CC BY
47
!НИЮ к виду
[ЬКИХ типов ами создать фактически эго размера, достоверно-ура аппрок-: (1) выпол-отклонений физическим формации в ратическая мерно 0,1%
может быть но-вычисли-оматизации
зводств: Посо-. —.239 с. :6оры техноло-;нности: Спра-1 с.
явления: Меж-
лотехническим . - 320 с. числения фун-, Электромеха-
!сление элемен-хн!ка, 1977. —
ова И.Н. Исс-ксперименталь-ая технология.
х процессов
66.05.001.57:621.927
МЕХАНИКА СКОЛЬЗЯЩЕГО РЕЗАНИЯ ПИЩЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ
В.М. ХРОМЕЕНКОВ
Московская государственная академия пищевых производств
Технологические преимущества скользящего резания предопределили интерес к нему в различных отраслях, перерабатывающих сырье растительного и животного происхождения [1—4]. Несмотря на обилие разносторонних исследований, пока не установлены принципиальные связи и соотношения, позволяющие построить целостную физическую модель этого процесса. Выбор последней в каждом конкретном случае зависит от уровня априорных сведений о механике рассматриваемой системы.
Скользящее резание изучается главным образом для установления зависимостей основных параметров процесса (производительность, затраты энергии, количество отходов и др.) от факторов, обусловленных видом разрезаемого материала, геометрией режущего инструмента и режимами обработки. Такое направление исследований имеет существенное значение, так как позволяет в пределах исследуемой области факторного пространства объективно подходить к вопросам выбора рациональных режимов резания, характеристик существующего режущего инструмента, а также конструктивных параметров резальных машин. Однако имеющиеся эмпирические зависимости не всегда дают удовлетворительное решение в плане радикального совершенствования процесса резания, поскольку не раскрывают механику взаимодействия лезвия с разрезаемым материалом.
Физические основы резания достаточно сложны и их невозможно уяснить, основываясь на существующих представлениях о разрушении материала вследствие смятия его режущей кромкой [5, 6]. Образование поверхности разреза при скользящем резании может быть представлено как результат одновременного внедрения режущего клина и контактного воздействия микрозубцов лезвия на разрезаемый материал.
При рубящем резании внедрение режущего клина создает в объеме материала сложное напряженно-деформированное состояние. В упругой среде поле напряжений соответствует полю Буссинеска [7, 8], траектории главных напряжений которого показаны на рис. 1а.
Главные напряжения сг, и а3 действуют в плоскости симметрии, проходящей через ось нагружения, и являются растягивающими и сжимающими соответственно. Компонента а2 {окружное напряжение) при рассмотрении плоской задачи равна нулю. Максимум для а, наблюдается при гр = л/2. Распределение главных нормальных напряжений может быть представлено с помощью контурных линий (линий равных напряжений), на которых
за единицу напряжения принята величина среднего контактного давления q = Я/тш2, где Я — усилие резания.
В дальнейшем, по мере внедрения режущего клина, несмотря на общий упругий характер взаимодействия в точке соприкосновения лезвия с материалом, возникает локальная пластическая деформация (рис. 16), обусловленная воздействием лезвия и являющаяся источником зарождения микроразрушения — начальной микротрещины. Действующая в поле растягивающих напряжений начальная микротрещина перерастает в медианную трещину, находящуюся в плоскости осевой симметрии и растущую вниз вдоль траектории осевого напряжения а3 ортогонально напряжениям а1. Взаимодействие полей напряжений а1 и аг способствует устойчивому направлению развития трещины 16].
При переходе к упругопластической схеме нагружения поле напряжений соответствует так называемому Герцевскому контакту [9]. Траектории главных напряжений поля Герца и линии равных главных напряжений в плоскости осевого сечения показаны на рис. 1е.
В данном случае внутри контактной площадки главные напряжения сжимающие и сходные по величине. Большое гидростатическое давление внутри этой области устраняет возможность возникновения разрушения. Расчеты показывают, что сг, становится растягивающим только на глубине, равной длине контактной площадки. При достижении максимумом касательных напряжений определенной величины в материале зарождается пластическая деформация (рис. \г — темная зона). Увеличение нагрузки приводит к расширению пластической зоны, у основания которой возникает медианная трещина.
Характер приложения нагрузки и свойства объекта резания оказывают существенное влияние на распределение напряжений вблизи контакта. Отличие касается не только формы траектории напряжений, но и, что важно, величины и знака последних. Анализ различий внедрения ножа по упругой и упругопластической схеме показывает, что упругое деформирование обеспечивает наличие растягивающих напряжений вдоль всей оси контакта.
Таким образом, механика рубящего резания связана с характером движения режущего клина, создающего в материале определенное напряженно-деформированное состояние. При достижении предельных значений о$ такое воздействие может самостоятельно обеспечить образование новой поверхности, как правило, за счет значительного деформирования и перехода контакта из упругого в упругопластическое состояние. В контактной зоне за счет действия а1 растягиваются и один за
Рис. 1
другим рвутся конгломераты макромолекул, образующих основу микроструктуры изучаемых материалов. Разрыв отдельных конгломератов может происходить в случайных местах, поэтому после снятия напряжений и восстановления размеров большинства макромолекул на поверхности среза возникают выступы и впадины, образующие в совокупности шероховатую неровную поверхность [10,11].
При скользящем резании внедрение клинообразного ножа также вызывает образование растягивающих напряжений, действующих по направлению контурных линий. Однако при этом двигающийся в перпендикулярном направлении микрозубец лезвия создает микронадрез — концентратор напряжений, где в малом объеме сосредоточивается вся энергия упругодеформированного материала. В данном случае начальный надрез создается не за счет больших контактных давлений и образования пластической зоны, как в случае рубящего резания, а при микровоздействии элементов режущей кромки. При скользящем резании микрозубцы обеспечивают образование концентраторов напряжения точно по линии касательного движения лезвия. Сочетание растягивающих напряжений а, и начальных микронадрезов приводит к быстрому
Рис. 2
разрыву материала в результате прорастания трещин разрушения [6]. На этапе предварительного деформирования, когда коэффициент трения еще не достигает критического значения, действие механизма микроразрушения локализуется в тонком поверхностном слое материала и не оказывает влияния на его общее напряженно-деформированное состояние.
При небольших внедрениях образование отходов и крошки возможно за счет адгезионных сил (рис. 2), когда материал прилипает к вершине микрозубца, разрывается по линии скольжения и вытягивается в направлении движения. В дальнейшем образовавшийся заусенец отделяется последующим микрозубцом. При увеличении рабочей высоты микрозубца сила трения возрастает из-за деформационного взаимодействия. Увеличение контактных нагрузок обеспечивает переход от упругого и пластического контакта к микрорезанию.
Скользящее движение ножа способствует возникновению за движущимися микрозубцами областей растягивающих деформаций, которые при увеличении трения могут сливаться с глубинными областями растягивающих деформаций, созданных за счет внедрения режущего клина в направлении вектора и2. В случае деформирования по упругопластической схеме поверхностная и глубинная области растягивающих деформаций независимы и разделены некоторой зоной сжимающих деформаций (рис. \г), которые препятствуют распространению микронадреза при взаимодействии микрозубца и материала.
В физической модели скользящего резания (рис. 3) указанные механизмы контактного разрушения соответствуют разным масштабам, роль каждого из них может меняться в зависимости от исходных факторов. Воздействие микрозубцов на стадии предварительного деформирования ввиду недостаточной величины контактных давлений не приводит к образованию новой поверхности. Предел предварительного деформирования определяется
и
г
I
4*
I
1
характе стояние ного ми вательн ский и растяги ромасш1 противЕ ных пр< предель стояния ных отх Создг И уело! соответс занию ( рование ческих 1 жущего Если в і клина і ний, чт| высоко! то спос Следова процесс,
істания тре-зрительного трения еще [ействие ме-[СЯ в тонком : оказывает юрмирован-
вание отхо-ионных сил к вершине ольжения и [. В дальнейшая последу-рабочей вы-істает из-за Увеличение реход от уп-«рорезанию. рствует воз-бцами обла-рторые при Глубинными созданных аправлении по упругоп-глубинная независимы )щих дефор-)т распрост-іствии мик-
взания (рис. разрушения , каждого из ІТ исходных на стадии іду недоста-й не приводи. Предел пределяется
Рис. 3.
тельно малопрочных материалов, имеющих выраженный этап предварительного деформирования.
ЛИТЕРАТУРА
1. Резание пищевых продуктов лезвием / М.Н. Клименко и др. — Изв. вузов, Пищевая технология. — 1977. — № 3. — С. 90-93.
2. Резник Н.Е. Теория резания лезвием и основы расчета режущих аппаратов. — М.: Машиностроение, 1975. — 311 с.
3. Харламов С.В. Конструирование технологических машин пищевых производств. — Л.: Машиностроение, 1979. — 224 с.
4. Чижикова Т.В. Машины для измельчения мяса и мясных продуктов. — М.: Легкая и пищевая пром-сть, 1982. — 302 с.
5. Кузнецов В.Д. Физика резания и трения металлов и кристаллов. Избранные труды. — М.: Наука, 1977. — 310 с.
6. Финкель В.М. Физика разрушения. — М.: Металлургия, 1968. — 376 с.
7. Броек Д.Основы механики разрушения. — М.: Высшая школа, 1980. — 368 с.
8. Колесников Ю.В., Морозов Е.М. Механика контактного разрушения. — М.: Наука, 1989. — 224 с.
9. Портон В.З., Морозов Е.М. Механика упругопластического разрушения. — М.: Наука, 1985. — 503 с.
10. Бартенев Г.М. Прочность и механизм разрушения полимеров. — М.: Химия, 1984. — 280 с.
11. Прочность и разрушение высокозластичных материалов / Г.М. Бартенев и др. — М.: Химия, 1964. — 127 с.
Кафедра технологического оборудования пищевых предприятий
Поступила 19.03.96
характером контактирования и напряженным состоянием объекта обработки. Образование начального микронадреза осуществляется после последовательного перехода упругого контакта в пластический и затем — в микрорезание, что на фоне растягивающих напряжений о 1 инициирует макромасштабное образование новой поверхности. В противном случае преобладание микромасштабных процессов без наличия в объеме материала предельного напряженно-деформированного состояния будет приводить к образованию возвратных отходов в виде крошки и стружек.
Создание определенной схемы деформирования и условий контактирования возможно за счет соответствующей подготовки полуфабриката к резанию (выдержка во времени, охлаждение, варьирование рецептуры) или при изменении геометрических и микрогеометрических характеристик режущего инструмента, а также режимов резания. Если в объеме материала при внедрении режущего клина не создается поле растягивающих напряжений, что может иметь место при сравнительно высокой жесткости (твердости) объекта обработки, то способ скользящего резания неэффективен. Следовательно, область применения изучаемого процесса — обработка высокоэластичных, сравни-
