Сетевое издание

Современные проблемы науки и образования

ISSN 2070-7428

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,006

• Авторы
• Резюме
• Файлы
• Ключевые слова
• Литература

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.

Статья в формате PDF

218 KB

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.

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 β_п - коэффициент, учитывающий периодизацию процесса резания;

N_рез - мощность резания, Вт;

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

z - число зубьев пилы;

α_Z - среднеинтегральный коэффициент теплоотдачи зуба пилы, Вт/^оС;

α_r - 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 β_п, учитывающий периодизацию процесса резания определяется из выражения:

, (2)

где φ_вх, φ_вых - 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 α_Z и α_r 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.;

α_ср - 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 α_ср

Исследования значения среднего коэффициента теплоотдачи зубьев пил в формуле (3) α_ср, Вт/(°С м²) проводились методом полного факторного эксперимента ПФЭ 2^К 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) l_к = 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 α_ср 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;

t_окр - температура окружающей среды, °С.

Для определения теплоты, передаваемой зубом в окружающую среду, условно зуб пилы разбиваем на кольцевые участки радиусом x_i , 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.

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 F_i - площадь поверхности теплообмена рассматриваемого участка, м²;

Δt_срi = (t_i - t_окр) - 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 a_ср оказывает скорость охлаждающего воздуха V. Мощность теплового источника Q в пределах изменения фактора (от 10 до 15 Вт) существенного влияния на коэффициент теплоотдачи a_ср не оказывает.

Методика расчета скорости подачи по теплостойкости материала зуба пилы

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

; (9)

где N_рез - мощность на резание одной пилой, кВт;

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

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

a_b - коэффициент, учитывающий вид пиления;

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

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

a_δ,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;

θ_ср - угол между векторами скорости резания и подачи;

l_к - 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, k_m - касательное давление на стружку, Н/мм² (для толщины стружки a_с ≥ 0,1 мм и для толщины стружки a_с < 0,1 мм соответственно);

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

H - высота пропила, мм.

Подставив мощность на резание N_рез 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 a_с ≥ 0,1 мм:

; (10)

при продольном пилении с толщиной стружки a_с < 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]

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 α_ср 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