Методы определения сил резания механической обработки древесины

№60-1,

технические науки

В данной статье рассматриваются методы определения сил резания механической обработки древесины. В статье приведены теоретические методы и экспериментальные с помощью динамометрических установок. Дан пример модернизации одной из таких установок.

Похожие материалы

С развитием деревообрабатывающей промышленности выросли и требования к размерно-качественным характеристикам заготовок и изделиям из них. Следовательно, возникает необходимость в разработке и создании нового оборудования и инструмента для механической обработки древесины.

Так как древесина имеет анизотропные свойства, то назначение режимов обработки вызывает определённые сложности. Эти сложности связанны с тем, что режимы назначаются исходя из полученных данных о силовых составляющих при механической обработке древесины.

Для расчета режимов резания древесины используется несколько методов:

  • метод А. Л. Бершадского;
  • расчет по эмпирическим степенным формулам;
  • по табличной силе;
  • по объемной формуле мощности резания

Расчет по методу А.Л. Бершадского применяется особенно широко. Резанием называется процесс обработки древесины с нарушением связи между частицами по заданной траектории резца. Различают две разновидности резания:

  • резание без стружкообразования;
  • резание со стружкообразованием.

Резание без стружкообразования характеризуется тем, что длина резания (хода резца) очень мала по сравнению с толщиной. Сюда относятся такие виды обработки, как разрезание тонкого листа шпона на ножницах и штамповка-высечка листового материала пуансоном и матрицей.

Резание со стружкообразованием характерно тем, что резец при проходе объемно деформирует отделяемый объем древесины в различных направлениях. Эти деформации вызываю т значительные изменения объема стружки, и почти всегда приводят к ее разрушению.

При обработке материалов твердым инструментом резание осуществляется резцом. Резец — это клиновидное тело на инструменте, предназначенное для обработки. Схема элементарного резца представлена на рисунке 1.

Схема элементарного резца: <em>OO<sub>1</sub></em>  режущая кромка (лезвие резца); <em>OO<sub>1</sub></em><em>mm<sub>1</sub></em>  передняя грань; <em>OO<sub>1</sub></em><em>nn<sub>1</sub></em>  задняя грань; <em>Omn</em>, <em>O<sub>1</sub></em><em>m<sub>1</sub></em><em>n<sub>1</sub></em>  боковые грани; <em>lfda</em>  плоскость резания; <em>²  </em>угол заострения; <em>´</em>  угол резания; <em>±</em>  задний угол; <em>³</em>  передний угол; <em>b</em>  ширина детали.
Рисунок 1. Схема элементарного резца: OO1 – режущая кромка (лезвие резца); OO1mm1 – передняя грань; OO1nn1 – задняя грань; Omn, O1m1n1 – боковые грани; lfda – плоскость резания; β – угол заострения; δ – угол резания; α – задний угол; γ – передний угол; b – ширина детали.

В процессе резания древесина испытывает различные деформации в различных направлениях. Эти деформации не постоянны и отличаются от номинальных. Соответственно количественные характеристики силовых составляющих так же отличаются в различных направлениях и зависят от многих факторов и условий обработки. Невозможно создать одинаковые условия обработки на различных производствах.

Из выше сказанного следует, что теоретический расчёт имеет ряд упрощений связанных как с параметрами резца, так и с предметом обработки. Например, для сравнения лезвий по остроте кривую поверхность режущей кромки условно заменяют цилиндрической (рисунок 2).

Схема реального лезвия резца
Рисунок 2. Схема реального лезвия резца

Радиус ρ этой поверхности служит мерой остроты режущей кромки и называется радиусом округления (затупления) режущей кромки.

Таким образом, использование теоретических методов расчёта режимов резания является необходимостью при разработке инструмента и оборудования.

Однако существует экспериментальный метод определения сил резания при различных видах механической обработки древесины. Данный метод реализуется с помощью динамометрических машин для измерения сил резания.

Данные машины применяются в исследованиях при сравнении и выборе материалов для инструмента и оборудования. По количеству измеряемых составляющих силы резания динамометры делятся на:

  • однокомпонентные;
  • двухкомпонентные;
  • трехкомпонентные;

По принципу действия применяемых в них датчиков на:

  • механические;
  • гидравлические;
  • электрические.

Конструктивно динамометры состоят из датчика, воспринимающего нагрузку, деформацию или перемещение и преобразующего их в электрический параметр; приемника, регистрирующего параметр, и звеньев, связывающих датчик и приемник.

На сегодняшний день в России не уделяется должного внимания исследованиям посвященных модернизации и реализации динамометрических машин для измерения сил резания.

Под руководством Таратина Вячеслава Викторовича в Северном (Арктическом) Федеральном университете имени М. В. Ломоносова ведётся разработка измерительно-вычислительного комплекса на базе универсального динамометрического моста «УДМ-600» для измерения сил резания.

Универсальный динамометрический мост «УДМ-600»
Рисунок 3. Универсальный динамометрический мост «УДМ-600»

В связи с тем, что данный аппарат был разработан ещё в 80-х годах, преобразователь сигнала – аналоговой. Было принято решение о его модернизации. Модернизация включала в себя поиск и переход на цифровые преобразователи, а так же соответствующие программное обеспечение.

В качестве цифрового преобразователя выбран шасси NI «CompactDAQ» (рисунок 4) с двумя модулями «cDAQ» (рисунок 5).

Цифровой преобразователь сигнала «CompactDAQ»
Рисунок 4. Цифровой преобразователь сигнала «CompactDAQ»
Модуль «cDAQ»
Рисунок 5. Модуль «cDAQ»

Данный цифровой преобразователь работает с программным обеспечением «LabVIEW».

На данный момент вышеуказанный измерительно-вычислительный комплекс прошёл этап тарировки и отладки. Следующим этапом является проведение эксперимента на комплексе и анализ возможности его использования в производственных целях.

В заключении можно сделать вывод, что силы резания при механической обработке древесины играют важную роль для назначения режимов обработки, как существующего оборудования, так и при разработке принципиально нового.

Преимущественно используются теоретический способ расчёта сил резания, однако повышение точности расчетов является актуальной задачей теории резания древесины.

Эта задача может быть решена путем уточнения расчетных формул на основе положений современной теории резания древесины, а так же при помощи измерительно-вычислительных комплексов.

Список литературы

  1. Глебов И.Т. Расчет режимов резания древесины: Монография. –Екатеринбург: Урал. гос. лесотехн. ун-т, 2005. – 155 с.
  2. Бершадский А. Л., Цветкова Н. И. Резание древесины: Учебное пособие – Минск: 1975. – 300 с.
  3. Аппаратура для измерения силы резания (динамометры). [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://allrefs.net/c35/4b4ww/p24/
  4. Таратин В. В. Солнышков Д. М. Раевский В. А Измерительно-вычислительный комплекс для определения силовых показателей процессов резанья древесины. [Текст] //Актуальные направления научных исследований XXI веке: теория и практика – С 154.