. Это объясняется невысокой интенсивностью теплоотвода сильно нагретого поверхностного слоя, в связи с тем, что нижележащий слой также разогрет. Поэтому поверхностный слой охлаждается сравнительно медленнее, приобретая трооститную структуру, в то время как лежащий ниже его слой, охлаждаясь значительно быстрее, приобретает струк 187 туру аустенита.
Характерным также является расположение максимума остаточных напряжений в подповерхностном слое (15-20 мкм), что обусловлено дефектностью вышележащих слоев и их повышенной пластичностью. Глубина поля остаточных напряжений составляет более 100 мкм.
Установлена корреляция между уровнем остаточных напряжений и микротвердостью, величина которой зависит от изменений объема (в частности, при распаде остаточного аустенита и образовании тетрагонального мартенсита). Отпуск и увеличение в структуре остаточного аустенита снижают микротвердость и уменьшают удельный объем, что приводит к образованию растягивающих или снижению уровня сжимающих напряжений.
При упрочнении образцов ножей сборных фрез и ножевых валов фрезерных, строгальных и рейсмусовых станков направленной механической деформацией отмечен рост микротвердости при максимальных значениях: 3.4 ГПа - 8Х6НФТ, 4.2 ГПа - Р6М5 в пределах 0.25 %, 0.3 %. При дальнейшем увеличении деформации значения микротвердости стабилизируются с тенденцией к снижению. Последнее обстоятельство, по-видимому, следует принять как следствие перехода деформации поверхностных слоев в область пластичности.
Характер распределения микротвердости по глубине для исследуемых сталей примерно одинаков. Наибольшие ее величины зафиксированы на некоторой глубине от поверхности (2-4 мкм), что связано, главным образом, с дефектностью поверхностного слоя. В среднем прирост микротвердости составил 15-20%.
Впоследствии было отмечено, что с увеличением твердости поверхностного слоя глубина распространения пластической деформации, возникающей в процессе трения, оказывается существенно ниже, чем у недеформированного инструмента. Вследствие этого, образование эксплуатационных остаточных напряжений или преобразование уровня напряженного состояния, сформированного деформацией, проявляется в меньшей степени.
Анализ результатов исследований влияния деформации образцов на па 188 раметры шероховатости поверхности позволил установить уменьшение шаговых и возрастание высотных параметров шероховатости с ростом деформирующей нагрузки в области сжимающих напряжений. При этом возрастание величин Ra объясняется пластическим деформированием субмикрошероховато-стей при сближении вершин выступов, что приводит к одновременному уменьшению их радиусов г, В области растягивающих напряжений зависимости оказываются обратными.
Соответственно меняются кривые опорных поверхностей, что дает основание ожидать пониженную интенсивность изнашивания для инструмента с регламентированным уровнем напряжений в период приработки и ее меньшую продолжительность по сравнению с типовыми инструментом.
Решение задачи по управлению НДС в изнашиваемых участках рабочих органов оборудования и инструментов на основе магнитострикции обусловила необходимость определения магнитных характеристик исследуемых сталей. Установлено, что напряженность магнитного поля соответствующая состоянию насыщения с учетом размагничивающего фактора составляет 55-65 кА/м (рисунки 7.1 и 7.2). Эти величины принимались в качестве контрольных при назначении режимов комплексной упрочняющей обработки.
В результате исследований магнитострикции и уровней магнитострикци-онных напряжений в образцах получены зависимости Я =f(H) (рисунок 7.3) и а =/(Н) (рисунок 7.4).
Установлено, что с ростом напряженности МП происходит магнитострик-ционное приращение размеров исследуемых образцов. Причем, увеличение длины образцов из сталей Х12М, Р6М5 и армко-железа (принималась для сравнения) за счет деформации растяжением, сменяется постепенным сжатием, что сказывается на характере поля напряжений. Величина напряженности МП и соответствующая ей максимальная величина магнитострикционных напряжений, представлена в таблице 7.1.
Установлено, что при напряженности МП более 40 кА/м в материале образцов формируется равномерно-распределенное напряженное состояние, существенно не претерпевающее изменения с дальнейшим увеличением напря женности поля (рисунок 7.4). При этом отмечено, что сталь У10А не может подвергаться магнитострикционному упрочнению, вследствие формирования в поверхностном слое напряжений растяжения в широком диапазоне величин Н.
Учитывая, что стабильность уровня формируемых напряжений находится в тесной зависимости от температурного фактора эксплуатации дереворежущего инструмента, проводились исследования магнитострикции при различных величинах нагрева образцов (рисунок 7.5). Результаты исследований позволили уточнить эффективную величину напряженности МП при снижающейся магнитной восприимчивости материала.
Установлено, что при нагреве инструментальных материалов в интервале 20 — 200 С наблюдается снижение намагниченности, связанное с распадом мартенсита: М- (М+ EKi), где М- исходный мартенсит; Л/ - мартенсит, характеризующийся меньшей концентрацией углерода по сравнению с исходным; Kt -карбидные фазы железа. Принимая во внимание температурные реперы для цементита, х карбида и є - карбида (точки Кюри 210, 265 и 380 С соответственно), кинетика протекающего превращения представляется следующим образом.
Состав є и х - карбидов отвечает стехиометрической формуле Fe2C. С повышением температуры изменение образующихся фаз представляется в виде є—»Х— 9, где в- цементитная фаза. При нагреве до 120 С из мартенсита начинает выделяться углерод. За счет диффузии углерода в матрицу образуются мелкие включения карбидов. В интервале 120 - 170 С происходит обеднение мартенсита углеродом вследствие выделяющегося є - карбида; при этом содержание углерода достигает в среднем 0.2 - 0.3 % (М -» МҐ + є). На этой стадии фиксируется мартенсит двух составов: исходного (М) и двухфазного (М (0,2-0,3 % С) + когерентные є - карбиды; є- карбид имеет гексагональную кристаллическую решетку).
Таким образом, уменьшение намагниченности в этом интервале температур связано с разрушением доменной структуры в ферромагнитных фазах, протекающем с наибольшей интенсивностью в точке Кюри соответствующей фазы.
Адаптация технологий упрочнения инструментов и промышленные рекомендации по их применению
Промышленная апробация технологий упрочнения рабочих органов и инструментов дерево- и бумагообрабатывающей техники проводилась с применением промышленно выпускаемого инструмента, прошедшего упрочнение по разработанным технологиям, а также при внедрении опытных партий инструмента, используемых при обработке серийной продукции, с учетом производственных технологических условий и нормативов. Для сравнения принимались показатели работоспособности рабочих органов и инструментов, применяющихся на предприятиях. Показателями работоспособности при этом являлись продолжительность эксплуатации инструмента, его оперативный ресурс, а также качество обработки, количество переточек и др.
Производственные испытания проходили на ОАО «Котласский ЦБК» (г. Коряжма, Архангельской обл.), ЗАО ПЭФ «Союз» (г. Москва), ОАО «Кондров-ская бумажная компания» (г. Кондрово, Калужской обл.), ОАО «Брянский Арсенал» (г. Брянск), ЗАО «Группа «Кремний» (г.Брянск), ОАО ПО «Одинцово» (г.Одинцово, Московской обл.), ОАО «Мебельщик» (г. Нижний Тагил), ЗАО «Брянский завод мебельных деталей» и др.
Анализ некоторых отраженных в настоящей работе результатов испытаний позволил установить следующее. Упрочнение инструмента технологической деформацией успешно применимо к сменным ножам фрез, ножевых валов, короснимателям, лущильных, строгальных, просечных и перфорационных типов оборудования. При фиксировании режущих элементов прижимным клином его поверхность выполнялась криволинейной с радиусом, соответствующим заданной величине деформации инструмента; опорная поверхность выполнялась по эквидистанте.
Однако применение технологической деформации должно быть обосновано с позиций обеспечения размерообразования в установленном квалитете точности обработки, а также определяться конструктивными условиями обеспечения деформации. В частности, для ножей сборных фрез, имеющих длину менее 60 мм, формирование заданного уровня напряженного состояния предполагает деформацию, достижение которой требует значительных усилий на элементах фиксации инструментальной оснастки, что представляет определенную технологическую сложность; для ножей длиной более 650 мм может быть рекомендована деформация осевым сжатием, так как вследствие их значительной криволинейности при других видах деформации на минимально эффективных в отношение стойкости величинах (порядка 0.1 % ) не удается обеспечить плоскостность формируемой поверхности заготовок.
Альтернативным решением при этом может выступить способ упрочнения магнитострикционным эффектом. Исследования, проведенные на ножах и сверлах строгального (мод. ДКВ-4000) и сверлильно-фрезерного оборудования (мод. СвП-2, СВПА) позволили установить, что эффект стойкости обеспечивается при напряженности магнитного поля в пределах 80-100 кА/м. При испытаниях положение плоскости силовых линий магнитной индукции электромагнита устанавливалось ориентировано с учетом превалирующего направления трещинообразования на режущих кромках. Применялась контактная (для ножей) и бесконтактная (для сверл) схема намагничивания в соленоиде. Материал заготовок - древесина березы влажностью от 10 (при сверлении; диаметр сверл 10 мм; Р6М5) до 70 % (при строгании; глубина 1.5 мм, 8Х6НФТ).
По результатам испытаний отмечено, что по ресурс работы инструмента составил 48 часов для ножей и 57 часов для сверл; для промышленно используемого инструмента - 36 и 39 часов соответственно.
Для инструмента, используемого при производстве столярно-строительных изделий домостроения, работающего в условиях температурно-механического нагружения с присутствием агрессивной среды (режущие элементы цепных пил, инструмент линий агрегатной переработки на линиях ЛАПБ, фрезы, лущильные и строгальные ножи, инструмент лезвийных типов гофроагрегатов и слоттеров), работоспособность может быть обеспечена комплексным упрочнением.
К примеру, анализ результатов исследований интенсивности изнашивания дисковых ножей на линии ЛГПК-125 П по производству гофрокартона показывает, что величина износа инструмента, упрочненного электроискровым способом в магнитном поле с предварительной деформацией 0.15 - 0.20 % (8Х6НФТ) составила 0.12 мм (4,0.8-1.2 А); Р6М5 - 0.07 мм (1К.3 1.2 - 1.5 А), ШХ15 - 0.25 (1КЗ 1.2 - 1.5 А) мм на базе 72 часов. При этом величина износа ножей, имеющих объемную закалку, составила: для стали 8Х6НФТ - 0.27 мм, для стали Р6М5- 0.18 мм, для стали ШХ15 - 0.32 мм.
Наибольшая работоспособность отмечена у сегментных просекателей и ножей поперечной резки гофрокартона при их упрочнении текстурированием в направлении [111], при величине напряженности магнитного поля 250 - 500 кА/м, плотности мощности лазерного луча 1.7 - 2.4 Дж/мм2). Ресурс этих типов инструмента составил 94 часа. При этом отмечается существенное снижение интенсивности выкрашивания режущих кромок и прилегающих поверхностей как в период приработки, так и в период установившегося изнашивания.
Особенно эффективным оказалось применение текстурированных хромовых покрытий для режущих элементов цепных пил и инструментов, обрабатывающих картон и писчую бумагу (рисунок 8.15).
Установлено, что рекомендуемая твердость осадка определяется физико-механическими свойствами (жесткостью) обрабатываемого материала. Обобщенно для инструментов, обрабатывающих картон и гофрокартон, рекомендуемая твердость осадка лежит в пределах 55-58 ЬЖСэ; для инструмента, обрабатывающего бумагу - 60-62 HRCa (при объемной термообработке).
Наибольшую механическую прочность показали покрытия, осаждаемые при плотности тока 50-55 А/дм , температуре электролита 55 С, текстуриро-ванные в направлениях 111 . Для инструмента деформационного типов мож-но рекомендовать режим: j = 60 А/дм , температура электролита 55 С. Наибольшая адгезия обеспечивается при осаждении промежуточного слоя хрома в направлениях 100 , ориентированных параллельно подложке, на толщину 0.005 мм с последующим переориентированием в заданное (функциональное) направление 111 .
Для инструментов, работающих в сопряжении, представляется целесообразным рекомендовать следующие принципы подбора структуры покрытия: для верхнего основного (делительного) ножа - промежуточный (диффузионный) слой слой Сг на толщину 0.003 - 0.005 мм, далее функциональный слой в направлении 111 на эксплуатационную толщину (0.2-0.3 мм), верхние слои должны иметь текстуру по направлению 100 (толщина слоя 0.001-0.002 мм), обеспечивающего лучшую прирабатываемость покрытия; для нижнего (опорного ножа) — объемная термообработка или в случае формирования покрытия, -нетекстурированный хром толщиной 0,05 - 0.1 мм, защитный слой комплексом Zn-Ni толщиной 0.005-0.01 мм.
Для ножей стопорезок и инструмента с прямолинейной кинематикой, обрабатывающих плотный картон и стопу бумаги (картона) рекомендуется формировать промежуточный (диффузионный) слой Сг на толщину 0.003 - 0.005 мм, далее - функциональный слой в направлении 111 на эксплуатационную толщину (0.3-0.5 мм); для инструмента обрабатывающего гофрокартон, указанная структура покрытия должна быть дополнена защитным слоем Zn-Ni толщи ной 0.005-0.01 мм.
Для просекательного и штампового инструмента структура покрытия аналогична структуре дисковых ножей продольно-резательных станков, однако толщина функционального слоя должна назначаться в зависимости от типа перерабатываемого материала в пределах 0.3-0.5 мм.
Следует заметить, что текстурированные хромовые покрытия позволяют получить эффект износостойкости в первую очередь для инструмента, работа которого не сопровождается интенсивным тепловым нагружением рабочих элементов: при нагреве в течение 1 часа до температуры 600 С твердость хрома составляла 400 кг/мм ; при этом твердость быстрорежущей стали, выступающей в качестве под-ложки составляла 800 кг/мм . Однако, при относительно невысокой теплостойкости по сравнению с быстрорежущей сталью, хромовые покрытия отличает повышенная красностойкость, что позволяет использовать этот фактор при выборе материала инструмента (например, деревообрабатывающего).
Проведенные исследования и полученные результаты позволили сформулировать основные выводы и заключения по диссертационной работе.
