Сетевое издание
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

РЕЖИМЫ ПИЛЕНИЯ ДРЕВЕСИНЫ В КРУГЛОПИЛЬНЫХ СТАНКАХ ПО ТЕПЛОСТОЙКОСТИ МАТЕРИАЛА ЛЕЗВИЙ ИНСТРУМЕНТА

Щепочкин С.В. 1 Пашков В.К. 1
1 ФГБОУ ВПО «Уральский государственный лесотехнический университет»
Проведен теплофизический анализ процесса резания древесины круглыми пилами. Учитывались при назначении режима пиления по теплостойкости материала лезвий режущей части пилы: тепловая мощ-ность в зоне их контакта с заготовкой, температура резания, коэффициенты теплоотдачи режущей части пилы, тепловая стойкость и основные технологические факторы процесса резания. Установлена сущест-венная зависимость скорости подачи от температуры теплостойкости материала зуба пилы. Приведены результаты экспериментальных исследований по определению среднего значения коэффициента тепло-отдачи зуба, распределению температуры по его высоте и зависимости температуры резания от мощности резания. Значения коэффициентов теплоотдачи зубьев пилы определены методом полного факторного эксперимента. Разработаны формулы для расчета скорости подачи в круглопильных станках с учетом температуры резания для продольного и поперечного пиления древесины. Применение режимов пиления круглыми пилами по теплостойкости материала инструмента позволит уменьшить аварийный расход круглых пил, оптимизировать режимы пиления, снизить затраты на подготовку инструмента.
Режим пиления
температура резания
теплостойкость
методика назначения скорости подачи
1. Лейхтлинг Р. А. Исследование нагрева дереворежущего инструмента в процессе резания: Автореф. дис. канд. техн. наук. - Красноярск, 1967 - 23 с.
2. Моисеев А. В. Износостойкость дереворежущего инструмента. - М.: Лесн. пром-сть, 1981. - 112 с.
3. Михеев М. А. Основы теплопередачи [Текст] / М. А. Михеев, И. М. Михеева. - М.: Энергия, 1977. - 344 с.
4. Руководящие технические материалы по определению режимов пиления древесины круглыми пилами / Стахиев Ю. М., Пашков В. К. - Архангельск: ЦНИИМОД, 1988. - 74 с.
5. Пашков В. К., Щепочкин С. В. О конвективном теплообмене режущей части пилы при резании // Деревообработка: технологии, оборудование, менеджмент XXI века: Труды международного евразийского симпозиума. - Екатеринбург, 2006. - С. 138-143.
6. Пашков В. К., Щепочкин С. В. Определение температурных перепадов плоских круглых пил // Актуальные проблемы лесного комплекса: Сб. науч. трудов по итогам международной научно-технической конференции. Вып. 14. - Брянск: БГИТА, 2006. - С. 147-152.
7. Щепочкин С. В. Об оценке температуры резания при пилении круглыми пилами // Деревообработка: технологии, оборудование, менеджмент XXI века: Труды международного евразийского симпозиума / Под ред. И. Т. Глебова. - Екатеринбург, 2006. - С. 143-146.
Введение

Режим пиления считается оптимальным, если удовлетворяет принятому критерию оценки. Для круглопильных станков таким критерием является максимальная производительность (или максимальная скорость подачи заготовки в станке). Ряд факторов процесса пиления накладывает технические ограничения на скорость подачи: шероховатость обработки, емкость впадины зубьев, мощность привода, частота вращения пильного вала и устойчивость диска пилы. Эти ограничения учитываются в «Руководящих технических материалах по определению режимов пиления древесины круглыми пилами» РТМ [4]. Среди перечисленных ограничений наибольший вес имеют те ограничения, которые вызываются наличием неравномерного нагрева диска пилы по радиусу [6, 7] и температурой резания [1, 7]. Температура лезвия зуба пилы (температура резания) - еще один важный параметр процесса резания. Температура лезвия может достигать значений 400-1000 °С [1], превышающих предел теплостойкости материала лезвия, что приводит к снижению его твердости и преждевременному отказу в работе пилы. Ограничение скорости подачи по допустимой температуре лезвия для включения в РТМ требует дополнительных исследований теоретического и экспериментального характера по температурным полям зуба в зависимости от мощности, затраченной на резание.

Температура резания

Зависимость температуры резания от мощности резания рассмотрена в работе [7] и определяется выражением:

, (1)

где βп - коэффициент, учитывающий периодизацию процесса резания;

Nрез - мощность резания, Вт;

К1 = 0,1...0,45 - коэффициент доли мощности на резание, идущей на нагрев инструмента;

z - число зубьев пилы;

αZ - среднеинтегральный коэффициент теплоотдачи зуба пилы, Вт/оС;

αr - среднеинтегральный коэффициент теплоотдачи диска, Вт/оС;

К2 - коэффициент, равный отношению температуры на периферии диска (окружности межзубовых впадин) к температуре резания, К2 = 0,025...0,1.

Коэффициент βп, учитывающий периодизацию процесса резания определяется из выражения:

, (2)

где φвх, φвых - углы входа зуба в распиливаемый материал и выхода из него, град. Для практических расчетов рекомендуется принять значения коэффициентов К1 = 0,3; К2 = 0,05.

Расчёт среднеинтегральных коэффициентов αZ и αr подробно рассмотрен в работах [5] и [6] соответственно.

Среднеинтегральный коэффициент теплоотдачи зуба пилы, Вт/оС, определяется из выражения [6]:

, (3)

где B - толщина зуба (пильного диска), мм;

β - угол заострения зуба, град.;

αср - средний коэффициент теплоотдачи зубьев пил, Вт/(°С м2);

β1 - вспомогательный угол, град., β1 ≈ 165° - для зубьев с ломаной задней поверхностью, β1 = 180° - для зубьев с прямолинейной задней поверхностью;

a - длина задней грани зуба, мм, a ≈ 0,025D - для зубьев с ломаной задней поверхностью, a ≈ t - для зубьев с прямолинейной задней поверхностью;

h - высота зуба в направлении биссектрисы угла заострения b, мм;

γ - передний угол, град.

Среднеинтегральный коэффициент теплоотдачи диска, Вт/оС, без принудительного охлаждения определяется по формуле [6]:

, (4)

где D - диаметр пилы, мм;

V - скорость резания, м/с;

B - толщина диска, мм.

Оценка значения коэффициента теплоотдачи режущей части пилы αср

Исследования значения среднего коэффициента теплоотдачи зубьев пил в формуле (3) αср, Вт/(°С м2) проводились методом полного факторного эксперимента ПФЭ 2К на экспериментальной установке, схема которой представлена на рисунке 1. Диапазоны варьирования переменных факторов в эксперименте были приняты: для толщины зуба 2,2 ≤ B ≤ 3,6 мм, для скорости охлаждающего воздуха 25 ≤ V ≤ 50 м/с, для мощности теплового источника 10 ≤ Q ≤ 15 Вт. Постоянные факторы и их уровни: угол заострения β = 40°, высота зуба h = 35 мм, ширина контактной площадки (рисунок 2) lк = 3,5 мм, материал зуба - сталь 9ХФ.

Рисунок 1. Схема экспериментальной установки по определению среднего коэффициента теплоотдачи зубьев пил: 1, 3 - соединительный кабель; 2 - шаговый электродвигатель; 4 - жёсткая муфта; 5 - персональный компьютер; 6 - коническая передача; 7 - винтовая передача; 8 - инфракрасный пирометр Mikron М120; 9, 10 - исследуемые зубья пилы (модели), нижний и верхний соответственно; 11 - анемометр; 12 - термопара хромель-алюмелевая; 13 - измеритель температуры CENTER 308; 14 - патрубок от установки охлаждения; 15 - клещи токовые измерительные модели АТА-2502 (датчик Холла); 16 - трансформатор; 17 - лабораторный автотрансформатор (ЛАТР); 18 - вольтметр В7-65/2

Средний коэффициент теплоотдачи αср рассчитывается следующим образом. По закону Ньютона-Рихмана [3] количество теплоты, передаваемой конвективным теплообменом, определяется из выражения:

, (5)

где α - коэффициент теплоотдачи, Вт/(°С м2);

F - площадь поверхности теплообмена, м2;

t - температура поверхности теплообмена, °С;

tокр - температура окружающей среды, °С.

Для определения теплоты, передаваемой зубом в окружающую среду, условно зуб пилы разбиваем на кольцевые участки радиусом xi , с центром в точке пересечения передней и задней грани и шириной Dx (рисунок 2). Типовой график распределения температуры по высоте зуба приведен на рисунке 3.

Рисунок 2. Схема разбивки зуба на кольцевые участки

Рисунок 3. График распределения температуры по высоте зуба: 1 - верхний зуб; 2 - нижний зуб (Опыт №1: b = 2,2 мм, V = 25 м/с, Q = 10 Вт)

Поскольку количество выделяющейся теплоты Q = I×U в зоне контакта зубьев распространяется симметрично в оба зуба, то для данного случая, с учетом двух зубьев, выражение будет иметь вид:

, (6)

где Fi - площадь поверхности теплообмена рассматриваемого участка, м2;

Δtсрi = (ti - tокр) - средний температурный напор рассматриваемого i-ого участка, °С;

i = 0, 1 ... n - порядковый номер участка;

n - количество участков.

Средний коэффициент теплоотдачи зуба определяется по формуле:

 . (7)

По результатам эксперимента составлено уравнение регрессии, определены коэффициенты регрессии, проведена оценка значимости этих коэффициентов и адекватности математической модели.

Уравнение регрессии в натуральных обозначениях факторов имеет вид:

. (8)

Наибольшее влияние на значение коэффициента теплоотдачи aср оказывает скорость охлаждающего воздуха V. Мощность теплового источника Q в пределах изменения фактора (от 10 до 15 Вт) существенного влияния на коэффициент теплоотдачи aср не оказывает.

Методика расчета скорости подачи по теплостойкости материала зуба пилы

Скорость подачи VS, м/мин и мощность на резание Nрез, кВт согласно методике [4] связаны следующими выражениями [4, формулы 2.14-2.16, С. 25]. Для продольного пиления с толщиной стружки aс ≥ 0,1 мм:

; (9)

где Nрез - мощность на резание одной пилой, кВт;

an - коэффициент, учитывающий породу древесины, для сосны an = 1, для березы an = 1,25;

aw - коэффициент, учитывающий влажность древесины; при влажности 8 - 12% aw =1,0; при 25 - 30% aw =1,08;

ab - коэффициент, учитывающий вид пиления;

ab = 1,1 - для попутного резания, ab = 1,0 - для встречного;

aρ - коэффициент, учитывающий влияние затупления; для острых резцов aρ = 1,0; для затупленных aρ = 2,0;

aδ,φ - коэффициент, учитывающий влияние угла резания и угла боковой заточки на силу резания при поперечном пилении;

p - единичная касательная сила по задней грани, Н/мм;

θср - угол между векторами скорости резания и подачи;

lк - длина дуги контакта зуба с древесиной, мм;

b1 - ширина стружки, мм (для разведенных зубьев равна толщине пилы b1 = В; для плющеных b1 = b);

b - ширина пропила, мм;

n - частота вращения пилы, мин-1;

k, km - касательное давление на стружку, Н/мм2 (для толщины стружки aс ≥ 0,1 мм и для толщины стружки aс < 0,1 мм соответственно);

αT - коэффициент интенсивности трения стружки о стенки пропила и прессования её во впадине зуба, Н/мм2T = 0,71 Н/мм2 - для разведенных зубьев; αT = 0,57 Н/мм2 - для плющеных зубьев);

H - высота пропила, мм.

Подставив мощность на резание Nрез из формулы (1) в выражение (9), получим формулу для расчета максимально допустимой скорости подачи, м/мин, по теплостойкости материала лезвий:

при продольном пилении с толщиной стружки aс ≥ 0,1 мм:

; (10)

при продольном пилении с толщиной стружки aс < 0,1 мм:

; (11)

при поперечном пилении:

, (12)

где [t0] - допускаемая температура нагрева лезвий инструмента (теплостойкость), оС (таблица 1);

Таблица 1. Теплостойкость инструментальных материалов, °С [2]

Стали

Твердые сплавы

Эльбор

Алмаз

углеродистые и легированные

быстрорежущие

вольфрамокобальтовые

безвольфрамовые

минералокерамические

160-400

550-700

800-1000

800-1000

1200

1400

700-800

Заключение

  1. Режимы пиления древесины в круглопильных станках по теплостойкости материала лезвий инструмента рекомендуются в виде дополнения в «Руководящие технические материалы по определению режимов пиления древесины круглыми пилами», в качестве одного из ограничений.
  2. Максимально допустимая скорость подачи выбирается как наименьшая из рассчитанных по пяти ограничениям: по заполнению впадин зубьев; шероховатости поверхности распиловки; мощности привода механизма резания; динамической устойчивости пилы; теплостойкости материала зубьев пил.
  3. Критерий теплостойкость, при расчете скорости подачи, становится ограничивающим при увеличении высоты пропила и уменьшении числа зубьев.
  4. Значения коэффициентов теплоотдачи зубьев пил αср в пределах исследованных факторов изменяются от 914 до 1384 Вт/(°С м2).
  5. Увеличение скорости воздушного потока позволяет увеличить значение коэффициента теплоотдачи на производственных частотах вращения круглых пил.

Рецензенты:

  • Гороховский Александр Григорьевич, доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой древесиноведения и специальной обработки древесины Уральского государственного лесотехнического университета, г. Екатеринбург.
  • Уласовец Вадим Григорьевич, доктор технических наук, профессор кафедры механической обработки древесины Уральского государственного лесотехнического университета, г. Екатеринбург.

Библиографическая ссылка

Щепочкин С.В., Пашков В.К. РЕЖИМЫ ПИЛЕНИЯ ДРЕВЕСИНЫ В КРУГЛОПИЛЬНЫХ СТАНКАХ ПО ТЕПЛОСТОЙКОСТИ МАТЕРИАЛА ЛЕЗВИЙ ИНСТРУМЕНТА // Современные проблемы науки и образования. – 2012. – № 5. ;
URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=6970 (дата обращения: 20.09.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074