Формирование чистовой поверхности древесины резанием Сергеевичев Александр Владимирович

Содержание к диссертации

Введение

1. Состояние вопроса и задачи исследования 17

1.1 Состояние вопроса шлифования древесины 17

1.2 Основные характеристики процесса шлифования древесины 23

1.3 Силовые и мощностные характеристики процесса шлифования древесины 41

1.4 Типы, конструкция и изготовление шлифовальной шкурки 43

1.5 Конструкции абразивных инструментов для шлифования древесины 57

1.6 Порядок выбора параметров шлифовального инструмента 60

1.7 Анализ работ по исследованию геометрии зерна и динамики процесса шлифования 67

1.8 Обзор научных работ по исследованию процесса шлифования древесины 74

1.9 Выводы и задачи исследований 88

2. Исследование поверхностных свойств древесины при обработке шлифованием 89

2.1 Формирование поверхности твердых тел: граничная область материал-среда 89

2.2 Анализ особенностей смачивания поверхности жидкими лакокрасочными материалами 97

2.3 Анализ влияния свойств твердой поверхности на характеристики смачивания 102

2.4 Особенности взаимодействия лакокрасочных материалов с подложкой 106

2.5 Выводы 111

Теоретические исследования процесса

3. Формирования поверхности древесины шлифованием 112

3.1 Исследование формы режущих кромок рабочей поверхности абразивного инструмента для шлифования древесины 112

3.2 Статистическая многогранная модель абразивного зерна 122

3.3 Исследование зависимости износостойкости шлифовальных шкурок от параметров режущего инструмента 138

3.4 Определение оптимального объема межзернового пространства для повышения работоспособности шлифовальных шкурок 149

3.5 Основные положения байесовского подхода и его анализ для построения моделей процесса шлифования древесины 160

3.6 Моделирование процесса шлифования древесины на основе распределения Дирихле, обобщенной модели Уолли и модели -засорения 169

3.7 Регрессионная модель процесса шлифования древесины 176

3.8 Робастная модификация регрессионной модели процесса шлифования древесины 181

3.9 Перспективные модели процесса шлифования древесины 191

3.9.1 Модель постоянного отношения вероятностей 191

3.9.2 Модель тотализатора 191

3.9.3 Множество распределений вероятностей на основе границ Колмогорова-Смирнова 192

3.10 Выводы 195

4. Экспериментальные исследования процесса резания древесины одиночным абразивным зерном 197

4.1 Методика исследования резания древесины одиночным абразивным зерном 197

4.2 Исследование влияния номера зернистости и геометрии зерна на глубину царапания древесины в зависимости от нормальной силы резания 202

4.3 Исследование касательной силы резания и удельной работы резания одиночным абразивным зерном на маятниковом копре 203

4.4 Выводы 211

5. Экспериментальные исследование процесса резания при шлифовании древесины с позиции активных зерен 212

5.1 Методика исследования профиля шлифовальной шкурки путем снятия реплик-оттисков 212

5.2 Результаты экспериментальных исследований топографии шлифовальных шкурок 217

5.3 Методика экспериментальных исследований количества контактных абразивных зерен и среднего расстояния между ними на единицу площади шлифовальной шкурки 223

5.4 Результаты экспериментальных исследований количества контактных абразивных зерен и среднего расстояния между ними на единицу площади шлифовальной шкурки 226

5.5 Методика экспериментальных исследований режимов эластичного цилиндрового шлифования древесины с позиции активных зерен 232

5.6 Результаты экспериментальных исследований режимов эластичного цилиндрового шлифования древесины с позиции активных зерен 241

5.7 Результаты экспериментальных исследований режимов жесткого цилиндрового шлифования древесины с позиции активных зерен 252

5.8 Результаты экспериментальных исследований режимов вибрационного шлифования древесины с позиции активных зерен 257

5.9 Результаты экспериментальных исследований режимов ленточного шлифования древесины с позиции активных зерен 262

5.10 Экспериментальные исследования прочности крепления абразивного зерна в клеевом слое с различной структурой насыпки 264

5.11 Экспериментальные исследования затупления абразивных лент при обработке древесины 270

5.12 Выводы 275

6. Технико-экономическая эффективность внедрения шлифовальных лент с размещением зерен по специальной схеме 278

Общие выводы и рекомендации 280

Список использованных источников 282

Приложения 297

• Основные характеристики процесса шлифования древесины
• Исследование формы режущих кромок рабочей поверхности абразивного инструмента для шлифования древесины
• Исследование касательной силы резания и удельной работы резания одиночным абразивным зерном на маятниковом копре
• Экспериментальные исследования прочности крепления абразивного зерна в клеевом слое с различной структурой насыпки

Введение к работе

Актуальность темы исследования. В настоящее время одной из основных проблем, стоящих перед отечественной деревообрабатывающей промышленностью, является повышение рентабельности производства и конкурентоспособности продукции. В условиях рыночных отношений от производителей машиностроительной и инструментальной продукции требуется изыскивать новые резервы для повышения эффективности производства, сокращать сроки его технического и технологического перевооружения, повышать качество и долговечность изделий.

Интенсификация деревообрабатывающего производства, прежде всего, связана с модернизацией станочного парка, применением новых видов инструментов и внедрением новейших технологий механической обработки древесины. Решение этих задач позволит повысить экономическую эффективность промышленности, снизить трудоемкость продукции и обеспечить рост валового национального продукта за счет производящих отраслей. Задачей деревообрабатывающей промышленности становится производство высокотехнологичной, конкурентоспособной наукоемкой продукции.

Шероховатость поверхности изделий из древесины оказывает непосредственное влияние на многие технологические и эксплуатационные свойства деталей в целом и является важным производственным фактором, с которым связан расход материалов и технико-экономическая эффективность многих технологических операций таких, как склеивание, шлифование, покрытие лаком и т.д. Нельзя забывать и об эстетических свойствах древесины – отражающую и поглощающую способность, на которую непосредственно оказывает влияние шероховатость поверхности под действием света.

Актуальность проблемы получения необходимого качества обработанной поверхности древесины в настоящее время становится всё более значимой в связи с повышением требований к качеству продукции деревообработки и получения наибольшего экономического эффекта для предприятия.

Исключительно высокие требования, предъявляемые в настоящее время к качеству изделий из древесины, заставляют разрабатывать новые, высокопроизводительные, износостойкие шлифовальные инструменты, способные обеспечить не только снижение трудоемкости операции шлифования, но и улучшение качества шлифуемой поверхности.

Проведенные до настоящего времени теоретические и экспериментальные исследования шлифования древесины и древесных материалов лишь частично решают указанные вопросы и не могут полностью удовлетворить все требования, предъявляемые к шлифованию.

Разработка теоретических основ и методов повышения эффективности процесса шлифования с учетом получения требуемого качества изделия представляет собой актуальную проблему, имеющую большое народнохозяйственное значение.

Для решения данной проблемы необходим всесторонний глубокий анализ физико-механических, динамических и теплофизических явлений, сопро-

вождающих процесс шлифования на основе методов математического моделирования процесса резания, его входных и выходных характеристик. Это позволит сформулировать теоретические основы процесса шлифования и разработать технологические рекомендации по наиболее эффективному его использованию в деревообрабатывающей промышленности.

Цель работы – повышение эффективности процесса образования чистовой поверхности древесины шлифованием.

Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Теоретически и экспериментально обосновать оценку качества поверхности древесины в процессе шлифования.

2. Разработать математическую модель, отражающую кинетику изменения профиля формообразующего элемента за период стойкости инструмента.

3. Изучить закономерности износа вершины формообразующего элемента при микрорезании образцов древесины.

4. Определить режущую способность абразивного зерна на основании теории статистического многогранника, позволяющую сочетать такие параметры, как размер, форма и ориентация частиц.

5. Установить взаимосвязь между износостойкостью абразивного инструмента и основными параметрами процесса шлифования древесины.

Степень разработанности темы исследования. Исследованием процесса резания при шлифовании древесины и древесных материалов занимались многие российские ученые: Бершадский А.Л., Борзенкова С.С., Бугаен-ко Я.П., Ваксер Д.Б., Верезуб В.Н., Гиндин М.Н., Гончар А.А., Грубе А.Э., Жуков Е.В., Зайцева М.А., Зонов Е.Г., Ивановский Е.Г., Коробовский А.А., Кравчук В.И., Кутуков Л.Г., Назаренко И.Г., Островский В.И., Петрова Т.И., Попов Ю.И., Санев В.И., Столбов А.А., Сулинов В.И., Федосеев О.Б., Хромчак И.И., Якимов А.В., Якубовский А.В., Яцюк А.И. и др. Исследованием геометрии абразивных зерен занимались: Каменцев М.В., Кащеев В.Н., Кузнецов В.Д., Ландау Л.Л., Лурье Г.Б., Маслов Е.Н., Маталин А.А., Пекле-ник И. и др. Поверхностные свойства древесины при обработке резанием изучали: Буглай Б.М., Ветошкин Ю.И., Кириллов Д.В., Королев А.П., Любимов В.Г., Манжос Ф.М., Онегин В.И., Пижурин А.А., Рудяков Б.Н., Рыбин Б.М., Санаев В.Г., Смигла В.П., Цой Ю.И., Швамм Е.Е. и др.

Выполненные исследования позволили обосновать систему оценки процесса шлифования с позиции активных зерен, разработать математико-статистические модели, позволяющие определить оптимальную производительность шлифования древесины при заданном качестве обработанной поверхности в зависимости от параметров технологического процесса. Предложен критерий качества обработанной поверхности древесины. Данный критерий может быть достаточно просто оценен в рамках любого деревообрабатывающего предприятия на основе статистических данных. Представлена статистическая многогранная модель абразивного зерна, позволяющая

связать режущую способность абразивных частиц с их геометрической формой и расположением относительно обрабатываемой детали.

Перспективным направлением является применение абразивного инструмента с нанесением зерен на основу по обоснованной схеме, что позволяет увеличить межзерновое пространство, повысить износостойкость шлифовального инструмента и прочность закрепления абразивных зерен в клеевом слое.

Научной новизной обладают:

6. Предложенная вероятностная модель, отражающая кинетику изменения профиля формообразующего элемента за период стойкости, позволяет теоретически описать процесс износа абразивного зерна.

7. Математико-статистические модели на основе теоремы Байеса, позволяют определить оптимальную производительность шлифования древесины при заданном качестве обработанной поверхности в зависимости от параметров технологического процесса.

8. Система оценки процесса шлифования древесины с позиции активных зерен является базой для определения его производительности.

9. Режущая способность абразивных частиц описана статистической многогранной моделью абразивного зерна.

10. На основе теоремы Байеса предложена математическая модель с использованием распределения Дирихле и обобщенной модели Уолли, которая позволяет описать процесс шлифования древесины.

Теоретическая значимость

предложена теоретически обоснованная методика изготовления шлифовальной шкурки путем ориентированного нанесения абразивных зерен на основу по обоснованной схеме;

создана обобщенная модель -засорения, позволяющая подобрать оптимальную производительность процесса шлифования при заданном качестве обработанной поверхности;

разработана новая робастная регрессионная модель, основанная на использовании обобщенной модели Лассо, обработки экспериментальных данных для получения поправочных коэффициентов абразивной обработки древесины, которая позволила вывести зависимость производительности и качества процесса шлифования древесины от зернистости абразивного инструмента;

выведен и представлен универсальный критерий качества обработанной поверхности древесины. Предложенный критерий может быть достаточно просто оценен в рамках любого деревообрабатывающего предприятия на основе статистических данных. Универсальность критерия позволяет использовать его и в других задачах оптимизации технологического процесса обработки древесины в качестве объективной характеристики процесса резания;

предложена статистическая многогранная модель абразивного зерна, позволяющая связать режущую способность абразивных частиц с их геометрической формой и расположением относительно обрабатываемой детали;

- предложена математическая модель, отражающая кинетику изменения
профиля формообразующего элемента за период стойкости инструмента.

Практическая значимость

Полученные результаты могут быть использованы:

на мебельных и деревообрабатывающих предприятиях при назначении режимов процесса шлифования древесины;

производителями абразивного инструмента при изготовлении шлифовальных шкурок.

Для практики имеет значение:

методика выбора зернистости абразивного инструмента. С уменьшением номера зернистости шлифовальной шкурки среднее расстояние между контактными зернами уменьшается, причем более интенсивно у мелких номеров зернистости. Уменьшение расстояния между контактными зернами ведет к более качественному формированию поверхности древесины при равных режимах шлифования шкурками различной зернистости;

методика оценка давления прижима на шлифуемую поверхность. С увеличением давления прижима на шлифуемую поверхность древесины, среднее расстояние между контактными зернами уменьшается, что вызывает более интенсивный рост производительности процесса шлифования;

оценка поверхностной энергии древесины при образовании новых поверхностей в результате технологических процессов подготовки под отделку: необходимо стремиться к увеличению поверхностной активности подложек и уменьшению поверхностного натяжения жидких лакокрасочных материалов;

анализ экспериментальных данных различных методов шлифования цилиндрового, ленточного и вибрационного с позиции активных зерен позволяет считать, что изготовление абразивных шкурок для шлифования древесины целесообразно производить с редкой насыпкой до 50%. Шлифовальное зерно для изготовления шлифовальной шкурки необходимо применять повышенной основной фракции, что увеличивает количество активных зерен, а, следовательно, качественные и количественные показатели процесса шлифования;

повышение прочности закрепления абразивных зерен в клеевом слое. Прочность закрепления абразивных зерен в клеевом слое возрастает с понижением плотности насыпки. Это явление объясняется тем, что с уменьшением процента насыпки абразивные зерна имеют большую площадь контакта с клеевым слоем;

повышения износостойкости абразивного инструмента можно добиться путем нанесения зерен на основу с размещением их на ней по обоснованной схеме, что позволит увеличить объем межзернового пространства;

свойства подложки оказывает большое влияние на конечные свойства лакокрасочного покрытия. Рельеф поверхности играет решающую роль в расходе лакокрасочных материалов и номинальную толщину эксплуатационно-способных покрытий.

Методология и методы исследования

Исследования базировались на принципах системного подхода и использованием обоснованных методов и методик научного поиска. Применение современных методов исследований, включая метод изучения процесса шлифования древесины путем резания-царапания единичным абразивным зерном, методику снятия контактных оттисков-реплик со шлифовальной шкурки, линейные регрессионные модели, метод Лассо, робастные модели -засорения, постулат Лапласа, теорему Байеса и гребневые регрессии позволило вывести зависимость производительности и качества процесса шлифования древесины от зернистости абразивного инструмента и математически описать зависимость износостойкости шлифовальных лент от объема межзернового пространства.

Информационную базу исследований составили материалы научных исследований, научная, учебная и методическая литература, материалы периодических изданий, конференций, патентная информация, сведения из сети Интернет.

Научные положения, выносимые на защиту

11. Процесс шлифования древесины носит вероятностный характер, описан вероятностными регрессионными моделями при недостатке информации, позволяющими установить оптимальную производительность шлифования при заданном качестве обработанной поверхности в зависимости от параметров технологического процесса.

12. Создание шлифовальных шкурок с нанесением зерен в соответствии полученной моделью позволяет повысить их износостойкость.

13. Режущая способность абразивных частиц зависит не только от их геометрической формы, но и от их расположения относительно обрабатываемой детали, что описывает статистическая многогранная модель абразивного зерна.

14. Производительность процесса шлифования древесины зависит от количества активных зерен, снимающих древесину путем образования стружки, в то время как контактирующие зерна оставляют след без образования стружки и не влияют на съем древесины.

Степень достоверности

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается обоснованными упрощениями, корректными допущениями при замене реальных процессов расчетными схемами и разработке математических моделей; современными средствами научного поиска; результатами производственных испытаний технологического процесса шлифования древесины, проведенных на предприятиях отрасли, адекватными совпадениями результатов теоретических исследований с экспериментальными данными и возможностью внедрения результатов исследования в производство.

Апробация работы

Результаты исследований апробированы в производственных условиях (АО «Адмиралтейские верфи», ООО «Напольные покрытия»). Результаты исследований отмечены двумя грантами Правительства Санкт-Петербурга в

2011, 2017 гг., из них одна работа выполнена лично автором, вторая – под его руководством.

Результаты исследований используются в учебном процессе в дисциплинах: «Резание древесины», «Деревообрабатывающие станки», «Дереворежущий инструмент», «Оборудование деревообрабатывающих производств», «Тенденции развития оборудования и инструмента для обработки древесины».

Основные положения диссертации докладывались на НТК: Состояние и перспективы развития современного лесопиления (Санкт-Петербург, 2006), Современные проблемы и перспективы рационального лесопользования в условиях рынка (Сыктывкар, 2013), Современные проблемы и перспективы рационального лесопользования в условиях рынка (Санкт-Петербург, 2007), Современные проблемы лесозаготовительных производств, производства материалов и изделий из древесины (Санкт-Петербург, 2009), Леса России в ХХI веке (Санкт-Петербург (2009, 2010), Современные проблемы механической технологии древесины (Санкт-Петербург, 2010), Современные проблемы переработки древесины (Санкт-Петербург, 2011-2015), Итоги научно-исследовательских работ (Санкт-Петербург, 2010-2017); на международных конференциях: Первичная обработка древесины: лесопиление и сушка пиломатериалов. Состояние и перспективы развития (Санкт-Петербург, 2007), Леса России: политика, промышленность, наука, образование (Санкт-Петербург, 2016, 2017).

Работа выполнялась в рамках госбюджетной НИР «Совершенствование конструкции и эксплуатации деревообрабатывающих станков и инструментов».

Публикации

По результатам исследований автором опубликовано 32 печатные работы по теме диссертации, в том числе 1 монография, 18 статья в ведущих рецензируемых изданиях из перечня ВАК.

Объем и структура работы

Основные характеристики процесса шлифования древесины

Шлифование - высокоскоростной процесс. Истинная скорость шлифования, Ve складывается из скорости главного движения V, скорости подачи материала 1 и скорости дополнительного осциллирующего движения V0.

Главное движение шлифовальной ленты в станках осуществляется с помощью приводных валов со скоростью V м/с, величину которой можно рассчитать по следующей формуле.

Скорость подачи материала в станке 1 м/мин, подразделяется на кинематическую и технологическую. Подача материала в шлифовальный станок осуществляется с помощью конвейера, кинематическую скорость которого Vs м/мин можно определить по формуле где: Dв - диаметр подающих вальцов, мм; n – частота вращения подающих вальцов, мин -1 (вычисляется по кинематической схеме шлифовального станка или определяется из его технической характеристики).

Технологическая скорость подачи материала в станке определяется исходя из требуемой производительности и работоспособности шлифовального инструмента. Технологическая скорость подачи не должна выходить из диапазона регулирования кинематической скорости подачи для конкретного шлифовального станка [16].

Для улучшения условий работы шлифовального инструмента конструкция узлов резания широколенточных шлифовальных станков часто предусматривает осциллирующее движение со скоростью, V0 м/с , перпендикулярно направлению скорости резания, с амплитудой А = 5… 6 мм и частотой п0 около 250 мин"1.

В современных шлифовальных станках V » % и V » %. Поэтому за истинную скорость резания при шлифовании принимают скорость движения шлифовального инструмента Ve = V. Резание древесины и древесных материалов при шлифовании осуществляется абразивными зернами. По форме абразивные зерна могут быть изометричные, пластинчатые и мечевидные. Изометричные зерна имеют округлую симметричную форму (приблизительно равные размеры по высоте, ширине и толщине), а зерна пластинчатые и мечевидные имеют ярко выраженную несимметричную форму. Основной формой абразивных зерен является изометричная [73, 104].

На рис. 1.3 представлена схема резания абразивным зерном. Абразивное зерно имеет лезвие, как правило, с отрицательным передним углом – и углом заострения в пределах 400…1450, причем у большинства зерен этот угол превышает 900. Во время контакта со шлифуемым материалом лезвие снимает с обрабатываемой поверхности микрослой толщиной ai, мм.

Средний радиус закругления режущих кромок лезвий абразивных зерен = 3…30 мкм и зависит, соответственно, от размера зерен. Это обстоятельство, в частности, указывает на то, что уменьшения шероховатости поверхности при шлифовании мелкозернистыми шкурками достигается не только за счет уменьшения толщины срезаемых слоев, но и за счет более высокой остроты режущих кромок мелких зерен.

Число абразивных зерен одновременно взаимодействующих с обрабатываемой поверхностью зависит от размера зерен (зернистости), степени их затупления, площади контакта с обрабатываемым изделием и характеристик режима шлифования. Этими же параметрами, в основном, определяется величина шероховатости обработанной поверхности, производительность процесса и стойкость шлифовальной шкурки.

Абразивные зерна изготавливаются из абразивного материала путем его дробления и измельчения. Абразивные материалы должны обладать высокой твердостью, прочностью и должны быть достаточно хрупкими. Абразивные материалы подразделяются на природные и искусственные (синтетические). К природным относятся кварц, наждак, кремень, корунд и др. Основным недостатком природных абразивных материалов является наличие примесей, существенно снижающие их режущие свойства [14].

Для шлифования древесины и древесных материалов используются, в основном, искусственные абразивные материалы: электрокорунд и карбид кремния [99].

Абразивные материалы после дробления и измельчения сортируют, просеивая через сита разного размера ячеек и получают шлифовальный материал, который согласно ГОСТ 3647 - 80 подразделяется на:

шлифзерно с размером зерен в диапазоне от 2000 до160мкм;

шлифпорошки от 125 до 40мкм;

микрошлифпорошки от 63 до10мкм;

тонкие микрошлифпорошки от 10 до 3мкм.

Эти диапазоны подразделяются на зерна конкретных размеров (зернистость). Классификация зернистости шлифовального материала по размерам осуществляется в мировой практике по нескольким стандартам. В России, в соответствии с ГОСТ 3647 - 80 зернистость шлифзерен и шлифпоршков обозначается как 0,1 размера стороны ячейки сита в свету в микрометрах, (1 мкм = 0,001 мм), на котором задерживаются зерна основной фракции.

Например, зернистость № 40 означает, что основная фракция зерен, проходя через сито со стороной ячейки 0,50 мм, будет задерживаться на сите с размером стороны ячейки 0,40 мм. Зернистость микрошлифпорошков обозначается по верхнему пределу размера зерен основной фракции с добавлением буквы М. Микрошлифпорошок М28 включает в себя зерна размерами 28…20 мкм.

В зависимости от процентного содержания основной фракции обозначение зернистости шлифматериалов дополняется индексом: В (высокое), П (повышенное), Н (нормальное), Д (допустимое) табл. 1.1.

Европейские производители абразивного инструмента руководствуются стандартом FEPA (Federation of European Producers of Abrasives – Федерация европейских производителей абразивов).

В соответствии с этим стандартом размер зерен определяется количеством ячеек, меш (mesh), на квадратный дюйм в сите, через которое просеиваются зерна (1 дюйм = 25,4 мм). Рис. 1.4. Зернистость шлифовального материала по стандарту FEPA

Например, зернистость Р16 (для шлифовальных шкурок) согласно стандарту FEPA соответствует размеру зерна, которое должно проходить через ячейку сетки, получаемую при делении одного квадратного дюйма на равное количество частей (16 по вертикали и 16 по горизонтали), рис. 1.4.

В случае с микроградациями количество ячеек является теоретической величиной. Чем более высокую градацию зернистости имеет шлифматериал, тем более мелкие абразивные зерна используются для его производства. Зернистость абразивных зерен изготовленных по стандарту FEPA (для изготовления шлифовальных шкурок) имеет маркировку «Р».

В настоящее время отечественные производители абразивного инструмента для обозначения зернистости стали использовать стандарт FEPA. Этот факт нашел отражение в обозначении зернистости шлифматериала для гибкого абразивного инструмента в ГОСТ Р 52381 – 2005.

Примерное соотношение размеров абразивных зерен di, мкм по ГОСТ 3647 – 80 и ГОСТ Р 52381 – 2005 приведены в табл. 1.2.

Исследование формы режущих кромок рабочей поверхности абразивного инструмента для шлифования древесины

Резание древесины абразивным инструментом – шлифовальной шкуркой, носит массовый характер агрессии связанный с дисперсной структурой шлифовальных шкурок.

Отличием шлифования от других видов механической обработки древесины резанием (строгание, фрезерование, сверление и т.д.) является отсутствие у абразивных инструментов постоянных, определенных геометрических параметров режущей части шлифовальной шкурки.

Резание древесины и древесных материалов при шлифовании осуществляется абразивными зернами. По форме абразивные зерна могут быть изометричные, пластинчатые и мечевидные. Изометричные зерна имеют округлую симметричную форму (приблизительно равные размеры по высоте, ширине и толщине), а зерна пластинчатые и мечевидные имеют ярко выраженную несимметричную форму. Основной формой абразивных зерен является изометричная.

Средний радиус закругления режущих кромок лезвий абразивных зерен = 3…30 мкм и зависит, соответственно, от размера зерен. Это обстоятельство, в частности, указывает на то, что уменьшения шероховатости поверхности при шлифовании мелкозернистыми шкурками достигается не только за счет уменьшения толщины срезаемых слоев, но и за счет более высокой остроты режущих кромок мелких зерен [76].

Число абразивных зерен одновременно взаимодействующих с обрабатываемой поверхностью зависит от размера зерен (зернистости), степени их затупления, площади контакта с обрабатываемым изделием и характеристик режима шлифования. Этими же параметрами, в основном, определяется величина шероховатости обработанной поверхности, производительность процесса и стойкость шлифовальной шкурки.

Абразивные зерна изготавливаются из абразивного материала путем его дробления и измельчения. Абразивные материалы должны обладать высокой твердостью, прочностью и должны быть достаточно хрупкими. Абразивные материалы подразделяются на природные и искусственные (синтетические). К природным относятся кварц, наждак, кремень, корунд и др. Основным недостатком природных абразивных материалов является наличие примесей, существенно снижающие их режущие свойства [18].

Описание базового участка рабочей поверхности абразивного инструмента предусматривает определение геометрических размеров, числа и распределения формообразующих элементов. Форма элементов зависит от их природы и вида. Для процессов обработки лезвийным инструментом она задается в виде неслучайных параметров. Для процессов второй группы элементы не имеют регулярной геометрии, их форма может быть смоделирована случайными функциями.

Уравнения (3.1) и (3.2) описывают статический профиль режущих кромок. Для целого ряда процессов форма кромок не остается постоянной, а существенно изменяется за период стойкости инструмента. Для процессов обработки деталей лезвийным и абразивным инструментами изменение формы кромок определяется их износом (рис. 3.1, б). Для единичного абразивного зерна текущий полярный радиус i?g((p,) меньше его значения в статике на величину износа / (ф,) за время [34]:

При обработке деталей абразивными инструментами Р (ф,) всегда бывает меньше или равно единицы, так как на поверхности имеются риски от исходной шероховатости или от ранее прошедших зерен. В общем случае вероятность контакта определяется как соотношение суммы отрезков, отсекаемых в материале на данном уровне, к базовой длине L—»оо и по величине совпадает с математическим ожиданием относительной опорной длины профиля. При микрорезании поверхности с регулярным профилем в виде треугольных рисок (рис. 3.1, а), вероятность контакта точки контура зерна вычисляется из соотношения [51]:

В отличие от исходного, профиль изношенного абразивного зерна не является стационарной функцией. Его корреляционная функция зависит не только от разности значений углов ф! и ф2, но и от их абсолютных величин. При = 0 математическое ожидание и корреляционная функция радиус-вектора Rg((p,T) при вычислении по зависимостям (3.6) и (3.7) равны математическому ожиданию и корреляционной функции радиус-вектора точек исходного профиля зерна. Таким образом, предложенная математическая модель отражает кинетику изменения профиля формообразующего элемента за период стойкости инструмента.

Другим возможным вариантом моделирования элемента рабочей поверхности инструмента является описание только той его части, которая непосредственно определяет процесс формообразования. При анализе операций обработки заготовок абразивными инструментами предполагают, что вершина зерна, выступающая над уровнем связки, может иметь форму конуса, конуса с закругленной вершиной, конуса с усеченной вершиной, шара [51, 104]. Более совершенной моделью вершины зерна является модель в виде параболоида вращения, рис. 3.2.

Анализ существующих моделей режущих элементов абразивных зерен, выполненный в работе [99] показывает, что модель в виде параболы является по сравнению с другими более предпочтительной и с высокой степенью точности соответствует экспериментальным геометрическим параметрам абразивных зерен. Если обозначить расстояние от вершины зерна до рассматриваемого уровня за h, то ширина профиля вершины bg на этом уровне (рис. 3.2) определится, мкм

Радиус кривизны на участках выбросов может значительно отличаться от значения радиуса средней окружности. Аналитическое определение радиуса кривизны приводит к изучению главных кривизн к1 и к2 профиля в точках локальных максимумов, превышающих некоторый уровень. Для гауссовой однородной и изотропной случайной поверхности они вычисляются в работе [105]. На практике часто бывает значительно проще непосредственно изучить геометрические параметры вершин формообразующих элементов. По данным многих исследователей [9, 35], радиус при вершине зерна зависит от материала абразивного зерна, способа изготовления, зернистости инструмента. Использование второго подхода при моделировании элементов рабочей поверхности инструмента в ряде случаев является более предпочтительным, так как по геометрии вершин накоплено больше практических данных, чем по геометрии зерен в целом [71].

Текущий радиус округления зависит от его исходного значения, условий контакта абразивного зерна с обрабатываемым материалом, режима резания и времени работы инструмента. С увеличением времени работы инструмента закономерно увеличивается текущий радиус округления, на вершине зерна появляется радиусная площадка износа, наблюдается затупление абразивного зерна.

Экспериментальная проверка закономерностей износа вершин формообразующих элементов [51] выполнена при микрорезании образцов зернами из электрокорунда. Исходную поверхность образцов подготавливали обтачиванием с продольной подачей 0,31 мм/об остро заточенным резцом с углом при вершине 75. Величина слоя шероховатости исходной поверхности составляла 0,2 мм. Опыты проводили при частоте вращения детали 20,83 Гц, продольной подаче 0,21 мм/об., глубине микрорезания 0,16 мм. Профиль единичных зерен зарисовывали на инструментальном микроскопе при 50-ти кратном увеличении. Типичная картина изменения профиля вершин зерен электрокорунда после одного, двух, … пяти проходов представлена на рис. 3.1, б кривыми 2, 3, 4, 5 и 6 соответственно. В табл. 3.1 приведено сопоставление расчетных и экспериментальных значений радиуса округления вершины зерна по проходам.

Исследование касательной силы резания и удельной работы резания одиночным абразивным зерном на маятниковом копре

Исследование зависимости касательной силы Рк от глубины резания-царапания одиночным зерном производилось на настольном маятниковым копре [90].

Кинематическая схема маятникового копра приведена на рис. 4.4.

Общий вид маятникового копра представлен на рис. 4.5.

Зависимость касательной силы резания Pk от глубины резания исследовалась при резании-царапании одиночным абразивным зерном Э5 №40. В качестве режущего инструмента использовалось то же самое одиночное абразивное зерно, приклеенное к оправке, что и для определения глубины внедрения на профилографе. Оправка с абразивным одиночным зерном вставлялась в гнездо наконечника, далее оправка зажималась стопорным винтом. Исследования проводились на образцах древесины влажностью 9% размерами 18 18 50 мм. Резание-царапание производилось вдоль волокон. На образце, при помощи штангенциркуля с ценой деления 0,05 мм, отмерялся в центре образца участок 15 мм. Оставшиеся по краям участки образца срезались ножом на глубину 1-2 мм. Затем маятник копра вывинчивался из кольца маятника, а вместо него устанавливался другой маятник с ножом, рис. 4.6.

При помощи штангенциркуля с отсчетом 0,05 мм сначала отмерялся размер L у маятника с одиночным зерном, затем, когда заменялся маятник с зерном на маятник с ножом, нож устанавливался так, чтобы размер L был точно одинаковый у обоих маятников. Такой установкой обеспечивали одинаковый радиус резания R как у одиночного зерна, так и у ножа. Подъемом суппорта вертикальной подачи подводился исследуемый образец, зажатый в щечках суппорта. Покачивая маятник с ножом и давая вертикальную подачу, постепенно снимались тонкие стружки пока весь участок образца не получал форму волны. При этом суппорт продольной и поперечной подачи были застопорены. После того, как образец был подготовлен, маятник с ножом снимался и устанавливался маятник с абразивным зерном [25]. Далее замерялся радиус резания: для этого маятнику давали слабое качание с амплитудой 10-15 мм, а образец подводился вертикальной подачей до тех пор, пока зерно слегка не заденет образец. Затем маятник ставился на защелку в исходное положение. Стрелка трения отводилась до упора. Многократно сбрасывая маятник с защелки, проверялся угол отклонения маятника при холостом ходе . Результаты фиксировали, затем вычисляли средний угол 0.

Такая подготовка образца с радиусом кривизны равным 142 мм обеспечивала равномерную глубину внедрения резца, несмотря на его качательное движение. Переменный угол встречи с волокнами составлял не более 0,23. В тоже время, коэффициент полезного действия маятникового копра весьма высокий (до 0,995), исключая влияние вредных сил трения в подвижной системе, что важно при данных условиях эксперимента.

На одном образце производилось резание-царапание при пяти значениях глубины резания = 0,01; 0,02; 0,03; 0,04; 0,05 мм (прил. 3). Величина вертикальной подачи, то есть глубина резания-царапания, контролировалась индикатором с ценой деления 0,002 мм (Рис. 4.7).

После определения угла отклонения маятника, маятник устанавливался в исходное положение на защелку. Вертикальной подачей, по индикатору, устанавливается глубина резания 0,01 мм, маятник сбрасывается с защелки и по указанию стрелки трения на лимбе отсчитывается угол отклонения маятника при глубине резания 0,01 мм и заносится в таблицу. Затем суппортом поперечной подачи образец перемещается на 2-3 мм. Суппортом вертикальной подачи образец отводится вниз, снова выверяется нулевое положение, т.е. такое, когда зерно слегка заденет образец, устанавливается глубина резания 0,02 мм, маятник сбрасывается с защелки, записывается угол отклонения маятника при глубине резания 0,02 мм и так далее для каждого значения глубины резания от 0,01 до 0,05. После обработки одного образца, в той же последовательности исследуется следующий образец.

Расчет касательной силы резания Pk в зависимости от глубины резания производится по формуле [15]:

Окончательное значение касательной силы резания от глубины резания приведено в табл. 4.3.

На основании полученных значений Рк для каждой глубины резания строим график зависимости касательной силы от глубины резания Рк =J(), рис. 4.8.

Удельную работу резания определим по формуле:

Объем срезанной стружки определяется исходя из геометрических параметров абразивного зерна, которым производится резание-царапание образцов. Увеличив вершину абразивного зерна (рис. 4.9), можно определить сечение риски-царапины. Длина пути резания у вех образцов одинаковая – 15

При увеличении в 1000 раз видно, что реальный профиль резца не является гладким. Профиль резца шероховат, испещрен впадинами и выступами, что естественно приводит к искажению теоретического сечения.

Проведенные исследования показали, что для абразивного зерна Э5 №40 среднее значение поправочного коэффициента формы зерна при угле встречи 90-95 составляет 0,85.

Значения удельной работы резания одиночным зерном приведены в табл. 4.4 для каждой глубины резания исследуемых пород древесины.

По данным исследованиям построен график (рис. 4.10) зависимости удельной работы резания одиночным абразивным зерном Э5 №40 от глубины внедрения в древесину березы и бука.

Экспериментальные исследования прочности крепления абразивного зерна в клеевом слое с различной структурой насыпки

Вопрос повышения качества шлифовального инструмента приобретает на современном этапе развития всех отраслей деревообрабатывающей промышленности решающее значение [87].

Повышение качества шкурки позволит повысить производительность труда на операциях шлифования, качество шлифуемой поверхности и сократить ее расход.

При цилиндровом шлифовании древесины шлифовальная шкурка теряет свои режущие свойства преимущественно по следующим причинам [78]:

1. Недостаточная динамическая прочность зерен, способных выкрашиваться в процессе работы, тем самым непрерывно изменяя количество активных зерен, участвующих в резании;

2. Быстрое засаливание абразивного слоя вследствие забивания свободного пространства между зернами волокнами древесины, смолой, лаками и т.д.

Вероятно, чем реже будут расположены активные зерна на поверхности основы, тем легче будет удаляться сошлифованный материал с абразивной шкурки цилиндровых, ленточных и вибрационных станков.

В зарубежной практике имеет место изготовление и применение шлифовальных лент, как с повышенной динамической прочностью зерен, так и с редкой насыпкой [93].

В отечественной практике исследовали шлифовальные шкурки с различной степенью насыпки зерна на ленточно-шлифовальных станках [19].

Известно, что работоспособность абразивного зерна шлифовальной шкурки зависит не только от физико-механических свойств материала зерна, но и от геометрических параметров самих зерен. Шлифшкурка изготавливалась на тканевой основе из электрокорунда нормального Э5 зернистостью 40. В качестве клеящего вещества использовался синтетический клей на основе ФМ-3 и ФМ-4. Нанесение абразивного зерна производилось электростатическим методом.

Для получения различных вариантов шлифовальной шкурки по количеству зерна на условную единицу площади изменялось напряжение постоянного тока на электродах и расстояние между электродами, что приводило к изменению количества поднимающихся зерен в межэлектродном пространстве.

За плотную насыпку зерна принимались установленные производственные нормы, указанные в технологическом процессе изготовления шкурки на синтетических клеях. Эти нормы обеспечивают получение шкурки с монослоем.

Качество шлифовальной шкурки, характеризуемое ее износостойкостью и производительностью, зависит не только от сырьевых материалов (материал зерна, связка зерна, материал основы), но и от структуры абразивного слоя.

Под структурой абразивного слоя понимают плотность абразивного слоя, т.е. количество абразивного зерна на условную единицу площади.

Известно, что шлифовальные шкурки различают с редкой насыпкой и плотной насыпкой зерна. Исследователь [19] указывает, что на прочность закрепления зерна в клеевом слое влияет количество связующего, форма зерна и его ориентация относительно плоскости основы шлифовальной шкурки.

Процент осыпавшегося зерна у шлифовальных шкурок с 73% насыпкой меньше, чем у шкурок с 100% насыпкой. Это положение подтверждается полированными микрошлифами на шлифовальные шкурки различных структур.

Анализируя шлифовальные шлифы указанных структур, можно сделать вывод, что при 100% насыпке зерна имеют меньшую площадь контакта с клеевым слоем, чем у шлифовальной шкурки с 73% насыпкой.

Из представленных на рис. 5.24, 5.25 микрошлифов видно, что объем свободного пространства между зернами у шкурок с редкой насыпкой больше, чем у шкурок с плотной насыпкой. На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что увеличение свободного пространства между зернами создает благоприятные условия для стружкоемкости инструмента, что положительно скажется на производительности и чистоте поверхности обрабатываемого объекта.

Для проверки прочности крепления абразивного зерна в клеевом слое с различной структурой насыпки были проведены исследования, которые позволили определить среднюю величину силы, необходимой для вырыва зерна с поверхности тканевой шлифовальной шкурки №40 с 100, 73, 51% насыпкой зерна. Исследования проводились на установке, принципиальная схема которой представлена на рис. 5.26.

Исследования проводились по следующей методике: 1. Из шлифовальной ленты вырезаются образцы /3/ размером 20 50 мм и жестко крепятся на предметном столике /2/, который можно регулировать относительно плиты /1/.

Под микроскопом с 4-х кратным увеличением выбирается исследуемое зерно.

Регулированием положения предметного столика и направляющей /5/ относительно стойки /7/ острие иглы /4/ с радиусом округления 30 мкм устанавливается в зоне вершины абразивного зерна.

Подвижная штанга /6/ с иглой поднимается в верхнее положение и закрепляется винтом /8/.

Штанга с иглой опускается на вершину исследуемого зерна.

Чашка /9/ нагружается сыпучим грузом до момента излома или вырыва зерна из клеевого слоя.

После обработки результатов исследований строится теоретическая кривая нормального распределения в координатах Рг и n/N.

Таким образом, можно сделать вывод, что прочность крепления абразивных зерен в шлифовальных шкурках с редкой насыпкой выше, чем у шлифовальных шкурок с плотной насыпкой.