CC BY
3УДК 0674.053.621
B. И. Санев,
доктор технических наук, профессор [email protected]
C. Е. Рудов, инженер
Санкт-Петербургская государственная лесотехническая академия
ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ ПРИ ЛЕНТОЧНОМ ШЛИФОВАНИИ
ДРЕВЕСИНЫ
Ленточное шлифование, абразивные зерна, стружкообразование, скорость резания, тепловые явления, теплоемкость.
Таре grinding, abrasive grains, shaving formation, speed of cutting, the thermal phenomena, a thermal capacity.
Тепловые явления при шлифовании древесины имеют большое практическое значение. Тепло, возникающее в процессе шлифования, влияет на стойкость, износ, засаливание и производительность абразивной ленты, качество обработанной поверхности деталей. Тепло изменяет также механические свойства абразивных зерен, коэффициент трения на контактных поверхностях шлифовального инструмента и характер стружкообразования. Изучение тепловых явлений - одна из ключевых проблем теории шлифования древесины. Знание закономерностей, которым подчиняется распределение тепловых потоков, и характера температурных полей в абразивном инструменте и изделии позволяет правильно решать задачи износа и затупления абразивного инструмента, обеспечивать работоспособность инструмента с учетом требований к производительности и качеству обработки изделия, предвидеть характер разрушения режущих зерен в инструменте и степень его интенсивности в разных условиях работы, целесообразно выбирать материал абразивного инструмента, формировать требования к свойствам новых абразивных материалов для инструментов, которые обеспечивают наиболее производительные режимы обработки деталей шлифованием.
Изучение законов образования и распределения тепла при шлифовании помогает вскрыть сущность сопутствующих процессу явлений и опреде-
лить эффективные пути обеспечения работоспособности шлифовального инструмента, выбора рациональных режимов шлифования и повышения качества обработки. На рис. 1 показаны характерные схемы ленточных шлифовальных станков. Схема 1, а предусматривает использование для обработки верхней прямой ветви ленты, а схема 1, б - нижней. В первом варианте имеется под лентой опора (поверхность стола), во втором опора заменена контактным прижимом. В случае работы верхней ветви абразивной ленты обработка заготовок возможна при наличии или отсутствии их подачи. В последнем случае длина заготовок не ограничена. При работе нижней ветви абразивной ленты контактные прижимы могут быть неподвижны (длинные) и подвижны (короткие). Короткий прижим перемещается в зоне обрабатываемой поверхности возвратно-поступательными движением. В этом варианте заготовка может совершать движение с опорой (со столом) под лентой, когда отсутствует движение контактного прижима под лентой.
Рис. 1. Варианты ленточного шлифования древесины: а - шлифование заготовки 1 верхней лентой 2 с опорой 3 и прижимом 4; б - шлифование заготовки 1 нижней лентой 2 с прижимом 3 и опорой 4
В случае работе шлифовального станка по схеме 1, а абразивная лента нагревается в зоне контакта зерен с поверхностью заготовки (при стружкообразовании) и от трения о поверхность опоры (стола) под лентой. В случае работы по схеме 1, б абразивная лента нагревается от трения о поверх-
ность контактного прижима при контакте зерен с поверхностью заготовки (при стружкообразовании).
Количество тепла, образующегося при шлифовании древесины и древесных материалов, зависит от количества работы, затрачиваемой на процесс. Уравнение теплового баланса можно представить в виде (Дж)
0,о = бд + бт = би + бр + Qc + бо. с , (1)
где бо - общее количество образующегося при шлифовании древесины и древесных материалов тепла; бд - тепло, эквивалентное работе стружкообразования при микрорезании древесины абразивными зернами; бт -тепло, эквивалентное работе сил трения на контактных поверхностях абразивной ленты при шлифовании древесины; би, Qp, Qc, бо. c - теплота, которая в результате теплообмена передается соответственно обрабатываемой заготовке, абразивной ленте, стружке, окружающей среде.
В практических расчетах в первом приближении можно принять, что тепловая и механическая мощности при шлифовании эквивалентны. Работой, затраченной на упругие деформации при образовании стружки и новой поверхности, можно пренебречь. Следует учитывать лишь работу, расходуемую на пластические деформации и трение.
Примем, что механическая работа, затраченная на шлифование, превращается преимущественно в тепловую энергию. Часть работы, равная работе нормальных сил в зоне резания, локализуется в древесине и абразивной ленте, а остальная, равная работе сил трения скольжения, - на поверхности скольжения. Большая часть образующегося тепла распространяется в абразивной ленте, а меньшая - в древесине при низкой ее теплопроводности. Точное соотношение в распределении тепла в уравнении (1) для условий шлифования древесины и древесных материалов еще не установлено. Этот вопрос требует дальнейших специальных теоретических и экспериментальных исследований с использованием законов современной теплофизики резания материалов [1; 2].
Аналитический расчет температуры резания при шлифовании древесины, особенно распределения температур по поверхности абразивной ленты (инструмента) и заготовки, представляет большие трудности. Расчеты упрощаются, когда определяется средняя температура резания (шлифования), достаточно хорошо характеризующая теплонапряженность процесса.
Определим среднюю температуру в зоне резания при ленточном шлифовании древесины в зависимости от основных факторов, влияющих на процесс шлифования.
Если принять, что вся работа, затраченная на шлифование, превращается в теплоту, можно написать равенство в виде, кал/с:
Qo
PV
4,19,
(2)
где Qo - количество теплоты, выделившееся при шлифовании, кал/с; Рк -касательная составляющая силы резания при шлифовании, H; V - скорость резания при шлифовании, м/с; 4,19 - механический эквивалент тепла, Дж/кал.
Если касательную составляющую силы резания (Рк) выразить при шлифовании через сечение удаляемого при шлифовании слоя древесины (Fc) и удельную силу резания при шлифовании (К), а процент тепла в абразивной ленте обозначить через μ, то на основе равенства (2) получим, кал/с:
Qp
mKFçV
4,19
(3)
где Qp - количество тепла, сохранившегося в абразивной ленте, кал/с; μ -процент сохранения тепла в абразивной ленте; K - удельная сила резания
при шлифовании, Н/мм2; Fc - сечение удаленного при шлифовании слоя
2
древесины, мм .
С другой стороны, количество теплоты (Q, Дж), сохранившееся в абразивной ленте на нагреваемом участке при увеличении температуры на Δt град,
Q - Cm G At - Cm G (ti - t2), (4)
где Cm - удельная теплоемкость материала абразивной ленты, Дж/(кг · град); G - масса нагреваемого участка абразивной ленты, кг; t1 -температура в момент шлифования абразивной ленты, град; t2 - начальная температура абразивной ленты, град.
Масса нагреваемого участка абразивной ленты
G - (γ V, )/103.
С учетом массы выражение (4) представим в виде
Q
C gV.. C gV..
е-At = -^(t1 -t2),
103
103
где γ - плотность материала абразивной ленты, г/см3; Ул - объем нагреваемой части абразивной ленты, см3.
Приравняв выражение (3) к (5), имеем:
mKFçV = с gvs 4,19 103
(t1 - t2).
(6)
Из равенства (6) средняя температура абразивной ленты при шлифовании древесины, град,
А =
io3 mkFQv
4.19C, gVe
+ 12.
(7)
Из формулы (7) видно, что средняя температура абразивной ленты при шлифовании древесины зависит от силы резания, скорости резания (V), теплопроводности абразивной ленты и ее массы. С увеличением силы и скорости резания средняя температура абразивной ленты в зоне резания возрастает. Часть тепла при шлифовании расходуется на нагрев окружающей среды излучением, а другая часть отдается окружающему воздуху конвекцией.
Количество тепла, которое расходуется излучением в окружающую среду, кал/с,
W =
NF.
3600
273 + 4 У + ( 273 + tâ \
100 J ( 100 J
(8)
где С - коэффициент излучения от поверхности абразивной ленты, кал/(м2 · r · град); Ғи - поверхность излучения, м2; tл - температура абразивной ленты, оС; tE - температура окружающего воздуха, °С.
Количество тепла которое отдается окружающему воздуху конвекцией (без масштабного фактора), кал/с,
aF
W, =--4t, - tâ), (9)
е 3600 â
где Ғк - поверхность абразивной ленты, контактирующая с окружающим воздухом, м2; α - коэффициент теплоотдачи от абразивной ленты окружающему воздуху, кал / м2 · r · оС.
Коэффициент теплоотдачи a можно определить по формуле Нуссель-та [2],
a = 6,14 Ғо0,78, (10)
где Уо - относительная скорость движения абразивной ленты и воздуха, м/с.
Теплота, возникающая при шлифовании, распространяется в абразивную ленту и в заготовку, часть ее отводится срезаемой стружкой и рассеивается в окружающую среду. Распространение теплоты в абразивную ленту и заготовку происходит пропорционально их теплоемкости и теплопроводности. Абразивную ленту при движении пересекает тепловой поток в зоне контакта зерен с древесиной. Чем больше скорость движения ленты, тем меньше теплоты переходит от абразивной ленты и стружки в обрабатываемую заготовку. Если скорость ленты будет больше скорости распространения теплоты в заготовку и окружающую среду, то большая часть теплоты перейдет в удаляемую стружку и абразивную ленту.
Абразивная лента при движении на холостом участке (на поверхности шкивов и нерабочей ветви) при контакте с окружающим воздухом частично охлаждается. Средняя температура нагрева абразивной ленты будет возрастать медленнее скорости резания. Количество теплоты, которое отводится удаляемой стружкой при шлифовании, с увеличением скорости резания должно возрастать. Стружка, запрессованная в пространствах между зерен на ленте, из-за трения приводит к увеличению температуры в зоне резания.
Экспериментальные исследования в значительной мере подтверждают наши заключения (3), (4). Результаты приведены на рис. 2. Условия опытов: обрабатывается береза, ДСтП, лиственница; влажность древесины 810 %; зернистость абразивной ленты 12 и 20; давление прижима 2-6 КПа; скорость резания 15-30 м/с.
Было установлено, что с увеличением скорости резания температура в зоне шлифования возрастает. Это связано с тем, что при увеличении скорости резания сила резания также увеличивается. Возрастает и плотность теплового потока. В зависимости от того, какой фактор (скорость резания или сила резания) будет оказывать преобладающее влияние на плотность теплового потока, температура в зоне шлифования будет изменяться по-разному, т. е. увеличиваться или уменьшаться.
а)
15 20 25 ЗО V, м/с
б)
t, °С
Рис. 2. Зависимость температуры от скорости резания (а) и давления прижима (б): а) 1 - q = 4 кПа; 2 - q = 2 кПа; зернистость шкурки 30; (-) - береза; (—) - ДСтП; б) 1 - V = 30 м/с; 2 - V = 20 м/с; (-) - зернистость 12; (—) - зернистость 20 (береза)
Увеличение давления прижима приводит к увеличению силы резания и увеличению глубины внедрения абразивных зерен в древесину. С ростом давления также увеличивается и количество зерен, участвующих в стружкообразовании. Увеличенное количество образующейся стружки заполняет межзерновое пространство и вытесняет зерна из поверхности обработки древесины. Возрастают силы трения между абразивной лентой и древесиной и, как следствие, увеличивается температура в зоне резания. С увеличением зернистости абразивной ленты с 12 до 20 средняя температура в зоне шлифования уменьшается. При шлифовании лиственницы при всех равных прочих условиях в сравнении с обработкой березы средняя температура в зоне шлифования увеличивается.
Большое влияние на температуру в зоне резания при шлифовании оказывает состояние рабочей поверхности абразивной ленты. В начальный период обработки при острой ленте изменение зернистости и давления ленты при постоянной скорости резания не оказывает существенного влияния на среднюю температуру в зоне резания. Износ и затупление абразивной ленты приводят к повышению средней температуры в зоне резания в среднем в 1,5-2,0 раза с появлением прижогов на поверхности обработки.
Выводы. Тепловые явления при шлифовании древесины и древесных материалов являются важным показателем работоспособности абразивных инструментов и отражают сложность физических процессов в зоне
контакта абразивных зерен с обрабатываемым материалом при стружкообразовании.
Применительно к условиям шлифования древесины и древесных материалов тепловые явления пока изучены мало, требуются целенаправленные комплексные теоретические и экспериментальные исследования для выяснения общих закономерностей температурных явлений, необходимых при решении практических задач по оптимизации процессов шлифования древесины и древесных материалов и создания эффективных абразивных инструментов
Аналитический расчет температуры резания при шлифовании древесины с определением температуры на поверхности абразивного инструмента и заготовки представляет определенные трудности. Для практических расчетов можно в ряде случаев определять среднюю температуру резания, достаточно хорошо характеризующую теплонапряженность процесса.
Библиографический список
1. Резников А. Н. Теплофизика резания. М.: Машиностроение, 1969. 287 с.
2. Лыков А. В. Теория теплопроводности. М.: ГИТТЛ, 1952. 210 с.
3. Коробовский А. А. Повышение износостойкости шлифовальных лент при обработке древесины и древесных материалов: Автореф дис. ... канд. техн. наук. Л.: ЛТА, 1984. 17 с.
4. Борзенкова С. С. Исследование процесса ленточного шлифования лиственницы сибирской: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. Л.: ЛТА, 1980. 16 с.
Приведен расчет температуры в зоне контакта абразивной ленты с обрабатываемой древесиной с учетом основных факторов процесса шлифования поверхности. Предложены практические рекомендации по снижению температуры нагрева абразивного инструмента.
* * *
The article is developed to the temperature calculation in a zone of contact of an abrasive tape with processed wood taking into account major factors of surface grinding process. Conclusions and practical recommendations temperature decrease while heating of the abrasive tool are described.
