CC BY
17
П.В. Цаплин, С.П. Ереско и др.: Теоретические предпосылки метода расчёта технологии термосилового воздействия.
УДК 621.9.02
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ МЕТОДА РАСЧЁТА ТЕХНОЛОГИИ ТЕРМОСИЛОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ПОВЕРХНОСТЬ ДРЕВЕСНЫХ
КОМПОЗИЦИОННЫХ ПЛИТ
П.В.Цаплин, С.П.Ереско, Ю.Д.Алашкевич
В статье рассматривается методика расчёта физических параметров термопротяжного узла для обработки поверхности древесных компзиционных плит с целью достижения наиболее выгодных экономических результатов и получения наименьшей шероховатости поверхности таких плит. Приводятся необходимые требования для обработки поверхности древесных композиционных плит.
Ключевые слова: термосиловое воздействие, древесно-стружечные плиты, тепловая энергия, шероховатость поверхности, суммарная функциональная мощность, трение, окружная скорость.
In the article the method of calculation of the physical parameters thermoprotei site for surface treatment of wood composite boards with the aim of achieving the most favorable economic results and obtain the lowest surface roughness of such plates. Provides the necessary requirements for surface treatment of wood composite boards. The physical basis dermoptera node-based smoothing the surface of the wood composite boards to design temperature and the efforts of the clamp. Kinematics inherent in this method may be different.
Keywords: thermo effect, chipboard, thermal energy, surface roughness, total functional capacity, friction, circular speed.
В последние годы стал актуален вопрос получения древесных плитных изделий для мебельного производства с наименьшими энергозатратами, но при этом более высокого качества. Широко используемые в промышленном производстве в настоящие время шлифовальные ленты для обработки поверхности древесных плит обладают рядом недостатков. К основным можно перечислить как получение невозвратных отходов, повышенная шероховатость поверхности под ламинирование, высокая потребляемая мощность, кропногабаритность и т.д. Предлагаемый способ термосиловой обработки поверхности плит исключает вышеперечисленные недостатки. Главная особенность предлагаемого способа состоит в организованном резании фрезой для снятия припуска с последующим выглаживанием за счёт сил трения термопротяжным узлом (рисунок 1).
динамических, кинематических и экономических характеристик такой технологии. В процессе термосилового воздействия происходит нагрев поверхности протяжного термосилового механизма от силы трения Fтр, сопровождающийся теплопроводностью трущихся тел. Совокупность значений температуры для всех точек пространства в данный момент времени представляет температурное поле, которая в общем случае имеет вид:
t = f (x, y, z, т),
(1)
Рисунок 1 - Совместный способ фрезерования и термосилового воздействия на поверхность древесных композиционной плит. 1 -винтовая фреза; 2 - термопротяжный узел
Важным аспектом разработки технологии снижения шероховатости методом термосилового воздействия является составление методики расчёта
где t - температура тела;
х, у, z - координаты точки; т - время.
Согласно закону сохранения энергии выделенное количество тепловой энергии требуется для нагрева пластины до температуры необходимой для достижения минимума шероховатости поверхности плиты. Точки, с одинаковой температурой в совокупности образуют изотермическую поверхность. Изменение температуры в теле наблюдается лишь в направлениях, пересекающих изотермические поверхности. Резкое изменение температуры получается в направлении нормали п к изотермической поверхности. Поэтому температурное изменение плиты при термосиловом воздействии можно описать с помощью температурного градиента. Предел отношения изменения температуры ^ к расстоянию между изотермами по нормали Дп называется градиентом температуры:
lim = dt / dn == grad t = vt
(2)
Переход трения в теплоту осуществляется суммарной мощностью двигателя (№) в составе следующих компонентов:
Хвойные бореальной зоны, XXXIII, № 1 - 2, 2015
(3)
N = N (N + N ) + N + N +
дв водила 4 резания трения^ подачт плиты нагрев пластины
+N т.е.
хол.ход.
N = N + N + N + N + N .
дв рез тр под нагр хол.ход
где,
N = F V ф
рез рез окр.фрез.
Сила резания F зависит от глубины резания h и
плотности плиты р, т.е
F = h р
рез
V =2nRN / 60
окр
d N = р п R N / 30 dh
рез
Учитывая воздействия силы трения N равна произведению F на окружную линейную скорость, т.е.
N = F V
тр тр окр
F , = 0,5Д1/2 (P/P) *
деф ' v т'
d N = V dF = nRN / 30 [d F + / * / Д - й
тр окр тр L мол
dД* (P/Pr)1/4 + / Д1/2 * Л (P/Pr) -3/4 d(P/Pr) = dFмол + 'Л (P/Pr)1/4 Д-1/2 dД + 1/8 Д1/2 (P/Pr)-3/4 * (Pr dP - P dPr)/
P2]
r
(11)
N = V (const) (F + F ) = V (ph + F + F ф) (12)
под под 4 y 4 рез тру пол чг мол дефу 4 у
dN = V (р dh + dF + Л (P/P )1/4 Д-1/2 dД + 1/8 Д1/2
под под чг мол v r
(P/P)-3/4 * (Pr dP - P dPr)/P2r. (12)
(4)
N = Q =qs,
наг
(13)
Термопротяжный узел в нашем случае совершает вращательное движение. Поэтому при расчёте потребляемой мощности необходимо учитывать линейную окружную скорость. Линейная окружная скорость -равномерное движение по окружности с постоянной частотой вращения и в технике определяется числом оборотов в минуту, а поэтому
где Q -тепловой поток , q - удельный тепловой поток, S- площадь пластины (const)
d N = S dq
наг
N = I U,
хол ход
(14)
(15)
(5)
где I -сила тока в цепи , U - напряжение на контакте.
(16)
d N = U dI + I dU
хол ход
где R - радиус фрезы, N - число оборотов. Откуда, N = F V А = hрпRN / 30 (6)
рез рез окр.фрез г у '
где р - плотность плиты.
Дифференциал величины рлКЫ /30 равен произведению постоянной р п R N /30 на переменную К,т.е
(7)
(8)
Согласно формуле (2) общая сумма внешнего трения равна сумме двух составляющих Fмол и Fдеф , в которой Fдеф для заданной шероховатости и удельной нагрузки равна по формуле
(9)
где P - удельная нагрузка , Pr - фактическое нормальное давление на контакт.
Отсюда N^ = [ F^ + 0,5 Д1/2 (P /Pr)1/4] nRN / 30. (10)
Дифференциал N равен произведению постоянной nRN / 30 на дифференциал F ,т.е.,
dN =nRN/30 d[ F + 0,5 Д1/2 (P /P)1/4] (11)
тр L мол ' v r J v '
Далее дифференцируем F как сумму двух переменных:
d F + d 0,5 Д1/2 (P /P )1/4 = d F + / * / Д - / dД*
мол ' v r мол
(P/Pr)1/4 + / Д1/2 * Л (P/Pr) -3/4 d(P/Pr) = dFмол + Л (P/Pr)1/4 Д-1/2 dД + 1/8 Д1/2 (P/P )-3/4 * (P dP - P dP )/P2.
Общий дифференциал мощности двигателя (dNдв) равен сумме дифференциалов мощностей резания, трения, подачи, нагрева, холостого хода. Суммарная функциональная мощность двигателя зависит от переменных: глубины резания (К), молекулярной составляющей силы трения (Б ), шероховатости контактирующих поверхностей (Д), нагрузки и давления на контакте (Р,Р), теплового потока силы тока (I) и напряжения на контакте (и). Механическая и электрическая энергия таким образом переходят в теплоту.
В процессе производства ДСтП неизбежно возникают недопустимые нормы качества её для мебельной промышленности. Так при калибровке плит винтовой фрезой со сложным движением режущей кромки после шестичасовой эксплуатации шероховатость достигается 500-550 мкм, что недостаточно.
В процессе контакта инструмента с обрабатываемой поверхностью всегда могут возникать отличия от поверхности, заданной чертежом изделия. Характеристикой качества ДСтП является её шероховатость: чередование выступов и впадин, различные неровности вызванные резанием и термосиловым воздействием. Задачей обрабатывающих инструментов является получение поверхности не только с малой шероховатостью, но и с минимальной глубиной деформированного слоя.
Для устранения разнотолщинности, непараллельности, различных неровностей и различной шероховатостей согласно ГОСТ 10632-89 и 15812-89 необходима промежуточная операция калибрования со снятием припуска путём шлифования на станках с барабанным или ленточным механизмом, совершенствование технологии ДСтП путём создания новых типов машин с системами приводов режущих и формообразующих узлов, обладающих высокой производительностью, долговечностью, надёжностью и экономичностью. Очевидно, что в основу привода конструкции станков должны быть заложены усло-
П.В. Цаплин, С.П. Ереско и др.: Теоретические предпосылки метода расчёта технологии термосилового воздействия...
вия, исключающие превращение снятого припуска изделия в пыль. Заменив шлифование направленным, организованным узлом резания, представляется возможность получать требуемые фракции отходов без абразива и с возможностью их повторного использования. Нами рассматривается способ снижения шероховатости плит при более длительной эксплуатации фрезы методом термосилового воздействия.
Принимая за основу калибровку и снижения шероховатости плит очевидно, что силы сопротивления резания и выглаживания плиты распределены на разных концах равноплечего рычага и могут иметь разные силы сопротивления. Считая это звено звеном приведения, запишем дифференциальное уравнение второго порядка, включающего работу движущих сил и кинетическую энергию вращающегося рычага
dA=dT. (17)
Ч* ¿Ф = d (1пр < / 2) (18)
где Миз6 - избыточный момент, равный разности приведённых моментов сил движущихся и сил сопротивления,
(19)
получаем окончательное выражение уравнения движения режущего узла и термопротяжки:
^ ¿I ю2 / ¿ф1 + I е, = М - М
пр 1 т 1 пр 1 дв с
(22)
Очевидно, обрабатывающий узел должен быть идеально сбалансирован, коэффициент неравномерного хода должен быть минимален и угловое ускорение стремиться к нулю, тогда уравнение движения (2.26) примет вид:
¿I ю2 / 2dф = М ■
пр дв
М
(23)
М к = М - М ,
изб дв сопр
или
( I ю2 / 2) = М - М . (20)
пр 1 дв сопр
Дифференцируя, находим: ю2 /2 ¿I /¿ф + I2 ю1 ¿ю1 / 2dф, = М - М . (21)
1 пр пр 1 1 1 дв сопр
Учитывая, что
2ю1 ¿ю1 / 2dф1 = ю1 ¿ю1 dt /¿ф dt = ю1 ¿ю1 / ю1 dt = е1,
Технология обработки ДСтП методом синтеза калибрования двухподвижной винтовой фрезой (для снятия припуска изделия) и термосилового воздействия с последующим выглаживанием термопротяжной пластиной, установленной на одной оси с фрезой, призвана называться как ресурсосберегающая. Этот метод может быть реализован на основе калибровально-термопротяжного узла, который имеет собственную угловую скорость и скорость вращения фрезы. Очевидно в основу привода конструкций станков должны быть заложены условия, исключающие превращения снятого припуска изделия в пыль. Такой процесс возможно провести на экспериментальной установке с кинематической схемой (рисунок 2)
Предлагаемый метод заключается в замене шлифования направленным организованным узлом резания, чем достигается качество, безотходность и по-вторность использование оборудование. Суть метода снижения шероховатости поверхности ДСтП термосиловым воздействием заключается при более длительной эксплуатации фрезы.
Рисунок 2 - Кинематическая схема привода калибровально-термопротяжного узла. 1- электродвигатель привода водила, 2- первичный вал, 3- коническая передача привода водила, 4- опоры подшипников, 5- крепёж механизма калибровально-термопротяжного узла, 6- водило, 7-фреза, 8- коническая передача привода калибровально-термопротяжного узла, 9- термопротяжная пластина, 10- плита
Хвойные бореальной зоны, XXXIII, № 1 - 2, 2015
Крутящий момент од двигателя 4 передаётся валу 2, на котором жёстко закреплены солнечное колесо 3 и ведущие коническое колесо 8, приводя во вращение фрезу 7.
Режим целенаправленной обработки поверхности ДСтП предъявляет следующие требования:
1. Требование настройки точности кинематических параметров станка (скорость подачи плиты, окружная скорость водила, частота вращения фрезы) и статических настроек термопротяжного узла во избежании износа.
2. Требование балансировки при вращении фрезы относительно вертикальной оси с применением планетарного редуктора, чем достигается устойчивость работы режущего узла способствующий снижения шероховатости.
3. Требование к поверхности термосилового инструмента с использованием композиционно-наплавочных сплавов для увеличении стойкости термосилового инструмента.
4. Требование минимального коэффициент неравномерного хода.
5. Требование стремления углового ускорения к нулю.
Трение режущего органа (фрезы) и термопрокат по поверхности древесностружечной плиты ведут к повышению температуры их до 200оС и выше. Принимая твёрдости элементов контактирующих в процессе обработки
- композиционная плита - 40 МПа;
- хромистая сталь фрезы и термопротяжки - 2300 МПа., очевидно, что неровности поверхности плит с введением в зону контакта температуры и давления способны снизить разнотолщинность и шероховатость поверхности плиты.
Для принятой схемы привода, очевидно, что при вращении фрезы относительно вертикальной оси требуется балансировка, которая реализована установкой противовеса в виде термопротяжного узла, представленного на рисунке 2 Термосиловое воздействие входит в силовой контакт с плитой, обеспечивая устойчивость работы режущего узла, и одновременно способствует снижению шероховатости. Такой способ устойчивости работы режущего органа применяется в круглопильных деревообрабатывающих станках, где с двух сторон металлического пильного диска устанавливается торцевой стороной деревянные успокоители.
В процессе обработки поверхности плит как резанием так и термосиловым воздействием происходит контакт между поверхностями плиты и обрабатываемого органа. В связи этим происходит износ, как режущего инструмента так и термопротяжного органа. Интенсивность изнашивания зависит не только от усилия прижима термопротяжного органа, но и во многом зависит как от продолжительности времени работы обрабатываемого инструмента, так и от кинематических параметров работы станка, а именно: скорости подачи плиты, окружной скорости калибровально-термопротяжного узла.
При обработке древесно-стружечных плит термопротяжным инструментом на его стойкость могут
оказывать влияние следующие факторы: материал термопротяжной пластины, структура древесно-стру-жечной плиты, её влажность, которая не должна превышать 10%, марка древесно-стружечной плиты (П-1, П-2А, П-2Б, П-3), плотность (650- 850 кг/м3), химическое строение древесно-стружечной плиты, усилие прижима самого термопротяжного инструмента. От каждого перечисленного параметра соответствует и параметр износа термопротяжного инструмента.
В связи с этим, теория и методы проектирования станков, узлов резания и формообразования обработанной поверхности являются актуальными для получения изделий строительного и мебельного назначений из древесных композиционных плит.
ВЫВОДЫ:
1. Предложен и обоснован способ обработки поверхности древесных плитных изделий методом термосилового воздействия;
2. Определена методика расчёта энергопотребления, силовых и кинематических характеристик термопротяжного узла экспериментальной установки по обработки поверхности древесных плит;
3. Приведена кинематическая схема привода термосилового узла;
4. Представлены требования к режиму целенаправленной обработки поверхности древесных плитных изделий.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Кутуков, Л.Г., Зотов Г.А. Шлифовальные станки для обработки древесины [Текст]: / Л.Г. Кутуков, Г.А. Зотов. -М.,: Лесная. промышленность, 1983., 80с.; Михеев, М.А. Основы теплопередачи [Текст]: / М.А. Михеев, И.М. Михеева, М., Энергия, 1977, 344с.; Ермолович, А. Г. Ресурсосберегающая технология получения древесных плит низкой токсичности [Текст]: / А. Г. Ермолович, П. С. Шастовский // Красноярск.: Вестник Крас ГАУ, 2011г. № 10 - с. 189 - 190 Ермолович, А.Г. Выбор инструмента для обработки поверхности листовых материалов на основе древесины для снижения разнотолщинности и шероховатости [Текст]: / А.Г Ермолович, П.С. Шастовский, В.В. Ромашенко, Хвойные бореальной зоны. 2008. Т. XXV. № 3-4. С. 351-352. Патент РФ № 2313450 С1. Способ снижения шероховатости и разнотолщинности древесностружечных плит устройство для его осуществления, [Текст]: ГОУ ВПО Сибирский государственный технологический университет / А.Г. Ермолович, К.А. Ермолович, В.В. Ромашенко. - Заявл. 29.06.2006, № 2006123154/12; Опубл. в Б.И., 2007, № 36. МПК В 27М 1/02.; Патент РФ № 2376131. Способ фрезерования древесных материалов [Текст]: ГОУ ВПО Сибирский государственный технологический университет / А.Г. Ермолович, В.В. Ромашенко, П.В. Цаплин,.П.С. Шастовский, заявл. 07.04.2008, № 2008113536/02 (014698), опубл. в Б.И., 2009 № 15 МПК В 27G 1/02 (2006.01).; Синайлов, В.А. Тепловые процессы при шлифовании и управлении качеством поверхности [Текст]: / В.А. Синайлов, М.: Машиностроение, 1978, 167с.;
Поступила в редакцию 15.10.14 Принята к печати 20.12.14
