ОСОБЕННОСТИ ГЕОМЕТРИИ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА ПРИ УЛЬТРАЗВУКОВОМ ПИЛЕНИИ
ДРЕВЕСИНЫ
Гордеев В. Ф., (ООО
ПТЦ «Промин», г. Нижний Новгород, РФ) info@promin.nnov.ru
Адиков С. Г., (НГТУ, г. Нижний
Новгород, РФ) info@promin.nnov.ru
DESIGN FEATURES OF FRAME-SAW FOR ULTRASONIC
SAWING
Основная идея ультразвуковой лесопильной рамы
заключается в наложении ультразвуковых колебаний на постав пил, что приводит к
интенсификации процесса резания [3]. Пильная рамка показана на рисунке 1.
Возбуждение тангенциальных ультразвуковых
колебаний в пилах осуществляется по схеме продольно-изгибно-продольных
колебаний. При этом в пиле наряду с продольными (тангенциальными) колебаниями
возникают еще и изгибные. Колебания пилы носят сложный
характер, что связно с формированием интерференционной структуры нескольких
типов волн.
Все вышесказанное оказывает большое влияние на
геометрию и конструктивные параметры режущего инструмента.
Рассмотрим распространение продольных волн по
пиле, которая в этом случае представляет собой стержень переменного сечения. В
случае настройки пилы в резонанс по продольным колебаниям по ней
распространяется стоячая продольная волна. Для определения резонансной длины
пилы 
, м, необходимо воспользоваться
общим условием, когда в нее должно укладываться целое число длин продольных
полуволн.
Главной особенностью ультразвукового резания с
наложением тангенциальных ультразвуковых колебаний является отвод режущей
кромки от обрабатываемого материала и движение ее назад в течение части времени
каждого цикла. При этом передняя грань начинает выполнять роль задней и наоборот. Поэтому эффективным будет применение
симметричной формы зуба, одна из возможных конструкций которого приведена в
[4].
Кроме того, симметрия зуба позволяет исключить
при возвратно-поступательном пилении холостой ход, что приводит к более полной
загрузке привода главного движения, упразднению сложных механизмов подачи
бревна и уклона пил.
В целях компенсации возникающих при распространении
ультразвуковой волны отражений, возникающие в зубьях необходимо обеспечить
выполнение двух условий.
Во-первых, требуется, чтобы в одну длину продольной волны
укладывалось целое число шагов зубьев, то есть шаг пилы 
, м, будет
= 
, 
,
где 
– модуль сдвига
материала пилы, Па.
– плотность материала
пилы, кг/м3;
– частота вынужденных
колебаний, Гц.
Рисунок 1 – Пильная рамка
ультразвуковой пилорамы:
1 – преобразователь; 2 – трансформатор; 3 – изгибный
волновод; 4 – постав пил;
5 – натяжной стержень; 6 – прокладка межпильная
Во-вторых, пила должна быть симметрична
относительно продольной оси, то есть зубья должны быть нарезаны с двух сторон,
что может повлиять и на организацию процесса резания (можно, например, сделать
подвижной пилораму, и пилить бревна в два направления).
Представляется целесообразным использовать пилы
с отсутствием зубьев в узлах продольной волны, так как в этих точках резание
является обычным [1].
Рамная пила показана на рисунке 2.
Рассмотрим распространение изгибных волн по
пиле. Если пила настроена в резонанс по изгибным колебаниям, то по ней
распространяется стоячая волна. Следует отметить, что на резонансную длину пилы
по изгибным колебаниям 
, м, оказывают влияния не только ее
геометрические размеры, но и сила натяжения 
, Н.
В случае распространения в пиле изгибных волн имеет место резание с
переменным углом наклона режущей кромки 
, рад. Причем этот угол складывается из двух составляющих – статической 
, рад, и динамической 
, рад, и равен
= 
.
Статическая составляющая обусловлена поворотом
сечений пилы в результате ее изгиба. Динамическая составляющая зависит от
соотношения основной и колебательной скорости резания.
Примем, что изгибные волны распространяются
вдоль пилы по гармоническому закону. Стоячая волна описывается уравнением
= 
,
где 
– амплитуда стоячей
изгибной волны, м;
– длина стоячей
изгибной волны, м.
Распространение изгибных колебаний по пиле
показано на рисунке 3. Исходя из геометрического смысла производной как углового
коэффициента касательной в данной точке, угол наклона режущей кромки будет
иметь следующее значение
= 
,
= 
.
Для пучностей
= 
, 
,
= 0.
Для узлов
= 
, ,
= 
.
Рисунок 2 – Пила рамная
Рисунок 3 – Распространение изгибной стоячей волны по пиле
Колебательная скорость будет равна
= 
,
= 
.
При резании с постоянной основной скоростью
резания 
, 
угол наклона режущей
кромки будет [2]
= 
.
Для пучностей волны
= , ,
= 
.
Для узлов волны
= , ,
= 1,
= 
, .
Резание с переменным углом наклона режущей
кромки приводит к изменению геометрии резания. В частности контурный угол
резания 
, рад, Контурный задний угол 
, рад, и радиус закругления режущей кромки, , м,
можно определить из соотношений [2]:
= 
,
= 
,
= 
,
где 
– статический угол
резания, рад;
– статический задний
угол, рад;
– радиус закругления
режущей кромки без наложения колебаний, м.
Статическая составляющая угла наклона режущей
кромки при ультразвуковом резании очень невелика. В частности при амплитуде = 20 мкм, частоте = 18000 Гц она
составляет не более 
рад для пил из
инструментальных сталей. Поэтому основную роль играет динамическая
составляющая.
Очевидно, что размещение зубьев в узлах стоячей
изгибной волны (где имеет максимальное значение статическая составляющая угла
наклона режущей кромки) нецелесообразно,
так как в этих точках реализуется обычное резание
Наиболее выгодным будет вариант, когда узлы
продольной волны и узлы изгибной волны совпадают, тем самым можно убирать зубья
пилы в одном месте. Это вполне возможно путем выбора геометрических размеров
пилы (длины 
, м, ширины 
, м, или толщины 
, м, пилы). Однако, как показали эксперименты с опытной
конструкцией пильной рамки, изгибные колебания играют значительно меньшую (и
даже негативную) роль, чем продольные.
Следует также уделить особое внимание выбору
контурных углов инструмента, так как они являются переменными. В частности при
амплитуде = 20 мкм, частоте = 18000 Гц и = 1 косинус динамического
угла наклона режущей кромки достигает значения = 0,55, что весьма
существенно.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ
СПИСОК
1. Кумабэ
Д. Вибрационное резание / Перевод с яп. С.Л. Масленникова; Под ред. И.И.
Портнова и В.В. Белова. – М.: Машиностроение, 1985. – 424 с.: ил.
2. Любченко В. И. Резание
древесины и древесных материалов: Учебник для вузов / В. И. Любченко. – 2-е изд. испр. и
доп. – М.: МГУЛ, 2004. – 310 с.: ил.
3.
Пат. 2113347 Россия, МКИ 6 B 27 B 1/00, 3/00, 19/00, 23/00. Способ
распиловки древесины лезвийным инструментом и устройство для его осуществления.
/ В. Ф. Гордеев и др. – № 97105166/13; Заявл.
02.04.97; Опубл. 20.06.98, Бюл.
№ 17.
4.
Пат. 2124984 Россия, МКИ 6 B 27 B 33/10, B 23 D 61/12. Пильное полотно. / В. Ф.
Гордеев и др. – № 96122695/ 13; Заявл. 28.11.96; Опубл. 20.01.99, Бюл. № 2.