Особенности геометрии режущего инструмента при ультразвуковом пилении древесины

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Особенности геометрии режущего инструмента при ультразвуковом пилении древесины

Гордеев В.Ф., ООО ПТЦ «Промин»

Адиков С.Г., НГТУ

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 , 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 , м, будет

= , ,

где - модуль сдвига материала пилы, Па.

- плотность материала пилы, кг/м³;

- 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.

Рисунок 2 - Пила рамная

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 , м, оказывают влияния не только ее геометрические размеры, но и сила натяжения , Н.

В случае распространения в пиле изгибных волн имеет место резание с переменным углом наклона режущей кромки , рад. Причем этот угол складывается из двух составляющих - статической , рад, и динамической , рад, 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

= ,

= .

Рисунок 3 - Распространение изгибной стоячей волны по пиле

Для пучностей

= , , = 0.

Для узлов

= , ,

= .

Колебательная скорость будет равна

= ,

= .

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

 = .

Для пучностей волны

= , ,

= .

Для узлов волны

= , ,

= 1,

= , .

Резание с переменным углом наклона режущей кромки приводит к изменению геометрии резания. В частности контурный угол резания , рад, Контурный задний угол , рад, и радиус закругления режущей кромки, , м, 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 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 , м, ширины , м, или толщины , 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 = 1 косинус динамического угла наклона режущей кромки достигает значения = 0,55, что весьма существенно.

ультразвуковой волна пила зуб

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.

Размещено на Allbest.ru