Зависимость геометрических размеров технологической щепы от параметров двухлезвийных ножей при обработке древесины на фрезерно-брусующих станках

Размещено на http://www.allbest.ru/

Зависимость геометрических размеров технологической щепы от параметров двухлезвийных ножей при обработке древесины на фрезерно-брусующих станках

Раповец В.В.

Бурносов Н.В.

(БГТУ, г. Минск, Республика Беларусь)

Комплексное использование сырья в лесопильной промышленности охватывает ряд вопросов, куда входят оптимизация раскроя сырья, снижение энергоемкости процесса обработки, улучшение условий базирования пиломатериала [1], определение и внедрение в практику средств и методов использования отходов лесопиления, создание технологических процессов, исключающих или снижающих количество отходов при повышении (обеспечении) качества получаемой пилопродукции [2].

Существенный вклад в решение данной проблемы вносит комплексная обработка древесины фрезерованием [3], получившая широкое распространение не только в Республике Беларусь, но и в странах близкого и дальнего зарубежья. Реализуется она посредством применения дорогостоящего энергоемкого агрегатного оборудования в основном зарубежного производства: фрезерно-брусующих станков (ФБС) и линий на их основе.

На фрезерно-брусующих станках наиболее эффективна агрегатная обработка древесины диаметром 8-18 см с получением бруса и технологической щепы. Но опыт эксплуатации современных ФБС в Республике Беларусь и за рубежом показывает, что на данных станках в зависимости от технологии производства продукции обрабатываются бревна с вершинным диаметром свыше 18 см. Использование ФБС играет немаловажную роль для Республики Беларусь.

Изучение особенностей формообразования пилопродукции и технологической щепы позволило определить факторы, оказывающие влияние на качество получаемой продукции, В наибольшей степени они определяются геометрией режущего инструмента фрезерно-брусующих станков.

Фрезерно-брусующие станки оснащаются специальным режущим инструментом - фрезами со спиральным расположением цельных двухлезвийных ножей.

Геометрические параметры двухлезвийных ножей со спиральным расположением в корпусе фрезы влияют на процесс получения бруса и технологической щепы на фрезерно-брусующих станках, определяя качество получаемой продукции, энергетические затраты на процесс переработки древесины, а также эксплуатационные расходы на режущий инструмент.

Геометрические параметры двухлезвийных ножей со спиральным расположением в корпусе фрезы влияют на процесс получения бруса и технологической щепы на фрезерно-брусующих станках, определяя качество получаемой продукции, энергетические затраты на процесс переработки древесины, а также эксплуатационные расходы на режущий инструмент.

Рассмотрим условия работы каждого двухлезвийного ножа со спиральным их расположением на фрезе. На схеме, представленной на рисунке 1, каждый двухлезвийный нож фрезы снимает определенный слой древесины.

На рисунке 1 изображено перерабатываемое бревно диаметром D в трех проекциях, которое движется со скоростью подачи Vs (м/мин) между правой фрезой I (по ходу движения бревна) и левой фрезой II, вращающимися с частотой n (мин-1) вокруг горизонтальной оси О. Ось бревна может быть смещена на величину a выше (a > 0), либо ниже (a < 0) оси вращения фрез или они могут совпадать (a = 0) в зависимости от диаметра перерабатываемого бревна. На рисунке 1 показан случай, когда ось бревна расположена выше оси вращения фрез. Ножи одной спирали пронумерованы индексом i (i = 1, 2, …N) так, что нож с номером 1 каждой фрезы формирует брус заданной высоты h. Первые три двухлезвийные ножи (i = 1, 2, 3) радиусами R1, R2, R3 каждой спирали срезают с каждой стороны бревна последовательно по три слоя так, что образуется брус высотой h и шириной пласти b. Ножи на правой и левой фрезах имеют прямое короткое лезвие длиной lк, расположенное по отношению к длинному под углом ц. Угол среза торца щепы цщ в общем случае не равен углу наклона короткого лезвия ножа ц. Длинное лезвие ножа lд, осуществляя разрез длиной lд, формирует элементы технологической щепы по толщине Sщ, а короткое lк - по длине щепы lщ.

На горизонтальной проекции бревна показана форма поперечных сечений щепы на уровне AO, на фронтальной - на уровне входа ножа в древесину на высоте (a + bi/2) от оси фрез, а на профильной - показана форма режущих кромок ножей. При срезании слоев древесины они разрушаются на отдельные элементы неопределенной ширины, но с постоянной площадью поперечного сечения.

При заданных значениях скорости подачи Vs (м/мин), частоты вращения фрез n (мин-1) и количестве ножей z, участвующих в срезании одного слоя древесины, длина щепы lщ (мм) по направлению волокон древесины определяется по выражению:

, (1)

Длина lд (мм) длинного лезвия ножа определяется из условия гарантированного срезания элемента технологической щепы длиной 25 мм, т.е. длина длинного лезвия ножа должна быть больше длины lщ (мм) технологической щепы на величину запаса около 2 мм, т. е.:

. (2)

Такое конструктивное увеличение длины лезвий ножа на 2 мм необходимо для компенсации возможной неточности расположения двухлезвийных ножей по радиусам R1, R2, …, Ri при установке их в корпуса фрез.

Рисунок 1. Схема формообразования пилопродукции и технологической щепы фрезами со спиральным расположением двухлезвийных ножей

Длина элемента lэ (мм) технологической щепы (рисунок 1) представляет собой сумму длины щепы lщ и проекции ее скошенной части li и определяется по следующей формуле:

, (3)

где li - проекция скошенной части элемента щепы, мм, ц - угол наклона короткого лезвия ножа по отношению к длинному лезвию, град.

Из выражения (3) видно, что длина элемента lэ технологической щепы изменяется только за счет проекции li скошенной ее части, поскольку длина lщ технологической щепы - величина постоянная (т. е. 25 мм). Поэтому исследуем полученную проекцию li скошенной части щепы выражения (3) на экстремум. Запишем проекцию li скошенной части технологической щепы отдельно:

. (4)

Будем рассматривать параметр a в качестве независимой переменной и исследуем функцию (4) на экстремум для каждого из ножей спирали ().

Определяем частную производную от li по параметру a:

.

Преобразуем полученное выражение и представим в виде:

.(5)

Из условия экстремума , получим:

.

Это уравнение выполняется при , тогда .

Числовое значение a < 0, это означает, что ось бревна расположена ниже оси вращения фрез и при этом функция (4) принимает экстремальное значение.

Определяем частную производную второго порядка функции (4):

(6)

Поскольку >при , то подставив значение переменной , в выражение (6), получим:

>0.

Следовательно, функция (4) принимает минимальное значение при .

Аналогичные результаты получаются и при исследовании li на экстремум по отношению к переменной bi .

Определим предельные значения величин a и bi. Диапазоны изменения величин a и bi, входящих в зависимость (4), находим исходя из технических характеристик фрезерно-брусующих станков PSP 500 (SAB, Германия)
(рисунок 2).

В процессе работы фрезерно-брусующего станка ось вращения Оф фрезы 1 не изменяет своего положения в вертикальной плоскости и находится на расстоянии 200 мм от поверхности опоры 2, по которой базируются для обработки бревна 3 и 4 в диапазоне диаметров от dб, min = 80 мм до dб, max = 500 мм.

На рисунке 2 не показана правая фреза 1, симметрично расположенная относительно опоры 2. Оси бревен (Об, min, Об, max) могут смещаться на величину a выше оси вращения Оф фрез 1 (a > 0), ниже (a < 0) или совпадать (a = 0) с осью вращения фрез в зависимости от диаметра перерабатываемого бревна.

Рисунок 2. Схема обработки бревен на фрезерно-брусующем станке: 1 - левая фреза с двухлезвийными ножами, 2 - опора, 3 - бревно минимального диаметра, 4 - бревно максимального диаметра

Расстояние от оси вращения Оф фрезы 1 до оси бревна 3 минимального диаметра составляет а = -160 мм, расстояние от оси вращения Оф фрезы 1 до оси бревна 4 максимального диаметра составляет а = +50 мм. Радиус резания R1 первым двухлезвийным ножом фрезы 1, близлежащим к поверхности пласти бруса, составляет 225 мм. Двухлезвийные ножи на фрезе срезают слои древесины толщиной Sщ = 5 мм, угол наклона лезвий ножа ц = 45є. Если ширина пласти бруса (т.е. резание не осуществляется и двухлезвийный нож пласть древесины не формирует); . Построим график зависимости l от a в заданных диапазонах изменения переменной величины bi ().

В качестве примера на рисунке 3 представлено пять графиков зависимости длины li от a в интервале от мм при разных значениях b1 (мм). Из рисунка 3 видно, что минимальная длина скошенной части технологической щепы не превышает l min = 5 мм. Наибольшее значение длины скошенной части технологической щепы в данном диапазоне изменения переменных величин a и bi равно 47,17 мм для b1 = 350 мм и a = 50 мм.

Из (3) следует, что длина скошенной части элемента технологической щепы зависит от толщины Sщ получаемой щепы и угла ц наклона короткого лезвия ножа по отношению к длинному лезвию. Расчет по выражению (3) с учетом lщ = 25 мм показывает, что отношение l э, max /l э, min достигает 2,41.

Для компенсации возможной неточности расположения двухлезвийных ножей на окружностях по радиусам R1, R2, …, Ri при установке их в корпуса фрез со смещением друг относительно друга на толщину Sщ щепы длина короткого лезвия ножа должна быть увеличена приблизительно на 2 мм. Тогда:

. (7)

Качество поверхности среза торцов технологической щепы (поврежденность щепы), зависит от угла цщ, поэтому проанализируем зависимость цщ от a при заданном значении bi.

Рисунок 3. Графики зависимости длины li скошенной части технологической щепы от величины a смещения оси бревна по отношению к оси вращения фрезы (- минимумы зависимости li от a при разных b1)

Тангенс угла цщ среза торца технологической щепы (рисунок 1) при заданном значении толщины Sщ обратно пропорционален длине li скошенной части щепы. Учитывая формулу (4), получим:

(8)

На рисунке 4 изображены графики зависимости цщ от a в заданных диапазонах изменения переменной величины bi ().

В качестве примера на рисунке 4 представлено пять графиков зависимости цщ от a в интервале от мм при разных значениях b1 (мм).

Из рисунка 4 видно, что для b1 = 350 мм угол среза торца технологической щепы имеет наименьшее значение цщ = 6є при расположении оси обрабатываемого бревна выше оси вращения фрез на величину a = 45 мм, а максимальный угол среза цщ max = 45є достигается для всех bi при (как это и должно быть, так как при длина li принимает минимальное значение).

Рисунок 4. Графики зависимости угла цщ среза торца технологической щепы от величины a смещения оси бревна по отношению к оси вращения фрезы

Представленные аналитические зависимости (1)-(8) устанавливают связь параметров технологической щепы и двухлезвийного ножа (длины, толщины, угла перерезания волокон). Они влияют на производительность процесса обработки древесины фрезами со спиральным расположением ножей, а также на качественные показатели получаемой продукции и поэтому их необходимо учитывать при расчетах режимов резания и проектировании фрез. Следует отметить, что представленные аналитические зависимости не учитывают угол заострения длинного и короткого лезвий ножа (вд, вк) и задний угол (б).

Библиографический список

сырье лесопильный промышленность пиломатериал

1. Фефилов, Л.А. Исследование условий базирования в подающей системе лесопильных рам: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.21.05 / Л.А. Фефилов; Центр. науч.-иссл. ин-т механ. обраб. древесины. - Архангельск, 1980. - 22 c.

2. Таратин, В.В. К проблеме комплексного использования пиловочного сырья с применением фрезернопильного оборудования / В.В. Таратин // Проблемы лесн. комплекса России в переходный период развития экономики: материалы Всерос. науч.-техн. конф. / Волог. гос. техн. ун-т. - Вологда, 2003. - С. 108-110.

3. Лурье, Л.З. Агрегатные методы выработки пиломатериалов: автореф. дис. …докт. техн. наук: 05.21.05 / Л.З. Лурье; Моск. лесо-техн. ин-т. - М., 1978. - 42 с.

Размещено на Allbest.ru