Аналіз проблеми підвищення зносостійкості вирубного інструменту Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 1 85 Диха О.В., Динько О.П. Хмельницький національний університет, м. Хмельницький, Україна E-mail: tribosenator@gmail.com АНАЛІЗ ПРОБЛЕМИ ПІДВИЩЕННЯ ЗНОСОСТІЙКОСТІ ВИРУБНОГО ІНСТРУМЕНТУ УДК 621.891 Проаналізовані основні підходи до трибомеханіки процесу зношування вирубного інструменту на основі існуючих розрахунково-експериментальних методів оцінки сили і швидкості вирубки. Розглянуті конструктивні і те- хнологічні способи підвищення зносостійкості різальної частини вирубного інструменту, визначені шляхи вибору оптимальних технологій. Ключові слова: вирубка, зношування інструменту, підвищення зносостійкості Вирубка відноситься до розділових операцій, що включають відрізку, вирубку, пробивку, надрі- зку, обрізку, зачистку, просічку та ін. Вирубка широко застосовується не тільки для обробки металів, але й виготовлення виробів з картону, паперу, тканини, шкіри, полімерів, деревини, а також в переробній і харчовій промисловості. Схема вирубки передбачає циклічний силовий контакт гострого клину з жорсткою основою в поцесі різання. Багаточисельні циклічні взаємодії під час експлуатації призводят до швидкого зносу і за- туплення кромки клина, що є основною проблемою технології вирубки. Вирішення проблеми підвищен- ня зносостійкості вирубного інструменту потребує дослідження трибомеханіки вирубки. За попередній час розвитку технології вирубки встановлена значна кількість різного роду зако- номірностей процесу, на базі яких створені і працюють машини і преси по вирубці виробів з різних мате- ріалів. Але існуючі уявлення про процес вирубки залишаються бути наближеними і, зокрема, не дозво- ляють прогнозувати кількісно знос різального інструменту та підвищувати його ресурс. У зв`язку з цим в даній роботі ставиться задача аналізу існуючих підходів до досліджень зносостійості вирубного інстру- менту та окреслення проблем у цьому питанні. При проектуванні машин по вирубці виробів головним вихідним параметром є необхідне зусил- ля пресування. Уже більш ніж півстоліття для визначення цього зусилля використовується експеримен- тально встановлена залежність виду [2, 3]: VRn KKQbKQ  , де nQ − повна сила вирубки; Q − питома сила вирубки, яка припадає на одиницю довжини b інструменту; RK − коефіцієнт, що враховує затуплення леза клина; VQ − коефіцієнт, що враховує швидкість руху інструменту при вирубці; K − коефіцієнт, що враховує кут заточки клина. В роботі [1] запропоновано для опису механіки вирубки гострим клином використовувати метод експериментально-теоретичної рівноваги. Складність опису процесу вирубки виробів з таких матеріалів як шкіра, тканина, картон, папір і т.д. полягає в тому, що класична механіка твердого тіла, що деформу- ється тут непридатна. Це матеріали, які сильно зміцнюються при великих деформаціях, з мінливими ме- ханічними властивостями, такими як модуль пружності E і коефіцієнт Пуассона  . По суті ці парамет- ри перестають бути характеристиками матеріалів. Необхідна інша основа для опису деформацій матеріа- лів. В якості такої основи в цій роботі прийнята діаграма втискання або діаграма стискання деталей, що визначається з самого спочатку експериментально. В результаті в [1] отримані залежності для визначен- ня функції контактних тисків і напруги в шарі в процесі вирубки, при наявності діаграми втискання. Наявність цих залежностей дозволяє оцінити міцність матеріалу шару при вирубці і наблизитися до опи- су механізму поділу матеріалу , зокрема оцінити вплив кута клина. З експерименту [2] відомо , що коефіцієнт K = 1,0 ... 1,8. Тобто збільшення кута в 3 рази збі- льшує силу вирубки приблизно в 2 рази. За даними [2] коефіцієнт збільшення зусилля вирубки при зату- пленні найбільш значимий: при збільшенні затуплення від 0,1 до 0,5 мм коефіцієнт зростає в 3,5 рази. Існує проблема механіки вирубки, пов'язана з проектуванням вирубних машин полягає у встано- вленні закономірності збільшення сили вирубки при збільшенні швидкості руху інструменту. Відомо з експериментів [2, 3], що ця залежність має вигляд VKK VV 11 . Аналіз проблеми підвищення зносостійкості вирубного інструменту Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 1 86 В роботі [4] встановлено, що при V = 1 … 4 коефіцієнт динамічності знаходиться в діапазоні VK = 1,46 …1,95. Науковий інтерес представляє питання про природу збільшення сили при збільшенні швидкості вирубки. Одна з можливих причин збільшення сил вирубки пояснюється законами деформування в'язко еластичних матеріалів. Ця механіка впливу розглядалася в роботі [5]. Очевидно, що залежність сили вирубки від швидкості носить суперечливий характер: з одного боку зі збільшенням швидкості сила різання повинна зменшуватися через полегшення процесу поділу, з іншого - будь-яка динаміка супроводжується збільшенням інерційних сил. Можна припустити, що осно- вною причиною, що викликає збільшення сили при вирубці є зменшення часу вкладення в процес енергії для поділу шару. Якщо прийняти постійною потребу імпульс сили constQt , то зі зменшенням часу циклу сила повинна зрости. Далі проаналізовані існуючі підходи до забезпечення зносостійкості різальних елементів вируб- ного обладнання. В результаті аналізу технологічного устаткування розглядались такі типи вирубного інструменту як: - ножі вовчків, що використовуються у м’ясній промисловості для подрібнення сировини; - ножі кутерів, що використовуються в кутерах для виготовлення фаршу; - ножі бурякорізок, що використовуються при приготуванні цукру; - ножі штампів для виробництва поліетиленових пакетів. Всі ці ножі мають різну форму, виготовлені з різного матеріалу, але їх об’єднує одна проблема, це низька зносостійкість. В результаті проведеного аналізу існуючих видів зміцнення вирубного інструменту різними спо- собами було встановлено декілька варіантів. Одним із таких видів є підвищення зносостійкості ножів для зрізання цукрових буряків у стружку конструктивними та технологічними засобами. Як показали дослідження, окрім абразивного, механічного та корозійного зношення ножа має місце також кавітація, яка значно прискорює руйнування ріжучого леза ножа [6]. Але руйнівний вплив кавітації можна суттєво зменшити за рахунок вдосконалення геометрії заточування бурякорізальних ножів та зміцненням робочої частини ножів зносостійкими покриттями. В роботі Фабричнікової І.А. встановлено залежності між опо- ром різання робочих поверхонь та кутами торцювання і загострення ножів, це дозволило при куті загост- рення ножа 9 … 10° та комбінованому зміцненні лазером з подальшою хіміко-термічною обробкою туго- плавкими металами із парів алюмохромофосфатного зв´язуючого або наддрібного порошку SiO2 для отримання зміцненої дрібнозернистої структури металу підвищити їх зносостійкість при зрізанні корене- плодів буряків в стружку та якість бурякової стружки [7]. Одним із широковживаних методів є хіміко-термічна обробка різальних кромок ножів [8]. Так після одно- та двофазного борування було відмічено підвищення довговічності у 2,8 - 4,7 рази. Іншим методом – азотуванням - було досягнуто підвищення довговічності у 1,7 разу, а хрому- ванням – у 2 - 3 рази. Ці методи мають суттєві недоліки, такі як великі витрати використаного часу та енергії, в результаті чого збільшується крихкість різальних кромок. У відомих літературних джерелах наведено багато даних про надійність і довговічність ножів вовчка, але в них не має даних в яких можна було б порівняти величину зношування окремих лез ножа [9, 10]. Одним із дослідником даного напрямку є Полуян В.О. В його роботі досліджувалось викорис- тання для зміцнення робочих поверхонь хрестових ножів зносостійких матеріалів (сормайт, Р6М5, Р-18, Х6ВФ, ТН-20) і було встановлено, що лише у зразків зміцнених композицією ТН-20 були отримані най- більш стабільні показники (знос, коефіцієнт тертя, мікротвердість), і вона рекомендується для зміцнення ножів вовчків, оскільки володіє високими антикорозійними і зносостійкими властивостями [11]. В роботі Фоміна Р.Б. [12] встановлено, що жоден з відомих способів відновлення і виготовлен- ня хрестових ножів промислових м'ясорубок не дозволяють отримувати ножі з високими показниками довговічності. З огляду на наявність запасу металу в тілі деталі і її високу технологічність, в якості базо- вої прийнята технологія відновлення хрестових ножів обробкою тиском в штампі. В результаті чого вста- новлено оптимальний кут нахилу деформуючого пуансона штампа, рівний 25°. За результатами випро- бувань на зношування встановлено, що ресурс відновленого ножа перевершує ресурс серійного на 23 %, що дозволяє говорити про довший термін служби виробу [12]. Проводились дослідження впливу кріогенного зміцнення на зносостійкість різального інструменту. Було відмічено підвищення довговічності до 2 разів [13]. Цей метод не знайшов свого ши- роко застосування із за своєї великої вартості. Іншим відомим методом є електроіскрове легування поверхневих шарів різальної кромки[9]. Електроіскрове легування супроводжується різними видами фізико-хімічних перетворень [10]. Основний ефект отримується через вірність вибору електричних параметрів режиму обробки, конструкції установ- Аналіз проблеми підвищення зносостійкості вирубного інструменту Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 1 87 ки, легуючих матеріалів електродів та міжелектродного середовища, реакційної системи застосованих газів (легуючих – CO2, NC, C2H4, повітря; несучих – H2, N, Ar). Електроіскрове легування дозволяє: - значно підвищити зносостійкість і твердість металічних поверхонь деталей машин і технологі- чної оснастки з метою збільшення їх довговічності і заміни спеціальних сталей менш дефіцитними, або більш дешевими; - змінити електричні властивості струмопровідних поверхонь, зменшити перехідні опори елект- ричних контактів, їх зношення; - збільшити шорсткість металічних поверхонь, наносити проміжні та перехідні шари для полег- шення лужіння і процесу пайки, підвищити корозійну та вогнетривку стійкість, а також відновлювану властивість як деталей машин при ремонті, так і вимірних інструментів; - отримувати омічні та випрямляючі контакти на напівпровідниках (нанесені покриття мають до- сконалий і міцний зв’язок з основним металом підкладки, оскільки супроводжується високо реакційними та дифузійними процесами). Насичення матеріалу ножа легуючими елементами (W, Ti, Mo) дозволяє підвищити довговічність у 1,5 - 2 рази. До недоліків цього методу можна віднести недостатню його ефективність, що спричинено відсутністю комплексного впливу (термічної обробки, поверхнево-пластичного дефор- мування, легування) [14]. Відомі методи підвищення зносостійкості різальних елементів шляхом використання плазмових струменів. Ефективність таких методів наближається до ефективності лазерної обробки, причому – при значно менших вартості обладнання та енергоємності процесу. Однак використання плазмових генераторів безперервної дії не дозволяє отримати максимальні параметри зміцненого шару [15, 16]. Це обумовлено, насамперед, низькими (дозвуковими) швидкостями плазмового потоку. Відомі розроблені технології підвищення зносостійкості деталей плазмово-детонаційною обробкою [16, 17, 18]. Імпульсна дія забезпечується завдяки використанню вибухових речовин (газ) та посиленню детонаційних хвиль електромагнітним полем поміж симетрично розташованим електродними вузлами. Також в процесі об- робки відбувається легування поверхні продуктами ерозії металевого електроду (молібден, вольфрам) та газу (пропан, азот). Внаслідок такої обробки зносостійкість деталей машин підвищується у 3 - 5 разів. Дана технологія володіє високою ефективністю (як при імпульсному лазерному зміцненні), високою продуктивністю (0,5 м2/год), значно більшим КПД нагріву (0,8 проти 0,05) та меншою у десятки разів вартістю технологічного обладнання у порівнянні із лазерним зміцненням. З огляду на це перспективним є застосування методу плазмово-детонаційного зміцнення для підвищення зносостійкості ножів кутерів. Проте в літературі відсутні кількісні дані про підвищення зносостійкості ножів кутерів після плазмово- детонаційної обробки [16]. Темпи росту виробництва, збільшення тривалості роботи устаткування, попиту на кінцевий про- дукт, диктують нові вимоги до якості вирубного обладнання. Робота в напрямку вдосконалення вирубно- го інструменту повинна бути продовжена на вимогу сьогодення. В процесі подальших досліджень для ефективного вибору способів подовження ресурсу вируб- ного інструменту необхідна розробка розрахунково - експериментальних моделей трибоконтактної меха- ніки і зносостійкості, що дозволяять оцінити вплив визначальних факторів процесу вирубки на довгові- чність і надійність по зносу. Висновки 1. Існуючі уявлення про процес вирубки залишаються наближеними і не дозволяють прогнозу- вати кількісно знос різального інструменту та підвищувати його ресурс. 2. Для ефективного вибору способу подовження ресурсу вирубного інструменту необхідна роз- робка розрахунково-експериментальної моделі зносостійкості, що дозволяє оцінити вплив визначальних факторів процесу на трибоконтактні параметри. Література 1. Кузьменко А.Г., Сторощук В.А. Механика вырубки. Часть 1. Острый клин // Проблемы трибо- логии. − 2003. − № 1. − С. 145-159. 2. Капустин И.И. Обувные машины. − М., 1949. − 308 с. 3. Капустин И.И. Резание и режущий инструмент в кожевенно-обувном производстве. − М., 1950. − С. 4-42. 4. Поліщук О.С., Кармаліта А.К. Визначення впливу швидкості вирубання на технологічні зу- силля та якість лінії різу // Вісник технологічного університету Поділля. − 2001. − № 3. − С. 160-166. 5. Архипов Н.Н., Карпачев П.С., Майзель М.М., Плевако Н.А. Основы конструирования и расче- тов типовых машин и аппаратов легкой промышленности. − М.: ГНТИМЛ, 1963. − 599 с. Аналіз проблеми підвищення зносостійкості вирубного інструменту Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 1 88 6. Фабричнікова І.А. Зношення бурякорізальних ножів при зрізанні коренеплоду цукрового бу- ряка [Текст] / І.А. Фабричнікова // Сільськогосподарські машини: Зб. наук. ст. – Вип. 21. – Том ІІ. – Луцьк: ред.-вид. відділ ЛНТУ, 2011. – С. 150-157. 7. Фабричнікова І.А., Коломієць В.В. Практичні рекомендації по збільшенню ресурсу бурякорі- зальних ножів [Текст] / І.А. Фабричнікова, Коломієць В.В. // Проблеми трибології. – 2015. –№3. – С. 122-126. 8. Чижикова Т.В., Мартынов Г.А. Перспективы повышения эксплуатационной надежности ре- жущих инструментов в мясной промышленности. – М.: АгроНИИТЭИММП, 1987. – 43 с. 9. Илюхин В. В. Процессы изнашивания системы «нож – решетка» в волчках. / В. В. Илюхин // Мясные технологии. – 2011. – №2. – С. 36 - 38. 10. Некоз С. О. Підвищення ефективності роботи і довговічності різального комплекту м’ясорізальних вовчків : дис… кандидата техн. наук / С. О. Некоз – К. : УДУХТ, 2001. – 165 с. 11. Полуян В.А. Повышение долговечности ножей мясоизмельчительных машин / дис. на соиск. уч.. степени канд. техн. наук/ Полуян В. А. – З.: Зерноград, 2006. –С. 7-10. 12. Фоміна Р.Б. Технология восстановления крестовых ножей промышленных мясорубок давле- нием/ дис. на соиск. науч. степ. канд. техн. наук/ Фомин Р. Б.-С.: Саратов, 2001. – С. 110-113. 13. Некоз С.О. Підвищення ефективності роботи і довговічності різального комплекту м’ясорізальних вовчків: Дис. канд. техн. наук. – К. НУХТ, 2001. – 165 с. 14. Завойко О.С., Новыіков С.М. Механізація процесу електроіскрового легування із застосу- ванням реакційних властивостей газів. – Т.: Фізика і хімія твердого тіла №4, 2013. – 897-903 с. 15. Завойко О.С. Теоретичні основи електротехнології зміцнення металів. – Чернівці: Рута. – 2003 р. 16. Некоз О.І., Осипенко В.І., Батраченко О.В. Підвищення зносостійкості ножів кутера плазмово – детонаційним зміцненням. – О.: Наукові праці, 2009. – 172-174 с. 17. Тюрин Ю.Н., Жадкевич М.Л. Плазменные упрочняющие технологии. – К.: Наукова думка, 2008.– 215 с. 18. Колісниченко О.В. Формування модифікованих шарів при плазмово-детонаційній обробці вуглецевих сталей. Дисертація на здобуття вченого ступеня канд. техн. наук. – К.: Інститут електрозва- рювання ім. Є.О. Патона НАН України, 2003 – 154 с. П р о б л е м и т р и б о л о г і ї “P r o b l e m s o f T r i b o l o g y” E-mail: tribosenator@gmail.com Поступила в редакцію 12.03.2016 Аналіз проблеми підвищення зносостійкості вирубного інструменту Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2016, № 1 89 Dykha O.V., Dynko O.P. Analysis of the problem of increasing wear resistance of cutting tools. The basic approaches to tribo-mechanics of the process of wear of cutting tools on the basis of existing calculation- experimental methods of estimating the strength and speed of cutting. The constructive and technological methods of increasing the wear resistance of cutting part of cutting tool, defined way of choosing the optimal technology. Keywords: cutting, tool wear, improvement of wear resistance. References 1. Kuzmenko A.G., Storoshhuk V.A. Mehanika vyrubki. Chast 1. Ostryj klin , Problemy tribo- logii,2003,№ 1,P. 145-159. 2. Kapustin I.I. Obuvnye mashiny,M., 1949,308 p. 3. Kapustin I.I. Rezanie i rezhushhij instrument v kozhevenno-obuvnom proizvodstve,M., 1950,P. 4-42. 4. Polіshhuk O.P., Karmalіta A.K. Viznachennja vplivu shvidkostі virubannja na tehnologіchnі zu-sillja ta jakіst lіnії rіzu , Vіsnik tehnologіchnogo unіversitetu Podіllja,2001,№ 3,P. 160-166. 5. Arhipov N.N., Karpachev P.P., Majzel M.M., Plevako N.A. Osnovy konstruirovanija i rasche-tov tipovyh mashin i apparatov legkoj promyshlennosti,M.: GNTIML, 1963,599 p. 6. Fabrichnіkova І.A. Znoshennja burjakorіzalnih nozhіv pri zrіzannі koreneplodu cukrovogo bu-rjaka [Tekst] , І.A. Fabrichnіkova , Sіlskogospodarskі mashini: Zb. nauk. st,Vip. 21,Tom ІІ,Luck: red.-vid. vіddіl LNTU, 2011,P. 150-157. 7. Fabrichnіkova І.A., Kolomієc V.V. Praktichnі rekomendacії po zbіlshennju resursu burjakorі-zalnih nozhіv [Tekst] , І.A. Fabrichnіkova, Kolomієc V.V. , Problemi tribologії,2015. –№3,P. 122-126. 8. Chizhikova T.V., Martynov G.A. Perspektivy povyshenija jekspluatacionnoj nadezhnosti re-zhushhih instrumentov v mjasnoj promyshlennosti. - M.: AgroNIITJeIMMP, 1987,43 p. 9. Iljuhin V. V. Processy iznashivanija sistemy «nozh – reshetka» v volchkah. , V. V. Iljuhin., Mjasnye tehnologii,2011,№2,P. 36 – 38. 10. Nekoz P. O. Pіdvishhennja efektivnostі roboti і dovgovіchnostі rіzalnogo komplektu mjasorіzalnih vovchkіv : dis… kandidata tehn. nauk. , P. O. Nekoz – K. : UDUHT, 2001,165 p. 11. Polujan V.A. Povyshenie dolgovechnosti nozhej mjasoizmelchitelnyh mashin , dip. na soisk. uch.. stepeni kand. tehn. nauk, Polujan V. A,Z.: Zernograd, 2006. –P.7–10. 12. Fomіna R.B. Tehnologija vosstanovlenija krestovyh nozhej promyshlennyh mjasorubok davle-niem, dip. na soisk. nauch. step. kand. tehn. nauk, Fomin R. B.-P.: Saratov, 2001,P. 110-113. 13. Nekoz P.O. Pіdvishhennja efektivnostі roboti і dovgovіchnostі rіzalnogo komplektu mjasorіzalnih vovchkіv: Dip. kand. tehn. nauk,K. NUHT, 2001,165 p. 14. Zavojko O.P., Novyіkov P.M. Mehanіzacіja procesu elektroіskrovogo leguvannja іz zastosuvannjam reakcіjnih vlastivostej gazіv,T.: Fіzika і hіmіja tverdogo tіla №4, 2013,897-903 p. 15. Zavojko O.P. Teoretichnі osnovi elektrotehnologії zmіcnennja metalіv. Ruta, Chernіvcі. 2003r. 16. Nekoz O.І., Osipenko V.І., Batrachenko O.V. Pіdvishhennja znosostіjkostі nozhіv kutera plazmovo – detonacіjnim zmіcnennjam. - Odeska nacіonalna akademіja harchovih tehnologіj.- O.: Naukovі pracі, 2009,172-174 p. 17. Tjurin Ju.N., Zhadkevich M.L. Plazmennye uprochnjajushhie tehnologii,K.: Naukova dumka, 2008.– 215 p. 18. Kolіsnichenko O.V. Formuvannja modifіkovanih sharіv pri plazmovo-detonacіjnіj obrobcі vuglecevih stalej. Disertacіja na zdobuttja vchenogo stupenja kand. tehn. nauk,Kiїv: Іnstitut elektroz-varjuvannja іm.. Є.O. Patona NAN Ukraїni, 2003 – 154 p.