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

Санкт-Петербургская лесотехническая академия

На правах рукописи

ТРШЛО Юрий Иосифович

УЛУЧШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ МЕХАНИЗМА РЕЗАНИЯ ФРЕЗЕРН0-0БРЕЗШХ ДЕРЕВООБРАБАТЫВАЮЩИХ СТАНКОВ

05.21.05 - Технология и оборудование деревообрабатывающих производств» древесиноведение

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1993

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

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ - кандидат технических наук, доцент

МАЛЫШЕВ Ю.В,

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ - доктор технических наук, профессор

ШИТЕЕВСКИЙ P.E.

- кандидат технических наук, ТАРАСОВ С.П.

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ - Головное конструкторское бюро по деревообработке, ШЦД.

Защита состоится " 3 " Щ-Р U И 1993 г. в часов на заседании специализированного Совета Д.063.50.01 в Санкт-Петербургской лесотехнической академии (I940I8, Санкт-Петербург, Институтский пер., 5, Главное здание, зал заседаний),

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке лесотехнической академии.

Автореферат разослан " У " апреля 1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета

д.т.н., проф. АНИСИМОВ Г.М.

- 3 ~

ОВЦЬЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Для современного дереворежущего обо-г/дованкя характерны тенденции к повышению их производитель-гости, росгу рабочих нагрузок, экономичности и надежности. Удовлетворить наилучшим образом столь противоречивым требо-заниям можно только при тщательном анализе движений в станках : учетом всех основных силовых факторов, ислольэуя методы ди-шмики машин. Динамические исследования, теоретические и экс-юрименгальные, позволяют выбрать рациональную схему станка, денить точностные и прочностные характеристики и далее обо-:новаяно выбрать размеры и материалы деталей. Для решения лих вопросов наиболее принципиальное значение имеет определите динамических ошибок и динамических нагрузок, действующих в механизмах станка, о использованием динамических моде-гей различной сложности.

В ведущих научно-исследовательских институтах и проектно-соне тру кторских бюро, занимающихся вопросами лесопиления, по-:тоянно ведутся работы по совершенствованию лесопильного обо->удованЕя, в том числе и агрегатного. Для получения обрезных шломатериалов и технологической щепы Вологодским ГОБД раз->абоган фрезерно-обрезной станок модели Ц2Д-1Ф, механизм ре-¡ания которого состоит из двух независимых фрезерно-пильных »ловок с консольным расположением режущего инструмента. В ка-сествз режущих инструментов используются круглые шиш и четы-юхВокевые торцово-конические фрезы.

Высокие скорости резания и подачи, значительные нагруз-:и, которые испытывает механизм резаная, вызывают необходи-юсть проведения динамического анализа фрезерно-пильных го-ювок п механизма в целом. Учитывая, что фрезеряо-обрезшю ¡танки непрерывно совершенствуются, результаты динамического 1нализа могут быть гепольаеваны как при проектировании новых юхашзмов резаяня, так и при улучшении эксплуатационных по-¡азагелэй сущаствувщх.

Цель работы. Улучшение эксплуатационных показателей ые-анизма резания путем совершенствования динашгееокого качвст-в элементов фрезерно-пильных головок и учета их колебатель-

ной связи через несущую конструкта станины станка.

Задачами работы являются:

- построение данагкгческой модели механизма резания;

- теоретическое и эксшриыенталькое определенна упруго-инерционных характеристик деталей к узлов механизма резания;

- теоретическое н экспериментальное определение моментов движущих сил и моментов сил сопротивления, а такие сил резания прз торцово-роническом фрезеровании}

- теоретическое определение дашншзчесхшс о гибок к дина-мичеокЕХ нагрузок элементов механизма резания;

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

Научная новизна работы. Разработана грехмассовая'динамическая модель фрезерно-пильной головки, позволяющая исследован свободные и вынужденные крутильные колебания сисяемы, определять значения динашческих 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 фрс веровании с уче том ударного характера процесса резаная. Исследована юзйэкность синхронного вращения двух фрезерно-пильных головок на упругой станине при фрезеровании.

Практическая ценность работп. Предлоги на мзтодика расчета динамических характеристик механизма резания фрезерно-обрез ного станка. Определена динамические ошибки в элементах приводов механизма и на выходном звана, что позволяет использовать ш при проектировании механизмов резания с обратной связью. Определены нагрузки, действующие в элементах приводов механизма резания и на выходном звене. Установлена возможность самосинхронизации фре зерно-пильных головок при торцово-коническом фрезеровании и ее влияние на качество продукции.

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

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технической конференции ЛТА в

[990 г., на заседаниях кафедры "Старей и инструменты дерево-Срабатывающих производств".

Публикации. По результатам проведенных исследований ¡публиковано две печатных работы.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, юсги разделов, основных выводов и рекомендаций, списка лите-агуры. Общий объем работы 136 о., включая 47 риаунков, 5 'аблиц, список литературы - 82 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследований, ¡формулирована цель работы и основные научные положения, вы-юсимые на защиту.

В да рвом раздала, посвященном состоянию вопроса, рассмот->ены методы определения и исследования динамических характерно-■ик механизмов резания дереворежущих станков.

Исследованиями и совершенствованием фрезерно-обрезных :танков занимались Сумароков A.A., Боровиков Б.М., Кривояогов '.Д., Щербина В.А., Пашков В.К. и др. Их работы посвящены ков-;трукциям станков, применяемому режущему инструменту, качест-iy вырабатываемых пилоыатеривлов и технологической щэпы. Вопросам динамики внимание практически не уделяется.

Моделированию системы СПИД посвящены работы Айалицкого I.B., Апостолюка С.А. Моделированием шпиндельных узлов ПФЯС ¡авимались Комаров Г.А. и Чуков Г.С. Модели системы, приведение в работах этих исследователей не учитывают влияния приводите двигателя на динамические характеристики механизмов раза— щя, не позволяют определить первые две-три низшие собственные [астогы и формы колебаний, резонансные амплитуды.

Рассмотрены существующие подхода к определению упругих и [нерцаояных свойств моделируемых механизмов, собственных час-■от и форм колебаний, динамических ошибок и нагрузок.

Анализ опубликованных работ доказал, что нет теоретически исследований рабочих процессов торцово-коЕического фрезерования, динамики сил и элементов привода механизма резания, 13аимодвйствия фрезерно-пильных головок на упругой станине, югорыэ могли бы служить научной основой проектирования меха-

- 6 -

ЯИ8М0В 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 ротор? электродвигателя, который заменен заделкой.

ГА

С,

Сг

с2

Рис. I. Расчетная схема механизма резания фрезерно-обрезного станка, СI - приведенная жесткость вала электродвигатели;

Сг - приведенная кесткость ременной передачи;

- суммарная приведенная жесткость узла шлицевой вал-шпиндель;

7: - приведенный момент инерции шкива электродвигателя;

- приведенный момент инерции шкива пшщевого вала

7л - приведенный момент инерции режущего инструмента.

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

Описание функционирования механизма было произведено на базе уравнений Лагранка 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

+ Сс'~€ (I)

Решая эту систему уравнений получим значения трех первых собственных частот колебаний системы 4i ^ . Для системы, изображенной на рис. I, значения собственных частот ооставкли: kt = 13,7 Гц; ~ 60 Гц; = 217 Гц; Частота возмущающей силы при вращении на холостом ходу ß ш =27,7 Гц, при выполнении рабочего процесса &,g = III Гц.

Анализируя собственные частоты колебаний видно, что частота воз?луцающей силы при резании находится между второй и третьей собственннми частотами, т.е. данная система может быть адекватно описана грехмассовой динамической моделью.

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

Для анализа вынунденных колебаний необходимо найти обобщенный гломэнт сил сопротивления резанию. Для этого воспользуемся расчетной схемой, изображенной на рис.2, представленной в виде массы с моментом инерции J „ вращающейся на валу с крутильной жесткостью С , угловой скоростью До 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 мэмент сил упругости вала, пропорциональный углу его закручивания

М^-СМ-с/о) (3)

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

- 8 -

^е^ОоЬ (4)

Подставляя (4) в (3), а затем приравняв (3) и (4), раскрывая скобки, перенеся члены, содержащие { в левую часть и введя обозначения

С

з'* С5)

получим

ЫЪ-Ш " (6)

Решим это уравнение при следующих начальных условиях: С = 0; <? = 0\ у = -И и)0 , где /Р - коэффициент восстановления при ударе по Ньютону,

Опуская промежуточные выкладки, запишем максимальный угол закручивания вала о

С; -¡р -\fwtf -<') (7)

Максимальный момент сил сопротивления будет равен

' (8)

Учитывая периодический характер момента сил сопротивления и перейдя к частоте вращения подучим

- количество ноаей фрезы;

-частота вращения фрезы на холостшм ходу. Поскольку момент сил сопротивления вызван практически только касательной силой резания, найдем ее величину

где 4: - угол контакта ножа с древесиной}

гт;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.З.

\

\ \ \ \ N

С-х С*

К?

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

где

А - матрица инерционных коэффициентов;

~я Форма колебаний на -Р -ой собственной частоте; Я -я. главная координата

- обобщенная сила. Решим уравнение (II)

и перейдя к обобщз нныгл координатам получим выражения для динамических ошбок по углу поворота и

угловой скорости

% ' Ц2>

а)

сеЦ.2&4) (13)

где Мер- средний ?ломент сил сопротивления резанию.

Динамические нагрузки, возникающие в элементах привода

[Сут СИ)

где с - хесгкость Угу -го элемента.

Затем была рассмотрена возможность самосинхронизации фрезерно-пильных головок, находящихся на упругой станине. Под самосинхронизацией фрезерно-пильнях 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, вклзочашая ь себя два уравнения движения станины во взаимоперпециркулярных направлениях и уравнения движения двух головок. После решения этой системы методом малого параметра Пуанкаре и Ляпунова были получены условия самосинхронизации. Угловая скорость синхронного вращения

П ¿оь-Яс-н^г ~ Ус-г .тсЧ

где Л, 01-г, Ч>1, - параметры приводного электродвигателя;

/Iк - моменты сил- сопротивления левой и правой фрезернопильннх головок; ¿ - передаточное отношение.

Угол сдвига фаз межгу ножами определяется вирам нивм

/Чцз^,

= < 4 ^ ) =

сю

Mu.fi>.

•г

(17)

_ + —С—)

где ~ избыточные моменты;

- Мс, 1 ^ ' Мс?

- амплитуда вибрационного момента.

, РА ( , * ) й Т7Г\а\и + г?*.*;)] где - касательные силы резания;

М - масса станины шесте с головками; О - частота вращения головок; ^ к1, - собственные частоты колебаний станины по направлению осей оХ и о 2 . При значениях угла 6 , равных 0 можно говорить о самосинхронизации фрезерно-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 электротеизометрическим методом. Съем сигналов с движущихся элементов осуществлялся с помощью ртутно-амальгамированных токосъемников. В качестве регкстрарирующей аппаратуры использовались тензоусилители УТ4-1, светолучевсй осциллограф Н II7/I с избирателя},и пределов. Мощность на резание определялась с помощью измерительного комплекта К 505, трансформатора тока УТТ-5М, преобразователя мощности, электрического фильтра и усилителя Т0ПА.З 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 программы 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 . I03 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^-й 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, ¿<р = 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 нежа 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 и Р^ - 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 рекимы обработки с А) = 25 км, = 100 мм.

При исслздовашш самосинхронизации двух фрезерно-пиль-шх головок при резании полученные коэффициенты корреляции при всех режимах обработки составили Т = 0,999. Это позволило сделать вывод, что головки при торцово-коническои фрезеровании имеют тенденции к самосинхронизации, т.е. установлению одинаковой угловой скорости вращения и разности фаз, при Еходе нокей в древесину, близкой к нулю. Полная самосинхронизация невозможна, вследствие того, что древесина неоднородной материал и величина сил резания на головках будет различной.

Пятый раздел посвящен результатам эксперимангально-тео-ретичсских исследований механизма резания фрезерно-образвого 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; = 54 Гц; 4^ = 216 Гц, для правой - =13,9 Гц; =58 Гц; А3 = 213 Гц.

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

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

кающие ох действия моментов сил сопротивления. Амплитуда максимальной динамической ошибки для правой головки меньше, чем для левой поскольку крутильная жесткость правой головки вше, 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 видното амплитуды кривых динамических ошибок отстает 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 горцово-коническом фрезеровании.

Е 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 хода 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 шмент сил сопротивления при резании оказывает крутильная жесткость узла шшце-вой вал - шпиндель и частота вращения инструмента.

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

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 J! /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 шлицевой вал-шпиндель составила для левой головки - 11,7 . I03 н,м./рад, для правой -15,4 , Ю3 н.м/рад. Обе головки обладают избыточной крутильной жесткостью, которая может быть снижена до I0.I03 я.м/рад за счет увеличения податливости шлицевого вала.

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

8. Установлено, что фрезерно-пильные головки при резании имеют тенденцию к самосинхронизации, т.е. установлению одинаковой угловой скорости вращения и разности фаз мекду ножами левой и правой головок, при входе их в древесину равной 0. При синхронном вращении станина кспытывает 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., Меков 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 У ЛГИ. Деп. в ВНИПИЭИлеспром, № 2768.

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

приводных механизмов деревообрабатывающих станков. - СПб. 1992. - II с. Представлена ЛТА, Деп. в ВНИШЭИлеспром, 1ё 2851.

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

Подписано в печать с оригинал-макета 05.04.93. Формат 60x90 1/16. 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 ^

194018. Санкт-Петербург, Институтский.пер., 3.