lec1

ОСНОВЫ ТЕОРИИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
ЛЕСОМАТЕРИАЛОВ
1
Технологический процесс механической обработки лесоматериалов включает их первичную
обработку и переработку. При первичной обработке форма поперечного сечения лесоматериалов не
изменяется, К ней относятся валка деревьев, очистка их от сучьев, раскряжевка хлыстов. Переработка
лесоматериалов характеризуется изменением их формы и размеров путем:
1. резания,
2. фрезерования,
3. скобления,
4. строгания,
5. лущения,
6. точения,
7. шлифования,
8. сверления,
9. долбления,
10. окорки,
11. продольного и поперечного пиления,
12. раскалывания,
13. измельчения,
14. рубки.
Классификация станков и оборудования для механической
обработки лесоматериалов
2
Для обработки и переработки лесоматериалов применяются различные типы станков, машин,
установок и другого оборудования. Они классифицируются:
1. по назначению,
2. принципу действия,
3. числу выполняемых операций.
По назначению их можно подразделить на механизмы, станки и установки для валки деревьев,
очистки их от сучьев, раскряжевки хлыстов, поперечной и продольной разделки лесоматериалов,
их окорки, раскалывания и измельчения и т.д.
По принципу действия станки и установки могут быть с периодическим и непрерывным
надвиганием. В станках с непрерывным надвиганием обрабатываемый материал перемещается всегда
в одном определенном направлении, при этом загрузка, обработка и разгрузка станка выполняются
одновременно без остановки механизмов станка. Станки с периодическим надвиганием
характеризуются чередованием рабочего хода надвигания с обратным его ходом. В этих станках
обработка материала и обратный ход надвигания выполняются поочередно с остановкой механизмов
для загрузки и разгрузки.
По числу выполняемых операций станки и установки можно разделить на специализированные
и комбинированные. На специализированных станках выполняется одна технологическая операция.
Станки, предназначенные для одновременного выполнения двух и более операций, относятся к
комбинированным станкам.
На станках и установках лесоматериалы могут обрабатываться по одному, по нескольку штук
и пачками. В первом случае они относятся к станкам для поштучной обработки, а в остальных к
станкам для групповой обработки лесоматериалов.
Основы теории резания
3
Теория резания древесины – это наука, которая объясняет физическую сущность процесса
резания, открывает законы образования новых поверхностей, выявляет факторы процесса резания и
дает им качественную и количественную оценки, а также разрабатывает расчетные методики.
Знание теории резания необходимо в практической деятельности. Оно позволяет правильно
выбрать режимы резания на деревообрабатывающих станках, управлять качеством обработанных
поверхностей и производительностью труда, снизить потери древесины в отходы.
Резанием древесины называется такой технологический процесс, при котором от
обрабатываемого материала отделяется его часть посредством воздействия на него режущим
инструментом с целью получения изделия заданной формы и размеров.
Резание древесины клиновидными резцами известно с давних пор. Основы теории резания
древесины и металлов впервые были разработаны русским ученым Иваном Августовичем Тиме проф.
Петербургского горного института, опубликовавший в 1870 г. исследовательскую работу
“Сопротивление металла и дерева резанию”, выполненную на Луганском заводе. В этой книге
изложены результаты опытов по срезанию стружек и теория процесса резания. И.А. Тиме впервые
дает определение процесса резания, приводит классификацию стружек, объясняет явление усадки
стружки (изменение размера в результате пластического деформирования), доказывает, что толщина
и ширина срезаемого слоя по-разному влияет на работу резания.
На основании экспериментальных исследований установлена зависимость между силой резания
и размерами срезаемого слоя, показана периодичность процесса стружкообразования и “угол действия”
при отделении элемента стружки. Им учитывалось волокнистое строение древесины и предложено
рассматривать торцовое, продольное и поперечное резание. Для расчета силы резания Fx им была
предложена формула
Fx = Kbа,
где К – удельная работа резания, Дж/см3;
b, а – ширина и толщина срезаемой стружки, мм.
4
В настоящее время наука о резании древесины развивается по трем направлениям:
Первое направление применяет метод механико-математического анализа
процесса резания. Это школа И.А. Тиме, М.А. Дешевого, С.А. Воскресенского.
Ученые этой школы переносят методы науки о сопротивлении материалов на
анализ действия сил и поведения стружки в процессе резания древесины.
И.А. Тиме
Второе направление развивает физическую теорию резания древесины. Процесс резания
рассматривается как физический. Изучаются прежде всего процессы упругого и остаточного
деформирования древесины, трения на молекулярном уровне, влияние на эти процессы скорости
резания. Это направление представлено школой В.Д. Кузнецова и Е.Г. Ивановского.
Третье направление использует физико-технологический метод, математически обобщающий
экспериментальные данные процессов резания в эмпирические формулы, пригодные для практических
расчетов. Формулы объединяют физические и тех-нологические параметры. Это школа
А.Л. Бершадского.
Между указанными тремя теориями резания нельзя провести резких границ. Они части
одной теории, которую изучает отечественная российскую школа обработки древесины резанием.
Эта школа занимает сейчас ведущее место в мире.
Цель и задачи теории резания древесины
5
Теория резания древесины, как и любая другая наука, направлена на решение практических
задач. Главная ее цель состоит в том, чтобы непрерывно совершенствовать процессы резания
древесины в производстве.
Выполнение поставленной цели достигается путем решения следующих главных задач:
1. определение усилий возникающих при резании (для обеспечения необходимой прочности
режущего инструмента);
2. определение потребной мощности на резание (выбор двигателя).
3. определение оптимальных параметров режущего инструмента.
4. создания расчетного метода, который явился бы базой для рационального проектирования и
эксплуатации режущих ин-трументов и станков, разработки технологических процессов, технического
нормирования, подбора оборудования и расчета технико-экономических показателей;
5. создания такой теории, по которой, зная лишь физико-математические свойства
обрабатываемого материала и режущего инструмента, можно было бы предсказать наилучшие методы
обработки, а также силовые и качественные показатели процесса резания
Древесина как материал для механической обработки
Древесина является ортотропно-анизотропным материалом, т.е. ее физико-технические
свойства неоднородны в различных направлениях ортогональной системы координат. Это связано с
ее внутренним строением, которое имеет в своей основе волокнистую структуру, направление
волокон в которой расположено вдоль ствола.
6
7
В связи с этим различают три основных направления резания древесины: вдоль волокон,
поперек волокон и резание в торец
8
Простое (элементарное) резание
Резание не поддающееся дальнейшему упрощению называют простым.
Основные постулаты теории резания древесины выводятся из рассмотрения
задачи резания элементарным (простым) резцом.
Признаки простого резания
9
Схема резания элементарным резцом
δ
1. линия 1—2 — режущая кромка
2. плоскость 1—2—3—4 — передняя грань резца
3. плоскость 1—2—5—6 — задняя грань резца
4. плоскость 7—8—9—10 — плоскость резания (обрабатываемая поверхность)
α – угол наклона,
β – угол заточки,
δ – угол резания
10
11
Элементарный резец является составной частью режущих инструментов и представляет собой
клин, имеющий одну режущую кромку 1-2, переднюю 1-2-3-4, и заднюю 1-2-5-6 грань (рис). Угол
между этими гранями называется углом заострения (заточки) резца β. Угол между задней гранью и
плоскостью резания (плоскость обработки) называется задним углом, или углом наклона задней
грани, α. Угол между передней гранью и плоскостью резания называется углом резания δ. Между
угловыми величинами, характеризующими процесс резания, существует зависимость:
   
1.1
При рассмотрении задачи резания элементарным резцом вводятся следующие допущения: длина
режущей кромки 1-2 больше ширины материала, передняя и задняя грани - плоские. Угол резания  и
задний угол  постоянны. Такие условия резания соответствуют плоскому напряженному состоянию
древесины. Лезвие резца перпендикулярно направлению его движения, а траектория любой точки резца
прямолинейна, скорость движения  и толщина стружки h - постоянны. Процесс резания
рассматривается при толщине обрабатываемого материала много больше толщины снимаемой стружки.
Передняя грань деформирует надрезанную лезвием стружку и удаляет ее. Деформация стружки
будет тем больше, чем больше угол резания. Следовательно, сила резания и мощность, потребная на
резание, будут возрастать с увеличением угла δ. Уменьшение этого угла возможно за счет уменьшения
угла заточки β в пределах прочности резца и угла наклона α. Задняя грань резца является пассивной,
однако от состояния ее поверхности и положения относительно плоскости резания, определяемого
углом α, зависит сила отжима Ри и сила резания Рр. При прохождении резца (особенно затупленного)
подмятые волокна распрямляются, производят давление на заднюю грань. Чем меньше угол α, тем
больше величина этого давления.
12
При больших скоростях резания и малом угле α от трения задней грани о плоскость
резания происходит интенсивный нагрев резца и прижигание древесины. Поэтому угол наклона резца
не должен быть очень малым. Наивыгоднейший угол наклона в зависимости от условий резания
находится в пределах 7...12°.
Резание в торец, или торцовое резание, происходит перпендикулярно направлению
волокон. При резании в торец волокна перерезаются и древесина оказывает наибольшее
сопротивление резанию. Стружка образуется мелкая и хрупкая.
При продольном резании плоскость резания и направление резания параллельны
направлению волокон. Стружка образуется в виде ленты со слабыми изломами. Сопротивление
резанию примерно в два-три раза меньше, чем при торцовом резании.
При поперечном резании плоскость резания параллельна, а направление резания
перпендикулярно направлению волокон древесины. Стружка распадается на отдельные части
неправильной формы слабо связанные между собой. Обрабатываемая поверхность получается более
шероховатая, чем при других видах резания. Сопротивление резанию при этом в пять-шесть раз
меньше, чем при резании в торец.
Усилие и мощность, потребные на резание
13
Для перемещения резца при резании к нему необходимо приложить усилие (называемое усилием
резания). Часть данного усилия затрачивается собственно на резание, а остальное на преодоление
трения стружки о резец, резца о плоскость резания и на деформацию стружки. Разделить эти
составляющие весьма трудно, и для инженерной практики используют суммарное усилие.
Отношение силы резания к поперечному сечению снимаемой стружки принято называть
удельным сопротивлением резанию:
k
РР
bh
1.2
где k - удельное сопротивление резанию древесины, Н/м2; b - ширина стружки, м; h - толщина
стружки, м; Рр – сила резания, Н.
Удельное сопротивление резанию является переменной величиной, зависящей от толщины
снимаемой стружки, угла резания и затупления резца, породы и влажности древесины, направления
резания, скорости перемещения резца. Удельное сопротивление резанию определяется опытным путем,
при этом замеряют усилие резания Рр и площадь сечения стружки bh. Полученное значение
корректируется с учетом реальных условий резания, т.е. при элементарном резании удельное
сопротивление резанию определяется по формуле:
k  k0 аП аW а аh а а аt
14
1.3
где: k0-основное удельное сопротивление резанию, при резании воздушно-сухой сосны (W=15%)
острым резцом и угле резания =45 , толщине стружки h=1мм, скорости резания =50 – 60 м/с;
аП-коэффициент, учитывающий породу древесины (сосна=1; осина=0,85; дуб=1,6);
а-коэффициент, учитывающий угол резания (чем больше , тем больше а);
а-коэффициент, учитывающий затупление зубьев;
аh - коэффициент, учитывающий толщину снимаемой стружки;
а - коэффициент, учитывающий скорость резания;
аt - коэффициент, учитывающий температуру древесины, (для талой аt=1, мерзлой аt=1,4);
аW - коэффициент, учитывающий влажность древесины.
При всех направлениях резания удельное сопротивление тем больше, чем тоньше стружка.
Это объясняется тем, что несмотря на уменьшение сил деформации тонкой стружки, общее усилие,
затрачиваемое на резание, снижается медленнее, чем уменьшается толщина стружки.
Наибольшее влияние на сопротивление резанию, угол резания оказывает при резании в торец
и наименьшее – при резании поперек волокон
При элементарном резании поправочный коэффициент на влажность древесины с
увеличением влажности уменьшается, т.к. влажная древесина обладает меньшей прочностью.
При пилении, наоборот, этот коэффициент увеличивается, так как с увеличением влажности растут
силы трения между древесиной и резцом.
15
Усилие резания определяется по формуле:
Р р  kbh
(формула И.А Тиме) 1.4
Из приведенной формулы следует, что усилие резания прямо пропорционально площади
поперечного сечения стружки.
Работа, затрачиваемая на срезание одного элемента стружки, равна:
А  Р рl  kbhl
1.5
kbhl
N P  Р р  kbh 
t
1.6
где: l – длина снимаемой стружки.
Из данного выражения следует, что работа, затрачиваемая на резание древесины,
прямо
пропорциональна объему древесины, превращенной в стружку.
Мощность, потребная для резания древесины определяется как произведение силы
резания на скорость резания:
где:  – скорость резания, t – время снятия объема стружки.
Из данного выражения следует, что мощность потребная на резание прямо
пропорциональна объему древесины превращенному в стружку в единицу времени, или:
N P  kq0
где
q0  bh объем древесины превращенный в опилки за 1 секунду.
1.7
Бесстружечное резание
16
Бывает двух видов: разрезание и срезание. Разрезание — это разделение обрабатываемого
материала на части клиновидными режущими инструментами, раздвигающими частицы материала
по заданной поверхности. Срезание — это разделение обрабатываемого материала на части
клиновидными режущими инструментами, создающими в поверхности раздела напряжения среза.
В современных деревообрабатывающих станках осуществляются следующие процессы резания
без образования стружки: штамповка-высечка, деление ножами, разрезание ножницами, срезание
пуансоном.
В процессе резания без образования стружки резец (нож), двигаясь в направлении
перпендикулярном волокнам древесины, перерезает их передней режущей кромкой, осуществляя
резание в торец или близкое к нему.
Движение резания придается резцу или перерезаемому материалу При этом способе резания
наблюдается смятие и изгиб волокон, вызывающие расслоение древесины. Он применяется при
срезании стоящих деревьев, перерезании хлыстов и сучьев.
Усилие резания без образования стружки зависит в основном от угла заточки и других
параметров резца и размеров поперечного сечения перерезаемых материалов. Исследования показали,
что наибольшее значение усилие резания достигает при внедрении резца (ножа) на глубину 1/2-2/З
диаметра ствола или сучка. Величина этого усилия может быть определена по следующей
эмпирической формуле
аП-коэффициент, учитывающий породу древесины (сосна=1; осина=0,85; дуб=1,6);
а-коэффициент, учитывающий угол резания (чем больше , тем больше а);
а-коэффициент, учитывающий затупление зубьев;
а – учитывает физико-механические свойства древесины;
d,n – диаметр и число одновременно перерезаемых сучьев соответственно
17
Современные бесстружечные способы резания
1. Ножевое резание. Ножевое резание выполняется ножами со скоростью главного движения 7…8 м/с.
Его применяют в ус-тановках для валки деревьев, раскряжевки хлыстов, обрезки сучков, а также в
гильотинных ножницах, строгальных станках и др.
2. Вибрационное резание. При вибрационном резании в древесине возникают упругие колебания.
Можно подобрать такую амплитуду и частоту вибраций лезвия, при которой возникнет резонанс
между вибрациями лезвия и колебаниями в древесине. В этом случае древесина бу-дет разрушаться
при меньших напряжениях. Поэтому вибрационное резание отличается меньшей энергоемкостью.
3.Термодинамические способы резания древесины. В термодинамических способах резания
древесины применяют те носители энергии, в которых она в наибольшей степени может быть
использована для деления древесины с минимальными потерями.
Деление древесины струей воды осуществляется за счет использования кинетической энергии
движущихся частиц воды. По данным ЦНИИМЭ, минимальная скорость струи воды должна быть
равна 195 м/с. Рабочие скорости струи достигают значений 1000…3000 м/с.
Резание древесины струей раскаленного газа исследовалось в ЦНИИМЭ при истечении
газового потока со скоростью 1000 м/с и температурой 700°С.
Резание древесины раскаленной нитью или пластиной изучалось при температуре проволоки
(пластины) 800…850°С. Производительность резания составила 0,8…1,6 см2/с.
4. Резание древесины лазерным лучом. Лазерный луч оказывает на древесину световое давление и,
нагревая, превращает все ее составляющие в нагретые газы.