автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.05, диссертация на тему:Повышение эффективности оцилиндровки бревен путем совершенствования механизма резания

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Анализ оборудования для оцилиндровки бревен.

1.2. Анализ технологических схем оцилиндровочных станков.

1.3. Особенности оцилиндровки бревен точением.

1.4. Выводы.

1.5. Задачи исследований.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1. Анализ поверхности бревна.

2.2. Влияние строения и свойств древесины на процесс резания при оцилиндровке бревен.

2.3. Исследование процесса оцилиндровки бревен точением.

2.4. Обоснование конструкции и геометрических параметров ножевой головки роторного оцилиндровочного станка позиционного типа.

2.5. Исследование хрупкой прочности режущей части резцов ножевой головки роторного оцилиндровочного станка позиционного типа.

2.6. Выводы.

3. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1. Методика экспериментальных исследований силовых показателей при оцилиндровке бревен.

3.2. Методика экспериментальных исследований энергетических показателей при оцилиндровке бревен.

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА И ИХ АНАЛИЗ

4.1. Общие положения.

4.2. Оптимизация и анализ геометрических параметров резцов и режимов резания

4.2.1 .Черновая обработка поверхности бревна.

4.2.2. Получерновая обработка поверхности бревна.

4.2.3. Получистовая обработка поверхности бревна.

4.2.4. Чистовая обработка поверхности бревна.

4.3. Проверка адекватности математических моделей геометрических параметров резцов и режимов резания.

4.4. Результаты оценки хрупкой прочности режущей части черновых резцов.

4.5. Результаты экспериментальных исследований удельной работы резания при оцилиндровке бревен.

4.6. Конструкция ножевой головки и ее режущих элементов полученных в результате теоретических и экспериментальных исследований.

4.7. Выводы.

5. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ОТ ВНЕДРЕНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАЗРАБОТОК В ПРОМЫШЛЕННОСТЬ

5.2. Методика расчета технико-экономической эффективности оцилиндровки бревен.

5.3. Расчет технико-экономической эффективности от внедрения исследований в промышленность.

5.4. Выводы.

Актуальность темы. Современное прогрессивное развитие деревообрабатывающей промышленности должно базироваться на развитии и совершенствовании высокопроизводительных станков и автоматов с максимальным использованием их на всех стадиях производственного процесса.

В настоящее время широко развивается домостроение с использованием оцилиндрованных бревен. Бревна традиционный строительный материал для строительства жилых домов. Кроме домов, из бревен строят бани, надворные постройки и многие другие сооружения.

В Европе лидирующее место в строительстве домов и других построек из оцилиндрованных бревен занимает Финляндия. В Финляндии почти двести предприятий выпускают бревенчатые жилые дома или дачи. Бревенчатые дома примерно на 5-10% дороже панельных. Однако многие потребители выбирают себе бревенчатый дом, так как его внешний вид и экологическая чистота материала компенсируют повышенные затраты. При использовании оцилиндрованных бревен упрощается сборка срубов, улучшается их внешний вид, а также обеспечивается унификация строительных заготовок из древесины /1/.

Оцилиндровка бревен ответственная и трудоемкая технологическая операция, определяющая внешний вид бревен, точность их формы и последующую обработку и сборку.

В настоящее время оцилиндровка бревен выполняется на станках позиционного и проходного типа. При изучении процесса оцилиндровки бревен на современном оборудовании были выявлены недостатки, связанные с качеством обработки, кинематикой резания и работоспособностью режущих инструментов. Они сводятся к следующему /2,52/:

• Значительная вибрация бревна в процессе оцилиндровки;

• Нестабильное качество (точность и шероховатость обработки);

• Низкая стойкость инструмента;

• Наличие прижегов на обработанной поверхности и режущих инструментах.

Имеющиеся на предприятиях станки проходного типа для оцилиндровки бревен имеют высокую производительность, но сравнительно низкое качество (точность и шероховатость обработки).

При оцилиндровке бревен значительную роль имеют вынужденные колебания, возникающие при действии периодических сил в механизме резания. Эти силы связаны с периодичностью резания, анизотропией древесины и асимметрией поперечного сечения, а также неуравновешенностью вращающихся деталей. В станках обнаруживается недостаточная жесткость механизмов резания и подачи /3/

Для оцилиндровки бревен в основном используется древесина хвойных пород, отличающаяся множеством природных пороков. Физико-механические свойства древесины влияют на режимы и качество оцилиндровки бревен.

Поэтому задача придания бревнам цилиндрической формы с высоким качеством поверхности является актуальной.

Цель работы. Улучшение эксплуатационных показателей роторных станков для оцилиндровки бревен.

Объекты исследования. Процессы резания при оцилиндровке бревен, конструкция и параметры режущего инструмента.

Научная новизна работы.

• Обобщены и проанализированы результаты исследований по оцилиндровке бревен комбинированным точением.

• Установлены рациональные конструктивные параметры восьмирезцовой ножевой головки.

• Разработаны математические модели, учитывающие специфику процесса оцилиндровки бревен, позволяющие определить оптимальные геометрические параметры резцов и режимы резания.

• Обоснованы и математически описаны условия оценки хрупкой прочности режущей кромки резцов ножевой головки в условиях оцилиндровки бревен.

Значимость для теории и практики.

Для теории имеют значение:

• математическое описание поверхности бревен;

• математические модели, позволяющие определить оптимальные геометрические параметры резцов и режимы резания;

• теоретические зависимости единичной силы резания по условиям хрупкой прочности режущей кромки резцов.

Для практики имеют значение:

• эффективная технология оцилиндровки бревен на основе применения оригинальной многорезцовой конструкции ножевой головки и работоспособных резцов;

• оптимальные параметры резцов и режимы резания при оцилиндровке бревен;

• экспериментальные зависимости (уравнения регрессии) технологических параметров процесса резания;

• рекомендации по совершенствованию инструмента для оцилиндровки бревен.

Научные положения, выносимые на защиту.

1. Обоснование конструктивных и технологических параметров восьмирезцовой ножевой головки для роторного оцилиндровочного станка позиционного типа.

2. Методика оценки хрупкой прочности режущей кромки инструмента, позволяющая обосновать режимы обработки с учетом условий оцилиндровки бревен.

3. Математические модели, позволяющие оптимизировать геометрические параметры резцов и режимы оцилиндровки бревен.

4. Обоснованы рекомендации для проектирования режущего инструмента и выбора режимов резания.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и отдельные ее разделы были заслушаны и получили одобрение на ежегодных научно-технических конференциях СПбГЛТА в 1999 - 2002 г.г., в г. Брянске - 2001г., апробированы на Усть-Ижорском фанерном комбинате, ДОЗ - 2, ЛДП «Петродрев», ОАО «Рощинский дом».

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается, корректными допущениями при замене реальных процессов расчетными схемами при разработке математических моделей; современными средствами научного исследования, включая исследование напряженного состояния режущего инструмента, положительными результатами испытаний механизма резания, хорошими совпадениями теоретических и экспериментальных результатов исследований, а также положительными результатами внедрения многорезцовой ножевой головки в производство.

Реализация работы. Основные результаты апробированы на ОАО «Рощинский дом», внедрены на ДОЗ-2 и Ленспецсму.

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 6 статьях. Результаты исследований отражены в научно-технических отчетах по НИР.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 разделов, выводов и рекомендаций, приложений, списка литературы включающего 55 наименований.

6. ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

Изучение основных показателей процесса оцилиндровки бревен и обоснование конструктивных параметров роторного станка позиционного типа позволяют сделать следующие выводы.

1. Роторные оцилиндровочные станки позиционного типа обладают рядом преимуществ по сравнению со станками проходного типа. Дальнейшее улучшение их эксплуатационных характеристик путем совершенствования конструкции и параметров механизма резания является перспективным направлением.

2. На эксплуатационные характеристики оцилиндровочного оборудования существенное влияние оказывают конструкция режущего инструмента и режимы резания. Разработанная восьмирезцовая ножевая головка позволяет осуществить комбинированное точение, что снижает шероховатость до 75 мкм и улучшает эксплуатационные характеристики оборудования.

3. Стойкость режущего инструмента существенно влияет на качество оцилиндровки бревен. Резцы изготовляются из быстрорежущей стали Р6М5. При работе ножевой головки обеспечивается высокая стойкость резцов. Для экономии быстрорежущей стали рекомендуется тело резцов изготавливать их обычной инструментальной стали с оснащением режущей части пластинками из стали Р6М5.

4. Хрупкое разрушение режущей кромки происходит под действием пиковых нагрузок значительно превышающих номинальные силы резания. Величина нагрузок на резцы зависит от подачи на резец и глубины резания. Максимальная единичная сила резания не должны превышать 300 - 400 Н/мм при Uz < 3 мм.

5. Хрупкое разрушение резцов проявляется в виде выкрашивания и локальных сколов режущей кромки и зависит от угловых параметров, характера и направления нагрузки, подачи на резец и прочностных характеристик материала. Опасные точки возникают на передней грани резцов в зоне

Ill максимальных растягивающих напряжений, на расстоянии от режущей кромки, превышающем величину подачи на резец.

6. Статистический анализ результатов эксперимента с помощью ППП Stat-grafics - Plus позволил получить математическую модель процесса резания в виде регрессионных уравнений, устанавливающих связь между силой резания и переменными факторами. Оптимальные параметры были подтверждены и проверены методом крутого восхождения (спуска).

7. В результате обработки данных полученных при проведении оптимизации приняты следующие значения основных геометрических и технологических параметров оцилиндровки бревен: Черновая обработка: диаметр резания - 330мм; угол резания - 45°; подача на резец - 2мм/об Получерновая обработка: диаметр - 280мм; угол резания - 35°; подача на резец - 2мм/об. Получистовая обработка: диаметр - 250мм; угол заточки - 45°; подача на резец - 2мм/об. Чистовая обработка: величина съема - 1 мм; угол наклона режущей кромки - 11°; подача на резец - 2мм/об.

8. Внедрение разработанной восьмирезцовой ножевой головки для оцилиндровочного станка позиционного типа позволило улучшить эксплуатационные характеристики и повысить эффективность процесса обработки бревен. Ожидаемый экономический эффект от внедрения ножевой головки по предприятию составит 368 тысяч рублей в год.

1. Соволов A.M. Производство срубов домов из оцилиндроваиных бревен и профилированного бруса //Экспресс информация, деревообработка. ВНИПИЭИ М.: Леспром, 1991. Вып. 2. С. 2 8.

2. Сергеевичев А.В. Совершенствование процесса оцилиндровки круглого сортимента. //Сборник докладов молодых ученых на ежегодной научной конференции Санкт-Петербургской Лесотехнической академии. СПб.: ЛТА, 2000. Вып. 3. С.15- 16.

3. Бойков С.П. Теория процессов очистки древесины от коры. Л.: Изд-во ЛГУ, 1980. 150с.

4. Данилов В.Г., Говырин П.А. Производство срубов домов//Экспресс информация, деревообработка. ВНИПИЭИ М.: Леспром, 1992. Вып. 4. С. 16-23.

5. Хрупов К.В. Оборудование для производства деревянных домов //Экспресс информация, деревообработка. ВНИПИЭИ М.: Леспром, 1992. Вып. 1. С. 3-6.

6. Иванов С.И. Строительство и архитектура //Экспресс информация, деревообработка. ВНИПИЭИ М.: Леспром, 1992. Вып. 7. С. 12-14.

7. Краснов Г. Новые модели оцилиндровочных станков //Деревообработка в России СПб., 1998. Вып. 1. С. 24 31.

8. Змушко М.К., Жарков Н.И. Оцилиндровочный деревообрабатывающий станок СОУ 1 //Труды БГТУ Минск: Лесная и деревообрабатывающая промышленность, 1994. Вып. 2. С. 128 - 131.

9. Соволов A.M. Оцилиндровочные станки //Экспресс информация, деревообработка. ВНИПИЭИ М.: Леспром, 1987. Вып. 7. С. 4 9.

10. Заховаев В.К. Изготовление пиломатериалов из маломерной древесины //Деревообрабатывающая промышленность М., 1997. Вып. 1. С. 22-23.

11. Мишуков Е.Н., Барташевич А. А. Тонкомерная древесина как высококачественное сырье для экспортной продукции //Деревообрабатывающая промышленность М., 2000. Вып. 1. С. 29 31.

12. Симонов М.Н. Механизация окорки лесоматериалов. М.: Лесная пром-ть, 1984. 214с.

13. Вильке Г.А. Конструирование и расчеты окорочных станков. М.: ГЛТИз, 1938. 168с.

14. Зимин. Б.В. Технология производства деревообрабатывающих машин и оборудования. М.: Лесная пром-ть, 1984. 206с.

15. Пижурин А.А. Основы процесса точения древесины. М.: ГБЛИ, 1963. 117с.

16. Пигильдин Н.Ф. Окорка лесоматериалов. М.: Лесная пром-ть, 1982. 192с.

17. Дорофеев Л.Г. Зависимость сучковатости от толщины ствола //в кн. Механизация обрезки сучьев: Труды ЦНИИМЭ. Химки, 1978. С. 40 45.

18. Анучин Н.П. Лесная таксация. М., 1977. 512с.

19. Петровский B.C. Автоматическая оптимизация раскроя древесных стволов. М., 1970. 184с.

20. Залегаллер Б.Г. Технология работ на лесных складах. М., 1980. 232с.

21. Пигильдин Н.Ф. К вопросу об анализе боковой поверхности древесного ствола //Труды ЦНИИМЭ. Химки. 1970. Вып. 110. С. 113 122.

22. Аникеев Г.И., Пигильдин Н.Ф. Исследование случайных колебаний в стволообрабатывающих стволах. // в кн. Колебания и динамическая прочность элементов машин. М., 1976. С. 90 119.

23. Анучин Н.П. Определение объемов хлыстов и сортиментов. М., 1973. 192с.

24. Алексеев В.А., Васильев Г.М., Гурьянов М.Я. Аналитическое исследование объекта обработки роторных окорочных станков. //Сб. трудов СНИИЛП. Свердловск: Лесоэксплуатация. 1977. С. 144 153.

25. Глебов И.Т. Пособие токарю по дереву. М.: Лесная пром-ть. 1981. 108с.

26. Грубе А.Э. Дереворежущие инструменты. М., 1971. 343с.

27. Манжос Ф.М. Дереворежущие станки. М.: Лесная пром-ть. 1974. 456с.

28. Буглай Б.М., Гончаров Н.А. Технология изделий из древесины. М.: Лесная пром-ть. 1985. 408с.

29. Пижурин А.А. Современные методы исследований технологических процессов в деревообработке. М., 1972. 258с.

30. Бетанели А.И. Хрупкая прочность режущей части инструмента и области контакта со стружкой при действии распределенной силовой нагрузки. //Труды ГПИ. Тбилиси. Вып. 5. 1965. С. 34 46.

31. Дунаев В.Д. Излом резца при статическом изгибе // Научн. труды ЦНИИМОД. Архангельск. Вып. 24. 1969. С. 103 108.

32. Бетанели А.И. Хрупкая прочность режущей части инструмента. // ГПИ. Тбилиси. 1969. 320с.

33. Лоладзе Т.Н., Бетанени А.И. Исследование распределения напряжений в режущей части инструмента. //ГПИ. Тбилиси. 1967. Вып. 1. С. 54 56.

34. Бетанели А.И. К обобщению метода расчета прочности режущей части инструмента//Вестник машиностроения. Тбилиси. 1965. Вып. 2.1. С. 14-19.

35. Ахназарова С.Л., Кафанов В.В. Оптимизация эксперимента в химии и химической технологии. М.: Высшая школа. 1978. 319с.

36. Кох Петер Процессы механической обработки древесины. М., 1969. 328с.

37. Грачев Ю.П. Математические методы планирования экспериментов. М.: Пищевая пром-ть. 1979. 156с.

38. Химмельблау Д. Анализ процессов статистическими методами. М.: Мир. 1973. 117с.

39. Вознесенский В.А. Статистические методы планирования эксперимента в технико-экономических исследованиях. М.: Статистика. 1974. 214с.

40. Дюк В. Обработка данных на ПК в примерах. СПб.: Питер. 1997. 240с.

41. Сергеевичев А.В. Некоторые вопросы экспериментальных исследований процесса оцилиндровки бревен // Технология и оборудование д/о производств; Межвуз. Сб. научн. тр. СПб.: ГЛТА. 2001. С. 158 161.

42. Любославский В. Д. Измерение удельной работы резания на маятниковом копре. Методические указания. Л.: ЛТА. 1973. 17с.

43. Ивановский Е.Г. Резание древесины. Л., 1975. 200с.

44. Stutgraphics Plus for Windows. User manuals. Managistics Inc. USA. 1995. 157p.

45. Налимов. B.B. Теория эксперимента. M.: Наука. 1971. 183с.

46. Андреев В.Н., Герасимов Ю.Ю. Принятие оптимальных решений., Финляндия: Изд. ун-та Йонсуу. 1999. 200с.

47. Montgomery Р.С., Runger G.C. Applied Statistics and probability for engineers. N.Y.: Wiley & sons. 1994. 248p.

48. Дьяконов В.П. Справочник по алгоритмам и программам на языке Basic для ПЭВМ. М.: Наука. 1987. 180с.

49. Тюрин Ю.Н., Макаров А.А. Анализ данных на компьютере. М.: ИНФРА-М. 1995. 178с

50. Методика определения экономической эффективности использования в лесопильной, деревообрабатывающей, фанерной и мебельной промышленности новой техники, изобретений и рационализаторских предложений. Архангельск. 1980. 94с.

51. Чубинский А.Н., Шагалова Т.А. Проектирование производственных систем. Учебное пособие. СПб: СПбгЛТА. 2001. 71с.

52. Сергеевичев. А.В. Состояние проблемы оцилиндровки круглого сортимента //Технол. и оборуд. д/о производств: Межвуз. Сб. научн. тр. СПб.: ГЛТА. 1999. С. 35 -37.

53. Сергеевичев А.В. Экспериментальные исследования сил резания при оцилиндровке бревен: Тезисы докладов НТК. «Итоги научно-исследовательских работ 2001г.» СПб.: СПбГЛТА. 2002.116

54. Антонов В.Ф., Сергеевнчев А.В. Особенности процесса резания при оцилиндровке бревен: Тезисы докладов НТК «Итоги Научно-исследовательских работ 1999г.» СПб.: СПбГЛТА. 2000.

55. Антонов В.Ф., Сергеевичев А.В. Совершенствование кинематики резания в станках для оцилиндровки бревен: Тезисы докладов НТК «Итоги Научно-исследовательских работ 2000г.» СПб.: СПбГЛТА. 2001.