Підвищення працездатності ланцюгових відрізних пил

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний технічний університет україни

Київський політехнічний Інститут

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Підвищення працездатності ланцюгових відрізних пил

Спеціальність: Процеси механічної обробки, верстати та інструменти

Новіков Олексій Миколайович

Київ, 1999 рік

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Одним з видів високопродуктивного інструменту є ланцюговий різальний інструмент. Висока продуктивність цього інструменту забезпечується:

- можливістю застосування прогресивних схем зрізування припуску;

- створенням умов більш ефективного різання, та подачі мастильно-охолоджувальної рідини в зону різання;

- одночасною роботою багатьох різальних елементів, керуванням траєкторією руху різальних елементів в процесі обробки, можливістю швидкої зміни зношених елементів.

Застосування в металообробній промисловості ланцюгового інструменту обмежене, що пояснюється практично його невивченістю.

Найбільш широке застосування ланцюговий інструмент знайшов в лісопереробній промисловості (пилкові ланцюги), якими обладнані бензо- та електропили.

За використанням інструментального матеріалу в різальних елементах пили підрозділяються на два типи, різальні елементи яких виготовлені з інструментальних штампових сталей та пили з різальними елементами, армованими по передній поверхні твердим сплавом.

Кожному з них притаманні свої недоліки, які значно знижують їх працездатність.

В першому з випадків ланцюгові пили мають край низьку стійкість при обробці деревини твердих порід, великі витрати на заточку й придбання інструменту, часті зупинки, зумовлені швидким зношуванням інструменту і як наслідок, високу собівартість заготовленої деревини.

Пили з різальними елементами, армованими по передній поверхні твердим сплавом (напаяними пластинами) мають високу вартість, потребують спеціальне обладнання для заточки, а головне, як показує досвід їх експлуатації, викришування твердосплавних пластин. Для підвищення працездатності ланцюгових пил запропонована нова конструкція різального інструмента, а саме тангенційно армованого твердим сплавом, тобто вздовж задньої поверхні припаяна тонка фасонна пластинка. Проте, розміри цієї фасонної пластини не визначені, відсутні рекомендації щодо геометрії такої конструкції зуба ланцюгової пили, не досліджені й не розв'язані інші питання конструювання та експлуатації пил нової конструкції.

Враховуючи зазначене, підвищення працездатності ланцюгових пил є актуальною проблемою, вирішення якої має велике теоретичне й практичне значення.

Робота відповідає науковому напрямку досліджень, кафедри інструментального виробництва Національного технічного університету України «КПІ», які проводились на забезпечення виконання держ. бюджетної теми №2823 згідно плану Міністерства освіти України, та теми за планами Мін. науки (державний проект №04.02.04572, договір №2.1554-97).

Мета роботи полягає в підвищенні працездатності ланцюгового відрізного інструменту за рахунок тангенційного армування зубів пили твердим сплавом без суттєвого підвищення вартості інструменту.

Основні задачі роботи:

- аналіз існуючих конструкцій ланцюгового інструменту та обґрунтування вибору базового інструменту для подальших досліджень й удосконалення;

- аналіз кінематики ланцюгових пил та завантаження різальних кромок;

- розробка методики та програм розрахунків на ПЕОМ визначення величин зрізування припуску;

- розробка узагальненої методики визначення геометричних параметрів;

- аналіз геометричних параметрів різальних елементів ланцюгової пили;

- розробка методики розрахунку міцності зубу пили з застосуванням методу кінцевих елементів;

- визначення доцільної товщини твердосплавної пластини для тангенційного армування зуба пили;

- визначення доцільних способів заточки зубів ланцюгових пил;

- розробка робочих креслень різальних елементів ланцюгової пили та рекомендацій по заточці й експлуатації.

Методика досліджень. Теоретичні дослідження були поведені на основі використання сучасного математичного апарату, методу кінцевих елементів при розрахунку міцності зубу пили та товщини твердосплавної пластини для його армування, основних положень теорії проектування різальних інструментів, теорії вірогідності, та математичної статистики. Експериментальні дослідження проводились з використанням сучасної контрольно-вимірювальної апаратури.

Наукова новизна:

- розвинутий напрямок в проектуванні ланцюгових інструментів, який полягає в застосуванні теоретичного визначення міцності об'ємно - деформованого зуба інструменту товщини їх армуючих пластин, а також в призначенні геометричних параметрів зубу;

- розроблена узагальнена методика розрахунку та аналізу геометричних параметрів лезового інструменту;

- вперше з застосуванням методу кінцевих елементів запропонована та розроблена методика розрахунку на міцність об'ємно - деформованого зуба ланцюгової пили;

- для досліджуваних конструкцій зубів пили встановлені залежності зміни зусиль різання в різні моменти роботи пили.

На захист виноситься:

- методика визначення та дослідження зрізування припуску різальними елементами пили;

- методика визначення кінематики ланцюгової пили;

- методика розрахунку геометричних параметрів різальних елементів інструменту;

- нові види заточок різальних елементів пили та значення їх геометричних параметрів;

- результати розрахунків по визначенню товщини фасонних накладок для армування ними пили по задній поверхні й створення на їх основі конструкції пили.

Практична цінність одержаних результатів:

- створенні й виготовлені ланцюгові відрізні пили для обробки деревини підвищеної працездатності, яка отримана за рахунок нових видів заточки та армування задньої поверхні зубів пили пластинами зі сплаву ВК8 товщиною 0.2-0.25 мм.

- розроблені алгоритми та програми розрахунку й аналізу геометричних параметрів в будь-якій точці різальної кромки інструменту, розрахунку величин припуску, а також товщини пластин для армування зубів;

- розроблені рекомендації по заточці нових конструкцій ланцюгових пил.

Реалізація результатів роботи. За результатами роботи розроблені робочі креслення ланцюгової пили ЦП-10.26, різальні елементи якої тангенційно армовані твердим сплавом ВК8 з заточкою по двом площинам та радіусною. Виготовлена дослідна партія таких пил. Проведені промислові випробування, які підтверджені актами випробувань. За результатами випробувань при валці лісу в залежності від умов роботи та породи деревини нова конструкція пили дозволяє підвищити стійкість пил в порівнянні зі стандартними пилами від 10 до 50 разів.

Особистий внесок здобувача. Самостійна розробка методик, алгоритмів та програм зазначених в роботі. Самостійно виконані всі розрахунки та експериментальні дослідження, які проведені на кафедрі інструментального виробництва НТУУ «КПІ». Узагальнення результатів досліджень та розрахунків здійснені спільно з д. т. н., проф. Равською Н.С. та д. т. н. Рудаковим К.М.

Апробація роботи. Результати роботи доповідались та обговорювались:

- на Міжнародній науково - технічній конференції «Високоефективні технології в машинобудуванні»(м. Алушта, 1996 р.) на науковій конференції молодих вчених механіко - машинобудівного факультету НТУУ «КПІ» (м. Київ, 1997);

- на Міжнародній науково - технічній конференції присвяченій 100 - річчю механіко - машинобудівного та 50 - річчю зварювального факультетів Національного технічного Університету України «КПІ», секція “Лезовий різальний інструмент та процеси різання” (м. Київ, 1998).

Робота доповідалась і отримала позитивний відгук на розширеному засіданні кафедри «Інструментальне виробництво НТУУ «КПІ» (м. Київ, березень 1999 р.).

Публікації. За результатами дисертаційної роботи опубліковано 7 праць.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних літературних джерел, додатків по кожній главі. Робота містить 158 сторінок, в тому числі 34 рисунків, 6 таблиць і додатків. Список використаних літературних джерел містить 105 найменувань.

2. Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, мета роботи та задачі досліджень для досягнення сформульованої мети наукова новизна, а також положення що виносяться на захист.

У першому розділі подано короткий аналіз опублікованих за останні роки вітчизняні та зарубіжні рішення (у тому числі патентів та авторських свідоцтв) по удосконаленню конструкції ланцюгового інструменту. Умовно весь ланцюговий інструмент було розподілено на три основні групи:

- інструмент працюючий за методом обкату;

- протяжний інструмент;

- інструмент, який використається на відрізних операціях.

Для подальшого використання за базовий був обраний найбільш поширений інструмент - ланцюгові відрізні пили.

Серед напрямків удосконалення базового інструменту можливо виділити декілька основних:

- застосування прогресивних схем зрізування припуску;

- зменшення товщини пропилу за рахунок зміни конструкції;

- використання нових схем заточок для поліпшення умов праці зубів інструменту;

- використання покрить задніх поверхонь різальних зубів пил;

- застосування нових матеріалів з підвищеними показниками зносостійкості.

В сучасному виробництві ланцюгових пил за останні роки все більше використання знаходить твердий сплав. Перші розробки пил з твердим сплавом належать німецький фірмі Stihl, яка з 1990 року постачає ринок ланцюговими відрізними пилами Rapid Duro.

На передній поверхні зубу цієї пили, припаяна пластина твердого сплаву. Виробник цього інструменту рекомендує використовувати його в особливо важких умовах.

С значним підвищенням працездатності такого інструменту слід відмітити ряд його недоліків.

Насамперед, те що такої конструкції твердосплавний зуб не може працювати при ударах.

По-друге дефіцитний твердий сплав використовується не ефективно, більша його частина видаляється під час заточки. Головною причиною утримання розповсюдження цього інструменту в нашій країні є його висока ціна. На кафедрі інструментального виробництва НТТУ «КПІ» було запропоновано армувати задні поверхні різального зуба ланцюговий пили тонкою пластинкою з твердого сплаву. При цьому повстало ряд питань, пов'язаних з визначенням товщини твердосплавної пластини, з вибором форми затоки нової конструкції зуба та його геометрії.

Тому було виділено ряд пріоритетних напрямків, за якими велись подальші дослідження, а саме необхідно було:

- дослідити кінематику ланцюгової пили та визначити ділянки різальної кромки, які мають найбільше навантаження;

- проаналізувати геометричні параметри інструменту при стандартних варіантах заточки, та запропонувати більш ефективні параметри заточки;

- на основі аналізу напружено - деформованого стану зуба ланцюгової пили армованого твердим сплавом розробити рекомендації по виготовленню твердосплавних пластин;

- практично підтвердити доцільність рекомендованих параметрів зуба ланцюгової пили.

У другому розділі вивчена кінематика ланцюгової пили та визначенні величини припуску, який знімається кожною різальної кромкою цього інструменту.

Особливість роботи ланцюгової пили полягає в тому, що головний рух зуба пили являє собою рух по замкнутій траєкторії, яка визначається формою та розмірами шини пили, а подача здійснюється вручну. При розрахунках було запропоновано розподілити шину пили на радіусні ділянки, які в місцях сполучення мають спільну дотичну.

Закон головного руху різання визначався параметричною формулою, яка об'єднувала в собі закони руху для кожної радіусної ділянки. За умову того, що ланцюг не розірветься, бралась незмінність абсолютного значення вектору швидкості руху ланки ланцюга. Отриманий закон руху ланцюга давав можливість визначати координати ріжучої ланки в любий момент часу за наведеними залежностями:

(1)

Де:

- gx(t), gy(t), gz(t) - функції визначення координат x,y,z різальної ланки в залежності від часу;

- l(t), li - довжина пройденого шляху по периметру шини, по якій рухається різальна ділянка за час t та початкова координата різальної ланки на шині пили;

- r, R, H, - параметри, що визначають розміри та конструкцію шини;

- l(t)+l_i - функція визначення кута, за яким визначаються координати різальної ланки на чотирьох радіусних ділянках, що описують шину пили;

- l₁₂, L - довжина дуги першої різальної ділянки та загальна довжина периметру шини пили;

- l₂₃, l₂₃ - накопичені довжини першої, другої та першої, другої, третьої ділянок шини.

Зважаючи на те, що будь - який рух можливо розкласти на прості складові, то при описі руху ручної подачі розглядались комбінації з простих складових - прямолінійного та обертального рухів.

Тоді закон руху з врахуванням подачі (комбінації з прямолінійного та обертального рухів) запишеться як:

(2)

Де:

- Xq, Yq, Zq - координати різальної ланки ланцюгової пили з врахуванням головного та руху подачі;

- gx(t), gy(t), gz(t) - функції визначення координат x,y,z різальної ланки в залежності від часу для головного руху;

- X, Y, 0 - координати центру обертання ручної подачі по колу;

- Q(t) - закон, що описує зміну куту обертання для подачі по колу (тільки в одній площині);

- Sx(t), Sy(t), Sz(t) - закон, що описує прямолінійну ручну подачу.

За координатами точок руху різальних ланок будувались траєкторії їх руху в повздовжньому перерізі. Далі обиралась ділянка з максимальною глибиною різання.

На цій ділянці будувався поперечний переріз, площина якого була перпендикулярна вектору швидкості різання.

На переріз проектувались профілі різальних кромок в напрямку траєкторій руху ділянок ланцюга.

Таким чином визначалась ділянка різальної кромки, яка має максимальне навантаження, в момент часу, коли вона зрізам максимальний припуск.

В цілому аналізувались об'ємні шари оброблюваного матеріалу, які знімались конкретними різальними кромками.

Рис. 1. - Приклад графічного моделювання процесу різання на ПЕОМ:

З проведених розрахунків витікає, що кругова подача найбільш сприятлива для ланцюгового інструменту, так як зуб пили врізується при мінімальній глибині різання (рис. 1.).

Найбільш навантаженим є радіусна ділянка різальної кромки. Також була визначена ділянка навантаження на передній поверхні зубу, яка враховуватися при подальших розрахунках на міцність.

В третьому розділі було проведено аналіз геометричних параметрів для стандартних та для запропонованих типів заточок.

Першим етапом цього розділу було створення методики визначення геометричних параметрів для будь - якого левового інструменту. За початкові дані брались вектор швидкості різання V, вектори дотичні до передньої П, задньої З поверхонь та до різальної кромки К в точці інструменту, що підлягає дослідженню. З використанням векторної алгебри знаходились вектори, кути між якими відповідали геометричним параметрам, що потрібно було відшукати. Методика дозволяє визначати кути в інструментальній, статичній та кінематичній системах координат для будь-якого інструменту. Головною проблемою було визначення дотичних векторів. Тому для конкретного зубу ланцюгової відрізної пили створювалась математична модель, яка описувала зуб пили. Модель зуба пили уявляла собою множину точок розташованих на різальній кромці, на передніх та задніх поверхнях зуба пили. Спрощено, дотичні вектори визначались як вектори побудовані на двох точках.

Для різних типів заточок були визначені математичні моделі зуба пили, але головним чином дослідження були проведені для радіусної заточки, та для заточки фірми Stihl.

Для визначення оптимальних параметрів заточки перебирались всі можливі комбінації, з яких вибирались ті, які відповідали діапазону допустимих геометричних параметрів. Для кута нахилу кромки діапазон був = 15...60, для переднього кута - = 15...35, для заднього кута - = 3...7.

За результатами аналізу було визначено, що найефективнішою заточкою, з розглянутих заточок, є радіусна заточка. Також було визначено доцільний діапазон діаметрів заточеного інструменту 3.5...5.5 мм.

В четвертому розділі роботи здійснювався вибір оптимальної товщини твердосплавної різального зуба ланцюгової відрізної пили.

Для аналізу пружного напруженого деформованого стану тіла був використаний метод кінцевих елементів. Різальний зуб являв собою тіло, яке складалось з трьох різних матеріалів:

- матеріал шару твердого справу групи ВК;

- матеріал шару припою - Л63;

- матеріал зуба до його армування - сталь 7ХНМ.

На визначеній ділянці передньої поверхні зуба розташовувались навантаження (тиск).

Прикладався тиск в нормальному напрямку до передньої поверхні та тиск в напрямку сходу стружки.

Рис. 2. - Блок - схема методики визначення геометричних параметрів:

Зуб розподілявся на об'ємні кінцеві елементи першого роду(кожний елемент складався з 8 точок). Для оцінки похибки розрахунків в залежності від щільності елементів на перших етапах аналізу бралось три щільності елементів - 2000, 8000, 20000 кінцевих елементів. Похибка при розрахунках не перевищувала 5-7%. В подальшому бралась середня щільність кінцевих елементів - 8000.

Для аналізу міцності обирались конкретний критерій для кожного типу матеріалу. Так для твердих сплавів застосовувався критерій Писаренко - Лебідева, який був уточнений В.О. Остаф'євим:

- для сплавів групи WC-TiC-C0 при температурі до 700С:

 (3)

- для сплавів групи WC-Co і WC-Tic-TaC-Co при температурі до 600 С (на рисунку 2 позначка VK):

(4)

Для напайки, що являє собою пластичний матеріал для дослідів застосувався критерій максимальних дотичних напружень (на рисунку 2 позначка Mises):

(5)

Для матеріалу зуба сталь 7ХНМ і для матеріалу припою застосовувався критерій Писаренко - Лебідева для однорідних матеріалів, що мають різний опір розтягуванню та стисканню (на рисунку 2 позначка Smax):

(6)

Для вибору оптимальної товщини шару твердого сплаву були зроблені розрахунки пружного напруженого деформованого стану зуба пили при товщині твердого сплаву в діапазоні 0.4-0.05 мм. З проведених розрахунків витікає, що оптимальною товщиною твердого сплаву ВК8 -ВК12 є 0.2-0.25 мм. Також були проведенні розрахунки пружного напруженого деформованого стану конструкції Rapid Duro, монолітного твердосплавного зубу. Еквівалентні напруження на передній поверхні виявились на 150-250% більше ніж у зуба армованого твердим сплавом.

Рис. 3. - Максимальні значення еквівалентних напружень на передній поверхні при нормальному тиску 30 Мпа.:

Рис. 4. - Максимальні значення еквівалентних напружень, при нормальному тиску 30 Мпа.

В п'ятому розділі роботи подані результаті випробувань запропонованих конструкцій різальних зубів ланцюгової пили.

Випробування здійснювались в трьох напрямках. По-перше досліджувалась стійкість зубів при різних типах заточок без застосування та з застосуванням армування твердим сплавом. По-друге досліджувався характер зміни сили різання за період одного різу зуба в залежності від різних типів заточок. По-третє досліджувалась зміна абсолютних значень сили різання в залежності від зносу інструменту при різних типах заточок.

За критерій зносу була вибрана величина зносу по задній поверхні - hз. Випробування показали, що найбільш недосконалою є заточка по площині. Після 1 години роботи при різці дуба знос по задній поверхні складав hз = 1.2-2 мм., в той час при запропонованій радіусній заточці h_з = 0,2..0.4 мм.

Силові дослідження здійснювались на експериментальному комплексі для виміряння сил різання, який був розроблений на кафедрі інструментального виробництва. Комплекс складався з універсальної головки УДМ-100, цифрового аналогового перетворювача (АЦП), та стандартного комп'ютера на базі AMD K5-133.

В головку УДМ-100, кріпився брусок сухого дуба. Брусок різався дисковою пилою, де в якості ріжучого елементу використовувався зуб ланцюгової пили. Аналоговий сигнал поступав з головки на АЦП а потім на паралельний порт комп'ютера. Використовувались 2 частоти прийому даних - 1000 Гц, та 9000 Гц. Данні записувались в файл, а потім здійснювалась їх переробка за допомогою пакета прикладних програм.

Найкращі результати показали запропоновані заточки по двом площинам та радіусна. Ці заточки забезпечують зниження абсолютних значень сил різання у порівнянні з стандартними заточками до 50%. Крім того спостерігався значно менший удар під час врізання зуба в заготовку.

Висновки

1. Запропоновано новий метод підвищення працездатності ланцюгових відрізних пил - тангенційне армування задніх поверхонь тонкими пластинами твердого сплаву.

2. Аналітично визначено закон руху різальної ланки ланцюгової пили з врахуванням подачі та розроблена методика визначення величини зняття припуску в поздовжньому та поперечному перерізі для ланцюгового інструменту.

3. Розроблена методика визначення геометричних параметрів для лезового інструменту в інструментальній, статичній та кінематичній системах координат. ланцюговий пила армування

4. Розроблене алгоритм дискретизації зуба ланцюгового інструмента на кінцеві об'ємні елементи.

5. Визначено характер зміни та значення геометричних параметрів зуба ланцюгової пили при стандартних заточках та запропоновані нові типи заточок, які дозволяють значно підвищити стійкість інструменту та зменшити сили різання в порівнянні з стандартними заточками.

6. Вперше була розв'язана об'ємна задача пружного напруженого деформованого стану зуба ланцюгової пили тангенційно армованого твердим сплавом методом кінцевих елементів. Розрахунками визначено оптимальну товщину твердосплавної пластинки 0.2-0.25 мм.

7. Створено пакет прикладних програм, який може використовуватися самостійно, або в якості однієї з підсистем САПР різального інструменту.

8. Проведене опробування нових конструкцій ланцюгових пил показало, що тангенційне армування твердим сплавом дало змогу підвищити стійкість інструменту в 10-15 раз, а також підвищити продуктивність інструменту на 200-300% у порівнянні з стандартним інструментом.

ПУБЛІКАЦІЇ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Равская Н.С., Рудаков К.Н., Новиков А.Н. Цепные пилы с армированными твердым сплавом зубьями // изд. НТУУ “КПИ”, полиграф. фак., Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт», Киев. 1999 - 50 с.

2. Новиков. А.Н. Расчет геометрических параметров режущего клина на ЭВМ. // Вестник Национального технического университета Украины «Киевский политехнический Институт» №32, 1997 - С. 162-167.

3. Р.П. Родин, А.Н. Новиков Влияние конструктивных параметров зуба отрезной цепной пилы на силы резания. // Вестник Национального технического университета Украины «Киевский политехнический институт» №36, 1999 - С. 268-271.

4. Новиков А.Н. Схема резания режущими элементами цепного инструмента. // Вестник Национального технического университета Украины «Киевский политехнический институт» №32, 1997 - С. 249-252.

5. Равская Н.С., Рудаков К.Н., Новиков А.Н. Расчет объемного напряженно деформированного состояния режущего зуба отрезной цепной пилы, армированного твердым сплавом. // НТУУ «КПИ». «Прогресивна техніка і технологія машинобудування, приладобудування і зварювального виробництва», Т.1., НТУУ «КПІ» 1998, С. 369-376.

6. «Схемы срезания припуска и формы профиля зуба отрезных пил». / Равская Н.С., Родин Р.П., Семенов А.В., Новиков А.Н. / Политехнический. Ин-т. - Киев 1995-11 м. п. с.: ил. - Библиогр.: назв. Рус. - Деп. В ГНТБ Украины. №1696 - УК. 95.

Размещено на Allbest.ru