СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УСИЛИЙ ЭЛЕМЕНТАРНОГО РЕЗАНИЯ
METHOD AND DEVICE FOR MEASURING FORCES OF SIMPLE CUTTING

Изобретение относится к области исследования и анализа свойств материалов путем измерения усилий элементарного резания (далее резания) и может быть использовано для определения физико-механических свойств и макроскопического строения различных материалов, в частности древесины, а также в изучении силовых характеристик процессов механического простого и сложного резания.
В науке о механической обработке древесины физико-механическим свойствам ее уделяется большое внимание, что связано с их непосредственным влиянием на процессы резания [1]. В работе И.Т. Глебова приводится информация о влиянии физико-механических характеристик на процесс резания. В частности, представлены графики изменения удельной работы резания с увеличением плотности древесины. Отмечается, что с увеличением плотности удельная сила резания растет. Данную зависимость для торцового, продольного и поперечного видов резания можно представить как прямолинейную [2]. Поэтому способ и устройство для измерения усилий элементарного резания может использоваться для исследования и анализа свойств и макроскопического строения древесины.
Известны способ и устройство для измерения усилий резания, представленное в виде маятникового копра [3]. Способ основан на Законе сохранения и превращения энергии. Установка содержит основание с закрепленными на нем двумя стойками, маятниковый молот с режущим клинообразным ножом, рычаг для фиксации молота, шкалу работ и опору для крепления используемых образцов. Определение усилия или удельной работы резания осуществляется визуально по делению на шкале работ, соответствующему максимальной высоте подъема маятникового молота после резания (в конце рабочего движения).
Недостатком данного способа и устройства является то, что измеренное значение удельной работы резания является средним значением по всей длине исследуемого материала, т.е. не позволяет определить изменение удельной работы резания и усилий на некотором малом участке образца; возможно определить лишь касательную составляющую сил резания.
Известны способ и устройство для измерения усилий элементарного резания [4], основанные на применении в качестве измерительных устройств тензометрических датчиков, позволяющих определять касательную составляющую сил резания и наблюдать за процессом внедрения режущей кромки клинообразного резца (далее - резца / режущего инструмента) в материал при резании и образовании стружки. Устройство включает механизм надвигания державки с режущим инструментом, состоящий из винтовой передачи и мотор-редуктора; подвижный окуляр с фокусом, наведенный на режущую кромку резца и движущийся вместе с ним; измерительную систему.
Недостатком данного способа и устройства является то, что измеренное значение усилия резания является средним значением по всей длине исследуемого материала, невозможно определить боковую и радиальную составляющие сил резания, конструкцией не предусмотрено выполнение резания с одновременным варьированием угла заострения, заднего и переднего углов резания.
Известны способ и устройство для измерения усилий элементарного резания [5], основанные на применении в качестве измерительных устройств тензометрических динамометров, позволяющих определять касательную и радиальную составляющие сил резания. Устройство включает станину, на которой закреплены посредством винтового вала два подвижных суппорта с образцом и с неподвижным режущим инструментом соответственно; червячный редуктор, осуществляющий посредством винтовой передачи процесс резания путем надвигания образца материала на резец.
Данный способ и устройство взяты нами за прототип.
Недостатком данного способа и устройства является то, что с их помощью невозможно определить боковую составляющую сил резания, тензометрический динамометр, состоящий из тензометров, измерительных мостов и полумостов не обеспечивает достаточную точность измерения усилий резания, конструкция является массивной и энергоемкой.
Общими недостатками рассмотренных устройств является то, что в представленных устройствах используются образцы достаточно малых размеров, поэтому для выполнения резания необходимо предварительно обработать исследуемый образец для получения стандартных размеров и для осуществления открытого резания. Также усилия и удельная работа резания определяются визуально или с помощью аналоговых устройств, которые дают невысокую дискретность и точность измерений.
Таким образом, с помощью представленных выше способов и устройств не представляется возможным осуществить автоматизацию исследований и анализа свойств материалов путем применения современной вычислительной техники с целью повышения точности измерений и упрощения процесса обработки данных.
Техническим результатом является повышение точности и автоматизации измерения трех основных (касательной, радиальной и боковой) составляющих сил резания (далее - сил резания), увеличение дискретности измерений, уменьшение времени и упрощение процедур преобразования, управления и обработки получаемых данных.
Технический результат достигается тем, что измерение касательной, радиальной и боковой сил выполняется датчиками измерения усилий растяжения и сжатия; выходные параметры датчиков измерения усилий растяжения и сжатия оцифровываются аналого-цифровым преобразователем и передаются на компьютер в виде цифровых сигналов для обработки, управления и отображения данных. Касательная, радиальная и боковые составляющие силы резания зависят от физических и механических свойств исследуемого образца и применяются для определения его плотности, твердости и других физико-механических характеристик. Для обеспечения открытого резания при ширине клинообразного резца меньше, чем ширина исследуемого образца, служат канавки, соонаправленные рабочему движению и проходящие в плоскостях боковых поверхностей режущего инструмента.
Рабочая часть устройства состоит из державки, маятникового стержня, стрелы и подвижной каретки, которые соединены между собой в той же последовательности посредством шарниров. Измерительная система устройства включает датчики измерения усилия и сжатия, аналогово-цифровой преобразователь и компьютер. Ось вращения шарнира, соединяющего державку с маятниковым стержнем, параллельна направлению рабочего движения клинообразного резца; оси вращения шарниров, соединяющие маятниковый стержень со стрелой и стрелу с подвижной кареткой, перпендикулярны направлению рабочего движения. Для определения составляющих сил резания при прямолинейном резании клинообразным резцом державка с маятниковым стержнем, маятниковый стержень и стрела с подвижной кареткой соединены датчиками усилий растяжения и сжатия, являющимися опорами для обеспечения жесткости конструкции и неподвижности режущего инструмента относительно подвижной каретки. Датчики усилий растяжения и сжатия шарнирно соединены с державкой, маятниковым стержнем, стрелой и подвижной кареткой. Определение перемещения клинообразного резца при прямолинейном резании осуществляется энкодером, установленным на приводе механизма надвигания режущего инструмента. Канавки на исследуемом образце выполняются прорезными фрезами, приводимыми во вращение отдельным от привода надвигания клинообразного резца двигательным механизмом, установленным на рамке.
На фиг. 1 представлена кинематическая схема устройства для измерения усилий элементарного резания; на фиг. 2 - общий вид устройства для измерения усилий элементарного резания (вид сбоку); на фиг. 3 - расположение датчика на маятниковом стержне (вид со стороны крепления образца для исследования); на фиг. 4 - 3D-модель устройства для измерения усилий элементарного резания.
Устройство состоит из:
1
2
3
1
1
3
механизма надвигания резца, включающего мотор-редуктор 1, энкодер 2, винтовую передачу 3 и линейные направляющие 4, приводящие в поступательное движение каретку 5 с шарнирно-закрепленной на ней стрелой 6 и датчиком Д; стрелы 6, шарнирно соединенной с рукоятью 7, которая в свою очередь соединена с державкой 8 с помощью шарнира; датчиков Д и Д, которые так же, как и датчик Д, соединены со стержнями 9, выполняющими роль опор, придающих жесткость всей конструкции, испытывающих действие усилия резания и передающих эти усилия непосредственно датчикам; резца 10, закрепленного в державке 8 с помощью клинообразной пластины 11; каретки 5, шарнирно соединенной с рамкой 12, на которой установлены прорезные фрезы 13, привод их вращения и опоры 14; стола 15 для крепления образца 16; измерительной системы, включающей датчики измерения усилия и сжатия (Д-Д), аналогово-цифровой преобразователь (устройство сбора данных) и компьютер с установленным программным обеспечением, относящимся к автоматизированным системам научных исследований, например прикладной программой, разработанной в среде Lab VIEW для обработки, отображения и управления данными процесса элементарного резания.
Способ осуществляют следующим образом.
Первоначально исследуемый образец 16 закрепляется неподвижно на корпусе устройства для измерения усилий элементарного резания. Исследуемый образец 16 может закрепляться на столе 15 любым способом и с устройством, обеспечивающими нормальное и достаточное рабочее движение резца 10 и каретки 5 и полную неподвижность образца 16 относительно стола 15, например, с помощью струпцин. Для осуществления открытого резания рамка 12 с двигательным механизмом и прорезными фрезами 13 поворачивается в положение I (фиг. 2), включается двигатель и начинается прорезание канавок перед резцом 10, таким образом, резание будет открытым. Опоры 14 в виде лыж служат регуляторами глубины прорезания канавки в образце 16. Если нет необходимости осуществлять открытое резание, то рамку 12 с двигательным механизмом и прорезными фрезами 13 следует переместить в положение II (фиг. 2).
2
1
Угол заострения резца 10 меняется путем его заточки под заданный угол, а задний и передний углы резания настраиваются посредством поворота рукояти 7 относительно стрелы 6 на шарнире с последующей жесткой фиксацией стержней датчика Д. Толщина срезаемой стружки исследуемого материала может меняться несколькими способами: 1) изготовлением образцов 16 необходимых размеров; 2) закреплением резца 10 в державке 8 в определенном положении; 3) поворота стрелы 6 относительно подвижной каретки 5 на шарнире с последующей шарнирной фиксацией стержней датчика Д. Фиксация стержней датчиков может выполняться разными видами крепежных соединений, например соединением «болт-гайка».
Резец 10 в державке 8 может быть закреплен любым способом и устройствами, обеспечивающими нормальное, достаточное рабочее движение каретки 5 и полную неподвижность режущего инструмента в процессе работы, например, путем зажима клинообразной пластины 11.
1,
2
3
Касательная, радиальная и боковая составляющие силы резания измеряются датчиками Д Д и Д (фиг. 1) соответственно, сигналы от которых поступают на аналогово-цифровой преобразователь (далее - АЦП) и далее на ЭВМ, где происходит запись и отображение данных в виде графиков и в числовом формате. АЦП также преобразуют сигналы, поступающие от энкодера 2, который, в свою очередь, определяет перемещение режущего инструмента 10. Результаты измерений представляют собой непрерывные графические зависимости составляющих сил резания от перемещения резца 10 по образцу 16 при рабочем движении. Определение средних значений и динамики изменений плотности, твердости исследуемого материала осуществляется с учетом экспериментально полученных и научно-обоснованных зависимостей сил элементарного резания от физико-механических свойств различных материалов, в частности древесины.