Введение. Развитие деревообрабатывающей промышленности требует большого увеличения объема лесопиления и механической обработки древесины. Одновременно расширяются производство и обработка древесных материалов, заменяющих цельную древесину, таких как древесностружечные и древесноволокнистые материалы и фанера. Резание клеёных материалов имеет свои особенности и изучено ещё недостаточно, хотя уже давно известно, что оно сопровождается большим износом инструмента и требует применения инструментальных материалов высокой стойкости. Однако применение твердосплавного инструмента ведёт к расходованию дорогих и дефицитных материалов типа вольфрама, молибдена и связано с большими технологическими трудностями.
Использование легированных сталей также сопровождается расходованием дефицитных материалов и не ведёт при этом к резкому повышению стойкости, так как необходимость обеспечения запаса пластичности исключает использование инструмента с высокой твёрдостью, а при этом не удаётся достигнуть значительного повышения стойкости инструмента.
В деревообрабатывающей промышленности остро стоит проблема обеспечения хорошим инструментом.
Восстановление остроты затупившихся и замена износившихся пил приводит к дополнительным затратам рабочего времени, что снижает технико-экономические показатели процесса резания.
Невысокая износостойкость вызывает перерасход дефицитных инструментальных материалов и электроэнергии, увеличение простоев пилорам для перезаточки и установки пил и требует содержания штата рабочих заточников, а также расхода абразивного инструмента.
Можно сказать, что резервы стойкости, таящиеся в обычных дешёвых углеродистых сталях, далеко не исчерпаны. Необходимо только отойти от сложившихся стереотипов, диктующих необходимость создания инструментов с гомогенной структурой, и провести исследования гетерогенного инструментального материала.
Всё изложенное подчёркивает актуальность работы по повышению износостойкости и долговечности режущего инструмента.
Цель исследования. Исследование образцов из гетерогенных сталей:
1) на работоспособность;
2) на внутреннее трение;
3) упругое последействие;
4) логарифмический декремент затухания.
Исследования проводились с целью повышения стойкости режущего инструмента.
Материал и методы исследования. Испытания проводили на пластинах из стали 20, подвергнутых односторонней и двухсторонней цементации с последующей термической обработкой. На установке для технологической пробы «загиб-перегиб» был определен угол загиба a, при котором наступает разрушение [5]. Радиус кривизны губок зажима был постоянным и равен 2,5 мм.
Данные испытания приведены в таблице 1.
Таблица 1
Влияние вида обработки на хрупкость цементованного слоя
|
Вид обработки пластины |
Угол, a,° |
Вид разрушения |
|
Двухсторонняя цементация |
20 22 |
Мгновенное, хрупкое без остаточной деформации |
|
Односторонняя цементация: а) цементованный слой растянут;
б) цементованный слой сжат |
35
80 |
Появление трещин в цементованном слое. Появление трещин на цементованной стороне. |
Определение работоспособности образцов.
Работоспособность определяется энергией, необходимой для разрушения образца:
(1)
где D – работоспособность по Беренову, Дж/м3 [1];
к – коэффициент заполнения диаграммы растяжения;
sв – предел прочности, МПа;
dв – пластичность.
При испытании образцы подвергались изгибу до разрушения. В таблице 2 приведены результаты исследования.
Таблица 2
Влияние вида обработки на механические свойства гетерогенных образцов
|
Вид обработки |
sв, МПа |
d, % |
D, Дж/м3 |
|
Двухсторонняя цементация Односторонняя цементация: а) цементованный слой растянут; б) цементованный слой сжат |
1800
1520 1460 |
1,1
2,3 4,1 |
1350×107
1800×107 3600×107 |
Исследованы характеристики внутреннего трения, логарифмический декремент затухания g и упругое последействие eну. В исследуемых пластинах возбуждались ультразвуковые колебания частотой 10МГц при помощи ультразвукового дефектоскопа, и на экране соединенного с ним осциллографа наблюдались затухающие колебания (рис. 1).
а)
б)
Рисунок 1 – Затухающие колебания в образцах:
а – двухсторонняя цементация; б – односторонняя цементация
Логарифмический декремент затухания определяем по формуле:
(2)
где А0 – начальная амплитуда колебания;
Аn – амплитуда n-го колебания.
Исследование эффекта упругого последствия проводилось следующим образом.
Пластины нагружали так, чтобы возникающие напряжения находились в упругой области. Давали выдержку. После снятия нагрузки происходило очень быстрое снятие чисто упругой деформации, а затем медленное – остальной деформации [4]. То есть не вся обратимая деформация является чисто упругой, хотя были созданы напряжения в пределах упругого участка кривой напряжение-деформация.
Неупругие эффекты служат причинами внутреннего трения, характеризующего необратимые потери энергии внутри металла при механических колебаниях [2, 3].
Зная логарифмический декремент затухания g, можно определить величину внутреннего трения:
(3)
Линии диаграммы напряжение-деформация при нагрузке и разгрузке из-за неполной упругости металлов не совпадают, а образуют петлю гистерезиса (рис. 2).
Рисунок 2 – Гистерезис в результате неупругих явлений
Данные эксперимента приведены в таблице 3.
Таблица 3
Влияние вида обработки на внутреннее трение
|
Вид обработки |
g |
Q-1 |
eну, % |
|
Односторонняя цементация: а) цементованный слой сжат; б) цементованный слой растянут. Двухсторонняя цементация |
0,32 - - 0,17 |
0,107 - - 0,057 |
0,3 0,5 0,3 0,2 |
Таким образом, односторонняя цементация приводит почти к двукратному увеличению внутреннего трения.
Результаты исследования и их обсуждение. Результаты испытаний на установке для технологической пробы «загиб-перегиб» показали, образцы с односторонней цементацией, когда цементованный слой сжат, имеют в четыре раза больший угол загиба a. Это связано с тем, что цементованный слой хорошо работает на сжатие. Работоспособность образцов увеличилась в 2,6 раза у образцов с односторонней цементацией, когда цементованный слой сжат.
Исследование влияния вида обработки на внутреннее трение показало, что односторонняя цементация приводит почти к двукратному увеличению внутреннего трения.
Это говорит о том, что образцы с односторонней цементацией обладают повышенным сопротивлением усталостному разрушению при возникновении резонансных колебаний в процессе эксплуатации.
Таким образом, разработанные нами гетерогенные материалы можно использовать для изготовления дисковых пил для резания древесины.
Выводы
- Разработанный нами гетерогенный материал имеет повышенную работоспособность.
- Гетерогенные образцы обладают хорошими демпфирующими свойствами, т.е. способны быстро гасить колебания.
- Образцы, подвергнутые односторонней цементации, имеют почти двукратное увеличение внутреннего трения.
Рецензенты:
Соловьёв Д.Л., д.т.н., профессор кафедры автоматизированного проектирования машин и технологических процессов Муромского института (филиала) ФГБОУ ВПО «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых», г. Муром.
Шпаков П.С., д.т.н. профессор, профессор кафедры автоматизированного проектирования машин и технологических процессов Муромского института (филиала) ФГБОУ ВПО «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых», г. Муром.