CC BY
145
МЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ДРЕВЕСИНЫ И ДРЕВЕСИНОВЕДЕНИЕ
УДК 674.053
В.Г. Новоселов, И.Т. Рогожникова
Уральский государственный лесотехнический университет
Новоселов Владимир Геннадьевич родился в 1954 г., окончил в 1976 г. Уральский лесотехнический институт, кандидат технических наук, доцент, проректор по экономике и работе с персоналом Уральского государственного лесотехнического университета. Имеет более 150 научных и учебно-методических трудов в области динамики и надежности деревообрабатывающих машин. E-mail: prec-ec@usfeu.ru
Рогожникова Ирина Тихонова родилась в 1963 г., окончила в 1986 г. Уральский политехнический институт, доцент кафедры начертательной геометрии и машиностроительного черчения Уральского государственного лесотехнического университета. Имеет более 60 печатных работ, в том числе в области надежности машин и оборудования. E-mail: nauka-les@yandex.ru
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ШЕРОХОВАТОСТИ ОБРАБОТАННОЙ ПОВЕРХНОСТИ В ПРОЦЕССЕ ФРЕЗЕРОВАНИЯ ДРЕВЕСИНЫ
Исследовано изменение параметров шероховатости обработанной поверхности древесины в зависимости от износостойкости материала лезвия фрезы и продолжительности эксплуатации инструмента.
Ключевые слова: технологическая система деревообработки, шероховатость поверхности, древесина, профилометр, износостойкость, надежность.
Технологическая система продольного фрезерования древесины в соответствии с ГОСТ 27.004-85 [4] включает в себя функционально взаимосвязанные четырехсторонний продольно-фрезерный станок, черновую деревянную заготовку и исполнителя - станочника по деревообработке, выполняющего в регламентированных условиях производства заданную технологическую операцию. По ГОСТ 27.202-83 [3] качество изготавливаемой продукции является одним из критериев оценки надежности технологической системы. В свою очередь, одним из основных показателей качества продукции деревообработки служит шероховатость обработанной поверхности, оказывающая непосредственное влияние на многие технологические и эксплуатационные свойства деталей в целом и являющаяся важным производственным фактором, от которого зависит расход материалов и технико-экономическая эффективность многих технологических операций (склеивание, шлифование, покрытие лаком и др.). Нельзя забывать и об эстетических свойствах древесины - отражающей и поглощающей способности, на которую непосредственно оказывает влияние шероховатость поверхности.
Физическая модель, описывающая потерю качества по показателю «шероховатость поверхности» в деревообработке по мере износа инструмента и закономерности возникновения соответствующих отказов, приведена в работе [5].
Теоретическое исследование предложенной модели методом численного эксперимента, выполненное нами ранее [6], позволило выдвинуть гипотезу о том, что наибольшее влияние на наработку до отказа оказывает изменение следующих факторов: шероховатость в начальный период обработки; интенсивность изнашивания инструмента; припуск на обработку.
Для проверки выдвинутых гипотез на базе предприятия ООО «НИК» в г. Сысерть были проведены исследования по определению изменения шероховатости поверхности в процессе обработки деревянных деталей. Для этого использовали 4-сторонний продольно-фрезерный станок «Martin» (скорость подачи 12 м/мин, частота вращения ножевых головок 6000 мин"1). Обрабатывали сосновые пиломатериалы шириной 157 мм, толщиной 55 мм, длиной 3000 мм, влажностью 12 %. Верхнюю, правую и левую плоскости обрабатывали фрезой, оснащенной четырьмя сменными неперетачиваемыми ножами фирмы «Leuko» каждая, нижнюю - двумя стальными ножами марки 8Х6НФТ. К началу исследований ножи на фрезах имели приработку,
лезвие фрез было относительно затуплено. Во время исследований станок не поднастраивали. Регламентируемые условия производства - постоянная влажность и температура окружающей среды в столярном цехе.
Исследования проводили по методике [8]. Оценку и измерение шероховатости поверхности древесины производили метрологическим методом (ГОСТ 15612-78 [2]) с помощью профилометра ПМД-100 [7], который выпускает по индивидуальным заказам предприятие ООО «Микроавтоматика» (г. Пенза). Через определенные промежутки времени работы станка после фрезерования отбирали по 3 доски, у каждой из этих досок измеряли шероховатость поверхности на трех участках длиной не более 200 мм (начало, середина и конец доски) во всех четырех плоскостях (рис. 1).
/ { ' НпправлешЕе
\ движения доски
Рис. 1. Расположение обрабатываемых плоскостей (1-4) пиломатериала: 1 -верхняя,
2 - левая, 3 - нижняя, 4 - правая
£ 60
о
£ 40
о
X
о -
| I 20
♦ * 1 - * —
/ 1 ♦
■ /2 - - ■ 7 -т
* ■ ■ ■ ■ ■ ■
1 1 1 1 1^1
о,
с
о
50 100 I [родолжи
150 200 250 300 работы. МИН
и
б
_I_I_I_I_I
100 150 200 250 300 елыюсть работы, чин
б
Рис. 2. Зависимость параметров шероховатости (я, б) обработанной поверхности от продолжительности работы: 1 - К
9 _ о э_ о _/ _ С
шшах, 2 3 ^й, 4
а
Кроме того, фиксировали наличие ворсистости, мшистости, сколов, вырывов. В каждом измерении на базовой длине 8 мм четырех обрабатываемых плоскостей определяли следующие показатели шероховатости: среднее арифметическое абсолютных отклонений профиля Яа, высота неровностей профиля по десяти точкам Я2, среднее арифметическое высот отдельных наибольших неровностей профиля Я шшах, средний шаг неровностей профиля по впадинам £г.
Данные измерений статистически обрабатывали: для каждой ]-й выборки определяли среднее значение каждого из параметров шероховатости обработанной поверхности и среднее квадратическое отклонение значений в выборке. Типичные графики изменения параметров шероховатости в процессе обработки приведены на рис. 2.
Зависимости изменения параметров шероховатости Яа, Я2, Яшшах поверхностей, обрабатывавшихся твердосплавными ножами, от продолжительности работы могут быть аппроксимированы линейными уравнениями вида
у = М + у0, (1)
где у - параметр шероховатости;
к - коэффициент пропорциональности; ^ - продолжительность работы; у0 - начальное значение параметра шероховатости. Значения параметров к и ^ из формулы (1) приведены в табл. 1, из данных которой видно, что при одинаковом порядке начальных значений параметров шероховатости - высот неровностей, интенсивность их изменения (к) существенно отлична на разных плоскостях обработки.
Средний шаг неровностей профиля по впадинам (£2) в начале обработки (у0) близок к значению подачи на один оборот ножевой головки, что соответствует утверждению [1] о том, что вследствие неточности установки кинематическую волну неровности образует одно лезвие.
С течением времени из-за износа лезвий радиусы поверхностей резания уравниваются, максимальные неровности уменьшаются, средний шаг неровностей профиля по впадинам
сокращается. Косвенно это подтверждается тем, что на верхней плоскости начальный шаг неровностей в начале обработки оказался меньше, чем на других, вероятно, из-за более точной установки ножей, но в процессе работы он изменялся менее интенсивно (примерно в 4-6 раз).
Таблица 1
Параметру Плоскость Коэффициент пропорциональности Начальное значение параметра У0, мкм
Яа 1 0,0033 6,03
2 0,0170 6,22
4 0,0100 10,38
Я; 1 0,0045 11,52
2 0,0135 11,21
4 0,0092 17,22
Яттах 1 0,0315 35,20
2 0,0650 34,37
4 0,0116 50,05
5; 1 -0,5567 1688
2 -2,3643 2279
3 -3,3083 2316
4 -2,5875 2284
Однако определение параметров Яттах в зависимости от путем геометрических построений как высоты кругового сегмента с радиусом, равным радиусу поверхности резания [1], дает заниженные примерно в 5 раз значения. Это, вероятно, можно объяснить тем, что реальная поверхность резания образуется всеми лезвиями и представляет собой ступенчатую ломаную. Разность высот наивысшей и наинизшей ступеньки равна разности радиального вылета лезвий. Полученные в опыте значения Яттах = = 30,43...50,05 мкм находятся в рекомендуемом
допуске. Характер изменения параметров шероховатости Яа, Я;, Яттах на нижней плоскости отличается от других не только количественно, но и качественно (рис. 3).
Рис. 3. Зависимость параметров шероховатости (1 - 3) нижней плоскости от продолжительности работы (см. обозначения на рис. 2)
Таблица 2
Параметр шероховатости у0, мкм У1 У2 У3
Яа 5,89 0,1013 —0,0014 6-10-6
Я; 11,91 -0,0350 0,0007 -2-10-6
Яттах 30,43 0,6933 -0,0087 3-10-5
Эти зависимости с достоверностью 0,95.0,99 аппроксимируются полиномами третьей
степени:
2 3
У = Уо + У4 + У2 + Узг ,
где У - параметр шероховатости;
У0 - начальное значение параметра шероховатости; у1-3 - коэффициенты пропорциональности; ^ - продолжительность работы.
Начальные значения параметров шероховатости и коэффициенты пропорциональности приведены в табл. 2.
Характер изменения параметров шероховатости поверхности нижней обработанной плоскости, безусловно свидетельствует (рис. 3) об аварийном износе лезвий стальных ножей, наступившем после 180 мин работы, в то время как твердосплавные ножи не приводили к резкому увеличению шероховатости.
Выводы
1. Параметры шероховатости поверхности увеличиваются с течением времени работы инструмента.
2. Износостойкость материала лезвия ножа фрезы оказывает влияние на параметры шероховатости и характер их изменений.
3. Среднее арифметическое высот отдельных наибольших неровностей профиля R mmax и средний шаг неровностей профиля по впадинам Sz формируются одним лезвием, имеющим наибольший радиус резания, однако геометрическая зависимость между ними не подтверждается. Вероятно, поверхность резания представляет собой сложную ступенчатую криволинейную поверхность, образованную всеми лезвиями.
4. Шероховатость поверхности можно рассматривать как параметр качества, определяющий надежность технологической системы деревообработки.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Глебов И.Т, Новоселов В.Г, Швам Л.Г. Справочник по резанию древесины. Екатеринбург: Изд-во УГЛТУ, 1999. 190 с.
2. ГОСТ 15612-78. Изделия из древесины и древесных материалов. Методы определения параметров шероховатости поверхности. М.: Изд-во стандартов, 1997. 13 с.
3. ГОСТ 27.202-83. Надежность в технике. Технологические системы. Методы оценки надежности по параметрам качества изготовляемой продукции. М.: Изд-во стандартов, 1984. 50 с.
4. ГОСТ 27.004-85. Надежность в технике. Системы технологические. Термины и определения. М.: Изд-во стандартов, 2002. 18 с.
5. Новоселов В.Г. Расчет безотказности технологической системы деревообработки по параметру качества продукции «шероховатость поверхности» // Изв. СПбГЛТА. СПб, 2006. Вып. 3. С. 178-184.
6. Новоселов В.Г., Рогожникова И.Т.Теоретическое исследование надежности технологической системы деревообработки по параметру качества продукции «шероховатость поверхности» // Деревообработка: технологии, оборудование, менеджмент XXI века: материалы Международного евразийского симпозиума, Екатеринбург, 20-21 сен. 2006 г. Екатеринбург: Изд-во УГЛТУ, 2006. С. 117122.
7. Профилометр «ПМД2-100». Руководство по эксплуатации. МА5464-4007РЭ. Пенза: ООО «Микроавтоматика», 2007. 12 с.
8. Рогожникова И.Т., Новоселов В.Г. Критерии, методы и средства определения надежности технологических систем деревообработки по показателю качества «шероховатость поверхности» // Деревообработка: технологии, оборудование, менеджмент XXI века: материалы II Международного евразийского симпозиума, Екатеринбург, 2-5 октября 2007 г. Екатеринбург: Изд-во УГЛТУ, 2007. С. 9499.
Поступила 26.03.10
V. G. Novoselov, I. T. Rogoshnikova Ural State Forestry Engineering University
Experimental Investigation of Wood Surface Roughness Variation During Milling
Variation of processed wood parameters depending on wear resistance of the cutter material and operational use time is examined.
Keywords: woodworking technological system, surface roughness, profilometer, wear resistance, reliability.
