Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса 9
1.1 Использование плит МДФ в изделиях на современном этапе 9
1.2 Технические требования к плитам МДФ при облицовывании их тонкими синтетическими пленками 10
1.3 Исследования в области обработки поверхности натуральной древесины и древесных плит 13
1.3.1 Параметры, характеризующие шероховатость поверхности древесины и древесных материалов и факторы, влияющие на нее 15
1.3.2 Факторы, определяющие шероховатость фрезерованной поверхности древесноволокнистых плит средней плотности (МДФ) 22
1.4 Факторы, определяющие износ поверхности резца 25
1.4.1 Виды износа 25
1.4.2 Рекомендации по выбору фрезерного дереворежущего инструмента 27
1.5 Микроструктура древесноволокнистых плит : 28
1.6 Выводы 31
1.7 Цель и задачи исследования 32
2. Теоретические предпосылки к исследованию 34
2.1 Характеристика процесса фрезерования поверхности плит МДФ и
основные параметры процесса 34
2.1.1 Кинематика процесса фрезерования плит МДФ 36
2.1.2 Силовые параметры при фрезеровании плит МДФ 39
2.1.3 Обоснование параметров предлагаемой конструкции фрезы 41
2.2 Разработка физической модели структуры МДФ и процесса ее фрезерования 44
2.2.1 Модель структуры плит МДФ 45
2.2.2 Проверка попадания элемента модели в объем снимаемого микрослоя с поверхности МДФ 52
2.2.3 Общая система уравнений 54
2.2.4 Расчет кинематических параметров процесса фрезерования 54
2.2.5 Расчет выходных параметров процесса фрезерования 55
2.2.6 Программная реализация модели 56
2.3 Влияние параметров фрезы и технологических параметров на эффективность фрезерования 57
2.3.1 Влияние подачи на один зуб фрезы на шероховатость поверхности, мощность резания и давление под лезвием фрезы 57
2.3.2 Влияние переднего угла фрезы на шероховатость поверхности, мощность резания и давление под лезвием фрезы 61
2.3.3 Влияние заднего угла фрезы на шероховатость поверхности, мощность резания и давление под лезвием фрезы 64
2.3.4 Влияние плотности плит МДФ на шероховатость поверхности, мощность резания и давление под лезвием фрезы 66
2.3.5 Влияние радиуса закругления лезвия на шероховатость поверхности, мощность резания и давление под лезвием фрезы 68
2.3.6 Влияние скорости движения лезвия и подачи на лезвие на шероховатость поверхности, мощность резания и давление под лезвием фрезы 70
2.4 Выводы 72
3 Методика экспериментальных исследований 74
3.1 Исследование шероховатости фрезерованной поверхности плит МДФ 74
3.1.1 Параметры режущего инструмента 74
3.1.2 Размеры образцов и методика их отбора 75
3.1.3 Прибор для определения шероховатости поверхности МДФ 76
3.2 Микроскопическое исследование поверхности фрезерования плит МДФ...77
3.2.1 Метод определения наличия М-лигнина 78
3.2.2 Используемые приборы 79
3.3.1 Размеры образцов и подготовка их к исследованию 81
3.3 Планирование проведения эксперимента 81
4 Результаты экспериментальных исследований 85
4.1 Микроскопическое исследование плит МДФ 85
4.1.1 Определение наличия лигнина 85
4.1.2 Обработка результатов микроскопического исследования поверхности фрезерования плит МДФ 86
4.1.3 Обработка результатов микроскопического исследования структуры плит МДФ 88
4.2 Оптимизация процесса профильного фрезерования плит МДФ 90
4.2.1 Получение математических зависимостей шероховатости поверхности обработки от технологических режимов 90
4.2.2 Поиск рациональных режимов профильного фрезерования плит МДФ...91
4.2.3 Оценка влияния второстепенных факторов процесса фрезерования на шероховатость поверхности МДФ 96
4.2.4 Сходимость теоретических и практических результатов 103
4.3 Выводы 108
5 Внедрение предлагаемых технологических решений в производство и расчет их экономической эффективности 110
5.1 Промышленная апробация и внедрение результатов работы ПО
5.2 Экономическая эффективность предлагаемых технологических решений 111
5.3 Выводы 115
Основные выводы 116
Список использованных источников 117
Приложения 128
- Параметры, характеризующие шероховатость поверхности древесины и древесных материалов и факторы, влияющие на нее
- Проверка попадания элемента модели в объем снимаемого микрослоя с поверхности МДФ
- Влияние радиуса закругления лезвия на шероховатость поверхности, мощность резания и давление под лезвием фрезы
- Оценка влияния второстепенных факторов процесса фрезерования на шероховатость поверхности МДФ
Введение к работе
Актуальность темы. Возросший спрос на индивидуальный дизайн корпусной мебели, особенно фасадной ее части, обусловил поиск нового материала, который мог бы составить достойную конкуренцию цельной древесине и заменить при этом древесностружечные плиты (ДСтП). Таким материалом выступили древесноволокнистые плиты средней плотности – МДФ (от англ. «medium density fiberboard»). Они смогли занять свою нишу на российском рынке древесных материалов, и в настоящее время являются популярным конструкционным материалом, спрос на который постоянно растет.
В настоящее время на многих предприятиях, занимающихся производством корпусной мебели с использованием МДФ, очень остро стоит проблема качества фрезерованной поверхности плит. Так как заготовки впоследствии идут на облицовывание тонкими синтетическими декоративными пленками толщиной 0,3-0,4 мм, шероховатость поверхности является одним из основных показателей качества поверхности МДФ. При использовании стандартных фрез, шероховатость фрезерованной поверхности находится в пределах от 60 до 64 мкм. При такой шероховатости на облицованной декоративными пленками поверхности наблюдаются дефекты в виде впадин и выступов, шагрени (неровности поверхности), отслаивания пленки от основы и др. Для исключения этих дефектов требуется шероховатость 20 мкм и менее. Доведение шероховатости профильной поверхности до такой величины производится в настоящее время шлифованием вручную. Кроме того, снижение шероховатости поверхности требует частой переточки режущего инструмента в связи с быстрым его затуплением.
Поэтому повышение качества профильного фрезерования поверхности плит МДФ за счет совершенствования технологических режимов и конструкции режущего инструмента является актуальной теоретической и практической задачей.
Цель настоящей работы - повышение качества профильного фрезерования поверхности плит МДФ за счет совершенствования технологических режимов и конструкции режущего инструмента.
Для достижения поставленной цели, в работе предусматривается решение следующих задач:
1. Разработать физическую модель структуры плит МДФ и процесса их фрезерования с проведением компьютерных расчетов для определения основных параметров процесса.
2. Получить теоретические математические зависимости шероховатости поверхности фрезерования, мощности резания и давления под лезвием от угловых параметров фрезы и технологических параметров процесса.
3. Внести усовершенствования в конструкцию фрезерного режущего инструмента с целью повышения его износостойкости и улучшения качества фрезерованной поверхности плит МДФ.
4. Получить математические зависимости, адекватно отражающие процесс профильного фрезерования поверхности плит МДФ, а также определить рациональные режимы фрезерования.
Объектом исследования является процесс профильного фрезерования поверхности плит МДФ.
Методы исследования. Поставленные задачи решались посредством теоретических и экспериментальных исследований. Методика исследований соответствовала стандартной методике по различным ГОСТам. Полученные данные обрабатывались методом математической статистики и с использованием стандартных пакетов прикладных программ для современного персонального компьютера.
Научная новизна результатов:
- разработана физическая модель структуры плит МДФ и процесса их фрезерования, отличающаяся наличием в ней факторов, присущих процессу фрезерования материала волокнистой структуры с высокой плотностью;
- получены зависимости, отличающиеся возможностью теоретически установить значения угловых параметров режущего инструмента и технологических режимов работы копировально-фрезерного станка для получения требуемой шероховатости профильной поверхности плит;
- усовершенствована и запатентована конструкция фрезы (патент № 62059 от 27 марта 2007 г), отличающаяся от известных повышенной износостойкостью и позволяющая снизить шероховатость фрезерованной поверхности плит МДФ до требуемого уровня;
- получены математические зависимости шероховатости поверхности плит МДФ от технологических факторов и определены рациональные режимы фрезерования с использованием предложенной конструкции фрезы.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
- физическая модель структуры плит МДФ и процесса их фрезерования;
- теоретические зависимости, отражающие влияние параметров процесса фрезерования плит МДФ на качественные и энергетические показатели;
- конструкция фрезерного режущего инструмента;
- математические зависимости, характеризующие влияние параметров профильного фрезерования поверхности плит МДФ на шероховатость, и рациональные технологические режимы, рекомендуемые для практики.
Значимость для теории и практики.
- разработанная физическая модель структуры плит МДФ и процесса их фрезерования позволяет теоретически рассчитывать основные параметры процесса;
- полученные теоретические математические зависимости позволяют устанавливать влияние параметров процесса фрезерования плит МДФ на качественные и энергетические показатели;
- усовершенствована конструкция фрезы для профильного фрезерования плит МДФ, позволяющая значительно повысить износостойкость фрезы и снизить шероховатость фрезерованной поверхности плит;
- полученные математические зависимости, характеризующие процесс профильного фрезерования поверхности плит МДФ, позволяют оперативно производить расчет шероховатости профильной поверхности в зависимости от параметров технологических режимов фрезерования.
Полученные результаты внедрены в производство на ОАО ХК «Мебель Черноземья» и ООО «Мэйко» (г. Воронеж), а также использованы в тексте лекций по курсу «Технология изделий из древесины» для специальности «Технология деревообработки».
Апробация работы. Результаты проведенных исследований докладывались, обсуждались и были одобрены на Всероссийских научно-практических конференциях (Красноярск – 2005 г.; Воронеж – 2006 г.; Сыктывкар – 2006 г.); Всероссийских научно-практических конференциях с международным участием (Воронеж – 2005 г., 2006 г.; Вологда – 2006 г.), межвузовских научно-практических конференциях (Воронеж – 2005 г., 2009 г.). Результаты исследований отражены в научно-технических отчетах НИР кафедры механической технологии древесины Воронежской государственной лесотехнической академии за 2004-2009 гг.
Личное участие автора в получении результатов. Работа выполнена в соответствии с программой ГОУ ВПО «ВГЛТА» на 2000-2010 гг. (№ гос. регистрации 01.2.00609238). Личное участие автора заключается в определении цели и задач исследования, выполнении теоретического обоснования целесообразности практических исследований, анализе результатов диссертационного исследования, усовершенствовании конструкции фрезерного инструмента, установлении рациональных технологических режимов профильного фрезерования плит МДФ.
Публикации. Основные результаты диссертационной работы отражены в 14 печатных работах: одной монографии, 12 научных статьях, две из которых опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК, одном патенте Российской Федерации на полезную модель 62059 РФ, МПК В 27 G 13/00 «Фреза твердосплавная концевая для обработки древесноволокнистых плит средней плотности».
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и рекомендаций, списка использованных источников и приложений. Общий объем работы составляет 153 страницы, включающих 127 страницы основного текста и 26 страниц приложений, 8 таблиц, 35 рисунков. Список использованных источников включает 108 наименований, из них 6 на иностранном языке. Приложение включает акты и другие материалы по теме диссертации.
Параметры, характеризующие шероховатость поверхности древесины и древесных материалов и факторы, влияющие на нее
Основным фактором, определяющим качество поверхности древесины и древесных материалов, является шероховатость, которая характеризуется следующими видами неровностей, разделенных на три группы [7]: - макронеровность - единичное отклонение поверхности от правильной формы (выпуклость, эллипсность, конусность и др.). - волнистость — неровности в виде периодически повторяющихся возвышений и впадин, близких по форме и размерам. - микронеровность — неровность в виде мелких гребешков и впадин. Различают неровности вибрационные, образующиеся в результате вибраций заготовки и инструмента; неровности упругого восстановления, проявляющиеся при неодинаковом упругом восстановлении деформированной ранней и поздней зон годовых слоев древесины; риски, оставляемые на обработанной поверхности как следы зазубрин и неровностей режущей кромки лезвия. При резании образуются также неровности разрушения в виде вырывов, заколов, отщепов, концевых сколов, ворсистости (отдельных порванных волокон) и мшистости (группы порванных волокон). Макронеровности характеризуют точность обработки, а остальные неровности - шероховатость (гладкость) поверхности. Все эти неровности возникают вследствие как строения древесины и древесных материалов, так и процесса резания [7]. Параметры шероховатости древесины и древесных материалов регламентируются ГОСТом 7016-82 [23]. Шероховатость R. является показателем качества обработки поверхно сти, принятая по ГОСТу 7016-82. R. - это разность средних значений пяти расстояний от выступов до базовой линии в пределах базовой длины 1: hmin " расстояние от пяти наинизших точек профиля до базовой линии 0-0, проведенной параллельно средней линии и не пересекающей профиль. Древесина, являясь по своей природе материалом, обладающим различными физико-механическими свойствами по трем взаимно-перпендикулярным направлениям (продольному, торцовому, поперечному), обуславливает различные характеры стружкообразования и поэтому в значительной степени предопределяет шероховатость обработки. Шероховатость обработанной фрезерованием поверхности зависит в основном от условий резания (подачи на резец, переднего угла резания, затупления инструмента и т. п.). Рассмотрим основные факторы [81]: 1) Скорость резания. Многие исследования [2, 58, 62] показывают, что качество обработки с увеличением скорости резания повышается за счет появления добавочного подпора от силы инерции. Однако увеличение скорости резания с 40-50 м/с до 100 м/с может вызвать увеличение силы резания на 30-40% и общего потребления мощности. 2) Передний угол резания. Передняя грань резца, деформируя срезаемую стружку, в зависимости от величины переднего угла у через силы резания оказывает влияние на вид стружкообразования, и, следовательно, на шероховатость поверхности обработки [58, 76]. При различных условиях резания влияние угла у неодинаково. Так при фрезеровании в продольно-торцовом направлении с уменьшением переднего угла у до 10 происходит непрерывное улучшение качества обработки - высота неровностей разрушения снижается. При отрицательном переднем угле (у—-10) неровности разрушения совершенно исчезают, но появляется ворсистость. Возникновение ворса обусловлено тем, что при больших углах заточки р 80 может значительно увеличиваться первоначальный радиус закругления лезвия, который даже для вновь заточенного резца имеет уже значительную величину. В связи с этим в данных условиях на шероховатость поверхности оказывает дополнительное влияние притуплённый резец, работающий при сильном сжатии срезаемой стружки. При фрезеровании древесины в торец с увеличением угла / происходит уменьшение горизонтального усилия, вызывающего концевой скол при выходе инструмента из детали. Это положительно сказывается на качестве обработки. Однако при больших передних углах снижается прочность резца и его износостойкость. При фрезеровании древесины поперек волокон увеличение переднего угла у положительно сказывается на снижении шероховатости поверхности. Наблюдается также наименьший износ инструмента. Это позволяет вести процесс фрезерования при значительных передних углах (35.. .40). 3) Задний угол резания. При работе лезвие деформирует поверхность ре зания своей задней гранью. Задняя грань воспринимает нормальные и каса тельные нагрузки. С увеличением заднего угла при постоянном угле резания удельная сила резания снижается, так как при этом уменьшаются площадь кон такта задней грани с древесиной, нормальное давление на заднюю грань и силы трения. Уменьшение сил трения с ростом заднего угла благоприятно сказывает ся на гладкости обработанных поверхностей. Вырывов, ворсистости и мшисто сти на поверхности становится меньше. В работах по изучению резания натуральной древесины [17] отмечается, что оптимальным задним углом резания следует считать а =10-15. При увеличении заднего угла до 20 и выше (с небольшим углом резания S ) теряется жесткость лезвия, его тело ослабляется, режущая кромка выкрашивается, быстро затупляется, возможен даже аварийный износ лезвия.
Проверка попадания элемента модели в объем снимаемого микрослоя с поверхности МДФ
Относительно вклада химических превращений основных компонентов древесины в образовании ДВП в научной литературе однозначного мнения нет. Это связано со сложностью протекающих реакций и их зависимостью от условий исследования. Во многих источниках [68, 69, 80] отмечается, что межволоконные связи, устанавливаемые в процессе прессования древесноволокнистых плит, являются основным связующим элементом. При этом в качестве «внутреннего» пластификатора выступают компоненты гемицеллюлоз и лигнина.
При производстве плит древесная щепа прогревается в пропарочном котле до 165... 190. Лигнин является наиболее термостабильным компонентом древесины, но различные изменения в нем наблюдаются даже при температурах ниже 200 [94]. Температура размягчения лигнина зависит от способа выделения препарата, влияющего на его химическое строение, размера молекул и влажности образцов. В растительном мире лигнин среди природных полимеров по количеству занимает второе место после целлюлозы. Лигнин представляет собой сложное соединение, химическая природа которого еще полностью не выяснена. Основные структурные единицы, из которых построен лигнин, - это еще малоизученные вещества, в состав которых входят ароматические ядра. Для этого соединения характерно наличие двойных связей, которые указывают на то, что лигнин должен поглощать ультрафиолетовые лучи [83, 94].
А.А. Леонович [59] обуславливает межволоконное взаимодействие при получении древесноволокнистых плит широким спектром явлений, получающих развитие в процессе температурно-силового воздействия на ковер при трансформации его в готовую плиту. Обусловливающие взаимодействие силы складываются из сил трения между поверхностями переплетенных волокон и межмолекулярных сил (включая силы поверхностного натяжения). Стабильное взаимодействие достигается в результате химических реакций между находящимися на поверхности древесного волокна компонентами: фракциями лигнина, частично деструктированными и окисленными гемицеллюлозами, а также ВЖК (высшие жирные кислоты) экстрактивных веществ. С меньшей активностью в процесс вовлечены все основные компоненты. Межволоконное взаимодействие развивается с непременными изменениями всего объема древесных волокон на химическом и структурном уровнях.
При конденсации увеличивается молекулярная масса лигнина, снижается его реакционная способность, уменьшается растворимость. Процессы дест рукции и сшивания лигнина конкурируют между собой. Развитие конденсаций лигнина при горячем прессовании наиболее интенсивно происходят на стадии сушки. Реакции сшивания цепей с образованием углерод-углеродных связей в значительной мере фиксируют межволоконное взаимодействие, вносят вклад в образование прочных ДВП. Межмолекулярные взаимодействия и водородные связи функциональных групп лигнина с полиозами дополняют межволоконное взаимодействие.
Превращения лигнина при горячем прессовании не ограничиваются реакциями на поверхности волокон. Процесс захватывает клеточные стенки древесины. При этом целлюлоза является армирующим компонентом и ее деполимеризация и деструкция должны быть ограничены назначением параметров прессования ДВП, то лигнин и гемицеллюлозы формируют полимерную матрицу. Исключение их из композиции приводит к снижению качества плит. В лигнине наиболее активны низкомолекулярные фракции: лигнин Браунса, лигнин Браунелла, диоксанлигнин. Подвергнутый конденсации лигнин характеризуется низкой реакционной способностью. Нецеллюлозные полисахариды и продукты их термогидролитических превращений вносят свой вклад в развитие межмолекулярного взаимодействия.
Стабильное межволоконное взаимодействие достигается в результате химических реакций между находящимися на поверхности древесного волокна компонентами: фракциями лигнина, частично деструктированными и окисленными гемицеллюлозами, а также ВЖК экстрактивных веществ. Поэтому выделить наиболее значимый элемент невозможно.
Так Б.Н. Уголев [92], как и большинство исследователей, считает, что существуют химические лигноуглеводные связи. Но, очевидно, имеются различия в характере связи лигнина в срединной пластинке и вторичной оболочке клеточной стенки. Также остается открытым вопрос о том, весь ли лигнин связан с углеводами и все ли углеводы связаны с лигнином.
По современным данным микроструктура клеточных стенок включает линейно ориентированную целлюлозу и самоподобный (фрактальный) ветвистого вида лигнин. Предполагается, что взаимодействие происходит на уровне ОН-групп молекул целлюлозы и составляющих лигнина. ОН-группы присоединяют кислород, при этом образуются прочные связи.
Исследования микроструктуры МДФ проводились в Новой Зеландии и Великобритании [103]. W. Grigsby и A. Thumm предприняли попытку определения характера распределения карбамидоформальдегидной смолы на волокне древесноволокнистой плиты средней плотности с помощью рентгеновского фотоэлектронного спектроскопа и софокусного лазерного сканирующего микроскопа. Получить изображение удалось благодаря наличию углерода и азота на древесном волокне. Были получены 2-мерные изображения участков поверхности плит МДФ размером 250 х188 мкм. Исследователями отмечалось, что смола на волокне расположена в виде отдельных пятен различных размеров. Данный метод исследования был оценен как несколько ограничивающий возможности работы, но потенциально пригодный для визуального определения пространственного распределения смолы на волокне. 1. Все большим спросом на рынке пользуется корпусная мебель, фасады которой выполнены из МДФ с профилированной фрезерованной поверхностью, облицовываемые тонкими декоративными пленками. Однако качество облицовывания в значительной мере зависит от шероховатости поверхности плит, предельное значение которой составляет 20 мкм. 2. Несмотря на известные данные по снижению шероховатости поверхности при фрезеровании натуральной древесины и древесных листовых материалов, исследований в этом направлении при фрезеровании плит МДФ до настоящего времени не проводилось.
Влияние радиуса закругления лезвия на шероховатость поверхности, мощность резания и давление под лезвием фрезы
Необходимо отметить, что вращение элементов-кругов вокруг их центров в модели не учитывается, при этом практически не вносится погрешность, так как элементы образуют более крупные элементы материала (волокна). При движении таких крупных фрагментов учет их вращения происходит автоматически — движением элементов друг относительно друга.
В ходе компьютерного эксперимента элементы могут двигаться внутри прямоугольника размерами Lx х LY (рисунок 2.4). В начале эксперимента круги образуют случайную плотную упаковку. Движущийся вдоль направления ОХ нож фрезы, взаимодействуя с элементами материала МДФ, вынуждает их двигаться по определенным траекториям, при этом за ножом образуется зона нарушенной (шероховатой) поверхности (рисунок 2.4).
В ходе компьютерного эксперимента какой-либо элемент может выйти за В этом случае элемент возвращается в прямоугольник путем зеркального отражения от соответствующей стенки. Так, например, если выполнилось условие X; Lx, координате ХІ элемента присваивается значение Х[ = Lx - (XJ - Lx), а скорость элемента в направлении ОХ меняет знак: vx; = - vxj. При отражении элемента от стенки также производится незначительное гашение его энергии по адаптированным формулам (2.22). С уменьшением диаметра элементов d3 модель материала становится более адекватной. В то же время количество элементов N3, необходимое для представления заданной площади сечения S, резко возрастает по квадратичному закону с уменьшением d3:
При увеличении же количества элементов увеличивается количество уравнений, описывающих материал и, соответственно, продолжительность расчета на компьютере. Даже уменьшение диаметра круга вдвое приводит к увеличению длительности расчета в четыре раза. Поэтому, если ориентироваться на вычислительные возможности современных компьютеров, оптимальный диаметр элементов (позволяющий с достаточной точностью описать образец материала с линейными размерами порядка 1-3 мм, но одновременно не приводящий к длительным компьютерным расчетам) составляет порядка 10 мкм. Такой порядок имеет большинство включений в МДФ. При этом общее количество элементов в модели составляет 8000 и более.
Перед проведением компьютерного эксперимента производится специальная процедура подготовки плотноупакованного объема материала. Сначала необходимое количество элементов распределяется случайным образом по всему объему прямоугольника. Затем производится интегрирование уравнений движения (2.23) в течении промежутка времени 0,1 с. При этом, под действием сил, возникающих между элементами, они начинают формировать в нижней части прямоугольника слой материала. Для создания более плотной упаковки в промежуток времени от 0,1 до 0,2 с производится "встряска" материала: координатам (XJ, yi) всех элементов на каждом шаге интегрирования сообщают дополнительные случайные смещения. В процессе процедуры подготовки материала скорости элементов, первоначально возникшие в результате взаимодействия между собой, постепенно гасят, чтобы к концу процедуры элементы образовали неподвижный плотноупакованный объем материал. Впоследствии, в ходе компьютерного эксперимента, элементы приобретают скорости за счет взаимодействия с ножом фрезы.
Для того чтобы воспроизвести в модели первоначальную прочную связность элементов (волокон МДФ) друг с другом и последующий их отрыв при взаимодействии с лезвием, используется первоначальное "взаимодействие" элементов и последующее "не взаимодействие". После окончания процедуры подготовки материала МДФ устанавливается "взаимодействие" элементов, находящихся на расстояниях менее d3 + do: занесение в специальный массив информации, о том, что данная пара элементов взаимодействует. Элементы модели взаимодействуют по-разному (см. формулы 2.19 — 2.21). В процессе интегрирования уравнений движения элементов производится проверка: если расстояние между какой-либо парой элементов, находящейся во взаимодействии, становится более ёэ + 2do, отмечается, что элементы не взаимодействуют: то есть идет корректировка массива склеивания.
Для того чтобы учесть волокнистое строение материала МДФ определенная доля элементов модели сгруппирована в "волокна" (черные змеевидные комплексы на рисунке 2.4). Волокна состоят как минимум из 4...10 элементов (количество элементов в волокне задается с использованием генератора случайных чисел). Количество волокон пв01 можно варьировать в широких пределах, тем самым изменяя механические свойства материала и имитируя различную плотность МДФ. Группировка элементов в волокна производится один раз - после окончания процедуры подготовки материала и перед проведением компьютерного эксперимента.
Оценка влияния второстепенных факторов процесса фрезерования на шероховатость поверхности МДФ
Для характеристики процесса фрезерования древесноволокнистых плит средней плотности рассмотрены кинематические и силовые параметры процесса фрезерования.
Нами разработана конструкция фрезы, позволяющая значительно повысить ее износостойкость и снизить шероховатость фрезерованной поверхности плит. Угловые параметры фрезы следующие: по торцовой грани передний угол /=0, угол заострения р — 75, задний угол а— 15; по боковой грани передний угол 7=0, задний угол а = 15 и угол заострения р = 75. Профиль фрез может быть различным.
Разработана физическая модель структуры МДФ и процесса ее фрезерования. По заданным параметрам фрезы и режимам ее эксплуатации модель позволяет определить качественные и энергетические показатели процесса фрезерования.
При движении в материале МДФ фреза с нулевым передним углом образует перед собой волну сдвиговых напряжений. Вследствие этого фреза оказывает значительно большее давление на приповерхностный слой МДФ и, видимо, значительно сильнее его разогревает, чем обычные концевые деревообрабатывающие фрезы (с углом у около 40) при тех же затратах мощности фрезерного станка. Высокое давление и разогрев приводят к упрочнению приповерхностного слоя материала, что является преимуществом фрезы предлагаемой конструкции.
Сравнительный анализ лезвий с различными передними углами позволил заключить, что предлагаемая фреза не уступает по эффективности обработки МДФ серийным деревообрабатывающим фрезам. Задний угол фрезы практически не оказывает влияния на шероховатость обработанной поверхности и затраты мощности (в интервале 5 ... 40 ), поэтому он должен выбираться исходя из соображений прочности и износостойкости фрезы (может быть рекомендован угол 15). 7. Фреза предлагаемой конструкции обеспечивает качественную обработку поверхности при плотности плит не более 880 кг/м3. Лишь для МДФ с очень высокой плотностью шероховатость превышает 20 мкм и затрачивается значительная мощность на фрезерование. 8. Фреза предлагаемой конструкции обладает высокими эксплуатационными характеристиками в широком интервале изменения радиуса закругления лезвия р. Качественная обработка поверхности обеспечивается вплоть до затупленного состояния фрезы (радиус закругления более 30 мкм). Энергоемкость фрезы минимальна в интервале р = 5 ... 15 мкм, который имеет фреза значительное время при эксплуатации. Энергоемкость фрезы резко растет при значении р более 30 мкм. 9. Определены оптимальные значения основных параметров фрезерования. Для качественной обработки МДФ подача на лезвие sz должна составлять не более 70 мкм, а скорость резания v - не более 60 м/с; или скорость подачи фрезы vs должна быть не более 4 м/мин и частота вращения инструмента п - не более 19100 мин-1. При больших значениях параметров может происходить разрушение поверхности материала (отщепление крупных фрагментов размером порядка 1 ммИсследование шероховатости фрезерованной поверхности плит МДФ Мы исследовали шероховатость фрезерованной поверхности плит МДФ в зависимости от режимов фрезерования с целью обоснования рациональных режимов фрезерования для получения поверхности требуемого качества. Эксперимент состоял из двух серий опытов по обработке поверхности плит МДФ (размер 500x500 мм) твердосплавными концевыми фрезами разного профиля. В первой серии использовали затупленную и подлежащую переточке фрезу, проработавшую положенный срок (7-8 часов). Во второй серии опытов использовали фрезу сразу после ее заточки. Исследования проводили в промышленных условиях на мебельном предприятии ОАО ХК «Мебель Черноземья» (г. Воронеж) на станке «ROVER 22» с программным управлением. Инструмент соответствовал требованиям ГОСТ 8994-80 «Фрезы дереворежущие концевые с твердосплавными пластинами» [24]. Режущий инструмент — профильные твердосплавные концевые фрезы, изготовленные на предприятии по чертежам каталога фирмы «Диамант-Удача» (г. Киев). Твердосплавный инструмент оснащен режущими пластинами, изготовленными из твердого сплава марки ВК8. Корпус фрез выполнен из стали марки 45. Угловые параметры фрезы следующие: по торцовой грани передний угол /=0, угол заострения р= 75, задний угол а = 15; по боковой грани передний угол 7=0, задний угол а = 15 и угол заострения /?= 75. Определение параметра шероховатости R. проводилось согласно требованиям ГОСТа 15612-85 [20]. Отбор образцов соответствовал требованиям нормативно-технических документов на изготавливаемую продукцию. Количество образцов, получаемых из одной обработанной плиты, на которых выполнялись измерения шероховатости, было равно 13 штук. Размеры образцов составляли 500x50 мм, так как при использовании накладных приборов контролируемые детали могут быть любых размеров. При этом длинная сторона образца должна была быть перпендикулярна к направлению следов обработки. Количество участков отсчета т, равных базовой длине, на одном образце при определении параметра R. (высота неровностей профиля по десяти точкам) составляло 20. Расположение участков отсчета на контролируемой поверхности было равномерным, но не ближе 3 мм друг от друга и 20 мм от края образца. Допускалось измерение параметров на участках, расположенных последовательно друг за другом. Направление участков отсчета выбиралось таким, чтобы фиксировались наибольшие неровности. Измерения проводились нормально к поверхности (без сдвигов вдоль поверхности датчика, так как это может привести к его поломке).
