CC BY
12
ОБЩЕИНЖЕНЕРНЫЕ ВОПРОСЫ ЛЕСОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА
УДК 674.055
П. В. Рудак, кандидат технических наук, ассистент (БГТУ); А. А. Гришкевич, кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой (БГТУ);
В. В. Раповец, асистент (БГТУ)
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ СИЛОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК РАБОТЫ ХВОСТОВЫХ ФРЕЗ ПРИ ОБРАБОТКЕ ДРЕВЕСНЫХ МАТЕРИАЛОВ
В статье приводятся результаты совместных экспериментальных исследований кафедры деревообрабатывающих станков и инструментов БГТУ и Института металлообрабатывающего оборудования, отдела деревообработки Штутгардского университета (Германия). Выполнены исследования силовых характеристик процесса обработки древесины различных пород, а также древесных материалов концевыми фрезами двух различных конструкций: с непрерывным и прерывистым каналами отвода стружки из зоны резания. Установлено, что на эффективность удаления стружки из зоны резания оказывает существенное влияние конструкция инструмента, которая отражается на силовых и энергетических показателях процесса обработки.
The article deals with results of shared research of the department of woodworking machinery and equipment (BSTU) and Institute of metalworking equipment, department of woodworking Stuttgart University. Fulfilled experimental research of power descriptions of process of treatment of wood of different breeds are brought in the article, and also arboreal materials by the end milling cutters of two different constructions: with continuous and irregular canals taking of shaving from the area of cutting. It is set that on efficiency of delete of shaving from the area of cutting the construction of instrument renders substantial influence, here, affecting power and power indexes of process of treatment.
Введение. Для получения из древесины и древесных материалов мебельных, строительных и других деталей разной формы широко применяют хвостовые фрезы, обеспечивающие возможность не только обрабатывать заготовку по периметру (снимаемый припуск меньше диаметра фрезы), но и осуществлять ее раскрой (снимаемый припуск равен диаметру фрезы). Это позволяет за одну установку заготовки на рабочем столе станка произвести целый комплект деталей.
Распространено фрезерование хвостовыми фрезами, при котором режущие кромки инструмента в процессе вращения описывают цилиндрическую поверхность (цилиндрическое фрезерование), что позволяет осуществлять чистовую обработку боковых поверхностей заготовок параллельно оси вращения инструмента [1]. Именно такого рода боковые поверхности находят широкое распространение в изделиях из древесных материалов, в частности из ДСтП.
Для обеспечения энерго- и ресурсоэффек-тивности обработки древесины и древесных
материалов хвостовыми фрезами на современных высокопроизводительных деревообрабатывающих станках большое значение имеют исследования влияния на силу, мощность резания и качество обработанной поверхности таких режимных параметров, как средняя толщина стружки (аср, мм), снимаемый припуск на обработку (к, мм), частота вращения хвостовой фрезы (п, мин1), радиус хвостовой фрезы (Я, мм), направление подачи (встречная, попутная) [2, 3].
В то же время эффективность удаления стружки из зоны резания также оказывает существенное влияние на силовые и энергетические показатели процесса обработки.
В связи с этим на кафедре деревообрабатывающих станков и инструментов проведены экспериментальные исследования силовых характеристик процесса обработки различных древесных материалов хвостовыми фрезами двух конструкций. Хвостовая фреза первой конструкции характеризуется непрерывными межзубыми пространствами, что обеспечивает непрерывный канал отвода стружки (рис. 1).
непрерывный канал отвода стружки
Рис. 1. Хвостовая фреза с непрерывным межзубым пространством
Хвостовая фреза второй конструкции характеризуется прерывистыми межзубыми пространствами, что может обеспечивать большее сопротивление сходу стружки (рис. 2).
прерывистый канал отвода стружки
Рис. 2. Хвостовая фреза с прерывистым межзубым пространством
Диаметры окружностей резания, количества резцов, угловые характеристики хвостовых фрез двух конструкций не отличались.
Основная часть. В качестве измерительной системы использовался универсальный динамометрический мост типа УДМ-1200, который позволяет измерять и регистрировать три взаимно перпендикулярные составляющие силы резания вдоль координатных осей.
В комплект измерительной системы входят универсальный динамометр УДМ-1200, на котором крепится обрабатываемый материал; тензометрическая измерительная система EX-UT10 (Япония), позволяющая регистрировать аналоговые данные с УДМ-1200, обрабатывать, сохранять, передавать и представлять в удобном для пользователя виде уже оцифрованные данные; персональный компьютер HP Compaq nx 7400 и соединительные провода. Измерительная система устанавливалась на современный деревообрабатывающий центр с ЧПУ ROVER B 4.35 (рис. 3).
При действии сил резания на образец древесины (древесного материала), закрепленный в динамометре-датчике УДМ-1200, деформируются тензометрические датчики, сопротивление которых изменяется пропорционально прилагаемым усилиям и изгибающему моменту, чем и определяется пропорциональное изменение сигнала. Аналоговый сигнал от динамометра дат-
чика по трем каналам поступает далее на входы измерительной системы ЕХ-иТ10, где регистрируется, обрабатывается и затем уже оцифрованный сигнал передается с высокой точностью на персональный компьютер [4, 5].
ЕХ-ЦТ10
Рис. 3. Экспериментальная установка
Исследования для фрезы со сплошным каналом отвода стружки (конструкция 1) осуществлялись для трех положений хвостовой фрезы относительно заготовки (-1, 0, +1) (рис. 4).
Принятая толщина стружки е = 0,35 мм.
ю
ю
-1 0 +1
Z
Fy
TJ)
ю
Л"
Рис. 4. Схема обработки заготовок хвостовыми фрезами
Опыты показали незначительное влияние положения фрезы относительно заготовки на регистрируемые силовые параметры. Для фрезы с прерывистым каналом отвода стружки опыты проводились только для положения 0.
Результаты проведенного эксперимента для сравнения работы двух хвостовых фрез с регистрацией силовых характеристик представлены в таблице.
Общеинженерные вопросы лесопромышленного комплекса
217
На рис. 5 даны графики зависимостей величин касательной составляющей силы резания от частоты вращения хвостовой фрезы при обработке различных пород древесины, а также различных древесных материалов (после названия обрабатываемого материала указан номер хвостовой фрезы, которой выполнялась обработка).
Заключение. В результате анализа экспериментальных данных установлено, что на эффективность удаления стружки из зоны резания оказывает существенное влияние конструкция инструмента, которая отражается на силовых и энергетических показателях процесса обработки.
Результаты проведенного эксперимента
Материал Позиция инструмента Частота вращения инструмента п, мин1 Скорость подачи V, м/мин Силы, Н (фр со сплошным ка отвода стружки, с еза налом реза 1) Силы, Н (фреза с прерывистым каналом отвода стружки, фреза 2)
^
МББ +1 12 000 6,6 32,576 176,432 19,469 - -
16 000 8,8 36,937 177,536 11,008 - - -
20 000 11,0 39,835 180,262 12,649 - - -
0 12 000 6,6 31,931 174,773 51,225 17,250 138,509 57,440
16 000 8,8 36,513 175,685 52,826 15,640 143,872 56,675
20 000 11,0 35,137 166,887 54,327 15,225 153,671 61,933
-1 12 000 6,6 40,626 172,279 59,752 - - -
16 000 8,8 38,718 168,776 58,546 - - -
20 000 11,0 41,016 166,259 58,550 - - -
ДСтП +1 12 000 6,6 45,863 112,797 46,125 - - -
16 000 8,8 47,247 117,446 6,325 - - -
20 000 11,0 46,399 122,831 12,055 - - -
0 12 000 6,6 40,907 115,984 7,099 38,277 115,299 42,258
16 000 8,8 44,161 117,450 36,793 33,499 102,657 37,118
20 000 11,0 47,333 117,346 36,861 35,579 110,306 40,661
-1 12 000 6,6 48,468 126,672 42,711 - - -
16 000 8,8 49,112 123,736 40,911 - - -
20 000 11,0 49,817 124,436 46,219 - - -
Береза +1 12 000 6,6 - - - - - -
16 000 8,8 - - - - - -
20 000 11,0 - - - - - -
0 12 000 6,6 43,726 298,973 92,775 17,149 254,223 93,513
16 000 8,8 26,908 299,094 88,000 14,611 250,466 100,591
20 000 11,0 49,171 308,514 83,189 13,134 253,608 96,624
-1 12 000 6,6 - - - - - -
16 000 8,8 - - - - - -
20 000 11,0 - - - - - -
Ясень +1 12 000 6,6 - - - - - -
16 000 8,8 - - - - - -
20 000 11,0 - - - - - -
0 12 000 6,6 39,981 311,057 84,275 12,124 272,824 102,156
16 000 8,8 47,515 322,847 93,945 17,091 252,128 95,859
20 000 11,0 50,845 320,625 87,423 14,72 262,697 103,584
-1 12 000 6,6 - - - - - -
16 000 8,8 - - - - - -
20 000 11,0 - - - - - -
Бук +1 12 000 6,6 - - - - - -
16 000 8,8 - - - - - -
20 000 11,0 - - - - - -
0 12 000 6,6 42,661 252,820 67,353 21,392 214,481 75,722
16 000 8,8 41,208 230,373 56,529 25,265 203,426 74,262
20 000 11,0 42,956 228,943 72,523 16,489 216,889 82,896
-1 12 000 6,6 - - - - - -
16 000 8,8 - - - - - -
20 000 11,0 - - - - - -
300
250
200
150
100
75
4 Касат ельная составл :илы резания, [яющая Н
i Г-' ___1—1 1
--J >- --3 [-
1 J Г- ... _
----
4
1
t
. 1 1----- -1 1-
1 1 1 1 —
MDF 1
--•-- МОБ 2 --■-- ДСтП 2 —■— ДСтП 1
- -А- - Береза 2 —А— Береза 1 —■Л"— Ясень 1
- - Ясень 2 —ф— Бук 1
- -♦- - Бук 2
12 000
20 000
16 000
Частота вращения фрезы, мин-1
Рис. 5. Графики зависимостей величин касательной составляющей силы резания от частоты вращения хвостовой фрезы
Фреза с прерывистым каналом отвода стружки показала несколько лучшие результаты по силовым характеристикам процесса в сравнении с инструментом другой конструкции. Это объясняется механизмом удаления продуктов резания из зоны разрушения материала (двойное струж-кообразование). Однако направленность отвода стружки (организация потока) из зоны резания у фрезы с непрерывным каналом лучше.
На образцах из натуральной древесины получили ожидаемый рост сил резания, т. к. большие углы резания, свыше 80° (угол заточки 60°, задний угол 20°), не предназначены для обработки натуральной древесины.
Достоинство хвостовой фрезы с наклонными режущими элементами и непрерывным каналом отвода стружки, ориентирующей отходы обработки в сторону вытяжного колпака станка (вверх) или в сторону транспортера (вниз), может обеспечивать энергосбережение, позволяющее сократить мощность привода вентилятора системы аспирации. При этом с увеличением частоты вращения хвостовой фрезы данный фактор проявляется во все большей мере.
Процесс фрезерования древесных материалов на энерго- и ресурсосберегающих режимах характеризуется, как правило, энергопотреблением не более 1 кВт. При этом привод вентилятора системы аспирации должен обеспечивать требуемый расход воздуха и имеет мощность в 5-10 раз выше мощности на резание. Однако даже такие высокие мощности привода вентилятора не обеспечивают требуемую полноту аспи-
рации. В связи с этим перспективным является совершенствование конструкций хвостовых фрез с целью обеспечения возможности использования кинетической энергии стружки для ее удаления.
Корпус хвостовой фрезы с прерывистым каналом отвода стружки имеет большее поперечное сечение, что при одинаковых условиях эксплуатации обеспечивает более высокую усталостную прочность. Это также имеет большое значение, поскольку именно усталостные разрушения часто являются причинами аварийного выхода инструмента из строя.
Литература
1. Бершадский, А. Л. Резание древесины / А. Л. Бершадский, Н. И. Цветкова. - Минск: Выш. шк., 1975. - 304 с.
2. Позднякова, В. Н. Исследование основных геометрических параметров концевых фрез для обработки труднообрабатываемых древесных материалов: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.21.05 / В. Н. Позднякова; Моск. лесо-техн. ин-т. - М., 1981. - 24 с.
3. Любченко, В. И. Резание древесины и древесных материалов: учебник / В. И. Любченко. М.: Моск. гос. ун-т леса, 2002. - 310 с.
4. Оппенгейм, Э. Применение цифровой обработки сигналов / Э. Оппенгейм; пер. с англ.; под ред. А. М. Рязанцева. - М.: Мир, 1980. - 267 с.
5. Ящерицын, П. И. Теория резания: учебник / П. И. Ящерицын, Е. Э. Фельдштейн, М. А. Кор-ниевич. - Минск: Новое знание, 2005. - 512 с.
Поступила 14.03.2011
