Удосконалення процесу загострювання дереворізальних ножів з використанням багаточашкового абразивного інструмента

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний лісотехнічний університет України

УДК 674.053:621.92.001.53

05.05.04 - машини для земляних, дорожніх та лісотехнічних робіт

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

УДОСКОНАЛЕННЯ ПРОЦЕСУ ЗАГОСТРЮВАННЯ ДЕРЕВОРІЗАЛЬНИХ НОЖІВ З ВИКОРИСТАННЯМ БАГАТОЧАШКОВОГО АБРАЗИВНОГО ІНСТРУМЕНТА

Озимок Юрій Іванович

Львів - 2009



Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано в Національному лісотехнічному університеті України Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Кірик Микола Дмитрович, Національний лісотехнічний університет України, завідувач кафедри деревообробного обладнання та інструментів.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, доцент Шахбазов Яків Олександрович, Українська академія друкарства, завідувач кафедри технології матеріалів і поліграфічного машинобудування;

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Сірко Зіновій Степанович, Український державний науково-дослідний інститут „Ресурс” Держкомрезерву, завідувач лабораторією технічного устаткування та технологічних процесів.

Захист відбудеться "07" жовтня 2009 р. о 1200 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.072.03 Національного лісотехнічного університету України за адресою: 79057, м. Львів, вул. Ген. Чупринки, 103, зал засідань.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного лісотехнічного університету України за адресою: 79057, м. Львів, вул. Ген. Чупринки, 101

Автореферат розіслано "04" вересня 2009 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради доктор технічних наук, доцент І. Т. Ребезнюк



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Якість оброблення деревини значною мірою залежить від підготовлення дереворізального інструмента до роботи. Для ножів визначальною операцією, яка гарантує якісне оброблення, є їх загострення.

Високоякісне загострення ножів можливе лише в разі правильного поєднання характеристики шліфувального круга та режимів загострювання. До того ж і режими загострювання, і характеристика шліфувального круга повинні відповідати складу сталі інструмента, способу охолоджування та іншим факторам.

Вирішити це завдання в комплексі доволі важко, позаяк попередньо потрібно з усієї різноманітності шліфувальних кругів вибрати ті, які будуть найкраще відповідати умовам загострювання ножів.

Режими загострювання ножів повинні забезпечити задане значення кутових параметрів леза, потрібну гостроту та відсутність задирок, викришувань, тріщин та інших дефектів, зберігання початкових властивостей матеріалу леза, зумовлених хімічним складом і термічним обробленням сталі, потрібну шорсткість робочих поверхонь леза, високу продуктивність і мінімальну витрату шліфувального інструмента.

Дотримання наведених вимог до раціональних режимів дає змогу якісно і з високою продуктивністю загострювати тонкі ножі для фрезування деревини завтовшки до 10 мм, завдовжки до 600 мм, з кутами загострення = 30...50°. Це ножі фрезувальних, фугувальних, рейсмусових та стружкових верстатів.

Для якісного і високопродуктивного загострення товстих ножів потрібно враховувати їхні конструктивні параметри. Особливістю загострення ножів лущильних та шпоностругальних верстатів є те, що ці ножі мають малі кути загострення = 16...18° і, відповідно, широку (до 60 мм) задню поверхню завдовжки до 3,1 м. Велика зона контакту абразивного круга з задньою поверхнею ножа призводить до утворення високих температур під час загострювання. Унаслідок цього змінюються початкові фізико-механічні властивості сталі леза, виникають великі задирки, мікротріщини та інші дефекти. Усе це негативно позначається як на якості інструмента, так і на обробленні ним деревини.

Наявні рекомендації щодо раціональних режимів загострювання та доводіння дереворізальних інструментів, зокрема лущильних і шпоностругальних ножів, частково вирішують цю проблему, але суттєво зменшують продуктивність процесу загострювання.

Основним чинником, який впливає на продуктивність загострювання товстих ножів, є температура, що виникає під час цієї операції. Для її зменшення на поверхні ножа під час загострювання використовують абразивні круги меншої, ніж рекомендують технологічні режими, твердості, але це призводить до значного розмірного спрацювання м'якого круга, помітно зменшується подача на врізання в кінці робочого ходу круга, внаслідок чого загострюваний ніж має різну ширину за довжиною.

Застосування охолоджувальної рідини, для зменшення температури під час загострювання ножів, не повною мірою дає змогу якісно готувати дереворізальний інструмент до роботи.

Одним із найефективніших шляхів зменшення температури в зоні загострення є заміна суцільних абразивних кругів шліфувальними кругами зі вставними сегментами.

Перервна зона контакту сегментного круга з задньою поверхнею ножа дає змогу частково зменшити температуру нагріття ножа, зручніше підвести охолоджувальну рідину та відвести відходи шліфування.

Вадами такої конструкції є те, що вона вимагає складного кріплення сегментних елементів та балансування. Під час експлуатації круг має нерівномірне спрацювання сегментів.

Уникнути зазначених вад у процесі загострювання дереворізальних ножів можна завдяки створенню нового абразивного круга та розробленню раціональних режимів шліфування цим інструментом.

Отже, дисертаційну роботу присвячено вирішенню важливого і актуального для деревообробних підприємств науково-технічного завдання - поліпшити загострювання дереворізальних ножів використанням багаточашкового абразивного інструмента.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основні положення дисертаційної роботи виконано в рамках пріоритетного напрямку розвитку науки і техніки України 06: “Новітні технології та ресурсозберігаючі технології в енергетиці, промисловості та аграрнопромисловому комплексі”. Вони спрямовані на вирішення завдань в галузі раціонального використання деревини та відходів деревооброблення, запровадження сучасної технології підготовляння дереворізальних інструментів до роботи відповідно до основного напрямку наукової діяльності кафедри деревообробного обладнання та інструментів “Розроблення сучасних технологій та засобів для підготовляння до роботи сталевих дереворізальних інструментів” (ДБ 08.18-10-07, номер державної реєстрації 0106 U 012593).

Мета і завдання дослідження - підвищення продуктивності процесу загострювання дереворізальних ножів з прямолінійною різальною кромкою.

Для досягнення поставленої мети потрібно розв'язати такі завдання:

проаналізувати наявний процес загострювання дереворізальних ножів і встановити причини його недосконалості;

розробити новий багаточашковий інструмент, який забезпечував би високу продуктивність процесу загострювання;

розробити методику балансування нового багаточашкового абразивного інструмента;

дослідити величину температури, яка виникає під час загострювання сталевих дереворізальних ножів багаточашковим абразивним інструментом;

дослідити фізико-механічні властивості леза ножа, загостреного новим абразивним інструментом.

на підставі виконаного дослідження розробити раціональні режими загострювання сталевих дереворізальних ножів, рекомендації щодо конструкції нового абразивного інструмента.

Об'єкт дослідження - процес загострювання дереворізальних ножів новим багаточашковим абразивним інструментом.

Предмет дослідження - конструктивні особливості та незрівноваженість багаточашкового абразивного інструмента, режимні фактори процесу загострювання ним дереворізальних ножів.

Методи дослідження. У дисертаційній роботі використано: аналітичний огляд наукової та спеціальної літератури, методи математичної теорії планування експерименту, морфологічний аналіз (МА), методи математичного моделювання процесів, методи статистичного оброблення результатів, методи регресійного аналізу, методи електронного вимірювання температури, методи визначання мікротвердості, мікроструктури та хімічної неоднорідності сталі, методи вимірювання швидкості та тиску повітряного потоку в зоні шліфування.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що на основі виконаних теоретичних та експериментальних досліджень у роботі одержано такі результати: багаточашковий абразивний ніж інструмент

1. Удосконалено загострення ножів завдяки використанню розробленого нового багаточашкового абразивного інструмента, за допомогою якого поліпшується охолодження та якість оброблення шліфованої поверхні леза ножа під час його підготовляння, підвищується продуктивність процесу.

2. Отримано подальший розвиток засад балансування абразивного інструмента. Вперше абразивний інструмент розроблено як керований балансувальний пристрій (КБП), який балансують на ножезагострювальному верстаті. Встановлено значення коефіцієнта дисбалансу залежно від кута повороту корегувальних мас.

3. Уперше розроблено програму розрахунку параметрів балансування, яка дає змогу враховувати початкові умови і швидко отримувати результати параметрів, які беруть за основу розроблення нової конструкції багаточашкового абразивного інструмента.

4. Уперше встановлено залежність температури на оброблюваній поверхні ножа від режимів загострення, яка дає змогу прогнозувати нагрівання леза. 5. Установлено взаємозв'язок між швидкістю подачі шліфувальної головки та подачею на врізання абразивного круга, який забезпечує високопродуктивне та якісне загострення ножів.

Практичне значення отриманих результатів. Розроблено нову конструкцію багаточашкового абразивного інструмента з обертовими чашками, на яку отримано патент України на винахід (пат. № 61788 А). Важливим є те, що застосування цього інструмента не потребує будь-яких змін у конструкції ножезагострювальних верстатів, що використовують на підприємствах для загострювання ножів.

Розроблено режими загострювання дереворізальних ножів новим абразивним інструментом, які дають змогу істотно підвищити продуктивність процесу без зниження якості оброблення.

Запропоновано новий спосіб повного автоматичного балансування абразивних кругів, що зменшить вібрацію інструмента під час роботи на верстаті, покращить якість процесу загострювання (пат. № 4331). Впровадження розроблених режимів на ВАТ “Аверс” (м. Київ) та ТзОВ “Костопільський фанерний завод” (м. Костопіль, Рівн. обл.) підтверджує ефективність розроблених режимів загострення та достовірність висновків, отриманих за результатами дослідження.

Результати дослідження використано у навчальному процесі підготовки фахівців освітньо-кваліфікаційного рівня бакалавр напряму 6.050502 “Інженерна механіка” під час викладання дисциплін “Механічне оброблення деревини”, “Підготовлення та експлуатація дереворізальних інструментів” у Національному лісотехнічному університеті України.

Особистий внесок здобувача. Основні теоретичні та експериментальні дослідження за темою дисертаційної роботи автор виконав самостійно.

У роботах, опублікованих у співавторстві, здобувачеві належить: [1] - описання конструкції багаточашкового абразивного інструмента; [2] - висвітлення проблеми загострювання ножів; [4] - розроблення моделі та методики повного автоматичного балансування; [5] - описання конструкції багаточашкового абразивного інструмента з автоматичним балансуванням; [6] - реалізація експериментального дослідження та розроблення висновків.

Апробація результатів дисертації. Матеріали роботи доповідалися та обговорювалися на науково-технічних конференціях Українського державного лісотехнічного університету (2002, 2003, 2004 рр.) , Харківського національного технічного університету сільського господарства ім. П. Василенка (2006 р.), Національного лісотехнічного університету України (2006, 2007, 2008, 2009 рр.) та на науково-практичній конференції Львівського державного центру науково-технічної і економічної інформації (2007 р.). Загалом результати дисертаційної роботи доповідалися і обговорювалися на розширеному засіданні кафедри деревообробного обладнання та інструментів Національного лісотехнічного університету України у червні 2009 року.

Публікації. За темою дисертації опубліковано п'ять статей, одержано два деклараційні патенти.

Структура та об'єм роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел та додатків. Основний зміст дисертації викладено на 138 сторінках і містить 58 рисунків, 14 таблиць, в бібліографії наведено 154 джерела.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, предмет, об'єкт і завдання дослідження. Викладено наукову новизну і практичну значущість отриманих результатів. Наведено інформацію щодо апробації роботи, структури дисертації та впровадження результатів дослідження.

У першому розділі наведено огляд літератури, в якому проаналізовано сучасні ножезагострювальні верстати, абразивний інструмент, режими загострювання ножів, окреслено історію і напрямки розвитку устаткування для загострювання ножів. Проаналізовано стан питання й виконані науково-дослідні роботи щодо процесу загострювання дереворізальних ножів. Перші роботи датуються 60-ми роками минулого століття (Дем'яновський К. І., Дунаєв В. Д.) та містять дослідження процесу загострювання ножів суцільними абразивними кругами на верстатах марки ТчН. У цих роботах виявлено вплив теплових процесів під час загострення ножів на структурні перетворення у поверхневих шарах. Баланс роботи шліфувального круга, за даними проф. Кузнєцова В. Д., складається з роботи тертя (до 80 %) і роботи, затраченої на стружкоутворення (20 %).

Ділянку, в якій протікають термомеханічні процеси від високих температур, досліджував Якімов. А. В. Він ділить її на три характерні зони: 1) незначного підвищення температури перед тепловим джерелом, що наближається; 2) інтенсивного виділення тепла під джерелом; 3) інтенсивного охолодження після проходження теплового джерела.

Під час вивчення явищ, які відбуваються в процесі шліфування, Ісаєв А. І. і Сілін С. С. розрахували миттєву контактну температуру, яка має важливе практичне значення під час загострення ножів.

Вплив мастильно-охолоджувальної рідини (МОР) на зниження до безпечних меж нагріття тонких шарів металу, а відтак і на запобігання зниження різальної здатності леза досліджували Костецький Б. І., Кучерявий О. І., Коюн А. І. Із дослідження видно, що жоден зі способів охолодження, що застосовують у практиці, не запобігає повною мірою появі структурних перетворень у поверхневих шарах сталі в наслідок дії миттєвої температури.

На підставі аналізу наявного процесу загострювання та доводіння сталевих дереворізальних ножів, які використовують на підприємствах з виготовлення виробів із деревини і меблів, можна зробити такі висновки:

1. Такі параметри ножів, як прямолінійність різальної кромки, шорсткість задньої поверхні ножа, стабільність твердості та незмінність структури сталі, значною мірою залежать від організації процесу загострювання.

2. Аналіз досліджень, які виконали багато вчених, щоб встановити режими загострення показує, що значний вплив на продуктивність загострювання дереворізальних ножів мають величина поздовжньої та поперечної подачі, твердість кругів, зернистість, ширина робочої поверхні круга. Відзначено спадання питомої продуктивності в разі збільшення поперечної та поздовжньої подачі під час загострювання, що свідчить про обмежені можливості інтенсифікації процесу шліфування, з використанням найпоширеніших конструкцій кругів з електрокорунда, карбіда кремнію зеленого на керамічній зв'язці. Відзначено нерівномірність спрацювання абразивних кругів під час загострювання.

3. Одним із основних показників, який впливає на якість загострювальної поверхні, є поява миттєвої температури в зоні контакту абразивного круга з ножем. Саме вона призводить до утворення припалювань, мікротріщин та задирок на лезі ножа.

4. Наявні конструкції загострювальних верстатів типу ТчН, які широко використовують на деревообробних підприємствах України, дають змогу якісно загострювати дереворізальні ножі, але мають малу продуктивність процесу.

Конструкції абразивних кругів, які є інструментом на згаданих верстатах, є причиною низької продуктивності процесу загострювання. Новий абразивний круг повинен значно зменшити миттєву температуру в зоні шліфування.

5. Новий абразивний круг повинен ефективно працювати без охолодження, що дасть можливість значно збільшити продуктивність процесу загострювання. Цей круг повинен виготовлятись на керамічній зв'язці, оскільки він за сухого загострювання забезпечує більшу продуктивність процесу. Робоча поверхня абразивного круга не повинна мати велику ширину.

Сформульовано мету і завдання дослідження.

Другий розділ присвячено розробленню конструкції нового абразивного інструмента з перервною робочою поверхнею. На основі аналізу наявних кругів із перервною робочою поверхнею виявлено їхні переваги та недоліки (рис.1).

Рис. 1. Переваги та недоліки перервного шліфування

З урахуванням виявлених недоліків відомих інструментів методом морфологічного аналізу (МА) розроблена модель конструкції нового багаточашкового абразивного інструмента.

Відповідно до моделі інструмент повинен мати металевий корпус (А), змінні абразивні чашки (Б), що можуть обертатись навколо своєї осі, балансувальні елементи (В), елементи кріплення (Г).

Розроблений інструмент (рис. 2) має металевий корпус 1 з отворами 2, в яких розміщені пальці 3 з різзю. На пальцях між двома втулками 4 розміщені змінні абразивні чашки 5. На кінці пальця з різзю встановлені дві гайки 6 і шайба 7. Корпус має маточину 8 з конічним отвором для встановлення на шпиндель загострювального верстата. Маточина кріпиться до корпуса за допомогою болтів 9. У корпусі виконано трапецеїдальний паз 10, в якому розміщено вантажик 11 з регулювальним гвинтом 12.

Інструмент працює у такий спосіб. Під час обертання шпинделя верстата, на якому закріплено багаточашковий абразивний інструмент, чашки 5 вільно обертаються на пальцях 3, разом з втулками 4 і торцями знімають припуск на загострення. Внаслідок цього вони рівномірно спрацьовуються та охолоджуються. Коли буде потреба гайки 6 регулюють, щоб коригувати спрацювання торців втулок 4 і шайби 7. Періодично, через певний час роботи круга та під час установлення нових абразивних чашок балансують інструмент, переміщуючи вантажик 11 в трапецеїдальному пазу 10 і фіксують його гвинтом 12.

На конструкцію багаточашкового абразивного інструмента отримано патент України.

Основними перевагами запропонованої конструкції інструмента є:

- значне збільшення довжини різальної поверхні, яка є найбільшою порівняно з іншими інструментами. Водночас коефіцієнт перервності є найнижчим;

- переривання теплового потоку;

- максимальне використання робочої висоти чашок;

- рівномірне зношення (без правлення) чашок;

- можливість встановлення чашок різної зернистості та твердості;

- плавне врізання інструмента під час загострювання за рахунок можливого провертання чашок навколо осі.



Рис. 2. Багаточашковий абразивний інструмент.

У третьому розділі розроблено методику повного автоматичного балансування багаточашкового абразивного інструмента.

Аналіз незрівноваженості такого інструмента дає змогу визначити головний вектор незрівноважених сил:

, (1)

де - конструктивна незрівноваженість через наявність несиметричних отворів, пазів, вирізів, заглибин;

- технологічна незрівноваженість, яка залежить від величини допусків на деталі інструмента;

- незрівноваженість у наслідок періодичного розбирання і збирання круга;

- незрівноваженість внаслідок похибок установлення круга на шпиндель загострювального верстата;

- експлуатаційна незрівноваженість внаслідок нерівномірного спрацювання абразивного круга під час шліфування.

Із формули (1) видно, що незрівноваженість має постійну частину, яку характеризують вектори і , та змінну в часі, яку характеризують вектори , , і . Постійну незрівноваженість можна усунути балансуванням як статичним, так і динамічним, до встановлення інструмента на верстаті. Змінну у часі незрівноваженість найкраще можна усунути з використанням керованих балансувальних пристроїв, які вмонтовуються в інструмент (рис. 3).

Рис. 3. Схема повного балансування багаточашкового абразивного інструмента



У площині І відбувається статичне зрівноваження завдяки підбору корегувальної маси на радіусі доти, поки не буде досягнуто умови статичного балансування даної конструкції:

, (2)

де m - величина незрівноваженої маси інструмента;

rs - радіус неврівноваженої маси інструмента S;

m1 - величина корегувальної маси (маси корегувального вантажика);

r1 - радіус розміщення центра корегувальної маси.

Потім вантажик у площині І фіксують і почергово повертають кільця для виконання динамічного балансування. При цьому змінюється положення вектора корегувальних мас і вектора дисбалансу , а також кут балансування до виконання векторної умови динамічного балансування

, (3)

де - відстань між центром корегувальної маси m1 і центром мас S;

m2 - маса першого корегувального кільця;

r2 - радіус розміщення центра маси першого корегувального кільця m2;

- відстань між центром маси першого корегувального кільця m2 і центром мас S;

m3 - маса другого корегувального кільця;

r3 - радіус розміщення центра маси другого корегувального кільця m2 ;

- відстань між центром маси першого корегувального кільця m2 і центром мас S;

- відстань між центром незрівноважених мас інструмента m і центром мас S.

Послідовність балансування на рис. 4 зображено графічно.

Перший крок балансування (рис. 4, а), на якому положення векторів К1 і К2 показано суцільними лініями. Не порушуючи рівновагу системи, змістимо вектори К1 і К2 паралельно їхньому вихідному положенню так, щоб кінці векторів D, К1 і К2 зійшлися в точці О1. Тоді початок вектора К1 буде в точці А, а вектора К2 - в точці Б. Починаючи балансування з вектора К1, обертаємо його проти годинникової стрілки навколо точки А до перетину з вектором К1 центра мас О, коли К1 прийде в положення АО2. Дуга О1О2, яка описана кінцем вектора К1, є траєкторією центра мас інструмента з повертанням К1. Початок вектора К2 при цьому опише дугу, яка паралельна дузі О1О2 і переміститься з точки Б в точку Б1, оскільки вектор К2 зміщується паралельно своєму вихідному положенню з повертанням вектора К1.

Вектор остаточного дисбалансу на першому кроці балансування визначається значенням ОО2

. (4)

Рис. 4. Графічне зображення процесу балансування: а - перший крок; б - другий крок.

Опустивши перпендикуляр із точки А на вісь х, отримуємо прямокутний трикутник АОМ, з якого знаходимо ОА:

. (5)

Розвертаючи АМ і ОМ відповідно до вихідних даних, отримуємо:

. (6)

При цьому напрямок ОО2 буде збігатися з вектором К1 і тому кут буде дорівнювати куту

. (7)

Отже, залишковий дисбаланс після першого кроку балансування:

. (8)

На другому кроці балансування (рис. 4, б) обертаємо масу К2 з початкового положення Б1О2 навколо точки Б1 проти годинникової стрілки доти, доки К2 не зійдеться з прямою, яка з'єднує точки О і Б1. При цьому К1 і К2 обертаються фактично навколо точки О. Після другого кроку балансування вектор визначить положення й величину найменшого під час першого повороту К2 дисбалансу:

. (9)



Опустивши перпендикуляр на вісь х з точки Б, отримуємо трикутник Б1СО, з якого визначаємо Б1О

. (10)

. (11)

Кут залишкового дисбалансу після другого кроку балансування буде перебувати у протифазі до вектора маси К2

. (12)

. (13)

Використовуючи аналогічну методику, визначаємо дисбаланс після третього кроку балансування з повертанням вектора К1 навколо точки А1.

Значення залишкового дисбалансу та кутів після четвертого кроку отримуємо за тією ж методикою, що і для другого кроку.

З урахуванням періодичності повторення формул і парності кроків можна записати в загальному вигляді, починаючи з третього кроку для парних кроків ,

. (14)

А кути векторів

. (15)



Залишковий дисбаланс для парних кроків :

. (16)

А кути векторів

, (17)

. (18)

Чисельний розрахунок за формулами (5…18) для інструмента з активним балансуванням дає змогу встановити достатньо точне збігання результатів графічної побудови (рис. 4) та розрахунку, а також встановити низку нових графічних залежностей, поданих на рис. 5.

Зі збільшенням кута повороту КМ величина дисбалансу (рис. 5, а) зменшується. Величина кутів дисбалансу коливається навколо середнього значення (рис.5, б). Значення коефіцієнта дисбалансу з кожним поворотом КМ змінюється мало й прямує до постійної величини (рис.5, в). Ці залежності встановлені вперше та є властивістю даної схеми балансувального пристрою.

Побудова процесу балансування різних за початковими кутами і значенням дисбалансів показує, що кількість кроків балансування може коливатись від одного до декількох десятків. Тому, для виявлення загальних закономірностей роботи балансувального пристрою треба виконати перевірку, розраховуючи весь діапазон режимних дисбалансів в межах характеристики пристрою.



Рис. 5. Результати дослідження процесу балансування: а - залежність зменшення дисбалансу; б - зміна кутів дисбалансу; в - зміна коефіцієнта дисбалансу.

Таке завдання може бути вирішене за допомогою розрахунку за розробленою програмою для ЕОМ. Під час розробляння програми використано зазначені залежності. Унаслідок розрахунку отримано потрібну кількість поворотів кілець, рівень дисбалансу на кожному кроці, кут дисбалансу, коефіцієнт зміни дисбалансу.

На основі отриманих результатів розрахунку параметрів балансування розроблено нову конструкцію багаточашкового абразивного інструмента, в основу якої покладено автоматичне балансування під час роботи і на яку отримано патент України [7].

У четвертому розділі розглянуто методику експериментального дослідження впливу температури, що виникає на поверхні шліфування та позначається на якості загострення. Описано експериментальну установку, методики вимірювання температури, визначання мікротвердості, дослідження мікроструктури, хімічної неоднорідності та визначення швидкості потоку повітря в зоні шліфування.

Експериментальне дослідження виконували на зразках зі сталі 9Х5ВФ, які вирізали з ножів для фрезування деревини, виготовлених за ГОСТом 17315-81. Зразки мали розміри 100х30х3 мм та кут загострення в = 40°.

Для вимірювання температури використано цифровий термоелектричний термометр ТТЦ-1-7 з кадмієво-нікелевою термопарою.

У дослідному зразку на передній поверхні ножа вифрезувано паз перерізом 1 мм, в якому прокладався дріт термопари. Оскільки спай термопари розміщувався на глибині 1 мм від поверхні, яка загострювалася, то експеримент виконувався послідовним зняттям шарів завтовшки 0,1 мм з одночасним вимірюванням температури під час кожного проходження абразивного круга. Під час останнього проходу, коли практично зрізувався спай термопари абразивним кругом, термометр давав змогу виміряти найбільш наближену до реальної температуру на обробленій шліфуванням поверхні.

Мікротвердість зразків вимірювали за методом відновленого відбитка із зануренням чотиригранної призми з квадратною основою і кутом між гранями при вершині рівним 136 ±1°. Для визначення мікротвердості використовували німецький мікротвердомір «Leco M-400».

Мікроструктуру досліджено на світловому мікроскопі «Неофот- 32».

Хімічна неоднорідність досліджено на растровому електронному мікроскопі JSM-840 фірми JEOL (Японія), оснащеному системою мікроаналізаторів фірми «Линк-атлантик» та «Оптек».

Усі зазначені дослідження виконувались у лабораторії металографічних досліджень Інституту електрозварювання ім. Е.О.Патона НАН України.

Дослідження вентиляційного ефекту, що створює багаточашковий інструмент під час загострювання, здійснено за допомогою приладу TESTO 445. Цей прилад являє собою мініатюрний крильчастий анемометр, який під'єднано до мікропроцесорного блоку або за допомогою пітометричних трубок та мікроманометра.

Залежність температури, що виникає на поверхні загострення, досліджували залежно від двох основних факторів: швидкості подачі шліфувальної головки та подачі на врізання (табл. 1).

Таблиця 1 - Матриця планування експерименту для визначання впливу основних факторів на температуру за повним факторним планом 22

№ досліду	Кодові значення факторів	Натуральні значення факторів
			м/хв	, мм
1	-1	-1	4,0	0.02
2	+1	-1	12,0	0,02
3	-1	+1	4,0	0,2
4	+1	+1	12,0	0,2
5	0	0	8,0	0,11

Адекватність одержаного рівняння регресії перевіряли за допомогою критерію Фішера. Однорідність дисперсій перевіряли за критерієм Кохрена.

У п'ятому розділі наведено результати дослідження впливу швидкості подачі шліфувальної головки та подачі на врізання на температуру, яка виникає на поверхні шліфування, а відтак температури на мікротвердість леза ножа, на зміну структури впливу швидкості потоку повітря на процес охолодження в зоні шліфування.

Після оброблення результатів дослідження температури за методом найменших квадратів одержали рівняння регресії у явному вигляді:



(19)

Збільшення швидкості подачі каретки зумовлює спадання температури, яка виникає на поверхні загострення (рис. 6).

Рис. 6. Залежність температури від швидкості подачі каретки

Це пояснюється тим, що багаточашковий абразивний інструмент менше часу перебуває в контакті з поверхнею ножа, що загострюється, і завдяки цьому скорочується тривалість дії теплового процесу.

Збільшення подачі на врізання абразивного круга призводить до зростання температури, що виникає на поверхні загострення (рис. 7).



Рис. 7. Залежність температури від подачі на врізання абразивного круга .

Це пояснюється тим, що зі збільшенням подачі на врізання зростає сила різання, а відтак збільшується і механічна робота, яка перетворюється в теплоту під час шліфування.

Результати вимірювання мікротвердості лез ножів, які загострювали суцільним абразивним кругом та багаточашковим абразивним інструментом (рис. 8) показали, що мікротвердість ножа, який загострювали суцільним абразивним кругом, змінюється від кромки на глибину 450 мкм.

Рис. 8. Дослідження мікротвердості лез ножів після загострення. 

На відстані 50 мкм від різальної кромки величина мікротвердості спадали до 508 HV. У другому випадку, коли ніж загострювали багаточашковим абразивним кругом, вона залишилась без зміни і становила 650 HV. Спадання величини мікротвердості в зоні різальної кромки ножа, що загострювали суцільним абразивним кругом, пояснюється відпуском цієї зони, оскільки температура на поверхні шліфування понад 500? С (рис. 9).

а б

Рис. 9. Макроструктура лез ножа в поперечному перерізі: а - загостреного суцільним кругом; б - загостреного багаточашковим інструментом.

Як видно з фотографій, у ножа, який загострено суцільним абразивним кругом (див. рис. 9, а), спостерігається відпущена зона (затемнений шар). Саме у ній встановлено зменшення мікротвердості (див. рис. 8). У ножа, що загострено багаточашковим абразивним інструментом, ця зона відсутня і мікротвердість не змінилася (див. рис. 9, б). Зменшення температури в зоні шліфування у разі використання багаточашкового абразивного інструмента дозволить якісно загострювати ножі на великих швидкостях поздовжньої подачі та подачі на врізання. До того ж не буде змінюватися мікроструктура сталі на лезі ножа та мікротвердість. Це дає змогу суттєво (в 1,5…2,0 рази) збільшити продуктивність процесу загострювання ножів.

Результати дослідження швидкості потоку повітря і тиску в зоні загострення дереворізального ножа на верстаті ТчН6-5 суцільним абразивним кругом та багаточашковим абразивним інструментом показали, що швидкість потоку повітря під час загострювання ножа багаточашковим абразивним інструментом більша у 7,5 разів, ніж швидкість потоку повітря під час загострювання суцільним абразивним кругом, а тиск - у 2 рази (рис. 10). Це підтверджує гіпотезу про те, що багаточашковий абразивний інструмент у процесі загострювання ножа створює такий вентиляційний єфект, який достатньою мірою буде охолоджувати поверхню ножа і дасть змогу загострювати дереворізальні ножі в режимі сухого загострення.

Рис. 10. Діаграма швидкості повітряного потоку під час загострювання ножа

На підставі виконаних теоретичних та експериментальних досліджень встановлено режими загострення дереворізальних ножів новим багаточашковим інструментом:

Колова швидкість інструмента, м/с - 30

Швидкість подачі каретки, шліфувальної головки, м/хв. - 7; 12

Подача на врізання, мм/подв.хід - 0,08…0,2

Тип охолодження - повітряний потік, що створює інструмент

Розроблені режими апробовано в лабораторних умовах кафедри деревообробного обладнання та інструментів НЛТУ України, впроваджено на ВАТ «Аверс» (м. Київ), ТзОВ «Костопільський фанерний завод» (м. Костопіль, Рівненська обл.).

Конструкція розробленого абразивного інструмента дає змогу загострювати дереворізальні ножі, леза яких виготовлені з легованої сталі, швидкорізальної сталі, наплавлені стелітом або з напаяними пластинками твердого сплаву.

Розроблений абразивний інструмент за певних змін у конструкції з успіхом може бути використано для торцевого шліфування металевих конструкцій, деталей машин та загострення металорізальних інструментів.



ВИСНОВКИ

У дисертації наведено теоретичне узагальнення і нове вирішення важливого науково-технічного завдання, що полягає в удосконаленні процесу загострювання дереворізальних ножів з прямолінійною різальною кромкою на ножезагострювальних верстатах. Завдання розв'язано завдяки розробленню й використанню багаточашкового абразивного інструмента для загострювання та обґрунтуванню режимних параметрів такого процесу.

У прикладному плані розв'язання цього завдання підвищує продуктивність процесу загострювання та якість загостреного леза дереворізальних ножів.

1. Розроблено технологію загострювання дереворізальних ножів на ножезагострювальних верстатах з використанням багаточашкового абразивного інструмента, яка підвищує продуктивність процесу в 1,5…2,0 рази.

2. На підставі аналізу конструкцій абразивних інструментів з перервною різальною поверхнею розроблено оригінальну конструкцію багаточашкового абразивного інструмента, чашки якого встановлені на пальцях і вільно обертаються. Обґрунтовано діаметр багаточашкового абразивного інструмента та кількість абразивних елементів, які відповідно дорівнюють D = 230…250 мм і n = 6…8 шт. Цей інструмент також може бути використано для торцевого шліфування металевих поверхонь у машинобудуванні.

3. Отримано подальший розвиток засад балансування абразивного інструмента. Вперше абразивний інструмент розроблено як керований балансувальний пристрій (КБП), який балансують на ножезагострювальному верстаті. Створено програму розраховування параметрів балансування (величини та кута дисбалансу) залежно від кута повороту корегувальних мас та номера кроку балансування. Встановлено значення коефіцієнта дисбалансу, який становить 0,3…0,4.

4. Установлено залежність температури, що виникає на поверхні ножа, який загострюється, від швидкості подачі шліфувальної головки і подачі на врізання . Отримано рівняння регресії у вигляді степеневої функції. Температура, що утворюється під час загострювання новим багаточашковим абразивним інструментом в 1,8...2 рази менша, ніж під час загострювання суцільним абразивним кругом.

5. Уперше досліджено швидкість повітряного потоку в зоні шліфування новим багаточашковим абразивним інструментом. Установлено, що швидкість повітряного потоку в зоні шліфування новим абразивним інструментом більша у 7,5 разів, ніж під час загострювання наявними абразивними кругами. Це дає змогу відмовитись від використання МОР і якісно та високопродуктивно загострювати ножі з охолодженням зони шліфування повітряним потоком, що створює абразивний інструмент.

6. Установлено раціональні режими загострювання дереворізальних ножів з прямолінійною різальною кромкою багаточашковим абразивним інструментом: колова швидкість інструмента = 30 м/с, швидкість подачі = 7; 12 м/хв, подача на врізання = 0,08…0,2 мм.

7. На підставі теоретичних та експериментальних досліджень підтверджено, що шорсткість поверхні не перевищує Ra = 0,63 мкм. Технічну новизну розробленого багаточашкового абразивного інструмента захищено двома деклараційними патентами на винаходи. Результати досліджень впроваджено на ВАТ “Аверс” (м. Київ) та ТзОВ “Костопільський фанерний завод” (м. Костопіль, Рівн. обл.).



СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ АВТОРОМ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Статті у наукових фахових виданнях:

1. Озимок Ю. І. Особливості загострення ножів з широкою задньою поверхнею / Ю. І. Озимок, М. Д. Кірик // Лісове господарство, лісова, паперова і деревообробна промисловість: Міжвідомч. наук.-техн. зб. - Львів: УкрДЛТУ, 2004. - Вип. 29.- С. 97-101.

2. Озимок Ю. І. Новий абразивний інструмент для загострення товстих дереворізальних ножів / Ю. І. Озимок // Наук. вісник УкрДЛТУ: зб. наук.-техн. праць. - Львів: УкрДЛТУ, 2004. - Вип. 14.1. - С. 81-84.

3. Озимок Ю. І. Методика повного балансування багаточашкового абразивного інструмента / Ю. І. Озимок, Р. Б. Рудницький // Наук. вісник УкрДЛТУ: зб. наук.-техн. - Львів: УкрДЛТУ, 2004. - Вип. 14.4. - С.104-108.

4. Озимок Ю.І. Вплив загострення багаточашковим абразивним інструментом сталевих ножів на температуру в зоні шліфування та мікротвердість / Ю. І. Озимок, М. Д. Кірик // Вісник Харківського національного технічного університету сільського господарства ім. Петра Василенка: збірник наук.- техн. праць. - Харків: ХНТУСГ, 2005. - Вип. 40. - С. 285-290.

5. Озимок Ю. І. Вплив температури на якість та продуктивність загострення сталевих дереворізальних ножів / Ю. І. Озимок // Машинознавство. - Львів, 2009. - № 4(142). - С.43-47.

Патенти:

6. Декл. пат. на винахід 61788 А Україна, МКВ В23D63/12. Багаточашковий абразивний інструмент / Кірик М.Д., Озимок Ю.І.; заявник та власник патенту Укр. держ. лісотех. ун-т - № 2003043656; заявл. 22.04.2003; опубл. 17.11.2003, Бюл. № 11.

7. Декл. пат. на кор. модель 4331 Україна. МКВ В23D63/12. Багаточашковий абразивний інструмент / Озимок Ю.І., Рудницький Р.Б.; заявник та власник патенту Укр. держ. лісотех. ун-т - № 20040403029; заявл. 22.04.2003; опубл. 17.01.2005, Бюл. № 1.



АНОТАЦІЯ

Озимок Ю. І. Удосконалення процесу загострювання дереворізальних ножів з використанням багаточашкового абразивного інструмента - Рукопис.

УДОСКОНАЛЕННЯ ПРОЦЕСУ ЗАГОСТРЕННЯ ДЕРЕВОРІЗАЛЬНИХ НОЖІВ З ВИКОРИСТАННЯМ БАГАТОЧАШКОВОАБРАЗИВНОГО ІНСТРУМЕНТА Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.04 - машини для земляних, дорожніх та лісотехнічних робіт. - Національний лісотехнічний університет України, Львів, 2009. - 160 с.

Дисертацію присвячено вирішенню актуального науково-технічного завдання - підвищення продуктивності процесу загострювання дереворізальних ножів новим багаточашковим абразивним інструментом. У роботі показано, що процес загострювання ножів наявними абразивними кругами є малопродуктивний, оскільки на продуктивність цього процесу впливає висока температура, що виникає на поверхні шліфування. Наявні рекомендації щодо раціональних режимів загострювання та доводіння дереворізальних інструментів, зокрема лущильних і шпоностругальних ножів, частково вирішують цю проблему, але суттєво зменшують продуктивність процесу загострювання. Встановлено закономірності впливу режимів загострювання на температурні, якісні та стійкісні показники процесу загострювання. Розроблено методику та модель повного автоматичного балансування багаточашкового абразивного інструмента. Одержано рівняння регресії, яке дає змогу врахувати взаємодію факторів (швидкості подачі шліфувальної головки та подачі на врізання) на температуру, що виникає на поверхні шліфування. Розроблено раціональні режими загострювання дереворізальних ножів багаточашковим абразивним інструментом.

Ключові слова: багаточашковий абразивний інструмент, шліфування, температура, продуктивність процесу, якість, режим загострювання.

АННОТАЦИЯ

Озимок Ю. И. Совершенствование процесса заточки дереворежущих ножей с использованием многочашечного абразивного инструмента - Рукопись.

УДОСКОНАЛЕННЯ ПРОЦЕСУ ЗАГОСТРЕННЯ ДЕРЕВОРІЗАЛЬНИХ НОЖІВ З ВИКОРИСТАННЯМ БАГАТОЧАШКОВОАБРАЗИВНОГО ІНСТРУМЕНТА Диссе Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.04 - машины для земляных, дорожных и лесотехнических работ - Национальный лесотехнический университет Украины, Львов, 2009. - 160 с.

Диссертация посвящена решению актуальной научно-технической задачи - повышению производительности процесса заточки дереворежущих ножей новым многочашечным абразивным инструментом. В работе показано, что процесс заточки ножей существующими абразивными кругами малопроизводительный, поскольку на производительность этого процесса влияет высокая температура, возникающая на поверхности шлифования. Существующие рекомендации относительно рациональных режимов заточки и доводки дереворежущих инструментов, в частности лущильных и шпонострогальных ножей, частично решают эту проблему, но существенно уменьшают производительность процесса заточки. Установлены закономерности влияния режимов заточки на температурные и качественные показатели процесса заточки.

Исходя из анализа преимуществ и недостатков известных конструкций абразивных инструментов с прерывающейся режущей поверхностью, используя метод мофологического анализа, разработана оригинальная конструкция многочашечного абразивного инструмента, на которую получен патент Украины на изобретение. Этот инструмент также может бить использован для шлифования металлических поверхностей в машиностроении.

Проведено графоаналитическое описание процесса балансирования нового многочашечного абразивного инструмента, на основании которого разработана программа расчета параметров балансирования. Она разрешает быстро получить результаты балансирования исходя из начальных условий. Установлен характер изменения величины дисбаланса многочашечного инструмента в зависимости от угла вращения корегирующих масс, значения углов дисбаланса и коэффициента дисбаланса в зависимости от номера шага балансирования. С целью автоматического балансирования нового многочашечного абразивного инструмента исследована и усовершенствована его конструкция, на которую получен патент Украины на полезную модель.

Использовано методы математической теории эксперимента, статистической обработки результатов, регрессионного анализа. Для проведения экспериментов разработана экспериментальная установка на базе ножеточильного станка марки ТчН6-5. Для измерения температуры использован цифровой термоэлектрический термометр ТТЦ-1-7 с кадмиево-никелевой термопарой. Получено уравнение регрессии, позволяющее учесть взаимодействие факторов (скорости подачи шлифовальной головки и подачи на врезание) на температуру, которая возникает на поверхности шлифования.

Измерение микротвердости образцов осуществлялось с помощью микротвердомера «Leco M-400» (Германия). Исследования микроструктуры проводились с помощью микроскопа «Неофот- 32». Уменьшение микротвердости в зоне режущей кромки ножа, который затачивался сплошным абразивным кругом, объясняется отпуском этой зоны, поскольку температура на поверхности шлифования составляет больше 500? С. Стабильность микротвердости ножа, затачиваемого многочашечным абразивным инструментом, достигается сравнительно невысокими температурами, возникающими в процессе шлифования.

Также наблюдалось изменение структуры поверхности ножа, затачиваемого сплошным абразивным кругом. У ножа, который затачивался многочашечным абразивным инструментом, эта зона отсутствует и микротвердость не изменяется.

Впервые исследовано скорость воздушного потока в зоне шлифования новым многочашечным абразивным инструментом. Установлено, что скорость воздушного потока в зоне шлифования новым абразивным инструментом больше в 7,5 раза, чем во время заточки существующими абразивными кругами. Это позволяет отказаться от использования смазочно-охлаждающихся жидкостей и осуществлять качественную и высокопроизводительную заточку ножей с охлаждением зоны шлифования воздушным потоком, который образует инструмент.

Эффективность процесса заточки дереворежущих ножей многочашечним абразивным инструментом подтверждают результаты исследований, которые дали возможность разработать рациональные режимы заточки дереворежущих ножей. При этом производительность процесса заточки увеличится в 1,5…2,0 раза.

Разработанные режимы апробированы в лабораторных условиях кафедры деревообрабатывающего оборудования и инструментов НЛТУ Украины, внедрены на ОАО «Аверс» (г. Киев), фанерном заводе (г. Костополь, Ровенской обл.).

Конструкция разработанного абразивного инструмента разрешает производить заточку дереворежущих ножей, лезвия которых оснащены легированной сталью, быстрорежущей сталью, наплавленные стеллитом или напаянные пластинками твердого сплава. Для этого необходимо на инструмент установить соответствующие абразивные чашки и подобрать режимы заточки.

Ключевые слова: многочашечный абразивный инструмент, шлифование, температура, производительность процесса, качество, режим заточки.

ANNOTATION

Ozymok Y. I. Improving wood-cutting knifes sharpening with the use of abrasive cutoff wheel tool - Manuscript.

Dissertation is on the competition of graduate degree of candidate of engineering sciences on specialty of 05.05.04 - machines for earthen, traveling , forestry and woodworking works. - National University of Forestry and Woodworking Technology of Ukraine, Lviv, 2009. - 160 p.

The thesis is dedicated to solve the current scientific-technical task that consists in argumentation of regime parameters of the process wood-cutting knifes sharpening using abrasive cutoff wheel tool. This thesis presents a poor productivity of the sharpening process with the use of existing abrasive wheels, due to the temperature that increases on the grinding surface. Existing recommendations on rational regimes of sharpening and finishing of wood-cutting instruments, in particular hulling and slicing knifes, partially solve this problem, but decrease substantially efficiency of sharpening process. Principles of the influence of sharpening regimes on temperature, quality and resistance indicators of sharpening process were established. Methodology and fully automatic balancing model of abrasive cutoff wheel tool were developed. Regression equation was obtained allowing taking into consideration interaction of factors (speed of grinding ends shift and depths of plunge cutting) that influence the temperature on the grinding surface. Rational regimes of wood-cutting knifes sharpening using abrasive cutoff wheel tool were developed.

Key words: abrasive cutoff wheel, grinding , temperature, efficiency of the process, quality, sharpening regime.

Размещено на Allbest.ru