автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.05, диссертация на тему:Улучшение эксплуатационных свойств механизма резания фрезерно-обрезных деревообрабатывающих станков

РГ6 од

| д дрр |Саркт«Ле тербургская лесотехническая академия

На правах рукописи

ТРАКАЛО Юрий Иосифович

УЛУЧШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ МЕХАНИЗМА РЕЗАНИЯ ФРЕЗЕРНО-ОБРЕЗНЫХ ДЕРЕВООБРАЕАТЬШАШЩ СТАНКОВ

05.21.05 - Технология и оборудование деревообрабатывающих производств, древесиноведение

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербургская лесотехническая академия

На правах рукописи

ТРАКАЛО Юрий Иосифович

УЛУЧШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ МЕХАНИЗМА РЕЗАНИЯ ФРЕЗЕРНО-ОБРЕЗНЫХ " ДЕРЕЕООБРАБАТЬШАПЦИХ СТАНКОВ

05.21.05 - Технология и оборудование деревообрабатывающих производств, древесиноведении

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Работа выполнена на кафедре Станков и инструментов деревообрабатывающих производств Санкт-Петербургской лесотехнической академии.'

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ - кандидат технических наук, доцент

МАЛЫШЕВ Ю.В.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ - доктор технических наук, профессор

КАЖГЕЕВСКИЙР.Е.

г

- - кандидат технических наук, ТАРАСОВ С.П.

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ - Головное конструкторское бюро по деревообработке, ПСЕЩ»

Защита состоится "ОЗп 1993 г. в " <£

часов на заседании специализированного Совета Д.063.50.01 в Санкт-Петербургской лесотехнической академии (194018, Санкт-Петербург, Институтский пер., 5, Главное здание, зал заседаний).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке лесотехнической академии.

Автореферат разослан " " апреля 1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета

д.т.н., проф. АНИСИМОВ Г.М.

- 3 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Для современного дереворежущего оборудования характерны тенденции к повышению их производительности, росту рабочих нагрузок, экономичности и надежности. Удовлетворить наилучшим образоа столь противоречивым требованиям можно только при тщательном анализе движений в станках с учатом всех основных силовых факторов, используя методы динамики машин. Динамические исследования, теоретические и экспериментальные, позволяют выбрать рациональную схему станка, оценить точностные н прочностные характеристики и далее обоснованно выбрать размеры и материалы деталей. Для решения этих вопросов наиболее принципиальное значение имеет определение динамических ошибок и динамических нагрузок, действующих в механизмах станка, о использованием динамических моделей различной сложности.

В ведущих научно-исслэдовательских институтах и проектно-конструкторских бюро, занимающихся вопросами лесопиления, постоянно ведутся работы по совершенствованию лесопильного оборудования, в том числе и агрегатного. Для получения обрезных пиломатериалов и технологической щепы Вологодским ШЩ разработан фре зерно-обрезной станок модели Ц2Д-1Ф, механизм резания которого состоит из двух независимых фрезерно-пильных головок с консольным расположением режущего инструмента, В качестве режущих инструментов используются круглые пилы и четы-рехйожевые торцово-конические фрезы.

Высокие скорости резания и подачи, значительные нагрузки, которые испытывает механизм резания, вызывают необходимость проведения динамического анализа фрезерно-пильных головок г механизма в целом. Учитывая, что фрезерно-обрезные станки непрерывно совершенствуются, результаты динамического анализа могут быть использованы как при проектировании новых механизмов резания, так и при улучшении эксплуатационных показателей существующих.

Цель работы. Улучшение эксплуатационных показателей механизма резания путем совершенствования динамического качества элементов фрезерно-пильных головок и учета их колебатель-

ной связи через несущую конструкции станины станка.

Задачами работы являются:

- построение динамической модели механизма резания;

- теоретическое и экспериментальное определение упруго-инерционных характеристик деталей и узлов механизма резания;

- теоретическое и экспериментальное определение моментов движущих сил и моментов сил сопротивления, а такзе сил резания при торцово-Яоническом фрезеровании;

- теоретическое определение динамических ошибок и динамических нагрузок элементов механизма резания;

- теоретическое и экспериментальное определение характера взаимодействия фрезерно-пильных головок с обрабатываемым материалом, несущей системой и друг другом.

Научная новизна работы. Разработана трехмассовая динамическая модель фрезерно-пильной головки, позволяющая исследовать свободные и вынужденные крутильные колебания системы, определять значения динамических ошибок и нагрузок в элементах привода механизма при выполнении рабочего процесса. Получены математические зависимости для определения моментов сил сопротивления и касательной силы резания при торцово-коническом фрезеровании с учетом ударного характера процесса резания. Исследована возмоакость синхронного вращения двух фрезерно-пильных головок на упругой станине при фрезеровании.

Практическая ценность работы. Предложена методика расчета динамических характеристик механизма резания фрезерно-обрезного станка. Определены динамические ошибки в элементах приводов механизма и на выходном звене, что позволяет использовать их при проектировании механизмов резания с обратной связью. Определены нагрузки, действующие в элементах приводов механизма резания и на выходном звене. Установлена возможность самосинхронизации фрезерно-пильных головок при торцово-коническом фрезеровании и ее влияние на качество продукции.

Реализация работы. Результаты исследований и обоснованные рекомендации использованы цри создании и совершенствовании механизмов резания фрезерно-обрезных станков.

Апробация работы. Основные результаты работы докладыва-• лись п обсукдались на научно-технической конференции ЛТА в

1990 г., на заседаниях кафедры "Старки и инструменты деревообрабатывающих производств".

Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано две печатных работы.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести разделов, основных выводов и рекомендаций, списка литературы. Общий объем работы 136 о., включая 41 рисунков, 5 таблиц, список литературы - 82 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность теш исследований, сформулирована цель работы и основные научные положения, выносимые на защиту.

В первом раздела, посвященном состоянию вопроса, рассмотрены методы определения и исследования динамических характеристик механизмов резания дереворежущих станков.

Исследованиями и совершенствованием фрезерно-обрезных станков занимались Сумароков A.A., Боровиков Е.М., Кривоногов Г.Д., Щербина В.А., Пашков В.К. и др. Их работы посвящены конструкциям станков, применяемому режущему инструменту, качеству вырабатываемых пиломатериалов и технологической щзпы. Вопросам динамики внимание практически не уделяется.

Моделированию системы СПИД посвящены работы Аталицкого Б.В., Апостолюка С.А. Моделированием шпиндельных узлов ПФЯС занимались Комаров Г.А. и Чуков Г.С. Модели системы, приведенные в работах этих исследователей не учитывают влияния приводного двигателя на динамические характеристики механизмов резания, не позволяют определить первые две—три низшие собственные частоты и формы колебаний, резонансные амплитуды.

Рассмотрены существующие подхода к определению упругих и инерционных свойств моделируемых механизмов, собственных частот и форм колебаний, динамических ошибок и нагрузок.

Анализ опубликованных работ показал, что нет теоретических исследований рабочих цроцеоеов торцово-кокического фрезерования, динамики сил и элементов привода механизма резания, взаимодействия фрезерно-пильных головок на упругой станине, которые могли бы служить научной основой проектирования меха-

- 6 -

низмов резания фрезерно-обрезных станков.

Второй раздел посвящен теоретическому исследованию динамических характеристик механизма резания фрезерно-обрезного станка.

В качестве исходной была принята трехмассовая цепная динамическая модель (рис. I), приведенная к ротору электродвигателя, который заменен заделкой.

с, •д ■л

'1,

Рис. I. Расчетная схема механизма резания фрезерно-обрезного станка. £< - приведенная жесткость вала электродвигателя;

Сг - приведенная жесткость ременной передачи;

Сд - суммарная приведенная жесткость узла шлицевой вал-шпиндель;

7( - приведенный момент инерции шкива электродвигателя;

Уг. - приведенный момент инерции шкива шлицевого вала;

7>- приведенный момент инерции режущего инструмента.

Упругие и инерционные характеристики находились расчетно-экспериментальннм путем по известным методикам.

Описание функционирования механизма было произведено на базе уравнений Лаграняа второго рода. На первом этапе теоретических исследований были найдены собственные частоты и формы колебаний системы. В развернутом виде система уравнений свободных малых колебаний системы выглядит следующим образом 3 £+(<?,+Г,) ^

+ Сс, ^-¿з^ -О (1)

Решая эту систему уравнений получим значения трех первых собственных частот колебаний системы 4< ^ 4а ^з • Для системы, изображенной на рис. I, значения собственных частот ооставкли: ki = 13,7 Гц; = 60 Гц; = 217 Гц; Частота возмущающей силы при вращении на холостом ходу =27,7 Гц, при выполнении рабочего процесса Ац, = III Гц.

Анализируя собственные частоты колебаний видно, что частота возмущающей силы при резании находится между второй и третьей собственными частотами, т.е. данная система может быть адекватно описана трехмассовой динамической моделью.

В системе не монет возникнуть основной резонанс, но возможен резонанс на высших гармониках, который не является опасным.

Для анализа вынужденных колебаний необходимо найти обобщенный момент сил сопротивления резанию. Для этого воспользуемся расчетной схемой, изображенной на рис.2, представленной в виде массы с моментом инерции 7 , вращающейся на валу с крутильной жесткостью С , угловой скоростью и)о и ударяющейся о неподвижную абсолютно жесткую поверхность.

Рис. 2. Схема к расчету момента сил сопротивления. ' Уравнение движения тела вокруг неподвижной оси

(2)

При ударе фрезы возникает момент сил упругости вала, пропорциональный углу его закручивания

м='-С м-б) (3)

где сР - текущее значение угла поворотом вала, рад.; угол поворота вала до удара, рад.

Ж-ОеЬ (4)

Подставляя (4) в (3), а затем приравняв (3) и (4), раскрывая скобки, перенеся члены, содержащие ^ в левую часть и введя обозначения С /?2

. ■ (5)

получим

Ы2<?4гЛЛ (6)

Решим это уравнение при следующих начальных условиях: Ь = 0; = 0; ({= -/? и)с , где I? - коэффициент восстановления при ударе по Ньютону, о

Опуская промежуточные выкладки, запишем максимальный угол закручивания вала

С' ^^

Максимальный момент сил сопротивления будет равен

^Ц* ¿¡)0\1тУ-1 ' _ (в)

Учитывая периодический характер момента сил соцротивле-ния и перейдя к частоте вращения подучим

^Ушн)2 - ' 7/^2 ЭД (9)

^ - количество ножей фрезы; л,- частота вращения фрезы на холостом ходу. Поскольку момент сил сопротивления вызван практически только касательной силой резания, найдем ее величину

А; ЩсоЦ^)

V • Та I !--ЧШ

Сгпт + сср с^о^

где ^ - угод контакта ножа с древесиной;

гпи'п- минимальный диаметр торцовоконической фрезы, мм; 6*р- ширина фрезерования, мм;

- угол между пилой и ножом фрезы. Схема для-расчета вынужденных колебаний показана на рис,а

С,

1•' 'Л -г-

Га

р,

Рис. 3. Схема для расчета вынужденных колебаний. Уравнения движения в главных координатах имеют вид:

/'О

(И)

где

А - матрица инерционных коэффициентов; /1т ~ ^ _я Форма колебаний на -Р -ой собственной частоте; - £ -я главная координата

обобщенная сила. Решим уравнение (II) и перейдя к обобщзнным ноордияатам получим выражения для динамических ошибок по углу поворота и угловой скорости

м)

(12)

(13)

где

где

Игр- средний момент сил сопротивления резанию. Динамические нагрузки, возникающие в элементах привода

/V =

^

(14)

С - жесткость ^ -го элемента. Затем была рассмотрена возможность самосинхронизации фрезерно-пильных головок, находящихся на упругой станине. Под самосинхронизацией фрезерно-пильных головок понимается

установление одинаковой угловой скорости вращения инструмента и разности фаз при входе ножей в древесину равной нулю. Для решения задачи была составлена система уравнений, включавшая в себя два уравнения движения станины во взаимоперпевдикулярных направлениях и уравнения движения двух головок. После решения этой системы методом малого параметра Пуанкаре и Ляпунова были получены условия самосинхронизации. Угловая скорость синхронного вращения

где

Ик

--Ийг - Не*__^ 15)

2 (6л4г)

,,01-г., - параметры приводного электродвигателя;

Ме, Мс - моменты сил сопротивления левой и правой фрезернопилъных головок; I - передаточное отношение. Угол сдвига фаз между ножами определяется выражением

____(16)

= А&т! 1 л 4 ) ~ Я'-й? О2- /

Мчзёв

где Ми^о - избыточные моменты;

4-6 - амплитуда вибрационного момента.

где Р1 - касательные силы резания;

1л - масса станины шесте с головками; О - частота вращения головок; О, - собственные частоты колебаний станины по направлению осей оХ и О 2. • При значениях угла 6 , равных 0 можно говорить о самосинхронизации фра зерно-пильных головок.

Третий раздел посвящен методике экспериментальных ис-

следований. Экспериментальные исследования проводились на установке, созданной на базе фрезерно-обрезного станка Ц2Д-1Ф. Параметры моментов и сил резания измерялись электротензометриче-ским методом. Съем сигналов с движущихся элементов осуществлялся с помощью ртутно—амальгамированных токосъемников, В качестве регкстрарирущей аппаратуры использовались тензоусилители УТ4-1, свеголучевой осциллограф Н 1Г7/1 с избирателями пределов. Мощность на резание определялась с помощью измерительного комплекта К 505, трансформатора тока УТТ-5М, преобразователя мощности, электрического фильтра и усилителя ТОПАЗ 4-01.

Угловая частота вращения измерялась по отметкам оборотов на осциллограмме.

Исследование самосинхронизации фрезерно-пильных головок проводилось по осциллограммам моментов сил сопротивления и оценивалась с помощью коэффициента корреляции.

При обработке результатов экспериментальных исследований применялись программ из математического обеспечения ЭВМ.

В четвертом разделе приведены результаты экспериментальных исследований статистических и динамических параметров механизма резания.

При исследовании крутильной жесткости узла шлицевой вал-шпиндель полученная для левой головки жесткость составила 11,7 . Ю3 н.м./рад, а для правой - 15,4 . Ю3 н.м./рад. Расхождение расчетных и экспериментальных данных составляет: для левой головки 9,7%, для правой - 15,85?.

Приведены значения коэффициентов восстановления при фрезеровании сосновых пиломатериалов различной ширины толщиной 25 мм при 80%-ш влажности. Зависимость коэффициентов восстановления от ширины фрезерования аппроксимируются прямыми линиями.

Фрагмент осциллограммы моментов сил сопротивления приведен на рис. 4. Пульсация при резании происходит с частотой 102-107 Гц.

Частота пульсаций соответствует предельной частоте возмущающей силы при торцово-коническом фрезеровании, которая зависит от частоты вращения инструмента и количества ножей. При вращении на холостом ходу момент на шпинделе составляет 17-23 н.м. Зависимости моментов сил сопротивления от ширины резания

Рис. 4. Момент сил сопротивления при резании древесины сосны, h = 25 мм, i<f> = 150 мм.

и частоты вращения инструмента аппроксимируются прямыми линиями, т.е. момент растет пропорционально увеличению ширины фрезерования и уменьшению частоты вращения.

Как видно из осциллограммы, процесс резания носит ударный характер, вследствие того, что при входе ножа в древесину момент сил сопротивления максимальный.

Фрагмент осциллограммы касательной силы резания показан на рис. 5.

Рис. 5. Касальная сила резания при торцово-коническом фрезеровании древесины сосны, /) = 25 мм, 150 мм.

Были записаны мгновенные значения касательной силы резания для левой фрезерно-пильной головки, и составляющие Рх и - для правой.

Моменты движущих сил, несмотря на пульсирующий характер изменения моментов сил сопротивления, во время фрезерования изменяются незначительно. Это вызвано демпфирующими свойствами ременной передачи.

Мощность, потребляемая на холостом ходу, составляет около 4 кВт. При резании наблюдается пульсация мощности с час-

- 13 -

тотой возмущающей силы и амплитудой 1-3 кВт.

Моменты на валах электродвигателей и мощность, потребляемая на резание, возрастают пропорционально ширине фрезерования, что позволяет описать работу электродвигателей статистической характеристикой. Наиболее рациональными по потребляемой мощности и моментом на валах двигателей являются режимы обработки с h = 25 мм, êopp =100 мм.

При исследовании самосинхронизации двух фрезерно-ппль-шх головок при резании полученные коэффициенты корреляции при всех режимах обработки составили 1 = 0,999. Это позволило сделать вывод, что головки при торцово-коническо'м фрезеровании имеют тенденцию к самосинхронизации, т.е. установлению одинаковой угловой скорости вращения и разности фаз, при еходв но гей в древесину, близкой к нулю. Полная самосинхронизация невозможна, вследствие того, что древесина неоднородней материал и величина сил резания на головках будет различной.

Пятый•раздел посвящен результатам экспериментально-теоретических исследований механизма резанпя фрезерно-обрззного станка.

Приводятся уточненные собственные частоты и формы колебаний фрезерно-пильных головок, рассчитанные с учетом экспериментально определенной крутильной жесткости узла шлицевой . вал-шпиндель. Для левой фрезерно-пильной головки собственные частоты составили: = 13,4 Гц; 4 т. = 54 Гц; = 216 Гц, для правой - = 13,9 Гц; = 58 Гц; А3 = 218 Гц.

При сравнении моментов сил сопротивления определенных экспериментальным и теоретическим путем видно, что чем больше угол контакта ножа с древесиной, тем точнее формула (9) описывает изменение моментов сил сопротивления на шпинделях. Учитывая, что изменение моментов сил сопротивления описывается косинусоидальной функцией, при угле контакта ножа о древесиной равным 45°, формула (9) будет практически адекватно описывать экспериментальные кривые. Отсюда можно сделать вывод, что формулу (9) можно использовать только при расчете моментов сил сопротивления на режимах обработки, близких к максимальным.

Найдены динамические ошибки по угловой скорости на выход-нем звене в процессе торцовоконического фрезерования, возни-

каодие от действия моментов сил сопротивления. Амплитуда максимальной динамической ошибки для правой головки меньше, чем для левой поскольку крутильная жесткость правой головки выше, чем левой.

Динамические нагрузки, возникающие при выполнении рабочего процесса достигают наибольших величин в передаточном механизме (ременной передаче). Амплитуды кривых динамических нагрузок изменяются пропорционально изменению моментов сил сопротивления. Сравнивая кривые динамических ошибок и данимиче-ских нагрузок видно .^то амплитуды кривых динамических ошибок отстают по фазе на ^ /4 от амплитуд кривых динамических нагрузок.

При исследовании возможности самосинхронизации фрезерно-пильных головок, теоретический сдвиг фаз вычисленный по формуле (16) с учетом экспериментальных значений моментов движущих сил, сил сопротивления и касательной силы резания составил 3-7°. Таким образом, подтверждается возможность самосинхронизации фрезернопильных головок при торцово-коническом фрезеровании.

В шестом разделе изложена методика и произведен расчет экономической эффективности от внедрения результатов приведенных исследований.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

I. Разработанная математическая модель динамической системы позволяет определить динамические характеристики фрезер-но-пильных головок механизма резания фрезерно-обрезного станка при вращении на холостом ходу и выполнении рабочего процесса.

При этом установлено, что требования инженерного расчета удовлетворяет трехмассовая расчетная схема.

2. Теоретическими и экспериментальными исследованиями установлено, что существенное влияние на момент сил сопротивления при резании оказывает крутильная жесткость узла шлице-вой вал - шпиндель и частота вращения инструмента.

3. Момент сил сопротивления пропорционален ширине фрезерования материала и обратно пропорционален частоте вращения ин-

- 15 -

струмента. Максимального значения он достигает в момент входа ножа в древесину. Частота возмущающей силы находится в пределах 102-107 Гц.

4. Характер изменения динамических ошибок по углу поворота и угловой скорости, а также динамических нагрузок на элементах привода определяется законом изменения момента сил сопротивления резанию. Динамические нагрузки опережают по фазе на Ji /4 динамические ошибки по угловой скорости.

5. Установлено, что частота возмущающей силы не совпадает ни с одной из собственных частот колебаний фрезерно-пильных головок, что исключает возможность возникновения основного резонанса.

6. Крутильная жесткость узла пищевой вал-шпиндель составила для левой головки - 11,7 . I03 н.м./рад, для правок -15,4 . Ю3 н.м/рад. Обе головки обладают избыточной крутильной жесткостью, которая может быть снижена до I0.I03 н.м/рад за счет увеличения податливости ситцевого вала.

7. Величина момента сил сопротивления практически полностью определяется величиной касательной силы резания и радиусом резания торыово-конической фрезы.

8. Установлено, что фрезерно-пильные головки при резании шеют тенденцию к самосинхронизации, т.е. установлению одинаковой угловой скорости вращения и разности фаз между ножами левой и правой головок, при входе их в древесину равной 0. При синхронном вращении станина испытывает минимальные колебательные нагрузки от сил резания.

9. Расчетный экономический эффект от улучшения эксплуатационных свойств механизма резания составляет IIII руб. на один станок.

По материалам диссертации опубликованы следующие работы:

1. Тракало Ю.И., Межов В.Г., Кузнецов Л.Д. Определение инерционных и квазиупругих коэффициентов для описания движения приводных механизмов фрезерно-обрезного станка при помощи уравнения Лагранжа второго рода. - Екатеринбург, 1992. -7с. - Представлена УЛТИ. Деп. в ВНШПШлеспром, № 2768.

2. Межов В.Г., Тракало Ю.И. К вопросу об оценке динамических

-16 - ■

приводных механизмов деревообрабатывающих станков. - СПб„ 1992. - II с. Представлена JITA. Деп. в ВНИШШлеспром, Ге 2851.

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

Подписано в печать с оригинал-макета 05.04.93. Формат 60X90 I/I6. Бумага оберточная. Печать офсетная. Изд.№8. Уч.-изд.л. 1,0. Печ.л. 1,25. Тираж 100 экз. Заказ № 19. С 8. Редакционно-издательский отдел ЛТА

Подразделение оперативной полиграфии ЛТА I940I8. Санкт-Петербург, Институтский пер., 3.