Фізичні основи процесів різання деревини лазерним випромінюванням Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

3

де: NP - табличне значення питомо! роботи рiзання, Дж/см ; b - ширина пропилу, мм; h - висота пропилу, мм; Vs - швидкiсть подачi, м/хв.

Отримуемо графiчну залежнiсть питомо! роботи рiзання вiд подачi на зуб, що зображена на рис. 2.

Отриману залежнiсть питомо! роботи рiзання вщ подачi на зуб для го-ризонтальних стрiчкопилкових верстатiв порiвнюемо з графiчною залежшс-тю для поздовжнього рiзання на вертикальних верстатах [2], при висот пропилу 150 мм. Порiвняльний графiк зображено на рис. 3.

210 п-,-

140

0,04 0,05 0,06

Подача на зуб Sz, мм

Рис. 3. Пoрiвнювaльнuй графш питомо'1 роботи рЬання eid nodani на зуб для

pi3Hux munie eepcmamie

Порiвнюючи дат графжи можна зробити такий висновок: е icTOTHa рiзниця мiж значеннями питомо! роботи pi3aHM для колодопильних горизон-тальних с^чкопилкових верcтaтiв та вертикальних верcтaтiв.

Для визначення потужност на рiзaння горизонтальних с^чкопилко-вих верcтaтiв з вузькою cтрiчковою пилкою можна користуватись отриманою зaлежнicтю.

Лiтература

1. К1рик М.Д. Рiзaння деревини та деревних мaтерiaлiв: Навч. поciбник. - Львiв: УкрДЛТУ, 2000. - 218 с.

2. Амалицкий В.В. Станки и инструменты лесопильного и деревообрабатывающего производства: Учебник для техникумов. - М.: Лесн. пром-сть, 1985. - 288 с.

УДК674.02:621.9.048.7 Доц. 1.М. Озартв, канд. техн. наук;

магктрант М.Ю. Зарiчна - НЛТУ Украти

Ф1ЗИЧН1 ОСНОВИ ПРОЦЕС1В Р1ЗАННЯ ДЕРЕВИНИ ЛАЗЕРНИМ ВИПРОМ1НЮВАННЯМ

Розглянуто можливосп використання промешв лазера для рiзання масивно'1 деревини та деревинних матерiалiв (ДВП, ДСП та фанери). Наведено основш власти-востi закономiрностi взаемодп лазерного випромiнювання з деревиною.

Doc. I.M. Ozarkiv; masterM.Y. Zarichna-NUFWTof Ukraine The physical basis processes cut a wood of laser radiation

In this article is considerate chances used of laser rays for cut of timber and wooden materials (WFP, particle boards and veneer).We have given fundamental property and conformity with a low for interaction laser radiation with wood.

Розглянемо фiзичнi 3aKOHOMipHOCTi взаемоди лазерного випромшю-вання, що падае на поверхню об'екта, i3 деревиною. Для цього умовно розглянемо схему взаемоди випромшювання i3 матерiалом (рис. 1). Зв'язок мiж основними джерелами енерги та рiзними витратами променево! енерги вста-новлюеться рiвнянням теплового балансу:

Qnad = Оф + Qr + q

руин

(1)

Оф = Ок,ф + Олф, (2)

де: Опад - енерпя сфокусованого лазерного випромiнювання, що падае на поверхню тша; Оф - енерпя, поглинена в об,емi плазмово-парового факелу в середин прорiзу (кратера) i над його поверхнею; - енерпя лазерного проме-ня, вiдбитого вщ поверхнi; Оруйн - повна енерпя продук^в руйнування, що виноситься реактивним парогазовим струменем; Ок,ф - енерпя, що роз-сiюеться в оточуюче середовище випромiнювання вiд плазмового факела; Ол,ф - частина енерги факела, що поглинулась стшками каналу (прорiзу) в результатi конвективного та променевого теплообмшу.

Рис. 1. Схема взаемоди пучка промешв лазера Ь матерiалом:

1 - сфокусований промтъ лазера;

2 - об'ект оброблення;

3 - прор1з (канал);

4 - обвуглена поверхня тыа;

5 - плазмовий факел

(3)

енерпя, що

У свою чергу величина Ок,ф визначаеться:

ОА,ф QneHm.+Qmernonp.>

де: Опент. - повна ентальтя матерiалу по краях порiзу; Отеплопр. выводиться в глибину матерiалу за рахунок теплопровщносл.

Як видно iз вище наведених формул ефектившсть корисного викорис-тання енерги лазерного випромшювання буде залежати вщ сшввщношення вiдбитого Ri i поглиненого випромiнювання.

3. Технолопя та устаткування деревообробних пiдприeмств

177

4'п (7)

(п +1) + п2 • дб2 '

Взаемозв'язок цих часток визначаеться за формулами теплового балансу:

Ях = 1 - Ах, (4)

Ах = е = 1 - Ях,0, (5)

де: е - стушнь чорноти тша; Ях - коефщ1ент вщбивання при нормальному па-дшт промешв.

Значення Ях 1 е можна визначити за значеннями оптичних параметр1в (показника заломлення п, коефщента затухання дб, тобто:

_ (п-1)2 + п2•дб2;

Ях,о =(—1)2-; (б)

(п +1) + п2 • дб2

4 • п

+п

Величина коефщ1ента вщбивання, як показали наш1 дослщження, за-лежать вщ довжини хвил1, породи деревини, характеристики поверхневого шару та шших фактор1в [1]. Що стосуеться поглинено! тшом енерги, то вона йде на нагр1вання, обвуглення та часткове випаровування вологи з деревини. В зв'язку з чим, для зручност анал1зу теплоф1зичних явищ в зош впливу випромшювання на матер1ал розглянемо так стади процесу: поглинання й передачу енерги матер1алу; нагр1вання та обвуглення матер1алу; випаровування та викид вологи (лазерна ероз1я) та остигання матер1алу.

1нтенсившсть поглиненого випромшювання (зокрема й лазерного) визначаеться за законом Бугера, тобто:

В(х) = Во • Ах • ехр(- тх • х), (8)

де: В0 - штенсившсть лазерного випромшювання, що падае на поверхню ма-тер1алу; тх - показник поглинання променевого потоку об'ектом оброблення, м-1; е - основа натурального логарифму.

Зазначимо, що мехашзм переходу енерги лазерного випромшювання та переходу и в теплову буде залежати вщ породи деревини (природи матерь алу) { { частково кшьюстю вмюту вологи. Передача теплоти вщ тонкого поверхневого шару до глибинних шар1в матер1алу буде здшснюватися з допо-могою р1зних мехашзм1в теплопровщность При цьому визначальну роль буде вщгравати температура поверхш об'екта оброблення.

Зауважимо, що для прозорих матер1ал1в, пор1вняно 1з непрозорими ма-тер1алами, характерним е те, що процес поглинання в перших е об'емним, а не поверхневим.

Вщзначимо, що поглинання енерги лазера та перехщ и в теплову у по-верхневому шар1 здшснюеться майже миттево, викликаючи при цьому р1зке зростання температури матер1алу в зош лазерного впливу. Разом з тим, одно-часно проходить перемщення тепла в середину (до глибини шар1в) матерь алу. Розподшу температури на поверхш матер1алу, як правило, вщповщае просторовому розподшенню лазерного випромшювання в поперечному пере-р1з1. Зазначимо, що ощнку процеЫв теплообмшу при опромшенш лазерним випромшюванням дають як теоретичним, так практичним методам.

При цьому поглинання лазерного випромшювання твердим тшом (в нашому випадку деревиною) розглядають як появу джерела теплово! енерги всерединi або на поверхш цього тiла. 1накше кажучи, реакщю деревини на дiю цього джерела визначають на основi трьохвимiрного рiвняння теплопро-вiдностi виду:

дt д

' дЛ

дт дx

V

дx

д

Г лЛ

дy

г \ д1 д л д1 д л дt д „ д1 . / \

(р-с)- — = — X — + — X — +— X- — + А(х, у, г, т). (9)

д

' дЛ

дг

V

дг

V дУ у

Як видно з рiвняння (9), характер розв'язання цього рiвняння t() буде визначатися функцiею розподшу джерел Ах(х, у, г, т) та крайовими (гранични-ми) умовами для конкретно! задач^ а ампл^уда розв'язку буде визначатися величиною коефщент1в теплопровiдностi X та iзобарною питомою теп-лоемнiстю с.

Питома теплоемшсть с буде проявляти себе в здатност матерiалу на-копичувати тепло, що поступае вiд зовнiшнього джерела, доки на досягне стану рiвноваги. Таким чином, енерпю, яка акумулювалася i накопичилась в матерiалi масою М, при приростi температури At можна визначити:

АЕ = с ■ М ^. (10)

Тода, проiнтегрувавши останне рiвняння по всьому об,емi матерiалу, можна вирахувати кшьюсть надлишкового тепла, що акумулювалась тiлом.

Вiдомо, що коефiцiенти с та X визначають швидюсть встановлення теплово! рiвноваги при миттевому включеннi теплового генератора, то коефь щент температуропровiдностi (а = Х/(р-с), р - фактична густина деревини) визначае тепловi шерцшш властивостi матерiалу. Тод^ вiддаль х, на яку проникла хвиля шфрачервоного випромiнювання в середину тша за час т, може приблизно бути оцшена як:

х = V а ■ т . (11)

Шсля появлення джерела теплово! енерги, коли х=0, т=0 тепло посту-пае в матерiал iз тепловою хвилею, що проходить вщдаль х за час т. При цьому в зош матерiалу 0(х(х(т) пiдвищуеться температура його i в ньому. Заноситься теплова енерпя, що вщповщае величинi питомо! теплоемность В той час товщина шару матерiалу, яка знаходиться х=х(т) та х=5'1 (х=^1 - тов-щина матерiалу), поки що залишаеться не нагрггою. В мiру поступлення тепла вщ генератора випромiнювання (лазера), коли х=0, теплова хвиля сягае ве-личини х=51, а тепло починае виходити iз матерiалу через протилежну повер-хню. В даному випадку, температура (при х=^1) зростае до значення, що вщ-повщае рiвнянню теплопровiдностi:

^ = X-Ах-^, (12)

дт Х £

де: t0 - температура iз сторони опромiнення поверхнi тша; t1 - температура протилежно! поверхш тша.

В цей момент саме наступае рiвновага, тобто:

3. Технолопя та устаткування деревообробних шдприемств

179

V дт Jx=0

dQ

дт

(13)

J x=51

Зауважимо, що описаний вище процес спостершаеться у вЫх матерь алах при наявност точкового або розподшеного джерела променево! енерги, хоча ч1тке анал1тичне розв'язання для не може бути отримано через склад-ш граничш умови, як мютять величину потоку тепла в матер1ал1 { на виход1 з нього.

У випадку Гаусового розподшу, коли питома густина поглинено! енерги qA(x) визначаеться:

/ \ Упогл. qA(x) = —— = q0 ■ exp F ■т

f 2\ - x2

(14)

то розв'язок приведеного рiвняння теплопровiдноcтi (9) мае такий вигляд:

t(x, y, т)

qmax ■ r

'a^

X

2т ^(т-т')т'

7

VnJ 0

VT7(4 ■ a ■ т' + r2)

■ exp

x

4 ■ a ■ т 4 ■ a ■ т'

(15)

де: q0 - густина потужност випромшювання лазера в центр1 плями фокусу -вання; q0 - максимальна густина випромшювання в центр1 плями (пучка); г -рад1ус Гаусового пучка промешв; t - температура як функщя глибини г, що вщраховуеться вщ поверхш, рад1ально! вщдал1 х вщ центру теплового джерела { часу т з моменту початку ди теплового 1мпульсу лазера; Р(т)- потужшсть лазерного випромшювання (Р = q / дтях) за час т; = ^4 • а • т) - глибина

проникнення промешв в товщину матер1алу, м.

Щодо метод1в теоретичних дослщжень температурних пол1в в матерь ал1 при лазернш обробщ, то !х ми розглянемо в наступних наших роботах.

Лггература

1. Д1агностика властивостей деревини в технолопчних процесах деревооб-роблення: Наукове видання/ За ред. канд. техн. наук 1.М. Озаркiва. - Львiв: Вид. дiм "Панорама", 2003. - 228 с.

2

r

2

УДК674:621.9.001.57 Доц. М.1. Пилипчук, канд. техн. наук;

студ. Ю.З. Юревич; студ. П.В. Бенько; студ. С.В. Оспенков - НЛТУ Украти; студ. 1.П. Пилипчук - НУ "Львiвськa полтехмка"

ВДОСКОНАЛЕННЯ МЕТОДИКИ ДОСЛ1ДЖЕННЯ ТЕХНОЛОГIЧНОÏ ТОЧНОСТ1 ДЕРЕВООБРОБНИХ ВЕРСТАТ1В

Розроблено методику i програму у cередовищi Ехсе1 для опрацювання статис-тичних даних результат експериментальних доcлiджень технологiчноï точноcтi де-ревообробних верcтaтiв iз установленням квал^ету точноcтi оброблення, класу точности верстата та закону розподiлу похибок розмiрiв оброблених деталей.

Ключов1 слова: програма, доcлiдження, точнicть, оброблення, деревина, верстат.