Жесткое шлифование древесины абразивными кругами Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 674.02

B. И. Санёв,

доктор технических наук, профессор [email protected]

C. Е. Рудов, соискатель

Санкт-Петербургская государственная лесотехническая академия

ЖЕСТКОЕ ШЛИФОВАНИЕ ДРЕВЕСИНЫ АБРАЗИВНЫМИ КРУГАМИ

Жесткое шлифование, абразивные зерна, скорость резания, тепловые явления, теплоемкость.

Rigid grinding, abrasive grains, speed of cutting, the thermal phenomena, a thermal capacity.

При шлифовании брусковых заготовок из древесины и древесных материалов наравне с другими инструментами находят применение абразивные круги. Последние бывают двух типов: сплошные и составные. Они обеспечивают жесткое шлифование, которое характеризуется постоянным расстоянием между рабочей поверхностью круга и технологической базой станка. Это расстояние сохраняется при работе круга постоянным независимо от изменения толщины снимаемого слоя с заготовки и физико -механических показателей обрабатываемого материала. Станки со сплошными и составными абразивными кругами, обеспечивающими жесткое шлифование заготовок, работают по принципу рейсмусового станка, т. е. обрабатывают заготовки с получением необходимого размера по толщине. Специальные сплошные абразивные круги для обработки древесины и древесных материалов разработаны в 1958 году. Львовским лесотехническим институтом [1]. Материалом абразивных зерен в этих кругах является стекло, карбид кремния и электрокорунд, а связкой - бакелитовая смола, фенолформальдегидные смолы. Опыт показал, что применение этих кругов вместо шлифовальной шкурки дает возможность шлифовать заготовки сразу после пиления. При этом толщина снимаемого слоя за один проход может достигать 1 мм и более.

При шлифовании кругом зернистостью 50 шероховатость обработанной поверхности достигает 8-9-го классов по ГОСТ 15467-79. В составном абразивном круге для жесткого шлифования на жесткой (металличе-

ской, пластмассовой или деревянной) наружной поверхности натянута и закреплена шлифовальная шкурка. Она состоит из гибкой основы (бумага, ткань, фибра), к которой посредством связки (мездровый и синтетический клеи) прикреплены абразивные зерна из разнообразных природных и синтетических материалов: электрокорунда (окись алюминия), карбида кремния, кремня (двуокись кремния), стекла и др. Характеристики шлифовальной шкурки: вид абразивного материала; зернистость абразивного материала; плотность насыпки зерен на основу; материал основы; клейсвязка; влагостойкость.

Процесс жесткой обработки абразивными кругами древесины и древесных материалов сопровождается механическими, тепловыми, электрическими и химическими явлениями. Механические явления связаны с резанием материала абразивными зернами с образованием тонких узких стружек и трением, которое при абразивной обработке древесины и древесных материалов играет важную роль. Соотношение между резанием и трением зависит от многих факторов: свойств обрабатываемого материала, геометрии и свойств абразивных зерен, давления зерен на материал, скорости шлифования, плотности насыпки зерен на основу шкурки. Тепловые явления проявляются в нагреве рабочей поверхности круга и обработанной поверхности заготовки. Нагрев основы шкурки и связки способствует выкрашиванию абразивных зерен и засаливанию шкурки с потерей ее функции. Химические явления проявляются в образовании окисных пленок и адсорбционных слоев, которые удаляются абразивными зернами и при обработке древесины не играют существенной роли. Электрические явления связаны с электризацией поверхностей контакта абразивных зерен с обрабатываемым материалом. При шлифовании возникают трибо- и пьезозаряды. Первые образуются при трении, вторые - в результате механических напряжений и деформаций при стружкообразовании и особенно при обработке сухой древесины. Для устранения вредного влияния электрических зарядов обычно используют средства их нейтрализации: увлажнение воздуха в зоне шлифования, ионизацию воздуха, отвод зарядов в землю и др.

Здесь приведена схема жесткого шлифования заготовки абразивным кругом, на рабочей наружной поверхности которого натянута и закреплена шлифовальная шкурка. На схеме обозначено: Р - результирующая сила резания, Н; Рк , Рн - касательная и нормальная составляющие силы резания, Н; Р'к , Р'н - вертикальные составляющие касательной и нормальной сил резания, Н; Р''к , Р''н - горизонтальные составляющие касательной и нормальной сил резания, Н; Рв , Рг - вертикальная и горизонтальная со-

Схема жесткого шлифования заготовки абразивным кругом с шлифовальной шкуркой

ставляющие результирующей силы резания, Н; ω - угловая скорость круга; R - радиус круга; Н - постоянное расстояние от базы до оси круга; h -толщина (переменная) снимаемого слоя с заготовки; VS - скорость подачи заготовки, м/мин.

Силы резания являются результатом сложения сил на каждом абразивном зерне. Суммарная (результирующая) сила резания (см. схему)

P = p + р, или иначе D = yj£? + £f. (1)

Согласно схеме горизонтальная и вертикальная составляющие результирующей силы резания

D = D + D\ (2)

1

II

çf (3)

При малой толщине снимаемого слоя (h) сила Р'н> Р'к. В связи с этим при жестком шлифовании древесины абразивным кругом вертикальная составляющая сила Рв направлена от круга на заготовку, т. е. является силой отжима. Из схемы имеем

D = D ■cos ф, D1 = Pî ■ sin ф; (4)

Dİ = Dg ■ sin j, D1 = D- ■ cos j. (5)

С учетом зависимостей (4), (5) горизонтальную и вертикальную составляющие результирующей силы резания можно представить в виде

Da = De · cos φ+ p · sin φ, (6)

Dâ = D · cos φ-De · sin φ, (7)

Из выражений (6), (7) касательная и нормальная составляющие результирующей силы резания будут:

D =

£>а - П · sin φ cos φ

D =

П + D ·sin φ

cos φ

(8)

Угол φ (рад) в формулах (8) при диаметре абразивного круга D = 2R и толщине снимаемого слоя h определяется выражением

φ = arccos | 1 -— \.

При известном значении результирующей силы резания (1) касательная и нормальная составляющие силы резания определяются формулами

De = D·sinφ(α-φ), D = D·cos(a-j). (9)

Угол a (рад) в формулах (9) определяется из выражения

a = arctg—.

(10)

Горизонтальная и вертикальная составляющие результирующей силы резания определяются формулами (6), (7). При известных значениях величин, характеризующих режим жесткого шлифования древесины или древесного материала, касательная составляющая результирующей силы резания может определяться по объемной формуле

= KQ = KhbVs = V _ 60V

(11)

где K - удельная работа резания, Дж/см3 (по модулю равна удельной силе резания К, Н/мм2); h - толщина снимаемого слоя при шлифовании материала, мм; Vs - скорость подачи заготовки, м/мин; V - скорость резания при шлифовании, м/с.

Нормальная составляющая результирующей силы резания может быть определена как функция касательной составляющей силы резания:

£( = mD, =

mKhb Vs 60V

(12)

Коэффициент m = D( / D, зависит от режима шлифования, характеристик и остроты зерен шлифовальной шкурки на поверхности круга, породы древесины, ее влажности и других факторов. С затуплением зерен, увеличением глубины шлифования (толщины снимаемого слоя), плотности обрабатываемого материала нормальная сила (отжима) возрастает больше, чем касательная сила и, следовательно, коэффициент (m) увеличивается.

На работоспособность абразивного круга с шлифовальной шкуркой на рабочей поверхности при жестком шлифовании древесины или древесных материалов значительное влияние оказывают тепловые явления, возникающие в зоне контакта круга с обрабатываемой заготовкой при стружкообразовании. Образовавшееся тепло влияет на режущую способность абразивных зерен и активизирует процесс засаливания рабочей поверхности шлифовальной шкурки. Закупорка межзерновых пространств размягченными частицами обрабатываемого материала приводит к потере работоспособности шлифовальной шкурки. Теплота, возникающая при шлифовании, нагревает шлифовальную шкурку, нагревает обработанную поверхность заготовки, частично удаляется стружкой из зоны резания, поступает через шлифовальную шкурку в корпус круга, частично рассеивается в окружающую среду (излучением и конвенцией). Из-за сравнительно малой теплопроводности древесины и основы шкурки последняя в большей степени аккумулирует возникающее при шлифовании тепло.

Определение температуры в зоне резания при жестком шлифовании древесины и древесных материалов расчетным путем можно осуществить, полагая, что вся работа шлифования переходит в тепло. Исходя из этого количество теплоты, образующееся при шлифовании, можно определить через механический эквивалент теплоты (кал/с)

Q

£V

4,19,

(13)

где Рк - касательная сила резания при шлифовании, Н; V - скорость резания при шлифовании (V = шЛ), м/с; 4,19 - механический коэффициент теплоты, Дж/кал.

Выражая касательную силу резания через сечения срезаемого слоя, удельную силу резания и учитывая процент (долю) тепла, поступающего в абразивную шкурку круга, формулу (13) представляем в виде

Qı

mEFv

4,19

(14)

где Q1 - тепло, расходуемое на нагрев шлифовальной шкурки, кал/с; μ -процент (доля) тепла сохранившегося в шлифовальной шкурке; К -удельная сила резания при шлифовании, Н/мм2; Fc - площадь сечения срезаемого слоя при шлифовании материала кругом (Fc = hb), мм2.

С другой стороны, количество теплоты (Дж) в шлифовальной шкурке при шлифовании можно определить зависимостью

Q2 = CöGAt = CbG(tl -12), (15)

где Ст - удельная теплоемкость шлифовальной шкурки, Дж/кг · град; G -масса нагреваемой шкурки, кг; Δt - разность температур, град; 6 - температура нагрева шкурки при шлифовании в зоне резания, град; t2 - начальная температура шкурки (до шлифования), град.

Масса нагреваемой шлифовальной шкурки (кг)

G =

γθ0

103

С учетом этой массы формула (15) примет вид

Q2

CJ00_ At = Cj_Q -12),

103

103

(16)

где γ - плотность материала шлифовальной шкурки, г/см3; 0ш - объем нагреваемой шлифовальной шкурки, см3.

Учитывая выражение (14) и (16) можно записать:

mKFçV

4,19

C. γΘ

Л 3 0 (t, -12). 103 2

(17)

Отсюда имеем для определения средней температуры нагрева шлифовальной шкурки при работе абразивного круга выражение (град)

t1 =

103 mKFcv 4,19C0g Θ0

+ 12 .

(18)

Таким образом, из формулы (18) средняя температура нагрева шлифовальной шкурки на рабочей поверхности абразивного круга при жестком шлифовании древесины (древесного материала) прямо пропорциональна силе резания (мощности резания при шлифовании) и обратно пропорциональна удельной теплоемкости, плотности и объему (массе) нагреваемой шлифовальной шкурки. Доля сохранения теплоты в шлифовальной шкурке должна увеличиваться. Это связано с тем, что возникающая при шлифовании теплота проникает в шкурку с определенной скоростью, которая зависит от теплоемкости и теплопроводности материала шкурки. Абразивный круг при вращении пересекает этот тепловой поток. Чем больше частота вращения круга, тем меньше теплота успевает перейти из зоны резания в шлифовальную шкурку. Когда скорость резания будет больше скорости распространения теплоты - вся теплота перейдет в шкурку (в определенной доле).

При вращении абразивного круга часть теплоты от нагретой шкурки расходуется на нагрев окружающей среды излучением, а другая часть отдается окружающему воздуху конвекцией. Количество теплоты, которое расходуется излучением в окружающую среду (ккал/с),

&

ÇF.

360

273 + ί, \ 100 )

273 + \ 100 )

(19)

где С - коэффициент излучения от поверхности шкурки, ккал/м2 r · град; Ғи - поверхность излучения с шкурки, м2; Їл - температура нагрева шкурки при шлифовании, °С; 4 - температура окружающего воздуха, °С.

Количество теплоты, которое отдается конвекцией окружающему

воздуху,

Q· = (ί.. - ί-), (20)

· 3600і е

где Ғк - поверхность шлифовальной шкурки на круге, контактирующая с окружающим воздухом, м2; a - коэффициент теплоотдачи от шлифовальной шкурки на круге окружающему воздуху, ккал/ м2 r · град.

При относительной скорости движения абразивной шкурки и воздуха Vo (м/с) при вращении круга в момент шлифования древесины (древесного материала) коэффициент можно определить по формуле [3] a = 6,14Vo0’78.

Процесс жесткого шлифования древесины абразивным кругом характеризуется отсутствием у круга непрерывной режущей кромки, неправильной геометрической формой абразивных зерен и беспорядочным их расположением на шлифовальной шкурке, интенсивностью скалывания и износа зерен, почти мгновенным процессом резания одним зерном и при наличии теплоты засаливанием межзерновых пространств с потерей работоспособности круга. Поэтому любой параметр процесса жесткого шлифования древесины надо рассматривать как функцию многих переменных (кинематика, режим резания, свойства абразивного круга, свойства обрабатываемого материала и др.).

Выводы.

Жесткое шлифование древесины (древесных материалов) кругами с шлифовальной шкуркой на рабочей поверхности может найти широкое применение при обработке брусковых заготовок в различных деревообрабатывающих производствах.

Жесткое шлифование древесины абразивными кругами с шлифовальной шкуркой на рабочей поверхности пока изучено еще мало. Требуются дальнейшие теоретические и экспериментальные исследования для изучения основных вопросов, связанных с работоспособностью этих кругов.

В дальнейшем на экспериментальной основе необходимо изучить: силовые, мощностные и качественные показатели процесса шлифования абразивными кругами с различной структурой шлифовальных шкурок; стойкость абразивных кругов; механизм засаливания шкурки на кругах; температурные явления при шлифовании древесины и древесных материалов абразивными кругами.

Библиографический список

1. Грубе А. Э. Дереворежущие инструменты. М.: Лесн. пром-сть, 1971. 343 с.

2. Манжос Ф. М. Дереворежущие станки. М.: Лесн. пром-сть, 1974. 449 с.

3. Лыков А. В. Теория теплопроводности. М.: ГИТТЛ, 1952. 210 с.

Приводится расчет температуры в зоне контакта абразивного круга с обрабатываемой древесиной с учетом основных факторов процесса шлифования поверхности. Даны рекомендации по снижению температуры нагрева абразивного инструмента.

In the article temperature calculation in the zone of contact of an abrasive circle with processed wood taking into account major factors of grinding process of a surface is stated. Conclusions and practical recommendations on temperature decrease under heating of the abrasive tool are given.