CC BY
11
УДК 674.055:621.934(043.3)
А. А. Гришкевич, канд. техн. наук, доцент (БГТУ);
В. В. Чаевский, канд. техн. наук, ст. преподаватель (БГТУ)
ВЛИЯНИЕ ИОННО-ПЛАЗМЕННЫХ ПОКРЫТИЙ НА ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ ЛЕЗВИЙ ПРИ РЕЗАНИИ ДРЕВЕСИНЫ НА ФРЕЗЕРНО-БРУСУЮЩИХ СТАНКАХ
Покрытия Мо-N и на основе S-составляющей были сформированы методом конденсации с ионной бомбардировкой поверхности инструмента. Элементный и фазовый состав покрытий и инструмента, поверхностная морфология режущего инструмента изучались с помощью рентге-носпектрального микроанализа, рентгеноструктурного анализа и растровой электронной микроскопии. Двухлезвийные резцы с покрытиями Мо-N и на основе S-составляющей при фрезеровании древесины на фрезерно-брусующих станках показали рост износостойкости в 4 и 5 раз соответственно в сравнении с непокрытым инструментом. Наблюдается различный механизм износа покрытий и резцов. Установлен химический тип износа резцов с покрытиями.
The Мо-N and S-based coatings were formed by the method of condensation from a plasma phase in a vacuum with ion bombardment of surfaces tools. The element and phase composition coatings and tools, the surface morphology of cutting tools were studied by X-ray microanalysis, X-ray diffraction and transmission electron microscopy. The steel double-blade cutters with Мо-N S-based coatings for milling special woods on the chipper-canters showed growth of wear resistance 4 and 5 times, responsibility, in comparison with non-coating tools. It is obtained a different mechanism of wear coatings and cutting inserts. There is abrasive chemical type of wear on coating tools.
Введение. Резание древесины и древесных материалов широко применяется на практике деревообрабатывающих производств. Для получения готовой продукции с максимальным экономическим эффектом в настоящее время является недостаточным только нахождение оптимальных режимов резания, расчет рациональной конструкции и геометрии дереворежущего инструмента. Механическая обработка древесных материалов традиционными инструментами, изготовленными из инструментальных сталей, экономически не оправдана из-за низкой стойкости такого инструмента. Наиболее современными направлениями в области совершенствования деревообрабатывающего инструмента являются использование в качестве резцов сверхтвердых материалов, синтетических алмазов, различных способов модификации поверхности резцов [1]. Одним из наиболее эффективных способов модификации поверхности стальных и твердосплавных режущих элементов дереворежущих инструментов является метод конденсации вещества из плазменной фазы в вакууме с ионной бомбардировкой поверхности (КИБ) [2], позволяющей регулировать специфику износа и существенно увеличивать ресурс работы резцов.
В мировой практике высокое признание для способов переработки бревен диаметром 8-24 см получило использование различных конструкций фрезерно-пильных и фрезерно-брусующих линий, имеющих преимущества в более высокой производительности и предельно упрощенной технологии перед универсальным оборудованием [3]. Фрезерно-брусующие станки (ФБС)
представляют собой агрегаты с системой шпинделей для установки на них инструментов. Для обеспечения подачи и базирования бревен относительно фрез станки имеют конвейерные подающие механизмы. ФБС отличаются друг от друга типами фрезерного инструмента, конвейерных подающих устройств, конструктивным решением базирующих устройств, компоновкой узлов в пространстве. Техническая функция фрез или ножевых валов, устанавливаемых на фрезерно-брусующих станках, состоит в получении из бревна бруса путем фрезерования боковых поверхностей бревна и превращении объема древесины в технологическую щепу. Устанавливая фрезерно-брусующие станки последовательно, можно перерабатывать бревно вначале в двухкантный, а затем в четы-рехкантный брус.
Один из видов конструкции резцов ФБС -двухлезвийные, и процесс обработки древесины в этом случае происходит двумя режущими кромками: длинной и короткой. Короткая и длинная режущие кромки работают в различных условиях резания. Длинная режущая кромка - в условиях поперечного резания, и износ ее меньше в отличие от короткой режущей кромки, участвующей в продольно-торцовом виде резания. Поэтому упрочнение режущих кромок инструмента является весьма актуальной задачей.
Целью данной работы было изучение износостойкости и характера износа двухлезвийных ножей фрез с напыленными ионно-плазменными покрытиями и определение ресурса работы модифицированного инструмента при процессах резания хвойных пород древесины.
Экспериментальная часть. Мо-N покрытия осаждались на поверхность резцов методом КИБ на установке ВУ-2МБС в два этапа. Проводилась предварительная обработка ионами молибдена в вакууме 10-3 Па при отрицательном потенциале подложки 1 кВ. Затем покрытия наносились при токе горения дуги катода 180 А и опорном напряжении иоп = 120 В в атмосфере азота при давлении 101 Па. Температура при осаждении соответствовала 400-450°C. Толщина полученных покрытий не превышала 3 мкм.
Фазовый состав полученных Мо-N покрытий исследовался методом рентгеноструктурно-го анализа при помощи дифрактометра ДР0Н-4.0 в Cu-Ka излучении. Для выяснения механизмов износа покрытий и определения износостойкости двухлезвийных ножей при механической обработке древесины были проведены фракто-графические исследования морфологии и элементного состава режущей кромки инструмента после производственных испытаний с помощью методов рентгеноспектрального микроанализа (РСМА) и растровой электронной микроскопии (РЭМ) на сканирующем электронном микроскопе LEO-1455VP.
В качестве режущего инструмента использовалась фреза, состоящая из двухлезвийных стальных ножей. Износостойкость режущего инструмента исследовалась на фрезерно-бру-сующей линии фирмы SAB (Германия) при обработке бревен из сосны и ели на деревообрабатывающем комбинате ОАО «Борисовский ДОК» г. Борисова. Средний диаметр обрабатываемых бревен сосны и ели составил 20,4 см, при толщине щепы 5 мм и длине щепы 25 мм. Угол среза торца щепы составлял 45°.
Результаты и их обсуждение. Установлено, что при КИБ осаждении молибдена в среде азота на резец образуется двухфазное покрытие, состоящее из фаз нитрида молибдена и металла (5-Mo2N и a-Мо) с текстурой (200), формирование которой обусловлено ростом зерен
в направлении плазменного потока, что соответствует данным [4].
Суммарное количество штук обработанных бревен N фрезами с двухлезвийными ножами рассчитывалось по формуле
N = 4Q / nD2 L6
(1)
где Q - объем переработанного материала; Б -диаметр бревна; Ьбр - длина бревна.
В результате суммарное количество обработанных бревен сосны и ели составило N = = 9497 шт.
Суммарный путь резания резца Ь без покрытия в древесине вычислялся по формуле [5]:
Ь = N • ^ х
-, (2)
ч
0! V
к! 0 i 2
-+ R ■ sin 0 I +(R ■ cos 0)2 d0
2п
где • - подача на резец, мм; 91 - угол входа ножа в древесину, град; 02- угол выхода ножа из древесины, град; к - число ножевых спиралей, шт.; I - длина элемента щепы, мм; 0 - угол контакта ножа, град; Я - радиус резания ножа, мм.
Суммарный путь резания двухлезвийного ножа без покрытия в древесине вычислялся в математическом пакете МаШСАБ.
Полученные результаты суммарного значения пути резания резца без покрытия в древесине сосны и ели по дням недели представлены в таблице.
Проведенный предварительный расчет износостойкости режущего инструмента на основе данных РЭМ (рис. 1) показывает увеличение износостойкости резцов с покрытиями Мо-К в 4 и с покрытиями на основе 8-составляющей в 5 раз по сравнению с резцами|без покрытия.
Ранее установлено, что рабочая поверхность твердосплавных ножей без покрытия подвержена хрупкому разрушению в виде скалывания и выкрашивания в процессе эксплуатации [6].
Результаты пути резания древесины резцом без покрытия
х
День недели Объем обработанных бревен, м3 Средний диаметр, см Длина бревен, м Суммарный путь резания ножа без покрытия, L, мм
Понедельник 160 20,4 4,0 4,933 ■ 106
Вторник 152 4,686 ■ 106
Среда 204 6,289 ■ 106
Четверг 230 7,091 ■ 106
Пятница 162 4,994 ■ 106
Суббота 333 1,027 ■ 107
Всего 1241 3,826 ■ 107
в
Рис. 1. РЭМ изображение поверхности торца режущей кромки резца с расчетом диаметра закругления изношенной части кромки резца без покрытия (а), с Мо-М покрытием (б), с покрытием на 8-основе (в) после деревообработки
Осаждение покрытия на поверхность резца изменяет характер износа режущей кромки инструмента: наблюдается сглаживание образующихся в процессе износа трещин поверхности материала (рис. 2, 3).
Присутствие значительной доли фазы металлического молибдена в Мо-М покрытиях, вероятно, вызывает снижение коэффициента трения за счет налипания на резец металлических частиц а-Мо покрытия при износе и по-
следующего их деформационного втирания в инструмент в область контакта с обрабатываемым материалом. В результате происходит уменьшение шероховатости поверхности трека износа. Об этом свидетельствуют заглаженный вид треков износа для этих типов покрытий на РЭМ фотографиях режущей кромки инструмента (рис. 2, а).
1 16 31 46 61 76 91 106 121 136 151 166 181 196 Расстояние, мкм
б
Рис. 2. РЭМ изображение поверхности (а) и распределение характеристического рентгеновского излучения Мо, Ре и Сг вдоль линии АВ (б) Мо-К покрытия изношенной режущей кромки резца
Наблюдение трещин и сколов на поверхности режущей кромки стальных резцов с покрытиями как Мо-М так и на основе 8-составляющей (рис. 2, а, 3, а) расширяет вывод о хрупком разрушении в виде скалывания и выкрашивания в процессе эксплуатации модифицированного инструмента, изготовленного не только из твердых сплавов, но и из стальных основ.
Значительное увеличение износостойкости резцов с покрытиями на основе 8-составля-ющей, по-видимому, связано с образованием в процессе резания в зоне контакта резец - дерево слоя-смазки, состоящего из серы и металли-
ческих включений материала инструмента. Наличие слоя-смазки существенно уменьшает коэффициент трения за счет преобладания в слое частиц серы, имеющих низкую микротвердость. По нашему мнению, структура покрытия на основе 8-составляющей содержит подавляющую долю мелкодисперсных субзерен несвязанной серы, которые легко выделяются на поверхность данного покрытия, образуя основу слоя-смазки и, в итоге, являясь причиной уменьшения коэффициента трения между поверхностями резца и дерева.
1 16 31 46 61 76 91 106 121 136 151 166 181 196
Расстояние, мкм
б
Рис. 3. РЭМ изображение поверхности (а) и распределение характеристического рентгеновского излучения Мо, Бе и Сг вдоль линии АВ (б) покрытия на 8-основе изношенной режущей кромки резца
На основе вышеизложенного можно заключить, что при резании хвойных пород дерева двух-лезвийными ножами наблюдается абразивно-химический вид износа поверхности инструмента.
Заключение. Таким образом, осажденные методом КИБ покрытия на стальные двухлез-вийные ножи сборных фрез обеспечивают при обработке материалов из хвойных пород дерева существенное повышение износостойкости режущего инструмента. При этом наиболее
эффективным является покрытие на основе S-составляющей.
Опытно-промышленные испытания в условиях производства ОАО «Борисовский ДОК» г. Борисова подтверждают актуальность проведенных исследований, а также необходимость повышения износостойкости и, тем самым, ресурса работы дереворежущего стального инструмента.
Проведенные производственные испытания показали увеличение износостойкости резцов с покрытиями Мо-N и на основе S-составля-ющей в 4 и в 5 раз соответственно по сравнению с резцами без покрытия.
Сформированные покрытия изменяют характер износа режущей кромки инструмента. При резании хвойных пород дерева двухлезвий-ными ножами наблюдается абразивно-химический вид износа поверхности инструмента.
Литература
1. Leitz, Leuco, Guhdo, Stehle, Faba, Freud: каталоги фирм. - 200S, 2009.
2. Эффективность применения TiN-, ZrN-, Ti-Zr-N- и Ti-покрытий на твердосплавных резцах при обработке ламинированных древесностружечных плит концевыми фрезами / А. А. Гришкевич [и др.] // Труды БГТУ. Сер. VI, Физ.-мат. науки и информатика. - 200S. - Вып. XVI. -С.52-54.
3. Раповец, В. В. Практические результаты экспериментальных исследований резания древесины двухлезвийными резцами и фрезерно-брусующих станках / В. В. Раповец // Труды БГТУ. Сер. II, Лесная и деревообраб. пром-сть. -200S. - Вып. XVI. - С. 205-20S.
4. Kazmanli, M. K. Effect of nitrogen pressure, bias voltage and substrate temperature on the phase structure of Mo-N coatings produced by cathodic arc PVD / M. K. Kazmanli, M. Urgen, A. F. Cakir // Surf. Coat. Techn. - 2003. - V. 1б7. - C. 77-S2.
5. Раповец, В. В. Методика установления работоспособности резцов спиральных фрез фрезерно-брусующей машины / В. В. Раповец, Н. В. Бурносов, А. А. Станкевич // Ресурсо- и энергосберегающие технологии и оборудование, экологически безопасные технологии: материалы докл. Междунар. науч.-техн. конф., Минск, 1б-1 S ноября 2005 г.: в 2 ч. / Белорус. гос. технол. ун-т; редкол.: И. М. Жарский [и др.]. - Минск: БГТУ, 2005. - Ч. 2. - С. 30б-309.
6. Моисеев, А. В. Контактные явления в микрообласти лезвия при резании древесины и их влияние на природу затупления инструмента: автореф. дис. ... д-ра техн. наук: 05.03.01 / А. В. Моисеев; Моск. гос. ун-т леса. - М., 19S3.- С. 15-1б.
Поступила 01.04.2010
а
