Кардыбанский ОС Особенности геометрии режущего инструмента при ультразвуковом пилении древесины Гордеев В. Ф. (ООО ПТЦ «Промин», г. Нижний Новгород, РФ), Адиков С. Г. (НГТУ, г. Нижний Новгород, РФ) статья 6

Особенности геометрии режущего инструмента при ультразвуковом пилении древесины
Гордеев В. Ф. (ООО ПТЦ «Промин», г. Нижний Новгород, РФ), Адиков С. Г. (НГТУ, г. Нижний Новгород, РФ)

http://symposium.forest.ru/article/2006/3_equipment/adikov_02.htm

    Основная идея ультразвуковой лесопильной рамы заключается в наложении ультразвуковых колебаний на постав пил, что приводит к интенсификации процесса резания [3]. Пильная рамка показана на рисунке 1.
    Возбуждение тангенциальных ультразвуковых колебаний в пилах осуществляется по схеме продольно-изгибно-продольных колебаний. При этом в пиле наряду с продольными (тангенциальными) колебаниями возникают еще и изгибные. Колебания пилы носят сложный характер, что связно с формированием интерференционной структуры нескольких типов волн.
    Все вышесказанное оказывает большое влияние на геометрию и конструктивные параметры режущего инструмента.
    Рассмотрим распространение продольных волн по пиле, которая в этом случае представляет собой стержень переменного сечения. В случае настройки пилы в резонанс по продольным колебаниям по ней распространяется стоячая продольная волна. Для определения резонансной длины пилы lп,м, необходимо воспользоваться общим условием, когда в нее должно укладываться целое число длин продольных полуволн.
    Главной особенностью ультразвукового резания с наложением тангенциальных ультразвуковых колебаний является отвод режущей кромки от обрабатываемого материала и движение ее назад в течение части времени каждого цикла. При этом передняя грань начинает выполнять роль задней и наоборот. Поэтому эффективным будет применение симметричной формы зуба, одна из возможных конструкций которого приведена в [4].
    Кроме того, симметрия зуба позволяет исключить при возвратно-поступательном пилении холостой ход, что приводит к более полной загрузке привода главного движения, упразднению сложных механизмов подачи бревна и уклона пил.
    В целях компенсации возникающих при распространении ультразвуковой волны отражений, возникающие в зубьях необходимо обеспечить выполнение двух условий.
    Во-первых, требуется, чтобы в одну длину продольной волны укладывалось целое число шагов зубьев, то есть шаг пилы t,м, будет:

    где E – модуль сдвига материала пилы, Па;
     p – плотность материала пилы, кг/м3;
     fk– частота вынужденных колебаний, Гц.

Рисунок 1 – Пильная рамка ультразвуковой пилорамы:

1 – преобразователь; 2 – трансформатор; 3 – изгибный волновод;
4 – постав пил; 5 – натяжной стержень; 6 – прокладка межпильная.

    Во-вторых, пила должна быть симметрична относительно продольной оси, то есть зубья должны быть нарезаны с двух сторон, что может повлиять и на организацию процесса резания (можно, например, сделать подвижной пилораму, и пилить бревна в два направления).
    Представляется целесообразным использовать пилы с отсутствием зубьев в узлах продольной волны, так как в этих точках резание является обычным [1].
    Рамная пила показана на рисунке 2.
    Рассмотрим распространение изгибных волн по пиле. Если пила настроена в резонанс по изгибным колебаниям, то по ней распространяется стоячая волна. Следует отметить, что на резонансную длину пилы по изгибным колебаниям lи,м, оказывают влияния не только ее геометрические размеры, но и сила натяжения P,Н.
    В случае распространения в пиле изгибных волн имеет место резание с переменным углом наклона режущей кромки. Причем этот угол складывается из двух составляющих – статической и динамической и равен:

Статическая составляющая обусловлена поворотом сечений пилы в результате ее изгиба. Динамическая составляющая зависит от соотношения основной и колебательной скорости резания.
Примем, что изгибные волны распространяются вдоль пилы по гармоническому закону. Стоячая волна описывается уравнением:

где

– амплитуда стоячей изгибной волны, м;

– длина стоячей изгибной волны, м.

Распространение изгибных колебаний по пиле показано на рисунке 3. Исходя из геометрического смысла производной как углового коэффициента касательной в данной точке, угол наклона режущей кромки будет иметь следующее значение:

Для пучностей:

Для узлов:

Рисунок 2 – Пила рамная

Рисунок 3 – Распространение изгибной стоячей волны по пиле

Колебательная скорость будет равна:

При резании с постоянной основной скоростью резания Vр,м/с угол наклона режущей кромки будет [2]:

Для пучностей волны:

Для узлов волны:

Резание с переменным углом наклона режущей кромки приводит к изменению геометрии резания. В частности контурный угол резания, контурный задний угол и радиус закругления режущей кромки, можно определить из соотношений [2]:

где

– статический угол резания, рад;

– статический задний угол, рад;

– радиус закругления режущей кромки без наложения колебаний, м.

    Статическая составляющая угла наклона режущей кромки при ультразвуковом резании очень невелика. В частности при амплитуде 20 мкм, частоте 18000 Гц она составляет не более 0,0008 рад для пил из инструментальных сталей. Поэтому основную роль играет динамическая составляющая.
    Очевидно, что размещение зубьев в узлах стоячей изгибной волны (где имеет максимальное значение статическая составляющая угла наклона режущей кромки) нецелесообразно, так как в этих точках реализуется обычное резание.
    Наиболее выгодным будет вариант, когда узлы продольной волны и узлы изгибной волны совпадают, тем самым можно убирать зубья пилы в одном месте. Это вполне возможно путем выбора геометрических размеров пилы (длины l,м, ширины h,м, или толщины s,м, пилы). Однако, как показали эксперименты с опытной конструкцией пильной рамки, изгибные колебания играют значительно меньшую (и даже негативную) роль, чем продольные.
    Следует также уделить особое внимание выбору контурных углов инструмента, так как они являются переменными. В частности при амплитуде 20 мкм, частоте 18000 Гц и Vр=1 м/с косинус динамического угла наклона режущей кромки достигает значения 0,55, что весьма существенно.

    Библиографический список:
    1. Кумабэ Д. Вибрационное резание / Перевод с яп. С.Л. Масленникова; Под ред. И.И. Портнова и В.В. Белова. – М.: Машиностроение, 1985. – 424 с.: ил.
    2. Любченко В. И. Резание древесины и древесных материалов: Учебник для вузов / В. И. Любченко. – 2-е изд. испр. и доп. – М.: МГУЛ, 2004. – 310 с.: ил.
    3. Пат. 2113347 Россия, МКИ 6 B 27 B 1/00, 3/00, 19/00, 23/00. Способ распиловки древесины лезвийным инструментом и устройство для его осуществления. / В. Ф. Гордеев и др. – № 97105166/13; Заявл. 02.04.97; Опубл. 20.06.98, Бюл. № 17.
    4. Пат. 2124984 Россия, МКИ 6 B 27 B 33/10, B 23 D 61/12. Пильное полотно. / В. Ф. Гордеев и др. – № 96122695/ 13; Заявл. 28.11.96; Опубл. 20.01.99, Бюл. № 2.

http://symposium.forest.ru/article/2006/3_equipment/adikov_02.htm

Автобиография Автореферат Ссылки по теме
Отчёт о поиске Индивидуальное задание