ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ РЕЗЦА ПРИ РЕЗАНИИ ДРЕВЕСИНЫ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Определение температуры поверхностного слоя резца при резании древесины

сч о сч

о ш т

X

3

<

т О X X

Егоров Юрий Владимирович,

старший преподаватель, кафедра технологии композиционных материалов и древесиноведения, Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М.Ф. Решет-нева, egorovuv@sibsau.ru,

Воробьев Анатолий Анатольевич,

канд. техн. наук, доцент, кафедра технологии композиционных материалов и древесиноведения, Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М.Ф. Решет-нева, vorant1@rambler.ru,

Кравченко Наталия Викторовна,

канд. техн. наук, доцент, кафедра технологии композиционных материалов и древесиноведения, Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М.Ф. Решет-нева, kravchenkonv@sibsau.ru,

Ковалёв Константин Юрьевич,

студент, кафедра технологии композиционных материалов и древесиноведения, Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М.Ф. Решетнева, Konstanten.11flow@gmail.com,

Ралдугин Роман Вячеславович,

студент, кафедра технологии композиционных материалов и древесиноведения, Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М.Ф. Решетнева, tytti781@gmail.com.

В работе представлены результаты теоретического и экспериментального исследования по определению температуры нагрева по передней, задней и боковым граням зуба дисковой пилы при продольном резании древесины с целью повышения износостойкости дереворежущего инструмента. Процесс резания древесины сложный термомеханический процесс, в котором происходит превращение части энергии в тепловую при образовании новых поверхностей, деформирование материала и резца, преодоление сил трения. В этих условиях процесс запупления режущего инструмента протекает в результате одновременного воздействия высоких температур и механических нагрузок, которые проявляются в диспергировании материала резца.

Для повышения физико-механических свойств рабочей части режущего инструмента было изучено влияние различных факторов, определяющих процесс нагрева зуба дисковой пилы при резании, что имеет особое значение при резании такого материала как древесина, имеющего низкую теплопроводность, обуславливающую перераспределение большого количества тепла в режущий инструмент и его значительный нагрев, приводящий к структурным изменениям в материале резца и окислительным процессам на его поверхности. Повышение износостойкости дереворежущего инструмента обеспечивает повышение времени его работы и ресурс при заточке. Повышенный период стойкости резца к затуплению позволяет получить более изделия высокого качества, сокращает энергопотребление процесса механической обработки, а также повышает надежность и долговечность работы контактных пар технологического оборудования, вследствие снижения действующих сил резания.

Ключевые слова: резец, дереворежущий инструмент, диспергирование, шероховатость, твердость, геометрия резца, износ, тепло, температура нагрева, структурные превращения.

Форсированные режимы резания древесины и древесных материалов на современных деревообрабатывающих станках, работающих с высокими скоростями резания и большими подачами обрабатываемого материала, приводят в ряде случаев к значительному нагреву инструмента [1,2,3,4,5].

Исследования профессора Лейхтлинга К.А. показали, что при определенных условиях инструмент нагревается в зоне резания до температур, превышающих теплостойкость инструментального материала. Это приводит к ускорению износа и затуплению инструмента, к снижению качества обрабатываемой поверхности и производительности оборудовании. Отсюда, тепловые явления, сопровождающие процесс резания, приобретают важное значение при изучении процессов механической обработки древесины и древесных материалов.

Механическая, работа А, затрачиваемая на процесс резания, может, быть представлена.урав-нением

А = Аоп+АТ+АД+Ас, (1)

где АОП - работа, затрачиваема на образование новых свободных поверхностей древесины и резца;

АТ - работа, затрачиваемая на преодоление сил трения, возникающих между трущимися поверхностями инструмента и древесины;

Ад - работа, расходуемая на деформирование древесины и инструмента;

АС - работа, затрачиваемая на структурные превращения в металле резца.

Часть, механической работы превращается в тепло, а другая - может накапливаться в форме потенциальной энергии искаженной кристаллической решетки материала инструмента и в тепло не превращается. Эту последнюю часть принято называть скрытой или поглощенной энергией.

Профессор Е. Г. Ивановский указывает, что на образование новой поверхности древесины идёт весьма малая часть работы, расходуемой при резании древесина, и ею пренебрегают. Энергия, затрачиваемая на диспергирование металла с трущихся поверхностей инструмента, на образование 1 см2 поверхности резаная мала и ею также пренебрегают.

При резании относительная деформация стружки и древесины достигает, как известно, лишь значений Л < 0,45 и происходит при постоянном давлении. Такая деформация при стружкооб-

разовании, совершающаяся при постоянном и относительно небольшом давлении, позволяет допустить, что на нее расходуется сравнительно небольшая часть, от всей затрачиваемой на резание работы.

Следует принять во внимание, что структурные превращения в инструментальном материале при резании древесины менее значительны, чем при резании металлов, особенно если инструменты изготовлены из теплостойкой легированной стали. Поэтому скрытая или поглощенная энергия составит небольшую часть от всей затрачиваемой на резание.

Учитывая вышеизложенное и пренебрегая, на первом этапе, преобразованием части механической энергии в приращение энергии молекул, перешедших из внутренних объемов древесина и резца на поверхность, в электрическую и другие ее виды на поверхностях скольжения, можно, в первом приближения, принять, что вся механическая работа резания переходит в тепло, и общее количество тепла Qобщ, ккал/с, образующегося в результата этой работы, определится

(2)

@общ 4?7,

где — - тепловой эквивалент работы в ккал/кг*м;

Р - сила резания, кг;

V - скорость резания, м/с.

Общее количество теплоты Qобщ, выделяющейся при резании, суммируется из теплоты, возникающей при трении стружки о переднюю поверхность инструмента ци, при трении задней и боковых граней инструмента об обработанную поверхность цз и цб, при деформации срезаемой стружки и древесины и распределяется между инструментом, стружкой и изделием, а часть теплоты рассеивается в окружающую среду.

Механическая энергия, затрачиваемая при резании древесины и древесных материалов, расходуется на образование новых поверхностей в древесине и инструменте, на деформирование обрабатываемого материала и резца, на преодоление сил трения при относительном скольжении поверхностей древесины, по поверхностям режущего инструмента и древесины.

Ввиду преимущественного влияния работ сил трения на нагрев инструмента исследования проводились с использованием энергетической теории процесса трения и износа. Исследования нагрева инструмента в процессе резания выполнены применительно к резцу для дисковых пил для продольной распиловке лиственницы как одной из наиболее распространенных пород Сибири и Дальнего Востока.

Для математического описания процесса распространения тепла необходимо прибегнуть к схематизации формы и расположения источников тепла.

На контактирующие с древесиной поверхности резца действуют источники тепла цп , имитирующие теплообмен передней грани резца со стружкой, цз - с обрабатываемым материалом по задней грани, цб - боковых граней инструмента с обрабатываемой заготовкой через боковые поверхности пропила.

Интенсивность источников тепла рассчитывается по известным усилиям и другим параметрам процесса резания.

Удельное давление по площади контакта соответствующей грани резца с древесиной принято постоянным при данном режиме резания, поэтому источники тепла будут постоянной интенсивности.

Пренебрегая малыми значениями углов поднутрения зубьев в направлении от вершины зуба к впадине (р и от передней грани к задней а1 (1 °^3°), можно имитировать тепловыделение на площадках контакта резца по передней грани плоским источником Ьх1п (Ъ - длина режущей кромки, 1п -длина контакта, измеренная в направлении схода стружки); на задней грани - плоским источником, равным Ъх1з (1з - длина контакта по задней грани). На боковой поверхности резца - плоским источником, равным ^xlпxlзxsm|3 (р - угол заточки зуба).

Эти источники тепла являются подвижными по отношению к обрабатываемой заготовке, скорость перемещения их определяется скоростью резания. По отношению к резцу эти источники неподвижны и в процессе резаная действуют на соответствующую грань инструмента, а продолжительность их непрерывного воздействия определяется временем одного реза. .

Температура на поверхности контакта резца с древесиной Qк определялась по уравнению А. Д. Дубинина, преобразованного, применительно к условиям продольной распиловки древесины к виду

_fxкNxv_

Qк =

(1)

в(1+С1ху1С2 1ху2 1)(А2хт2+КпхА 2х2,6 ^ш2хЛд1 х^У)

где Км - удельное давление на исследуемой грани, кг/мм2;

[ - коэффициент трения (/ = 0,3);

V - скорость резания, м/с;

Е - механический эквивалент тепла (Е = 427 кг*м/ккал);

С1 - удельная теплоемкость древесины С1 = 0,65 ккал/кг*град (по К. Р. Кантеру не зависит от породы);

у1 - удельный вес лиственницы, у1 = 640 кг/м3;

С2 - удельная теплоемкость стали резца,

С2 = 0,115 ккал/кг*град;

у2 - удельный вес стали резца, у2 = 7800 кг/м3;

Х2 - коэффициент теплопроводности резца,

Х2 = 45 ккал/м*часхград;

х

X

о

го А с.

X

го т

о

м о м

т9 =

а2хП X2xS

- параметр, в котором коэффици-

сч о сч

о ш m

X

3

<

m о х

X

ент теплоотдачи а2 поверхности резца - а2 = 6,5 ккал/м2хчас*град;

П - периметр площади контакта резца с древесиной, мм;

5 - площадь контакта, мм2;

Кп - коэффициент пропорциональности (определяется экспериментально);

ХА - средняя длина волны неровностей поверхности резца - Х^ = 0,01*103 м;

ш2 - коэффициент температуропроводности резца, ш2 = 0, 05 м2/час.

Температура нагрева передней грани зуба пилы в зависимости от скорости резания, определенная по приведенной формуле для условий, принятых в наших экспериментальных исследованиях, при которых Км = 3,15 кг/мм2 (среднее в исследуемом диапазоне скоростей резания 10-100 м/с и подачи на зуб - иг = 0,3 мм), Кп = 0,00445, т2 = 31,9 приведена в табл. 1.

Таблица 1

Влияние скорости резания на температуру нагрева поверхностного слоя резца (обрабатываемый материал - лиственница, № = 16+18%)

V, м/с 10 25 50 70 100 150

Q., °С 390 618 875 1040 1240 1490

Влияние скорости подачи на температуру нагрева резца определяется значением параметра т2.

В табл. 2 приведена результаты аналитического определения температура нагрева передней грани резца в зависимости от подачи на зуб при скорости резания V = 50 м/с.

Таблица 2

Температура нагрева зуба пилы, в зависимости от подачи

Величины Подача на зуб, мм

0,01 0,1 0,3 0,5 1,0 3,0

П, мм 10,02 10,2 10,6 11,0 12,0 16

S, мм2 0,05 0,5 1,5 2,5 5,0 15

m7 173 54,3 31,9 25,2 18,6 13,2

Q., °С 860 873 875 877 878 878

Сопоставлением результатов аналитически и экспериментально проведенных исследований установлено, что разница между вычисленными значениями температур и экспериментально определенными не превышает 10% от максимального значения температур в исследуемом диапазоне скоростей резания.

Сравнение результатов исследования влияния подачи на температуру нагрева экспериментально определенных с теоретически вычисленными показало удовлетворительное совпадение при работе на подачах от 0,15 мм и более. Значительная разница в температурах при подачах менее 0,15 мм на зуб объяснима тем, что средняя толщина

микростружки становится соизмеримой с радиусом закругления режущей кромки. Это приводит к иным значениям переднего угла, угла резания и удельного давления, к резкому изменению процесса стружкообразования, приближающегося к процессу чистого трения, к уплотнению древесины, к изменению теплообмена и к иному нагреву резца.

Приведенные результаты температуры нагрева поверхностных слоев, резца свидетельствуют о том, что к дереворежущему инструменту в ряде случаев необходимо предъявить требования высокой теплостойкости.

Литература

1. Воробьев, А.А. Анализ влияния микроструктуры инструментального материала режущего инструмента, напряженно-деформированного состояния установки и натяжения пил и их температурной деформации / А.А. Воробьев, Ю.В. Егоров, Г.П. Карлов, Н.В. Кравченко, Л.А. Очирова // Инновации и инвестиции. - 2020. - №11.

2. Кравченко, Н.В. Совершенствование конструкций рамных пил методами математического и твердотельного моделирования [Текст] / Н.В. Кравченко, А.А. Воробьев, И.Н. Спицын, Л.А. Очирова // Системы. Методы. Технологии. - 2018. - № 4. - с. 40-46.

3. Воробьев, А.А. Моделирование качества обработки и динамики работы дереворежущих станков [Текст] / А.А. Воробьев, И.Н. Спицын, Ю.А. Филиппов // Справочник. Инженерный журнал. -

2012. - № 3. - с. 37-41.

4. Воробьев, А.А. Влияние анизотропии древесины и вибрации на качество фрезерования деталей мебели [Текст] / А.А. Воробьев, И.Н. Спицын, Ю.А. Филиппов // Хвойные бореальной зоны. -

2013. Т. XXXI, № 1-2. - с. 164-167.

5. Воробьев, А.А. Установление зависимости шероховатости поверхности древесины от показателей вибрации станка [Текст] / А.А. Воробьев, Ю.А. Филиппов // Деревообрабатывающая промышленность. - № 2, 2010. - с. 6 - 7.

Definition of temperature of the blanket of the cutter at wood cutting Egorov U.V., Vorobjev A.A., Kravchenko N.V., Kovalev K.Yu., Raldugin R.V.

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology, the city of Krasnoyarsk

JEL classification: C10, C50, C60, C61, C80, C87, C90_

In operation results theoretical and an experimental research by definition of temperature of heat on a lobby, back and to lateral faces of a cog of a peripheral saw are presented at direct cutting of wood for the purpose of endurance heightening woodcutting the instrument. Process of cutting of wood difficult thermomechanical process in which there is a transformation of a part of energy in thermal at formation of new surfaces, material and cutter deformation, overcoming of forces of a friction. In these conditions process bluntness the cutting instrument leaks as a result of simultaneous effect of heats and mechanical loadings which are shown in dispersing a cutter material. For heightening of physicomechanical properties of a working part of the cutting instrument influence of the various factors defining process of heat of a cog of a peripheral saw at cutting that has special value at cutting of such material as the wood, having the low thermal conduction

causing redistribution of a great many of heat in cutting instrument and its considerable heat, leading to structural changes in a material of a cutter and oxidising processes on its surface has been studied.

Endurance heightening woodcutting the instrument ensures heightening of time of its operation and a resource at sharpening. The heightened period of firmness of a cutter to bluntness allows to receive more an excellence article, reduces energy consumption machining job process, and also raises reliability and longevity of operation of contact pairs the process equipment, owing to lowering of operating forces of cutting.

Keywords: cutter, woodcutting the instrument, dispersing, a roughness, hardness, cutter geometry, deterioration, heat, heat temperature, structural transformations

References

1. Vorobjev, A.A. Analysis of the influence of the microstructure of the tool material of the cutting tool, the stress-strain state of the installation and the tension of saws and their thermal deformation [Text] / A.A.Vorobiev, Yu.V Egorov., G.P. Karlov, N.V. Kravchenko, L.A. Ochirova // Innovations and investments. - 2020. - №11. - p. 167-169.

2. Vishurenko, N.V. Improving the frame saw designs with the help of mathematical and solid-state modeling methods [Text] / N.V. Vishurenko, A.A. Vorobjev, I.N. Spitsyn, L.A. Ochirova // System.Methods. Technologies. - 2018. - №4(40). - p. 40-46.

3. Vorobjev, A.A. Modeling of quality of processing and dynamics of work woodcutting of machine tools [Text] / A.A. Vorobjev, I.N.,Spitsyn, J.A. Filippov // HANDBOOK. An Engineering Journal. - 2012. - №3. - p. 3741.

4. Vorobjev, A.A. Influence of anisotropy of wood and vibration on quality of milling of details of furniture [Text] / A.A. Vorobjev, I.N.Spitsyn, J.A. Filippov // Conifers of the boreal area. - 2013. - Volume XXXI. № 1-2.-p. 164-167.

5. Vorobjev, A.A. Installation of dependence of a surface roughness of wood from indexes of vibration of the machine tool [Text] / A.A Vorobjev, J.A. Filippov // Woodworking Industry. - 2010. - №2. - p. 6-7.

X X

o 00 A c.

X

00 m

o

ho o ho