Обработка кромок фанеры резанием Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 674.023

ОБРАБОТКА КРОМОК ФАНЕРЫ РЕЗАНИЕМ

© И. Т. Глебов., канд. техн. наук, доц. В.В. Глебов, магистрант

Уральский государственный лесотехнический университет, Сибирский тракт, 37, г. Екатеринбург, Россия, 620100; е-mail: [email protected]

Клееная фанера широко используется в народном хозяйстве. Однако методик расчета режимов резания и экспериментальных исследований по обрабатываемости резанием кромок фанеры нет, поэтому получение такой информации актуально. Процесс фрезерования кромок фанеры можно рассматривать как процесс перерезания волокон древесины листов шпона и перерезания клеевых слоев. При фрезеровании кромок фанеры в продольных слоях выполняется резание шпона вдоль волокон. Угол встречи вектора скорости главного движения с направлением волокон древесины в этом случае составляет 0°. При фрезеровании поперечных листов шпона выполняется торцовое резание с углом встречи 90°. Таким образом, сопротивление при фрезеровании фанеры можно рассматривать как сумму сопротивлений перерезанию волокон уплотненной древесины в продольных и поперечных слоях и сопротивлений перерезанию клеевых пленок. Показано, что поправочный коэффициент, учитывающий изменение удельной силы резания от плотности фанеры, для продольных слоев равен 1,20, а для поперечных слоев фанеры - 1,21. Коэффициент, учитывающий перерезание пленок связующего, принят равным 1,07...1,25 (для тонкой фанеры следует принимать большее значение этого коэффициента). Предложен расчетный метод, по которому для заданных режимов резания получены расчетные данные касательной силы резания. Далее для этих же режимов резания на экспериментальной установке получены экспериментальные данные для касательной силы резания. Сопоставление расчетных и экспериментальных данных позволило сделать вывод об их удовлетворительной сходимости. Предложенный расчетный метод можно рекомендовать для решения практических задач.

Ключевые слова: кромки фанеры, фрезерование, строгание, продольные слои, поперечные слои, сила резания.

Фанера представляет собой древесный материал, состоящий из нескольких склеенных листов лущеного шпона при взаимно перпендикулярном расположении волокон древесины в смежных листах. Из-за пластических деформаций листов шпона при горячем прессовании плотность фанеры превышает плотность массивной древесины. Обычно считают, что плотность фанеры на 18.20 % выше плотности массивной древесины.

Фанера широко используется в строительстве, машино- и судостроении, домостроении, производстве мебели. При механической обработке кромки листов фанеры формируют пилением, фрезерованием, строганием, шлифованием.

Рис. 1. Фрезерование кромки фанеры (V - скорость главного движения - резания)

Изучение специальной литературы показало, что в теории резания нет информации по механической обработке фанеры и расчетного метода для определения сил резания и мощности резания.

Целью настоящей работы является разработка расчетного метода, позволяющего находить силы резания при фрезеровании и строгании кромок фанеры общего назначения [2].

Процесс фрезерования кромок фанеры можно рассматривать как процесс перерезания волокон древесины листов шпона и клеевых слоев (рис. 1).

На приведенной схеме волокна древесины лицевых листов шпона 2 фанеры расположены перпендикулярно направлению скорости подачи V . Режущие кромки

фрезы 1 выполняют торцово-продольное резание. В смежных листах шпона 3 волокна древесины расположены параллельно направлению V, режущие кромки фрезы в этих листах выполняют продольно-торцовое резание.

При диаметре окружности резания фрезы В и глубине фрезерования I угол подачи, измеряемый на середине дуги контакта между векторами скоростей главного движения (резания) и подачи,

В.

При продольно-торцовом резании угол встречи (перерезания волокон) равен фв = ц, при торцово-продольном резании - фв = 90° - ц.

Слои фанеры, волокна древесины в которых расположены параллельно направлению вектора скорости подачи, назовем продольными, при перпендикулярном расположении волокон к вектору скорости подачи - поперечными.

При строгании кромок фанеры в продольных слоях выполняется резание вдоль волокон и угол встречи фв = 0° (вектор скорости главного движения V параллелен направлению волокон), а в поперечных слоях выполняется торцовое резание с углом встречи фв = 90°.

Если лист фанеры имеет пс слоев (изготовлен из пс листов шпона) и лицевые слои обрабатываются при торцово-продольном резании (^-//), то таких поперечных слоев в листе фанеры будет

П - 1 , - + 1 ,

ц = агс81и

" 2

продольных слоев с продольно-торцовым резанием (//-^)

«с - 1 -// =—.

" 2

Если в листе фанеры лицевые слои обрабатываются при продольно-торцовом резании, то таких продольных слоев будет

« - 1 !

«// = -2--+1,

поперечных слоев с продольно-торцовым резанием (1-//)

«с - 1 « =—.

1 2

Таким образом, сопротивление при фрезеровании фанеры можно рассматривать как сумму сопротивлений перерезанию волокон уплотненной древесины в продольных и поперечных слоях и сопротивлений перерезанию клеевых пленок.

Учет изменения плотности слоев фанеры

Для расчета силы резания можно найти удельную силу резания для массивной древесины заданной породы, а затем, зная, что плотность фанеры превышает плотность массивной древесины в среднем на 18.20 %, определить поправочный коэффициент, учитывающий изменение плотности фанеры. Изменение удельной силы резания (руд, МПа) от плотности древесины р для главных видов резания графически показано в работе Е.Г. Ивановского [3]. Линию тренда этой зависимости можно описать следующими уравнениями:

для продольного резания

^// = -4,43 + 73,2р; (1)

для торцового резания

^=-15,6 +156,47р, (2)

где р - плотность, г/см3, массивной древесины при влажности 12 %.

Поправочный коэффициент апл, учитывающий изменение удельной силы резания от плотности фанеры для продольных слоев:

-4,43 + 73,2 1,18р

а ,, = —----. (3)

пл// -4,43 + 73,2р ( )

Для древесины березы плотностью р = 0,63 г/см3 поправочный коэффициент для продольных слоев ат// = 1,199, для поперечных - ат1_ = 1,21.

Расчет касательной силы резания

Ниже приведен расчет режимов резания кромок фанеры, основанный на использовании метода А.Л. Бершадского, который обычно применяют для расчета режимов резания массивной древесины. Для простоты иллюстрации рассмотрим его на примере.

Дано. На станке выполняется строгание кромок листов березовой фанеры (заготовки поступательно перемещаются относительно неподвижного ножа). Количество слоев березового шпона в фанере пс = 7. В лицевых слоях во-

локна древесины расположены параллельно направлению вектора скорости главного движения (т. е. они продольные). Скорость главного движения V = 0,035 м/с; угол резания ножа 5 = 55°; толщина срезаемого слоя а = 0,10; 0,15; 0,20; 0,25 мм. Ширина строгания b = 9 мм. Радиус закругления режущей кромки ножа р0 = 10 мкм.

Принято: коэффициент породы ая = 1,25 (береза); коэффициенты, учитывающие изменение удельной силы резания при уплотнении продольных и поперечных слоев фанеры аш/,= 1,20, аш1 = 1,21; коэффициент, учитывающий перерезание пленок связующего асв = 1,07...1,25 (для тонкой фанеры следует принимать большее значение асв).

Определить: касательную силу резания.

Решение

1. Ширина одного срезаемого слоя (шпона) фанеры

А Ъ 9 МО

Ъ = — = — = 1,29 мм.

c п '

Пс 7

2. Находим количество продольных и поперечных слоев фанеры, если лицевые слои продольные:

продольных слоев (в них осуществляется продольное резание)

п.. = П—1 +1 = 7—1 +1 = 4 шт.;

2 2

поперечных слоев (в них осуществляется торцовое резание)

П -1 7 -1

■ = 3 шт.

х 2 2

3. Находим фиктивную силу резания из формул для продольно-торцового резания древесины сосны:

для продольных слоев (угол встречи с волокнами фв = 0°)

1,25 i

р„ = 1,57 + 3,23 sin^ = 1,57 + 3,23 sin1,25 0° = 1,57 Н/мм; для поперечных слоев (угол встречи с волокнами фв = 90°)

1,25

р± = 1,57 + 3,23 sin1,2 = 1,57 + 3,23 sin125 90° = 4,8 Н/мм.

4. Касательное давление срезаемого слоя на переднюю грань лезвия для древесины сосны [1]:

для продольных слоев

к, = 0,1965 + 0,069V'- 5,4 + (0,3545 + 0,127V'-14,22) sin125 ф = = 0,196 • 55 + 0,069(90 - 0,035) - 5,4 + (0,354 • 55 + 0,127(90 - 0,035) -

- 14,22)sin1,25 0° = 11,59 МПа. для поперечных слоев

= 0,1965 + 0,069V'- 5,4 + (0,3545 + 0,127V '-14,22) sin125 ф = = 0,196 • 55 + 0,069(90 - 0,035) - 5,4 + (0,354 • 55 + 0,127(90 - 0,035) -

-14,22)sin1,25 90° = 28,26 МПа.

5. Коэффициент затупления для острого лезвия а = 1.

6. Средняя сила резания на ноже

К зуб = апасв [апл// (арР// + к//ФПи + апл1 (арР± + к1 ФСП± ] =

= 1,25-1,07-[1,2 (1-1,57 +11,59 • 0,1) 1,29 • 4 +1,21 (1-4,8 + 28,26 • 0,1) 1,29 • 3] =

= 70,4 Н.

Результаты расчета для других значений толщины срезаемого слоя приведены ниже:

а, мм 0,10 0,15 0,20 0,25

зуб , Н 70,4 84,0 97,7 111,3

Для оценки расчетных данных в лаборатории кафедры станков и инструментов УГЛТУ исследовано продольное и поперечное строгание кромок 5-(толщина 6 мм, плотность р = 0,770 г/см3) и 7-слойной (толщина 9 мм, плотность р = 0,708 г/см3) фанеры. Остальные условия опытов приведены в выше приведенном примере.

Для измерения силы резания использовали двухкоординатный тензо-метрический динамометр. Для получения и обработки данных была выбрана аппаратно-программная среда LabView, которая преобразует аналоговый сигнал в цифровой и позволяет создавать, хранить и обрабатывать базы данных на компьютере.

Пример полученного графика зависимости сил резания от толщины срезаемого слоя при продольном строгании кромок фанеры приведен на рис. 2.

Рис. 2. Зависимость касательной ¥х (1) и нормальной Е2 (2) сил резания от толщины срезаемого слоя при продольном строгании кромок березовой фанеры толщиной 6 мм: 1, 2 - эксперимент; 3 - линии тренда

Расчетные и экспериментальные значения касательной силы резания при продольном строгании фанеры

Количество слоев фанеры Толщина срезаемого слоя, мм

0,10 0,15 0,20 0,25 0,30

Экспериментальн ые данные

5 52,7 67,1 81,2 88,6 79,6

7 71,3 88,1 93,1 93,1 -

Расчетные данные

5 53,0 63,3 73,7 84,0 94,3

7 70,4 84,0 97,7 111,3 -

Погрешность, %, по отношению к экспериментальным данным

-0,7 1,2

5,6 4,6

9,3 -4,9

5,2 -19,6

-18,5

Принятые линии тренда описаны следующими уравнениями:

- ^ = 26,92 + 222,68а (достоверность аппроксимации И2 = 0,90);

- ^ = 11,357а"0,2056 (И2 = 0,77).

При резании поперечных слоев наблюдаются вырывы волокон древесины, что приводит к уменьшению сил резания, особенно при а > 0,2 мм.

Сравнение результатов расчета с экспериментальными данными приведено в таблице.

Выводы

1. В фанере можно выделить продольные (в них осуществляется резание вдоль волокон при строгании или продольно-торцовое при фрезеровании) и поперечные (в них осуществляется резание в торец при строгании или торцово-продольное при фрезеровании) слои.

2. По предлагаемому расчетному методу сила резания складывается из сопротивлений резанию в продольных и поперечных слоях с учетом коэффициента упрессовки слоев фанеры и перерезания смоляных пленок.

3. Сравнение расчетных данных по предлагаемому методу с экспериментальными показано удовлетворительную сходимость, т. е. предлагаемый расчетный метод можно рекомендовать для использования на практике.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Глебов И.Т. Резание древесины: учеб. пособие. СПб.: Изд-во «Лань», 2010.

256 с.

2. ГОСТ 3916.1-96. Фанера общего назначения с наружными слоями из шпона лиственных пород. Технические условия. М.: Изд-во стандартов, 1999. 12 с.

3. Ивановский Е.Г. Резание древесины. М.: Лесн. пром-сть, 1974. 200 с.

Поступила 07.08.12

УДК 674.023

Edging of Plywood by Cutting

I. T. Glebov, Candidate of Engineering, Associate Professor V. V. Glebov, Master

The Ural State Forest Engineering University, Sibirsky Trakt, 37, 620100, Yekaterinburg, Russia; e-mail: [email protected]

Plywood is widely used in the national economy, however, it is no methods of cutting calculation and experimental research on edging of plywood by cutting, therefore, reception such information is relevant. The milling process of plywood edges can be considered as a process of cutting of wood fibres, veneer sheets and cutting process of glue film. When milling of plywood edges in the longitudinal layers the veneer is cut along fibres. The angle between the velocity vector of the main motion and the grain flow of the wood in this case is equal to zero degrees. In milling of veneer sheets of cross cut is with the angle of 90. Thus, resistance when plywood milling can be considered as the sum of the resistances to cutting of fibres of densified wood in the longitudinal and transverse layers and resistances to cutting of adhesive tapes. It is shown that the correction index, considering the change of a specific cutting force on the plywood density for longitudinal layers, is 1,2, and for cross-layer plywood is 1,21. The coefficient, considering the cutting of films binder, adopted equal 1,07...1,25 (for thin plywood should take a higher value of this ratio). Method of calculation on which for the given cutting is received estimate of the tangential force, has been proposed. Next to these cutting modes on experimental setup the experimental data for the tangential forces have been collected. Comparison of the calculated and experimental data allows to draw conclusion about a satisfactory convergence of the obtained data. The proposed calculation method can be recommended for the solution of practical problems.

Keywords: veneer edge, milling, chipping, longitudinal layers, transverse layers, cutting force

REFERENCES

1. Glebov I.T. Rezanie drevesiny [Wood Cutting]. St. Petersburg, 2010. 256 p.

2. GOST 3916.1-96. Fanera obshchego naznacheniya s naruzhnymi sloyami iz shpona listvennykh porod. Tekhnicheskie usloviya [State Standard 3916.1-96. General-Duty Plywood with Periblast of Hardwoods Veneer. Technical Conditions]. 1999.

3. Ivanovskiy E.G. Rezanie drevesiny [Wood Cutting]. Moscow, 1974. 200 p.