Обеспечение работоспособности рабочих органов технологических машин и оборудования

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 674.05

Обеспечение работоспособности рабочих органов технологических машин и оборудования

П.Г. Пыриков,

А.С. Рухлядко

Отражены некоторые теоретические и прикладные аспекты обеспечения работоспособности технологических машин и оборудования лесозаготовительного и деревообрабатывающего назначения на основе упрочняющей обработки. Рассмотрены условия формирования анизотропии механических свойств в упрочняемых материалах с позиции их износостойкости. Приведены рекомендации по выполнению упрочнения.

Ключевые слова: технологические машины, оборудование, работоспособность, упрочняющая обработка, стойкость.

Анализ проблематики и постановка задач. 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 станкоинструментальной 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, является проблема обеспечения надежности и работоспособности технологических машин и оборудования. 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 применения 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 физикохимические 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 напряженнодеформационным состоянием в зоне контактного взаимодействия. анизотропия износостойкость упрочнение

Поскольку 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.

Упрочняющие технологии, создающие благоприятные анизотропные эффекты с одновременным управлением свойствами обрабатываемых объектов, могут разрабатываться 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 являются актуальными.

Технологический аспект обеспечения работоспособности машин и оборудования. Интенсификация режимных параметров эксплуатации трибосопряжений неизбежно усложняет механизм их изнашивания. Принимая во внимание корреляцию трибологических и механических свойств металлических материалов, при обеспечении их стойкости определенную эффективность следует ожидать от управления напряженнодеформационным состоянием, в частности контактной жесткостью, усталостной прочностью, вязкостью разрушения, регламентация которых в сочетании с остальными характеристиками позволит существенно повлиять на износостойкость.

Комплекс структурных и физикомеханических характеристик материалов, а также остаточных напряжений, микротвердости и шероховатости поверхности, как наиболее значимых в трибологическом отношении, представляется целесообразным формировать с позиций анизотропии, при которой в регламентированных направлениях отмеченные свойства материала оказываются адаптированными к условиям изнашивания.

Основой этого выступают технологии поверхностной термической обработки (вакуумные, лазерные, плазменные и др.), однако при типовых схемах реализации они не обеспечивают прогнозируемые эффекты анизотропии, что существенно ограничивает эффективность их использования.

С учетом этого в Брянской государственной инженернотехнологической академии предложены принципы технологической регламентации анизотропных состояний металлических материалов при их управляемом индуцировании внешними полями в формах самоорганизующихся и саморазвивающихся систем, к которым, в частности, относятся расплавы и разного рода кристаллизующиеся покрытия. Разработанные приемы формирования анизотропных состояний в материалах ориентированы главным образом на сопротивляемость изнашиванию в разных видах его проявления механических, коррозионно и молекулярномеханических и реализуются на основе управления напряженнодеформационным состоянием поверхностных слоев путем регламентации кристаллографической упорядоченности, структурного и фазового спектров, шероховатости, микротвердости и топографических характеристик.

В основе формируемой анизотропии материалов лежат ориентационные процессы, протекающие в кристаллической структуре вследствие магнитной анизотропии при рекристаллизации от воздействия источником с высокой плотностью энергии (например, луч лазера) во внешнем магнитном поле. Существование в кристаллах металлов оси легчайшего намагничивания обусловливает осесимметричность формируемых анизотропных состояний, а возможность регламентации положения плоскостей скольжения допускается на основании гипотезы о преимущественном росте кристаллов в направлении, перпендикулярном плоскостям скольжения. При этом впервые предложен системный подход к обоснованию возможности структурной самоорганизации (текстурирования) в гетерогенных сплавах с позиций магнитной гидродинамики и кинетики структурообразования.

В практическом отношении это проявляется в повышении потенциальной энергии кристаллов, поверхностной твердости, предела выносливости (на 3050 %), остаточных напряжений сжатия, сопротивления коррозионной и контактной усталости. Разработанные основы теории анизотропных систем в области пластичности позволяют учитывать эффект упрочнения при приведении условий нагружения к задаче плоской деформации ортотропного материала. Однако большая результативность обеспечивается при управлении кристаллографической анизотропией, в частности по упругопрочностным свойствам, оказывающимся соизмеримыми по значениям с рядом параметров монокристаллических структур.

Размещено на http://www.allbest.ru/

В ориентационной модели направленной перекристаллизации в магнитном поле (рис. 1) процесс кристаллографического упорядочения рассматривается в виде самоорганизующейся пространственновременной диссипативной системы, отличающейся сильной нелинейностью и эволюционирующей в состояние с минимумом производства энтропии [4;5]. Образование выраженной упорядоченности допускается аналогично фазовому переходу в результате неустойчивости предыдущего неупорядоченного состояния расплава при критическом значении температуры (или напряженности магнитного поля), отвечающем точке бифуркации. Причем, принимая условия кристаллографического упорядочения, следует отметить, что магнитное поле в установленном временном интервале является обязательным фактором существования данной диссипативной системы. При охлаждении существуют две конкурирующие теплоотводящие системы: первая выражена в эффекте самозакалки металла с теплоотводом в глубинные слои, вторая - в закалке из расплава с преимущественным теплоотводом в атмосферу и охлаждающую среду. Соотношение интенсивностей теплоотвода указанных систем обусловливает интенсивность процесса кристаллизации в направлениях к поверхности (традиционная форма), а также от поверхности вглубь металла (конкурирующая форма) при относительно равномерном распределении теплоты по основанию эллипсоида изложницы. Интенсивность охлаждения (кристаллизации) по традиционной форме в известной степени лимитирована теплофизическими и магнитными константами материала, а также напряженностью магнитного поля (индуцированием материала), замедляющего процесс охлаждения.

Интенсивность поверхностного теплоотвода, кроме того, оказывается управляемой путем подачи в зону охлаждения теплоотводящих сред (сжатого воздуха, воды, масла и пр.). При этом если интенсивность охлаждения металла по конкурирующей форме оказывается соизмеримой или превышает интенсивность конвективного теплоотвода в глубинные слои, возникает эффект образования на поверхности тонкого аморфного слоя или слоя с глобулярной структурой на глубину до 1020 мкм, под которым располагается зона текстурирования.

Следует также отметить, что выбор положения вектора магнитной индукции, определяющего ориентацию плоскостей скольжения в кристаллах, должен основываться на установлении приоритета сопротивляемости определенной компоненте напряжений с учетом анизотропии прочностных (упругих или пластических) свойств материала [1;2;6].

Управление энергетическим (напряженнодеформационным) состоянием поверхностных слоев рабочих органов машин и оборудования связано с формированием в упрочняемом материале магнитострикционных напряжений сжатия.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Согласно разработанной схеме (рис. 2), рабочий орган или инструмент помещается во внешне индуцируемое магнитное поле, ориентация вектора магнитной индукции которого устанавливается с позиций создания благоприятного уровня магнитострикционных сжимающих напряжений в зонах износа.

Физический аспект упрочнения основан на использовании энергии магнитной анизотропии ферромагнетиков, к которым относятся конструкционные и инструментальные материалы, включающей в себя магнитокристаллическую и магнитоупругую составляющие. Магнитокристаллическая энергия обусловлена наличием спинорбитального и магнитного дипольного взаимодействий, формирующих в кристаллах направления легчайшего намагничивания, а магнитоупругая энергия спонтанной намагниченностью при охлаждении ферромагнетика ниже точки Кюри, приводящей к искажению кристаллической решетки.

Следует заметить, что спонтанная магнитострикция оказывается изотропной и проявляется в изменении объема кристаллов. Кроме того, энергия магнитной анизотропии оказывается управляемой внешним индуцированием. При этом потенциал магнитоупругой энергии выражен в анизотропной линейной магнитострикции (? = 105 104), проявляющейся в различии деформации кристаллов по направлениям и связанной с изменением их линейных размеров при незначительном изменении объёма. Влияние индуцирования рабочего органа технологических машин внешним магнитным полем на параметрическое состояние изнашиваемых материалов (шероховатость и микротвердость поверхности, остаточное напряжённое состояние) подробно рассмотрено в работе [3]. С учетом этого представлялось необходимым оценить влияние магнитострикционного эффекта на энергетическое состояние материалов в зоне фрикционного контакта при управлении их свойствами в различных условиях изнашивания.

Постановка и проведение эксперимента. В качестве объектов исследований применялись рабочие органы и инструмент различного технологического оборудования целлюлознобумажного и деревообрабатывающего производств. Исследованию подлежали закономерности формирования характеристик поверхностных слоев изделий при магнитострикционной форме активации, а также при комплексном термомагнитном воздействии с позиций обеспечения их износостойкости.

Установлено, что при напряженности внешнего магнитного поля более 40 кА/м в образцах формируется напряженное состояние, не претерпевающее существенного изменения с дальнейшим увеличением напряженности поля (рис. 3).

Размещено на http://www.allbest.ru/

С учетом превалирующего влияния фактора температуры на стойкость инструмента в индуцированном состоянии проводились исследования температурных зависимостей намагниченности, позволяющие определить допустимые величины температур, при которых сохраняется заданный комплекс свойств упрочняемых материалов.

При воздействии на поверхность индуцированных образцов лазерного луча установлено, что минимально допустимой в отношении формирования в области перекристаллизации кристаллографического упорядочения является величина напряженности порядка 300 - 350 кА/м при плотности подводимой энергии 2,0 - 2,1 Дж/мм2 (рис. 4).

Установлено также, что для кристаллографического упорядочения достаточно однократного воздействия лазерного луча. При этом в случае обработки образцов в индуцированном состоянии, в отличие от типовых условий упрочнения, трещинообразования не зафиксировано (рис. 5).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Наибольшие величины микротвердости Нµ составили 12,5 - 13,7 ГПа, что связано с интенсификацией насыщения твердого раствора углеродом и легирующими элементами в индуцированном состоянии.

Обобщая, следует отметить, что наибольшая степень упрочнения наблюдается при параллельной вектору внешней нагрузки ориентации кристаллографических направлений для кристаллов с ОЦК решеткой - [111], с ГЦК решеткой [110], с ГПУ решеткой [0001], а наименьшая - при параллельности направлений для кристаллов с ОЦК и ГЦК решетками - [100], с ГПУ решеткой - [2110].

В экспериментах по исследованию влияния условий выполнения упрочняющей обработки на работоспособность использовались пильные цепи ПЦП15М и ПЦУ20, ножи сборных дереворежущих фрез и рабочих валов станков продольнофрезерной группы мод. ФСШ4, «Manko» (Финляндия), С10, СФ44 и др.; бумагорежущий инструмент в ассортименте линий «АГАТ» и «ЛГПК125П»; плоские ножи с прямолинейной режущей кромкой в линиях лущения, рубки и укладки шпона «RAUTE». В качестве контрольного принимался период стойкости серийно выпускаемого инструмента, прошедшего объемную термообработку.

а)

б

Рис. 5. Поверхность образцов в пределах зоны лазерного воздействия: а радиальные микротрещины (Е = 2,8 Дж/мм2, Н=0); б расширение области эпицентренного осаждения материала (Е = 2,8 Дж/мм2, Н = 270 кА/м)

Исследования изнашивания образцов инструментальных материалов в индуцированном состоянии (рис. 6) позволили отметить положительную динамику износостойкости с ростом напряженности магнитного поля.

При непосредственном контакте магнита с рабочим органом машины (фрезерование древесины, продольное разрезание картона и бумаги), а также при его периодическом прохождении зоны индуцирования (при строгании и сверлении древесины, поперечном разрезании картона) отмечено преобладающее влияние на износостойкость времени индуцирования, размагничивающих потерь и схемы расположения полюсов. Повышение стойкости инструментальных материалов установлено в среднем на 3045 %.

При воздействии магнитного поля (Н = 60 кА/м) через воздушный зазор в поверхностных слоях образцов из стали У10А формируются магнитострикционные напряжения сжатия порядка 108 МПа, не меняющиеся по своей величине с дальнейшим ростом напряженности поля. В стали 65Г с увеличением напряженности внешнего магнитного поля от 40 до 80 кА/м растягивающие напряжения переходят в область сжимающих, достигая максимального значения 600 МПа, что ведет к снижению величины линейного износа с 45 до 10 мкм.

В образцах из стали ШХ15 равномерное напряженное состояние достигается при напряженности магнитного поля порядка 30 кА/м, что соответствует уровню сжимающих напряжений в пределах 400 МПа. При этом величина линейного износа уменьшается с 23 до 15 мкм. Дальнейший рост напряженности магнитного поля снижает уровень напряжений сжатия, что ведет к увеличению износа.

При этом отмечено общее повышение стойкости инструментальных материалов в среднем на 3045 % по сравнению с результатами, полученными на образцах, проходящих испытания в аналогичных условиях при отсутствии индуцирования. Установлено, что формируемые благоприятные магнитострикционные напряжения сжатия в рабочих зонах объектов упрочнения способствуют смыканию устьев микротрещин и повышению критической величины напряжений, соответствующей состоянию пластического насыщения.

При упрочнении рабочих органов и инструментов оборудования лазерным лучом в магнитном поле отмечено, что для достижения кристаллографического упорядочения необходима напряженность внешнего магнитного поля порядка 300 кА/м при величине плотности подводимой энергии 2,1 - 2,2 Дж/мм2. В этом случае коэффициент анизотропии составляет для углеродистой стали 0,85, для сталей карбидного класса 0,8 - 0,82.

Установлено, что комплексное формирование благоприятных уровней микротвердости, шероховатости и структурного состояния в сочетании с кристаллографической упорядоченностью в поверхностных слоях режущей части в анизотропных формах приводит к снижению величины износа в среднем в 2,5 раза. Например, величина износа в прикромочной зоне дисковых бумагорежущих ножей из стали У10А, прошедших упрочнение лазерным текстурированием, при эксплуатации в течение 120 часов (резка гофрокартона марки Т22, v = 40 м/мин, P= 20 Н) составила 0,25 мм, для ножей из стали 65Г - 0,29 мм, для ножей из стали ШХ15 - 0,32 мм.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Анализ результатов экспериментов позволяет сделать следующие общие выводы:

1. Работоспособность рабочих органов и инструментов технологических машин и оборудования деревообрабатывающих и лесозаготовительных производств в значительной степени определяется стойкостью материалов к разрушению под воздействием механических видов изнашивания, осложненных влиянием активных к металлам продуктов деструкции древесины. При этом стойкость определяется параметром фрикционной усталости, коэффициентом трещиностойкости,, сопротивляемостью микрорезанию, пределом выносливости, микротвердостью, шероховатостью, структурным и остаточным напряженным состоянием.

2. Обеспечение стойкости рабочих органов и инструментов оборудования отрасли целесообразно при регламентированном формировании в рабочих зонах комплексного сочетания благоприятных уровней параметров состояния инструментального материала в анизотропной форме. Достижение этого возможно при упрочняющем воздействии на основе управляемого индуцирования, а также при лазерной комплексной упрочняющей обработке в магнитном поле.

3. Для дерево и бумагорежущих рабочих органов и инструментов сменных типов (ножей фрез, ножевых валов, короснимателей, лущильных, строгальных, просечных и перфорационных) рекомендованным способом упрочнения является создание управляемого эффекта магнитострикции. При этом наибольшая степень упрочнения обеспечивается при напряженности внешнего магнитного поля 55 100 кА/м, эксплуатационной температуре нагрева в прикромочной зоне 300 - 4000С.

4. Для рабочих органов и инструментов с профилированной режущей частью, а также работающих в условиях температурномеханического нагружения с присутствием агрессивной среды (режущие элементы цепных пил, инструмент линий агрегатной переработки, фрезы, лущильные и строгальные ножи, инструмент лезвийных типов гофроагрегатов и слоттеров) работоспособность может быть обеспечена комплексным упрочнением текстурированием при управлении кристаллографическими направлениями в структуре инструментальных материалов (для структур с кристаллами ОЦК типа - [111], для ГЦК [110], для ГПУ [0001] при величине напряженности магнитного поля 250 500 кА/м, плотности мощности лазерного луча 1,7 - 2,4 Дж/мм2).

5. Эффект повышения работоспособности обеспечивается при следующих эксплуатационных режимах: скорость резания 0,8 40 м/с (продольнорезательные, продольнофрезерные, бобинорезательные, перемоточнорезательные станки для обработки древесины, картона, гофрокартона и бумаги), 7 20 м/с (цепные рабочие органы лесозаготовительных машин и оборудования), 0,7 150 м/с (ротационновысекательные станки), 0,12 0,2 м/с (инструмент гильотинного типа, а также оборудование для резки бракованных рулонов и стопорезки); скорость подачи от 5 100 м/мин (станки с ручной подачей материала, а также линии по агрегатной переработке бревен, фрезернопильное оборудование, рилевочнорезательные и перемоточнорезательные станки).

Резюмируя, следует отметить, что использование внешне индуцированных магнитных полей в качестве технологического фактора доэксплуатационной подготовки материалов весьма обширно, поскольку большинство металлов и сплавов обладают положительной магнитной восприимчивостью и в известной мере способны изменять свои характеристики в состоянии намагничивания. В последнее время широкое применение в промышленности композитных материалов, в частности металлокерамики, а также модифицированных структур органической (в том числе и естественной) природы в парах трения способствует расширению спектра индуцированных состояний вещества. Технологические возможности использования магнитных полей на стадиях подготовки материалов, на наш взгляд, представляются весьма многосторонними.

Список литературы

1. Адамеску, Р.А. Анизотропия физических свойств металлических материалов / Р.А.Адамеску, П.П. Гельз, Е.А.Матюшов. - М. : Металлургия, 1984. - 248 с.

2. Амбарцумян, С.А. Теория анизотропных пластин / С.А. Амбарцумян. - М. : Наука, 1987. - 360 с.

3. Бернштейн, М.Л. Термическая обработка стальных изделий в магнитном поле / М.Л. Бернштейн, В.Н.Пустовойт. - М. : Машиностроение, 1987. - 251 с.

4. Вассерман, Г. Текстуры металлических материалов / Г.Вассерман, И.Гревен. - М. : Металлургия, 1963. - 360 с.

5. Вишняков, Я.Д. Теория образования текстур в металлах / Я.Д.Вишняков [и др.]. - М. : Наука, 1979. - 329 с.

6. Лехницкий, С.Г. Теория упругости анизотропного тела / С.Г.Лехницкий. - М. : Наука, 1977. - 408 с.

Размещено на Allbest.ru