تحلیل مقایسه ای فرسایش تیغه های اصلاح شده در هنگام عملیات فرزکاری مواد کمپوزیت

  Comparative wear analysis of modified cutters during processing of milling of selected wood-based materials

تحلیل مقایسه ای فرسایش تیغه های اصلاح شده در هنگام عملیات فرزکاری مواد کمپوزیت

  Abstract: Comparative wear analysis of modified cutters during processing of milling of selected wood-based materials. This study presents comparative investigations of durability of cutters covered with different variants of antiwear coatings. The impact of hard coatings spread on faces of cutters on the wear of cutting edges during the process of milling of chipboards and MDFs was investigated. Every time, the wear of the cutting edge caused by milling chipboards and MDFs was determined in the area of the same cutter utilising the entire length of the main milling edge which guaranteed the same characteristics of the applied coating. The edge wear surface area was measured using, for this purpose, a surface analyser. It was established that milling chip boards and MDFs of similar mean density using cutters made from high-speed steel covered with antiwear coatings of different characteristics caused, for each of the examined cutting edges, at least over 50 times greater wear during chipboard milling. The character of the obtained wear curves makes it possible to assume that the applied milling method will allow initial assessment of edge durability, especially in the case of MDF and will make it possible, on this basis, to plan the timetable of investigations.

چکیده : این مطالعه، تحقیقاتی مقایسه ای از دوام تیغه هایی که با لایه های پوششی ضدفرسایشی متفاوتی پوشیده شده اند، ارائه می کند. فشار پوشش های سخت گسترده شده بر سطوح تیغه ها بر میزان فرسایش لبه های برش در طول فرایند فرزکاری نئوپان و MDF مورد مطالعه قرار گرفته است. هر بار، فرسایش تیغه ها که با فرزکاری نئوپان و MDF به وجود آمده است، در محدوده ای از تیغه های مشابه که برای فرزکاری طول مشخصی، استفاده شده اند، تعیین می شود. این کار توصیفات مشابه برای پوشش به کاررفته را ضمانت می کند. محدوده ی سطح فرسوده ی لبه برای تحلیل سطح اندازه گیری می شود. فرزکاری نئوپان ها و MDF های با چگالی متوسط مشابه از تیغه هایی استفاده می کند که از فلز high-speed  ساخته شده است که با پوشش های ضد خوردگی پوشانده می شوند که باعث ایجاد ویژگی های متفاوتی  در هر لبه ی تست برش داده شده ( حداقل فرسایشی 50 بار بیشتر در طول فرزکاری نئوپان) می شوند. منحنی ویژگی فرسایش به دست آمده، پذیرش آنکه روش فرزکاری تخمین اولیه ای از مدت دوام تیغه به دست می دهد را امکان پذیر می کند. مخصوصا درمورد MDF و همچنین بر این اساس می توان برنامه زمانبندی سرکشی ها را نیز تعیین کرد.

INTRODUCTION

At the present time, in the case of furniture industry, mainly such furniture board materials as chipboards and MDFs are used to manufacture constructions of furniture bodies. Elements exerting a decisive impact on both efficiency and quality of furniture body production include all factors from the so called WM/PO/T (woodworking machine – processed object - tool) system. The choice of the constituent elements of this system is a resultant of the production technology advancement. The factor that exerts a decisive impact on processing results is the condition and durability of the cutting edge. Many processing operations are carried out employing heads of different mounting systems of milling cutters. Cutters are most frequently manufactured from such materials of high-speed steel [1](HSS) and cemented carbide (HM). These materials are very popular and are characterised by defined possibilities regarding exploitation durability. Covering cutters with various antiwear coatings aims at increasing durability of cutter edges as well as improvement of the functional values regarding better milling results. Investigations in this field have been carried out by researchers for many years [3-5, 7].

مقدمه

در حال حاضر، در مورد صنایع مبلمان، علی الخصوص مبلمان هایی با مواد اولیه ی تخته ای، مانند نئوپان ها و MDF ها برای تولید ساختار بدنه ی مبلمان استفاده می شوند. عناصری که بر کارایی و کیفیت بدنه ی محصولات مبلمان موثر است شامل همه ی فارکتورهایی است که سیستم WM/PO/T (woodworking machine – processed object - tool) نامیده می شود. انتخاب عناصر این سیستم، نتیجه ی توسعه ی تکنولوژی تولید است. فاکتورهایی که بر نتایج فرایند تاثیر می گذارند، شرایط و دوام تیغه های برش هستند. بسیاری عملکردهای فرایند توجه کارکنان را به سیستم های مونتاژ متفاوتی از تیغه های فرزکاری معطوف می سازد. تیغه ها معمول ترین مصنوع مواد HSS[2] و [3]HM هستند. این مواد بسیار متداول هستند و تعریفات مشخصی از دوام آنها وجود دغارد. تحقیقات در این شاخه به وسیله محققان در سال های زیادی انجام شده است.

 

 

Klimczyk et al. [2] reported that among possible ways of modification of composite coatings are multilayers composed of two or more layers manufactured from various materials and added that, in recent years, the interest in production of multilayers based on chromium nitride increased markedly. In their publication, Gilewicz et al. [1] concluded that tools with CrCN/CrN multilayer coatings improved the quality of the processed wood surface in comparison with cutters without coatings, while Szymański et al. [6], in their article, maintain that covering tools with hard antiwear multilayer CrCN/CrN-type coatings improves cutting edge durability during pinewood milling.

Klimczyk et al. [2]  گزارش داده است که در میان راه های ممکن تغییر مرکب، پوشش ها، ترکیب چند لایه ای از لایه های ساخته شده از مواد مختلف هستند که به آن اضافه شده اند. در سال های اخیر ساخت چند لایه ها براساس نیترید کروم افزایش قابل ملاحظه ای داشته است.

Gilewicz et al. [1]  اظهار داشته است که ابزارهایی با لایه های پوشش CrCN/CrN کیفیت فرایند سطحی چوب را در مقایسه با تیغه های بدون پوشش ارتقا می دهند.

Szymański et al. [6], در مقاله اش مدعی بوده است که ابزارهای پوشش داده شده با پوشش های نوع CrCN/CrN به عنوان لایه های ضد فرسایش، دوام تیغه های برش را در طول فرزکاری درخت کاج افزایش می دهند.

 

An important problem associated with investigations on durability of cutting edges in laboratory conditions is their time- and material consumption. Within the framework of the presented experiments, an attempt was made to accelerate the cycle of the cutting edge wear using HSS cutters covered with selected variants of composite coatings to mill chipboards and MDFs and to obtain data regarding possibilities of utilisation of this kind of cutters for milling selected wood-based materials.

The objective of investigations was to compare durability of cutting edges of cutters for milling heads used for milling chipboards and MDFs. The experimental cutters were made from high-speed steel (HSS) with edges modified with four kinds of antiwear coatings of varying architecture.

مهم ترین مشکل در تحقیقات مربوط به دوام تیغه ها در شرایط آزمایشگاهی، زمان و ماده ی مصرفی است. در چارچوب آزمایشات ارائه شده، تلاشی برای تسریع سیکل فرسایش تیغه ی برش انجام شده است. این تیغه های برش با استفاده از تیغه های HSS پوشش داده شده با مواد پوششی مرکب گوناگون پوشانده شده اند تا نئوپان ها و MDF ها را فرزکاری کنند و امکان به دست آوردن داده هایی را در مورد کاربرد این تیغه ها برای فرز مواد چوبی انتخاب شده، به وجود آورند. موضوع تحقیق، مقایسه ی دوام لبه های برش تیغه ها برای فرزکاری نئوپان ها و MDF ها است. تیغه های آزمایش با HSS که با لبه هایی پوشانده شده از چهار نوع پوشش ضد فرسایش با معماری های گوناگون، ساخته شده اند.

RESEARCH METHODOLOGY

Investigations were performed on a bottom-spindle woodworking machine (Felder). Prior to the initiation of investigations, geometric and static accuracy of the woodworking machine was checked. During milling, the local device for chip removal was applied.

Investigations were conducted using 40x30x3 mm cutters (FABA), of 45o tool angle, manufactured from high-speed steel SW 18 onto which special antiwear coatings were applied. Cutters were mounted in a three-edge, cylinder mill head by means of clips.

A 16 mm thick MDF and a three-layer 12 mm thick chipboard were used in the performed experiments. Milling was carried out on specially prepared board panels 250 mm wide and 2 m long. Mean densities of experimental boards were as follows: MDF - ~740 kg/m3 and chipboard - ~785 kg/m3.

روش تحقیق

تحقیقات روی bottom-spindle woodworking machine (Felder) انجام شده است. پیش از تحقیقات هندسه و صحت ایستایی ماشین صنایع چوب چک شده است. در طول فرزکاری، دستگاه موضعی برای حذف تراشه ها استفاده شده است.

تحقیقات با استفاده از تیغه ی 40x30x3 mm (FABA)، زاویه ی ابزار 45 درجه، ساخته شده با HSS   SW 18 با پوشش ضد فرسایش خاصی که انتخاب شده است. تیغه ها در سه لبه نصب شده اند، cylinder mill head به وسیله ی برش ها.

MDF با ضحامت 16 میلی متر و نئوپان سه لایه با ضخامت 12 میلی متر در آزمایشات استفاده شده است. فرزکاری بر روی پانل های تخته ای خاص آماده شده به عرض 250 میلی متر و طول 2 متر اجرا می شوند. متوسط چگالی تخته های آزمایش به ترتیب زیر است: MDF - ~740 kg/m3 و نئوپان - ~785 kg/m3 .

 

The designations of the experimental cutters with four variants of antiwear coatings were as follows: C1 cutter – a Cr2N + CrN monolayer, C2 cutter – a CrN/CrN + TiAlN/TiAlN multilayer, DLC cutter – amorphous carbon and W-DLC cutter – a nanocomposite coating. The antiwear coatings were developed and spread on cutters at the Centre of Vacuous-Plasma Technology of the Institute of Mechatronics, Nanotechnology & Vacuum Technique of Koszalin University of Technology.

طراحی تیغه های آزمایش با چهار پوشش ضد فرسایش مختلف به صورت زیر انجام شده است:

C1 cutter – a Cr2N + CrN monolayer, C2 cutter – a CrN/CrN + TiAlN/TiAlN multilayer, DLC cutter – amorphous carbon and W-DLC cutter – a nanocomposite coating

پوشش ضد فرسایش توسعه یافته و بر تیغه ها بر مرکز تکنولوژی Vacuous-Plasma موسسه ی Mechatronics، Nanotechnology & Vacuum Technique of Koszalin University of Technology انتشار یافته است.

 

Narrow planes of both medium densuty and chip boards were milled with milling heights of H = 16 mm in the case of MDF and H = 12 mm of chipboard. The remaining parameters were as follow: thickness of the milled layer h = 1 mm, spindle rotational speed - n = 6000 min-1, feed speed - vf = 6.3 m · min-1 (three-rolled Felder feed device was applied), milling speed - vc = 35.8 m · s-1 and feed per cutting edge - pz = 1.05 mm.

صفحات باریک با چگالی متوسط و تخته های کاج با ارتفاع فرز H = 16 mm در MDF و  H = 12 mm در نئوپان فرزکاری می شوند. پارامترهای باقی مانده به ترتیب زیر است:

thickness of the milled layer h = 1 mm, spindle rotational speed - n = 6000 min-1, feed speed - vf = 6.3 m · min-1, milling speed - vc = 35.8 m · s-1 and feed per cutting edge - pz = 1.05 mm

Milling investigations on both the MDF and chip boards were conducted using the same cutters utilizing optimally the entire length of the upper milling edge. This research approach allowed unequivocal comparative reference to the characteristics and architecture of the applied antiwear coatings.

تحقیقات بر فرزکاری هم بر MDF و هم بر نئوپان با استفاده از تیغه های مشابه که به صورت بهینه ای  با طول کافی از لبه فرزکاری به کار رفته اند، انجام می شود. این روش تحقیق اجازه می دهد که مشخصات و معماری های پوشش های ضدفرسایشی به صورتی بدون ابهام قابل مقایسه باشند.

Cutting edge wear measurements were carried out on a modernised surface analyser ME10 (Carl Zeiss Jena) workstation. Utilisation of this profilograph made it possible to obtain high measurement density on the entire area of the cutting edge. A special measuring stylus of 25 μm rounding radius and 3 mm length of the measuring edge as well as a μDAQ-Lite measuring module were employed which were coupled with a PC and special software. Cutters were mounted in a repeatable manner in a specially designed grip. The registered wear profiles were recorded as ASCII files. The employed software allowed comparison of diagrams from different stages of investigations and calculation of areas of the cutting edges.

اندازه گیری فرسایش لبه ی برش با تحلیل گر سطحی پیشرفته ای ME10 (Carl Zeiss Jena) انجام می شود. استفاده از این تحلیل گر مشخصات دستیابی به چگالی اندازه گیری بالایی را بر تمام محدوده ی لبه ی برش، امکان پذیر می کند. روش اندازه گیری ویژه ای که با  25 میکرومتر رند کردن شعاع و 3 میلی متر طول، لبه را به خوبی μDAQ-Lite اندازه گیری می کند که این سیستم با استفاده از کامپیوتر و نرم افزارهای ویژه کامل می گردد. تیغه ها در روشی تکرار شونده با طراحی ویژه ای نصب می شوند. مشخصات فرسایش ثبت شده با فایل های ASCII ذخیره می شود. نرم افزار استفاده شده، امکان مقایسه ی دیاگرام ها را در مراحل مختلف تحقیق و محاسبه ی محدوده های لبه ی برش، به وجود می آورد.

RESULTS AND DISCUSSION

Table 1 presents types and characteristics of coatings applied onto cutting edges of cutters used in the described investigations.

نتایج و بحث

جدول 1 انواع و ویژگی های پوشش های استفاده شده بر لبه ی برش تیغه های به کار رفته در تحقیقات را نشان می دهد.

 

Figure 1 shows calotest friction track of the selected C1 and C2 coatings of applied onto cutters used in experiments.

شکل 1 دو نمونه فرسایش که با استفاده از دو پوشش C1 و C2 بر روی تیغه ها در آزمایشات را نشان می دهد.

 

The diagram (Fig. 2) presents research results of cutters cutting edge wear covered with different combinations of antiwear coatings applied in the discussed experiments depending on the milling distance in the course of milling of MDF and chip boards.

نمودار شکل 2 نتایج تحقیق فرسایش لبه ی تیغه ها را در با ترکیبات متفاوت پوششی ضد فرسایش که در آزمایشات به کار رفته است را نشان می دهد. آنها به فاصله ی فرزکاری در دوره ی فرزکاری MDF و نئوپان ها وابسته اند.

 

The presented diagram (Fig. 2) shows a distinctly greater wear of all the examined cutting edges from high-speed steel covered with different antiwear coatings in the course of milling of the experimental chipboard than of the MDF. Both the chipboard as well as the MDF were milled using the same cutting edge utilising the entire length of the main milling edge (Fig. 3). The observed wear areas of the cutting edges show that, in the case of chipboard processing, the wear of each of the examined cutting edges was distinctly greater (at least by more than 50 times) in comparison with the milling of the MDF. The performed analysis of edge durability (Fig. 2) makes it possible to conclude that the best results were obtained for the cutting edge of the W-DLC cutter with the nanocomposite coating and for the cutting edge of the DLC cutter with the amorphous coating, both in the course of MDF and chipboard milling.

در این دیاگرام (شکل 2) تفاوت فرسایشی شاخصی را در لبه های برشی که با استفاده از HSS با پوشش های ضد فرسایش متفاوت در دوره  ی فرزکاری آزمایش نئوپان نسبت به MDF را نشان می دهد. نئوپان نیز به خوبی MDF با استفاده از لبه های برش مشابه تمام طول لبه ی فرزکاری را فرزکاری کرده است. ( شکل 3) محدوده های فرسایشی قابل ملاحظه ای از لبه های برش نشان می دهد که در مورد فرایند نئوپان، فرسایش لبه های برش آزمایش به طور مشخصی (حداقل 50 برابر) بیشتر از فرزکاری MDF بوده است. تحلیل اجرا شده بر دوام لبه (شکل 2) نشان می دهد که بهترین نتایج با لبه ی برش تیغه ی W-DLC با پوشش غیر کمپوزیت و برای لبه های برش با تیغه ی DLC با پوشش بی شکل[4]  با نئوپان یا MDF به دست آمده است.

CONCLUSIONS

The milling of chipboards and MDF of similar mean densities with cutting edges of high-speed steel covered with antiwear coatings of different characteristics and architecture caused, in the case of each of the examined edges, over 50 times greater wear in the course of chipboard milling.

نتایج

به دلیل وجود معماری ها و ویژگی های متفاوت نئوپان و MDF با چگالی های متوسط مشابه و با استفاده از لبه های برش HSS که با پوشش های ضد فرسایش متفاوت پوشانده شده اند، در تمام آزمایشات، در فرزکاری MDF، فرسایش 50 بار بیشتر از فرزکاری نئوپان بوده است.

The comparison of cutting edges of the experimental cutters made of high-speed steel and modified using four different variants of antiwear coatings used in this investigation revealed that the W-DLC cutter with a nanocomposite coating was characterised by the best durability during machining of the chipboard and MDF.

مقایسه ی لبه های برش آزمایش شده با تیغه های ساخته شده با HSS و چهار نوع متفاوت پوشش های ضد فرسایش که در این تحقیق مورد آزمایش قرار گرفته اند، نشان می دهد که تیغه ی W-DLC با پوشش غیر ترکیبی بهترین دوارم را در طول فرزکاری نئوپان و MDF داشته است.

The character of the obtained individual wear curves made it possible to conclude that the applied method of milling of wood-based materials using cutting edges of high speed steel covered with antiwear coatings of different structure will accelerate, especially in the case of MDF, the initial assessment of durability of cutting edges and facilitate planning of research timetable on this basis.

با استفاده از نمودار ویژگی فرسایش به دست آمده می توان نتیجه گیری کرد که روش فرزکاری مواد چوبی که از لبه های برش با جنس HSS که با پوشش های ضد فرسایش با ساختار های متفاوت، فرسایش را علی الخصوص در مورد فرزکاری MDF تسریع کرده و امکان تخمین مدت دوام لبه های برش را برای ایجاد برنامه زمانبندی برای تعویض تیغه ها را فراهم می کند.


[1]

[2] high-speed steel

[3] cemented carbide

[4] amorphous

/ 0 نظر / 24 بازدید