История розвитку науки про різанні древесины

Ниже наведено з деякими змінами уривок із листа монографії -.

Глєбов І.Т. Помел деревини: Монографія. -.

Єкатеринбург: Урал. держ. лесотехн. ун-т, 2003. — 169 с.

Історія розвитку науки про різанні древесины.

Людина має вірити, що незрозуміле можна було зрозуміти; він б не став розмірковувати про нем.

У. Гете.

Становлення науки про різанні деревини. Основоположником науки про різанні деревини вважається професор Петербурзького гірського інституту Іван Августович Тімі [1]. У його дослідницької роботи «Опір металів і дерева резанию », що у 1870 р., а пізніше у творі «Основи машинобудування «(всього опубліковано 10 наукових робіт І.А. Тімі по резанию деревини і металів), наводиться аналіз політики та узагальнення результатів дослідів, проведених на Луганському заводі. І.А. Тімі вперше наводить визначення процесу різання, робить класифікацію стружок, пояснює явище усадки стружки (зміна розмірів внаслідок пластичного деформування), доводить, що завширшки товщина зрізу порізного впливають працювати резания.

Проблеми учених на той час зводилися переважно до вивчення деформування матеріалу у зоні різання і залежності сил різання від поперечного перерізу срезаемого слоя.

І.А. Тімі вважав, що по резанию виконує лише передня поверхню леза й гальмує нормальний тиск оброблюваного матеріалу у ньому однаково у всій площі контакту (рис. 1, а). Сила, діюча на лезо, можна знайти по формуле.

N = klb, (1) де k — нормальне тиск; l, b — відповідно довжина і ширина сдавливаемой площади.

У 1886 р. виходить книга П.О. Афанасьєва «Курс механічної технології дерева », у якій використовуються методи науки про опір матеріалів, проводиться аналіз характеру стружкообразования, уточнюється форма эпюры тиску стружки на лезо. П.О. Афанасьєв вперше свідчить про роль тертя у процесі резания.

На відміну від І.А. Тімі П.О. Афанасьєв вважав, що конкурентний тиск оброблюваного матеріалу на передню поверхню розподілено нерівномірно, І що найбільшого тиску має місце біля що краючою крайки, а точці входу в деревину воно одно нулю. Тиск від нуля до максимуму змінюється по лінійної залежності, тому эпюра нормальних тисків має форму трикутника (рис. 1, б).

Проблема докази форми эпюры при різанні збереглася до наших дней.

Перші дослідження з резанию деревини і металів пов’язані з вивченням залежності сил різання від поперечного перерізу срезаемого шару і його размеров.

У ранніх роботах І.А. Тімі вважав, що сила різання пропорційна ширині і товщині срезаемого шару. Пізніше творі «Основи машинобудування «він переглянув свої думки. Знайшовши масу стружок, що припадають на одиницю роботи різання, він ставить висновок, що з обрізання тонких стружок витрачається роботи більше, ніж для обрізання товстих стружок. Звідси випливає, що питома робота різання зменшується з збільшенням товщини срезаемого шару. У цьому товщина і ширина срезаемого шару впливають на силу різання по-разному.

Отже, І.А. Тімі який із дослідників дійшов правильному висновку, що завширшки товщина срезаемого шару надають різне впливом геть силу резания.

Помітне місце у науці про різанні деревини займають роботи К.А. Зворикіна, особливо книжки «Робота і зусилля відділення металевих стружок «[1] і «Курс механічної технології дерева «(1894 р.). У межах своїх роботах К.А. Зворикін намагається вивести теоретичним шляхом розрахункову формулу для сили різання, знаходить головні чинники, що впливають силу різання. Їм проведено дуже багато експериментів, виходячи з яких зроблено потужний висновок у тому, робота, витрачена на зрізування одиниці обсягу стружок, зменшується зі збільшенням товщини стружок. Сила різання змінюється пропорційно ширині срезаемого шару. Зовсім інші результати вийшли, коли перетин срезаемого шару змінювалося лише рахунок товщини. Проробивши 230 дослідів, К.А. Зворикін робить висновок, що питома робота різання — величина не стала, а змінна і зменшується зі збільшенням товщини срезаемого шару. Була запропонована емпірична залежність до розрахунку удільної роботи резания:

[pic], (2) де До «- питома робота різання при товщині срезаемого шару 1 мм; а — товщина срезаемого шару, мм.

Так К.А. Зворикін який із дослідників експериментально довів, що питома робота різання убуває зі збільшенням товщини срезаемого шару, підтвердивши, в такий спосіб, правильність поглядів І.А. Тиме.

Вперше проаналізувати зазначену закономірність спробував А. А. Брикс [2]. У 1896 р., обробляючи експериментальні дані К.А. Зворикіна, вона до висновку, що й зазначені дані розглянути в вісях координат, де ордината — ставлення сили різання до ширини зрізу, а абсциса — товщина зрізу, то сила різання змінюється по лінійному закону. Графічно це змальовується похилій прямий лінією, що проходить вище початку координат і отсекающей позитивну ординату. Рівняння має вид.

Fx = K1b + K2ab, (3) де Fx — сила різання, Н;

K1, K2- коефіцієнти з размерностью відповідно Н/мм і МПа; a, b — відповідно товщина і ширина срезаемого шару, мм.

Звідси випливає, що сила різання змінюється пропорційно ширині і непропорційно товщині срезаемого слоя.

1925;го р. виходить робота О.Н. Челюскіна «Вплив розмірів стружки на зусилля різання металів «[1], яка, за словами автора, є «результатом критичної обробки найголовніших творів, які стосуються питання різання металів на верстатах, і навіть власних вишукувань та дослідів автора у цій галузі «. О.Н. Челюскін цифрами і графіками підтвердив неоднакове вплив ширини і товщини срезаемого шару на силу резания.

У 1934 р. М.А. Дешевої у роботі «Механічна технологія дерева «[3] виклав оригінальну, глибоко розроблену і методично побудовану наукову теорію різання деревини. Як багато і І.А. Тімі, він, при застосуванні методів механіки в аналізі процесу стружкообразования при різанні, встановив зв’язок між опором деревини резанию і показниками її механічних властивостей. Розробив досконаліші методи розрахунку потужності і продуктивності деревообробних машин.

У 30-х роках виконуються перші дослідження А. Э. Грубе, О. Л. Бершадського, С. А. Воскресенського, Ф. М. Манжоса. Науковими працями цих учених ми широко користуємося ми у справжнє время.

У працях С. А. Воскресенського розвиваються ідеї М. А. Дешевого при застосуванні методів механіки в аналізі процесів різання. Значну увагу у своїй приділяється виявлення эпюры нормальних тисків у зоні різання і визначенню сили різання. Однією з головних чорт теорії С. А. Воскресенського є розчленовування сили різання на складові. Приступаючи до аналізу окремих частин, С. А. Воскресенский зазначав, що процесами, що відбуваються щодо окремих зонам, існує тісний нерозривна зв’язок. Проте за синтезі сила різання представляється їм, як сума трьох сил [4, 5]: сили надрезания Fxн, сили деформації стружки Fxд і сили різання по задньої межі Fxз. Через війну синтезу сил, діючих на лезо, отримані уравнения:

Fx = Fxн + Fxз + Fxд, (4).

Fx = Fxо + Fxд,.

Fx = Fxо + Кда.

У цих рівняннях ширина срезаемого шару дорівнює 1 мм.

У наведених рівняннях залишається неясною функція окремих складових частин у цілому процесі різання, оскільки вони ізольовані друг від одного й не взаємопов'язані між собою. Це стало приводом для критики теорії С. А. Воскресенського іншими працівниками. О. Л. Бершадский помічає з цього приводу [6, 7], що умовність поділу різця і його праці на самостійно виділені складові, допустима для загальних попередніх міркувань, не припустима поширення в розрахункову практичну формулу. Процес різання неподільний. У ньому немає кордонів розділу між окремими процесами. Навпаки, один процес діє інший, зв’язок між процесами інтегральна, а чи не арифметична. Отже, ізольовані незалежні складові не відбивають реальну сутність процесу резания.

Аналізуючи книжку С. А. Воскресенського по резанию деревини, О.Г. Івановський писав [8], що «застосування лише одну механіко-математичного методу стримує розвиток науки про різанні. Різання деревини є одна з найскладніших фізичних явищ. Саме такими треба підходитимемо його вивченню. Таке розуміння методу дослідження передбачає відкриття нових фізичних законів, але вимагає виявлення характеру дії відомих законів при різанні. Почала механіки матеріалів допомагають виявити ряд закономірностей різання, але не, і тому не можна обмежуватися лише ими.

Лінійна залежність сили різання від товщини срезаемого шару отримана й у дослідженнях Є. Кивимаа [9]. Дослідження засвідчили, жодна з кривих, будучи продовжене, не проходить через початок координат, і всі криві відтинають деяку позитивну ординату. На цьому роблять висновок, що зусилля, расходуемое на різання деревини, витрачається частини. Одна частина витрачається власне на різання і залишається постійної при зміні товщини зрізу. Інша ж частина зусилля різання витрачається деформування срезаемых верств передній поверхнею леза і залежить від товщини срезаемого слоя.

Так Є. Кивимаа поділив силу різання на частини, одній із яких прикладена до що краючою крайці леза і робить вальцевание поверхні різання і перерізання чи поділ волокон деревини, іншу — прикладена до передній поверхні леза і робить стиснення срезаемого шару деревини. Для одиничної сили різання шириною 1 мм сила різання виражається формулою Fx1 = Fс + Ка.

Якщо одиничну силу різання поділити відповідне їй значення товщини срезаемого шару бо вийде значення удільної сили різання, кількісно однакову удільної роботі резания.

У працях О. Л. Бершадського [6, 7, 10] питома робота різання деревини виражалася наступній формулой:

[pic], (5) де До «- питома робота різання при товщині срезаемого шару 1 мм; m — коефіцієнт, що характеризує інтенсивність зростання удільної роботи резания.

Ця формула отримана шляхом обробки експериментальних даних в логарифмічних вісях координат. Вона показує, що питома робота різання убуває зі зростанням товщини срезаемого шару. Ця формула виявилася зручною для практичних розрахунків й широко використовувалася до 1960;х років. Але така формула утрудняла визначення радіальної складової повної сили резания.

Радіальна сила (сила віджиму) визначалася по формуле:

Fz = (mFx, (6).

где m — коефіцієнт, залежний від гостроти що краючою крайки леза і товщини срезаемого шару [11, 12]. Значення m змінюється не більше m = 0,1- 1,0.

Дослідження з резанию деревини і деревних матеріалів нашої країні ведуть вищі навчальні заклади лісопромислового профілю, і навіть галузеві науково-дослідні інститути (ЦНИИМОД, р. Архангельськ; ЦНИИМЭ, р. Хімки Московської обл.; ВНИИДрев, р. Балабаново Калузької обл.; СибНИИЛП, р. Красноярск).

Різання деревини — складного процесу. Його складність обумовила поява різних напрямів у розвитку теорії різання цього материала.

У результаті наукових дискусій з теорії різання деревини, проведених у Ленінграді (1952 р.) та у Москві (1953 р.), було встановлено, що у то час наука про різанні деревини розвивалася за трьома направлениям.

Перше напрям застосовує метод механіко-математичного аналізу процесу різання. Це школа І.А. Тімі, М. А. Дешевого, С. А. Воскресенського. Вчені цієї школи переносять методи науки про опір матеріалів на аналіз дії зусиль і поведінки стружки у процесі різання древесины.

Другий напрямок розвиває фізичну теорію різання деревини. Процес різання сприймається як фізичний. Вивчаються передусім процеси пружного і залишкового деформування деревини, тертя на молекулярному рівні, впливом геть ці процеси швидкості різання. Це напрям представлено школою В.Д. Кузнєцова і О. Г. Ивановского.

Третій напрям використовує фізико-технологічний метод, математично узагальнюючий експериментальні дані процесів різання в емпіричні формули, придатні практичних розрахунків. Формули об'єднують фізичні і технологічні параметри. Це школа О. Л. Бершадского.

Між зазначеними трьома теоріями різання не можна провести чітких кордонів. Вони частини однієї теорії, що доповнюють і збагачуючих одне одного, об'єднані єдністю цели.

Наукові праці основоположника науки про різанні деревини І.А. Тімі дозволили цілої плеяду російських учених (П.О. Афанасьєву, К. А. Зворыкину, О. Н. Челюскину, Я. Г. Усачеву, М. А. Дешевому, О. Л. Бершадскому, А. Э. Грубе, С. А. Воскресенскому, О.Г. Іванівському, А.Є. Золотарьову, І.П. Лапіну, Ф. М. Манжосу, В. С. Рибалко тощо) створити вітчизняну російську школу обробки деревини різанням. Ця школа займає зараз чільне місце в мире.

Про взаємозв'язок сил, що діють за контактним поверхням леза. Вивчаючи процес різання деревини, в 1934 р. М.А. Дешевої висловив припущення щодо незалежності дії сил з обох боків від площині різання. У 1945 р. А. М. Розенберг у дослідженні процесу фрезерования металів, а 1955 р. С. А. Воскресенский в теоретичних дослідженнях процесу різання деревини роблять припущення, що згадані процеси, що відбуваються по передній поверхні леза, не впливають на величину сил по задньої поверхности.

Вперше гіпотеза — про незалежності сил по задньої поверхні від товщини срезаемого шару зазнала М. М. Зоревым в 1952 р. при різанні стали. Було показано, що з збільшенні товщини срезаемого шару від 0,05 мм до 0,55 мм сили різання задній поверхні майже змінюються. «Природа сил, — зазначає М. М. Зорев [13], — котрі за передній й задньої поверхням, різна і тому більшість чинників різна впливають на величину цих сил. Наприклад, передній куток і товщина зрізу сильно впливають на сили, які діють передній поверхні, але слабко впливають на сили, які діють задньої поверхні. Ширина контакту задньої поверхні слабко впливає сили, які діють передній поверхні, але дуже впливає сили, які діють задньої поверхні. «.

У 1953 р. М. Н. Ларін [14], вивчаючи характер зносу різців при різних задніх кутках і толщинах срезаемых верств, дійшов висновку, що оптимальне значення заднього кута пов’язані з завтовшки срезаемого шару і визначається по формуле:

[pic], де З — стала величина: З = 0,13 при обробці стали, чавуну, сплавів; З= 0,18 при обробці пластмас; аmax — товщина срезаемого шару, мм;

До — коэффициент.

" Отже, — пише М. Н. Ларін, — численними дослідами радянських дослідників встановлено, головним чинником, впливає на величину оптимального заднього кута, є товщина зрізу стружки. «.

У 1961 р., розглядаючи питання коефіцієнті затупления, О. Л. Бершадский [15] викладає методику обробки експериментальних даних Є. Кивимаа, В. П. Бухтиярова і призводить значення коефіцієнтів затупления по передній ((п й задньої ((із поверхням залежно від часу роботи леза Т:

|Т, год |0 |1 |2 |3 |4 |5 |6 | |((п |1,0 |1,05 |1,1 |1,15 |1,2 |1,25 |1,3 | |((із |1,0 |1,25 |1,45 |1,60 |1,75 |1,85 |2,0 |.

Затупление що краючою крайки, що надає сильний вплив працювати задньої поверхні, виявляється, впливає, хоч і незначно, працювати передній поверхности.

Пізніше О. Л. Бершадский відмовився від результатів проведених досліджень, але факт існування такої залежності остается.

У 1967 р., вивчивши вплив затупления лез на дотичну силу різання при фрезеровании деревини, В. Г. Морозов [16] наводить такі значення коефіцієнтів затупления по передній ((п і задньою ((із поверхням лезвия:

|(, мкм|5 |10 |15 |20 |25 |30 |35 | |((п |1,0 |1,04 |1,08 |1,13 |1,20 |1,28 |1,40 | |((із |1,0 |1,25 |1,70 |2,00 |2,50 |3,30 |4,50 |.

У 1967 р., вивчаючи процес фрезерования лигно-углеводных деревних пластиків, автором читаних Вами роботи [17], було запропоновано наступна формула до розрахунку одиничної дотичній сили різання, Н:

[pic], де використані поправочні коефіцієнти по задньої і передньою поверхням лезвия:

(vз і (vп — на швидкість головного движения;

(Нз і (Нп — на глибину фрезерования;

((із і ((п — на затупление що краючою кромки;

((із і ((п — на величину заднього угла;

((із і ((п — на кут резания.

Поправочні коефіцієнти на кут різання надають основне вплив на сили по передній поверхні леза, але де вони надають, хоч і менше вплив, на сили по задньої поверхні. Значення коефіцієнтів наведено ниже.

|Угол різання (, град |50 |55 |60 |65 |70 | |((із |1 |1,01 |1,03 |1,08 |1,15 | |((п |1 |1,16 |1,29 |1,38 |1,45 |.

Поправочні коефіцієнти на задній куток і затупление ріжучих крайок лез надає головне впливом геть сили, діючі по задньої поверхні леза, але де вони впливають і сили по передній поверхні. Значення коефіцієнтів наведено ниже.

|Задний кут (, град |8 |9 |10 |11 |12 | |((із |1,09 |1,03 |1,0 |0,94 |0,91| |((п |0,89 |0,96 |1,0 |1,01 |1,02| | | | | | | | |Радіус заокруглення (, мкм|15 |25 |35 |45 |55 | |((із |1 |1,76 |2,27 |2,65 |2,96| |((п |1 |0,73 |0,62 |0,54 |0,49|.

Отже, результати дослідів багатьох дослідників підтверджують взаємозв'язок сил, що діють за передній й задньої поверхням лезвия.

Розвиток теорії різання деревини у сучасних умовах. Різання деревини — складного процесу. Під час вивчення такий процес у сучасних умовах прийнято розглядати, як технологічну систему (МС), що складається з кількох взаємозалежних і щодо неподільних частин, їхнім виокремленням єдине ціле. Технологічна система «процес різання «складається з чотирьох частин, званих підсистемами (рис. 2): заготівлі, умов різання, верстата, ріжучого инструмента.

Підсистеми технологічної системи пронизані між собою причиннослідчими зв’язками і впливають на функціонування одне одного. Підсистеми лише стосовно неподільні частини. При окремому їх розгляді як систем у кожному їх можна назвати свої підсистеми як умовно неподільні части.

Заготівлю можна характеризувати такими умовно неподільними частинами: породою, вологістю, щільністю, міцністю, пружністю, пластичністю, температурою, розмірами і др.

Ріжучий інструмент входять такі елементи, як кут заострения, кількість лез, гостроту ріжучих крайок, фізико-механічні властивості матеріалу зубів, шорсткість поверхні лез, довжину ріжучих крайок і др.

Верстат входять такі елементи: механізм головного руху від обертальним чи зворотно-поступальним рухом, механізм подачі, механізм базування, кількість робочих рухів і послідовність їх виконання, товщину і ширину срезаемого шару, кут різання, задній кут, кут зустрічі (нахилу, скоса) що краючою крайки леза з волокнами деревини, швидкість головного руху, і руху подачі, сили різання і тертя, потужність приводів і др.

Умови різання є сукупність умов, стосовних до заготівлі, ріжучому інструменту і верстата, необхідних і достатніх для здійснення необхідного процесу різання. Якщо умови різання змінити, те й інші підсистеми (заготівля, інструмент, верстат) потрібно змінити те щоб вони забезпечили реалізацію процесу різання. Якщо змінити параметри заготівлі, наприклад деревина її буде мерзла, у якій вільна волога перебуває у твердої фазі, то інші частини системи теж мали бути зацікавленими змінені. Ріжучий інструмент, верстат й умови різання повинні забезпечити виконання процесу різання. Отже, зміна будь-який підсистеми позначиться на стані інших подсистем.

При синтезі підсистеми об'єднують у єдине ціле, де розрізнені чинники взаємодіють спільно. Спільне взаємодія чинників, їх причинно-наслідкових зв’язків створюють загальний позитивний ефект системи, перевищує суму позитивних ефектів, створюваних окремими факторами.

Бібліографічний список.

1. Панченко К. П. Росіяни вчені - основоположники науки про різанні металів. Життя, діяльність й обрані праці І.А. Тімі, К.А. Зворикіна, Я. Г. Усачова, О.Н. Челюскіна. — М.: Машгиз, 1952.- 320 с.

2. Брикс А. А. Різання металів, 1896.

3. Дешевої М.А. Механічна технологія дерева.- Л.: Гостехиздат, 1934. — Т. 1.

4. Воскресенский С. А. Про розмежування сили зрізу і тиску стружку: Рб. науч.-исслед. робіт. — Архангельськ, ЦНИИМОД, 1940.

5. Воскресенский С. А. Різання деревини. — М.: Гослесбумиздат, 1955.

6. Бершадский О. Л. Основні питання найвигіднішого подовжнього пиления деревини: Дисертація. — Мінськ, 1951.

7. Бершадский О. Л. Різання деревини. — М.: Гослесбумиздат, 1956.

8. Івановський О. Г. Книжка про різанні деревини // Деревообробна пром-сть. — 1956. — № 5. — З. 28.

9. Кивимаа Є. Зусилля різання у деревообробній промисловості. Hols aks Roh-und Werkstoff. — 1952. — III. — № 3.

10. Бершадский О. Л. Визначення удільної роботи різання деревини // Механічна обробка деревини. — 1940. — № 3.

11. Бухтияров В. П. Про силах віджиму при подовжньому фрезеровании //Лісовий журнал. — 1959. — № 3.

12. Комаров Г. А. Дослідження поперечного фрезерования деревини: Дисертація. — М.: МЛТИ, 1963.

———————————;

Рис. 1. Эпюры нормальних тисків матеріалу на передню поверхню леза: а — по І.А. Тімі; б — по П. О. Афанасьеву.

[pic].

Рис. 2. Технологічна система «процесу різання «.

МС «процесу різання «.

Станок.

Ріжучий инструмент.

Умови резания.

Заготовка.