ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЛИЯЮЩИХ НА СИЛОВЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ НА ФРЕЗЕРНО-БРУСУЮЩИХ СТАНКАХ

Раповец В.В., Бурносов Н. В. (БГТУ, г. Минск, РБ) dosy@bstu.unibel.by

Definition of parameters of cutting proccess on the milling-bar machine tools influencing power parametrs

Совершенствование фрезерно-брусующих станков требует проведения специальных исследовательских работ, направленных на улучшение процесса переработки тонкомерных бревен с заданной производительностью и получением пилопродукции (брус и технологическая щепа) необходимого качества. При этом следует учитывать различные факторы, влияющие на процесс резания [1].

Среди этих факторов можно выделить производительность, размерно-качественные характеристики щепы и пласти бруса в зависимости от параметров режущего инструмента. Это взаимосвязанные факторы. Они определяют во многом технико-экономическую эффективность процесса переработки тонкомерных бревен [2].

Вопросы обработки древесины спиральными двухлезвенными фрезами (конструкция БТИ) недостаточно тщательно изучены как в силовом, так и в качественном отношениях. Ведь для резания технологической щепы необходим один режим, а для формирования качественной пласта бруса – уже другой, несколько отличающийся от первого режима. К тому же весь этот процесс сопровождается значительными ударными нагрузками, затрудняющими измерение силовых показателей.

Рассмотрим принцип формирования щепы и пласти бруса (рис. 1).

На рис. 1 изображено перерабатываемое бревно диаметром D в трех проекциях, которое движется со скоростью подачи U (м/мин) между правой I и левой II фрезами с центром О и частотой вращения n (мин^-1). Ось бревна смещена выше центра фрез на размер а. Резцами 1,2,..., i радиусами R₁, R₂, …, R_j, расположенными на одной спирали Архимеда, срезаются с каждой стороны бревна последовательно три слоя так, что получается брус высотой h_i и шириной меньшей пласти b_i. При этом резцы на правой и левой фрезе имеют прямую короткую кромку под углом j_р. Угол среза торца щепы j_щ в общем случае не равен углу скоса короткой кромки резца j_р. Длинная кромка l_д формирует щепу по толщине S_щ, а короткая l_к по длине l_щ.

На горизонтальной проекции бревна показана форма поперечных сечений щепы на уровне АО, на фронтальной – на уровне входа резца в древесину (а + b_i/2), и на профильной показана форма режущих кромок резцов. При срезании слой древесины разрушается на отдельные щепки неопределенной ширины, но с постоянной площадью поперечного сечения F.

Рисунок 1 – Схема формирования элементов щепы и бруса

Определим теперь основные параметры щепы и резцов. Длина щепы по направлению волокон древесины

,

где U – скорость подачи, м/мин;

z – количество резцов, приходящихся на срезание одного слоя.

Длина длинной кромки резца

l_д = l_щ + 2 мм.

Увеличение на 2 мм делается для компенсации возможной неточности расположения резцов по радиусам R₁, R₂, …, R_j. Длина элемента щепы l_э представляет собой длину щепы плюс длину скошенной части щепы. Рассмотрим этот случай.

, (1)

где l – длина скошенной части элемента щепы, мм;

j_p – угол скоса прямой короткой кромки резца, град.

Проанализируем полученную зависимость (1):

1. l_{э max} будет при условии

.

.

2. l_{э min} будет при условии .

Из (1) следует, что длина элемента щепы зависит от технологических и инструментальных факторов. Длина элемента изменяется только за счет длины скошенной части щепы. Расчет показывает, что для средних условий l_{э max} / l_{э min} достигает двух.

Длина среза торца щепы

. (2)

Длина прямой короткой кромки резца

l_к = l_с + 2 мм.

Длина контура среза щепы включает поперечное резание длинной кромкой и торцово-поперечное – короткой кромкой:

L = l_щ + l_c. (3)

Угол среза торца щепы

. (4)

Проанализируем аналитическую зависимость (4):

1. tgj_{щ max} будет при условии ; tgj_{щ max} = tgj_р; т.е. j_{щ max} = j_р.

2. tgj_{щ min} будет при условии

.

.

Угол среза торца щепы j_щ меньше угла скоса короткой кромки резца j_р. Они равны между собой только при (а + b_i / 2) = 0. Отношение tgj_{щ max} / tgj_{щ min} достигает четырёх. Известно, что качество щепы во многом определяется качеством торцового среза, а условия резания зависят от угла перерезания волокон древесины j_щ.

Площадь поперечного сечения щепы

F = S_щ × l_щ. (5)

Эта площадь зависит от длины и толщины щепы и не зависит от ее конфигурации.

Объем стружки (с некоторым приближением), срезаемый i-м резцом с бревна за один рез (один оборот фрезы):

V = F × B_i. (6)

Изменяя сечение резца за счет толщины или длины щепы, можно выяснить их раздельное влияние на силовые показатели.

При определении мощности на резание удобно пользоваться

, (7)

где О – объём щепы (см³), срезаемый в секунду;

b – ширина пласти, см;

D – средний диаметр бревна, см;

U – скорость подачи, м/мин.

Угол входа i-го резца в древесину (кромки l_д и l_к полностью вступают в работу)

. (8)

Угол выхода i-го резца из древесины (кромка l_к заканчивает торцовый срез)

. (9)

Угол контакта i-го резца с древесиной

j_i = q_вых – q_вх. (10)

Длина дуги контакта (резца с древесиной)

l_i = 0,0175×R_i×j_i. (11)

Рассмотрим подробнее угловые параметры режущего элемента. У известных резцов есть один общий признак – наличие двух режущих кромок [3].

На рис. 2 показаны линейные и угловые параметры резца, короткая режущая аб и длинная бв. При этих кромках есть соответствующие углы заострения b_к (сечение А-А) и b_д( сечение Б-Б). На нашем рисунке показана громка бг, которая является линией пересечения передних граней резца гбв и гба, по которым сходит стружка – щепа. Наружная кромка аг образует с боковой кромкой резца угол b₁, который не участвует в резании. Между внутренней кромкой бг и наружной кромкой бд расположен угол заострения b₀ (сечение В-В). Угол b₂ расположен в сечении Г-Г. Задние грани резца абд и дбв скользят по обрабатываемой поверхности бревна в направлении вектора скорости резания V. 3адние углы резания относительно малы (3-5°) и могут быть приняты равными нулю для упрощения аналитического определения углов. Между плоскостью В-В и задними гранями абд и дбв образуются вспомогательные углы х и у. В плоскости Б-Б расположен угол j₁. Внутренняя кромка бг находится на передней грани гбв под углом j₂ к длинной режущей кромке бв. Конструктивные углы резца j₁ и j₂, угол среза торца щепы j.

Рисунок 2 – Линейные и угловые параметры резца:

аб - короткая режущая кромка; бв - длинная режущая кромка; b_к - угол заточки при кромке аб; b_д - угол заточки при кромке бв; j - угол среза торца щепы;

V - направление вектора скорости резания

При помощи метода проекций углов на плоскость установим теперь связи между перечисленными углами [4].

. (12)

. (13)

. (14)

Отсюда видно, что j + x + y = 180^о. (15)

Определим вспомогательные углы из (14) и (15):

. (16)

. (17)

Аналогично определяются и конструктивные углы из (13) и (14):

. (18)

. (19)

Основными углами, характеризующими резец, являются угол заточки при короткой кромке b_к, угол заточки при длинной кромке b_д и угол среза торца щепы j.

Проведем анализ полученных зависимостей.

1) b_к = b_д. Это условие, когда углы заточки при короткой и длинной режущих кромках равны.

2) у = 90^о. Это отражает условие, которое показывает преобладание поперечного резания, и стружка свободно сходит по передней грани длинной режущей кромки.

Из уравнения (17) следует, что

, (20)

т.е. b_к = b_д. С уменьшением угла j ближе по величине становятся b_к и b_д. Подставив (20) в (19), получим

. (21)

Следовательно, j₂ = 90^о.

Из (15) получим x = 90 – j, что после подстановки в (16) дает

. (22)

Аналогичным образом из (14) получим

. (23)

3) x = 90^о. Это отражает условие, когда стружка, срезанная под углом j к волокнам, будет сходить по передней грани короткой кромки.

Из (14) имеем b₀ = b_к; из (16) tgb_д = cosj× tgb_к, т.е. b_к > b_д.

4) При уменьшении угла скоса торца щепы j, при равных прочих условиях, углы b₁j₂ увеличиваются, а углы b₂b₀ уменьшаются.

Заключение. Анализируя полученные теоретическим путем аналитические зависимости, можно сделать соответствующие выводы. Углы заострения резца b_к и b_д нельзя изменять независимо друг от друга, т. к. они взаимозависимы. Короткая и длинная режущие кромки являются стружкообразующими. Режущие возможности резца и качество щепы будут выше при уменьшении углов заточки b_к и b_д. Ограничивающим фактором будет стойкость резца. Практически b_д = b_к = 40°. Углы резания при короткой и длинной режущих кромках будут больше на 2-3 градуса за счет задних углов. При уменьшении угла среза торца щепы до 30° углы b_к и b_д приблизительно равны по величине.

Как видим, полученные аналитические зависимости устанавливают связь между толщиной S_щ, длиной l_щ щепы и угловыми параметрами элементов резца. Эти основные параметры влияют на силовые показатели процесса резания, качество получаемой щепы и бруса, дают возможность связать параметры резца с параметрами технологической щепы, бревна, бруса, а также являются исходными при проектировании спиральных фрез, фрезерно-брусующих станков – основой расчета режимов резания на данном типе оборудования, подготовки и последующего проведения экспериментальных исследований.

Библиографический список

1. Механическая технология древесины / Под ред. Н. А. Ватина. – Мн.: Вышэйшая школа, 1979. – Вып. 9. – 164 с.

2. Механическая технология древесины / Под ред. Н. А. Ватина. – Мн.: Вышэйшая школа, 1985. – Вып. 9. – 144 с.

3. Микулинский В. И. О проекции углов на плоскость. – В кн.: Вопросы резания, надежности и долговечности дереворежущих инструментов и машин. – Л.: ЛТА, 1983.

4. Станки и инструменты деревообрабатывающих производств: Межвуз. сб. науч. тр. – Л.: ЛТА, 1986. – 136 с.