сивному развитию окислительных процессов, что вызывает ускоренное затупление. Резец, изготовленный из материала повышенной твердости, затупляется вследствие пластической деформации и загиба лезвия [109].
При трении на износ лезвийного инструмента существенное влияние оказывает окружающая среда – износ увеличивается при насыщении кислородом древесины, особенно их жидкая фаза, содержащая органические кислоты.
Структурные составляющие стали в кислых средах приводят к электрохимической коррозии и разрушению структуры материала резца в электролитах.
Вопросы и задания для самоконтроля
1 Какие особенности резания ортотропных материалов?
2Приведите примеры ортотропных материалов.
3Какие особенности рабочих углов и микрогеометрии резцов для обработки древесины?
4Привести схему стружкообразования при резании древесины и типы стружек.
5Силы резания и физические явления при резании древесины (электрические, тепловые, химические).
Глава 13 РЕЗАНИЕ ТВЕРДЫХ И ХРУПКИХ МАТЕРИАЛОВ
13.1Резание угля, камня, чугуна, углеграфитовых
идругих материалов
Кхрупким материалам, применительно к процессу резания, можно отнести такие, у которых разрушение под действием нагрузки, происходит без существенных пластических деформаций.
При этом разрушение является хрупким, если для его протекания и завершения достаточно упругой энергии разрушения, т. е. если существует закритическая стадия лезвийного квазихрупкого роста трещины, когда высокая скорость ее распространения исчезает, а в зависимости от энергосбережения за счет движения массы и одновременной возможности упругого подталкивания трещины остановить стремительный автоматический распад поля напряжений самих образцов невозможно [179].
Наиболее распространенным хрупким материалом является уголь, добыча которого ведется с давних времен, а процессы резания его достаточно разработаны.
Работа резания угледобывающих машин — врубовых комбайнов и другой техники, основана на разрушении резанием угольных пластов. К подобной работе следует отнести резание грунтов, горных пород, углеграфитовых материалов и т. п.
Проблема сопротивления хрупких материалов резанию в настоящее время рассматривается на базе данных теории упругости и пластичности. При этом установлена аналогия в распределении нагрузки на передней грани резца при резании хрупких и пластичных материалов [112].
Как известно, все твердые материалы принято разделять на хрупкие и пластичные. Вторые обладают свойством сохранять остаточную деформацию, полученную при действии внешних сил и после прекращения их действия. Первые при приложении внешних сил разрушаются без заметных остаточных деформаций.
Под резанием хрупких материалов подразумевается процесс отслоения от основного тела или массива отдельных кусков материала в большей или меньшей степени связанных между собой, или разделение материала на две или более частей посредством различных инструментов.
При этом назначение процесса резания может быть различным. Например, процесс резания металлов имеет задачу получить изделие требуемой формы, размеров и шероховатости, т. е. осуществляет размеренную и качественную обработку.
Процесс резания угля не относится к размерным, а создает возможности отделить большее количество углей от массива.
Изучение скоростной киносъемкой процесса резания угля [112] позволяет установить, что зубок внедряясь в уголь, вызывает его дробление. Мелкие частицы отлетают от основного массива угля примерно вдоль передней грани зубка. Дробление и отлетание мелких кусочков штаба имеет характер небольших вырывов. При этом площадь контакта передней грани зубка с углем увеличивается. Площадь контакта увеличивается также вследствие смятия угля передней поверхностью зубка. Под смятием понимается уплотнение угля в передней части поверхности. В результате дробления и смятия площадь контакта увеличивается и, в отдельных случаях, достигает (при углах резания примерно 90°) глубины резания.
В момент, соответствующий максимальному контакту зубка и угля, происходит отделение крупных частиц угля. Отмечено, что максимальная величина контакта зубка с углем, равная величине среза, имеет место также при сколе частичек угля по трещинам, направление которых примерно параллельно передней поверхности зубка. Изменение значений площадей контакта зубка с углем является одной из главных причин изменения в процессе резания максимальных значений сил резания.
Скоростная киносъемка привела к следующей принципиальной схеме процесса резания угля (рисунок 13.1) [112].
Рисунок 13.1 – Схема процесса резания угля (а) и диаграмма силы резания Pz (б)
I–IV – положения передней поверхности резца
После отделения крупного элемента угля некоторое время отсутствует контакт между передней гранью зубка и угля (рисунок 13.1). Главная составляющая сила резания Pz (рисунок 13.1, б) в этот момент равна нулю. Затем, зубок продвигаясь вперед, в направлении пути резания l начинает контактировать передней гранью с углем. Вследствие дробления (скалывания мелких частиц) и смятия угля передней поверхностью, площадь контакта увеличивается.
Сила Pz при этом также возрастает, но каждое скалывание мелкой частицы (поз.1, 2, 3) вызывает небольшое уменьшение силы. Поэтому кривая силы в функции пути имеет пикообразный характер. Судя по киносъемке, резание сопровождается значительным дроблением угля. При достижении максимального контакта резца с углем (положение IV рисунок 13.1, а) происходит отделение крупного элемента угля, при этом сила падает до нуля, затем процесс повторяется. При наблюдении процесса резания в ряде случаев удается обнаружить образование уплотнительного ядра впереди резца, которое представляет собой результат дробления и прессования угля передней гра-
379
нью и является своеобразным «барьером», находящимся в объемном напряженном состоянии.
Работа угольных комбайнов основана на процессе резания угля инструментами несколько похожими на строгальные резцы. Режущие инструменты для выемочных машин бывают следующих видов.
Зубок – инструмент – для режущих цепей (рисунки 13.2, 13.3). Он применяется на врубовых машинах и комбайнах. Сечение державки режущего зубка прямоугольное и равно 16×25 мм для нормального зубка и 16×32 для усиленного. Длина зубка 95–105 мм и доходит до 170 мм.
Резец – режущий инструмент для фрезерных головок. Инструмент указанного вида похож на зубок, но отличается от них более массивной державкой и большей длиной (115–300 мм). Деление инструмента на зубки и резцы – условное.
Рисунок 13.2 – Элементы геометрии зубка:
δ – угол резания; β – угол заострения; γ – передний угол; α – задний угол; b – ширина кромки резца
Нож – режущий инструмент для стругов. Представляет собой пластину с длинной режущей кромкой.
Клевак – режущий инструмент для обработки штанг. Характеризуются конической пилообразной головкой и круглой державкой с рабочей кромкой на конце.
Рисунок 13.3 – Зубок типа И-80 с пластинами твердого сплава
У твердосплавных зубков углы резания: ϕ = 87–95°; α = 5–10°; α1 = 4–12°. Ширина площадки закругления – 6–7 мм. В динамике задний угол меняется и равен:
где tgθ = Vп / Vср;
Vп – скорость подачи;
Vср – фактическая скорость резания.
Для врубовых машин θ = 2,5°. Радиус закругления главной режущей кромки колеблется в пределах от 0,03 до 1 мм, а у зубков крупного разме-
ра — от 0,3–3 мм.
Горнорудная промышленность изготавливает и потребляет в год миллион долотчатых врубовых коронок, оснащенных пластинками спеченных твердых сплавов.
Как на заводах-изготовителях, так и на рудниках затачивание коронок в основном производстве осуществляется вручную на точильно-шлифоваль- ных станках кругом из карбида кремния зеленого. За последние годы институтом сверхтвердых материалов (ИСМ) НАНУ разработаны и успешно используются станки автоматы для заточки коронок и твердосплавных зубков машинных долот [72].
381
Резание камня. Камни делятся на три группы: твердые, средней твердости и мягкие. К первой группе относятся: кварцит, гранит, диорит, спелит, габбро и лабрадонит, содержащие минералы повышенной твердости, а потому труднообрабатываемые. Высокая погодоустойчивость (200–500 лет) позволяет сохранить облицовку на очень долгое время и в значительной степени сохранить качество обработки. Стоимость обработки твердого камня более высокая, что связано с повышенными затратами труда и материалов.
Кроме кварцита, представляющего собой горную породу к твердым камням относятся, в основном, изверженные породы. Поэтому в практике камнеобработчики часто не разделяют разнообразные твердые породы, называя их наиболее распространенным твердым камнем — гранитом. Пределы твердости при сжатии твердых пород составляют 1000–4000 ГПа.
Гранит – естественный долговечный декоративный камень, служащий строительным материалом применяемый для нужд облицовки зданий и сооружений, придающий им особую красоту и монументальность.
Для обработки гранита применяются два способа: абразивный и ударный. Первый из них охватывает пиление, обрезку и шлифование; ко второму способу относится раскалывание камня и все виды обтесывания, выполняемые инструментом ударного действия. Граниты очень плохо поддаются резанию из-за высокой их прочности (сопротивление сжатию 1500–3000 ГПа), а также из-за высокой их абразивности и твердости, что обуславливается высоким содержанием в граните кварца (30–40 %) наиболее твердого из всех породообразующих материалов (микротвердость кварца составляет 1100 МПа), в то время как даже наиболее твердые закаленные стали характеризуются меньшей величиной микротвердости.
Поэтому распиливание гранита производится беззубыми пилами (штрипсами), изготовляемыми из мягкой малоуглеродистой стали, под которые в процессе работы попадает кварцевый песок.
