employee
Bryansk, Bryansk, Russian Federation
Bryansk, Bryansk, Russian Federation
UDC 620.178.169
UDC 621.941.025.7
Studies of a road harrow, in particular, its cutter, are presented. It is shown that the carbide tip of the road harrow cutter is subjected to wear while in operation. An overview of studies on increasing the life pattern of the cutter is given. It is found that the carbide tip of the cutter, made of tungsten-cobalt alloy, determines the service life of the cutter. It is proposed to treat the surface of the carbide tip of the cutter with low-intensity laser emission. The laser treatment was performed in several modes, changing the wavelength and radiation power at constant contact spot area and radiation frequency. It has been found that the number of pores on the surface of the carbide cutter tip, measured according to the State Standard (GOST 9391-80), is decreasing. In the context of pores number determination in accordance with the State Standard (GOST 9391-80) by the visual method, it was decided to determine the number of pores by examining the conductivity of a surface area using an atomic force microscope. At the same time, it was believed that the absence of conductivity in a given range indicates pore's occurrence. It was found that at a wavelength of 50 nm, a power of 25 W, a contact spot area of 0,05 mm2 and an emission frequency of 30 Hz, the number of pores significantly decreases. Assumptions are made concerning the reasons for the decrease in the number of pores related to the activation of molecules in the matrix in the area of the largest accumulation of pores, in particular in this case near the cobalt bond. Wear tests were carried out on a developed installation that allows simulating the operation of a road harrow cutter. It was found that when blacktop is worn to a depth of 450 mm, a sample with fewer pores wears out much more slowly than others.
hard alloy, laser treatment, cutter, wear, porosity
Введение
Повышению износостойкости и долговечности твердосплавных резцов дорожной фрезы посвящено большое число работ. Так, предложено использование ионно-плазменной и ионно-лучевой обработок для повышения износостойкости резцов дорожных фрез [3]. Некоторые исследователи рассматривают химико-термическую обработку в качестве меры повышения долговечности корпуса резцов дорожной фрезы [4]. Проводятся исследования влияние на структуру и свойства твердых сплавов наноразмерных углеродных добавок [5]. В работе [6] разработан алгоритм оценки долговечности вращающихся резцов с износостойкими вставками сложной формы, применяющимися в дорожных фрезах, основанный на форме вставки, предельном значении линейного параметра износа, угла между линией резания и осью вращения резца, радиуса дорожной фрезы, глубины разрабатываемой траншеи и обобщённого параметра абразивности. Исследуется сила сопротивления резанию при фрезеровании асфальтобетона и ее влияние на износ [7]. В этой связи целью настоящей статьи является увеличение разработка технологии повышения износостойкости резца дорожной фрезы с наконечником из вольфрамокобальтого твердого сплава.
Материалы и методы
Объектом исследования является твердосплавный резец дорожной фрезы, с вольфрамокобальтовым твердосплавным наконечником. Снимок резца с завода изготовителя представлен на рис. 1, а, а на рис. 2, б ‒ снимок изношенного резца. Часть наконечников образцов была подвержена лазерной обработке различной интенсивности: длине волн 25…75 нм, мощности 20…30 Ватт, площади пятна лазерного луча (контакта) 0,05 мм2;
частоте излучения 30 Гц. Плотность мощности лазерного излучения 400…600 Ватт/мм2.
Скорость относительного перемещения лазерного излучения по поверхности наконечника 2…3,5 мкм/с.
Испытания на износ проводили на спроектированной установке, имитирующей работу барабана дорожной фрезы (рис. 2). Установка оснащена барабаном, содержащим 3 резца, расположенным так, что в установке резцы перемещаются относительно срезаемого контртела также, как в реальных условиях. То есть резцы, совершая вращательные движения на барабане, врезаются в абразивный материал (контртело) под углом к нормали. Такое расположение резцов позволяет осуществлять ровный срез, как и происходит в реальных условиях. Испытания проводили до углубления резцов в асфальтовое покрытие на глубину
450 мм. Барабан с резцами подводили к асфальтовому покрытию с помощью системы рычагов (рис. 3). Асфальтобетонную смесь изготавливали в соответствии с ГОСТ Р 58406.2-20
(рис. 4). Пористость асфальтобетонной смеси находилась в пределах 1,0…2,5 %. С целью ускорения испытаний в качестве минеральных зерен смеси использовали гравийные зерна со средним размером зерна 40 мм.
Износ резцов контролируется весовым методом, посредством измерения массы резцов до и после процесса испытаний. Резец дорожной фрезы, поставленной заводом
изготовителем, имеет массу 321,6 гр. (Wirtgen HT3/HT11).
Пористость по ГОСТ 9391-80 определяли на микроскопе Leica DM750 при увеличении 100 крат. Также с целью определения пористости проводили исследования поверхности на атомно-силовом микроскопе (АСМ) Femtoscan. Возможность определения пористости на АСМ заключается в следующем. В каждой точке поверхности X и Y снимается силовая кривая – зависимость силы взаимодействия между зондом и изучаемой поверхностью от расстояния Z между ними. Обычно записываются две кривые: одна соответствует сближению зонда с поверхностью, вторая – их взаимному удалению. Получается массив кривых размером 128×128, 256×256 или 512×512. В работе [ 9] показано, что пленки на поверхности на основе сополимеров ДАДФО:ДАДФАСК и ПАСК:ПЭА характеризуются наличием дефектов средним радиусом 70…90 нм, содержание которых изменяется от 4 до 6 % от всей площади поверхности образца. Подобные дефектные области, вероятно, представляют собой крупные межгелевые фрагменты, не содержащие функциональных групп, и поэтому не могут рассматриваться как проводящие каналы, несмотря на высокую диффузионную подвижность малых молекул воды или спиртов в них. Таким образом,
имеется возможность определения пористости на АСМ.
Результаты и обсуждение
Из шести образцов пять были подвергнуты лазерной обработке различной мощностью и длиной волны. Учитывая конструкцию испытательной установки – каждый образец состоял из трех резцов. Для определения числа пор использовалось понятие пористость и методика исследования по ГОСТ 9391-80. При изучении снимков микрошлифов при увеличении (×100) установлено, что пористость уменьшилась (рис. 5). Диапазон значений пористости образцов приведена в табл. 1.
Следует отметить, что сравнение пористости по ГОСТ 9391-80 представляет сложную задачу для образцов со схожей визуализацией пор на шлифе. Поверхность наконечника твердосплавного резца дорожной фрезы, изготовленной из вольфрамокобальтового сплава, подвергалась лазерной обработке малой интенсивности с целью селективного возбуждения молекул и уменьшения числа пор. Возможность фокусировки лазерного излучения позволяет вводить энергию в определенную область объема. Монохромность лазерного излучения позволяет селективно возбуждать молекулы одного вида. Режимы лазерного излучения подобраны (табл. 2) при которых происходит активация молекул в матрице в области наибольшего скопления пор, в частности в данном случае вблизи кобальтовой связки. В результате происходит сплавление металлической основы на некоторой глубине от поверхности, и как следствие закрытие пор (рис. 6, рис. 7). В этой связи была исследована проводимость поверхности наконечников твердосплавного резца на АСМ Femtoscan. При отсутствии проводимости принималось, что в данном месте существует пора.
При сопоставлении рис. 6 и 7 хорошо видны участки с низкой проводимостью, которые являются более темными. При этом
на рис. 6 отчетливо видны кристаллиты, которых не видно на рис. 7. Различие участков по проводимости обусловлено различной проводимостью различных карбидов и связующего элемента. Совсем черные участки обладают нулевой проводимостью и вероятнее всего являются порами между кристаллитами, полученными при спекании твердого сплава.
Так, образец № 1, не обработанный лазером, имел пористость А 0,4. Далее изменяли мощность лазера, при остальных неизменных параметрах, при которых: при мощности
20 Вт (образец № 2) пористость уменьшилась до А 0,2; при мощности 25 Вт (образец № 3) – А 0,04; при мощности 30 Вт (образец № 4) –
А 0,2. Установлено, что при значении мощности в 25 Вт (образец № 3) достигается наименьшая пористость. Далее при данном значении мощности варьировалась длина волны: при длине волны 25 нм. (образец № 5) пористость составила А 0,4, при длине волны 75 нм. (образец № 6) – А 0,4. Так как изменение длины волны не привело к изменению пористости по сравнению с образцом № 1, который не подвергался обработке лазером, установлены рациональные режимы лазерной обработки для уменьшения пористости твердосплавного резца дорожной фрезы, изготовленного из вольфрамокобальтового сплава.
Таким образом, на износ испытывали образцы № 1 и № 3 (табл. 2). Результаты испытаний сведены в одну табл. 3. Из таблицы видно, что за выработку слоя асфальта глубиной 450 мм резцы № 1 износились в среднем на 18,2 г, резцы № 3 – 9,2 г.
По средним значениям наименьшая потеря массы наблюдается у образца № 3. Наибольшая потеря массы, по средним значениям, у образцов № 1 и № 5, следовательно, выбранный режим лазерной обработки для образца № 5 не приводит к уменьшению износа резца.
Заключение
При исследовании структуры материала твердосплавного резца дорожной фрезы выполнено определение пористости поверхности. На образце, обработанном лазером число черных участков значительно меньше. Таким образом лазерная обработка твердого сплава позволяет уменьшить число пор. Испытания на износ показали, что образцы, обработанные лазером и, соответственно, имеющие меньшую пористость за выработку слоя асфальта глубиной 450 мм износились в среднем на 9,2 г, резцы, без дополнительной обработки – 18,2 г.
1. Ramazanov G.H. Tool wear of a road milling cutter and models of cutting efficiency. Science-intensive technologies in mechanical engineering. No. 1. 2023. pp. 42−48
2. Ramazanov G.H. The problem of wear resistanceof a road milling cutter. Construction and road machinery. No.3. 2023. pp. 24−26.
3. Kiryushkina N.A., Orlov P.V. The use of ion plasma and ion beam treatments to increase the wear resistance of road milling cutters // Fundamental and applied research of young scientists: proceedings of the International Scientific and Practical Conference of Students, Postgraduates and Young Scientists, Omsk, 08-09 February 2017 / Ministry of Education and Science of the Russian Federation; Siberian State Automobile and Road University (SibADI). Omsk: Siberian State Automobile and Road Academy (SibADI), 2017. pp. 239−244. EDN YSWHDP.
4. Kuznetsov K.Yu., Kolmykov V.I., Kuznetsova L.P. Strengthening the cutter body of a road milling machine by thermochemical treatment. // Modern materials, machinery and technologies. 2024. No. 2 (53). pp. 34−43. EDN WMWQME.
5. Vityaz P.A., Zhornik V.I., Kovaleva S.A., Kukareko V.A. Changes in the structure and properties of sintered alloys under the influence of nanosized carbon additives. // Izvestiya vuzov. Powder metallurgy and functional coatings. 2014. pp. 12−18 https://doi.org/10.17073/1997-308X-2014-4-12-18
6. Osipov S.P., Shkolny A.N., Bida K.B., Malkov A.V. Durability evaluation of rotary cutters with wear resistant inserts of arbitrary form // Bulletin of Tomsk State University of Architecture and Civil Engineering. 2014. No. 5 (46). pp. 167−174. EDN STBMMR.
7. Furmanov D.V., Shamakhov L.M., Lysakov N.E. The effect of wear of the cutting element of a road milling cutter on the strength of resistance to cutting asphalt concrete. Bulletin of the Siberian State Automobile and Road University. 2023; vol. 20(2). pp. 204–216.
8. Patent of invention No. 218066 Device for testing the wear of a road milling cutter. Application 13.12.2022. Have been granted on 05/04/2023 Author Ramazanov G.H.
9. Dyakonova O.V., Sokolova S.A., Zyablov A.N. Structural characteristics of surfaces of membrane materials of various chemical nature according to scanning probe microscopy data // Bulletin of the Voronezh State Agrarian University. 2011. No. 4 (31). pp. 55−58
