/>/>Нижеприведен с некоторыми изменениями отрывок из монографии –
Глебов И.Т. Фрезерование древесины: Монография. – Екатеринбург: Урал. гос. лесотехн. ун-т, 2003. – 169с. История развития науки о резании древесины
Человекдолжен верить, что непонятное можно понять; иначе он не стал бы размышлять онем.
В.Гете
Становление науки о резаниидревесины. Основоположником науки о резании древесины считаетсяпрофессор Петербургского горного института Иван Августович Тиме[1]. В его исследовательской работе «Сопротивление металлов и дереварезанию», опубликованной в 1870 г., а позднее в сочинении «Основымашиностроения» (всего опубликовано 10 научных работ И.А. Тиме по резаниюдревесины и металлов), приводится анализ и обобщение результатов опытов,проведенных на Луганском заводе. И.А. Тиме впервые приводит определениепроцесса резания, делает классификацию стружек, объясняет явление усадкистружки (изменение размеров в результате пластического деформирования),доказывает, что ширина и толщина среза по-разному влияют на работу 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 резанию выполняет только передняя поверхность лезвияи нормальное давление обрабатываемого материала на ней одинаково по всейплощади контакта (рис. 1, а). Сила, действующая на лезвие, может бытьнайдена по формуле
N = klb, (1)
где k – нормальное давление;
l, b – соответственно длина и ширинасдавливаемой площади.
В 1886г. выходит книга П.А. Афанасьева «Курс механической технологии дерева»,в которой используются методы науки о сопротивлении материалов, проводитсяанализ характера стружкообразования, уточняется форма эпюры давления стружки налезвие. П.А. Афанасьев впервые указывает 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)./> />
Проблема доказательства формы эпюры при резании сохранилась до нашихдней.
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. Им проведено большое количествоэкспериментов, на основании которых сделан важный вывод о том, что работа, затраченнаяна срезание единицы объема стружек, уменьшается с увеличением толщины стружек.Сила резания изменяется пропорционально ширине срезаемого слоя. Совсем другиерезультаты получились, когда сечение срезаемого слоя изменялось только за счетего толщины. Проделав 230 опытов, К.А. Зворыкин делает вывод, что удельнаяработа резания – величина не постоянная, а переменная и уменьшается сувеличением толщины срезаемого слоя. Была предложена эмпирическая зависимостьдля расчета удельной работы резания:
/>, (2)
где К' – удельная работа резания при толщине срезаемого слоя 1 мм;
а – толщина срезаемого слоя, мм.
Так К.А.Зворыкин первым из исследователей экспериментально доказал, что удельная работарезания убывает с увеличением толщины срезаемого слоя, подтвердив, такимобразом, 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 – сила резания, 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] изложилоригинальную, глубоко разработанную и методично построенную научную теорию резаниядревесины. Как и И.А. Тиме, он, применяя методы механики в анализе процессастружкообразования при резании, установил связи между сопротивлением древесинырезанию и показателями ее механических свойств. Были разработаны болеесовершенные методы расчета мощности и производительности деревообрабатывающихмашин.
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 методовмеханики в анализе процессов резания. Большое внимание при этом уделяется выявлениюэпюры нормальных давлений в зоне резания и определению силы резания. Одной изглавных черт теории С.А. Воскресенского является расчленение силы резания насоставные части. Приступая к анализу отдельных частей, С.А. Воскресенскийотмечал, что между процессами, происходящими по отдельным зонам, существуеттесная неразрывная связь. Однако при синтезе сила резания представляется им каксумма трех сил [4, 5]: силы надрезания Fxн, 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 разделениярезца и его работы на самостоятельно выделенные слагаемые, допустимая для общихпредварительных рассуждений, совершенно не допустима для распространения ее нарасчетную практическую формулу. Процесс резания неделим. В нем нет границраздела между отдельными процессами. Наоборот, один процесс действует надругой, связь между процессами интегральная, а не арифметическая. Следовательно,изолированные независимые слагаемые не отражают реальную сущность процессарезания.
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 частьрасходуется собственно на резание и остается постоянной при изменении толщинысреза. Другая часть усилия резания расходуется на деформирование срезаемыхслоев передней поверхностью лезвия и зависит от толщины срезаемогослоя.
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 силы резания, количественно равноеудельной работе резания.
В работах А.Л.Бершадского [6, 7, 10] удельная работа резания древесины выражаласьследующей формулой:
/>, (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 силы резания.
Радиальная сила(сила отжима) определялась по формуле:
Fz = ± mFx, (6)
гдеm – коэффициент, зависимый от остроты режущейкромки лезвия и толщины срезаемого слоя [11, 12]. Значение mизменяется в пределах m = 0,1- 1,0.
Исследованияпо резанию древесины и древесных материалов в нашей стране ведут все высшиеучебные заведения лесопромышленного профиля, а такжеотраслевые научно-исследовательские институты(ЦНИИМОД, г. Архангельск; ЦНИИМЭ, г. Химки Московской обл.; ВНИИДрев, г. БалабановоКалужской 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 иповедения стружки в процессе резания древесины.
Второенаправление развивает физическую теорию резания древесины. Процессрезания рассматривается как физический. Изучаются прежде всего процессыупругого и остаточного деформирования древесины, трения на молекулярном уровне,влияние на эти процессы скорости резания. Это направление представлено школойВ.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 возможностьцелой 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 имногим другим) создать отечественную российскую школу обработки древесины резанием.Эта школа занимает сейчас ведущее место в мире.
О взаимосвязи сил, действующих по контактным поверхностям лезвия. Изучаяпроцесс резания древесины, в 1934 г. М.А. Дешевой высказал предположение о независимостидействия сил по обе стороны от плоскости резания. В 1945 г. А.М. Розенберг висследовании процесса фрезерования металлов, а в 1955 г. С.А. Воскресенский втеоретических исследованиях процесса резания древесины делают предположения,что процессы, происходящие по передней поверхности лезвия, не влияют на величинусил 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 и задней поверхностям, различна и поэтомубольшинство факторов различно влияют на величину этих сил. Например, переднийугол и толщина среза сильно влияют на силы, действующие на переднейповерхности, но слабо влияют на силы, действующие на задней поверхности. Ширинаконтакта задней поверхности слабо влияет на силы, действующие на переднейповерхности, но сильно влияет на силы, действующие на задней 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 – постоянная величина: С = 0,13 при обработке стали,чугуна, сплавов; С= 0,18 при обработке пластмасс;
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 arпи задней arз поверхностям в зависимости отвремени работы лезвия Т:
Т, ч 1 2 3 4 5 6
arп 1,0 1,05 1,1 1,15 1,2 1,25 1,3
arз 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 arп и задней arзповерхностям лезвия:
r, мкм 5 10 15 20 25 30 35
arп 1,0 1,04 1,08 1,13 1,20 1,28 1,40
arз 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:
/> ,
где использованы поправочные коэффициенты по задней и переднейповерхностям лезвия:
avз и avп –на скорость главного движения;
aНз и aНп – на глубинуфрезерования;
arз и arп – на затуплениережущей кромки;
aaзи aaп – на величинузаднего угла;
adз и 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 50 55 60 65 70
adз 1 1,01 1,03 1,08 1,15
adп 1 1,16 1,29 1,38 1,45
Поправочныекоэффициенты на задний угол и затупление режущих кромок лезвий оказываетглавное влияние на силы, действующие по задней поверхности лезвия, но онивлияют и на силы по передней поверхности. Значения коэффициентов приведеныниже.Задний угол a, град 8 9 10 11 12
aaз 1,09 1,03 1,0 0,94 0,91
aaп 0,89 0,96 1,0 1,01 1,02
Радиус закругления r, мкм 15 25 35 45 55
arз 1 1,76 2,27 2,65 2,96
arп 1 0,73 0,62 0,54 0,49
Таким образом, результаты опытовмногих исследователей подтверждают взаимосвязь сил, действующих по передней изадней поверхностям лезвия.
/>Развитие теориирезания древесины в современных условиях. Резание древесины – сложныйпроцесс. При изучении такой процесс в современных условиях приняторассматривать как технологическую систему (ТС), состоящую из несколькихвзаимосвязанных и относительно неделимых частей, образующих единое целое.Технологическая система «процесс резания» состоит из четырехчастей, называемых подсистемами (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 можнохарактеризовать следующими условно неделимыми частями: породой, влажностью,плотностью, прочностью, упругостью, пластичностью, температурой, размерами идр.
Режущий инструментвключает такие элементы как угол заострения, количество лезвий, остроту режущихкромок, физико-механические свойства материала зубьев, шероховатость поверхностилезвий, длину режущих кромок и др.
Станок включает следующиеэлементы: механизм главного движения с вращательным иливозвратно-поступательным движением, механизм подачи, механизм базирования,количество рабочих движений и последовательность их выполнения, толщинуи ширину срезаемого слоя, угол резания, задний угол, угол встречи (наклона,скоса) режущей кромки лезвия с волокнами древесины, скорость главного движенияи движения подачи, силы резания и трения, мощность приводов и др.
Условия резанияпредставляют собой совокупность условий, относящихся к заготовке, режущемуинструменту и станку, необходимых и достаточных для осуществления требуемогопроцесса резания. Если условия резания изменить, то и остальные подсистемы(заготовка, инструмент, станок) следует изменить так, чтобы они обеспечилиреализацию процесса резания. Если изменить параметры заготовки, напримердревесина ее будет мерзлая, в которой свободная влага находится в твердой фазе,то другие части системы тоже должны быть изменены. Режущий инструмент, станок иусловия резания должны обеспечить выполнение процесса резания. Таким образом,изменение любой подсистемы отразится на состоянии 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. Русскиеученые – основоположники науки о резании металлов. Жизнь, деятельность иизбранные труды И.А. Тиме, К.А. Зворыкина, Я.Г. Усачева, А.Н. Челюскина. – М.:Машгиз, 1952.– 320 с.
2. Брикс А.А. Резаниеметаллов, 1896.
3. Дешевой М.А.Механическая технология дерева.– Л.: Гостехиздат, 1934. – Т. 1.
4. Воскресенский С.А. Оразграничении силы среза и давления на стружку: Сб. науч.-исслед. работ. –Архангельск, ЦНИИМОД, 1940.
5. Воскресенский С.А.Резание древесины. – М.: Гослесбумиздат, 1955.
6. Бершадский А.Л.Основные вопросы наивыгоднейшего продольного пиления древесины: Диссертация. –Минск, 1951.
7. Бершадский А.Л. Резаниедревесины. – М.: Гослесбумиздат, 1956.
8. Ивановский Е.Г. Книга орезании древесины // Деревообрабатывающая пром-сть. – 1956. – №5. – С. 28.
9. Кивимаа Е. Усилиерезания в деревообработке. Hols aks Roh-und Werkstoff. – 1952.– III. – №3.
10. Бершадский А.Л.Определение удельной работы резания древесины // Механическая обработкадревесины. – 1940. – №3.
11. Бухтияров В.П. О силахотжима при продольном фрезеровании //Лесной журнал. – 1959. – №3.
12. Комаров Г.А.Исследование поперечного фрезерования древесины: Диссертация. – М.: МЛТИ, 1963.