Партнеры журнала:

Тема страницы

Способы повышения стойкости деревообрабатывающего инструмента

С тех пор как человек начал обрабатывать древесину, остро стоит вопрос долговечности инструмента. Любой предприниматель хочет, чтобы инструменты, которые используются на его предприятии, работали как можно дольше. Настоящая статья посвящена способам повышения ресурса дереворежущего инструмента.

Автор надеется, что информация, содержащаяся в публикации, будет полезна как для начинающих предпринимателей, так и для тех, чьи компании на рынке давно.

Способы повышения стойкости твердосплавных круглых пил

Решением этой проблемы занимались многие исследователи, разработчики оборудования, технологий и инструмента для деревообрабатывающей отрасли. Все они склоняются к одному мнению: хороший инструмент в руках плохого станочника работать не будет. Наиважнейшим фактором в современной деревообработке является квалификация механика, который следит за правильностью подборки инструмента, качеством его заточки. Правильно подобранный инструмент - гарант получения прибыли предприятием.

Уже многие десятилетия в разных НИИ, лабораториях крупных предприятий ведутся разработки методов упрочнения режущего инструмента, что позволяет продлить сроки его эксплуатации, повысить качество выполняемых работ и их производительность. Один из подобных методов - упрочнение режущих элементов пилы (зубьев) с помощью напайки на них твердосплавных пластин.

В настоящее время для изготовления пластин используются такие материалы, как эльбор Р и алмаз, твердость которых выше 8000 HV. Срок эксплуатации пил с подобными пластинами между переточками превышает полгода. Но их использование предполагает дополнительные требования к качеству обрабатываемых пиломатериалов. Наличие в составе плитных материалов инородных включений (камней, проволоки, гвоздей, металлических осколков и т. п.) оказывает пагубное воздействие на стойкость пилы. Так, при пилении древесины, в которой застрял осколок снаряда, происходит выкрашивание режущей кромки или даже отрыв части пластины. Для ремонта и заточки алмазных пил необходимо специальное дорогостоящее оборудование. Именно поэтому услуги по заточке такого инструмента предлагают не все сервисные центры. Стоимость пил с алмазными пластинами примерно в 10 раз превышает стоимость твердосплавных пил.

Как повысить срок службы инструмента? Существует четыре основных способа решения проблемы.

Первый способ. После раскроя древесно-стружечной плиты к ее кромке приклеивается специальная лента. Заготовка распиливается в соответствии с заданными размерами, и если к ней приклеить ленту, ее длина превысит заданный параметр. Для того чтобы станочнику в процессе раскроя не приходилось вносить поправку на толщину пленки, в конструкцию пильного станка включается узел прифуговки, оснащенный фрезой с алмазными зубьями, с помощью которого выполняется фугование кромки перед нанесением клея и кромочного материала. Толщина слоя, снимаемого во время фугования, должна быть равна толщине кромки. Огромным плюсом прифуговки является уменьшение видимой части сколов на обработанной поверхности, что позволяет продлить срок эксплуатации твердосплавной круглой пилы. Описанный способ подходит лишь для предприятий, изготавливающих серийную продукцию (например, шкафы-купе), а не единичную. Используя этот способ повышения ресурса пилы, нужно помнить о том, что по мере затупления пилы энергозатраты на пиление возрастают примерно на 30%. Также не стоит забывать, что из-за проскальзывания клинового ремня механизма пиления круглопильных станков и форматно-раскроечных центров (электродвигатель - шкив ведущий - клиновой ремень - шкив ведомый - круглая пила) имеют место потери мощности (около 5%).

Второй способ продления ресурса круглых пил. В состав древесно-стружечных плит, как ламинированных (ЛДСтП), так и неламинированных (ДСтП), входят смолы, которые налипают на зубья пилы, это приводит к искусственному увеличению радиуса округления режущей кромки, а следовательно к увеличению глубины образующихся сколов. Проведенные исследований показали, что очистка пилы от налипшей смолы способствует повышению ее стойкости почти в два раза по сравнению со стойкостью пилы, которую не очищали от налипшей смолы. Пилу следует очищать в середине и конце рабочей смены.

Третий способ подойдет для предприятий, на которых изделия производят из ЛДСтП. На плитах разного оттенка сколы видны по-разному. Светлые цвета пленок или бумаг для ламинирования (например, кремовый) очень близки цвету плиты, что снижает видимость сколов. Более темные цвета (например, венге) подчеркивают сколы. Имеет смысл сначала выполнять раскрой плит темных цветов, а потом светлых: на темном фоне светлые сколы видны намного лучше, поэтому ЛДСтП темных оттенков лучше пилить острым инструментом, Тогда сколов на темном ЛДСтП почти не будет видно (см. фото), а слияние светлых цветов пленки и плиты позволит дольше не снимать инструмент со станка. Правда, этот способ не обеспечивает значительное продление ресурса пилы.

Четвертый способ. Силы, возникающие в процессе пиления плитных материалов, напрямую зависят от скорости подачи (обрабатываемой заготовки или пильной каретки). В связи с этим снижение скорости подачи на 30% обеспечивает продление срока службы инструмента, но отрицательно влияет на производительность.

Проблеме повышения прочности режущей кромки инструмента посвящено множество разработок. Их цель - создание на поверхности материала зуба слоя, прочность которого в разы выше прочности материала в глубине зуба. Пока поверхностный слой режущей кромки не сотрется в процессе работы, процесс затупления будет происходить медленно. После того как упрочненный слой сотрется, инструмент будет изнашиваться по обычной схеме.

Можно заключить, что упрочнение слоя режущей кромки пил необходимо выполнять, по сути, после каждой заточки инструмента. Избежать этого позволяет использование пил с напайками из многослойных пластин, особенность которых заключается в том, что под упрочненным слоем имеется неупрочненный, под которым еще один упрочненный слой. В процессе эксплуатации пилы с подобными пластинами истирание поверхности режущей кромки происходит медленнее, чем у пил без подобных напаек. Когда упрочненный слой истирается полностью, инструмент начинает затупляться как неупрочненный.

Есть и другие разработки. Например, на чистую поверхность режущей кромки пилы наносится специальный спрей, который впитывается в поверхность зуба и упрочняет ее.

Рассмотрим способы повышения прочности поверхности дереворежущего инструмента, используемые в современном производстве инструментов.

Термические и химико-термические способы повышения стойкости твердосплавных круглых пил

Один из методов термической обработки пил с целью повышения их прочности - закалка поверхностных слоев инструмента. Поверхность пилы нагревают до высокой температуры, после чего резко охлаждают. В результате повышаются ударная вязкость и предел текучести металла поверхностного слоя толщиной 0,5-2 мм. Чаще всего нагрев выполняют с использованием токов высокой частоты или электроконтактным способом. Минимальные деформация и окисление упрочняемого инструмента, а также отсутствие реакции выгорания углерода (пластины могут быть изготовлены из вольфрамсодержащих материалов, чаще всего не содержащих углерод, а также из легированной стали) являются достоинствами этого способа. Стойкость пил возрастает в 2-2,5 раза по сравнению с незакаленными пилами.

В процессе химико-термической обработки упрочняемая поверхность также нагревается, но до более нихзкой температуры, чем при термической обработке, после чего выдерживается в специальных химически активных средах (жидких, твердых или газообразных). В результате происходит изменение химического состава и характеристик поверхностного слоя пилы. На поверхности инструмента образуется защитный слой толщиной от 10 до 40 мкм. Этот способ чаще всего применяется для упрочнения пил, изготовленных из быстрорежущих сталей. В зависимости от состава химически активной среды для обработки инструмента могут использоваться насыщение азотом и углеродом, борирование, ионное азотирование и цементация в плазме. Недостатком метода является низкая производительность: на упрочнение тратится много времени. Положительная сторона - стабильность упрочненного слоя независимо от формы зуба.

Из всех видов гальванического нанесения износостойких покрытий самым распространенным является электролитическое хромирование. Его выполняют при невысокой температуре (до 70 °С). Полученная поверхность отличается высокой химической стойкостью и теплостойкостью. Снижается коэффициент трения. К минусам способа относится снижение прочности зубьев пилы по мере удаления от поверхности (на поверхности зуба наибольшая прочность, на глубине 1 мм от поверхности прочность уже ниже, на глубине 2 мм еще ниже и т. д.). Поэтому следует упрочнять поверхностный слой пилы лишь на 3-5 мкм. Усталостная прочность такого инструмента снижается на 25% по сравнению с неупрочненным инструментом.

Существует и такой метод упрочнения инструмента, как криогенная обработка. Но этим способом можно упрочнять лишь инструмент, который ранее подвергся термообработке. В процессе закалки углеродосодержащего материала в его структуре образуется некоторое количество аустенита, что снижает твердость, прочность и теплопроводность материала, из которого сделана пила. Для удаления аустенита и используется глубокая заморозка: инструмент помещается в жидкий азот (или подвешивается над ванной с жидким азотом). Таким образом можно повысить твердость и прочность материала, из которого изготовлена пила, на 50% по сравнению с материалом инструмента, не прошедшего подобную обработку.

Недостаток метода: при его повторном применении необходимо охладить упрочняемый материал до более низкой температуры, чем при первой криогенной обработке.

Еще одним термическим способом упрочнения инструмента является обработка пил в атмосфере пара. Этот метод можно применять лишь для пил, изготовленных из вольфрамсодержащих материалов. Дело в том, что многие соединения вольфрама при сильном нагреве разлагаются. На первом этапе операции выполняется обезжиривание инструмента, для чего его кладут в горячий раствор специальной соли, в котором инструмент лежит 10-15 мин., после чего промывают теплой водой. На втором этапе инструмент нагревают до 350 °С в герметичной камере и выдерживают в ней до 30 мин. На третьем этапе в камеру подается пар для удаления воздуха (20-30 мин.), а затем пилы разогревают до 550 °С и выдерживают в камере до 40 мин. На четвертом этапе пилы сначала охлаждают до комнатной температуры, а затем выдерживают в горячем масле (его температура зависит от материала, который упрочняют) до 10 мин. В результате на поверхности пилы образуется оксидная пленка толщиной 0,006 мм, которая позволяет уменьшить налипание стружки на зубья (тело) пилы и удерживать на поверхности частички охлаждающих и смазывающих веществ. Стойкость такого инструмента в 1,5 раза превосходит стойкость инструмента, не прошедшего подобную обработку.

Электроискровой метод повышения стойкости твердосплавных круглых пил

Суть этого метода упрочнения заключается в легировании поверхностного слоя металла, из которого сделана пила (катода) материалом электрода (анода) в воздушной среде. В процессе обработки на специальной установке между упрочняемым материалом и электродом возникает искровой разряд. При этом твердость материала снижается по мере удаления от поверхности. В результате химических реакций происходит интенсивное перемешивание материала электрода и упрочняемого материала, в поверхностных слоях образуются закалочные структуры и сложные химические соединения, возникает диффузионный износостойкий упрочненный слой. Метод очень эффективен при создании химически стойких поверхностей. Частным случаем этого метода является создание антифрикционных покрытий. Они необходимы для снижения сил трения в системе «инструмент - обрабатываемый материал». Метод состоит в меднении шероховатой поверхности зуба инструмента (Rz до 80 мкм) с последующим снятием поверхностного слоя.

Стойкость инструмента, подвергшегося электроискровой обработке, можно дополнительно повысить, применив электродеформационное упрочнение. Этот способ сочетает электроискровое воздействие на инструмент и его последующую термомеханическую обработку в сочетании с поверхностным легированием.

Недостаток метода - высокая шероховатость упрочненной поверхности.

Нанесение износостойких покрытий на режущую кромку твердосплавных круглых пил

Самым популярным методом физического осаждения покрытий является метод катодно-ионной бомбардировки (КИБ). Этот метод основан на генерации вещества, которое служит для создания упрочняющего покрытия, катодным пятном вакуумной дуги низковольтного заряда, развивающегося в электроде. В процессе ионной бомбардировки происходит осаждение покрытия на режущую кромку инструмента. Этим способом можно создать многослойное покрытие на поверхности зуба пилы.

К достоинствам метода относится повышение прочности материала на 10%, а стойкость пилы в зависимости от наносимого материала повысится на 20-25% по сравнению с пилой, на зубья которой не наносилось упрочняющее покрытие. Однако габариты камеры, в которой ведется обработка, не всегда позволяют поместить в нее некоторые инструменты (например, диаметр круглых пил может превышать один метр). Другой недостаток метода -необходимость тщательной очистки поверхности инструмента от жира и ржавчины.

Другие способы упрочнения режущего инструмента

Метод ультразвуковой поверхностной обработки (поверхностного пластического деформирования) позволяет создать наклеп и повысить износостойкость инструмента в три раза по сравнению с необработанным.

Лазерное упрочнение инструмента является разновидностью упрочнения поверхности потоками энергии. При лазерном облучении происходит поглощение светового потока упрочняемой поверхностью и передача его энергии обрабатываемым поверхностям. В результате металл пилы нагревается и из поверхностного слоя испаряются продукты разрушения. Износостойкость повышается во много раз (до 15).

Нанотехнологии

В последнее время для упрочнения режущего инструмента и продления сроков его эксплуатации все шире используются нанотехнологии.

В процессе упрочнения режущей кромки зубьев магнетронным способом покрытия на них наносятся в вакууме. Ионизированная плазма образуется в результате бомбардировки металлической мишени ионами аргона. В поверхностном слое режущей кромки пилы появляются атомы аргона, которые способствуют образованию защитной пленки. На поверхности режущей кромки зуба пилы образуется пленка, которая обеспечивает низкий коэффициент трения при контакте зуба с древесиной. Пленка защищает режущую кромку зуба от износа и коррозии даже при нагревании зубьев до высокой температуры в процессе пиления.

В процессе эксплуатации рано или поздно наступает момент, когда необходима заточка инструмента. Для того чтобы после этой операции не приходилось каждый раз упрочнять инструмент, разрабатываются технологии изготовления многослойной пластины, например высокоскоростное ионно-плазменное магнетронное распыление.

Повысить прочность инструмента можно также с помощью детонационного метода - нанесения разных соединений металлов в виде порошков на поверхностный слой грани зубьев пилы. Один из наиболее эффективных - способ создания защитных покрытий, основанный на высокоскоростном метании на упрочняемую поверхность распыленного порошкообразного материала продуктами направленного взрыва газовой смеси. Вместе с тем, как показывают лабораторные и натурные испытания изделий с покрытиями, нанесенными детонационным способом по существующим технологиям, не обеспечивается высокая стабильность механических характеристик покрытий, а в некоторых случаях и необходимая степень адгезии, что препятствует широкому внедрению детонационного метода упрочнения поверхности пил.

Разработан и способ детонационного создания наноструктурированных покрытий с применением конденсированных активных добавок. Нанесение покрытий этим способом осуществляется посредством высокоскоростного метания на упрочняемую поверхность во фронте ударной волны распыленного наноструктурированного порошкообразного материала продуктами детонации, возникающими в результате направленного взрыва конденсированного взрывчатого вещества (ВВ) и газовой смеси. Применение конденсированных активных добавок в виде ВВ позволяет повысить скорость метания порошковых материалов почти в два раза и создать дополнительный тепловой эффект, за счет которого нанопорошок приобретает пластичность.

Предлагаемый способ нанесения покрытий обладает неоспоримыми достоинствами, среди которых возможность нанесения покрытий на холодную подложку, поскольку активация соединяемых материалов обеспечивается высокой скоростью напыляемых частиц; низкая чувствительность к исходной чистоте упрочняемой поверхности; умеренный нагрев детали при нанесении покрытий; низкая пористость покрытий (ниже 0,1%); возможность нанесения на поверхность упрочняемого инструмента широкого спектра материалов, в том числе металлов и сплавов, окислов, смесей окислов, металлокерамических твердых сплавов на основе карбидов вольфрама, хрома, титана, а также смесей карбидов с металлами.

Описанный способ используется в основном для упрочнения подшипников скольжения погружных центробежных насосов. В результате получаются поверхности, характеризующиеся пониженным коэффициентом трения в жидкой среде. Так как в деревообработке используются заточные станки с водяным охлаждением инструмента, этот способ можно применять и при упрочнении режущего инструмента.

Одной из разновидностей детонационного способа является воздействие ударной волны на упрочняемую поверхность (без использования нанотехнологий). Оно позволяет существенно повысить износостойкость инструмента за счет измельчения карбида вольфрама и упрочнения кобальтовой связки содержащихся в составе материала, из которого изготовлена пластина.

Технологический процесс наноструктурированного покрытия фрикционным методом позволяет нанести на заготовку почти любой материал, который обеспечивает повышение износостойкости дереворежущего инструмента. К вращающейся металлической щетке с определенным усилием прижимается в виде ленты или прутка материал покрытия, который в зоне контакта разогревается до высокой температуры, его частички схватываются и переносятся на упрочняемую деталь. Необходимыми условиями являются зачистка обрабатываемой поверхности и ее нагрев, что способствует прочному сцеплению наносимого материала и упрочняемой поверхности. В результате срок службы инструмента увеличивается в два раза, повышаются его теплостойкость и стойкость к коррозии.

Перечисленные выше способы упрочнения с использованием нанотехнологий широко применяются для упрочнения деталей станков. Многие из этих способов пытаются применять в измененном виде для упрочнения инструмента. Ниже приводятся способы упрочнения, применяемые в основном для металло- и дереворежущего инструмента.

Самым распространенным способом упрочнения инструмента является создание наноалмазного композиционного покрытия: на режущей поверхности зуба создается слой, упрочненный наноаламазами. Этот способ позволяет упрочнить любую сталь, чугун и алюминий. Благодаря этому способу наблюдается повышение теплопроводности и износостойкости, снижение коэффициента трения.

Вторым по популярности способом упрочнения дереворежущего инструмента является ионная имплантация. Этот способ подходит лишь для твердосплавного инструмента с вольфрамсодержащими пластинами. Во время ионной имплантации происходит внедрение в поверхность граней зубьев пилы ионизированного вещества с помощью ускоряющего электрического поля в вакууме. В зависимости от материала детали требуется разное число ионов на единицу поверхности. Этот способ позволяет снизить коэффициент трения инструмента об обрабатываемый материал, а также повысить износостойкость и усталостную прочность материала. Достоинства метода: не требуется контролировать температуру: в процессе упрочнения деталь нагревается, но неконтролируемых процессов, таких как изменение формы, не происходит. Одна из разновидностей ионной имплантации - ионно-лучевая обработка. Она используется для упрочнения почти всех деталей станков и позволяет повысить стойкость режущей части инструмента более чем в два раза по сравнению со стойкостью необработанных зубьев пил.

Кирилл ПОЛОСУХИН