ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ФРЕЗЕРОВАНИЯ ДРЕВЕСИНЫ И ДРЕВЕСНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Гришкевич А.А., Аникеенко А.Ф. (БГТУ, г. Минск, РБ) dosy@bstu.unibel.by

Experimental installation for research of milling process of wood and other materials

 

Эксперимент является главным орудием научного метода познания, на котором основы­вается наука. Лишь эксперимент, дающий повторяющиеся результаты и поддающийся воспроизведению разными исследованиями, позволяет установить или подтвердить науч­ную истину.

Эксперимент представляет собой систему операций, воздействий и наблюдений, направ­ленных на получение первичной информации об объекте исследования.

Эксперимент включает в себя ряд опытов, проведенных по определенной методике с оп­ределенным уровнем точности воспроизведе­ния исследуемого явления или фактора. Усло­вия опытов определяются уровнями факторов, или значениями независимых переменных ве­личин х1, х2, х3i…хn, по предположению влияющих на объект исследования. В резуль­тате проведения эксперимента устанав­ливается значение отклика, или переменной у, которая зависит от принятых в эксперименте факторов. В результате реализации эксперимента определяется зависимость матема­тического ожидания отклика от факторов – функция отклика:

,

где       Q1, Q2, Q3,…,Qm – параметры модели. Гео­метрическое представление функции отклика называется поверхностью отклика.

Чаще всего эксперимент проводят для ре­шения одной из двух основных задач. Первую задачу называют экстремальной. Она заключа­ется в отыскании условий процесса, обеспе­чивающих получение оптимального значения выбранного параметра. Признаком экстремаль­ных задач является требование поиска экстре­мума некоторой функции. Исследования, кото­рые проводят для решения задач оптимизации, называют экстремальными. Вторую задачу на­зывают интерполяционной. Она состоит в построении интерполяционной формулы для предсказаний значений изучаемого параметра, зависящего от ряда факторов. Для решения экс­тремальной или интерполяционной           задачи необходимо иметь математическую модель ис­следуемого объекта. Модель объекта получают, используя данные, полученные в результате экспериментов. При исследовании многофакторного процесса (каким является процесс резания древесины и древесных материалов) постановка всех возможных опытов для полу­чения математической модели связана с огромной трудоемкостью эксперимента, так как число всех возможных опытов очень велико.

Например, следует установить зависимость касательной силы резания от следующих фак­торов: угла резания d, толщины снимаемого слоя h и толщины стружки а. Примем следую­щие значения d = 3; h = 5; a = 5; число повторов в опытах k = 10. Тогда общее число опытов:

n = d×h×a×k = 3×5×5×10 = 750.

Задача планирования эксперимента состоит в установлении минимально необходимого числа опытов и условий их проведения, в вы­боре методов математической обработки результатов эксперимента и принятии решений.

В соответствии с тенденциями развития со­временной науки в методологии приняты системный и вероятностно-статистический под­ходы к исследованию процессов резания дре­весины и древесных материалов. Обобщенный процесс резания материалов рассматривается как динамическая система, а совокупности входных переменных и выходных параметров – как мно­гомерные случайные процессы. Такой подход представляется перспективным ввиду интенсив­ного развития теории многомерных случайных процессов и аппаратурного измерения их харак­теристик посредством многоканальных стати­стических анализаторов.

Таким образом, для получения необходимых и достоверных данных о процессе резания необ­ходимо иметь экспериментальную установку.

Экспериментальная установка воспроизво­дит процесс резания материалов в заданных условиях и выдает первичную информацию о параметрах процесса в удобном для дешифри­рования виде.

Экспериментальные установки для иссле­дования процессов резания древесины и древесных материалов можно классифициро­вать по следующим признакам:

а) общности исследования (универсальные и специализированные);

б) длительности использования (постоян­но действующие и разового использования);

в) типу измерительной системы (централизованные и индивидуальные).

На кафедре деревообрабатывающих станков и инструментов разработана, изготовлена и приведена в рабочее состояние эксперимен­тальная установка [1] для исследования усилий резания и шероховатости обработанной по­верхности при фрезеровании и пилении древесины и древесных материалов.

Так как древесина - материал, не обладаю­щий сплошной и однородной структурой, то применение к созданию теоретических основ резания древесины законов и формул теории упругости и пластичности без эксперименталь­ных данных не представляется возможным. Трудности, встречающиеся на пути по теорети­ческому обоснованию закономерностей резания древесины, заставили восполнить этот пробел экспериментальными исследованиями.

За сравнительно короткий промежуток вре­мени проделана чрезвычайно большая экспериментальная работа, получившая осо­бенное развитие в конце прошлого столетия [2]. Сами методы экспериментальных исследова­ний за это время получили значительное развитие и усовершенствование с общим про­грессом технологии измерений, технологии производства.

Однако ряд вопросов теории резания древе­сины, и в особенности древесных материалов, требует дальнейших исследований и система­тизации с целью выявления технологических факторов: режимов резания, конструкции ре­жущих инструментов, стойкости инструмента, ресурсоэнергосбережения при резании.

При разработке экспериментальной уста­новки учтены следующие требования:

а) возможность осуществления производ­ственных режимов резания;

б) возможность измерения 2-х или 3-х компонентов усилия резания (касательную силу резания Fx, усилие подачи Fз и усилие, нормальное к подаче Fн);

в) надежность и безопасность установки, жесткость ее узлов и наименьшая инерцион­ность системы, регистрирующей усилие;

г)   простота обслуживания и тарировки.

Экспериментальная установка (рисунок) соз­дана на базе вертикального фрезерного станка с нижним расположением шпинделя Ф-4. Установ­ка оснащена специальными механизмами и устройствами, дающими возможность воспро­извести промышленные режимы резания в широком диапазоне переменных факторов.

Подпись:

 

Рисунок – Экспериментальная установка:

1 - привод механизма подачи;                        2 - инструмент; 3 - привод механизма  резания; 4 – механизм подачи; 5 - суппорт; 6 - направляющая стойка;

7 - динамометрическое устройство

 

Механизм резания включает электродвига­тель типа 4А1002УЗ мощностью               Р1 = 5,85 кВт, синхронной частотой вращения n = 2880 мин-1. Для плавного регулирования скорости резания приме­нен преобразователь частоты фирмы TOSHIBA, модели VF-S9, со следующими параметрами: на­пряжение V = 400 В, мощность Р = 5,5 кВт, частота  f от 0,5 до 400 Гц.

Вращение от электродвигателя к шпинделю передается плоским ремнем. Шпиндель имеет специальную насадку, на которую установлена сборная фреза. Шпиндельная насадка служит динамометром для регистрации крутящего мо­мента. Тензоэлементы наклеены на повер­хность шпиндельной насадки под углом 45° и соединены по мостовой схеме. Сигнал от дат­чиков передается на токосъемное устройство, установленное в верхней части насадки.

На процесс резания большое влияние оказы­вают углы резания. В связи с этим является необходимым применение такого режущего ин­струмента, который позволил бы увеличить угловые параметры в большом диапазоне на од­ной фрезе, не снимая ее со шпиндельной насадки.

Ножевая головка (А. с. № 665080 СССР) сконструирована таким образом, что можно изменить угол резания от d = 40° до d = 85°.

Механизм подачи, электродвигатель 4А90240УЗ мощностью Р2 = 2,2 кВт, частотой вращения n2 = 1425 мин-1. Главное регулирование скорости подачи осуществляется также преобразовате­лем частоты той же фирмы при следующих параметрах: V = 700 V, мощность - Р = 2,2 кВт, частота f = 0,5 - 400 Гц. Вращение от электро­двигателя на исполнительный механизм осуществляется при помощи зубчатого ремня.

 

Таблица – Технические характеристики установки

Число режущих инструментов

1

Диаметр окружности резания, мм

125-180

Частота вращения режущего инст­румента, мин-1

 

минимальная

1

максимальная

9000

Скорость резания, м/с

 

минимальная

0,5

максимальная

50

Ход суппорта подачи, м

1

Скорость подачи, м/мин

 

минимальная

2

максимальная

70

Толщина стружки, мм

Uz×sinQ

Подача на резец, мм

 

минимальная

0,0024

максимальная

6

Образцы

малые

 

В качестве исполнительного звена меха­низма подачи использовано винтовое устрой­ство для обеспечения высокой кинематической точности и жесткости.

Длина винта l = 1 м, диаметр d = 44 мм. Гай­ка выполнена разъемной с двумя полугайками, между которыми установлены распорные пру­жины для ликвидации зазора во время работы. Гайка закреплена в специальном суппорте. Ка­ретка с измерительным суппортом жестко связана с суппортом, в котором размещена гайка.

Запись усилий резания производится с по­мощью двухкомпонентного динамометра, представляющего собой тонкостенный сталь­ной цилиндр (сталь ШХ15) с наклеенными на его стенки датчиками омического сопротивле­ния. Подробное описание  конструкции упругого элемента - цилиндра не приводим, т. к. оно достаточно полно и хорошо изложено в трудах Ивановского Е.Г.

Жесткость всей системы, (датчик, суппорт и при­способление для крепления         образца) в направлении действия силы Fз по данным измерений в стенке ци­линдра составляет 15 000 Н/мм, а в направлении действия нормальной силы Fн - 7600 Н/мм. Частота собственных изгибных колебаний цилиндра составляет f = 1000 Гц.

Для неискаженного воспроизведения изу­чаемого процесса на осциллографе частота собственных колебаний механической и элек­трической системы измерительного динамо­метра должна быть в 5-10 раз больше частоты колебаний сил резания.

По данным классификации [3] средние тол­щины стружки, имеющие место на практике.

1. Тонкая чистовая стружка – 0,014 - 0,04 мм.

2. Чистовая стружка ­­­­­­– 0,04 - 0,16 мм.

3. Макростружка – 0,16 - 0,4 мм.

Скорости резания по тем же данным делятся на область:

1) низких скоростей – 5 - 20 м/с;

2) средних скоростей – 20 - 60 м/с;

3) высоких скоростей – 60 - 100 м/с.

Интервал скорости резания от 20 до 40 м/с.

Выводы.

1. На экспериментальной установке возмож­но проведение исследований процесса фрезеро­вания древесины и древесных материалов в ши­роком диапазоне переменных факторов.

2. Возможность регистрации усилий реза­ния: усилия подачи Fх и усилия, нормального к подаче Fу.

3. Путем пересчета по формулам

находим касательную силу резания Fк и усилия нормальной к касательной Fн.

4. Можно также исследовать:

а) влияние износа и затупление резца на процесс стружкообразования при фрезеровании с «замораживанием» корня стружки;

б) влияние износа и затупления резца на усилия резания;

в) влияние износа и затупления резца на шероховатость обработанной поверхности.

 

Библиографический список

 

1. Клубков А. П. Трехкомпонентная экспери­ментальная установка для исследования процессов резания древесины. – В сб: Механиза­ция лесоразработок и транспорта леса. Вып. 1. – Минск: Вышэйшая школа. – С. 173-175.

2. Новые исследования резания древесины / В. Г. Ивановский, П. В. Василевская, Э. М. Лаутнер. – М.: Лесн. пром-сть, 1972. – С. 128.

3. Koberle J.: Richtlinierr fur die Wahl wirtschaftleicher Tourenzahlen an Kehl – und Frasemaschinen. Technische Rundschau, Bern. Jg. – 1955. – H. 44, 45, 47, 48.