CC BY
45
УДК 674.023
К ВОПРОСУ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ПИЛЕНИЯ ДРЕВЕСИНЫ МЯГКИХ ЛИСТВЕННЫХ ПОРОД КРУГЛЫМИ ПИЛАМИ
кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры древесиноведения В. П. Ивановский
аспирант А. В. Ивановский студент Н. С. Ковешникова студент О. Ю. Гончарова
ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия»
Обзор литературных источников по данному вопросу выявил следующее [1, 2, 3, 4, 5]. Традиционно свойства древесины низкосортных, малоценных лиственных пород в области модификации древесины изучались П.Н. Хухрянским, В.А. Шамае-вым, Л.Т. Свиридовым и др. Однако значения известных физико-механических и, особенно, деформативно-прочностных свойств древесины осины, тополя, липы, ольхи и др. отличаются в пределах 20-30 %, а свойства такой древесины при динамических нагрузках не исследованы. Изучены особенности процесса продольного пиления древесины мягких лиственных пород круглыми пилами. Опытами А.Л. Бершадского установлено, что сила резания на зубе Рз достигает значения, достаточного для сдвига древесины от дна пропила лишь при углублении резца до 0,8 мм. Чем глубже вдавливание зуба, тем больше работа трения и, следовательно, тем больше расход мощности на пиление. Поэтому целесообразно осуществлять распиловку пилами с комбинированными зубьями [5].
Также установлено, что пилы с твердосплавными пластинками почти полностью вытеснили на производственном
рынке стальные, так как имеют в несколько раз выше точность изготовления и подготовки к работе, стойкость, а, следовательно, и более высокое качество пропила при правильно подобранном режиме эксплуатации. Обзор конструкций круглых пил для пиления древесины мягких лиственных пород показал отсутствие таковых, т.е. конструкций круглых пил, предназначенных для пиления мягколиственной древесины с пониженной энергоемкостью и высоким качеством. Известные технические решения, повышающие работоспособность круглых пил, не оказывают практического влияния на качество пиленой поверхности и энергоемкость процесса пиления.
В ФГБОУ ВПО «ВГЛТА» разработана математическая модель механизма стружкообразования при пилении древесины мягких лиственных пород круглыми пилами (формулы (1-3)) [5]. Установлено, что контактные процессы и процессы в зоне стружкообразования тесно связаны. Сложная взаимосвязь факторов отражает условия статического равновесия в зоне пиления. При пилении постоянно балансируются через силу £ и момент М два одновременно протекающих процесса дефор-
мирования древесины - в зоне стружкооб-разования I и в зоне его контакта с передней поверхностью II. Наиболее изменчивыми параметрами, реагирующими на изменения любого внешнего фактора, являются угол стружкообразования, длина контактной зоны и форма эпюры нормальных давлений на переднюю грань. На рис. 1 приведена расчетная схема процесса пиле-
ния древесины мягких лиственных пород. Величины контактных давлений и длина контактной зоны стружки и резца, характер распределения напряжений в зоне контакта впервые были установлены Г.А. Зотовым и В.П. Ивановским для элементарных резцов и режущих дисков. Для круглых пил таких уравнений стружкообразо-вания нет [6].
/ \
ЯтгН
r^/ i 1
/
/
Рис. 1. Схема процесса пиления древесины мягких лиственных пород: Р - касательная сила пиления; Р0 - нормальное давление на резце; Н - высота пропила; 3 — угол пиления пилы; а - половина длины плоскости стружкообразования; L - длина контакта передней грани зуба пилы с древесиной; е — угол расположения плоскости стружкообразования; а - задний угол пилы; п - показатель степени неравномерности распределения нагрузок по передней поверхности резца; с и с2 - постоянные Лангранжа; Р0 - нормальное давление на главной режущей кромке пилы; от - предел текучести для древесины мягких лиственных пород; у - передний угол резца
I х = 2.
■ С2 1П
c1 + 2a + yj c\ + (c + 2a)
ci + Vе
, i 2 i 2 С +л1 С2 + С
где om - зона текучести для мягколист-венной древесины, 4.. .6 МПа; 2a = h / sine - длина плоскости стружкообразования;
Ргк = о,
П +1
(1)
п - показатель степени неравномерности распределения нагрузок по передней поверхности резца.
2
I >•=
с22 + (с1 + 2а)2 )-р0-Ь = 0.
п +1
(2)
У м = ^ ^ 2
(2а - с1) с2 + О + 2а)2 - с1 с^ + е^ - с^ 1п
ю • К • К • Ь
г 0 упр пласт
(п + 1)(п + 2)
= 0;
где Купр - коэффициент упругости древесины;
Кпласт - коэффициент пластичности древесины;
4 < аТ < 6; 0 < /л< 120° ; 0 < £ < 120° ; 0 < у < 40; 0 < £< 120°. Длина контактной зоны резца и древесины:
Ь = sin(£ - у) • а ^ + С' t -1
где t - усадка стружки, cos(£ - у)
t =
Sin £
(4)
(5)
Тогда величина контактного давления Р0 составит
2 • с1 • tg(£-у) + С2
Р0 = °Т
С2 + с22 • (£ - у) +
(6)
где ¡¡=ат^ f - угол трения;
f - коэффициент трения стружки по резцу.
Формулы (1-3) образуют систему, являющуюся математической моделью взаимосвязей контактных характеристик (Р0, Ь, п) и параметров зоны стружкообра-зования (е, с1, с2) с условиями пиления (Н, у, ¡и, от, Купр, Кпласт). Численная реализация созданной математической модели (10) на ЭВМ позволяет получить количественную оценку зависимости контактных характеристик процесса пиления древесины мягких лиственных пород от условий пиле-
с1 + 2а + ^1 с22 - (с1 + 2а)
С1 +л[с1 + с12
(3)
ния: Р0, Ь, п. Задав условия пиления (Н, у, ¡¡, от, Купр, Кпласт) определяем эти контактные характеристики процесса пиления. Зная эти контактные характеристики для древесины мягких лиственных пород, решаем задачу минимизации сил взаимодействия резца со стружкой Р и Q (рис. 1).
Разработана программа для расчета режимов резания древесины. Рассчитана зависимость удельной работы пиления от подачи на зуб пилы: Пила с разводом
1...3
№ = Кттах-
6811
(7)
Пила с плющением
V =
(8)
2960 '
Скорости подачи на допускаемой высоте
неровностей:
Пила с разводом
П = •п •.
^ Рт 1
6811 •Ю3
Пила с плющением
иКт =
• п • .
(9)
(10)
2960 •Ю3
Для исследования свойств древесины была создана экспериментальная установка по определению упруго-пластических свойств древесины мягких лиственных пород при динамических нагрузках [6]. В проводимых опытах для замера упругих,
2
остаточных и суммарных упругопластиче-ских деформаций использовался крешер-ный метод, где в качестве крешера вместо мягких металлов применялся пластилин. Кроме этого применялся метод механической регистрации деформаций. Экспериментально, методом оптимизации были выявлены оптимальные углы радиального и тангенциального поднутрения инструментов для резания древесины мягких лиственных пород. Управляемые факторы: ¥ - угол поднутрения радиальный (по радиусу инструмента); ф - угол бокового поднутрения (тангенциальный); р - плотность древесины. В качестве критерия оптимизации приняты значения боковой силы зажима Fб. Взаимосвязь отмеченных параметров в указанных пределах была установлена статистическим путем, экспериментально, в виде следующего уравнения регрессии:
= 45,4 • р°-26
Fб = 0,16 >Т»0,513
(11)
ри-10 •*¥0
где 1'<ф<60'; 1'<^<60'; 300<р<500;
Повышенные значения углов поднутрения приводят к положительному снижению абсолютного значения целевой функции Fб, но это может снизить устойчивость и жесткость инструмента. Излишне высокое значение Fб вызывает на лезвиях инструмента действие теплоисточников повышенной интенсивности, что в конечном итоге приводит к неравномерному нагреву, повышенному тепловому износу и затуплению режущих кромок.
В исследованиях процесса пиления использовался экспериментальный образец круглой пилы (Пат. на изобретение №2378104) с пластинками твердого сплава. На рис. 2 представлены зубчатый венец разработанной конструкции пилы, а также форма ее косозаточенного и сглаживающего зубьев. Пила состоит из корпуса 1, чередующихся сглаживающих 2 и косозато-ченных 3 зубьев, выполненных из твердосплавных пластин. Величины переднего угла у и заднего а обеспечиваются наличием косозаточенных зубьев с острыми режущими кромками, скалывающими волокна мягколиственной древесины, а также уменьшением угла косой заточки ф=8° со значительным (до 30 %) увеличением периода стойкости пилы.
Снижение уровня шероховатости разделяемых поверхностей мягколиствен-ной древесины достигается наличием сглаживающих зубьев с меньшими углами боковых поднутрений пластин, равных 40'. Сглаживающие зубья пилы создают эффект шлифования на разделяемых поверхностях древесины. Для исследования энергоемкости процесса пиления использован круглопильный станок с подключенным промышленным ваттметром (рис. 3). Шероховатость пиленой поверхности измерялась профилометром. Активный эксперимент проводился для четырех факторов двух выходных величин с использованием центрального униформ-ротатабельного планирования.
Рис. 2. Конструкция круглой пилы
Рис. 3. Круглопильный станок ДМ-19240 «Энергомаш» с подключенным ваттметром
На основе определения упруго-пластических свойств древесины при динамических нагрузках впервые получены реологические коэффициенты упругости и пластичности (табл. 1). Степень участия упругих и остаточных деформаций при деформировании древесины характеризуется реологическими коэффициентами.
Установлено, что даже при небольшой удельной нагрузке стенки сосудов древесины мягких лиственных пород сильно деформируются (рис. 4), что указывает на появление остаточных деформаций. При увеличении ударной нагрузки стенки сосудов лопаются и возможно разрушение образцов, уже при А = 80 Дж/см2 [6].
Таблица 1
Реологические коэффициенты упругости и пластичности мягколиственной древесины
Коэффициенты Порода Влажность древесины, %
10 20 30
Ку (упругости) Ольха 0,48 0,47 0,44
Осина 0,45 0,40 0,35
Липа 0,42 0,39 0,33
К0 (пластичности) Ольха 0,72 0,74 0,79
Осина 0,61 0,64 0,68
Липа 0,55 0,58 0,60
Рис. 4. Микроструктуры образцов осины до и после деформирования
В соответствии с планом эксперимента были определены влияющие факто-
ры и интервалы их варьирования (табл. 2)
[7, 8].
Таблица 2
Управляемые факто
ры и интервалы варьирования
Обозначение факторов Наименование Единица из- Пределы варьирования
мерения Нижний Верхний
уровень-1 уровень +1
XI Влажность древесины % 15 60
Х2 Угол наклона волокон градус 0 20
Хз Ширина пропила* мм 3,4 4,1
х4 Подача на зуб мм 0,04 0,3
* - Ширина пропила выбиралась для пил с ТСП по ГОСГ Г 9769-79
Уравнения регрессии шероховатости поверхности Rm, мкм и мощности на пиле-
ние N Вт от переменных факторов в натуральных значениях имеют вид
Ят(Ж, Ко,В, ) = 48,83 + 0,4Ж + 8,11Ко - 354,99£. - 4,71В + 0,06ЖКо - 46,11Ко8г + + 142,2В£. + 2,42КоВ - 0,19ЖКо£. - 14,22КоВ£.
N (Ж, Ко, В, ) = 237,43 - 0,4Ж - 8,2 Ко + 55,03В - 437,37£. + 0,01ЖКо + 1,64КоВ + +15,36К08г + 2,2Ж£. - 0,22ЖКо£..
Графики зависимости ключевых влияющих факторов на шероховатость и
(12) (13)
мощность резания представлены на рис. 5 [8, 9, 10].
Ч-1Я
т
но
о 120
юо
1_| 80
я
ш <ш
■ 426
Ш +■!"
— >¡11 □
Я
■ МП
а б
Рис. 5. Графики зависимости ключевых влияющих факторов в натуральных величинах: а - шероховатости от подачи на зуб и влажности; б - мощности пиления от подачи на зуб и
ширины пропила
В результате совершенствования процессов пиления древесины мягких лиственных пород, сделали следующие выводы:
1. Разработанная математическая модель механизма стружкообразования процесса пиления древесины мягких лиственных пород, позволяет установить величину контактного давления Р0 в зависимости от условий пиления. Выявлено, что нормальные напряжения Р0 и касательная сила резания Рср меняется незначительно до величины переднего угла у=20°.
2. Точное определение коэффициентов упругости и пластичности в результате исследований упруго-пластических
свойств древесины мягких лиственных пород позволило назначить оптимальную разность радиусов резания прямых и косо-заточенных зубьев пилы равную 0,2 мм.
3. Разработанная и обоснованная конструкция круглой пилы (Пат. РФ №2378104), позволяет повысить эффективность процесса пиления мягколиствен-ной древесины, а именно: улучшить качество выпускаемой пилопродукции и минимизировать энергоемкость.
4. Получены номограммы для определения технологических показателей процесса пиления древесины мягких лиственных пород круглыми пилами: скорости пиления и допустимой подачи на зуб.
5. Определены четыре основных фактора (влажность, угол наклона волокон древесины, ширина пропила, подача на зуб пилы), влияющие на выходные величины - шероховатость и мощность пиления. Полученные регрессионные уравнения для определения шероховатости поверхности и мощности на пиление позволили определить степень влияния факторов и получить оптимальные значения подачи на зуб -0,06...0,1 мм, влажности - 15...20 %, косослойности 0...10°, ширины пропила 3,2.3,4 мм.
Библиографический список
1. Ивановский А. В. Результаты исследований упруго-пластических свойств древесины мягких лиственных пород // Вестник Московского государственного университета леса - Лесной вестник, 2008. № 6 (63). С. 74-80.
2. Свиридов Л.Т., Ивановский А.В., Ивановский В.П. Основы назначения силовых параметров деления древесины // Лесной журнал, 2008. № 6. С. 138-145.
3. Свиридов Л.Т., Ивановский В.П., Ивановский А.В. К наладке деревообрабатывающих станков оснащенных режущим диском // Известия высших учебных заведений. Лесной журнал, № 6. 2010. С. 138144.
4. Свиридов Л.Т., Ивановский А.В., Ивановский В.П. Обрабатываемость резанием древесины различных пород // Известия высших учебных заведений. Лесной журнал, № 6. 2010. С. 126-132.
5. Свиридов Л.Т., Ивановский А.В., Ивановский В.П. Современные процессы и оборудование в деревообработке: монография. Воронеж. : Воронежский ЦНТИ -филиал ФГУ «РЭА» Минэнерго России, 2011. 363 с.
6. Шамаев В.А., Ивановский А.В. Результаты исследований упругих свойств древесины осины при ударных нагрузках // Дизайн и производство мебели. Спб., 2008. № 1 (18). С. 39-41.
7. Хухрянская Е.С., Ивановский А.В.Определение интенсивных режимов резания древесины с помощью ЭВМ // Де-ревообр. пром-сть, 2009. № 2. С. 10-12.
8. Свиридов Л.Т., Ивановский А.В., Ивановский В.П. Технология изготовления и подготовки к работе дереворежущих инструментов, оснащенных твердым сплавом // Лесотехнический журнал, 2011. № 3. С. 106-113.
9. Хухрянская Е.С., Ивановский А.В. Свидетельство РФ. Программа для расчета режимов резания древесины // Свидетельство об официальной регистрации программ для ЭВМ № 2009611214; заявка № 2008616255, Заявка № 2009616609, зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 26.02.2009 г.
10. Пат. 2378104 РФ, МПК В 27 В 33/02. Круглая пила для обработки мягко-лиственной древесины [Текст] / Л.Т. Свиридов, А.В. Ивановский, В.П. Ивановский (РФ) ; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «ВГЛТА». - №2008126798/03 ; заявл. 01.07.2008 ; опубл. 10.01.2010, Бюл. № 1. 5 с.
