авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 |

Режимы резания древесины в круглопильных станках по теплостойкости материала инструмента

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Щепочкин Сергей Владимирович

РЕЖИМЫ РЕЗАНИЯ ДРЕВЕСИНЫ В КРУГЛОПИЛЬНЫХ СТАНКАХ ПО ТЕПЛОСТОЙКОСТИ МАТЕРИАЛА ИНСТРУМЕНТА

Специальность 05.21.05 – Древесиноведение, технология и оборудование

деревопереработки

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Екатеринбург – 2012

Работа выполнена на кафедре станков и инструментов Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Уральский государственный лесотехнический университет».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Пашков Валентин Кузьмич

Официальные оппоненты: Комиссаров Анатолий Петрович

доктор технических наук, профессор

кафедры графики и деталей машин

ФГБОУ ВПО «Уральская государственная

сельскохозяйственная академия»

Ганапольский Сергей Григорьевич

кандидат технических наук, доцент,

заведующий кафедрой машин и

технологии деревообработки

ФГБОУ ВПО «Вятский государственный

технический университет»

Ведущая организация: ОАО «Уральский научно-исследовательский

институт переработки древесины»

(г. Екатеринбург)

Защита диссертации состоится «18» мая 2012 г. в 10-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.281.02 при ФГБОУ ВПО «Уральский государственный лесотехнический университет», 620100 г. Екатеринбург, Сибирский тракт 37, ауд. 401

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Уральский государственный лесотехнический университет».

Автореферат разослан «16» апреля 2012 года

Ученый секретарь

диссертационного совета

кандидат технических наук, доцент Н.В. Куцубина

Общая характеристика работы

Актуальность работы. ЦНИИМОДом и УГЛТУ были разработаны в 1988 г. руководящие технические материалы (РТМ) по определению режимов пиления древесины круглыми пилами. РТМ устанавливают порядок расчета режимов продольного и поперечного пиления древесины круглыми пилами. Допустимая скорость подачи ограничивается работоспособностью междузубовых впадин, шероховатостью пропила, мощностью механизма резания и динамической устойчивостью пилы. Вместе с тем в РТМ не учтен ещё один важный параметр процесса резания – температура зуба пилы (температура резания), которая является ещё одним ограничивающим фактором при расчете режимов резания. Установлено, что в процессе резания инструмент нагревается до температур, превышающих предел теплостойкости материала лезвия и могут привести к резкому снижению его твердости, прочности и, в конечном счёте к термомеханическому разрушению или термоабразивному износу. Стойкость лезвия зуба снижается, происходит так называемая тепловая посадка и отказ в работе пилы.

Это ограничение по допустимой температуре лезвия пилы в РТМ в своё время не было включено по целому ряду объективных обстоятельств. Отсутствовали сведения теоретического и экспериментального характера: по зависимости температуры лезвия от мощности резания, температурным полям зуба и характеру кривых распределения температуры зуба по его высоте; конвективной теплоотдаче зуба от нагрева и коэффициентам теплоотдачи от условий резания. По тепловому балансу в зоне резания, источникам и стокам тепла через стружку и заготовку также отсутствовали сведения, необходимые для расчетов режимов резания по параметру допустимого нагрева лезвия зуба.

Перечисленные обстоятельства явились основанием для проведения исследований по описанию основных закономерностей теплообмена режущей части пилы, разработке на их основе рекомендаций по зонам лезвий с наибольшими температурами, по ограничению режима по теплостойкости материала лезвия, законам изменения температуры и характера тепловых потоков, по управлению тепловыми явлениями, методике расчета режимов резания с ограничением по тепловой стойкости режущего инструмента.

Цель работы. Разработка метода расчета режимов резания древесины в круглопильных станках на основе температурной устойчивости инструмента.

Задачи работы:

1. Изучение теплового баланса в зоне резания круглыми пилами.

2. Исследования (теоретические и экспериментальные) закономерностей распределения температуры по высоте зуба пилы в зависимости от тепловой мощности резания.

3. Количественная оценка источников теплоты и стоков теплового баланса.

4. Экспериментальные исследования тепловых потоков, отводимых в стружку и заготовку при пилении.

5. Экспериментальные исследования коэффициентов теплоотдачи зубьев пил в зависимости от мощности теплового источника, скорости обтекаемого воздуха и толщины зуба.

6. Разработка режимов пиления древесины в круглопильных станках по тепловой устойчивости материала лезвий зубьев пил.

7. Разработка измерительных комплексов для измерения температур, мощности и др. параметров при экспериментальных исследованиях.

Объект исследования. Процесс распиловки древесины на круглопильных станках.

Предмет исследования. Тепловые явления, происходящие на режущей части круглых пил при распиловке древесины.

Научная новизна работы:

1. Режимы резания древесины в круглопильных станках по тепловой устойчивости материала лезвий инструмента.

2. Графоаналитический метод определения температуры резания в зависимости от тепловой мощности резания.

3. Методика расчета температур по высоте зуба с применением программного пакета Mathematica v. 4.2.

4. Значения коэффициентов теплоотдачи режущей части круглых пил.

5. Тепловой баланс источников и стоков тепла в процессах резания древесины круглыми пилами.

Положения, выносимые на защиту:

1. Режимы резания древесины в круглопильных станках по теплостойкости материала лезвий инструмента.

2. Математические модели тепловых полей зубьев пил.

3. Графоаналитический метод расчета температуры по высоте зуба.

4. Значения коэффициентов теплоотдачи режущей части круглых пил в зависимости от факторов – скорости воздушных потоков, толщины зуба, мощности теплового источника.

5. Расходная часть теплового баланса – количество теплоты, отводимой в стружку, заготовку и инструмент.

6. Математические модели температуры стружки, доли мощности резания, идущей на нагрев стружки в зависимости от технологических факторов – скорости подачи и высоты пропила.

Практическая значимость работы. Все результаты работы, имеющие научную новизну, имеют и практическую ценность. Результаты работ дополняют «Руководящие технические материалы по определению режимов пиления древесины круглыми пилами» (1988 г.) методическими рекомендациями по расчету режимов резания древесины по теплостойкости материала инструмента. Методические рекомендации предназначены для практического применения при разработке технологических режимов производства в лесопильной, деревообрабатывающей, мебельной промышленности, а также при решении вопросов оптимизации режимов резания, параметров станков и инструментов на предприятиях, в научно-исследовательских и проектно-конструкторских организациях.

Результаты исследований использованы в учебном процессе при изучении специальных дисциплин «Оборудование отрасли», «Резание древесины и древесных материалов», «Дереворежущие инструменты» специальности 250403 «Технология деревообработки», 250300 «Технология лесозаготовительных и деревоперерабатывающих производств и 151000 «Технологические машины и оборудование» УГЛТУ.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены на научно-технических конференциях студентов и аспирантов Уральского государственного лесотехнического университета в 2003 – 2006 гг.; Международном евразийском симпозиуме «Деревообработка: технологии, оборудование, менеджмент ХХI века» (УГЛТУ) в 2006, 2007, 2011 гг.; Международной научно-технической конференции: «Социально-экономические и экологические проблемы лесного комплекса» (УГЛТУ) в 2005 г.; Международной научно-технической интернет-конференции «Актуальные проблемы лесного комплекса» (БГИТА, г. Брянск) в 2005 – 2006 гг.; Всероссийской научно-практической конференции «Лесной и химический комплексы – проблемы и решения» (СибГТУ, г. Красноярск) в 2006 г.

Реализация работы. Результаты работы включены в «Методические рекомендации по расчету режимов резания древесины в круглопильных станках по теплостойкости материала инструмента», которые утверждены генеральным директором ОАО «Уральский научно-исследовательский институт переработки древесины».

Публикации. По теме диссертации опубликована 21 печатная работа, в том числе 4 в изданиях, рекомендованных ВАК.

Объём и структура диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, выводов, библиографического списка и приложений. Основное содержание работы изложено на 185 страницах машинописного текста, содержит 55 иллюстраций, 30 таблиц, 102 наименования использованных источников.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, определена её цель, сформулированы положения, выносимые на защиту, показаны научная новизна и практическая значимость работы.

1. Состояние вопроса. Рассмотрено состояние проблемы, осуществлен обзор публикаций и оценка состояния вопроса нагрева круглых плоских пил при пилении древесины, сформулированы задачи исследований. Наиболее полно влияние нагрева на работоспособное со­стояние инструмента на уровне требований к лезвию решено в работах А.Э. Грубе, А.В. Моисеева, Р.А. Лейхтлинга, Л.В. Двоскина и др.

Вопросы нагрева и влияние его на устойчивость дисков пил освещены в работах М.А. Дешевого, А.Э. Грубе, В.И. Санева, Г.С. Гуркина, Г.А. Жодзишского, Г.И. Юзефовича, Ю.М. Стахиева, М.М. Твердыниной, И. А. Грачева, В.К. Пашкова, В.Г. Бодалева, А.С. Красикова и др.; зарубежных ученых – Л. Глиера, Г.С. Калицина, Е. Барца, С.Д. Моута, Г. Палича и др. Вместе с тем анализ результатов выполненных работ показывает, что от­дельные вопросы требуют обобщения и дальнейших исследований. Это каса­ется оценки теп­ловых потоков в зубе и диске пилы, оценка которых проведена раздельно. Это позволило бы оценивать ожидаемые температуры нагрева лезвия по тепловому потоку диска пилы или температуре его периферии, для которой установлены математические зависимости от основных условий резания, используя темпера­туру лезвия, как ограничение режима резания. Для получения общей картины тепловых по­токов от лезвия зуба по радиусу пилы, включая тело зуба и диск, необходимы дополнительные теоретические и экспериментальные исследования со специ­альной целью оценки ожидаемых максимальных температур на лезвии и окруж­ности впадины зубьев от мощности на резание.

Температурный перепад может быть использован для решения обратной задачи – определения температуры на поверхности контакта инструмента (зуб) – заготовка, а температура лезвия в качестве ограниче­ния параметров режима резания по условию теплостойкости материала инструмента. Анализ состояния вопроса позволил сформулировать цель и задачи исследований, приведенные в общей характеристике работы.

2. Теоретические исследования температурных полей зубьев пил

Установлено, что тепло при резании в диск поступает через зубья осесимметрично. При известной температуре на окружности междузубовых впадин, последняя нарастает по направлению к вершине зуба пропорционально длине хорды концентрической окружности на участке впадины. Графоаналитическое построение изменения относительной температуры зуба Z по его высоте показало, что её изменение на режущей кромке составляет

, (1)

где – температура зуба пилы на окружности первой изотермы – на режущей кромке лезвия; – температура зуба на i-ой изотерме, т.е. .

Температура на лезвии примерно в 20 раз выше, чем температура на окружности впадин зубьев , т.е. .

Эта задача решена нами теоретически. Для установления закона распределения температуры по высоте зуба пилы составлено дифференциальное уравнение теплопроводности на основе теплового баланса элементарного кольцевого слоя абсолютно острого лезвия (рисунок 1).

  Схема тепловых потоков -6

Рисунок 1 – Схема тепловых потоков элементарного участка зуба пилы

На рисунке 1 показано: – градиент температуры зуба по высоте; q1 и q2 – количество подводимого и отводимого тепла к элементарному участку путем теплопроводности по высоте зуба соответственно, Вт; dq – количество тепла, отводимого путем конвективного теплообмена от элементарного участка через переднюю, заднюю и боковые грани, Вт; – угол заострения зуба, град; h – высота зуба, м; b – толщина зуба, м; R – радиус пилы, м; R1 – радиус окружности впадин зубьев, м; x0 – расстояние от начала координат (точка n) до центра дуги аб (точка о). На схеме на профиль абсолютно острого лезвия наложен профиль физического лезвия с радиусом затупления , м, режущей кромкой в форме дуги аб с центром о.

Поскольку в установившемся режиме резания теплосодержание элементарного участка остаётся постоянным, тепловой поток dq, рассеиваемый конвективным путём боковыми поверхностями и поверхностями передней и задней грани этого участка определяется разницей тепловых потоков q1 и q2, проходящих через внешнюю и внутреннюю цилиндрические поверхности путем теплопроводности dq = q1 – q2. По закону Фурье и закону Ньютона-Рихмана дифференциальное уравнение теплопроводности примет вид

. (2)

где – коэффициент теплопроводности, Вт/(м оС);

– коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2 оС);

Для решения уравнения (2) необходимо ввести новые обозначения:

; ; ; ; ; ,

с учетом которых уравнение (2) можно записать в виде

. (3)

Решение дифференциального уравнения с применением программного пакета Mathematica v.4.2 с учетом значений постоянных коэффициентов C1 и C2, определяемых из граничных условий первого рода составит

, (4)

где e – основание натурального логарифма, e = 2,718;

– конфлюэнтная (вырожденная) гипергеометрическая функция первого рода, порядка (1+), аргумента 2z;

Значение конфлюэнтной (вырожденной) гипергеометрической функции определяются по математическому справочнику специальных функций.

По результатам расчета построен график распределения температуры по высоте зуба (рисунок 2). Как видно из формулы (4), характер распределения температуры не зависит от абсолютного значения температуры на лезвии зуба, поэтому на графике (рисунок 2) по оси ординат приведено значение относительной температуры.

  График распределения-18

Рисунок 2 – График распределения относительной температуры по высоте зуба: 1 – кривая, построенная по формуле (4); 2 – кривая, построенная графоаналитическим методом: ti – температура на расстоянии x от вершины зуба, t0 – температура на контактных поверхностях инструмента при резании при установившемся теплообмене

Установленная аналитическая зависимость температуры (4) по высоте зуба круглой пилы позволяет оценить влияние конструктивных и технологических параметров , , , , b в пределах их возможных изменений на характер распределения температуры по высоте зуба режущей части пилы. Результаты расчета показывают, что температура на периферии диска увеличивается (при прочих равных условиях) с увеличением коэффициента теплопроводности материала лезвия, радиуса затупления лезвия , толщины зуба b и уменьшается с увеличением коэффициента теплоотдачи . При изменении угла заточки от 30о до 70о температура на периферии диска остаётся постоянной. С точки зрения снижения температуры лезвия нужно работать с большими значениями b, , , периферии диска – большими значениями и меньшими значениями .

По установленному закону распределения температуры по высоте зуба, температура t0 резания может быть определена по формуле

, (5)

где п – коэффициент, учитывающий периодизацию процесса резания;

Nрез – мощность резания, Вт;

К1 – коэффициент доли мощности на резание, идущей на нагрев инструмента;

z – число зубьев пилы;

Z – среднеинтегральный коэффициент теплоотдачи зуба пилы, Вт/оС;

– среднеинтегральный коэффициент теплоотдачи диска, Вт/оС;

К2 – коэффициент, равный отношению температуры на периферии диска к температуре резания, (К2 = 0,025…0,1).

3. Теоретические исследования тепловых стоков с режущей части и диска круглой пилы

Для определения теплоты, передающейся в окружающую среду режущей частью (зубьями) пилы QОКР условно зуб пилы разбивается на кольцевые участки радиусом хi и шириной x (рисунок 3).

Рисунок 3 – Схема разбивки зуба по высоте на участки

На каждом из них теплоотдача в окружающую среду определяется по закону Ньютона-Рихмана. , (6) где z – число зубьев пилы; Fi – площадь поверхности теплоотдачи участка, м2; ср – средний коэффициент теплоотдачи поверхности рассматриваемого участка воздуху, Вт/(м2 оС); tсрi – температурный перепад поверхности рассматриваемого участка относительно температуры окружающей среды, оС; n – количество участков, 1, 2 … n.


Pages:   || 2 | 3 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.