авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Исследование влияния тангенциальных ультразвуковых колебаний инструмента на эффективность процесса механической обработки древесины

-- [ Страница 1 ] --

111

На правах рукописи

АДИКОВ СЕРГЕЙ ГЕННАДЬЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТАНГЕНЦИАЛЬНЫХ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ ИНСТРУМЕНТА НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРОЦЕССА МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ДРЕВЕСИНЫ

Специальность 05.03.01 – Технологии и оборудование
механической и физико-технической обработки

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Нижний Новгород – 2007

Работа выполнена в Нижегородском государственном техническом университете им. Р. Е. Алексеева

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Кретинин Олег Васильевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Торопов Александр Степанович кандидат технических наук, доцент Лаптев Игорь Леонидович
Ведущая организация: Закрытое Акционерное Общество «78 Деревообрабатывающий комбинат Н.М.» (г. Нижний Новгород)

Защита состоится «13» ноября 2007 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д212.165.09 в Нижегородском государственном техническом университете им. Р. Е. Алексеева по адресу: 603950, г. Нижний Новгород, ул. Минина, 24, НГТУ, ГСП-41, ауд. 1258.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского Государственного технического университета им. Р. Е. Алексеева.

Автореферат разослан «12» сентября 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

к.т.н., доцент Б. В. Устинов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Россия – страна, которая обладает исключительно богатыми лесными ресурсами. Стране принадлежит четверть мировых запасов и ценный видовой состав (более половины мировых запасов хвойных пород, древесина которых ценится выше остальных). По мнению многих специалистов, вклад лесопромышленного комплекса России (который включает в себя лесозаготовительные предприятия, а также компании деревообрабатывающей и целлюлозно-бумажной промышленности) в экономику страны может быть соизмерим с доходами от нефтегазовой отрасли.

Однако в настоящее время этому препятствует целый комплекс проблем как технического, так и правого характера. По-видимому, одним из ключевых вопросов здесь является низкий уровень глубокой переработки древесины в нашей стране. Это во многом связано со значительным износом материально-технической базы отрасли. Кроме того, ведущие предприятия страны предпочитают использовать импортное оборудование как более надежное и качественное.

Перспективным направлением развития лесной отрасли России является разработка и внедрение прогрессивных принципиально новых или значительно видоизмененных способов деревообработки. Одним из таких способов является резание древесины с наложением на инструмент ультразвуковых колебаний.





Несмотря на то, что ультразвуковое резание древесины известно еще с семидесятых годов прошлого века до настоящего времени данное направление не нашло широкого промышленного применения. Это обусловлено трудностью создания сложных колебательных ультразвуковых систем. Вместе с тем, отдельные работы как отечественных, так и зарубежных ученых, как по теории, так и по практике ультразвуковой обработки древесины носят по существу лишь поисковый характер и касаются рассмотрения некоторых отдельных сторон процесса.

Поэтому выявление закономерностей воздействия ультразвука на основные показатели процесса механической обработки древесины и разработка на их основе устройств реализующих ультразвуковое резание на практике является важной научной задачей.

Цель и задачи работы. Целью работы является повышение эффективности резания древесины с наложением тангенциальных ультразвуковых колебаний на основе исследования особенностей взаимодействия режущего инструмента и обрабатываемого материала.

Для реализации цели работы поставлены следующие задачи:

    • рассмотреть особенности кинематики резания древесины с наложением тангенциальных ультразвуковых колебаний;
    • исследовать влияние тангенциальных ультразвуковых колебаний на силовое взаимодействие задней и передней грани резца и древесины;
    • экспериментально установить область условий эффективного резания древесины с наложением тангенциальных ультразвуковых колебаний;
    • исследовать зависимость сил резания на передней грани от времени контактирования резца и обрабатываемого материала;
    • исследовать варианты конструктивных и технологических параметров пильной рамки ультразвуковой пилорамы.

Научная новизна работы состоит в том, что:

    • получена аналитическая зависимость времени резания (времени непосредственного контактного взаимодействия передней грани резца и обрабатываемого материала) за один период колебаний резца на основе рассмотрения особенностей кинематики резания с наложением тангенциальных ультразвуковых колебаний;
    • разработана математическая модель контактирования передней и задней грани резца и обрабатываемого материала при резании древесины с наложением тангенциальных ультразвуковых колебаний;
    • определено граничное условие, при превышении которого силы резания на задней грани резко увеличиваются.

Метод исследования сочетает теоретический анализ и физический эксперимент. В теоретических исследованиях применялись методы теории резания, методы теоретической механики. Экс­пе­ри­мен­таль­ные исследования проводились с помощью разработанного и изготовленного компьютеризированного стенда (на аппаратной платформе фирмы National Instruments), оснащенного оригинальным программным обеспечением (по методике единичных резов на маятниковой копровой установке). При обработке результатов экспериментов использовались методы искусственного интеллекта – нейросетевые технологии.

Достоверность и обоснованность полученных результатов работы обеспечивается применением современных методик физических измерений, сертифицированной измерительной аппаратуры, современной вычислительной техники и программных средств для автоматизации эксперимента, а также результатами промышленного внедрения в производственно-технологическом центре «Промин».

Практическая значимость работы заключается в том, что:

    • разработана методика определения рациональной области амплитуд колебаний режущего инструмента, обеспечивающих минимум энергетических затрат на осуществление процесса ультразвукового резания;
    • экспериментально определен вариант конструкции межпильных прокладок пильной рамки ультразвуковой лесопильной рамы, который обеспечивает приемлемую работоспособность рамных пил.

На защиту выносятся:

    • аналитическая зависимость времени резания (времени непосредственного контактного взаимодействия передней грани резца и обрабатываемого материала) за один период колебаний резца;
    • математическая модель контактирования передней и задней резца и древесины при ультразвуковом резании с наложением тангенциальных ультразвуковых колебаний;
    • граничное условие при превышении которого силы резания на задней грани резко увеличиваются.

Реализация результатов:

Предложенные рекомендации по конструкции пильной рамки ультразвуковой лесопильной рамы и конструкции межпильных прокладок внедрены в основное производство ООО Производственно-технологического центра «Промин».

Апробация работы. Научные положения и результаты исследований докладывались и обсуждались на международных и всероссийских научно-технических конференциях и симпозиумах: «Будущее технической науки» (г. Нижний Новгород, 26-27 мая 2005 г.), «Повышение эффективности инвестиционной и инновационной деятельности в Дальневосточном регионе и странах АТР» (г. Комсомольск-на-Амуре, 3-5 октября 2005 г.), «XI Нижегородская сессия молодых ученых. Технические науки» (г. Нижний Новгород, 12-16 февраля 2006 г.), «Будущее технической науки» (г. Нижний Новгород, 19 мая 2006 г.), Фундаментальные проблемы машиноведения: Новые технологии и материалы (г. Нижний Новгород, 29-30 ноября 2006 г.).

Основные результаты работы докладывались также на заседании кафедры «Деревообрабатывающих производств» Марийского государственного технического университета (2007 г.) и расширенном заседании кафедры «Автоматизация машиностроения» Нижегородского государственного технического университета им. Р. Е. Алексеева (2007 г.).

Публикации. Основное содержание диссертации, полученные результаты, выводы и рекомендации опубликованы в 17 научных работах, в том числе в 1 статье в журнале из списка рекомендованного ВАК, 1 патенте РФ на полезную модель, 1 патенте РФ на изобретение (положительное решение о выдаче патента на изобретение по заявке № 2005139751/06), 2 отчетах о НИОКР, в 7 статьях и 5 тезисах докладов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из оглавления, введения, четырех глав, заключения и библиографического списка. Диссертация изложена на 190 страницах и включает 72 рисунка и 11 таблиц. Библиографический список охватывает 118 литературных источников.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследования, изложены основные положения, выносимые на защиту, определены научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе анализируется современное состояние проблемы ультразвуковой механической обработки древесины. Дан обзор литературных источников по рассматриваемому вопросу, обоснован выбор направления ультразвуковых колебаний совпадающих с основной скоростью резания (тангенциальные колебания), описаны требования, предъявляемые к ультразвуковым колебательным системам.

Базовыми работами в области обработки древесины являются работы М. А. Дешевого, С. А. Воскресенского, Е. Г. Ивановского, А. Л. Бершадского, А. С. Торопова и других.

Большой вклад в исследование процессов ультразвуковой механической обработки различных материалов внесли отечественные ученые В. Н. Подураев, М. С. Нерубай, Б. Л. Штриков, А. И. Марков, Б. С. Баласанян, а также зарубежные исследователи Д. Кумабе (J. Kumabe), К. Като (K. Kato), Г. Синн (G. Sinn), М. Лукас (M. Lucas) и многие другие.

Экспериментальные и теоретические исследования по резанию различных материалов показали, что в большинстве случаев ультразвуковое резание наиболее эффективно осуществляется (в наибольшей степени уменьшаются силы резания, улучшается качество обработанной поверхности, увеличивается стойкость инструмента и др.) при наложении на инструмент ультразвуковых колебаний совпадающих по направлению с основной скоростью резания (тангенциальных колебаний) при периодическом контакте инструмента и обрабатываемого материала, т. е. при выполнении условия

, 23

где – основная скорость резания, .

– амплитуда колебаний режущей кромки, м;

– частота ультразвуковых колебаний режущей кромки, Гц.

Часть времени периода колебаний в этом случае резец движется от обрабатываемого материала и резание, по крайней мере передней гранью, не осуществляется.

Анализ большого числа работ позволил выбрать указанное направление колебаний в качестве приоритетного при исследовании ультразвукового резания древесины.

Между тем обзор литературных источников по вопросу ультразвукового резания древесины показал, что данный вопрос изучен слабо и в основном связан с экспериментальным рассмотрением некоторых отдельных сторон процесса.

Кроме того, показано, что трудности практического применения ультразвукового резания в деревообработке связаны не только с недостаточным его исследованием, но и со сложностью разработки ультразвуковых колебательных систем и приведены основные требования, предъявляемые к таким системам.

На основании результатов проведенного анализа сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе представлены теоретические исследования процесса контактирования резца и обрабатываемого материала при ультразвуковом резании древесины с наложением тангенциальных ультразвуковых колебаний. Рассмотрены особенности кинематики процесса, разработана математическая модель взаимодействия передней и задней грани резца и обрабатываемого материала, определено граничное условие при превышении которого силы резания на задней грани резко увеличиваются.

При рассмотрении предполагалось, что резание открытое; резец имеет плоские переднюю и заднюю поверхности с постоянными углами наклона вдоль всего лезвия; резание является прямолинейным и относится к одному из главных видов (продольное, поперечное или торцовое), а также осуществляется с постоянной основной скоростью; глубина резания постоянна и мала по сравнению с шириной, но при этом значительно превышает амплитуду колебаний; накладываемые ультразвуковые колебания являются гармоническими; процесс резания является периодическим.

Время резания (время непосредственного контакта резца и обрабатываемого материала) можно определить и анализа графика истинной скорости резания , , которая определяется как сумма постоянной основной скорости резания и колебательной скорости режущей кромки (см. рисунок 1):

= . 45

Рисунок 1 – График изменения истинной скорости резания за период колебаний

Перемещение вперед за цикл колебаний определяется площадью под кривой находящейся выше оси абсцисс, а назад – площадью под кривой находящейся ниже оси абсцисс.

При периодическом отрыве передней грани резца от обрабатываемого материала, (при выполнении условия (1)), резание начнется, когда перемещение резца вперед , м, за один цикл колебаний будет равно перемещению резца назад , м, за один цикл колебаний:

= . 67

Вычисляя соответствующие площади можно получить систему уравнений для нахождения времени резания , с, за один период колебаний

89

где – период колебаний, с;

– момент времени пересечении графика истинной скорости резания с осью абсцисс (время начала движения резца назад), с.

Путь резания за один период колебаний определяется по формуле

= . 1011

При периодическом контакте передней грани резца и обрабатываемого материала силы резания на передней грани имеют импульсный характер. Длительность одного импульса равна времени резания за один период колебаний. Базируясь на исследованиях Д. Кумабе, В. И. Бабитского и других можно принять, что снижение сил резания на передней грани связано с уменьшением времени контакта резца и обрабатываемого материала, то есть справедливо

= , 1213

где – общее значение силы резания, Н;

– максимальное значение силы резания за период колебаний, Н.

Путь резания за один период колебаний очень мал, соизмерим с размерами анатомических элементов древесины (см. уравнение (5)) и не зависит от амплитуды колебаний. Поэтому можно предположить, что при уменьшении времени резания за счет увеличения амплитуды колебаний режущего инструмента значение максимальной силы резания за период колебаний будет расти незначительно и будет приблизительно равно силе при обычном резании при тех же параметрах процесса резания. Это связано с тем, что общее число перерезаемых анатомических элементов не изменится, а изменится лишь скорость их перерезания, что не сыграет значительной роли ввиду их малой величины.

Система уравнений (4) и (6) представляет собой математическую модель контактирования передней грани резца и обрабатываемого материала при резании древесины с наложением тангенциальных ультразвуковых колебаний.

Важно отметить, что электрическая мощность, потребляемая ультразвуковой колебательной системой процесса резания, в первом приближении пропорциональна квадрату амплитуды колебаний. Анализ системы уравнений (4) показывает, что время резания уменьшается при увеличении амплитуды колебаний по закону близкому к экспоненциальному. Следовательно, всегда можно найти такую рациональную область амплитуд колебаний режущего инструмента (в области точки перегиба экспоненты), которые обеспечивают минимум энергетических затрат на процесс резания. При меньших значениях амплитуд колебаний режущего инструмента сила резания на передней грани уменьшиться в незначительной степени по сравнению с силами резания на передней грани при обычном резании и затраты на дополнительную энергию для создания ультразвуковых колебаний режущего инструмента будут неэффективными. При больших значениях – требуется существенные энергетические затраты для создания колебаний режущего инструмента, но при этом силы резания на передней грани уже будут падать незначительно. В частности графики для определения рациональной области при частоте = 18 кГц при разных скоростях резания показаны на рисунке 2.

Рисунок 2 – Графики к определению области рациональных значений амплитуд колебаний: 1 – = 0,1 ; 2 – = 1

При исследовании взаимодействия древесины с задней гранью резца при ультразвуковом резании использовался подход предложенный Е. Г. Ивановским. Процесс взаимодействия древесины с задней гранью рассматривался как случай взаимодействия упругого восстанавливающейся древесины с некоторой площадкой (задней гранью) ограничивающей это восстановление по скорости Процесс деформирования древесины соответствует модели стандартного линейного вязко-упругого тела и описывается дифференциальным уравнением, которое связывает контактные напряжения , МПа, с относительными деформациями и имеет вид:

= , 1415

где – время релаксации, с;

– мгновенный модуль упругости, МПа;

– длительный модуль упругости, МПа.



Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.