WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 5 |

Изучению природы изнашивания дереворежущего инструмента посвящены исследования Грубе А.Э., Гаркунова Д.Н, Демьяновского К.И., Зотова Г.А, Ивановского Е.Г., Куриса И.М., Моисеева А.В., Памфилова Е.А., Рыбалко В.С., Цуканова Ю.А. и других. Исследователями установлены классификация видов изнашивания (механический, абразивный, тепловой и окислительный износы, электрохимическая и электрическая эрозия) и причины, приводящие к изнашиванию контактных поверхностей резца. Рассматриваются вопросы, связанные с выявлением механизмов формирования износа контактирующих поверхностей и влияния параметров их состояния на развитие этих процессов. Авторами работ не отрицается, что процесс изнашивания носит комплексный характер, но разногласия между ними возникают только по вопросу определения доминирующего вида износа, который лежит в основе изнашивания поверхностей резца и зависит от вида обработки, свойств инструментального и обрабатываемого материалов.

Ряд исследователей Даниелян Л.М., Двоскин Л.М., Клушин М.И., Костецкий Б.И., Кушнер В.С., Резников А.Н., Талантов Н.В., Моисеев А.В, Лейхтлинг Р.А., Воронин В.В. и другие посвятили свои работы теплофизике процесса резания металлов и древесины, связывая нагрев и затупление лезвия инструмента. В работах акцентируется внимание на тепловых явлениях в зоне резания и рассматриваются вопросы, связанные с потерей работоспособности, чаще всего, инструментальных сталей, которая происходит из-за снижения механических свойств вследствие структурных превращений в инструментальном материале.

До сих пор нет системных исследований, оценивающих режущие свойства современных инструментальных материалов при обработке древесных композитов, в частности, на минеральной основе. В настоящее время разрабатываются новые наноструктурные материалы, которые благодаря особым физико-механическим свойствам способны обеспечить высокие стойкость и надежность инструмента и могут найти широкое применение для обработки композиционных материалов на древесной основе. Поэтому более глубокие исследования процессов изнашивания поверхностей инструмента, особенностей взаимодействия их не только с обрабатываемым материалом в целом, но и с отдельными его структурными составляющими, позволят выявить механизмы изнашивания инструментальных материалов, наметить пути их совершенствования и определить области рационального применения.

На основании изложенного были сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе представлена краткая характеристика современных плитных древесных композиционных материалов на минеральной (ЦСП) и полимерных связующих (ДСтП, MДФ, ОСП), рассмотрены особенности структуры и влияние их на показатели процесса резания древесных композитов.

Основными структурными составляющими композиционных материалов на основе древесины являются древесная стружка или волокна (наполнитель) и связующее органического или минерального происхождения, имеющее различную физическую природу и свойства. Древесные композиты, обладая высокой пористостью, являются анизотропными, чаще всего трансверсально изотропными материалами. Эти особенности оказывают существенное влияние на процесс резания. Как правило, при резании структурно-неоднородных материалов наблюдаются: дискретный характер стружкообразования; зависимость энергетических показателей резания от видов и направлений обработки; интенсивность тепловых процесcов в зоне резания; зависимость состояния (шероховатости) обработанной поверхности от прочности межфазного слоя и ряд других явлений.

Условия резания композиционных материалов на древесной основе, имеющих в своем составе абразивосодержащую составляющую в виде минеральных частиц или частиц затвердевшего полимера, существенно отличаются от условий резания натуральной древесины. Действие минеральных частиц, имеющих твёрдость, соизмеримую с твёрдостью инструментального материала, или частиц затвердевшего полимера приводит к возрастанию сил трения на задней поверхности резца и к более интенсивному абразивному износу контактных поверхностей инструмента. Всестороннее изучение и анализ явлений, происходящих в микрообласти резания, позволят выявить индивидуальный вклад отдельной составляющей этих материалов в общий процесс изнашивания режущей части резца.

Особые теплофизические свойства древесных композитов, у которых теплопроводность более чем на два порядка меньше, чем у металлических сплавов, обуславливают перераспределение тепловых потоков в зоне резания и интенсивный отвод теплоты от сил трения на поверхностях контакта в режущий инструмент. В поверхностном слое резца концентрируется практически вся теплота от сил трения, вызывая высокие градиент температур и уровень термических напряжений, значения которых зависят от теплофизических свойств инструментального материала. Кроме того, высокие скорости резания и прерывистый характер взаимодействия резца с обрабатываемым материалом вызывают периодическое изменение температурного поля (тепловые волны) и, как следствие, высокочастотное термоциклирование в тонких поверхностных слоях режущего клина. Поэтому тепловые явления, локализованные в микроповерхностном слое резца, могут играть ключевую роль в формировании механизмов изнашивания инструментального материала.

Силы резания при обработке древесных композиционных материалов на порядок меньше сил, возникающих при обработке металлов. Однако, динамический характер нагружения режущих элементов в условиях прерывистого резания и необходимость вести обработку только остро заточенным инструментом для достижения требуемого качества обработанной поверхности создают условия для хрупкого разрушения режущей кромки резца. В связи с этим инструментальный материал должен обеспечивать требуемую динамическую прочность, а технологическая подготовка инструмента к работе исключать формирование дефектного приповерхностного слоя.

Процесс резания композиционных материалов на древесной основе отличается от резания массивной древесины и характеризуется одновременным перерезанием режущей кромкой резца древесных частиц в различных направлениях и связующего в виде цементного камня или затвердевших частиц полимерного связующего. При этом структура плиты, физико-механические свойства отдельных её составляющих, а также вид резания определяют силовые показатели процесса резания плиты в целом. Величина сил резания зависит как от прочности всего композита в целом, так и от механических свойств отдельных составляющих плиты. Вследствие анизотропности плиты силы резания также зависят от вида резания (прямолинейное, фрезерование, пиление и т.д.) и направления резания относительно плоскости плиты.

Стружкообразование при резании древесных композитов имеет некоторые особенности и существенно зависит от направления резания плиты в трех главных направлениях, потому что процесс разрушения материала определяется, в основном, свойствами связующего и качеством состояния межфазного слоя. Так, при резании ЦСП разрушение цементного камня носит хрупкий характер и образуется пылевидная тонкодисперсная стружка, которая остро ставит задачу направленного отвода её из зоны резания для защиты оборудования и обслуживающего персонала от её воздействия.

Высокие упругие свойства древесной составляющей приводят к упругому восстановлению слоя обрабатываемого материала, увеличению фактических площадок контакта на задней поверхности резца и возрастанию сил резания. Больший уровень упругого восстановления древесной составляющей по сравнению со связующей оказывает влияние на точность и качество обработки. Кроме того, шероховатость обработанной поверхности определяется наличием ворсистости, вырывов, структурных пустот, зависящих от строения материала и прочностных показателей межфазного слоя структурных составляющих. Основным параметром, определяющим качество обработки, служит величина сколов на пласти плиты.

В третьей главе представлен общий анализ контактных явлений, происходящих на рабочих поверхностях режущего клина при резании древесных материалов, рассматриваются основные факторы, влияющие на формирование механизмов изнашивания инструментальных материалов, и особенности физических явлений, происходящих в микрообласти резания композитов на минеральном вяжущем.

Показано, что специфические условия эксплуатации дереворежущего инструмента, а, именно, большие скорости резания, динамический характер нагружения режущих элементов резца, особые теплофизические свойства обрабатываемого материала предопределяют многообразие явлений, сопровождающих процесс резания древесных композитов: действие волн напряжений в макро- и микрообъемах режущего клина; локальные "температурные вспышки" в микроповерхностных слоях инструментального материала; активизацию химических процессов и т. д. Сложность этих явлений обусловлена прежде всего тем, что абразивосодержащая составляющая древесных композитов существенно изменяет характер взаимодействия рабочих поверхностей резца с обрабатываемым материалом в условиях высокоскоростного нагружения и фрикционного контакта их с поверхностью трения. Изнашивание микроповерхностного слоя инструментального материала рассматривается как совокупность процессов, которые происходят как в макрообъемах поверхности трения, так и в локальных микроконтактах абразивных частиц при их взаимодействии с отдельными структурными составляющими инструментального материала. Взаимообусловленность между работоспособностью поверхностей трения и физико-механическими характеристиками контактного слоя носит двойственный характер и определяется способностью материала противостоять динамическому внедрению абразивных частиц и интенсивностью последующих деформационных процессов в области микроконтакта, инициированных тепловыми явлениями.

Влияние температуры на работоспособность режущего инструмента связано как непосредственно с тепловым расширением и изменением напряженного состояния режущей кромки резца, носящими циклический характер, так и влиянием на механические свойства отдельных структурных составляющих и материала в целом, а также возникновением тепловых ударов и, как следствие, высокого уровня термических напряжений при большой плотности тепловых потоков. Кроме того, тепловые процессы могут трансформировать явления, протекающие на микроконтактных площадках резца. Отсюда, можно сделать о существовании многообразия форм влияния теплоты резания на износостойкость инструментальных материалов и о необходимости более глубокого изучения этих явлений.

Для обработки резанием древесных композитов наибольшее применение нашли твердые сплавы, которые можно также отнести к классу композиционных материалов с дисперсными наполнителями. На основании структурной модели твердого сплава рассмотрены возможные варианты контактного взаимодействия задней поверхности режущего клина с поверхностью резания и влияние их на формирование механизмов изнашивания инструментального материала.

В четвёртой главе представлены математические модели тепловых явлений, происходящих в области резания древесных композиционных материалов на минеральном связующем и на контактной площадке отдельного абразивного зерна обрабатываемого материала, взаимодействующего с задней поверхностью режущего клина. На основе моделей выполнен численный анализ тепловых процессов на активных поверхностях резца при цилиндрическом фрезеровании кромки плиты различных древесных композитов и определена температура на активной поверхности абразивного зерна, выполняющего работу микрорезания инструментального материала.

По результатам анализа состава и механизмов взаимодействия компонентов в древесных композиционных материалах на минеральных вяжущих и полимерных связующих, приведенных в главах 1 и 2, представлены разработанные автором структурные модели, которые отражают особенности обработки этих материалов резанием.

Структурная модель древесного композита на минеральном связующем представлена в следующем виде: непрерывный каркас композита образуют тонкие плёнки цементного камня, состоящие из тонкодисперсного геля, в котором статистически распределены негидратированные зёрна цементного клинкера размером 10…40 мкм и более; в цементном камне размещаются древесные частицы, которые располагаются послойно с произвольной ориентацией волокон в каждом слое.

Содержание негидратированных зёрен в цементном камне может достигать 40% и более.

Микротвёрдость клинкерных зёрен составляет 5500…9000 МПа, они устойчивы при нагреве до температуры 2070…2190 0С. Строение цементного камня – поровое. В нём имеются микропоры, переходящие в поры и макропоры. Общее содержание пор может составлять 20...28%.

В настоящее время достаточно хорошо разработан математический аппарат, позволяющий анализировать тепловые явления процессов резания металлических материалов.

Сформулированная таким образом задача позволяет с использованием метода источников теплоты получить аналитические решения для описания температурного поля в резце, которое возникает под действием различных типов источников теплоты: точечных, полосовых, линейных, объёмных, мгновенных, быстродействующих, постоянно действующих и т.д. Эти решения для различных источников теплоты систематизированы и представлены в справочной литературе.

Уравнения для расчёта распределения температуры и плотности тепловых потоков на контактных поверхностях режущего инструмента получают из условия равенства тепловой и механической мощности процесса резания

,

где Pz – касательная составляющая силы резания; - скорость резания,

Для получения аналитических решений, описывающих тепловые явления на контактных поверхностях резца при обработке резанием металлов, составляются уравнения теплового баланса в соответствии со схемой распределения тепловых потоков

При этом мощности теплообразующих источников

;

;

.

Для записи дифференциального уравнения теплопроводности принимаются следующие допущения:

- процесс резания рассматривается стационарным, т.е. установившимся;

- теплообмен стружки, резца и изделия с окружающей средой ничтожно мал, и они представляются как полуограниченные тела с адиабатической поверхностью;

- источники теплоты рассматриваются как быстродвижущиеся, т.е. скорость источника теплоты превышает скорость её распространения;

- теплофизические и физико-механические свойства материала обрабатываемого изделия и материала режущего клина не зависят от температуры;

- любая точка контактной площадки одного из тел имеет температуру, равную температуре точки другого тела, соприкасающейся с ней в данный момент времени (граничные условия 4-го рода).

С учётом сформулированных допущений необходимо решить уравнение теплопроводности при отсутствии внутренних источников теплоты

,

где – оператор Лапласа.

при следующих начальных ( = 0)

,

и граничных условиях

,

.

Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 5 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»