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 плитына 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 долядревесноволокнистых 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 видаПДКМ как конструкционного материала связана, прежде всего, с экологической безопасностью за счёт применения в качестве связующего для древесных волокон карбамидных смол, модифицированныхмеламином, 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 изделийростом потребности в плитах большой толщины (от 30 до 60 мм) как заменителя массивной древесины в традиционных сферах её использованиявозможностью замены ДСтП в их традиционной сфере применения (мебельном производстве).

В 2006 г. в связи с наметившимся ростом производства отечественноймебели 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 1983 г. 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 звукои теплоизоляцией. Их недостаткинизкое значение сопротивления ударным нагрузкам, большая плотность, трудности при обработке резанием.

ЦСП используют в производстве сборных домов, отделке жилых и общественных зданий, а также сооружений промышленногои 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 рынокявляются европейские фирмы: Egger (Австрия), 01ипг (Германия), Кгопо (Швейцария).

ОЭВ Egger представляет, собой плотно прессованную трехслойную плиту из плоской ориентированной щепы хвойных илиственных 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. кровлюоблицовки стен, пола и потолков— подложки, под паркетмногоразовой опалубкиустройства плавающих ичерновых, 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 ввоздухе, как это происходит с натуральнойдревесинойКроме того, они обеспечивают легкий и быстрый монтаж благодаря большой плотности плиты и волокнистости древеснойсоставляющей (обеспечивается возможность крепления плит с помощью гвоздей!, шурупов и скоб) — сохраняют свои механические: свойства при условии изоляции их от непосредственного влияния климатических факторовпридают жесткость конструкциямдают возможность практически безотходного использования материалаобеспечивают большой срок службы.

Необычная фактура и золотистый' цвет плиты позволяют отде-лываты этим материалом стеньг и полы, возводить стеновые перегородки, изготавливать мебель и двери. Материалимеет повышенную влагостойкость, в результате чего не расслаивается и не растрескивается, не подверженкороблению: Его можно красить любымикрасками 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 плиту которых внутренний слой представляет 08 В, 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 материаловтрения и износатеории 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.

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 стружкообразованиязависимость энергетических показателей резания от видов и направлений обработкивысокая интенсивность тепловых процессов в зоне резаниязависимость 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 характерзависящий 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 несколькодесятых 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 теплопроводноститемпература 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 кромкиИсследование 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 упругостиобладать высокой релаксационной способностьюиметь высокую теплопроводность и малый коэффициент температурного расширения, близкий к показателю цементирующей фазыобразовывать переходные зоны в межфазном слое, обеспечивающие высокую адгезионную прочностьобладать высокой теплостойкостьюне 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 металловулучшение структуры межфазного слоя электрофизическими методами.