А И Некоз, Т А Колесниченко - Импульсно-плазменное упрочнение ножей мясорежущих машин - страница 1

Страницы:
1  2 

УДК 637.5.02

Некоз А.И., Колесниченко Т.А., Батраченко А.В.

ИМПУЛЬСНО-ПЛАЗМЕННОЕ УПРОЧНЕНИЕ НОЖЕЙ МЯСОРЕЖУЩИХ МАШИН

Представлены результаты экспериментальных исследований повышения износостойкости ножей волчка и куттера методом импульсно-плазменного упрочнения. Представлен обзор известных способов повышения износостойкости ножей, определено, что перспективным есть применение импульсно-плазменного упрочнения с целью повышения наработки ножей на отказ. Экспериментально установлено, что применение данного метода позволяет повысить долговечность ножей волчка до 4 раз, ножей куттера - до 2,5 раза. Определены оптимальные технологические режимы упрочнения ножей мясорежущих машин данным методом.

Ключевые слова: ножи волчка, куттера; повышение износостойкости; импульсно-плазменное упрочнение.

Постановка проблемы. Ввиду широкого использования волчков и куттеров в мясоперерабатывающем производстве, значительной стоимости и недостаточной долговечность их ножей, а также из-за их высокой металлоемкости (легированные стали) задача повышения их долговечности продолжает оставаться актуальной. Известны многочисленные исследования по выбору метода поверхностного упрочнения режущих кромок ножей волчков и куттеров, но они имеют ограничение относительно практического использования, обеспечивают недостаточное повышение долговечности и нуждаются в значительных капиталовложениях или энергозатратах. Целесообразным является поиск более эффективного метода поверхностного упрочнения режущих кромок ножей данных мясорежущих машин.

Анализ последних исследований и публикаций. Исследованию вопросов повышения долговечности ножей волчка и куттера посвящено значительное количество научных работ [1]. Наибольшее распространение при исследовании повышения долговечности мясорежущего инструмента получила химико-термическая обработка. Так, согласно [1], для повышения долговечности режущего инструмента мясорежущих машин рекомендуется метод хромирования, после обработки которым износостойкость ножей куттера повышается в 2-3 раза, а ножей волчка -до 1,5 раза. Азотирование режущих кромок ножей куттера приводит к повышению их износостойкости в 1,7 раза. Недостатком таких методов упрочнения можно считать недостаточное повышение долговечности мясорежущего инструмента.

Однофазное борирование решеток волчка позволяет повысить их наработку на отказ в 4-5 раз. Однако следует заметить, что несмотря на преимущества химико-термической обработки (простота технического оснащения), эти методы владеют существенными недостатками - большие расходы энергии и времени. Так же, как известно, борирование приводит к значительному увеличению хрупкости поверхности металла, что для решеток волчка не является существенным недостатком, тогда как для режущих кромок ножей волчка и куттера это приводит к повышенному их выкрашиванию.

Исследовалось влияние криогенного укрепления на износостойкость режущего инструмента. Было отмечено повышение долговечности до 2 раз. Однако осуществление этого метода нуждается в сложном техническом оснащении, которое владеет значительной стоимостью. Положительный эффект наблюдается не во всех случаях, что препятствует широкому промышленному использованию метода.

Другим известным методом является электроискровое легирование поверхностных слоев режущей кромки. Насыщение материала ножа легирующими элементами (W, Ti, Mo) позволяет повысить долговечность в 1,5-2 раза [1,2]. К недостаткам этого метода можно отнести недостаточную его эффективность, что вызвано отсутствием комплексного влияния (термической обработки, поверхностно пластичной деформации, легирования).

Известен [2] конструктивный метод повышения долговечности ножей волчка, что заключается в использовании эффекта избирательного переноса в паре трения нож-решетка благодаря использованию бронзовых вставок. Благодаря этому достигается повышение долговечности до 2,5 раз. Но следует отметить, что для применения такого решения необходимо производство специальных конструкций ножей, что создает ограничение в практическом использовании.

Повышение долговечности ножей куттера в 1,2-1,4 раза достигается после поверхностно-пластической деформации. Несмотря на простоту технического осуществления такого воздействия, повышение долговечности до 1,4 раза нельзя считать существенным.

Известны разработанные технологии повышения износостойкости деталей импульсно-плазменной обработкой [3,4]. Импульсное действие обеспечивается благодаря использованию взрывчатых веществ (газ) и усилению детонационных волн электромагнитным полем между симметрично расположенными электродными узлами. Также в процессе обработки происходит легирование поверхности продуктами эрозии металлического электрода (молибден, вольфрам) и газа (пропан, азот). В результате такой обработки износостойкость деталей машин повышается в 3-5 раз.

Данная технология владеет высокой эффективностью (как при импульсном лазерном упрочнении), высокой производительностью (0,5 м2/ч), значительно большим КПД нагрева (0,8 против 0,05) и меньшей на порядок стоимостью технологического оборудования в сравнении с лазерным упрочнением.

Можно сделать вывод, что известные методы повышения долговечности ножей волчка и куттера владеют недостаточной эффективностью и высокой энергоемкостью. Перспективным является применение с этой целью метода импульсно-плазменного укрепления. Однако в известной литературе отсутствуют количественные данные о повышении износостойкости ножей данных мясорежущих машин после импульсно-плазменной обработки.

Цель статьи. Целью данной работы является экспериментальное определение повышения долговечности ножей волчков и куттеров путем упрочнения их режущих кромок импульсно-плазменной обработкой.

Материалы и результаты исследования. Определение повышения износостойкости ножей волчка проводилось по следующим этапам: упрочнение ножей; испытание ножей на волчке с одновременным выполнением контрольных отпечатков; определение радиуса закругления лезвия с помощью оптического микроскопа и обработка результатов исследований.

Для экспериментальных исследований была выбрана модель волчка WS-180. Исследовалась износостойкость четырехлезвийных односторонних ножей с прямым углом заточки режущей кромки, которые изготовлены из стали 60С2 и прошли стандартную для таких ножей термическую обработку.

Импульсно-плазменное упрочнение осуществляли на установке «ИМПУЛЬС» лаборатории Института электросварки им. Е.О. Патона НАН Украины. Схема работы установки показана на рис.

1.

Детонационный плазменный генератор состоит из детонационной камеры 1, где осуществляется формирование горючей газовой смеси и инициация ее сгорания в детонационном режиме; коаксиальных электродов 2 и 3; источников питания 4. В процессе ускорения плазменного образования принимают участие газодинамическая и электромагнитная силы [3,4]. В результате детонации частично ионизированные продукты сгорания попадают из детонационной камеры в межэлектродный зазор 5 и замыкают R-L-C контур источника питания. Происходит разряд конденсаторной батареи.

Между коаксиальными электродами 2 и 3 ток протекает по некоторому ведущему объему газа 6, степень ионизации которого увеличивается. При протекании тока по плазме выделяется джоулево тепло, определенная доля которого принимает участие в процессе ускорения при расширении нагретого объема ионизированного газа, усиливая тем самым газодинамическую составляющую силы. Во время протекания в межэлектродном зазоре плазма вызывает эрозию электрода,  который  приводит  к насыщению  плазмы  легирующими  элементами  (W, Mo).

Рис. 1. Схема работы установки «ИМПУЛЬС» для импульсно-плазменной обработки

Полученная плазменная струя 7 действует на обрабатываемую поверхность 8. При взаимодействии плазменного импульса с поверхностью изделия электрическая цепь между центральным электродом и поверхностью изделия 8 замыкается. А в зоне контакта образуется область ударно сжатого плазменного слоя.

Тепловой поток в поверхность обрабатываемого изделия регулируется параметрами R-L-C контура источника питания, расстоянием Н и углубления электрода (рис.1). Углубление электрода в основном влияет на диаметр зоны обработки, исполняя тем самым роль фокусировки. Это, в свою очередь, позволяет регулировать плотность теплового потока при одинаковой энергии импульса. Максимальный тепловой поток в поверхностные слои имеет место, когда изделие является анодом, минимальный - когда изделие изолировано. При импульсно-плазменной обработке изолированного изделия происходит уменьшение теплового потока.

Импульсно-плазменная обработка позволяет совмещать комплексное циклическое (1 - 10 Гц) импульсное (1имп=0,2...0,6 мс) воздействие на поверхность твердого тела: тепловое (до 106 Вт/см2), электромагнитное (плотность тока до 10 кА/см2, напряженность магнитного поля до 4105 А/м) и пластическая деформация. Параметры плазмы при этом следующие: скорость плазменного потока до 6 км/с; температура до 20000 К.

В результате импульсной плазменной обработки происходит быстрый нагрев (время нагрева 10-3...10-4 с) поверхностного слоя металла с последующим интенсивным охлаждением его путем отвода тепла в объем металла. Высокая скорость нагрева и охлаждения (до 107 К/с) способствует фазовому наклепу, деформации поверхностного слоя и, как следствие, формированию мелкодисперсной кристаллической структуры (так, например, для углеродной стали структура представлена дисперсными иглами мартенсита величиной 160.300 нм), а также высокой плотности дислокаций ~1012 см-2). Получаемые упрочненные слои имеют характерный размер до 50 мкм. Также имеется возможность введения в плазму легирующих элементов (С, N, W, Mo, Cr, Ti, V, Al и др.) в виде парокрапельной фазы от металлического электрода (стержня), закрепленного по оси центрального электрода, который эродирует, и с помощью плазмообразующего газа, который создает условия для химического влияния на поверхность и плазмохимического синтеза.

Режимы импульсного плазменного упрочнения определяются диаметром «пятна закалки», энергией излучения, делением ее по сечению струи плазмы, длительностью импульса, количеством импульсов, теплофизическими свойствами стали и состоянием обрабатываемой поверхности.

В данном случае упрочнение ножей волчка и куттера (рис. 2) проводилось с выдерживанием следующих параметров: емкость конденсаторной батареи разрядного контура С=800 мкФ; напряжение на обложках конденсаторной батареи U=3,2 кВ; индуктивность разрядного контура L=30 мкФ; частота инициации импульсов и=2,5 Hz; материал электрода, который используется, -W. Длительность импульса взаимодействия составляла около 0,5 мс, а плотность теплового потока ~ 1,2105 Вт/см2. С целью обеспечения функционирования упрочненного слоя лезвия в течение всего срока эксплуатации ножа упрочнение проводилось с четырехкратным перекрытием по передней поверхности режущей кромки, которая в процессе эксплуатации ножа не подлежит перезатачиванию (обеспечение эффекта самозатачивания).

Использовались 3 режима обработки: №1 - 2 импульса в точку, деталь заземлена; №2 - 4 импульса в точку, деталь заземлена; №3 - 8 импульсов в точку, деталь заземлена.

На рис. 2,а показано сравнение затупления режущей кромки 1 и режущей кромки 2 соответственно обычного и упрочненного ножей волчка модели WS-180, которые работают в паре с решеткой внешним диаметром 180 мм. Видно, что режущая кромка 2 имеет намного меньшее затупление.

После упрочнения ножи устанавливались на волчок и проводилось их испытание в работе до первого перезатачивания в течение 10 часов машинного времени. Испытание ножей проводилось на производственных площадях мясоперерабатывающего предприятия ООО «Черкасская продовольственная компания» (г. Черкассы). Измельчалось мясное сырье для полукопченых колбас 1-го сорта; использовался волчок модели WS-180 с частотой вращения ножей - 5 с-1.

Определение величины изнашивания проводилось путем определения радиуса закругления режущей кромки лезвий. Радиус закругления определялся методом контрольных отпечатков [2]. С этой целью в течение времени работы ножа проводилось снятие отпечатков лезвий на свинцовых шайбах. Точка измерения радиуса закругления выбиралась на середине рабочей длины лезвия. Использовался микроскоп оптический МБС-9, увеличение х 56, цена деления шкалы - 0,014 мм.

а б

Рис.2. Ножи волчка и куттера, упрочненные импульсно-плазменной обработкой: а - сравнение затупления режущей кромки 1 обыкновенного ножа волчка и режущей кромки 2 упрочненного ножа после 10 часов наработки; б -нож куттера упрочненный

На рис. 3 представлена графическая зависимость величины изнашивания ножей от наличия и режима упрочняющей обработки.

0,06

І 0,05 оГ

1 0,04

X

Е

Q.

га

<•> о

Q-

0,03 0,02 0,01

04

1        23456789 10 Наработка, часов

- Без упрочнения

Режим 3

Режим 2

Режим 1

Рис. 3. Зависимость величины изнашивания ножей волчка в зависимости от наличия и режимов упрочняющей обработки

Повышение долговечности ножей после упрочнения определялось следующим образом. Были измерены радиусы закругления лезвий: заточенного ножа рзат, мкм; обычного ножа роб, мкм; упрочненного ножа рупр, мкм (радиус закругления - это половина ширины закругления вершины на свинцовом отпечатке). Так, после 10 часов наработки радиус закругления лезвий обычного ножа составил 56 мкм; упрочненного на режиме 1 - 37 мкм; упрочненного на режиме 2 - 28 мкм; упрочненного на режиме 3 - 24 мкм.

Величина изнашивания обычного ножа определялась как: n б = рб -рзсш. Величина изнашивания упрочненного ножа определялась по выражению: n   = рупр - рзат. Тогда повышение

долговечности укрепленных ножей по отношению к обычным рассчитывалось как: \п = No6 . По

n

упр

результатам расчета установлено, что импульсно-плазменная обработка ножей волчка привела к такому повышению их долговечности: ножей, упрочненных на режиме 1, - в 1,8 раза; ножей, упрочненных на режиме 2, - в 3,2 раза; ножей, упрочненных на режиме 3, - в 4 раза.

Исследование повышения долговечности ножей куттера проводилось следующим образом: упрочнение ножей, испытание ножей на куттере с одновременным контрольных отпечатков,определение радиуса закругления лезвия при помощи оптического микроскопа и обработка результатов исследования.

Для экспериментальных исследований была выбрана модель куттера Л5-ФКБ как наиболее распространенная на мясоперерабатывающих предприятиях Украины и стран СНГ. Среди возможных типов конструкций ножа были выбраны ножи с лезвием в виде участка окружности со смещенным центром, материал ножей - сталь 65Г (рис. 2, б).

Ножи упрочнялись с использованием таких режимов: №1 - 2 импульса в точку, деталь заземлена; №2 - 4 импульса в точку, деталь заземлена; №3 - 8 импульсов в точку, деталь заземлена.

Испытание ножей проводилось на производственных мощностях ООО «Черкасская продовольственная компания». В куттер загружалось вареное мясное сырье для ливерных колбас 1-го сорта, масса порции сырья - 150 кг, частота вращения ножей - 40 с-1, продолжительность куттерования - 7 минут.

Результаты полученных экспериментальных исследований представлены в виде графических зависимостей величины радиуса закругления лезвия от длительности работы ножей (рис. 4).

Как видно из графика на рис. 4, ножи, обработанные на режиме №1, имеют лучшую стойкость, чем ножи, которые были обработаны на режиме №2.

S

ш

т

т о

s

га о.

Без упрочнения

Режим 2

Режим 3 Режим 1

40 35 30 25 20 15 10

5

0

1       2       3       4       5      6 7 Колличество рабочих смен

Рис. 4. Зависимость величины изнашивания ножей куттера от наработки

Это можно объяснить большим энергетическим влиянием на поверхность при обработке на режиме №1. Ножи, обработанные на режиме №3, имеют долговечность, превышающую долговечность обычных ножей в 2,5 раза.

Выводы. Экспериментально исследовано влияние импульсно-плазменного упрочнения на повышение долговечности ножей мясорежущих машин: волчков и куттеров. Установлено, что при использовании режимов обработки заземленной детали 2, 4 и 8 импульсов в точку повышения долговечности ножей волчка происходит соответственно в 1,8, 3,2 и 4 раза, ножей куттера - в 1,9, 2,1 и 2,5 раза. Такое существенное повышение износостойкости ножей обусловлено комплексным упрочняющим влиянием импульсно-плазменной обработки (тепловое, электромагнитное действие и пластическая деформация).

Направлением последующих исследований может быть экспериментальное определение структурных изменений материала ножей в результате импульсно-плазменного упрочнения с целью последующей оптимизации режимов обработки.

Литература

1. Чижикова  Т.В.,   Мартынов  Г.А.   Перспективы  повышения  эксплуатационной  надежности режущих инструментов в мясной промышленности. - М.: АгроНИИТЭИММП, 1987. - 43 с.

Страницы:
1  2 


Похожие статьи

А И Некоз, Т А Колесниченко - Импульсно-плазменное упрочнение ножей мясорежущих машин