Анализ явлений на контактных поверхностях режущего клина при резании плитных древесных композиционных материалов

АНАЛИЗ ЯВЛЕНИЙ НА КОНТАКТНЫХ ПОВЕРХНОСТЯХ РЕЖУЩЕГО КЛИНА ПРИ РЕЗАНИИ ПЛИТНЫХ ДРЕВЕСНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

В.В. АБРАЗУМОВ, доц. каф. материаловедения и ТКММГУЛ, канд. техн. наук, В.Д. КОТЕНКО, проф. каф. материаловедения и ТКМ МГУЛ, д-р техн. наук

Процесс резания материалов сопровождается сложным взаимодействием режущего клина и обрабатываемой заготовки. В результате трения между стружкой и передней поверхностью, задней поверхностью и поверхностью резания происходит износ режущего инструмента. Среди факторов, влияющих на износ режущих кромок, первостепенную роль играет высокая температура в поверхностных слоях режущей части резца.

Она влияет на процессы, происходящие на контактных поверхностях, которые определяют механизмы и интенсивность изнашивания. Температура зависит от физико-механических свойств обрабатываемого материала и материала заготовки, режима резания, геометрии инструмента, условий обработки и других факторов. Контактные поверхности режущего клина имеют малые размеры, что приводит к большим градиентам температуры на этих поверхностях. Современные методы экспериментальных исследований не позволяют с достаточной точностью измерить температуру на таких поверхностях и тем более невозможно учесть влияние всех факторов на процесс взаимодействия режущего инструмента с обрабатываемой поверхностью. Теоретический анализ явлений, происходящих на контактных поверхностях режущего клина при его взаимодействии с обрабатываемым материалом, основанный на модельном представлении их, позволяет всесторонне оценить влияние на эти процессы как отдельных факторов, так и их совокупности.

Анализу тепловых явлений процесса резания металлов посвящено большое количество научных работ [1-3]. К настоящему времени создана достаточно строгая теория, позволяющая анализировать тепловые явления в зоне резания в зависимости от режимов и условий резания, геометрии режущего инструмента, физико-механических свойств материала заготовки и режущего инструмента. Эта теория находит успешное применение и для анализа тепловых явлений при резании древесины [4, 5]. Основные положения этой теории могут также использоваться и для анализа тепловых явлений при резании древес-

ных композиционных материалов с учетом их особенностей. В отличие от металлов древесные композиционные материалы обладают значительно меньшей теплопроводностью (их теплопроводность более, чем на два порядка, ниже металлов), а при их обработке скорость резания более, чем на порядок, выше, чем при обработке металлов. Большинство древесных композиционных материалов, особенно на минеральных вяжущих, обладает структурной неоднородностью. Почти все древесные композиционные материалы являются пористыми. Эти особенности необходимо учитывать при анализе тепловых явлений процесса их резания.

В работе [6] предложена структурная модель цементно-стружечной плиты (ЦСП) для целей резания. В этой модели предполагается, что часть усилия резания затрачивается на разрушение цементного камня, которое происходит при упругих деформациях, т.е. разрушение камня носит хрупкий характер. Сколовшийся камень образует стружку надлома, которая не оказывает влияния на величину силы трения на передней поверхности режущего клина. Тепловые потоки, образующиеся вследствие упругой деформации при скалывании цементного камня, полагаются малыми и в уравнении теплового баланса не учитываются. Предполагается также, что в цементном камне (геле) может содержаться до 40 % негидратированных зерен клинкера размером 20-60 мкм. Твердость зерен клинкера сопоставима с твердостью материала режущего клина и сохраняется при нагреве до температуры 2070-2190°С. Такое предположение позволяет рассматривать цементный камень как абразивный материал, а процесс взаимодействия задней поверхности режущего клина с цементным камнем - как процесс микрорезания.

Ниже по предложенной модели производится численный анализ тепловых явлений на контактных поверхностях режущего клина при цилиндрическом фрезеровании различных древесных композиционных материалов: ЦСП, ДСтП и МДФ (древесноволокнистые плиты средней плотности). Выбор этого метода обработки для

анализа тепловых явлений в зоне резания обусловлен тем, что для условий прерывистого резания, характерного и для других видов обработки, существует достаточно строгое математическое обоснование, позволяющее выявить основные теплофизические закономерности без существенного усложнения математической модели. С целью обеспечения сопоставимости результатов расчетов для всех материалов сохраняются постоянными следующие параметры:

- геометрические параметры режущего клина (передний угол у = 5°, главный задний угол

а = 11°, диаметр фрезы = 143 мм); материал режущего клина - твердый сплав ВК8 (коэффициент теплопроводности материала X = 54,6 Вт/(м-К);

- скорость резания и = 20,6 м/с;

- подача на зуб фрезы sz = 1,6 мм/зуб;

- силы резания P , P , P ;

А x7 y7 Z7

- угол контакта зуба фрезы с обрабатываемой поверхностью на длине дуги резания - 17,5°.

Переменными параметрами процесса резания являются теплофизические и физико-механические характеристики обрабатываемых материалов.

Рис. 1. Распределение температуры на контактных площадках режущего клина при резании ЦСП в зависимости от угла поворота зуба фрезы: 1 - 2,5°; 2 - 7,5°; 3 - 12,5°; 4 - 17,5°

е, °с

500

2

/ з

КГ" 1

0, °С

400

200

0

о, °с

200

100

0,2 0,4 Ln, мм

2 > N

/ ! г £ С

/ \

0, °С

200

100

0,2

0,4 Ln, мм

0

2 у 3

1

) 0,05 Ьз, мм

2 \ 3

/ \

г

0,05 Ьз, мм

Рис. 2. Распределение температуры на контактных площадках режущего клина при резании ДСтП (а) и МДФ (б): 1 - 2,5°; 2 - 7,5°; 3 - 12,5°; 4 - 17,5°

Рис. 3. Зависимость коэффициента, учитывающего распределение теплоты деформации в стружку, от угла поворота зуба фрезы: а) ЦСП; б сталь

Рис. 4. Температура резания ЦСП (а) и стали 45 (б): 1 - острым резцом; 2 - затупленным резцом

контактных поверхностях режущего клина при резании ЦСП плотностью р = 1400 кг/м3.

Уровень максимальных значений температур на передней и задней поверхностях практически одинаков. Характер распределения температуры на контактных площадках резца существенно отличается, что связано с особенностями взаимодействия стружки с передней поверхностью. Низкий уровень температуры на передней поверхности режущего клина обусловлен тем, что часть усилия резания затрачивается на скалывание цементного камня. Основным источником тепла являются силы трения стружки с передней поверхностью, которые имеют максимальное значение в прикромочной области и существенно снижаются по мере удаления от режущего лезвия. Сколовшийся цементный камень в виде мелких частиц с большой скоростью сталкивается с передней поверхностью режущего клина и вызывает ее ударно-абразивный износ.

Характер распределения температур на поверхностях режущего клина при резании ДСтП (р = 600 кг/м3, пористость П = 0,61) (рис. 2, а) и МДФ (р = 800 кг/м3, пористость П = 0,48) (рис. 2,б) аналогичен резанию ЦСП. Резание ДСтП характеризуется наиболее высоким уровнем температуры как на передней, так и на задней поверхностях режущего клина.

Рис. 5. Температура на контактной поверхности зерна в зависимости от относительной глубины микрорезания

Угол контакта зуба фрезы с обрабатываемой поверхностью на длине дуги резания разбивался на четыре диапазона (2,5°; 7,5°; 12,5° и 17,5°), а длина контакта стружки с передней поверхностью и задней поверхности резца с обрабатываемым материалом разбивалась на 10 равных частей. Для каждого значения угла поворота зуба рассчитывались поверхностная плотность теплового потока и распределение температуры на контактных поверхностях режущего клина. Результаты расчетов представлялись в табличной и графической форме. Программы расчетов реализованы в Mathcad.

На рис. 1 представлены результаты численных расчетов распределения температуры на

При резании МДФ уровень температуры на передней поверхности несколько выше, а на задней поверхности такой же, как и при резании ЦСП.

Теплота деформации в зоне стружкооб-разования распределяется между образующейся стружкой и обрабатываемым изделием. Это распределение характеризуется коэффициентом Ь, представляющим собой долю теплоты деформации, передаваемой стружке. Коэффициент Ь является функцией переднего угла режущего клина, усадки стружки и скорости резания, причем скорость резания оказывает наибольшее влияние на его численное значение. На рис. 3 представлены результаты численных расчетов этого коэффициента для случаев резания ЦСП и стали 45. Как следует из рис. 3, при резании стали значительная доля теплоты деформации передается обрабатываемому изделию, в то время как при резании ЦСП практически вся теплота деформации передается стружке. При резании МДФ и ДСтП численное значение коэффициента Ь также близко к единице.

Известно, что затупление лезвия режущего клина приводит к повышению температуры резания. На рис.4 приведены результаты расчета температуры резания острым и тупым инструментом при резании ЦСП и стали 45. При резании ЦСП тупым инструментом температура резания возрастает более, чем в 2 раза, а при резании стали 45 - в 1,5 раза. Резкое повышение температуры при резании тупым инструментом характерно для всех древесных композиционных материалов и объясняется их низкой теплопроводностью.

В предложенной выше структурной модели ЦСП для целей резания взаимодействие задней поверхности режущего клина с цементным камнем рассматривается как процесс шлифования. В работе [7] представлены результаты статистического моделирования процесса взаимодействия цементного камня с задней поверхностью режущего клина и приведены численные значения температуры, возникающей на контактной поверхности отдельных зерен клинкера. Результаты таких расчетов представлены на рис. 5. Температура на поверхностях контакта отдельных зерен достигает 1500°С и более.

Анализ результатов численного расчета распределения температуры на контактных поверхностях режущего клина при резании различных плитных древесных композиционных материалов позволяет сделать определенные выводы.

1. Распределение температуры на передней поверхности режущего клина характеризуется наличием максимума на некотором расстоянии от режущей кромки, что связано с влиянием сил трения стружки с контактной поверхностью на распределение тепловых потоков, достигающих максимальных значений в этой зоне. Наибольшие значения температуры характерны для случая резания ДСтП, в меньшей степени - МДФ, и существенно ниже температура на передней поверхности режущего клина при резании ЦСП.

2. Температура на задней поверхности режущего клина достигает максимальных значений в конце площадки контакта его с поверхностью резания при повороте зуба фрезы на угол 17,5°. Максимальные значения температур в меньшей степени зависят от вида обрабатываемого материала.

3. При резании древесных композиционных материалов практически вся теплота деформации в зоне резания поступает в стружку в отличие от металлов, что объясняется низкими значениями коэффициента теплопроводности этих древесных материалов.

4. Затупление режущего инструмента при обработке древесных материалов оказывает наибольшее влияние на температуру в зоне резания по сравнению с обработкой металлов.

5. Средний уровень температуры на задней поверхности режущего клина недостаточно высок, поэтому первостепенное значение имеют температурные вспышки, возникающие на поверхностях отдельных абразивных зерен и влияющие на процессы изнашивания инструментального материала.

Библиографический список

1. Клушин, М.И. Резание металлов / М.И. Клушин. - М.: Машгиз, 1958. - 454 с.

2. Талантов, Н.В. Определение температуры контактных поверхностей инструмента с учетом объемности процесса тепловыделения. В сб.теплофизика технологических процессов / Н.В. Талантов, Т.В. Шитова. - Куйбышев, 1970. - С. 16-22.

3. Резников, А.В. Теплофизика резания / А.В. Резников.

- М.: Машиностроение, 1969. - 288 с.

4. Лейхтлинг, Р.Л. Исследование нагрева дереворежущего инструмента в процессе резания: авт. ... канд. техн. наук / Р.Л. Лейхтлинг. - Красноярск, 1967. - 17 с.

5. Двоскин, Л.М. Исследование сил резания и тепловых явлений, сопутствующих процессу резания древесины: дисс. ... канд. техн. наук / Л.М. Двоскин. - Минск, 1974. - 172 с.

6. Абразумов, В.В. Моделирование процесса резания древесных композитов на минеральных вяжущих / В.В. Аб-разумов, В.Д. Котенко // Вестник Моск. гос. ун-та леса

- Лесной вестник. - 2005. - № 6(42). - С. 58-62.

7. Абразумов В.В. Анализ особенностей взаимодействия обрабатываемой поверхности ЦСП с задней поверхностью режущего инструмента / В.В. Абразумов. - М., 2005.