Износостойкость режущего инструмента при обработке композиционных материалов на древесной основе тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.21.05, доктор технических наук Абразумов, Владимир Владимирович

• Абразумов, Владимир Владимирович
• доктор технических наук
• 2009

Оглавление диссертации доктор технических наук Абразумов, Владимир Владимирович

Список обозначений.

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ОБРАБОТКИ

РЕЗАНИЕМ ДРЕВЕСНЫХ КОМПОЗИТОВ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Обзор исследований процесса резания плитных древесных композиционных материалов.

1.2. Анализ теорий изнашивания режущих инструментов при обработке древесных материалов.

1.3. Цель и задачи исследований.

Глава 2. ВЛИЯНИЕ СТРОЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ДРЕВЕСНОЙ ОСНОВЕ НА ПРОЦЕСС РЕЗАНИЯ.

2.1. Характеристика плитных древесных композиционных материалов и особенности их строения.

2.2. Характеристика процессов резания плитных древесных композиционных материалов.

2.3. Влияние строения плитных древесных композиционных материалов на стружкообразование.

2.4. Анализ силовых показателей процессов резания ПДКМ.

2.5. Влияние особенностей строения ПДКМ на качество обработанной поверхности.

2.7. Выводы.

Глава 3. КОНТАКТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В МИКРООБЛАСТИ РЕЗАНИЯ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА ИЗНОС ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

3 Л. Контактные явления на рабочих поверхностях режущего клина.

3.2. Основные механизмы изнашивания инструментальных материалов при резании древесных композитов.

3.3. Особенности износа резца при обработке древесных композитов на минеральном вяжущем

3.4. Выводы.

Глава 4. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ЧИСЛЕННЫЙ АНАЛИЗ ТЕПЛОВЫХ ЯВЛЕНИЙ В ПРОЦЕССАХ РЕЗАНИЯ ПЛИТНЫХ ДРЕВЕСНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ.

4.1. Общая характеристика влияния температуры на свойства инструментального материала.

4.2. Структурная модель плитных древесных композиционных материалов для целей резания

4.3. Моделирование тепловых явлений, возникающих в процессе резания древесных композитов на минеральном вяжущем

4.4. Численный анализ тепловых процессов при цилиндрическом фрезеровании кромки плиты.

4.5. Анализ тепловых явлений на задней поверхности режущего инструмента.

4.6. Выводы.

Глава 5. ИССЛЕДОВАНИЯ МЕХАНИЗМОВ ИЗНАШИВАНИЯ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ РЕЗАНИИ ПДКМ.

5.1. Краткая характеристика инструментальных материалов, применяемых для резания ПДКМ

5.2. Влияние тепловых процессов на структуру и свойства инструментальных материалов

5.3. Изучение кинетики изнашивания контактных поверхностей твердосплавного резца.

5.4. Особенности изнашивания контактных поверхностей алмазного инструмента.

5.5. Выводы.

Глава 6. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

СТОЙКОСТИ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА ПРИ ОБРАБОТКЕ ПДКМ.

6.1. Методика проведения испытаний режущего инструмента на износостойкость.■.

6.2. Анализ результатов экспериментальных исследований износостойкости резцов из твердых сплавов и ПКА.

6.3. Влияние режимов резания на стойкость режущего инструмента и качество обработки

6.4. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Износостойкость режущего инструмента при обработке композиционных материалов на древесной основе»

Композиционные материалы на древесной основе изготавливаются, в основном, в виде плит различной толщины. Плитные древесные композиционные материалы (ПДКМ), в большинстве случаев, успешно заменяют материалы из цельной древесины и поэтому нашли широкое применение в строительстве и мебельном производстве. Достоинство этих материалов заключается в том, что в зависимости от назначения им можно придавать требуемые физико-механические и потребительские свойства, а при их производстве^ использовать низкокачественную древесину и отходы деревообработки. В настоящее время в зависимости от вида связующего наибольшее применение нашли две группы плитных материалов из древесины: на основе синтетических смол - древесностружечные, древесноволокнистые и ориентированно-стружечные плиты; на основе минерального связующего - цементно-стружечные плиты.

Древесностружечные плиты (ДСтП), которые получают путём горячего прессования смешанных со связующим древесных частиц, наибольшее применение нашли в мебельном производстве и строительстве в 70-80-х г.г. прошлого века. Для получения требуемых потребительских свойств поверхность плиты подвергается отделке методами ламинирования (ламинированные древесностружечные плиты — ЛДСтП) и фанерования тонким шпоном ценных пород натуральной древесины.

ЛДСтП используются, в основном, для производства корпусной мебели. Однако эти материалы имеют ряд существенных недостатков: невысокую прочность, склонность к разбуханию при поглощении влаги и, самое главное, высокую токсичность связующего, в качестве которого в большинстве случаев используются фенолфор-мальдегидные смолы. Поэтому во всем мире наметилась тенденция существенного сокращения применения этих материалов в производстве мебели. В связи с этим объемы производства ДСтП заметно сократились и в последние пять лет стабилизировались на уровне 54-55 млн. м в год.

В настоящее время в ассортименте производимых в мире древесных плит увеличилась доля; древесноволокнистых плит средней плотности, известных под аббревиатурой MDF (Medium Density Fiberboard), и высокой плотности - HDF (Hocfr Density Fiberboard). Ежегодный прирост производства этих материалов составляет 1520%. Привлекательность, этого вида- ПДКМ как конструкционного материала связана, прежде всего, с экологической безопасностью за счёт применения в качестве связующего для древесных волокон карбамидных смол, модифицированных- меламином, которые обеспечивают очень низкую эмиссию формальдегида, сравнимую с натуральной древесиной.

В процессе производства MDF придаются специальные свойства: трудногорючесть, биостойкость, влагостойкость. Эти материалы привлекли внимание производителей мебели благодаря более высокой прочности при статическом изгибе и растяжении перпендикулярно пласти (в 1,8.2 раза больше соответствующих показателей ДСтП), а также высоких потребительских свойств, получаемых в результате ламинирования, каширования, имитационной печати, покрытия лаками и эмалями-гладкой и прочной поверхности плиты.

В зависимости от толщины плиты они применяются для изготовления широкого спектра мебельных и столярных изделий: профилированные фасады мебели, дверные филёнки, столешницы, внутренние и наружные двери, плинтуса. Древесноволокнистые плиты высокой плотности применяются для изготовления ламинированных полов разных классов износостойкости, несущих конструкций и т.д. Преимущества МББ по сравнению с другими плитными материалами способствовали быстрому росту объемов их производства' во* о всем мире, который достиг к 2005 г. более 30 млн. м .

Быстрое развитие производства этих материалов вызвано следующими причинами: расширением использования МОБ для производства столярно-строительных изделий; ростом потребности в плитах большой толщины (от 30 до 60 мм) как заменителя массивной древесины в традиционных сферах её использования; возможностью замены ДСтП в их традиционной сфере применения (мебельном производстве).

В 2006г. в связи с наметившимся ростом производства отечественной- мебели потребность российского рынка в древесных плитах составила 3.3,5 млн. м3 ДСтП и 0,9 млн. м3 М1Ж

В панельном домостроении широко применяются цементно-стружечные плиты (ЦСП), производство которых освоено в нашей стране в 1983г. Эти материалы сочетают в себе положительные свойства древесины и бетона и обладают негорючестью и сопротивляемостью воспламенению, стойкостью к воздействию климатических факторов, биологической стойкостью, достаточно высокой прочностью, хорошей звуко- и теплоизоляцией. Их недостатки -низкое значение сопротивления ударным нагрузкам, большая плотность, трудности при обработке резанием.

ЦСП используют в производстве сборных домов, отделке жилых и общественных зданий, а также сооружений промышленного- и сельскохозяйственного назначения. К достоинствам также относятся такие свойства ЦСП, как возможности обеспечения плотности стыков и декоративного облагораживания поверхности, малые потери при транспортировке и на строительных площадках.

В последние годы на основе цементно-стружечных плит созданы и широко применяются для отделки фасадов зданий декоративные панели с покрытиями из синтетического гранита.

В настоящее время в России наблюдается интенсивный рост рынка принципиально нового влагостойкого материала для строительства и отделки - ориентированно-стружечной плиты OSB (Oriented Strand Board), изготовленной на основе плоской щепы древесины хвойных пород и синтетического связующего.

Впервые производство ориентированно-стружечных плит было начато в 1982 году в Альберте (Канада) на заводе «Эдисон - OSB». Эти плиты по прочности не уступали фанере из хвойных пород и поэтому были представлены на рынке как её аналог. Для изготовления плиты использовалась тонкая и длинная стружка, которая.распо-лагалась параллельно-одна другой, но перпендикулярно стружке в V соседних слоях и, благодаря такому ориентированию, OSB приобрела уникальные свойства, которые открыли новые области применения этих материалов. Длительные эксперименты с древесным наполнителем по улучшению свойств и компьютеризация технологических процессов производства позволили создать плиту, которая полностью отвечает современным требованиям, предъявляемым к материалам для жилищного строительства.

С начала 80-х годов прошлого века производственные мощности OSB наращивались как в Америке, так и в Канаде и уже к серео дине 90-х годов на заводах США производилось 7,5 млн. м , Канады - 2,5 млн. м3 ориентированно-стружечных плит в год. В 1997 году производство OSB в США выросло до 11 млн. м3, а в Канаде — до 6 млн. м3. В настоящее время эти страны производят около 27 млн. м3 плит в год.

В последние годы интенсивное развитие производства ориентированно-стружечных плит наблюдается в странах Западной Европы, и в 2006 году оно достигло уровня 4 млн. м3 плит в год. В-Рос-сию в 2006 году было импортировано около 20 тыс. м , так как производство ОЭВ в стране до сих пор отсутствует. Ввод в эксплуатацию первого завода по производству ориентированно-стружечных плит предполагалось осуществить компанией "Кроностар" только, в 2007 году.

В настоящее время основными поставщиками продукции на российский рынок- являются европейские фирмы: Egger (Австрия), 01ипг (Германия), Кгопо (Швейцария).

ОЭВ Egger представляет, собой плотно прессованную трехслойную плиту из плоской ориентированной щепы хвойных и- лиственных пород, проклеенную синтетическими экологически чистыми клеями под воздействием высокого давления и температуры. В на-ружномгслое плиты щепа ориентирована продольно, а во внутреннем — перпендикулярно. Раздельное изготовление стружки и одинаковая толщина каждой щепы, проверяемая детекторами, обеспечивают плотность и монолитность внутренней структуры ОБВ, а также отсутствие дефектов древесины - сучков, трещин и т.п.

Плиты имеют довольно широкую область применения. Они могут использоваться в коттеджном строительстве и в каркасном домостроении: в качестве сплошной обрешетки-под битумную черепицу, фальцевую. кровлю; облицовки стен, пола и потолков;- подложки, под паркет; многоразовой опалубки; устройства плавающих и- черновых, полов, а также в качестве сэндвич-панелей, ограждающих конструкций.

Преимущества ориентированно-стружечных плит заключаются в том, что они не изменяют форму под воздействием;'влаги, находящейся в- воздухе, как это происходит с натуральной; древесиной; Кроме того, они обеспечивают легкий и быстрый монтаж благодаря большой плотности плиты и волокнистости древесной; составляющей (обеспечивается возможность крепления плит с помощью гвоздей!, шурупов и скоб); сохраняют свои механические: свойства при условии изоляции их от непосредственного влияния климатических факторов; придают жесткость конструкциям; дают возможность практически безотходного использования материала; обеспечивают большой срок службы.

Необычная фактура и золотистый' цвет плиты позволяют отде-лываты этим материалом стеньг и полы, возводить стеновые перегородки, изготавливать мебель и двери. Материал; имеет повышенную влагостойкость, в результате чего не расслаивается и не растрескивается, не подвержен; короблению: Его можно красить любыми; красками для древесины, лакировать, клеить, также подвергать механической обработке: пилению, строганию, фрезерованию и шлифованию.

Специалисты предсказывают СЖВ большое будущее. Совершенствование технологического процесса производства этих материалов, поиск новых формул связующего позволят сделать производство ОБВ экологически безопасным. Разработчиками новых древесных композиционных материалов направление создания ориентированно-стружечных? композитов считается одним из наиболее перспективных. Уже сегодня разрабатываются технологии1 производства древесных плит; у которых внутренний слой представляет 08В, а внешние — МБЕ. В недалеком будущем эти композиционные материалы будут конкурировать с известными и применяемыми в настоящее время композитами на основе древесины.

Древесные композиционные материалы подвергают механической обработке: первичной (форматной обрезке кромок плиты) - на стадии изготовления древесных плит и вторичной (раскрой плит на щитовые заготовки, цилиндрическое и профильное фрезерование кромок и пазов в плите, сверление отверстий, шлифование пласти и др.) - в условиях деревообрабатывающих производств.

При обработке резанием этих материалов очень велика роль режущего инструмента, от показателей стойкости и надежности которого зависит эффективность^использования? современного дорогостоящего деревообрабатывающего оборудования: автоматических линий, станков с числовым программным управлением, обрабатывающих центров и» т.п. В связи с этим к режущему инструменту предъявляются более высокие требования по всем показателям надежности, которые в первую очередь определяются режущими свойствами инструментального материала, предназначенного для изготовления режущей части. Поэтому усилия многих исследователей направлены как на изыскание новых инструментальных материалов, так и разработку методов повышения износостойкости уже применяемых в промышленности марок сплавов.

Инструментальные материалы высокой твердости, создаваемые прежде всего для обработки металлических сплавов и композиционных материалов, в последние десятилетия находят применение и в деревообработке. Однако механический перенос их в область обработки резанием древесины и композиционных материалов на её основе очень часто не дает положительных результатов, что связано с особенностями процессов резания этих материалов. Режущий инструмент, работающий при больших скоростях резания, должен обеспечивать высокую остроту режущего лезвия и сохранять её на протяжении длительного периода работы, что необходимо для обеспечения требуемого качества обработки. Поэтому вопросы повышения износостойкости инструментальных материалов при резании древесных композитов, существенно отличающихся от других материалов физико-механическими и теплофизическими свойствами, имеют первостепенное значение. До сих пор нет системных исследований механизмов изнашивания и затупления дереворежущего инструмента, которые позволили бы выработать требования к инструментальному материалу, обосновать рациональность его использования для обработки конкретного древесного материала и наметить пути его-совершенствования.

Решение этих задач возможно на основе глубокого изучения, и всестороннего анализа явлений, происходящих на контактных поверхностях режущего клина, которые зависят от свойств* отдельных составляющих композита. Существенные различия в физико-механических и теплофизических свойствах составляющих ПДКМ N определяют энергетические показатели процесса резания и тепло-физические процессы на контактных площадках режущего клина.

Авторы большинства работ, связанных с исследованиями явлений на поверхностях контактирующих тел, едины в мнении, что теп-лофизические аспекты в зоне контакта являются определяющими в развитии тех или иных механизмов изнашивания. Особенно велика их роль на контактных поверхностях дереворежущего инструмента, резцы которого работают в условиях прерывистого резания.

В контексте изложенного, анализ теплофизических процессов в режущем клине и в зоне резания ПДКМ представляет исключительно важный интерес с точки зрения изучения влияния их на механизмы изнашивания инструментальных материалов. Большой теоретический опыт, накопленный при исследовании теплофизики резания металлических и неметаллических материалов, позволяет решить эту задачу и для резания древесных композиционных материалов с учетом их особенностей.

При выполнении диссертационной работы автором использовались современные методы теплофизического анализа процессов резания материалов, металлография и микроструктурный анализ, закономерности: теории резания древесины и древесных материалов; трения и износа; теории вероятности и статистической обработки.

В результате выполнения исследований получены следующие, разработанные автором, новые положения, которые выносятся на защиту:

- структурные модели древесных композиционных материалов на минеральных вяжущих и полимерных связующих, которые отражают особенности этих материалов при обработке резанием;

- модели процессов взаимодействия компонентов древесных композитов с контактными поверхностями режущего инструмента;

- математическая модель тепловых явлений процесса резания древесных композиционных материалов на древесной основе;

- механизмы износа, выявленные по результатам численных экспериментов на математической модели тепловых явлений процесса резания;

- модели износа материалов режущих инструментов, полученные по результатам электронно-микроскопических исследований и спектрального микроанализа их контактных поверхностей;

- экспериментальные данные по износостойкости различных инструментальных материалов при обработке древесных композитов резанием.

Заключение диссертации по теме «Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки», Абразумов, Владимир Владимирович

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований сделаны следующие выводы.

1. Композиционные материалы на древесной основе по строению отличаются от натуральной древесины и представляют собой гетерофазные системы, состоящие из наполнителя в виде древесных частиц или древесного волокна, синтетического или минерального связующего с включениями минеральных частиц высокой твердости и структурных пустот и пор. Особенности строения этих материалов 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; высокая интенсивность тепловых процессов в зоне резания; зависимость состояния (шероховатости) обработанной поверхности-от прочности межфазного слоя и ряд других явлений.

2. В диссертационной работе предложены структурные модели древесных композиционных материалов для целей изучения процесса резания, которые учитывают особенности их обработки. Структурные модели древесных композитов на минеральных вяжущих (ЦСП) характеризуются строением, в котором непрерывный каркас об разуют тонкие прослойки цементного камня. Цементный камень состоит из тонкодисперсного геля, в котором статистически распределены очень твёрдые и термоустойчивые негидратированные зёрна цементного клинкера.

В моделях для случая композитов с полимерным связующим (ДСтП, МОБ, 08В) древесные частицы располагаются также послойно с произвольной ориентацией в каждом слое. В местах контакта древесных частиц образуются «клеевые прослойки», представляющие собой отвердевший полимер. Каркас из полимера в таких материалах отсутствует.

Каждая составная часть - поры, цементный камень, древесные частицы - в поверхности резания занимает свою долю.

3. Условия резания ПДКМ, имеющих в своем составе абрази-восодержащую составляющую в виде минеральных частиц или частиц затвердевшего клея, существенно отличаются от условий резания натуральной древесины. Всестороннее изучение и анализ явлений, происходящих в микрообласти резания, позволят выявить индивидуальный вклад каждой отдельной составляющей этих материалов в общий процесс изнашивания режущей части резца.

4. В работе предложены модели контактного взаимодействия компонентов древесного композита с поверхностями режущего инструмента и рассмотрены механизмы разрушения составляющих обрабатываемого материала и сплава при резании.

В основе механизмов разрушения цементного камня при резании древесных композитов на минеральных вяжущих лежит упругая, а древесной составляющей - упруго-пластическая деформации. Теплотой упругой деформации можно пренебречь и считать, что образующаяся стружка надлома не оказывает влияния на величину сил трения на передней поверхности резца.

Процесс взаимодействия задней поверхности режущего инструмента с цементным камнем в работе рассматривается как процесс шлифования. Такая схематизация отражает реальный механизм взаимодействия задней поверхности режущего клина с цементным камнем и позволяет смоделировать источник теплоты на поверхности контакта «изделие - режущий клин».

В моделях древесных композитов с полимерным связующим принимается во внимание их пористость, а «клеевые пятна» рассматриваются как абразивные включения.

5. Процесс изнашивания рабочих поверхностей резца в условиях переменного циклического нагружения носит комплексный характер; зависящий от многих факторов, но в основе его лежит ударно-абразивное изнашивание, вызванное ударным действием абразивных частиц высокой твердости, соизмеримой с твердостью инструментального .материала, на контактные поверхности резца. Наиболее интенсивный износ с образованием фаски износа происходит на задней поверхности резца, что связано с особенностями взаимодействия задней и обрабатываемой поверхностей при фрезеровании и является следствием скольжения ее по абразивосо-держащей массе поверхности резания.

6. Износ контактных поверхностей резца происходит как вследствие механического диспергирования компонентов инструментального материала (преимущественно связки) абразивными частицами, так и удаления упрочняющей фазы путем вырывания ее зерен из связки. Тепловые явления, сопровождающие процесс резания древесных композитов, обладающих очень низкой теплопроводностью по сравнению с инструментальным материалом, оказывают исключительное влияние на физические явления, протекающие в микроповерхностных слоях режущего клина.

7. Для оценки теплового состояния в зоне резания представлена математическая модель тепловых явлений процесса резания древесных композитов, которая отражает структурные особенности этих материалов. Модель позволяет производить расчёты распределения температуры и тепловых потоков на контактных поверхностях по заданным режимам обработки с учётом теплофизических характеристик режущего инструмента и обрабатываемого материала. В модели учитываются пористость, концентрация абразивных включений, а также физико-механические и теплофизиче-ские характеристики древесных композитов.

8. Анализ результатов расчёта тепловых явлений в зоне резания показал, что средний уровень температуры на поверхностях режущего клина при обычных режимах резания различных древесных композитов сравнительно невысок. Однако, тепловые потоки, распределяясь на малых контактных площадках резца, создают большие градиенты температур и, следовательно, термические напряжения первого рода в макрообъемах инструментального материала и второго рода - в межфазном слое, которые носят импульсный характер и вызывают явление термоциклирования микроповерхностных слоев. Кроме того, при ударном воздействии абразивных частиц древесного композита и скольжении их по контактной поверхности резца на микроплощадках пятна контакта, ограниченного размерами в несколько- десятых долей или единиц микрометра, развиваются исключительно высокие температуры, носящие характер "температурных вспышек". Следствием их действия является снижение твердости и прочности составляющих сплава, уровень которого определяется их теплофизически-ми свойствами (теплопроводностью), возникновение структурных напряжений на межфазных границах из-за существенного различия коэффициентов линейного расширения связки и упрочняющей фазы и развитие пластической деформации наименее прочной фазы, приводящей к ее диспергированию.

9. При резании древесных композитов резцами из инструментальных сталей в результате нагрева в них происходят структурные превращения, которые приводят к разупрочнению и снижению твёрдости. Вследствие этого инструментальные стали обладают низкой износостойкостью и не могут быть использованы для обработки древесных композитов.

Режущие инструменты из твёрдых сплавов, представляющих собой композиционные материалы на основе порошков кобальта и карбидов вольфрама, более термостойки и не испытывают структурных превращений при нагреве. Тем не менее, механические свойства их структурных составляющих также зависят от температуры, с возрастанием которой снижаются и тем самым оказывают влияние на износостойкость сплава. Так, повышение теплостойкости и модуля упругости связки твёрдых сплавов за счет легирования её теплостойким рением или рутением вызывает заметное улучшение износостойкости. Это является косвенным подтверждением особого влияния тепловых явлений в зоне резания на формирование механизмов и интенсивность изнашивания.твердых сплавов.

10. Инструменты из поликристаллических алмазов обладают высокими режущими свойствами благодаря-высокой твердости и способности сохранять свои механические свойства при нагреве. Расчёты и исследования показали, что вследствие высокой теплопроводности; температура на контактных поверхностях режущего клина из поликристаллических алмазов при обработке различных древесных композитов и градиент температур существенно ниже, чем при использовании твёрдых сплавов при тех же режимах резания. Как следствие, невысокий уровень термических напряжений снижает термоциклическую усталость и ослабляет действие механизмов терморазрушения, вызванных различием коэффициентов термического расширения алмазных кристаллитов и метал-лофазы, окислением алмазных кристаллитов, а также наличием мик-ропор, образовавшихся на стадии спекания.

11. На основе электронно-микроскопических исследований и спектрального микроанализа поверхностей изнашивания режущего клина раскрыта физическая сущность процесса износа, выявлены основные механизмы изнашивания резцов из различных марок твёрдых сплавов и поликристаллических алмазов и представлены их модели.

На начальном этапе пути резания износ режущей кромки резца происходит путем микровыкрашивания из-за невысокой хрупкой прочности твердых сплавов и дефектности поверхностного слоя, возникшей на стадии подготовки инструмента к работе.

Период монотонного изнашивания характеризуется наименьшей интенсивностью изнашивания. В его основе лежит тонкое диспергирование связки, которое облегчается за счет снижения её механических свойств под влиянием теплоты резания и заключается в экструзии кобальта и "вымывании" его из межкарбидного пространства абразивной составляющей древесных композитов. Завершающим этапом, является удаление зерен карбидной фазы путем вырывания их из связки или вследствие хрупкого разрушения. Механизмы изнашивания непрерывно трансформируются'во:время работы резца, сменяя .друг друга. Интенсивность, зависит от остроты режущей кромки и теплонапряженности: контактных поверхностей, проявление которой: заключается^ в накоплении дефектов кристаллической-решетки, вызванных термоциклической усталостью.

12. Экспериментальными исследованиями установлено влияние химического состава и морфологии твердых сплавов на-интенсивность износа рабочих поверхностей резца и радиуса округления режущей кромки; Исследование влияния режимов резания на износостойкость режущих инструментов из наиболее износостойких твёрдых сплавов-и качество обработки выполнено для цилиндрического фрезерования кромки плиты наиболее труднообрабатываемого древесного композита на основе минерального вяжущего (ЦСП).

13. Анализ физических явлений, происходящих в микроповерхностных слоях твердых сплавов, представляющих собой композиционный материал на основе матрицы и упрочняющей фазы в виде карбидов: вольфрама, позволяет сделать основной вывод: износостойкость этих материалов главным образом определяется механическими и теплофизическими свойствами связки и адгезионной-прочностью межфазного слоя. Для обеспечения высокой износостойкости твердого сплава связка должна удовлетворять следующим требованиям: иметь высокий предел текучести и модуль упругости; обладать высокой релаксационной способностью; иметь высокую теплопроводность и малый коэффициент температурного расширения, близкий к показателю цементирующей фазы; образовывать переходные зоны в межфазном слое, обеспечивающие высокую адгезионную прочность; обладать высокой теплостойкостью; не вызывать рост зерна карбида вольфрама на стадии спекания и не образовывать хрупкие фазы.

14. Повышение износостойкости твердых сплавов для обработки резанием композиционных материалов на древесной основе может быть достигнуто в результате: а) увеличения твердости сплава за счет снижения содержания кобальта и повышения дисперсности карбидной фазы. б) повышения механических свойств и прежде всего предела прочности на изгиб. Решение этой задачи может предполагать следующее:

- контроль содержания свободного углерода в сплаве на стадии изготовления;

- повышение смачиваемости цементирующей фазы и формирование прочного межфазного слоя;

- исключение образования химических соединений, представляющих хрупкие фазы;

- улучшение морфологического строения, предполагающее использование субмикроскопических, ультрадисперсных порошков и наночастиц карбида вольфрама;

- снижение пористости порошковых изделий путем горячего изоста-тического прессования и экструзии на стадии изготовления;

- повышение прочности связки за счет искусственного роста дефектов кристаллической решетки путем ионной имплантации-химических соединений;

- легирование связки теплостойкими металлами и карбидами тугоплавких металлов; улучшение структуры межфазного слоя электрофизическими методами.

Список литературы диссертационного исследования доктор технических наук Абразумов, Владимир Владимирович, 2009 год

1. Абразумов, В.В. Материалы фрезерных инструментов для обработки цементно-стружечных плит. Дисс. канд. техн. наук. М.: МЛТИ, 1993,-248 с.

2. Аваков, A.A. Физические основы теории стойкости режущих инструментов. М.: Машгиз, 1960. - 308 с.

3. Адеишвили, О.Г. Оптимизация процесса пиления цементно-стружечных плит: дисс. канд. техн. наук. М.: МЛТИ, 1988, -248 с.

4. Амалицкий, В.В. Данилов, В.А. Особенности раскроя це-ментностружечных плит в пачках с большой высотой пропила //Оборудование деревообрабатывающих производств: сб.научн. тр. -Вып. 264.-М.: МГУЛ, 1993.-С.57-61.

5. Амалицкий, В.В. Обработка резанием цементностружечных плит. Монография. М.: Вентана-Граф, 1997, — 112с.

6. Амалицкий, В.В.- Оптимизация обработки цементностружечных плит резанием: дисс. .докт. техн. наук. — М.: МГУЛ, 1998, -276с.

7. Бабков, В.В. Структура и прочность цементного камня // Труды НИИпромстрой.-Вып. 14, М: 1979, С.74-82

8. Бершадский, А.Л. Резание древесины. М. —Л.: Гослезбумиздат, 1956,-360с.

9. Бершадский, А.Л., Цветкова, Н.И. Резание древесины.-Минск: Вышейшая школа, 1975—303с.

10. Бобылев,-A.B. Механические и технологические свойства металлов. Справочник. — М.: Металлургия, 1980. 296 с.

11. Виноградов, В.Н., Сорокин, Г.М., Адбагачиев, А.Ю. Изнашивание при ударе. — М.: Машиностроение, 1982. 193с.

12. Волженский, A.B., Буров, Ю.С. Минеральные вяжущие вещества. М.: Стройиздат, 1973.-480с.

13. Воронин, В.В. Исследование и установление оптимальных условий сверления твердой лиственной и уплотненной древесины по скоростным и тепловым параметрам процесса: дисс.канд. техн. наук. М.: 1973, -263с.

14. Воскресенский, С.А. Вопросы реологии и теории резания древесины //Некоторые вопросы прочности изделий деревообрабатывающей и мебельной промышленности: сб. науч. тр.—Вып.30.-М.:1968.-С.214-229

15. Воскресенский, С.А. Резание древесины. — М.: Гослесбумиздат, 1955.-199с.

16. Гутер, P.C. Элементы численного анализа и математической обработки результатов опытов. М.: Наука, 1970 432с.

17. Гольцева, JI.B. Цементностружечные плиты на основе древесины лиственных пород: дисс.канд.тех. наук, М.: МЛТИ, 1991, 277с.

18. Гордеев, A.B. Решение задачи о нестационарном теплообмене с разрывными граничными условиями // Теплофизика технологических процессов-Вып. 2.-Изд. Саратовского университета, 1975, -С.78-81

19. ГОСТ 12966-78. Алюминия сульфат технический. Технические условия.21 .ГОСТ 13078-81. Стекло натриевое жидкое. Технические условия.

20. ГОСТ 26816-86. Плиты цементно-стружечные. Технические условия.

21. ГОСТ 310.1-310.3-76,ГОСТ 310.4-81, ГОСТ 310.5-80, ГОСТ 310.6-85. Цементы. Технические условия.

22. Грановский, Г.И. Фрезерование металлов. М.: Высшая школа, 1985.-304 с.

23. Грубе, А.Э. Дереворежущий инструмент. М.: Лесная промышленность, 1971, -344с.

24. Гуревич, Д.М. Механизм адгезионно-усталостного изнашивания твердых сплавов: дисс. докт.техн.наук. Иркутск, 1986, - 326с.

25. Даниелян, Л.М. Резание металлов и инструмент. М.: Машгиз, 1950. -452с.

26. Двоскин, Л.М. Исследование сил резания и тепловых явлений, сопутствующих процессу резания древесины: дисс. канд.тех.наук. -Минск, 1974,-172с.

27. Демьяновский К.И. Износостойкость инструмента для фрезерования древесины. М.: Лесная промышленность, 1968, — 128с.

28. Европейский стандарт EN 300

29. Жилин, В.А. Безатомный механизм износа режущего инструмента. -Ростов н/Д: изд-во Ростовского ун-та, 1973. -165с.

30. Зорев, H.H. Вопросы механики процесса резания. М.:Машгиз, 1956.-368 с.

31. Зотов, Г.А, Памфилов, Е.А. Повышение стойкости дереворежущего инструмента. М.: Экология, 1991, - 295с.

32. Зотов, Г.А. Исследование механики стружкообразования в процессе резания древесно-волокнистых плит: дисс.канд. техн. наук. М.: МЛТИ, 1982.-156с.

33. Зотов, Г.А., Киров, В.А. Технологические методы повышения стойкости дереворежущих инструментов—М.: ВНИПИЭИлеспром, 1986 — 36с.

34. Ивановский, Е.Г. Резание древесины. М.: Лесная промышленность, 1974.- 128 с.

35. Ивановский, Е.Г., Василевская, Т.В., Лаутнер, Э.М. Новые исследования резания древесины.-М.: Лесная промышленность, 1972.-129с.

36. Ивановский, Е.Г., Василевская, Т.В., Лаутнер, Э.М. Фрезерование и пиление древесины и древесных материалов—М.: Лесная промышленность, 1971.-96с.

37. Кацев, П.Г. Статистические методы исследований режущего инструмента—М.: Машиностроение, 1974—235с.

38. Кащеев, В.Н. Процессы в зоне фрикционного контакта металов — М.: Машиностроение, 1978.-211с.

39. Квачадзе, Т.Д. Оптимизация процесса фрезерования цементно-стружечных плит: дисс. канд. техн. наук. -М.: МЛТИ, 1991. —195с.

40. Кильчевский, H.A. Динамическое контактное сжатие твердых тел.-Киев: Наук. Думка, 1976.-24.

41. Киров, В.А. Рациональная начальная микрогеометрия лезвий дереворежущих фрез и её технологическое обеспечение: дисс.канд. техн. наук. -М.: МЛТИ, 1984. 198с.

42. Клушин, М.И. Резание металлов. М.: Машгиз, 1958. - 454с.

43. Коваленко, А.Д. Основы термоупругости. Киев: Р1аукова думка, 1970. -239с.

44. Колев, Н.С. Теоретическое и экспериментальное исследование изнашивания твердых сплавов. Ростов н/Д, 1973. - 165с.

45. Колесников, Ю.В., Морозов, Е.М. Механика контактного разрушения-М.: Наука, 1989—219с.

46. Колесников, Ю.В., Рыжов, Э.В. Контактирование твердых тел при статических и динамических нагрузках—Киев: Наук. Думка, 19 82 — 169с.

47. Коняшкин, В.И. Фрезерование древесностружечных плит и древесины с применением ножей с поверхностным покрытием из нитрида титана: дисс. канд. техн. наук. -М.: 1989, -224с.

48. Костецкий, Б.И. Фундаментальные закономерности трения и износа.-Киев: Знание, 1981.-32 с.

49. Костецкий, Б.И. Поверхностная прочность материалов при трении—Киев: Техника, 197б.-292с.

50. Кох, П. Процессы механической обработки древесины. М.: Лесная промышленность, 1979, -328с.53*. Крагельский, И.В. Трение и износ. — М.: Машиностроение, 1968. -480 с.

51. Крагельский, И.В., Добычин, М.Н., Комбалов, B.C. Основы расчета на трение и износ. М.: Машиностроение, 1977. - 526 с.

52. Креймер, Г.Е. Прочность твердых сплавов.—: Металлургия, 1971.-247с.

53. Кряжев, H.A. Фрезерование древесины. -М.: Лесная промышленность, 1979. -199с.

54. Курис, И.М. Исследование износостойкости твердосплавного инструмента при фрезеровании древесных материалов: дисс. канд. техн. наук. М.: МЛТИ, 1976,-195с.

55. Кушнер, B.C. Термомеханическая теория процесса непрерывного резания пластичных металлов. Иркутск: Иркутский ун-т, 1982. - 230с.

56. Ларионова, З.М. Формирование структуры цементного камня и бетона. — М.: Стройиздат, 1971. — 163с.

57. Ларионова, З.М., Никитин, Л.В., Гарашин, В.Р. Фазовый состав, микроструктура и прочность цементного камня и бетона. — Стройиздат, 1977.-264с.

58. Лейхтлинг, Р.Л. Исследование нагрева дереворежущего инструмента в процессе резания: авт. дисс.канд. техн. наук. Красноярск, 1967-17с.

59. Леонович, А. А. Физико-химические основы образования древесных плит. С.- П., 2003.

60. Лисовский, А.Ф. Миграция расплавов металлов в спеченных композиционных телах.—Киев: Наук, думка, 1984—256с.

61. Лоладзе, Т. Н. Прочность и износостойкость режущего инструмента. М.: Машиностроение, 1982. - 320 с.

62. Лоладзе, Т.Н. Износ режущего инструмента —М.: Машгиз, 1958 —178с.

63. Любченко, В.И. Резание древесины и древесных материалов. -М.: Лесная промышленность, 1986. -296с.

64. Макаров, А.Д. Износ и стойкость режущих инструментов. М.: Машиностроение, 1966. — 262 с.

65. Манжос, Ф.М., Цуканов, Ю.А. Исследование обрабатываемости резанием древесностружечных плит/ сб. научных трудов.-Вып. 101. М.: МЛТИ,1981.-101с.

66. Мельникова, Л.В. Технология композиционных материалов из древесины . Учебник-М.: МГУЛ, 1999. -226 с.

67. Методика стойкостных испытаний дереворежущих инструментов' при проведении НИР. Общие положения. -М.: ВНИИТЭМР, 1986. 16с.

68. Миграция связующей фазы в слоистых изделиях из твердых сплавов WC- Со Третьяков, В.И., Емельянова, Т.А., Дубинский, С.А. и др. // Твердые сплавы и тугоплавкие металлы — М.: Металлургия. -С.62-65.

69. Моисеев, A.B. Износостойкость дереворежущего инструмента. -М.: Лесная промышленность, 1981. — 111 с.

70. Морозов, В.Г. Исследование влияния некоторых факторов режимов резания на затупление инструментов (продольное фрезерование): дисс. канд. техн. наук. М.: МЛТИ, 1966. - 144 с.

71. Остафьев, В.А. Расчет динамической прочности режущего инструмента. М.: Машиностроение, 1979, - 186с.

72. Памфилов, Е.А. К вопросу разрушения дереворежущих инструментов // Станки и инструменты деревообрабатывающих производств — Вып.9.-Л: 1982, С.25-28

73. Памфилов, Е.А. Оптимизация упрочняющих технологий и их реализация с целью существенного повышения износостойкости штампо-вого и дереворежущего инструмента : дисс.докт.техн.наук—Брянск, 1988 — 350с.

74. Памфилов, Е.А., Петренко, H.A. К вопросу о механизме изнашивания дереворежущего инструмента // Изв. вузов. Лесн. журн. — 1978. № 3. -С. 148-150.

75. Памфилов, Е.М., Пыриков, П.Г. Повышение стойкости ножей дереворежущих инструментов // Деревообрабатывающая промышленность — 1996,№3,С.23-24

76. Пижурин, А.А, Розенблит, М.С. Исследование процессов деревообработки -М.: Лесная промышленность, 1984.-296с.

77. Пижурин, А.А, Розенблит, М.С. Основы моделирования и оптимизации прцессов деревообработки.-М.: Лесная промышленность, 1988-296с.

78. Пижурин, A.A. Оптимизация технологичесих процессов деревообработки.-М.: Лесная промышленность, 1975 —215с.

79. Подпоркин, В.Г., Бердников, Л.Н. Фрезерование труднообрабатываемых материалов. Л.: Машиностроение, 1983.-234 с.

80. Полетика, М.Ф. Контактные нагрузки на режущих поверхностях инструмента. М.: Машиностроение, 1969. - 150 с.

81. Развитие науки о резании металлов / Бобров, В.Ф., Грановский, Г.И., Зорев, H.H., Исаев, А.И., Клушин, М.И. и др. М.: Машиностроение, 1967.-415 с.

82. Разуваев, С.П. Прогнозирование стойкости дереворежущего фрезерного инструмента: дисс.канд. техн. наук —М.: МЛТИ, 1987, 161 с.

83. Разумовский, В.Г., Гольдберг, И.М., Фельдман Н.Д., Фортенко, М.С. ВНПО "Союзнаучстандартдом". Промышленное изготовление це-ментностружечных плит. Обзор, информ. -М.: ВНИПИЭВлеспром, 1987. -44с.

84. Растровая электронная микроскопия и рентгеновский микроанализ. М.: Мир, 1984. - Т. 1, 304 е., Т. 2, 348 с.

85. Резников, А.Н. Теплофизика процессов механической обработки материалов. М.: Машиностроение, 1981. — 220с.

86. Резников, А.Н. Теплофизика резания. М.: Машиностроение, 1969.-288 с.

87. Резников, А.Н., Резников, JI.A. Современное состояние и задачи дальнейшего изучения теплофизики резания материалов // Вестник машиностроения-№5, 1993,С.46-54

88. Рыбалко, B.C. Износ и затупление инструмента при фрезеровании древесины.//Новое в технике эксплуатации дереворежущего инструментаМ.: Гослесбумиздат, 1956. С. 123-156

89. Рыкалин, H.H. Расчеты тепловых полей при сварке. М.: Маш-гиз, 1951,-320с.

90. Силин, С.С. Метод подобия при резании металлов. -М.: Машиностроение, 1979.—152с.

91. Структура и свойства спеченных твердых сплавов // Чапорова, И.Н., Репина, Э.И., Сапронова, З.Н. и др./ Металловедение и термическая обработка металлов.-№2,1984.-С.28-32.

92. Суханов, В.Г. Стружкообразование при резании цементностру-жечных плит //Автоматизация и комплексная механизация процессов деревообработки: сб. научн. тр.-Вып.228. -М.: МЛТИ, 1990. С.5 -11.

93. Талантов, Н.Ф. Основы процесса резания, изнашивания и разрушения инструмента. М.: Машинострение, 1992. — 240 с.

94. Талантов, Н.Ф. Физические основы процесса резания, изнашивания и разрушения инструмента. -М.: Машиностроение, 1992.-238с.

95. ТУ 5536-026-00273643-98. Древесноволокнистые плиты средней плотности. Технические условия.

96. Уголев, Б.Н: Древесиноведение с основами лесного товароведения. — М.: Лесная промышленность, 1986. — 268 с.

97. Хасуй, А. Техника напыления М.: Машиностроение, 1975288 с.

98. Химушин, Ф.Ф. Конструкционные материалы. Т.1. М.: Советская энциклопедия, 1963. 399 с.

99. Хрущов, М.М., Бабичев, М.А. Абразивное изнашивание. М.: Наука, 1970.-252 с.

100. Цуканов, Ю.А., Амалицкий, В.В. Обработка резанием древесностружечных плит. — М.: Лесная промышленность, 1966. 94с.

101. Шварцман, Г.М., Щедро, Д.Ф. Производство древесностружечных плит,— М.: Лесная промышленность, 1987. — 252с.

102. Шейкин, А.Е. Структура, прочность цементного камня. -М.: Стройиздат, 1974. -192с.

103. Шпынова, Л.Г. Физико-химические основы формирования цементного камня. Львов, 1981. - 160 с.

104. Шустыкевич, О.С. Оптимизация процесса сверления це-ментностружечных плит: дисс. канд. техн. наук. — М.: МЛТИ, 1987, -309с.

105. 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.

106. 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.

107. Абразумов, В.В. Строение и свойства ориентированно-стружечных плит //Вестник Московского государственного университета леса-Лесной вестник 2007,№6(55).- С.115-117.

108. Гб.Ехпег, H.D. and Guland, J. Powder Metallurgy, 13, 1970. Zerspanbarkeit; von anorganisch und organisch gebundenen Spanplatten / Holz als Roh und Werkstoff. 47 1989, С. 153-157

109. PKD, ein wirtschaftlicher Hochleisnungschneidstoff fur die Holz-und Kunstoffbearbeitung // Horst Lach// Diamant Inf .-1985/-12.-S. 16-18.

110. Polykristalliner Diamant als Schneidstoff fur Hochleistungswerzeu zur Bearbeitung von Plattenmaterialien / H.Moitzi// Diamant Inf -1985.-№12/-S.24-33.

111. Fräsen von kunstoffbeschichteten Spanplatten mit hochharten Schneidstoffen /W.Stuhmeier// Holz und Mobelind.-l 989.-24,№14.-S. 12201224.

112. Fuijta, F.E. Fracture Solids. N. Y- London, Interscience, 1963, 657,1. P

113. Heimbrand, E. Moderne Schneidstoffe im Einsatz. Holz als Roh -und Werkstoff 42 (1984),-c.l75-179.

114. MDF-Tools in Action. Woodworking International №1, 1989, Key № 26068,c.14-16.

115. Пересчёт коэффициентов в формулах при переходе к единицам СИ

116. Вначале рассмотрим значения коэффициентов в формулах, в которых размерность физических величин приведена в системе МКГСС.

117. Температурное поле в стружке описывается уравнениемес(х,у) = {1 + с)- вд + в „ (х,у) вр{х,у). (1)

118. Формула для расчета средней температуры на контактной площадке стружки имеет видвсср = 0.195 ■ Ц- • ■ Тср 1.41 ■ Чя ■ Т2ср) + (1 + с) • 9а. (2)

119. Для описания температурного поля Ттп используется источник ПоБ-3 (см. «Приложение» у А.Н.Резникова)ч 1.41-0о-л/ЙГ7 / ч .втп (*> у) = , Г- г • у) ■ (3)1. Я • л/ж • л/и

120. Выполнив такие преобразования, получим1.411 10141 0.61 1.772 V Ю0.7957 • л/006 = 0.7957 • 0.245 = 0.1950.6

121. Температурное поле от описывается источником ПоБ1. Ых.У)-2;9-^! .ФЛ (4)

122. Поступая для источника ПоБ аналогичным образом, получим•7^06=0,276. ылесли использовать формулу для вср, то коэффициент был бы 0,185).

123. Подставляя полученные значения коэффициентов в формулу (1) получим формулу (2), т.е. ту, которую приводит А.Н.Резников.0.195--0,276.+(1 + с).е. = (5)1. Л \ и Я V и0.195--1.41- д.-Т^)

124. В эту формулу при расчете надо уже подставлять 1п в мм, а и - в м/мин.

125. Подставим коэффициенты в уравнение (5), получим (это уравнение упрощено для сокращения записи)а л 1Л2 Л /Ь/и ,<7 1Л2 л/© \к-1„-^=2.52-10 • — -у—-3.57-10 ■—Г'л1—-дп=и