Содержание к диссертации
Введение
1. Характеристики древесины, влияющие на силовые и качественные показатели процесса резания . 10
1.1 Структура древесины 10
1.2 Физико-механические свойства древесины . 14
1.3 Особенности деформирования древесины при резании 18
1.4 Классификация способов измельчения древесины в стружки и применяемого оборудования 27
1.5 Обзор и анализ конструкций машин для измельчения материалов с различными физико-механическими свойствами 34
1.6 Характеристика видов измельченных древесных частиц 51
1.7 Цель и способы измельчения стружки 52
1.8. Измельчение стружки по длине и ширине посредством удара 53
1.9 Выводы по разделу 55
2. Теоретические исследования сопротивления древесины резанию 57
2.1 Теоретические основы обработки древесины резанием 57
2.2 Аналитическое описание силового взаимодействия резца с древесиной 63
2.3 Силы на режущей кромке 63
2.4 Силы на передней грани 66
2.5 Распределение контактных нагрузок на задней поверхности резца . 72
2.6 Силы и мощность резания при фрезеровании древесины 74
2.7 Влияние формы передней поверхности резца на силовые и качественные показатели измельчения древесины 77
2.8 Математическая модель фрезерования древесины 85
2.9 Ограничения математической модели и оптимальные значения параметров 94
2.10 Выводы по разделу 102
3 Экспериментальные исследования процесса измельчения древесины фрезерованием 104
3.1 Влияние формы режущей кромки и передней поверхности ножа на силовые показатели измельчения древесины 104
3.2 Экспериментальное исследование процесса измельчения древесины фрезерным ротором, обеспечивающим демпфирование ударных нагрузок 111
3.3 Идентификация и верификация математической модели фрезерования древесины 118
3.4 Выводы по разделу 120
4. Инженерные методы расчета силы резания 122
4.1 Метод расчета силы резания при цилиндрическом фрезеровании древесины 122
4.2 Определение деформационных характеристик древесины при резании 140
4.3 Выводы по разделу 143
5. Расчет технико-экономических показателей машины 144
5.1 Определение производительности машины 144
5.2 Определение мощности привода 145
5.3 Определение экономической эффективности от внедрения разработанной конструкции фрезерного ротора . 146
5.4 Выводы по разделу 153
Основные результаты и выводы 154
Список использованных источников . 156
Приложения 168
- Классификация способов измельчения древесины в стружки и применяемого оборудования
- Влияние формы передней поверхности резца на силовые и качественные показатели измельчения древесины
- Экспериментальное исследование процесса измельчения древесины фрезерным ротором, обеспечивающим демпфирование ударных нагрузок
- Метод расчета силы резания при цилиндрическом фрезеровании древесины
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Согласно Стратегии развития лесного комплекса Российской Федерации на период до 2020 года первым приоритетным направлением является развитие мощностей по глубокой механической, химической и энергетической переработке древесины. Глубокая переработка древесины включает комплексное использование всей органической массы дерева, что позволяет сделать производство практически безотходным. Сырьем для различных отраслей деревоперерабатывающей промышленности служат низкокачественная и дровяная древесина, а также древесные отходы различных производств.
Процесс измельчения древесины считается наиболее трудоемким и энергозатратным в производствах, основанных на механической переработке древесины (например, в производстве древесно-цементных материалов). Разнообразие видов применяемого сырья характеризуется наличием образцов высокой твердости и крупности, что, во-первых, требует проведение операций разделки на части и сортировки по размерам перерабатываемого сырья непосредственно до измельчения и, во-вторых, создает в процессе измельчения высокие динамические нагрузки, действующие как на режущий инструмент, так и на весь механизм резания в целом.
Развитие производственных мощностей возможно за счет модернизации действующего оборудования и ввода новых высокопроизводительных устройств. Существующие конструкции измельчителей древесины фрезерного типа можно оптимизировать с учетом технологических особенностей перерабатываемого сырья за счет применения рациональной конструкции режущего инструмента, одним из вариантов которого является конструкция фрезерного ротора, отличающаяся повышенной способностью демпфировать ударные нагрузки за счет применения демпфирующих элементов в конструкции его корпуса, что в результате позволяет снизить энергоемкость рабочего процесса.
С учетом изложенного, возникает необходимость создания и внедрения в производства, включающие измельчение древесины, эффективных технических решений производственных задач, обеспечивающих высокий технический уровень и экономическую эффективность разрабатываемых на их основе машин, агрегатов и технологий. Этим подтверждается актуальность темы и научного направления диссертации.
Степень разработанности темы. В качестве теоретической основы для проведения исследования использованы результаты работ следующих исследователей: П.А. Афанасьева, П.С. Афанасьева, А.Л. Бершадского, С.А. Воскресенского, П.В. Денфера, М.А. Дешевого, Е.Г. Ивановского, П. Коха, И.А. Тиме. Изучением вопросов деформирования древесины при резании (воздействии микроиндентора) занимались А.Л. Бершадский, Л.Е. Загорулько, Г.А. Зотов, Е.Г. Ивановский, В.И. Микулинский, В. Г. Санаев, А.А. Хатилович. Метод расчёта сил и мощности резания древесины по аналитическим формулам
обоснован трудами С.А. Воскресенского, М.А. Дешевого, Г.А. Зотова и А.А. Хатиловича.
В практике инженерных расчетов сил и мощности резания древесины метод расчета по аналитическим формулам не имеет широкого применения из-за отсутствия надежных и полных данных о характеристиках обрабатываемых материалов и об условиях их взаимодействия с резцом в процессе резания. Данное обстоятельство не позволяет в необходимой мере контролировать износ и затупление режущих поверхностей резца, а также ограничивать остаточные деформации древесины пределами стружки, что в итоге сдерживает создание рациональной конструкции дереворежущего инструмента.
Объект исследования – конструкция фрезерного ротора и рабочий процесс измельчения древесины фрезерным ротором с повышенной демпфирующей способностью.
Предмет исследования – конструктивные и технологические параметры фрезерного ротора и закономерности изменения силы резания при измельчении древесины фрезерным ротором с повышенной демпфирующей способностью.
Цель исследования – повышение эффективности рабочего процесса измельчения древесины фрезерованием путем снижения ударных нагрузок на режущий инструмент за счет совершенствования конструкции фрезерного ротора.
Задачи исследования:
-
обосновать рабочий процесс взаимодействия конструктивных элементов технологического оборудования для измельчения методом фрезерования с измельчаемым древесным сырьем;
-
разработать математическую модель процесса фрезерования древесины, учитывающую одновременно физико-механические свойства древесины, проявляемые при резании, а также влияние скорости резания на силовые показатели резания;
-
разработать конструкцию фрезерного ротора, обеспечивающую снижение ударных нагрузок на режущий инструмент при измельчении древесины;
-
в лабораторных условиях исследовать конструктивно-технологические параметры фрезерного ротора, влияющие на характеристики рабочего процесса измельчения древесины;
-
разработать метод расчета силы резания при фрезеровании древесины, позволяющий производить расчет с учетом сложного напряженно-деформированного состояния обрабатываемого материала и изменения его физико-механических свойств в зоне взаимодействия с режущей кромкой резца;
6) определить экономическую эффективность от применения
измельчителя древесины фрезерного типа с новой конструкцией фрезерного
ротора.
Методы исследования, достоверность и обоснованность результатов. Теоретические исследования базировались на применении фундаментальных положений теоретической механики, сопротивления материалов, теории
резания древесины, механики контактного взаимодействия.
Экспериментальные исследования основывались на общих положениях теории эксперимента, а также методах статистической обработки результатов с применением ЭВМ. Степень достоверности результатов, полученных в настоящем исследовании, подтверждена использованием современных апробированных методов исследования процесса измельчения древесины, апробированных вычислительных методов и программных комплексов, репрезентативными выборками экспериментальных данных и достаточно высокой сходимостью результатов экспериментальных и теоретических исследований.
Теоретическая значимость работы:
1) теоретические закономерности силы резания древесины от различных
условий резания (длины и ширины режущей кромки, подачи на нож, угла
резания, скорости резания, напряженно-деформированного состояния
материала в зоне резания) при фрезеровании в осевом, радиальном и
тангенциальном направлениях;
2) численные значения деформационных характеристик древесины и
напряжений, образующихся в зоне контакта с режущей кромкой, а также
данные по условиям взаимодействия режущей кромки с обрабатываемым
материалом в процессе срезания стружки при фрезеровании древесины;
3) результаты экспериментов процесса фрезерования древесины
инструментом с различной формой режущей кромки и передней поверхности;
4) результаты экспериментов процесса фрезерования древесины в
условиях статического и динамического режимов для трех основных случаев
резания при работе фрезерными роторами стандартной и новой конструкции.
Для практики имеют значение:
-
экспериментальные значения силы резания и ее производных при работе фрезерным ротором новой конструкции;
-
аналитические формулы, применимые для практики инженерных расчетов сил и мощности резания при фрезеровании древесины;
-
разработанная и введенная в эксплуатацию конструкция фрезерного ротора, обеспечивающая снижение ударных нагрузок, действующих на лезвие и механизм резания при измельчении древесины, за счет составного корпуса и примененных демпфирующих элементов в конструкции этого корпуса, приоритет и полезность которой подтверждены патентом на изобретение РФ № 2616404;
-
разработанная конструкция устройства для измельчения древесины, позволяющая проводить избирательное контролируемое разрушение перерабатываемого материала путем его ориентирования за счет наличия индивидуального привода каждого фрезерного ротора и обеспечения вращения фрезерных роторов с различной угловой скоростью, подтвержденная патентом на изобретение РФ № 2578497;
-
практические рекомендации по эксплуатации измельчителя древесины с фрезерным ротором, отличающимся повышенной способностью
демпфировать ударные нагрузки с целью снижения энергозатрат на измельчение древесины.
Положения, обладающие научной новизной, выносимые на защиту:
1) теоретическое и экспериментальное обоснование целесообразности:
применения реологических характеристик древесины для решения задачи
аналитического описания силового взаимодействия резца с древесиной в
процессе фрезерования, отличающихся значением величины и способом
получения; использования конструкции фрезерного ротора, отличающейся
повышенной способностью демпфировать ударные нагрузки за счет
специального составного корпуса и демпфирующих элементов в конструкции
этого корпуса;
2) математическая модель процесса фрезерования древесины,
отличающаяся тем, что в ней учитываются одновременно физико-механические
свойства древесины, проявляемые при резании, а также влияние скорости
резания на силовые показатели рабочего процесса;
-
инженерный метод расчета силы резания при цилиндрическом фрезеровании древесины, отличающийся тем, что в нем учтены специфика деформирования и разрушения древесины лезвием, физико-механические свойства древесины, проявляемые при резании, сложное напряжённо-деформированное состояние древесины, образующееся в зоне контакта с лезвием резца, и используется новая методика расчета по аналитическим формулам, включая полученную математическую модель;
-
полученные значения физико-механических свойств древесины, проявляемые при ее резании, и закономерности влияния технических параметров механизма резания измельчителя древесины фрезерного типа на реологические свойства перерабатываемого материала, которые в свою очередь влияют на сопротивление резанию, отличающиеся тем, что их применимость и обоснованность подтверждаются в расчетах высокой сходимостью с экспериментальными данными.
-
разработанная конструкция фрезерного ротора для измельчения древесины, отличающаяся повышенной способностью демпфировать ударные нагрузки за счет специального составного корпуса и демпфирующих элементов в конструкции этого корпуса.
Реализация результатов исследования. Результаты экспериментальных исследований внедрены в производство строительной компании ООО «Яр-Мак-строй» (с. Черный Отрог Оренбургской области), основные результаты работы использованы в учебном процессе ОГУ.
Апробация результатов. Основные положения и результаты работы одобрены во всероссийских научно-методических конференциях (в том числе с международным участием) «Университетский комплекс как региональный центр образования, науки и культуры» (Оренбург, 2014…2017 гг.), международной научной конференции «Технические и естественные науки» (Санкт-Петербург, 2017 г.) и международной научно-практической конференции «Вопросы технических наук в свете современных исследований» (Новосибирск, 2017 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, в том числе 3 статьи в рецензируемых научных журналах из «Перечня…» ВАК и 2 патента РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения с общими выводами и рекомендациями, списка использованных источников из 124 наименований, 4 приложений. Общий объем работы составляет 181 страницу, включая 42 рисунка, 12 таблиц.
Автор выражает особую благодарность канд. техн. наук, доценту Ханину Виктору Петровичу за оказанную помощь и ценнейшие замечания при проведении исследования.
Классификация способов измельчения древесины в стружки и применяемого оборудования
В настоящее время в производствах, основанных на механической переработке древесины, существуют следующие наиболее распространенные способы получения измельченных древесных частиц: дробление, резание и размол. Измельчение древесных частиц дроблением называют также ударным способом измельчения [20]. Измельчение древесины ударным способом осуществляется в молотковых дробилках (дезинтеграторах) при помощи шарнирно подвешенных или жестко закрепленных молотков (бил) [20].
Ударным способом измельчаются небольшие по размеру куски древесины (дробленка или щепа). В случае измельчения больших кусков древесины последние предварительно измельчаются в ножевых дробилках или рубильных машинах. Поэтому измельчение древесины указанным способом осуществляется в два приема по схеме: первичное измельчение - рубка и вторичное измельчение - дробление. При таком способе измельчения древесины получаются неоднородные по размеру грубые частицы, имеющие вид мелкой дробленки, размеры которых не поддаются регулированию в нужных пределах [20].
С развитием и совершенствованием производства древесностружечных плит вместо ударного способа измельчения получил применение более эффективный способ измельчения древесины резанием. В современном производстве древесностружечных плит дробилки и мельницы применяют только для дополнительного измельчения получаемых на стружечных станках стружек по ширине до требуемых размеров [20].
Способ измельчения древесины резанием, в отличие от ударного способа измельчения, обеспечивает получение стружек заданного размера по толщине и длине, а в общем обеспечивает по толщине, длине и ширине. В качестве оборудования для измельчения древесины резанием применяют специальные стружечные станки, которые отличаются по конструкции режущего механизма, питателя, назначению и виду перерабатываемого сырья [20].
По конструкции механизма резания, состоящего из режущего инструмента и ножедержателя, стружечные станки разделяются на дисковые, с ножевым валом (барабанные), фрезерные, чашеобразные и роторные (центробежные) [20].
По виду перерабатываемого сырья различают стружечные станки, предназначенные для переработки мерных чураков (заготовок), длинномерного сырья (без предварительной разделки по размеру) и мелких кусков в виде щепы или дробленки [20].
В дисковых стружечных станках срезание стружек по толщине производится при помощи плоских ножей, расположенных радиально на торцовой поверхности диска, вращающегося на горизонтальном или вертикальном валу. Стружечные ножи имеют прямую режущую кромку. Срезанные стружки проходят через подножевую щель на противоположную сторону диска [20].
В стружечных станках с ножевым валом стружки по толщине срезаются ножами, установленными в продольных пазах цилиндра параллельно или под углом к оси цилиндра, вращающегося на горизонтальном валу. Режущие кромки ножей, как правило, выполняются в виде гребёнки. После срезания стружки помещаются в подножевом пазу и отбрасываются инерционной силой по выходу из зоны резания [20].
На фрезерных стружечных станках ножи расположены на периферийной поверхности ножевой головки (фрезы) параллельно её оси, вращающейся на горизонтальном валу. Срезанные стружки помещаются в подножевых пазах и удаляются из них после прохождения толщины измельчаемого пакета дре-весины[20].
В стружечных станках чашеобразного типа стружки срезаются ножами, расположенными во внутренней поверхности ножевой головки чашеобразной формы под некоторым углом к оси вращения. Срезанные стружки проходят через подножевую щель в чаше ножевой головки [20].
В роторных стружечных станках ножи расположены внутри чаши ножевого ротора, вращающегося на горизонтальном валу параллельно его оси. Стружки после срезания проходят через подножевую щель чаши ротора [20].
Подача измельчаемой древесины на режущие ножи обеспечивается специальным питающим устройством. Питатели стружечных станков представляют собой механизм для принудительной подачи непрерывного или периодического действия. Подающий механизм стружечных станков должен обеспечить равномерную подачу древесины на нож на заданную величину и удержание ее в процессе резания в определенном положении. Для получения качественных стружек с заданными размерами измельчаемая древесина по отношению к режущим ножам должна быть ориентирована так, чтобы резание происходило поперёк волокон. Для этого древесину питатель должен подавать волокнами параллельно плоскости резания [20].
Выбор конструкции питателей определяется в основном видом перерабатываемого сырья. Питатель стружечных станков, предназначенных для переработки мерных чураков, выполняется в виде вертикально, горизонтально или наклонно установленной шахты, состоящей из нескольких рядов цепей или гусеничных транспортеров, расположенных в двух противоположных стенках шахты, между которыми зажимаются подаваемые на измельчение чураки. Сырьё питателем подается непрерывно или периодически при применении толкающего устройства [20].
Питатель стружечных станков, предназначенных для переработки длинномерного сырья, представляет собой горизонтальный желоб (лоток), боковыми стенками и дном которого служат колосники или роликовые транспортёры. Подача сырья в таких питателях осуществляется периодически, а удержание сырья в процессе резания обеспечивается пневмо- или гидроцилиндрами, расположенными в непосредственной близости к ножевой головке [20].
В стружечных станках, предназначенных для переработки мелких кусков (щепы и дробленки), питателем служит наклонная воронка, через которую измельчаемый материал непрерывно в дозированном количестве самотёком поступает в ножевой ротор. К режущим ножам измельчаемый материал подается при помощи вращающейся крыльчатки [20].
Схема взаимодействия измельчаемой древесины с режущим механизмом в различных конструкциях стружечных станков показана на рисунке 1.4.
В стружечных станках чашеобразного и фрезерного типов ножевая головка (чаша или фреза) при вращении надвигается на древесину с определенной скоростью, срезая отрезок древесины, равный длине ножа. Древесина на ножевую головку подается периодически (циклично) по мере срезания заданного отрезка (рисунок 1.4, а, б) [20].
На центробежных стружечных станках дисковых и с ножевым валом на ножевую головку с определенной скоростью подается измельчаемая древесина (заготовки), а ножевая головка имеет только вращательное движение вокруг своей оси (рисунок 1.4, в, г) [20].
На центробежном стружечном станке роторного типа перерабатываемая древесина (щепа) подаётся на нож при помощи лопастей крыльчатки, вращающейся в направлении, противоположном вращению ножевой головки (рисунок 1.4, д) [20].
Необходимая толщина стружек на стружечных станках достигается регулированием одновременно величины выпуска ножей над поверхностью режущей головки и скорости подачи древесины, за исключением стружечного станка роторного типа, на котором требуемая толщина стружек обеспечивается только регулированием величины выпуска ножей [20].
Изготовление стружек заданной длины обеспечивается применением подрезных ножей, устанавливаемых перед стружечными ножами на поверхности ножевого диска чашечной головки одноименных станков, или применением стружечных ножей с гребенчатой или зубчатой режущей кромкой на стружечных станках фрезерных и с ножевым валом. В первом случае необходимая длина стружек определяется расстоянием между подрезными ножами, а в последнем -длиной гребенки стружечных ножей [20].
Влияние формы передней поверхности резца на силовые и качественные показатели измельчения древесины
Рассмотрим подробно сущность влияния переднего угла на ход процесса стружкообразования [49]. На рисунке 2.8 показано действие передней грани резца на стружку с силой S .
При больших передних углах нормальная составляющая Ng силы Sg вызывает в точке O плоскости стружкообразования OK напряжения растяжения и сдвига (рисунок 2.9).
Проекция Sg (рисунок 2.8) на нормаль к скорости резания RC направлена вверх. Процесс стружкообразования при указанной схеме действия сил происходит в результате сдвига волокон древесины в сечении OK или отрыва от массива древесины с одновременным образованием трещины в результате изгиба. При малых толщинах стружки, остро заточенном резце и влажной, пропаренной древесине, обладающей высокими пластическими свойствами, образование стружки происходит преимущественно за счет сдвига в сечении OK . Качество стружки и поверхности резания получается высоким. С увеличением, толщины стружки момент сопротивления сечения OK растет, длина контакта стружки с резцом увеличивается, точка приложения силы перемещается вправо, что приводит к возрастанию напряжений растяжения в точке O, которые способствуют образованию трещин, распространяющихся в глубь стружки. В некоторых случаях происходит отрыв стружки по линии Ob со значительными вырывами волокон из поверхности обработки. Качество стружки при этом получается низким, одна из поверхностей стружки - с наличием трещин и вырывов, другая - с вырывами [49].
С уменьшением переднего угла результирующая сила Sg разворачивается против хода часовой стрелки [15] и при некотором значении у сила затягивания переходит в силу отжима. В этом случае проекция силы Sg на нормаль к скорости резания Rc направлена вниз. Касательная сила Тg по передней грани увеличивается, сжимая древесину перед режущей кромкой, и тем самым предотвращает образование трещины. Стружка образуется за счет сдвигов волокон древесины в плоскости ОК, в точке О напряжения растяжения уменьшаются (рисунок 2.9, в).
Однако из практики известно [49], что применение малой величины переднего угла не всегда приводит только к положительному результату, так как впереди резца создаются большие напряжения сжатия, которые служат причиной вырывов волокон из поверхности резания и образования трещин, уходящих в глубь обрабатываемого материала. В процессе поперечного резания древесины с малыми передними углами резко снижается роль режущей кромки ножа в формировании обрабатываемой поверхности и стружки, поскольку стружкообразование происходит за счет действия передней поверхности резца. Таким образом, для получения качественной стружки при поперечном резании древесины необходимо обеспечить выполнение противоречивых требований: для получения стружки без трещин передний угол должен быть в пределах 30 - 40, а для снижения силы резания и получения стружки с наименьшей шероховатостью поверхности передний угол должен увеличиваться до 70 - в этом случае в формировании поверхностей резания и стружки активную роль играет режущая кромка. Противоречивые требования можно удовлетворить, если применить резец с профилем по передней поверхности, что обеспечивает в процессе резания плавное уменьшение переднего угла по длине контакта стружки с резцом (рисунок 2.10). Очевидно, что форма профиля не может задаваться произвольно. При его выборе необходимо исходить из следующих соображений: в точке лезвия его значение ограничивается минимально возможным углом заточки резца (Р = 18… 20), при котором обеспечивается необходимая прочность, а уменьшение переднего угла должно происходить по длине контакта стружки с передней поверхностью резца и достигать значений 30 - 40. Длину контакта стружки с резцом в мм можно определить по следующей формуле [49]:
Наибольшее изменение кривизны профиля по длине контакта стружки с резцом можно определить по эллиптическому закону [49].
В работе [49] проводилось экспериментальное определение влияния формы переднего угла и толщины срезаемой стружки на процесс стружкообразования и качество получаемой стружки при следующих условиях: резание элементарное; скорость резания о = 0,25 мм/с; ширина стружки Ъ = 10 мм, угол в плане р = 0, радиус закругления режущей кромки /7= 6 - 8 мкм; передний угол у изменялся от 25 до 65; толщина стружки h от 0,2 до 1 мм; резцы без кривизны и с кривизной профиля по передней поверхности рП 1 = 43…68 на длине 2 мм, рП 2 = 28… 68 на длине 3 мм и рП 3 = 29… 76 на длине 2 мм; материал - древесина березы, осины и сосны влажностью W = 60 - 80 %. Измеряли касательную Р и нормальную R составляющие силы резания, шероховатость поверхности стружки, определяли наличие в стружке трещин и момент перехода установившегося процесса стружкообразования в неустановившейся.
Анализ полученных данных (рисунок 2.11) показал, что при толщине стружки 0,5 мм шероховатость поверхности стружки уменьшается с ростом величины переднего угла. При одинаковых условиях резания наименьшую шероховатость имеет березовая стружка, наибольшую - осиновая, что объясняется особенностями структуры древесины. Уменьшение переднего угла до 25 приводит к росту шероховатости поверхности стружки в 1,5 - 2 раза, так как передняя поверхность резца не перерезает волокна древесины, а отрывает их от поверхности резания. Наиболее интенсивный рост шероховатости поверхности стружки происходит при значении переднего угла у 40… 50 [49].
Анализ зависимостей касательной Р и нормальной R составляющих силы резания (рисунок 2.12) показал, что их величина также уменьшается с ростом переднего угла, причем с увеличением переднего угла сила отжима переходит в силу затягивания. Наличие силы затягивания указывает на действие под поверхностью резания растягивающих напряжений, что приводит к образованию стружки путем ее отрыва от основной массы древесины с образованием опережающей трещины и увеличению шероховатости поверхности стружки [49].
Экспериментальное исследование процесса измельчения древесины фрезерным ротором, обеспечивающим демпфирование ударных нагрузок
Известно, что высокоскоростная обработка материалов приводит к ударным нагрузкам различной величины [62].
При скорости деформации 10-1 - 100 с-1 начинается ударная нагрузка, а выше 102 с-1 происходит распространение упругопластической волны деформации. При этом процесс деформации постепенно приближается к адиабатическому процессу, за счет того, что нагрев образца, происходящий при его деформировании, перестает компенсироваться передачей тепла другим телам или окружающей среде. При скорости деформации превышающей 104 с-1 создаются условия для образования ударных волн, при этом плоское напряженное состояние, образующееся при низких скоростях деформации, переходит в плоское деформированное состояние [62].
В таблице 3.1 представлены значения различных скоростей деформации в зависимости от времени деформирования.
При фрезеровании материалов происходит прерывистое резание [63]. Прерывистое резание представляет собой процесс, при котором через определенные промежутки времени, составляющих секунды или доли секунды, рабочий ход инструмента (срезание стружки) чередуется с холостым. Циклические нагрузки и разгрузки контактных поверхностей при прерывистом резании влияют на стойкость режущего инструмента [63].
Причем цикличность механических нагрузок является основной причиной снижения стойкости режущего инструмента вследствие ударных явлений, происходящих в начальный момент взаимодействия с заготовкой и являющихся основным источником возбуждения колебаний (вибраций) [64,65]. Указанное обстоятельство существенно определяет работоспособность режущего инструмента и в особенности изготовленного из твердых сплавов и минералокерамики [64].
Снижение ударных нагрузок и вибраций путем снижения скорости резания приводит к существенным потерям производительности и делает применение режущего инструмента из твердых сплавов нецелесообразным [64].
Более эффективные способы снижения ударных нагрузок и вибраций основаны на поглощении энергии колебаний за счет применения высокодемпфирующих материалов и конструкций, обеспечивающих демпфирование ударных нагрузок [64].
Применение упругих демпфирующих элементов в конструкции режущего инструмента позволяет путем уменьшения сил резания снизить ударное воздействие при врезании зуба, и тем самым уменьшить амплитуду автоколебаний, за счет того, что упругий демпфирующий элемент, обладая малой жесткостью, способен поглощать энергию удара [66-73].
Энергия волн деформации при ударном нагружении режущего инструмента может интенсивно поглощаться диссипативными границами, например, конструктивно обеспечив условия трения на поверхностях контакта элементов конструкции режущего инструмента можно достичь эффективного демпфирования ударных нагрузок [74,75].
Но в большинстве случаев поверхности контакта в соединениях конструкций режущего инструмента неподвижны и их демпфирующее действие незначительно [67].
Специфика нагружения режущих кромок инструмента при прерывистом резании ограничивает применение наиболее твердых и износостойких, но хрупких инструментальных материалов. Особенности затупления и износа режущих кромок инструмента характеризуют односторонним действием высоких динамических нагрузок при контакте и выходе из заготовки, а также термическими напряжениями вследствие быстрого нагрева и охлаждения режущих кромок инструмента [76].
Проведенные ранее исследования [72, 73] показали, что при врезании лезвия какие либо нагрузки, превышающие статическую силу резания, отсутствуют. Это было связано с методикой регистрации сил, действующих на лезвие, которая была основана на применении низкочастотной регистрирующей аппаратуры. Так как динамические ударные нагрузки определяются волновыми процессами распространения деформаций в лезвии и самом инструменте, их регистрация возможна только высокочастотной аппаратурой при расположении измерительного преобразователя непосредственно в зоне удара или вблизи от нее[76].
Если рассматривать динамические силы при врезании лезвия как результат ограниченной скорости распространения волны упругой деформации в инструменте и заготовке, то наибольшую сложность вызывает вопрос регистрации данных быстропротекающих деформационных процессов [76].
Применительно к системе привод - фрезерный ротор измельчителя (конструктивно фрезерный ротор представляет собой вал с насаженными и закрепленными на нем фрезами) измерение ударных нагрузок, возникающих на лезвии режущего инструмента и действующих на вал фрезерного ротора, можно произвести следующим способом исходя из следующих соображений.
Так как в момент удара лезвия фрезы о заготовку происходит резкое падение скорости режущего инструмента, продолжительность которого при упругом ударе совпадает с периодом изменения силы взаимодействия (силы удара) [77], это падение скорости при условии жесткой связи фрезы с рабочим валом вызывает его резкое торможение. А так как вал привода в момент удара продолжает передавать вращающий момент рабочему валу, то участок рабочего вала от места соединения с валом привода до места соединения с фрезой будет испытывать ударное кручение [78].
Деформации рабочего вала при ударном кручении могут быть измерены с помощью тензометрических датчиков, наклеенных на вал.
С учетом сложности передачи сигналов с тензодатчиков, расположенных на вращающемся валу, представляет интерес динамометрическое устройство со встроенным аналого-цифровым преобразователем (свидетельство об утверждении типа средств измерений № 49313). Данное динамометрическое устройство выводит на дисплее цифровые значения измеряемого крутящего момента вала.
Касательные напряжения в каждом поперечном сечении вала фрезерного ротора при ударном кручении связаны с внутренними усилиями (внутренний силовой фактор), действующими в этом сечении, следующим соотношением [78]
Конструкция фрезерного ротора включает: составной корпус, части которого 1,2 имеют возможность перемещения по сопряженной цилиндрической поверхности в двух направлениях - по направлению вращения ротора и - против; демпфирующие элементы 6 в конструкции этого корпуса, жесткость которых определяет величину указанного перемещения в зависимости от величины силы, возникающей на режущей кромке ножа 3. В результате при ударе ножа о древесину нож 3 вместе с подвижной частью корпуса 2 смещается в направлении обратном вращению ротора на некоторую величину и сжимает демпфирующие элементы 6, что снижает действие ударных нагрузок на режущий инструмент, а, следовательно, и силу резания, за счет того, что демпфирующие элементы при сжатии поглощают часть кинетической энергии удара, а смещение одной части корпуса по другой при ударе позволяет уменьшить жесткость фрезы как ударяющего тела, и, следовательно, уменьшить силу удара.
Метод расчета силы резания при цилиндрическом фрезеровании древесины
До настоящего времени в практике инженерных расчетов сил и мощности резания древесины метод расчета по аналитическим формулам не имел широкого применения из-за отсутствия надежных и полных данных о характеристиках обрабатываемых материалов и об условиях их взаимодействия с резцом в процессе резания [42].
Точное аналитическое описание контактных нагрузок на поверхностях резца является сложной задачей теории резания древесины. Для решения этой задачи необходимо иметь достоверные сведения о величине и закономерности распределения нормальных напряжений, коэффициента и сил трения [42].
В настоящее время еще не разработан экспериментальный способ непосредственного замера контактных напряжений при резании древесины [4, 42]. Все известные экспериментальные исследования указанных величин построены на применении косвенных методов [4].
Учитывая сложность экспериментального определения контактных нагрузок на поверхностях резца в процессе резания древесины, возрастает значение теоретического анализа.
В теории резания металлов обычно ограничиваются рассмотрением силового взаимодействия резца со стружкой, т. е. рассмотрением контактных явлений только по передней поверхности. При этом задача о контакте резца со стружкой обычно решается применением к анализу модели методов теории упругости (в первом приближении как плоская задача о воздействии жесткого штампа на упругое тело). Контактные напряжения в непосредственной близости к лезвию методами теории упругости не удается определить даже приближенно. Для этого анализируют напряженное состояние внутри зоны резания (в обрабатываемом материале) в той ее части, которая непосредственно примыкает к лезвию [42].
В ранних трудах по теории резания древесины задача о силовом взаимодействии резца с обрабатываемым материалом рассматривалась применительно к идеальному, абсолютно острому резцу, т. е. ограничивалась контактными явлениями на передней поверхности и сводилась к обоснованию гипотез о характере распределения и величине контактных сил и составлению аналитических выражений для расчета суммарных сил резания [42].
В современных теоретических построениях исходят из необходимости учета сил, действующих по всей контактной поверхности резца. При этом контактную поверхность резца разделяют на отдельные зоны и рассматривают контактные процессы отдельно для каждой из зон, объясняя это различием функций, выполняемых в процессе резания различными участками контактной поверхности резца (при таком подходе вводится допущение о независимости контактных явлений в различных зонах резца) [42].
Тиме И. А. и последователи его научных взглядов предполагают, что при резании древесины абсолютно острым резцом, режущая кромка представляет часть передней грани резца и действие резца на древесину сводится к действию только передней грани (действие задней грани исключается), и все изменения силы резания будут зависеть только от параметров передней грани резца [42]. Однако, исследования В. Г. Санаева [14] по определению микротвердости древесины, исследования С. Б. Айнбиндера [82] по трению полимеров, М. М. Фрохта [83] по контактированию сферы с полимерными материалами в поляризованном свете, также исследования Ю. С. Зуева [84] по резанию резин и З. Вернера [85] по резанию мягких материалов, выявили явления уплотнения (упрочнения) материала под режущей кромкой (микроиндентором) и возникновение гидростатического давления (зон всестороннего неравномерного сжатия) в материале, т. е. в зоне контакта образуется шаровой тензор напряжений, уменьшающий скорость развития деформаций и скорость ползучести [8].
Следовательно, на основании данных, полученных этими учеными, представляет интерес такое научное рассмотрение процессов резания древесины, основой которого является предположение, что существенное влияние на процессы деформирования и разрушения древесины при резании оказывает именно контактное взаимодействие режущей кромки резца и обрабатываемого материала и основное внимание уделяется напряжениям и деформациям, действующим непосредственно вблизи режущей кромки.
Сложность полей деформаций, вызываемых в древесине резцом, является одной из главных причин неполного теоретического и экспериментального их изучения. Научные знания, полученные в этой области, изначально составляют основу для ограничения остаточных деформаций пределами стружки и делают возможным управление формой профиля резца при износе его поверхностей [18].
Установленные теорией резания древесины аналитические зависимости для расчета параметров процесса стружкообразования не учитывают наличия сложного напряженного состояния в плоскости стружкообразования [42].
В связи с изложенным, разработка метода расчета силы резания при цилиндрическом фрезеровании древесины, учитывающего сложное напряженно-деформированное состояние обрабатываемого материала в зоне контакта с режущей кромкой резца, а также физико -механические свойства древесины, является актуальной задачей.
Для описания процессов резания древесины и изнашивания режущего инструмента необходимо иметь систематизированные показатели свойств древесины, характеризующие ее обрабатываемость. Они должны быть получены по специальным методикам испытаний, учитывающих специфику деформирования и разрушения древесины лезвием [4].
Взаимодействие режущей кромки с обрабатываемым материалом можно представить как внедрение абсолютно жесткого сферического индентора в упругопластическое полупространство [4].
Тейбор Д. [12] описывает процесс вдавливания сферического индентора в поверхность твердого материала следующим образом. В процессе вдавливания в контактируемой поверхности исследуемого материала возникают упругие деформации. При повышении нагрузки напряжения довольно скоро начинают превышать предел упругости и возникает пластическое течение материала. При дальнейшем повышении нагрузки материал, находящийся непосредственно у вдавливаемого наконечника, становится полностью пластичным. После снятия нагрузки деформации в определенной степени восстанавливаются. Тейбор Д. показал, что предел текучести материала пропорционален твердости, определенной по вдавливанию [87].
Значительный интерес для определения деформационных характеристик древесины при резании представляют данные по внедрению сферического индентора диаметром 60 мкм под усилием 0,3 Н, полученные В. Г. Санаевым [14]. Радиус индентора вполне соизмерим с радиусом округления режущей кромки, как и величина зоны существенного деформирования (5-10-5 4- 1-10-4 мм3), близкая к значениям объема деформируемого при резании материала [4]. Однако, используя эти данные для расчета силы резания, необходимо учитывать работу резания, совершаемую непосредственно при срезании стружки, а не только в момент начального углубления резца в древесину.
Моисеев А.В. [44] при срезании стружек последовательно увеличивающейся толщины (от 2 до 50 мкм) выделил три характерные стадии врезания лезвия в древесину. На первой стадии (до точки а) (рисунок 4.1) происходит деформирование обрабатываемой поверхности режущей кромкой и трение задней поверхности по упруго редеформированной обрабатываемой поверхности. При достижении некоторого критического значения номинальной толщины срезаемого слоя, зависящего от радиуса затупления и свойств обрабатываемого материала, наступает вторая стадия (отрезок кривой а - б). Она характеризуется образованием пучков волокон, которые сдвигают лезвие. По мере накопления эти волокна действуют на часть режущей кромки, расположенную выше её вершины. При этом нормальная сила постепенно уменьшается, а касательная более интенсивно возрастает. Характер взаимодействия задней поверхности с обрабатываемым материалом на первой и второй стадиях, очевидно, одинаков. Поэтому резкое возрастание касательной силы на второй стадии связано с большой работой деформирования и отделением тончайших стружек. На третьей стадии наступает устойчивое срезание стружки, сходящей по передней поверхности лезвия. Величина касательной силы возрастает по мере увеличения номинальной толщины срезаемого слоя [4, 44].