Реферат: История развития науки о резании древесины

Нижеприведен с некоторыми изменениями отрывок из монографии –

Глебов И.Т.Фрезерование древесины: Монография. – Екатеринбург:Урал. гос. лесотехн. ун-т, 2003. – 169 с.

История развития науки о резании древесины

Человек должен верить, что непонятное можнопонять; иначе он не стал бы размышлять о нем.

В. Гете

Становление науки о резании древесины. Основоположником науки орезании древесины считается профессор Петербургского горного института Иван Августович Тиме [1]. В его исследовательской работе«Сопротивление металлов и дерева резанию», опубликованной в 1870 г.,а позднее в сочинении «Основы машиностроения» (всего опубликовано 10научных работ И.А. Тиме по резанию древесины и металлов), приводится анализ иобобщение результатов опытов, проведенных на Луганском заводе. И.А. Тимевпервые приводит определение процесса резания, делает классификацию стружек,объясняет явление усадки стружки (изменение размеров в результате пластическогодеформирования), доказывает, что ширина и толщина среза по-разному влияют наработу резания.

Проблемыученых того времени сводились главным образом к изучению деформированияматериала в зоне резания и зависимости сил резания от поперечного сечениясрезаемого слоя.

И.А. Тиме считал, что работу по резаниювыполняет только передняя поверхность лезвия и нормальное давление обрабатываемогоматериала на ней одинаково по всей площади контакта (рис. 1, а).Сила, действующая на лезвие, может быть найдена по формуле

N = klb, (1)

где k – нормальное давление;

l, b – соответственно длина и ширина сдавливаемой площади.

В 1886г. выходит книга П.А. Афанасьева «Курс механической технологии дерева»,в которой используются методы науки осопротивлении материалов, проводится анализ характера стружкообразования,уточняется форма эпюры давления стружки на лезвие. П.А. Афанасьев впервыеуказывает на роль трения в процессе резания.

В отличие отИ.А. Тиме П.А. Афанасьев считал, что давление обрабатываемого материала напереднюю поверхность распределено неравномерно, и что наибольшее давление имеетместо у режущей кромки, а в точке входа в древесину оно равно нулю. Давление отнуля до максимума изменяется по линейной зависимости, поэтому эпюра нормальныхдавлений имеет форму треугольника (рис. 1, б).

Рис. 1. Эпюры нормальных давлений материала на переднюю поверхность лезвия:

а – по И.А. Тиме; б – по П.А. Афанасьеву

<img src="/cache/referats/18937/image002.gif" v:shapes="_x0000_s1918 _x0000_s1916 _x0000_s1917">
Проблема доказательства формы эпюры при резании сохранилась до наших дней.

Первыеисследования по резанию древесины и металлов были связаны с изучениемзависимости сил резания от поперечного сечения срезаемого слоя и его размеров.

В ранних работахИ.А. Тиме считал, что сила резания пропорциональна ширине и толщине срезаемогослоя. Позднее в сочинении «Основы машиностроения» он пересмотрел своивзгляды. Найдя массу стружек, приходящихся на единицу работы резания, он делаетзаключение, что для срезания тонких стружек затрачивается работы больше, чемдля срезания толстых стружек. Отсюда следует, что удельная работа резанияуменьшается с увеличением толщины срезаемого слоя. При этом толщина и ширинасрезаемого слоя влияют на силу резания по-разному.

Таким образом,И.А. Тиме первым из исследователей пришел к правильному выводу, что ширина итолщина срезаемого слоя оказывают разное влияние на силу резания.

Заметное место внауке о резании древесины занимают работы К.А. Зворыкина, особенно книги «Работаи усилие для отделения металлических стружек» [1] и «Курс механическойтехнологии дерева» (1894 г.). В своих работах К.А. Зворыкин делает попыткувывести теоретическим путем расчетную формулу для силы резания, находит главныефакторы, влияющие на силу резания. Импроведено большое количество экспериментов, на основании которых сделан важныйвывод о том, что работа, затраченная на срезание единицы объема стружек,уменьшается с увеличением толщины стружек. Сила резания изменяется пропорциональноширине срезаемого слоя. Совсем другие результаты получились, когда сечениесрезаемого слоя изменялось только за счет его толщины. Проделав 230 опытов,К.А. Зворыкин делает вывод, что удельная работа резания – величина непостоянная, а переменная и уменьшается с увеличением толщины срезаемого слоя. Былапредложена эмпирическая зависимость для расчета удельной работы резания:

<img src="/cache/referats/18937/image004.gif" v:shapes="_x0000_i1026"> (2)

где К'– удельная работа резания при толщине срезаемого слоя 1 мм;

а – толщина срезаемого слоя, мм.

Так К.А. Зворыкин первым из исследователейэкспериментально доказал, что удельная работа резания убывает с увеличениемтолщины срезаемого слоя, подтвердив, таким образом, правильность взглядов И.А.Тиме.

Впервыепроанализировать указанную закономерность попытался А.А. Брикс [2]. В 1896 г.,обрабатывая экспериментальные данные К.А. Зворыкина, он пришел к выводу, чтоесли указанные данные рассмотреть в осях координат, где ордината – отношение силырезания к ширине среза, а абсцисса – толщина среза, то сила резания изменяетсяпо линейному закону. Графически это изображается наклонной прямой линией,проходящей выше начала координат и отсекающей положительную ординату. Уравнениеимеет вид

Fx = K1b + K2ab, (3)

где Fx – силарезания, Н;

K1,K2– коэффициенты с размерностью соответственноН/мм и МПа;

a, b – соответственно толщина и ширина срезаемого слоя, мм.

Отсюдаследует, что сила резания изменяется пропорционально ширине и непропорциональнотолщине срезаемого слоя.

В 1925 г.выходит в свет работа А.Н. Челюскина «Влияние размеров стружки на усилиерезания металлов» [1], которая, по словам автора, является«результатом критической обработки главнейших сочинений, относящихся квопросу резания металлов на станках, а также собственных изысканий и опытовавтора в этой области». А.Н. Челюскин цифрами и графиками подтвердилнеодинаковое влияние ширины и толщины срезаемого слоя на силу резания.

В 1934 г. М.А.Дешевой в работе «Механическая технология дерева»[3] изложил оригинальную, глубоко разработанную иметодично построенную научную теорию резания древесины. Как и И.А. Тиме, он,применяя методы механики в анализе процесса стружкообразования при резании,установил связи между сопротивлением древесины резанию и показателями ее механических свойств. Были разработаныболее совершенные методы расчета мощности и производительностидеревообрабатывающих машин.

В тридцатыхгодах выполняются первые исследовательские работы А.Э. Грубе, А.Л. Бершадского,С.А. Воскресенского, Ф.М. Манжоса. Научными трудами этих ученых мы широкопользуемся в настоящее время.

В работах С.А.Воскресенского развиваются идеи М.А. Дешевого в применении методов механики в анализе процессов резания.Большое внимание при этом уделяется выявлению эпюры нормальных давлений в зонерезания и определению силы резания. Одной из главных черт теории С.А.Воскресенского является расчленение силы резания на составные части. Приступаяк анализу отдельных частей, С.А. Воскресенский отмечал, что между процессами,происходящими по отдельным зонам, существует тесная неразрывная связь. Однакопри синтезе сила резания представляется им как сумма трех сил [4, 5]: силы надрезанияFxн, силы деформации стружки Fxди силы резания по задней грани Fxз.В результате синтеза сил, действующих на лезвие, получены уравнения:

Fx = Fxн+ Fxз+ Fxд, (4)

Fx = Fxо+ Fxд,

Fx = Fxо+ Кда.

В этихуравнениях ширина срезаемого слоя равна 1 мм.

В приведенныхуравнениях остается неясной функция отдельных составных частей в целом процессерезания, так как они изолированы друг от друга и не взаимосвязаны между собой.Это послужило поводом для критики теории С.А. Воскресенского другими учеными.А.Л. Бершадский замечает по этому поводу [6, 7], что условность разделения резца и его работы на самостоятельновыделенные слагаемые, допустимая для общих предварительных рассуждений,совершенно не допустима для распространения ее на расчетную практическуюформулу. Процесс резания неделим. В нем нет границ раздела между отдельнымипроцессами. Наоборот, один процесс действует на другой, связь между процессамиинтегральная, а не арифметическая. Следовательно, изолированные независимыеслагаемые не отражают реальную сущность процесса резания.

Анализируя книгуС.А. Воскресенского по резанию древесины, Е.Г. Ивановский писал [8], чтоприменение только одного механико-математического метода сдерживает развитиенауки о резании. Резание древесины есть одно из самых сложных физическихявлений. Именно так надо подходить к его изучению. Такое понимание методаисследования не предполагает открытия новых физических законов, но требуетвыявления характера действия известных законов при резании. Начала механикиматериалов помогают выявить ряд закономерностей резания, но не все, и поэтомунельзя ограничиваться только ими.

Линейнаязависимость силы резания от толщины срезаемого слоя получена также висследованиях Е. Кивимаа [9]. Исследования показали, что ни одна из кривых,будучи продлена, не проходит через начало координат, и все кривые отсекаютнекоторую положительную ординату. Из этого делается вывод, что усилие, расходуемое на резание древесины,расходуется на две части. Одна часть расходуется собственно на резание и остается постоянной при изменении толщины среза.Другая часть усилия резания расходуется на деформирование срезаемых слоев передней поверхностью лезвия изависит от толщины срезаемого слоя.

Так Е. Кивимааподелил силу резания на две части, одна из которых приложена к режущей кромкелезвия и производит вальцевание поверхности резания и перерезание илиразделение волокон древесины, а другая – приложена к передней поверхностилезвия и производит сжатие срезаемого слоя древесины. Для единичной силырезания шириной 1 мм сила резания выражается формулой

Fx1 = Fс+ Ка.

Если единичнуюсилу резания поделить на соответствующее ей значение толщины срезаемого слоя а, то получится значение удельной силырезания, количественно равное удельной работе резания.

В работах А.Л.Бершадского [6, 7, 10] удельная работа резания древесины выражалась следующей формулой:

<img src="/cache/referats/18937/image006.gif" v:shapes="_x0000_i1027"> (5)

где К'– удельная работа резания при толщине срезаемого слоя 1 мм;

m – коэффициент, характеризующийинтенсивность роста удельной работы резания.

Этаформула получена путем обработки экспериментальных данных в логарифмическихосях координат. Она показывает, что удельная работа резания убывает с ростомтолщины срезаемого слоя. Эта формула оказалась удобной для практических расчетови широко использовалась до 60-х годов. Однако такая формула затрудняла определениерадиальной составляющей полной силырезания.

Радиальная сила(сила отжима) определялась по формуле:

Fz = ±

mFx, (6)

гдеm – коэффициент, зависимый от остроты режущей кромки лезвия итолщины срезаемого слоя [11, 12]. Значение m изменяется в пределах m = 0,1- 1,0.

Исследованияпо резанию древесины и древесных материалов в нашей стране ведут все высшиеучебные заведения лесопромышленного профиля, а также отраслевые научно-исследовательские институты (ЦНИИМОД, г. Архангельск; ЦНИИМЭ, г.Химки Московской обл.; ВНИИДрев, г. Балабаново Калужской обл.; СибНИИЛП, г.Красноярск).

Резаниедревесины – сложный процесс. Его сложность обусловила появление разныхнаправлений в развитии теории резания этого материала.

В итоге научныхдискуссий по теории резания древесины, состоявшихся в Ленинграде (1952 г.) и вМоскве (1953 г.), было установлено, что уже в то время наука о резаниидревесины развивалась по трем направлениям.

Первоенаправление применяет метод механико-математического анализа процесса резания.Это школа И.А. Тиме, М.А. Дешевого, С.А. Воскресенского. Ученые этой школыпереносят методы науки о сопротивлении материалов на анализ действия сил и поведения стружки в процессерезания древесины.

Второенаправление развивает физическуютеорию резания древесины. Процесс резания рассматривается как физический.Изучаются прежде всего процессы упругого и остаточного деформированиядревесины, трения на молекулярном уровне, влияние на эти процессы скоростирезания. Это направление представлено школой В.Д. Кузнецова и Е.Г. Ивановского.

Третьенаправление использует физико-технологический метод, математическиобобщающий экспериментальные данные процессов резания в эмпирические формулы,пригодные для практических расчетов. Формулы объединяют физические и технологическиепараметры. Это школа А.Л. Бершадского.

Между указаннымитремя теориями резания нельзя провести четких границ. Они части одной теории,дополняющие и обогащающие друг друга, объединенные единством цели.

Научныетруды основоположника науки о резании древесины И.А. Тиме дали возможность целой плеяде русских ученых (П.А. Афанасьеву,К.А. Зворыкину, А.Н. Челюскину, Я.Г.Усачеву, М.А. Дешевому, А.Л. Бершадскому, А.Э. Грубе, С.А. Воскресенскому, Е.Г.Ивановскому, А.Е. Золотареву, И.П.Лапину, Ф.М. Манжосу, В.С. Рыбалко и многим другим) создать отечественнуюроссийскую школу обработки древесины резанием. Эта школа занимает сейчасведущее место в мире.

О взаимосвязи сил, действующихпо контактным поверхностям лезвия. Изучая процесс резания древесины, в 1934г. М.А. Дешевой высказал предположение о независимости действия сил по обестороны от плоскости резания. В 1945 г. А.М. Розенберг в исследовании процессафрезерования металлов, а в 1955 г. С.А. Воскресенский в теоретических исследованиях процессарезания древесины делают предположения, что процессы, происходящие по переднейповерхности лезвия, не влияют на величину сил по задней поверхности.

Впервыегипотеза о независимости сил по задней поверхности от толщины срезаемого слоябыла проверена Н.Н. Зоревым в 1952 г. при резании стали. Было показано, что приувеличении толщины срезаемого слоя от 0,05 мм до 0,55 мм силы резания на заднейповерхности почти не изменяются.«Природа сил, – отмечает Н.Н. Зорев [13], – действующих по передней изадней поверхностям, различна и поэтому большинство факторов различно влияют навеличину этих сил. Например, передний угол и толщина среза сильно влияют насилы, действующие на передней поверхности, но слабо влияют на силы, действующиена задней поверхности. Ширина контакта задней поверхности слабо влияет на силы,действующие на передней поверхности, но сильно влияет на силы, действующие назадней поверхности.»

В 1953г. М.Н. Ларин [14], изучая характер износа резцов при различных задних углах итолщинах срезаемых слоев, пришел к выводу, что оптимальное значение заднегоугла связано с толщиной срезаемого слоя и определяется по формуле:

где С – постояннаявеличина: С = 0,13 при обработке стали, чугуна, сплавов; С= 0,18 при обработкепластмасс;

аmax – толщинасрезаемого слоя, мм;

К – коэффициент.

«Такимобразом, – пишет М.Н. Ларин, – многочисленными опытами советских исследователейустановлено, что главным фактором, влияющим на величину оптимального заднегоугла, является толщина среза стружки.»

В 1961г., рассматривая вопрос о коэффициенте затупления, А.Л. Бершадский [15]излагает методику обработки экспериментальных данных Е. Кивимаа, В.П.Бухтиярова и приводит значения коэффициентов затупления по передней a

rпи задней arзповерхностям в зависимости от времени работы лезвия Т:

Т, ч

a

rп

1,0

1,05

1,1

1,15

1,2

1,25

1,3

a

rз

1,0

1,25

1,45

1,60

1,75

1,85

2,0

Затуплениережущей кромки, оказывающее сильное влияние на работу задней поверхности,оказывается, влияет, хотя и незначительно, на работу передней поверхности.

ПозднееА.Л. Бершадский отказался от результатов проведенных исследований, но фактсуществования такой зависимости остается.

В 1967г., изучив влияние затупления лезвий на касательную силу резания прифрезеровании древесины, В.Г. Морозов [16] приводит следующие значения коэффициентовзатупления по передней a

rп и задней arз поверхностямлезвия:

r

, мкм

a

rп

1,0

1,04

1,08

1,13

1,20

1,28

1,40

a

rз

1,0

1,25

1,70

2,00

2,50

3,30

4,50

В 1967г., изучая процесс фрезерования лигно-углеводных древесных пластиков, авторомчитаемой Вами работы [17], была предложена следующая формула для расчетаединичной касательной силы резания, Н:

<img src="/cache/referats/18937/image010.gif" v:shapes="_x0000_i1029"> ,

где использованы поправочные коэффициенты по задней и переднейповерхностям лезвия:

a

vзи avп – на скорость главногодвижения;

a

Нз и aНп – на глубину фрезерования;

a

rзи arп – на затупление режущей кромки;

a

aзи aaп – на величину заднего угла;

a

dзи adп – на угол резания.

Поправочныекоэффициенты на угол резания оказывают основное влияние на силы по переднейповерхности лезвия, но они оказывают, хотя и меньшее влияние, на силы по заднейповерхности. Значения коэффициентов приведены ниже.

Угол резания d

, град

a

dз

1,01

1,03

1,08

1,15

a

dп

1,16

1,29

1,38

1,45

Поправочныекоэффициенты на задний угол и затупление режущих кромок лезвий оказываетглавное влияние на силы, действующиепо задней поверхности лезвия, но они влияют и на силы по передней поверхности.Значения коэффициентов приведены ниже.

Задний угол a

, град

a

aз

1,09

1,03

1,0

0,94

0,91

a

aп

0,89

0,96

1,0

1,01

1,02

Радиус закругления r

, мкм

a

rз

1,76

2,27

2,65

2,96

a

rп

0,73

0,62

0,54

0,49

Таким образом, результаты опытовмногих исследователей подтверждают взаимосвязь сил, действующих по передней изадней поверхностям лезвия.

Заготовка

Условия резания

Режущий инструмент

Станок

ТС «процесса резания»

Рис. 2. Технологическая система «процесса резания»

<img src="/cache/referats/18937/image011.gif" align=«left» v:shapes="_x0000_s1969 _x0000_s1970 _x0000_s1971 _x0000_s1972 _x0000_s1973 _x0000_s1974 _x0000_s1975 _x0000_s1976 _x0000_s1977 _x0000_s1978">Развитие теории резания древесины в современныхусловиях. Резание древесины –сложный процесс. При изучении такойпроцесс в современных условиях принято рассматривать как технологическую систему (ТС), состоящую из несколькихвзаимосвязанных и относительно неделимых частей, образующих единое целое.Технологическая система «процесс резания» состоит из четырех частей, называемыхподсистемами (рис. 2): заготовки, условий резания, станка, режущего инструмента.

Подсистемы технологическойсистемы пронизаны между собой причинно-следственными связями и влияют на функционированиедруг друга. Подсистемы только относительно неделимые части. При отдельном ихрассмотрении как систем в каждой из них можно выделить свои подсистемы какусловно неделимые части.

Заготовку можно характеризовать следующими условно неделимымичастями: породой, влажностью, плотностью, прочностью, упругостью, пластичностью,температурой, размерами и др.

Режущий инструмент включает такие элементы как угол заострения,количество лезвий, остроту режущих кромок, физико-механические свойстваматериала зубьев, шероховатость поверхности лезвий, длину режущих кромок и др.

Станок включает следующие элементы: механизм главного движения свращательным или возвратно-поступательным движением, механизм подачи, механизмбазирования, количество рабочих движений и последовательность ихвыполнения, толщину и ширинусрезаемого слоя, угол резания, задний угол, угол встречи (наклона, скоса)режущей кромки лезвия с волокнами древесины, скорость главного движения идвижения подачи, силы резания и трения, мощность приводов и др.

Условия резания представляют собой совокупность условий, относящихсяк заготовке, режущему инструменту и станку, необходимых и достаточных дляосуществления требуемого процесса резания. Если условия резания изменить, то иостальные подсистемы (заготовка, инструмент, станок) следует изменить так,чтобы они обеспечили реализацию процесса резания. Если изменить параметрызаготовки, например древесина ее будет мерзлая, в которой свободная влаганаходится в твердой фазе, то другие части системы тоже должны быть изменены.Режущий инструмент, станок и условия резания должны обеспечить выполнениепроцесса резания. Таким образом, изменение любой подсистемы отразится насостоянии других подсистем.

При синтезе подсистемыобъединяются в единое целое, где разрозненные факторы взаимодействуютсовместно. Совместное взаимодействие факторов, их причинно-следственные связисоздают общий положительный эффект системы, превышающий сумму положительныхэффектов, создаваемых отдельными факторами.

Библиографический список

1. Панченко К.П. Русские ученые – основоположники науки о резании металлов.Жизнь, деятельность и избранные труды И.А. Тиме, К.А. Зворыкина, Я.Г. Усачева,А.Н. Челюскина. – М.: Машгиз, 1952.– 320 с.

2. Брикс А.А. Резание металлов, 1896.

3. Дешевой М.А. Механическая технология дерева.– Л.: Гостехиздат,1934. – Т. 1.

4. Воскресенский С.А. О разграничении силы среза и давления настружку: Сб. науч.-исслед. работ. – Архангельск, ЦНИИМОД, 1940.

5. Воскресенский С.А. Резание древесины. – М.: Гослесбумиздат, 1955.

6. Бершадский А.Л. Основные вопросы наивыгоднейшего продольного пилениядревесины: Диссертация. – Минск, 1951.

7. Бершадский А.Л. Резание древесины. – М.: Гослесбумиздат, 1956.

8. Ивановский Е.Г. Книга о резании древесины // Деревообрабатывающаяпром-сть. – 1956. – №5. – С. 28.

9. Кивимаа Е. Усилие резания в деревообработке. Hols aks Roh-und Werkstoff. – 1952. – III. –№3.

10. Бершадский А.Л. Определение удельной работы резания древесины //Механическая обработка древесины. – 1940. – №3.

11. Бухтияров В.П. О силах отжима при продольном фрезеровании //Леснойжурнал. – 1959. – №3.

12. Комаров Г.А. Исследование поперечного фрезерования древесины:Диссертация. – М.: МЛТИ, 1963.

еще рефераты

Еще работы по промышленности и производству

Реферат по промышленности и производству

Научно-Технический Прогресс (НТП)

29 Августа 2013

Реферат по промышленности и производству

Fujifilm (компания Фуджифилм)

29 Августа 2013

Реферат по промышленности и производству

Тепловая схема ТЭС на органическом топливе

29 Августа 2013

Реферат по промышленности и производству

Защита от производственного шума

29 Августа 2013