автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.05, диссертация на тему:Совершенствование конструктивных параметров малоножевых торцево-конических фрез для фрезернопильного оборудования

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКАЯ ЛЕСОТЕХНИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ

Pro ол

i ; .ц|Н На правах рукописи

СЕНЬКЕВИЧ ЛКЩШ1ЛА ВЛАДИМИРОВНА

СОВЕРШЕНСТВОВАН]® КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ШЮНОКЕВЬК Т ОРЦОВО КОНИЧЕСКИХ ФРЕЗ ДЛЯ ФРЕЗЕРНОПИЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

05. 21.05. -Технология и оборудование деревообрабатывающих производств, древесиноведение

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санет-Петербург 1994

Работа выполнена в лаборатории технологии агрегатной переработки древесины Центрального научно-исследовательского института механической обработки древесины (ЦНЮШОД) Научно-производственного объединения "Научдревпром"

- доктор технических наук, профессор САНЕВ К И.

- доктор технических наук, профессор КАЛИТЕЕВСКИЙ Р. Е.

- кандидат технических наук ТАРАСОВ С. Е

- Северный научно-исследовательский институт промышленности (СевНЮШ)

1994 Г. в /V часов на заседании диссертационного совета Д063.50.01 при Санкт-Петербургской лесотехнической академии С. К1 Кирова (Институтский пер., 5, главное здание, зал заседаний).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургской лесотехнической академии ишни С. М. Кирова.

Автореферат разослан

Ученый секретарь диссертационного совета

Научный руководитель Официальные оппоненты

Ведущая организация

Защита состоится

^ 1904 Г.

_ Г. !.!. Лнипншв

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В современных условиях проблема наиболее полного использования древесного сырья, снизкекия себестоимости продукции приобретает первостепенное значение. В этой связи применение агрегатных методов переработки бревен, сочетающих в себе два технологических процесса: получения пиломатериалов и технологической щепы и обеспечивакядих увеличение полезного выхода древесины, повышение производительности оборудования и сникение энергетических затрат отвечает современным требованиям. При всех отмеченных преимуществах перед другими технологиями переработки сырья, агрегатный метод имеет ряд недостатков, снижающих его эффективность. К их числу относятся снижение качества фрезеруемых поверхностей, потеря точности пиломатериалов, не достаточно высокое качество технологической щепы. Отмеченные недостатки обусловлены не столько несовершенством оборудования и инструмента, сколько несовершенством методов расчета режмных параметров процесса фрезерования.

Используемые в настоящее время для этой цели методы основаны. на эмпирических данных, не обладают достаточной полнотой и не обеспечивают обоснованный выбор параметров. Поэтому исследования, направленные на изучение процесса резания и создание на-делной расчетной базы обеспечивают повышение качества продукции и отвечают современным требованиям.

Цель работы и задачи исследований. Целью работы является повышение эффективности использования дереворежущих фрез, предназначенных для получения технологической щепы на фрезерно-пильных линиях за счет рационального выбора технологических параметров резания и параметров инструмента.

В соответствии с целью определены следующие основные задачи исследований:

- произвести анализ существующих конструкций фрез, установить общие причины снижения качества переработки древесины;

- обосновать принцип исследования процесса резания древесины, как процесса ее разрушения;

- уточнить характер распределения напряжений п области внедрения резца;

- установить основные закономерности отделения щепы;

- определить показатели механических свойств древесины, характеризующих ее способность тормозить развитие трещин;

- разработать метод расчета коэффициентов интенсивности напряжений;

- обосновать основные конструктивные и технологические параметры фрез и процесса фрезерования;

- произвести экспериментальную оценку предлагаемых разработок.

Научная новизна работы.

1. Предложен подход к исследованию процесса резания древесины, позволяющий построить функциональные связи между параметрами качества процесса и параметрами условий фрезерования.

2. Уточнены имеющиеся представления о характере распределения напряжений в прирезцовой зоне древесины и роли отдельных факторов, влияющих на уровень напряженно-деформированного состояния древесины и резца.

3. Разработаны методики и определены ранее не исследованные механические характеристики древесины, определяющие ее способность сопротивляться развитию трещин. Эти харшстеристики могут быть использованы в расчетах прочности конструкций из древесины.

4. Построено решение задачи о нахождении коэффициентов интенсивности напряжений для трещин, возникавших в зоне отделения элементов щепы.

5. Определены и обоснованы значения геометрических параметров фреа и параметров фрезерования.

Положения, выносимые на защиту:

- методика расчета процесса резания древесины при получении технологической щепы;

- методика определений характеристик тревдностойкости древесины;

- значения вязкости разрушения древесины для трещин нормального отрыва, плоского и антиплоского сдвига;

- метод определения коэффициентов интенсивности напряжений;

- значения геометрических параметров фреа и технологических параметров фрезерования.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается экспериментальными данными и практикой эксплуатации фрез. Теоретические зависимости получены при корректных допущениях, не противоречат основным принципам теории упругости, механики разрушения, теории ре?акия древесины

и результатам ранее выполненных исследований.

Расчеты выполнены с применением современных средств вычисления. Погрешность решения задач приближенными методами ( итерационным ) устанавливалась в пределах одного процента.

Достоверность экспериментальных исследований может быть признана достаточной, так как показатели статистической обработки результатов соответствуют общепринятым в практике научных исследований.

Практическая значимость работы. Проведенные исследования позволяют обоснованно назначать технологические параметры фрезерования, конструктивные параметры фрез, обеспечивающие повышение качества щепы и поверхностей обработки.

' Практическую значимость имеют также следующие конкретные результаты:

- методика и программа расчета напряжений;

- 'принципы расчета процесса резания древесины, применимые для любых видов ее механической обработки древесины;

- методика определения характеристик трещиностойкости древесины;

- значения вязкости разрушения древесины.

- Апробация работы. Основные положения диссертации и отдельных её разделов докладывались' и получили одобрение на научно-технических конференциях АЛГИ в 1993 г. , ШГГИ в 1990, 1991гг. на научно-технической конференции молодых ученых и специалистов в ЦНИИМОДе в 1992 г., Всесоюзной научно-технической конференции в Киеве в 1991 г.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 5 работ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 7 разделов, выводов и рекомендаций,'списка литературы и приломений.

Содержание диссертации изложено на 186 стр. В работе содержатся 26 таблиц, 60 рисунков. Список литературы насчитывает 114 наименований, в том числе 13 на иностранных языках. Прило-гкения составляют 33 стр. и включают в себя: результаты определения механических характеристик древесины, программу расчета, результаты экспериментального исследования сил резания.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, отражена новизна

научных исследований, практическая значимость работы.

В первом разделе содержится аналитический обзор работ, посвященных рассматриваемой теме. Комплексное изучение проблемы переработки древесины агрегатным методом составляют в основном три направления: разработка и совершенствование технологических процессов, разработка конструкций фрез, ^изучение влияния различных факторов на процесс фрезерования и выбор режимных параметров. Однако при всей значимости проведенных исследований и всестороннем подходе к решению проблемы в целом, накопленный научный материал и практические результаты не обладают достаточной полнотой, систематичностью и не отвечают производственным требованиям. Одной из причин сложившегося положения, по-видимому, является отсутствие достаточно обоснованной и надежной расчетной базы, однозначно устанавливающей связь между конструктивными параметрами инструмента, технологическими параметрами процесса и параметрами качества получаемой продукции. В настоящее время отмеченная задача решается на основании экспериментальных данных и в ряде случаев методом пробных вариантов. Это относится в основном к разработке конструкции инструмента. Очевидно, что полученные при этом результаты имеют область применения, ограниченную диапазоном варьируемых в эксперименте параметров и не обладают достаточной полнотой.

Среди теоретических работ (Е. Г. Ивановский, А. Л. Бершадский, И. А. Тиме), посвященных исследованию процесса реванш древесины, выделяются работы, основанные на рассмотрении процесса резания как процесса ее разрушения (И. А. Тиме, И А. Афанасьев, НА. Дешевой, С.А.Воскресенский, В. А. Маккензи, Н. Франц и др.). Разработке расчетной базы на этой основе представляется наиболее целесообразной. Однако модели изучения процесса резания древесины, разработанные на принципах ее раарушения, базируются на упрощенных расчетных схемах: консольная Балка (. С. А. Воскресенский), балка на упругом осноьашш (а 1.1 Лаут не р), балка на двойном упругом основании. При всей эффективности и наглядности таких решений и> результаты могут рассматриваться как приближенные. Это объясняется тем, что ив рассмотрения исключается значительная часть процесса разрушения. Вместе с тем, применяемые для указанны«: расчетных схем методы определении напряжений не отражают реальной кмртини их распределения, Шмоат отделения эльмонта щепы

связывается с наступлением предельного состояния в какой-либо точке. Обоснованность такого подхода не является достаточной вследствие ряда причин. Во-первых, очевидно, что в рассматриваемой задаче наступление предельного состояния в одной точке еще не означает отделение элемента щепы или стружи. Во-вторых, применяемые при этом критерии предельного состояния не описывают поведение трещин, которые и приводят к формированию и отделению элементов щепы.

Таким образом, анализ литературных источников показывает, что проблема совершенствования процесса фрезерования древесины с получением технологической щепы в целях улучшения качества получаемой продукции требует разработки математической модели процесса резания, обеспечивающей построение функциональных зависимостей медцу всем комплексом параметров, определяющих процесс резания и параметрами'качества получаемой продукции.

Во втором разделе сформулированы принципы построения модели процесса резания древесины при получении технологической щепы.

Полагается,что процесс резания есть процесс разрушения древесины в поле напряжений,создаваемых внедрением резца. При этом,как яо1сазывают результаты экспериментальных исследований, отделение элементов щепы не является мгновенным актом,а есть последовательность различных по своей природе отдельных актов разрушения. Это означает,что процесс отделения элемента щепы не может быть описан одним-критериальным уравнением,как это принято в современной практике неследования процессов резания древесины. Процесс образования щепы является многостадийным и каждой стадии соответствует свой механизм разрушения. Еместе с тем можно однозначно отметить тот факт,что в какой бы последовательности не происходили акты разрушения.завершающей стадией является развитие магистральной трещины' в неустойчивом режиме. Это позволяет разделить процесс формирования щэпы на два этапа На первом этапе,вследствие возникающих в древесине повреждений, происходит формирование дефектов,которые могут рассматриваться 1сак начальные трещины. Второй этап есть образование магистральной трещины,что означает частичное или полное отделение элемента щепы. Принятый подход позволяет весь процесс описать двумя критериальными уравнениями. Первое характеризует наступле-

ние предельного состояния (в его классическом понимании),второе должно определять переход трещины в режим неустойчивого развития.

Анализ работ Е. К. Ашкенази, А. Н. Митинского, Б. Е Угол^ва и др. ,посвященных оценке прочности анизотропных материалов,показывает, что наступление предельного состояния древесины при внедрении резца наиболее полно описывается критерием

, §а + 2м. * fe-®,-F

\¡(o' + б-/ ^ (5; fy + viy

с i)

где ^ _у___У___Ц

Г " ~ 6* ^ ^

бх, 6"у, ~ компоненты напряжений, создаваемые внедрением резца;

О0,690, > ^О - пределы прочности древесины. Таким образом, если известны функции напряжений Тку ).

то на основании (1) для любой величины внедрения резца может быть определен размер области предельного состояния, который в дальнейшем расценивается как размер начальных трещин. Является очевидным, что по мере внедрения резца происходит устойчивый рост области предельного состояния (рост начальных трещин) лишь до определенной величины, пока какая-либо из трещин не окажется в условиях, позволяющих развиваться ей самопроизвольно за счет накопленной упругой энергии. Переход трешины в неустойчивый режим развития описывается критерием механики разрушения, который для общего случая может бить принят в форме:

Ы \Ы (Квс) 1

где А/, Кз Кз - коэффициенты интенсивности напряжений, соответственно для" трещин нормального отрыва, плоского и антиплоского сдвига;

А1Су Кпс, Кй/с - критические коэффициенты интенсивности напряжений (вязкость разрушения), характеризующие способность древесины сопротивляться развитию трещин;

/77у , /Т72 , /7?з - коэффициенты, зависящие от механических свойств материала.

Критерии (1) и (2) составляют систему уравнений относительно величины внедрения резца и длины трещины, которые расцениваются как критические. Они соответствуют моменту отделения элемента п?епы, определяют ее толщину и силовое взаимодействие резца с древесиной. Так как напряжения являются функциями технологических параметров резания, геометрических параметров инструмента, свойств древесины, то посредством отмеченной системы уравнений устанавливается функциональная связь между входными и выходными параметрами процесса фрезерования древесины.

Таким образом, принятый подход к решению задачи предопределяет необходимость рассмотрения следующих вопросов:

1. Исследование напряженного состояния древесины при внедрении резца.

2. Определение механических свойств древесины, характеризующих ее способность сопротивляться развитию трещин.

3. Определение коэффициентов интенсивности напряжений.

Третий раздел посвящен изучению механических свойств древесины. Анализ работ ЕС.Соболева, А. Е Митинского, Н. Л. Леонтьева, Ы Д. Бойко приводит к выводу о том, что характеристики статической прочности и упругости имеют достаточно полное освещение в современной литературе. Их определение регламентировано соответствующими стандартами и реализация установленных методик не-вызывает принципиальных затруднений.

Характеристики древесины, определяющие ее способность сопротивляться распространению трещин до настоящего времени не исследовались. Задача определения этих показателей осложняется наличием анизотропии. Для ортогонально анизотропного материала возникает необходимость рассмотрения трех типов трещин в трех плоскостях упругой симметрии. Таким образом, число независимых характеристик в общем случае оказывается равным девяти. Исходя из условий фрезерования древесины при получении технологической щепы возникает возможность рассмотрения плоскости поперечного сечения бревна, как плоскости изотропии. Это позволяет сокра-

тить число характеристик трещиностойкости до 6. Кроме того, опыты по определению Еязкости^разрушения при развитии трещин поперек волокон показали, чтоК(£,г -тангентальиая и радиальная оси анизотропии, 1=1, П, Ш) не имеют практического значения. Это объясняется тем, что прежде, чем произойдет развитие трещины поперек волокон, из вершины нанесенного на образец надреза распространяются трещины вдоль волокон. В результате оставшаяся часть сечения образца сопротивляется как неповрежденная дефектом. Таким образом, интерес представляют лишь 3 показателя, характеризующих трещиностойкость древесины вдоль волокон. Для их определения разработаны методики проведения опытов, форма и размеры образцов, выведены расчетные зависимости для обработки экспериментальных данных. При атом использованы результаты работ X. Т. Кортена, В. В. Панасюка о возможности применения решений для изотропных материалов в случае распространения трещины в одной из главных плоскостей упругой симметрии. Пробными экспериментами установлено, что наиболее целесообразным оказывается применение компактных образцов, утвержденных ГОСТом для определения вязкости разрушения металлов.

Исследования проведены для древесины равличной влажности при положительных и отрицательных температурах. Некоторые результаты испытаний приведены в таблице.

Вязкость разрушения древесины

1 | Вязкость | разрушения, | МПа м Влажность древесины V, X 1

до 15 % 1 1 1 до 30 X 1 1 1 более 30 X |

• К 1с 0,440 | 0,340 1 1 ........ | 0,302 |

!. 0,645 ( ) | 0,466 | 0,421 |

0,214 1"------- "" 1" "" I"" | 0,168 | 1..............................I...... 0,143 | ,. ...... ' , 1

Результаты экспериментов показывают, что по мере увеличения влажности древесины при положительных температурах вязкость разрушения уменьшается, а при отрицательных возрастает. При положительных температурах влияние влажности оказывается суа1ест-венной лишь до точки напьшшия волокна.

В четвертом разделе рассматривается напряженно-деформированное состояние древесины, обусловленное внедрением резца. Решение строится при следующих допущениях:

1. Материал обладает свойством ортогональной анизотропии и вплоть до разрушения подчиняется закону Гука.

2. В пределах малых перемещений резца соблюдается линейная связь между напряжениями и перемещениями.

Обоснована возможность применения плоской задачи теории упругости. Изменение свойств древесины в результате изменения ее гидротермического состояния учитывается посредством изменения упругих характеристик, которое установлено в работах а Е Курицина, М. Л. Бойко. Неравномерность ширины фрезеруемого слоя моделируется в виде неоднородности материала.

Построение аналитического решения поставленной задачи в настоящее время не представляется возможным. Поэтому решение задачи дается методом конечных элементов. Используется процедура в форме перемещений для треугольных элементов с вестью сте-4 пенями свободы, функции перемещений {Ц.,У) в пределах элемента

принимаются в виде:

,>- ' ' ( 3 5

+ 1

Программа расчета реализована на ЭВМ 1ВМ.

Там, где ожидаются высокие градиенты напряжений, принимается наиболее мелкая разбивка области на элементы (рис.1). Пробными расчетами установлено, что достаточная сходимость процесса обеспечивается при размерах элементов у режущей кроют в

пределах 3 - 5 мм.

В целях анализа распределения напряжений на всем пути резания рассмотрено 'несколько положений резца, определяемых углом У:

Исходя из принципа суперпозиции отдельно рассмотрено действие вертикальной и горизонтальной составляющих вектора перемещения. Это позволило существенно сократить вы-Рис. 1. Расчетная схема ' числительную работу, и вместе с тем, и, V -составляющие век- установить характер влияния калдой тора перемещения.' .из.них на величину напряжений.

Расчеты показывают, что в зоне внедрения резца во всех случаях наблюдаетря резко выраженная концентрация напряжений. Распределение напряжений, вызванное действием горизонтальной составляющей характеризуется наличием значительных растягивающих напряжений со стороны задней грани (рис.2). Вертикальное перемещение резца создает сжимающие напряжения во всей области, расположенной ниже режущей кромки (рис.3). Выше режущей кром-

при и - 1. при V - 1.

ки возникают растягивающие напряжения, направленные перпендикулярно волокнам древесины. Именно эти напряжения способствуют раскрытию трещин и могут являться одной из причин отделения элементов щепы.

Выполненные расчеты показывают, что использование для анализа напряженного состояния модели изотропной среды (Э. М. Лаут-нер, В. А. Егоров, А. И. Сопотун и др.)позволяет получить лишь качественную картину распределения напряжений. Количественные оценки оказываются со значительными погрешностями и и зависят от того, какой из модулей упругости использован в расчетах.

Так, если в расчетах использовать модуль упругости вдоль волокон, то результаты оказываются завышенными в 4-5 раз. Если использовать модуль упругости поперек волокон, то результаты

оказываются заниженными в 10-20 раз. Вместе с тем подтверждена возможность рассмотрения плоскости поперечного сечения бревна как плоскости изотропии.

Установлено, что по мере увеличения влажности древесины происходит уменьшение напряжений. В наиболее нагруженных точках уменьшение напряжений достигает 36 Причем это влияние оказывается лишь в диапазоне влажности до 30 %. Дальнейшее насыщение древесины влагой не приводит к существенному изменению напряжений.

Наиболее значительное влияние на величину напряжений оказывают отрицательные температуры. Отсутствие достаточно полной информации о изменении свойств древесины в различных направлениях при изменении температур не позволяет в настоящее время провести всесторонний анализ отмеченного фактора. Основываясь на результатах работы Б. М. Курицина принято равное изменение упругих характеристик по всем направлениям. Установлено, что снижение температуры до -5°С не приводит к существенному увеличению напряжений. Однако при температурах, характерных для северного региона (-15. ..-20° С),напряжения увеличивается более ,чем на 60%.

Поворот режущей кромки резца' по отношению к волокнам древесины приводит к изменению напряжений (рис.4). При установке резца под углом 45 к волокнам (что характерно для существующих конструкций фрез) уменьшение напряжений происходит в 5-7 раз по сравнению с оС* « о".

В пятом разделе установлены закономерности формирования щепы, определены силы взаимодействия резца с древесиной.

В отличие от методов исследования, предложенных другими авторами, в данной работе рассматривается вся последовательность актов разрушения, приводящая к отделению элементов щепы. Это определило необходимость проведения анализа развития области предельного состояния. Задача решается в следующей последо-

Рис. 4. Влияние угла поворота режущей кромки резца по отношению к волокнам древесины на величину напряжений.

вательности. В рассматриваемом положении резца принимается любое сколь угодно малое его перемещение по траектории резания. Напряжения, вычисленные при принятом перемещении, подставляются в условие наступления предельного состояния (1). Элементы, для которых правая часть соотношения (ЦТ'оказывается не меньше единицы, расцениваются как поврежденные и содержащие трещины. Так как в пределах элемента в принятом методе расчета (МКЭ) напряжения постоянны, то размер повреэденной зоны, а, следовательно, и размер начальных трещин принимается равным размеру элемента, или их совокупности.

Проведение расчета по отмеченному алгоритму для различных значений внедрения резца (V) позволяет установить функциональную связь между величиной внедрения и размером области предельного состояния.

Анализ характера напряженного состояния показывает, что отделение элементов щепы возможно на уровнях не ниже режущей кромки. Поэтому интерес представляют лишь трещины, расположенные со стороны передней грани на уровне режущей кромки. Таким образом, начальная длина трещин, формирующих элементы щепы,

принимается равной размеру области предельного состояния лишь со стороны передней грани резца.

Связь между величиной внедрения резца и размерсм области предельного . состояния для различных расчетных параметрах показана на рис. 5.

Развитие начальных трещин,обусловленное процессом внедрения резца в устойчивом режиме происходит лишь до того момента, пока какая-либо из них не получит возможность самопроизвольного развития, которая определяется критерием (2). При определении коэффициентов интенсивности напряжений, входящих в (2)» проведен анализ работ пс механике разрушения Т. Е Черепанова, В. 3. Партона, Е. М. Морозова, Л. И. Слепяна и установлено, что

Рис.5. Размер поврежденной зоны в зависимости от величины внедрения резца:

--V - 15

- - - - V/ 30 %.

при современном уровне раавития механики разрушения для рассматриваемой задачи отмеченные функции могут быть найдены лишь численным методом. Наиболее эффективным здесь оказывается метод сечений, предложенный Е. М. Морозовым.

Если известны функции напряжений в плоскости развития трещины, то задача вычисления коэффициентов интенсивности напряжений сводится к решению системы уравнений:

г

• (Ш ' 1

Л

где

£

Кс

Гй

лс

( 4 )

длина трещины;

под р подразумевается напряжение (бх,^^ ), соответствующее искомому коэффициенту интенсивности

С - длина возмущенной зоны-напряженного состояния у Фронта трещины.

Наиболее целесообразным оказывается представление напряяоэ-

ний в форме полиномов Лагранжа: л

Р ~ 1 ^Х

( 5 )

/«С

При этом коэффициенты интенсивности напряжений представляются в' виде:

йг/ (¿*е/ ;

/'О '

// I

св)

Является очевидным, что решение данной системы мойэт Сыть получено линь итерационны?.! способом. Вместе с тем, в работе указана возможность решения путем введения более простых функций, аппроксимирующих' напрягания. В этом случае функции К}, Кй* ((У могут быть получены в замкнутой формэ.

При принятых функциях налрягзний системы уравнений (1) и (2) целесообразно проводить графическим способом (рис.6). йзор-

динаты точек пересечения одноименных кривых определяют значения

величины внедрения резца и длины трещины, соответствующих моменту отделения элемента щепы. Толщина формируемой 'тдепы определяется:

= УкрвСпЧ- (7) где У/ср ~ критическая величина внедрения резца;

У* - угол перерезания волокон. Анализ расчетных зависимостей и результатов проведенных расчетов приводят к выводу о том, что толщина формируемой щепы определяется механическими свойствами древесины (упругость, прочность, вязкость разрушения) ,которые в свою очередь являются функциями ее гидротермического состояния, геометрическими параметрами реаца, технологическими параметрами процесса резания. Установлено, что чем большей деформативностью обладает древесина, тем большая величина внедрения резца необходима для создания условий отделения элемента щепа фи этом и толщина щепы получается большей. Так происходит, например, при сближении плоскости резания с направлением волокон древесины. Однако в тех случаях когда с увеличением податливости древесины происходит снижение ее прочностных свойств, увеличения толщины щепы не происходит. Так, при увеличении влажности древесины толщина щепы уменьшается на 13Х (несмотря на увеличение ее деформативности) по сравнению с древесиной при влажности 15%.

Фактором, существенно влияющим на толщину щепы, является величина угла перерезания волокон. По мере уменьшения этого параметра толщина щепы уменьшается. Это объясняется тем, что по мере прохождения резца в древесине происходит изменение характера напряженного состояния и на процесс отделения элемента щепы все большее влияние оказывают факторы способствующие развитию трещин.

Критическая величина внедрения резца Щ> является определяющим параметром и при нахождении экстремальных сил, возникающих в

Рис. 6. Величина внедрения резца при отделении элемента щепы.

зоне резания. Наибольший интерес представляют нормальная и касательная составляющие сил к граням резца (рис.7).

Рв-,1 = Укр / -

о

31

(8)

где_^ -1,2 - соответственно передняя и задняя грани резца; <3^; 'Г^' - нормальная и касательная нагрузки на гранях резца, соответствующие единичному внедрению; <57 - размер контактной площадки на -той грани. Величина контактных площадок определяется соотношениями:

V . £ = V- и

Зш(90+У-У) д ^¿поС ' (9)

Здесь -угол перерезания волокон;

^ ^ -передний и задний углы резания;

¿2 -горизонтальная составляющая вектора перемещения в рассматриваемом его положении при V -1.

Расчетом установлено, что нормальная и касательная нагрузки на гранях резца ( с и г ) с достаточной точностью могут быть аппроксимированы линейными функциями. Установлены основные закономерности изменения сил в зависимости от свойств древесины, конструктивных параметров фрезы и технологических параметров резания.

В шестом разделе приведены результаты экспериментальных исследований силовых параметров процесса резания древесины тор-цовоконическими фрезами. Исследования проведены о целью проверю: гипотез и предположений, пологонкьгх в основу построения теоретической модели процесса резания древесины. Шесте с тем ставилась задача оценки влияния скорости резания на силовое взаимодействие резца с древесиной. Эксперименты проводились в лабораторных условиях на установке, созданной на базе фрезерного станка 6Ы83Г. Измерительная часть установки составлена из динамометра УШ 100,усилителя и светолучевого осциллографа. В качестве перемен-

о

Рис. 7. Схема действия сил.

ных параметров приняты: угол перерезания волокон (35° ... 75^, влажность древесины (10... 70$).скорость резания (0,1.. .12 м/с) Эксперименты организованы по классической схеме. Исследуемыми величинами являлись силы Рг (Р* совпадает с направлением подачи, Ру перпендикулярна к вектору подачи, Рг параллельна оси вращения фрезы).Углы резания и угол поворота резца к плосгасти вра-вращения приняты постоянными и соответствующими тем, которые приняты в производственной практике. Построены регрессионные зависимости исследуемых силовых факторов от переменных факторов.

Установлено, что с увеличением влажности древесины в рассмотренном диапазоне силы резания уменьшаются в 1,2. ..1,3 раза.

Увеличение угла перерезания волокон приводит к увеличению сил резания в 1,4... 3 раза.

При увеличении скорости резания происходит уменьшение силовых показателей процесса. Причем влияние отмеченного фактора проявляется дашь в диапазоне до 6 и/с (рис.8). Это позволяет ввести коэффициент влияния скорости резания и определять режимные параметра процесса фрезерования на основании статических задач с учетом этого коэффициента.

В рассмотренном диапазоне варьируемых параметров этот коэффициент составляет 0,693... 0,909 . Сравнение экспериментальных и теоре-

¡5

а

Рг.

Ру

Р,

С * В И

Рис. 8. Влияние скорости резания на величину сил резания.

тических результатов производилось при тех скоростях резания, при которых впервые замечалось влияние этого фактора. Для исследуемого диапазона параметров эта скорость оказалась равной 1 м/с. При атом установлено, что экспериментальные данные совпадают с расчетными в пределах 10... 15 X. Это свидетельствует о правомерности принятых гипотез и предположений. Однако является очевидным и то, что рассмотренный метод расчета процесса резания древесины нуждается в дальнейшем развитии. По-видимому во первых необходимо рассмотреть задачу в вероятностном аспекте. Это обусловлено тем, что процесс резания является случайным с широким полем рассеяния большинства параметров .определяющих и размеры формируемой щепы и силовые показатели.

Седьмой раздел содержит разработку путей повышения эффективности процесса фрезерования, Шделено два направления. Первое состоит в обоснованном выборе конструктивных и технологических параметров, обеспечивающих повывшение качества щепы и уменьшение силовых показателей процесса. Второе направление состоит в разработке конструкции фрезы, обеспечивающей значительное уменьшение сил резания по сравнению с применяемыми в настоящее время малонозяевыми торцовоконическими фреза»«. При этом качество шэпы не снижается.

Экономический эффект от использования предлагаемых разработок достигается за счет улучшения качества щепы на 8... 10 %, за счет улучшения качества и точности фрезеруемых поверхностей, в-результате уменьшения силовых воздействий, которые являются причиной вибрации и перебазирования бревна, за счет уменьшения энергетических затрат.

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. -Используемые в настоящее время методы расчета режимов резания древесины торцово-коническими фрезами с получением технологической щепы не соответствуют современным требованиям производства, не обеспечивают условий целенаправленного совершенствования технологии и инструмента и обоснованного Еыбора параметров процесса, обеспечивающих возможность повышения качества продукции.

Разработка расчетных зависимостей, объективно отражающих

процесс резания древесины, устанавливающих однозначную связь между параметрами качества получаемой продукции, возможна лишь на Оазе 'принципов рассмотрения процесса резания древесины как процесса ее разрушения.

2. Основными механическими характеристиками древесины, определяющими условия отделения элементов щепы, являются показатели вязкости разрушения. Установлено, что для древесины, как анизотропного материала, вязкость разрушения описывается девятью независимыми характеристиками. Исходя из постановки задачи доказана возможность описания анизотропии вязкости разрушения тремя значениями.

3. Уточнены представления о напряженном состоянии древесины при внедрении резца. Доказано, что:

- применение задач теории упругости для изотропного материала к анализу напряженного состояния древесины при резании, позволяет получить лишь качественную картину распределения напряжений. Количественные оценки при этом оказываются не соответствующими реальны).! и отличаются от них в 10 -20 раз;

- распределение напряжений имеет резко выраженный местный характер в зоне внедрения резца;

- наиболее значимыми факторами, оказывающими влияние на величину напряжений, являются: порода древесины, ее гидротермическое состояние, угол перерезания волокон;

- во всех точках области древесины при внедрении резца напряженное состояние является сложным, поэтому возможность применения технических решений, основанных на гипотезе плоских сечений к анализу напряженного состояния древесины при резании, исключается;

4. Трещины, расположенные на уровне режущей кромки оказываются в наиболее благоприятных для развития условиях. Поэтому толщина формируемой щепы определяется положением этих трещин в момент перехода их в режим нестабильного развития.

5 . Большим углам перерезания волокон соответствует больший размер щепы по толщине. В целях получения щепы, удовлетворяющей по толщине нормативным требованиям, рекомендуется осуществлять реяакие в диапазоне углов перерезания волокон 45 -30°.

6 . Увеличение угла поворота режущей кромки ножа к плоскости вращения фрезы приводит- к увеличению толщины целы. Исходя из

нормативных требований на толщину щепы рекомендуется производить

о а

установку ножей на фрезе в диапазоне углов 35 -40 . Однако следует отметить, что с уменьшением указанного угла возрастают нормальные сжимающие напряжения, действующие в направлении волокон, которые могут вызвать повреждение щепы в виде смятия торцовых кромок. Поэтому целесообразно осуществлять резание с большими углами, хотя вероятность образования щепы, толщина которой окажется больше допускаемого значения, возрастает.

7 . При фрезеровании торцово-коническими фрезами с углом

о

поворота резцов к плоскости вращения 45 усилия на гранях резца меньше на 20 - 30%, чем при фрезеровании торцовыми фрезами при прочих равных условиях.

8 . Изменение угла заострения резца, переднего и заднего угла не оказывает существенного влияния на величину и характер распределения напряжений. Однако величина этих параметров определяет величину контактных площадок, а, следовательно, и величину сил.

В целях уменьшения действующих на резец сил, рекомендуется производить фрезерование при следующих значениях угловых параметров: передний угол 45°- 48 , задний угол 10 - 15 , угол заострения 30°- 35е.

Основное содержание диссертации наложино в следующих печатных работах:

1. Сенькевич JL В., Соловьев В. В. , Ыоргачев A.M. О новом подходе к исследованию процесса образования технологической щепы// Научно-техн. прогресс в лесной и деревообрабатывающей промышленности. Тез. докл. науч. техн. конф. -Киев, 1991. -040.

2. Сенькевич Л В. Влияние гидротермического состояния древесины на распределение напряжений в зоне резания при фрезеровании с получением технологичесукой щепы//Совершенствование технологии и оборудования лесопилыю-деревообрабатывающих производств. Tea. докл. науч. техн. конф. мол. уч. и спец. -Архангельск, 1992. -С41-42.

3. Сенькевич Л. В. К вопросу исследования анизотропии вязкости разрушения древесины//Межвуз. сб. науч. тр. /ЛТА им. Кирова. - 1993: Станки и инструменты деревообрабатывающих производств.-С. 23-27.

4. Сенькевич Л. В. К вопросу определения вязкости разрушения древесины при антиплоском сдвиге, //Иг в. вузов. .Лесной куриал.-

1093.-И Е-3. - О. 4Б-48,

6. Сенькевич Л. Е Анализ процесса резания древесины при получении технологической щепы // Изв. вузов. Лесной журнал. - 1993. -N 4.- 0.59-63.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с заверенными подписями просим направлять по адресу: 194018 Санкт-Петербург, Институтский пер., 5. Лесотехническая академия, диссертационный совет. ■

Лицензия № 020460 от 04.03.92 г.

Сдано в произв. 12.03.94. Подписано в печать 15.03.94. Формат 60x84/16. Бумага типографская. Усл.печ.л. 1,25. Уч.-изд.л. 1,0. Заказ J6 8. Тирак 100 экз.

Отпечатано на ротапринте АЛТИ.

1о3007, г.Архангельск, наб.Северной Двины, 17