Использование подвижного взаимодействия фрез с приводом механизма резания станка для обработки древесины

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Использование подвижного взаимодействия фрез с приводом механизма резания станка для обработки древесины

Существует большое количество фрезерного инструмента для обработки древесины и древесных материалов [1]. Общее, что их объединяет, - наличие жесткой связи между инструментом и шпинделем станка. При получении методом фрезерования строганой поверхности при такой связи образуются вынужденные дефекты обработки - кинематические неровности, которые являются следствием «жесткой» кинематики (по циклоиде) взаимодействия режущего элемента инструмента с обрабатываемым материалом. Для получения поверхности лучшего качества при такой связи инструмента с приводом необходимо либо снижать скорость подачи материала, что ведет к снижению производительности оборудования, либо повышать скорость резания, число резцов на цилиндрическом инструменте и диаметр инструмента, что ведет к повышению динамической нагрузки на элементы станка, усложнению конструкции и веса инструмента.

Задачей настоящей работы следует считать анализ способа установки инструмента на шпиндель станка, позволяющего повысить качество обработанной поверхности без снижения производительности оборудования, без увеличения и усложнения конструкции инструмента, а также без повышения скорости привода резания.

К наиболее распространенному способу установки цилиндрического фрезерного инструмента следует отнести способ, описанный в литературе [2]. Указанный способ установки насадных фрез на шпиндель станка предусматривает его крепление к шпинделю для передачи крутящего момента. Однако такое крепление инструмента приводит к циклоидной траектории взаимодействия режущих элементов с обрабатываемым материалом и, как результат, появлению дефектов в виде кинематических неровностей (рисунок 1).

Плохое качество Хорошее качество

Рисунок 1. Качество обработанных поверхностей методом цилиндрического фрезерования

Для решения поставленной задачи предлагается использовать способ взаимодействия фрезерного инструмента с приводом станка, позволяющий разрушить «жесткую» циклоиду, по которой происходит формирование поверхности обработки фрезерованием. Для этого предлагается использовать дополнительную степень свободы вращения фрезерного инструмента (рисунок 2) относительно шпинделя станка, что в конечном итоге позволит обеспечить снижение высоты кинематических неровностей Н=R_zmax на величину ДН (рисунок 3) и повысить качество обработанной поверхности.

Рисунок 2. Общий вид установки фрезы

Основная проблема при данном взаимодействии заключается в небольшом времени формирования поверхности обработки и высокой инерционности работающего инструмента. Хорошим решением в данной ситуации будет использование вынужденных колебаний, амплитуда которых не должна превышать угол ц₁ (рисунок 3). Причем благодаря возможности регулирования жесткости связи между приводным валом (шпинделем станка) и инструментом появляется возможность регулировать высоту кинематических неровностей, а также передаваемый крутящий момент режущему элементу.

Рисунок 3. Функциональная схема взаимодействия режущего элемента фрезы с обрабатываемым материалом

При запуске инструмента под действием инерционных сил указанный способ приведет к возможному относительному вращению инструмента относительно приводного вала. Это смещение можно снижать путем более медленного разгона инструмента или использования более жесткой пружины с ее предварительным натягом 4 (рисунок 1). После стабилизации холостого хода инструмент стабилизируется относительно первоначального положения относительно приводного вала.

Возможность изменения жесткости связи между инструментом и приводным валом (рисунок 2) позволяет регулировать амплитуду и частоту вращательных собственных колебаний инструмента относительно шпинделя станка. При проектировании инструмента для такой обработки материала необходимо стремиться к снижению осевого момента инерции инструмента относительно шпинделя станка, поскольку изменение угла ц₁ до величины ц₂ (рисунок 2) на дуге контакта напрямую зависит от инерционности фрезы.

В начале взаимодействия режущих элементов инструмента с обрабатываемым материалом под действием касательных сил сопротивления резанию F_t (рисунок 3) произойдет угловое смещение корпуса инструмента относительно приводного вала на Дц₁. Это приведет к временному снижению скорости вращения инструмента щ с одной стороны и снижению высоты кинематических неровностей H, поскольку режущая кромка при взаимодействии с материалом будет описывать уже не «жесткую» циклоиду, а траекторию, более приближенную к прямой линии (рисунок 3).

Для определения влияния угла относительного поворота инструмента на высоту кинематических неровностей R_zmax воспользуемся приближенными зависимостями, полученными на основании анализа рисунка 4.

Рисунок 4. Расчетная схема процесса цилиндрического фрезерования

Согласно источнику [3], существует упрощенная зависимость по определению высоты кинематических неровностей R_zmax, мм от технологических параметров процесса фрезерования.

(1)

где R - радиус фрезерования, мм

S_z - подача на зуб, мм

(2)

где V_s - скорость подачи материала, м/мин;

z - количество режущих элементов, шт.;

n - частота вращения инструмента, мин^-1.

Указанные выше зависимости характерны для случая, когда существует «жесткое» соединение инструмента со шпинделем станка. При наличии еще одной степени свободы инструмента (дополнительное вращение относительно шпинделя на угол Дц), угол ц_к, обозначающий высоту кинематической неровности (рисунок 4), снижается до ц_вых.

(3)

где ц_к - угол при «жестком» соединение инструмента со шпинделем станка, рад

(4)

В свою очередь, угол поворота инструмента относительно шпинделя станка Дц на дуге контакта может описываться различными зависимостями (рисунок 5), зависящими от различных факторов. Цель данной работы не является исследование этих факторов, однако при определенных допущения можно сделать небольшой анализ.

С целью построения графиков, зададимся следующими технологическими данными процесса обработки древесины фрезерованием: z = 2; D = 125 мм; V_s = 36 м/мин; n = 8000 мин^-1.

Используем зависимости угла Дц, представленные на рисунке 5.

1- ; 2 -

Рисунок 5. Изменение относительного угла на дуге контакта

На рисунке 5 время Т, с поворота ножа на угол ц_к определяется зависимостью

(5)

Используя расчетную схему на рисунке 4 можно выразить следующую зависимость

 (6)

Представим на рисунке 6 кривые влияния характера угла поворота инструмента относительно шпинделя станка Дц на высоту кинематических неровностей R_zmax.

Рисунок 6. Зависимость высоты кинематических неровностей от угла Дц

фреза древесина станок

На основании представленных данных можно сделать выводы, что независимо от характера изменения относительного угла Дц снижается величина R_zmax, что положительно сказывается на качестве получаемых поверхностей.

Предлагаемый способ взаимодействия фрезерного дереворежущего инструмента с приводом механизма резания станка позволяет теоретически повысить качество получаемых поверхностей без снижения производительности деревообрабатывающего оборудования. Однако при использовании предлагаемой технологии необходимо конструктивно обеспечить изменение жесткости системы инструмент - шпиндель станка. Это обосновано тем, что эффективность подвижного взаимодействия будет зависеть от физико-механических характеристик обрабатываемого материала, влияющих в конечном итоге на амплитуду колебаний рассматриваемой системы инструмент - шпиндель станка.

Все это дает основания для проведения дальнейших расчетов и лабораторных испытаний экспериментальных образцов насадного фрезерного инструмента с использованием нового способа подвижного взаимодействия с приводом механизма резания деревообрабатывающего оборудования.

Литература

1. Каталоги фирм: Leitz, Leuco, Guhdo, Stehle, Faba, Freud. 2008-2009.

2. Швырев Ф.А., Зотов Г.А. Подготовка и эксплуатация дереворежущего инструмента: учеб. для профтехучилищ - 3-е изд., перераб. и доп. М.: Лесная пром-сть, 1979. 240 с.

3. Амалицкий, В.В. Оборудование отрасли: учебник / В.В. Амалицкий, Вит. В. Амалицкий. - М. ГОУ ВПО МГУЛ, 2006. - 584 с.

Размещено на Allbest.ru