CC BY
25
УДК 674.023.2
Л. Т. Свиридов, А.В. Ивановский, В.П. Ивановский
Свиридов Леонид Тимофеевич родился в 1948 г., окончил в 1975 г. Воронежский лесотехнический институт, доктор технических наук, профессор кафедры механизации лесного хозяйства и проектирования машин, проректор по научной работе Воронежской государственной лесотехнической академии, заслуженный изобретатель РФ, заслуженный деятель науки РФ. Имеет более 400 научных работ и 60 изобретений в области механизации лесного хозяйства и деревообработки. Тел.: (4732) 53-84-38
Ивановский Александр Владимирович родился в 1987 г., студент Воронежской государственной лесотехнической академии. Имеет 10 научных работ в области древесиноведения и деревообработки. Е-mail: [email protected]
О
ЁI
Ивановский Владимир Павлович родился в 1956 г., окончил в 1979 г. Воронежский лесотехнический институт, доцент кафедры древесиноведения Воронежской государственной лесотехнической академии. Имеет более 100 научных работ в области деревообработки. Е-mail: [email protected]
ОСНОВЫ НАЗНАЧЕНИЯ
СИЛОВЫХ ПАРАМЕТРОВ ДЕЛЕНИЯ ДРЕВЕСИНЫ
Приведена методика расчета силовых параметров процесса резания древесины; дано обоснование по выбору основных поправочных коэффициентов; установлена зависимость качества обработанной поверхности от подачи на зуб инструмента.
Ключевые слова: плотность древесины, режим работы, алгоритм, работа резания.
Часто на практике, при подборе режима деления древесины, технологи сталкиваются с реальными трудностями, связанными со значительным (до 30 %) варьированием ее физико-механических показателей и других свойств. Повышения эффективности и интенсификации процессов добиваются, четким назначением режима деления древесины. Методика расчета силовых, мощностных параметров процесса резания древесины и назначение режима работы дереворежущих станков должны соответствовать обработке натуральной и прессованной древесины, обеспечивать простоту составления алгоритма, использование ЭВМ и содержать минимум табличного материала.
Для случая продольного деления натуральной и прессованной древесины нами разработан аналитический метод расчета на ЭВМ скорости подачи и мощности привода [3], практически исключающий табличный материал, который представлен в виде расчетных подсистем.
При выполнении исследований использованы методы математического и физического моделирования, компьютерного программирования, а также численного интегрирования и дифференцирования на ЭВМ. Экспе-
риментальные исследования в лабораторных и производственных условиях проведены на разработанных стендах и серийно выпускаемых деревообрабатывающих станках с применением современной измерительной техники. Результаты исследований статистически обработаны на ЭВМ с использованием стандартных и специально разработанных прикладных программ. Для каждого опыта отбирали образцы древесины различных пород, последовательно меняли влияющие факторы.
Согласно существующей методике, при расчете скорости подачи по мощности привода используют следующие зависимости:
гР V
N =—к— • (!)
пр 1000л'
Рк = КВНи; (2)
к 60^
К = Ки2 К п КЖК^5 КНКУ , (3)
где Nпр - мощность привода механизма резания, кВт;
г - число пил на валу;
Рк - среднее касательное усилие резания, Н; V - скорость резания, м/с; П - кпд механизма резания; К - удельная работа резания, Дж/см3; В - ширина пропила, мм; Н - высота пропила, мм; и - скорость подачи, м/мин;
К^ - удельная работа резания в зависимости от подачи на
один зуб иг при продольном пилении воздушно-сухой сосны острыми режущими инструментами, Дж/см3;
Кп, КЖ, Кь Кн, К5, ^ - поправочные множители на породу и влажность Ж древесины, затупление инструмента, высоту пропила, угол 5 и скорость резания.
Совместное решение (1) - (3) дает возможность определить произведение
6 • 107 NПр пг
Ки,и2 = ,„ ,. „пр' „ ,,, (4)
__пР
8 KнKv
-1.
2 2 КК^ККККВпН-
где п - частота вращения пилы, мин г - число зубьев.
По величине Ки иг назначают табличное значение иг и рассчиты-
вают скорость подачи:
и ^ (5)
1000
Вышеуказанные поправочные множители назначают по таблицам, что приводит к необходимости при программировании расчета использовать диалоговый режим работы ЭВМ. Однако в профессиональной инженерной деятельности для сокращения продолжительности расчетов стараются этот режим не использовать. В связи с чем было выполнено преобразование табличного материала [1, 2] и экспериментально проверено при делении древесины круглыми пилами и режущими дисками.
1. Поправочные множители на породу и влажность древесины.
Согласно стандартам древесные породы имеют следующую усредненную плотность р (кг/м3): липа - 485, сосна - 540, лиственница - 600, береза - 630, бук - 670, дуб - 710, ясень - 770, древесина прессованная -850 ... 1400.
Множитель Кп имеет прямолинейную зависимость от плотности древесины. Уравнение прямой линии, проходящей через две точки с координатами (х1; у2) и (х2; у2), в общем виде представляется формулой
Г - 71 = Х ~ Х1 . (6) ^2 - Х 2 - Х1
Согласно данной зависимости прямая 1 на рис. 1, а отвечает уравнению Кп = 0,306-10-2 р - 0,65.
По табличным данным составляют графическую зависимость поправочного множителя КЖ от влажности древесины (рис. 1, б). С использованием уравнений (3) - (6) получают
1пКш = 0,0721п Ж - 0,194. (7)
Для расчета КЖ на ЭВМ применяют формулу
к = 0,83^0-072. (8)
40 45 50 55 60 65 70 6, град 30 40 50 60 70 80 V, м/с
д е
Рис. 1. Зависимость поправочного множителя на породу (а) и влажность (б) древесины, затупление инструмента (в) и высоту пропила (г), угол (д) и скорость (е) резания от плотности и влажности древесины (а, б), периода стойкости инструмента и толщины заготовки (в, г), угла и скорости резания (д, е): 1 - теоретическая,
2 - экспериментальная
2. Поправочные множители на затупление пилы и высоту пропила.
В различных методиках [1, 2] значение К выбирают в зависимости от продолжительности работы стальной пилы без переточки. Графически зависимость К = /(г) представлена на рис. 1, в. Для расчета на ЭВМ используют формулу
К = 0,5 -10"2 г + 0,9, (9)
где г - продолжительность работы пилы без переточки, мин.
График функции Кн = /(И) - прямая (рис. 1, г). С использованием уравнения (6) получена формула
Кн = 0,5-10-2 И + 0,77. (10)
3. Поправочные множители на угол и скорость резания.
Зависимость К5 = /(8) графически представлена на рис. 1, д. Табличные данные в логарифмических координатах дают прямолинейную зависимость:
1п К = 1,911п 8- 7,83. (11)
Окончательное расчетное уравнение
К5 = 0,4-103 8191 . (12)
На основании табличных данных построен график Ку = /(V) (рис. 1, е). При обработке натуральной древесины используют диапазон скоростей резания от 40 до 100 м/с. Для этого диапазона скоростей кривая на рис. 1, е описывается функцией
Ку = 0,647е°'0072У . (13)
4. Удельная работа резания эталонной древесины в зависимости от подачи на зуб.
Для продольного деления древесины составлена табл. 1, по данным которой построены графики изменения функций Ки = /(Ц) и К^ и2 = /(иг),
приведенные на рис 2.
Таблица 1
Расчет удельной работы резания эталонной древесины
и 1п иг Киг 1п Киг Кигиг 1п Киг иъ
0,10 -2,30 80,0 4,38 8,0 2,08
0,15 -1,89 68,0 4,22 10,2 2,32
0,20 -1,61 60,0 4,10 12,0 2,48
0,30 -1,20 49,0 3,90 14,7 2,69
0,40 -0,91 44,0 3,78 17,4 2,85
0,50 -0,69 40,5 3,70 20,2 3,00
0,60 -0,50 38,0 3,64 22,8 3,12
0,80 -0,22 34,5 3,54 27,6 3,32
1,00 0 31,5 3,45 31,5 3,45
1,20 0,18 29,0 3,37 34,5 3,55
Графики показывают необходимость перехода к логарифмическим координатам. Наличие прямолинейных зависимостей в логарифмических координатах позволило после ряда преобразований получить расчетные уравнения для решения прямых и обратных задач:
Рис. 2. Зависимость удельной работы резания от подачи на зуб в натуральных (а) и логарифмических (б) координатах
Кщ = 31,50и;0,4;
(14)
и2К^ = 31,43и" ;
и2 = 0,3 • 102 (и2Ки2 >68-
(15)
(16)
Nпр = 31,5и0'6 К попрВЯ^
10' ц6
(17)
и = 0,6
1,94 • 106 NIЮ ц
к попрВНпг
(18)
Скорость подачи по мощности привода ^ прямым расчетом на ЭВМ с учетом (5) устанавливают по следующей формуле:
и =°.6
1,94 • 106 N„2 цг
К п КжККнК 5 КуВНпг
(19)
Для иллюстрации методики расчета режима деления древесины целесообразно использовать диалоговый режим работы ЭВМ:
(20)
UN = 0,3 • 10"5 (иКиг)
пг.
Из условия напряженности работы впадины между зубьями инструмента определяют скорость подачи:
и, пг
(21)
и 8 =
1000
где и - подача на зуб по работоспособности зубчатого венца,
и 2 = & 2/гН.
N
Здесь Q - коэффициент формы зуба, Q = 0,4 ... 0,5;
в - коэффициент напряженности впадин зуба, в = 2 ... 3. Таким образом,
и. =■
Qt2 пг
(23)
еЯ •1000
Для назначения скорости подачи по заданной шероховатости поверхности необходимо установить корреляционную зависимость высоты микронеровностей Км^ от подачи на зуб и2.
В результате были установлены формулы для определения допустимых значений подачи на зуб: пила с разводом
ц = ЯшШаХ .
6811
пила с плющением (или режущий диск)
иг =
Ят1
2960
а также скорости подачи на допускаемой высоте неровностей: пила с разводом
иКт =
Яш]^ ш
6811 103
пила с плющением (или режущий диск)
иКт =
2960^ 103
Результаты расчетов представлены в табл. 2.
Таблица 2
Расчет высоты микронеровностей для диапазона углов встречи от 20 до 50°
Ят 1 ""шах 1П ЯШшах иг 1п иг
1000 6,90 1,20/1,80 0,18/0,58
650 6,47 1,00/1,50 0,00/0,40
410 6,00 0,80/1,20 -0,22/0,18
320 5,77 0,50/0,75 -0,69/-0,29
260 5,56 0,30/0,45 -1,20/-0,80
200 5,30 0,20/0,30 -1,61/-1,20
150 5,00 0,10/0,15 -2,30/-1,90
Примечание. В числителе приведены данные для пилы с разводом, в знаменателе - с плющением (или режущий диск).
По известной силе резания можно точнее установить величину необходимых деформирующих усилий в процессах бесстружечного деления и прессования древесины мягких лиственных пород без неконтролируемого разрушения стенок сосудов древесины. Практическое значение проведенных исследований направлено на снижение энергоемкости в процессах прессования и деформирующей обработки мягколиственной древесины, а также на повышение производительности и качества обработки ее поверхности. Полученные реологические коэффициенты необходимо учитывать при проектировании технологических операций и инструментов бесстружечного деления мягколиственной древесины.
Для стружечных способов механической обработки древесины найденные значения нужны при проектировании инструментов, адаптированных для резания мягколиственных пород, выборе угловых и линейных параметров инструментов. Определенные нами значения реологических коэффициентов упругости и пластичности мягколиственных пород позволяют увеличить производительность разделительных операций на 15 ... 20 % за счет снижения энергоемкости и трудоемкости, а также улучшить качество обработанных поверхностей на 10 . 15 %.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Амалицкий, В.В. Оборудование отрасли: учеб. [Текст] / В.В. Амалицкий. - М.: МГУЛ, 2006. - 584 с.
2. Любченко, В.И. Резание древесины и древесных материалов [Текст] / В.И. Любченко. - М.: МГУЛ, 2002. - 310 с.
3. Свиридов, Л.Т. Резание древесины различной прочности [Текст] / Л.Т. Свиридов, В.П. Ивановский. - Воронеж: ВГУ, 2005. - 200 с.
L.T. Sviridov, A.V. Ivanovsky, V.P. Ivanovsky
Purpose Bases of Force Parameters for Wood Division
The technique of force parameters estimation for wood cutting process is provided, the substantiation on selection of basic correction coefficients is given, the dependence of quality of treated surface on feeding to the tool tooth is established.
Keywords: wood density, operation mode, algorithm, cutting operation.
