НАЦІОНАЛЬНИЙ ЛІСОТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

Зубик Софія Василівна

УДК 621.923:621.922.025

ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ ПРОЦЕСУ ШЛІФУВАННЯ ДЕРЕВИНИ ДУБА ПЕЛЮСТКОВИМ ІНСТРУМЕНТОМ

05.05.07 ? машини та процеси лісівничого комплексу

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ЛЬВІВ – 2005

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі технології виробів з деревини Національного лісотехнічного університету України Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: | кандидат технічних наук, доцент Кійко Орест Антонович, Національний лісотехнічний університет України Міністерства освіти і науки України, завідувач кафедри технології виробів з деревини,

м. Львів

Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, професор Соколовський Ярослав Іванович, Національний лісотехнічний університет України Міністерства освіти і науки України, завідувач кафедри обчислювальної техніки і моделювання технологічних процесів, м. Львів

доктор технічних наук, професор Морозов Віктор Олексійович, ЗАТ „Львівський інститут менеджменту”, завідувач кафедри

маркетингу, м. Львів

Провідна установа: | Національний аграрний університет Кабінету Міністрів України, кафедра технології деревообробки, м. Київ

Захист відбудеться „28” жовтня 2005р. о 11 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.072.03 Національного лісотехнічного університету України за адресою: м. Львів, вул. Ген. Чупринки, 103, зал засідань

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного лісотехнічного університету України за адресою: Львів-57, вул. Ген. Чупринки, 101

Автореферат розісланий „23” вересня 2005р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради |

П.А.Бехта

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Частина продукції деревообробних підприємств вироби з масивної деревини. Здебільшого, це деталі складної форми: профільні погонажні та непогонажні, з формою тіл обертання, поверхні з рельєфним чи барельєфним малюнком, тощо. Шорсткість поверхонь таких деталей після фрезерування становить Rmmax=35…50мкм, тому невід’ємною складовою технологічного процесу є шліфування. Для цієї операції можна використовувати абразивні круги спеціальних конструкцій, профіль яких відповідає контрпрофілю деталі, щіткові, пелюсткові інструменти, а також ручне шліфування.

Оптимальні параметри абразивного оброблення забезпечують пелюсткові інструменти. Вони є універсальними, зручними у використанні та простими у виготовленні. Обсяг досліджень у деревообробленні є недостатнім для широкого застосування пелюсткових кругів. Їх застосування для шліфування деталей криволінійного профілю обмежується ймовірністю згладжування профілю, непрошліфуванням окремих ділянок, появою нерівностей пружного відновлення, тобто дефектами, що пов’язані із збереженням профілю, отриманого на попередніх операціях механічного оброблення. Тому є необхідність дослідження роботи пелюсткового круга, зокрема, вивчення його конструктивних особливостей, розроблення нової конструкції пелюсткового круга.

У дисертаційній роботі викладені питання щодо використання пелюсткового абразивного інструмента для чистового шліфування деревини дуба.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана в рамках науково-дослідних робіт УкрДЛТУ: ДБ 08.16-07-2003 “Розвиток теорії еколого-енергооощадного оброблення деревини та виробництва меблів” (державний реєстраційний номер 0103U000083).

Мета роботи і завдання досліджень. Метою роботи є підвищення ефективності процесу шліфування деревини дуба шляхом розроблення нової конструкції інструмента та визначення оптимальних параметрів процесу шліфування. Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі завдання:

1)

2)

3)

4)

Об’єктом дослідження є процес шліфування пелюстковим абразивним інструментом.

Предметом досліджень виступають закономірності, які характеризують роботу пелюсткового інструмента, визначають основні параметри процесу шліфування деревини дуба.

Методи дослідження. В роботі використані: положення і методи теорії пружності – для дослідження основних статичних, динамічних характеристик еластичних абразивних інструментів; основні положення кінематики в процесі виконання аналізу взаємодії пелюсткового круга з оброблюваною поверхнею деталі; методи математичної теорії планування експерименту – для встановлення регресійних залежностей за результатами експериментальних досліджень та їх аналізу; методи математичної оптимізації – для визначення оптимальних значень досліджуваних параметрів; економіко-математичні методи – для порівняльного розрахунку собівартості процесу шліфування.

Наукова новизна.

1. Вперше встановлено та проаналізовано аналітичну залежність, яка пов’язує силу притискання інструмента з його статичною жорсткістю, швидкістю різання, радіальною деформацією; на основі залежності визначено величину жорсткості, що забезпечує рівномірні зусилля притискання інструмента в процесі шліфування деталей криволінійного профілю.

2. Вперше побудовано математичну модель визначення жорсткості інструмента і досліджено її залежність від кількості пелюсток.

3. Встановлений вираз для визначення максимальної кількості пелюсток в інструменті, укомплектованому щітками.

4. Запропоновано конструкцію пелюсткового інструмента, яка відрізняється від існуючих механізмом кріплення пелюсток і регулювання робочого діаметра, способом розрізання та розміщення пелюсток, завдяки чому забезпечується ефективне використання шліфувальної шкірки, висока пружність інструмента та рівномірні зусилля взаємодії інструмента з оброблюваною поверхнею.

5. Вперше встановлені регресійні залежності, які пов’язують кількість робочих елементів у пелюстковому інструменті, зернистість шкірки та режимні фактори з величиною шорсткості, спрацюванням пелюсток і глибиною шліфування у процесі абразивного оброблення деревини дуба.

Наукове значення роботи. Встановлені наукові положення та висновки поглиблюють та узагальнюють теоретичні основи процесу шліфування деревини пелюстковим інструментом; усувають основні диспропорції між практикою і теорією процесу та вирішують практично важливі задачі обґрунтування та розрахунку конструктивних параметрів, технологічних характеристик, режиму оброблення.

Практичне значення одержаних результатів. Отримані аналітичні залежності можна рекомендувати для визначення характеристик пружності еластичних шліфувальних інструментів, необхідної сили притискання в процесі роботи, обґрунтування оптимальної жорсткості інструмента в процесі шліфування деталей криволінійного профілю. Висновки, отримані за результатами аналізу кінематики взаємодії пелюсткового круга з оброблюваною деталлю, використані для вибору геометричних параметрів конструкції пелюсткового круга.

Для практичного використання інструмента, за результатами оптимізації, встановлені оптимальні значення режимних параметрів, зернистості та кількості пелюсток абразивного круга, що забезпечують необхідну якість шліфування, невеликі витрати шліфувальної шкірки і високу продуктивність процесу. Собівартість процесу шліфування при використанні пелюсткового круга пропонованої конструкції у 2-3 рази нижча від собівартості ручного шліфування та в 1,5 – від собівартості шліфування інструментом базової конструкції. Продуктивність шліфування пелюстковим інструментом вища від продуктивності ручного шліфування у 3-4 рази та в 1,5 – від продуктивності шліфування інструментом базової конструкції. Випробування дослідного зразка пелюсткового круга на деревообробних підприємствах ВАТ „Львівський меблевий комбінат”, ДП „Надія” Буського ДЛГ, ПП „Возняк” підтверджують ефективність використання інструмента в процесі шліфування деревини дуба та достовірність, отриманих за результатами досліджень, висновків.

Особистий внесок здобувача. Усі основні результати, що виносяться на захист, отримані здобувачем особисто. У роботах, опублікованих у співавторстві, здобувачеві належить у статті [1] – визначення та обґрунтування принципів побудови моделі процесу шліфування. У статті [2] визначені структурні складові моделі процесу шліфування. У статті [3] здобувачем встановлені аналітичні залежності для визначення жорсткості еластичного інструмента, сили притискання круга до оброблюваної поверхні, величини деформації круга.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідалися та обговорювалися:

- на міжнародній конференції “Актуальные проблемы лесного комплекса” (Брянск, 2001);

- на науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу Українського державного лісотехнічного університету в період з 2001 до 2004 року.

Публікації. Результати досліджень, що включені до дисертації, подані у 5 публікаціях, з них 4 статті [1, 3-5] – у виданнях, які належать до переліку фахових. Технологічний пріоритет розробленого пелюсткового шліфувального інструмента відображений у патенті (реєстраційний номер u 2005 04381, позитивне рішення від 04.08.05р.)

Структура і об’єм роботи. Дисертація складається із вступу, п’яти розділів, загальних висновків, списку використаної літератури і додатків. Загальний об’єм роботи – 190 сторінок тексту, в тому числі, 146 сторінок основного тексту, 69 рисунків, 21 таблиця. Список використаних джерел включає 102 найменування.

ЗМІСТ РОБОТИ

В першому розділі проаналізовані основні критерії ефективності процесу абразивного оброблення; виконаний аналіз досліджень процесу шліфування масивної деревини; вивчено характер та особливості роботи пелюсткових інструментів.

До основних критеріїв ефективності процесу шліфування пелюстковим інструментом віднесено: шорсткість обробленої поверхні, спрацювання інструмента, витрату шліфувальної шкірки, продуктивність процесу шліфування. Характер роботи пелюсткових інструментів залежить від режимних параметрів і конструкції інструмента. До числа досліджуваних змінних факторів у процесі шліфування масивної деревини віднесені швидкість різання, швидкість подачі, деформація інструмента, зернистість шкірки.

Встановлено відмінності процесу абразивного оброблення пелюстковими кругами матеріалів різної твердості. Величина шорсткості в зоні входу інструмента в контакт з оброблюваною поверхнею є дещо вищою у процесі оброблення заготовок загартованої сталі, та, більш як втричі, вища для заготовок із алюмінієвого сплаву. Це свідчить про суттєвий вплив ударних зусиль на якість оброблення матеріалів низької твердості. Деревина твердих листяних і шпилькових порід має неоднакові фізико-механічні властивості ранньої та пізньої зон. На вході в зону оброблення від ударних зусиль можуть виникати глибші риски в м’яких ділянках ранньої зони, відповідно шар матеріалу, що буде зніматися із ранньої і пізньої зон буде неоднаковим. Як результат, на поверхні деталей будуть спостерігатися нерівності пружного відновлення. Тому, одне з завдань дисертаційної роботи ? зменшити вплив ударних зусиль пелюсток абразивного інструмента.

Прийняте допущення, що якість обробленої поверхні деревини погіршується в процесі збільшення жорсткості шліфувальних інструментів, кількості пелюсток. Тому необхідно визначити ці характеристики, дослідити їх вплив на основні параметри процесу шліфування деревини дуба пелюстковим абразивним інструментом.

За результатами виконаного аналізу літературних джерел, сформулювало мету і завдання досліджень дисертаційної роботи.

У другому розділі подані теоретичні дослідження процесу шліфування пелюстковим кругом, на основі яких побудовано математичну модель визначення жорсткості інструмента, встановлено її зв’язок із силою притискання, обґрунтовано величину жорсткості в процесі шліфування деталей криволінійного профілю, визначено максимальну кількість пелюсток в інструменті, укомплектованому щітками.

Виконаний аналіз основних кінематичних залежностей, що описують роботу пелюсткового круга, встановив їх зв’язок не лише із режимними характеристиками і геометричними параметрами інструмента, але і видом лінії оброблюваного профілю. Лінії оброблюваного профілю можуть бути найрізноманітнішими: від прямих чи дугоподібних до ламаних. Параметр, що характеризує взаємодію пелюсткового круга із деталлю (рис.1) – кут .

Прийняте визначення: кут – кут між нормаллю до оброблюваної поверхні та площиною пелюстки в зоні шліфування. Чим більше за величиною значення кута , тим кращі параметри процесу шліфування забезпечуються, оскільки більше число абразивних зерен візьме участь в процесі шліфування.

У процесі шліфування деталей плоскої форми та деталей, в яких лінія взаємодії в напрямку оброблення є прямою чи дугоподібною (рис.2, а, б), кут залежить лише від величини деформації круга. Величина кута приймає значення близькі 60 в ділянках найвищої деформації пелюсток, і зменшується, в процесі наближення до точок входу і виходу із зони контакту.

У процесі абразивного оброблення деталей криволінійного профілю, в яких лінія шліфування є ламаною (рис.1; рис.2, в, г), величина кута залежить, як від деформації круга, так і від виду лінії профілю. У ділянках виступів, перепадів, спостерігається стрибкоподібна зміна величини кута . Відповідно, ділянки І та ІІ (рис.1) можуть залишитися непрошліфованими. Для шліфування деталей криволінійного профілю актуальним є використання щіток, які забезпечують краще прилягання пелюсток до оброблюваної поверхні.

На підставі виконаного аналізу встановлено, що відцентрова складова нормальної реакції, яка визначає величину ударних зусиль, зростає в процесі збільшення кількості пелюсток та при збільшенні частоти обертання інструмента. Відомо, що краща якість оброблення забезпечується при вищих значеннях швидкості різання, з цієї позиції, щоб зменшити величину ударних зусиль доцільно зменшувати кількість пелюсток. З іншої сторони, збільшення кількості пелюсток забезпечує кращі параметри оброблення (зростає продуктивність процесу, збільшується глибина шліфування, а отже забезпечується стабільна величина шорсткості поверхні). Тому необхідно, шляхом проведення аналітичних та експериментальних досліджень, визначити оптимальну кількість пелюсток.

У процесі збільшення кількості пелюсток в інструменті радіусом Ro, укомплектованому щітками та величини деформації, збільшується ймовірність прилипання шліфувального пороху до оброблюваної поверхні, засалювання абразивної шкірки. Кут між пелюстками , що забезпечує вільне розміщення щіток:

, (рад), | (1)

де l dmax – максимальна відстань між пелюстками в площині шліфування, (мм).

Для встановлених за результатами експериментальних досліджень, , , вираз (1) можна записати у вигляді: .

Кількість робочих елементів для прийнятих геометричних параметрів круга ; і , відповідно рівна .

Окрема частина розділу присвячена побудові математичної моделі визначення жорсткості еластичних абразивних інструментів.

При відомій статичній радіальній жорсткості інструмента (2) можна визначити величину його пружності (3), силу притискання круга (4) або деформацію інструмента під час роботи (5).

, ; | (2)

, ; | (3)

(4)

, (м); | (5)

де – радіальна сила, (Н); – розподілена радіальна сила, ; – радіус обертового диска, (м); – модуль пружності робочого шару матеріалу інструмента, ; коефіцієнт Пуассона, питома маса, тобто маса робочого шару інструмента (тут, пелюсток та щіток) у відношенні до об’єму, який займає ця маса, ; – радіус розміщення робочого об’єму круга, (м); R1Ro=, – кут, який охоплює лінію контакту інструмента та деталі, (рад).

Встановлено, що величина радіальної деформації інструмента зростає за збільшення швидкості різання, питомої маси робочого шару інструмента.

В розділі проаналізовані схеми (рис.2) взаємодії пелюсткового круга із оброблюваною поверхнею, залежно від її конфігурації та величини перепаду профілю . В процесі шліфування деталей криволінійного профілю, величина деформації (4) може бути неоднаковою на ділянках, як по ширині зони шліфування, так і у напрямі шліфування. Встановлено, що для інструментів жорсткістю 260Н/м, при , , =62,5112,5, та =50…250 кг/м3 (при кількості робочих елементів 8...32) величина перепаду профілю не повинна перевищувати 10мм. За збільшення величини перепаду профілю, зусилля притискання будуть суттєво відрізнятися (понад 10%) за величиною по площі взаємодії з оброблюваною поверхнею. Неоднакові навантаження на абразивні зерна є причиною нерівномірної глибини шліфування і можуть спричинити згладжування профілю в окремих ділянках. Для шліфування деталей, поверхня яких має перепади профілю понад 10мм, краще використовувати інструменти меншої жорсткості, в межах 125…250Н/м.

У третьому розділі роботи подано класифікацію пелюсткових кругів за кількома ознаками, обґрунтовано вибір деревини дуба для проведення досліджень, подано методику проведення експериментальних досліджень.

На основі аналізу основних переваг та недоліків різних видів пелюсткових кругів, встановлено, що оптимальні параметри абразивного оброблення масивної деревини забезпечують пелюсткові інструменти, в яких кріплення робочих елементів механічне та забезпечує сталий робочий діаметр круга.

Деревина дуба для проведення досліджень вибрана з врахуванням низки міркувань. Деревина дуба широко використовується у столярному та меблевому виробництвах. Деревина має велику щільність, її важче обробляти еластичними інструментами, ніж м’які породи деревини, тому проведені дослідження матимуть практичну цінність. Виражені відмінності в щільності ділянок ранньої та пізньої деревини можуть бути причиною появи нерівностей пружного відновлення, тому є сенс дослідити процес шліфування саме цієї деревини.

Методика включає опис та порядок визначення вихідних параметрів; планування проведення експериментальних досліджень, обробку їх результатів, а також, порядок проведення оптимізації змінних факторів регресійних залежностей.

Вибрані незалежні фактори та інтервал їх варіювання представлені у вигляді методичної сітки дослідів (табл.1).

На підставі попередніх досліджень встановлено, що досліджуваний процес описується з достатньою точністю поліномом другого порядку. Для визначення вихідних параметрів (спрацювання пелюсток круга, шорсткості обробленої поверхні та глибини шліфування) і їх математичного опису, реалізований В-план з ДФП типу 25-1 в ортогональній частині. Математична модель має вигляд (6).

, | (6)

Таблиця 1

Методична сітка дослідів

Найменування фактора | Позначення | Рівень варіювання фактора

натуральне | нормалізоване | нижній (-1) | основний (0) | верхній (+1)

Зернистість, мкм | F150 (8) | F100 (12) | F90 (16)

Кількість пелюсток, шт | m | 8 | 20 | 32

Швидкість різання, м/c | 10 | 15 | 20

Швидкість подачі, м/хв | 5 | 10 | 15

Величина деформації, мм | 1 | 3 | 5

де – вихідний параметр; , коефіцієнти рівняння регресії; незалежні змінні; число факторів, які включені в дослідження.

Процедура перевірки коефіцієнтів на значимість проводилась, але з метою забезпечення більшої відповідності регресійної моделі результатам експерименту всі коефіцієнти приймалися до розрахунку.

Перевірка адекватності моделі результатам експерименту виконувалась за критерієм F-Фішера. Статистична обробка експериментальних даних виконувалась за допомогою ЕОМ з використанням стандартних програм.

В четвертому розділі наведені результати експериментальних досліджень процесу шліфування деревини дуба пелюстковими кругами. Експериментальні дослідження включають два етапи:

I. Розробка конструкції пелюсткового інструмента, дослідження його жорсткості, конструктивних параметрів.

II. Дослідження основних характеристик роботи пелюсткового інструмента.

Конструкцію (а) та загальний вигляд (б) пелюсткового шліфувального інструмента представлено на рис.3. Шліфувальний круг складається з металевого корпуса, пелюсток шліфувальної шкірки та щіток. Конструкція для досліджень розроблена із врахуванням кількох особливостей:

- інструмент оснащений додатковими елементами – щітками, призначення яких знімати з поверхні шліфувальний порох;

- кріплення пелюсток та щіток виконується механічним способом, що дозволяє використовувати шліфувальну шкірку різної зернистості, міняти її після спрацювання;

- робочий діаметр інструмента може змінюватися, залежно від довжини робочих елементів. У процесі роботи круга можна забезпечувати практично постійну величину робочого діаметру, тому нема необхідності коригувати значення режимних факторів;

- шліфувальна шкірка, яка витрачається на виготовлення пелюсток, використовується на 80...90% (для порівняння, в інструментах, кріплення пелюсток яких виконане за допомогою клею, частка використаної ефективно шкірки є невисока (до 30%), до того ж, при спрацюванні зростає жорсткість інструмента).

Для виготовлення пелюсток використовують шліфувальну шкірку з електрокорунду на тканинній основі, оскільки шкірка на паперовій основі погано витримує ударні навантаження і швидко зношується. Пелюстки шліфувальної шкірки представляють відрізки прямокутної форми, порізані в поздовжньому напрямі. Ширина пелюсток залежить від складності профілю. З однієї сторони, має забезпечуватися відносно незалежна деформація кожної елементарної частинки робочого шару інструмента по ширині оброблення. З іншої сторони, ширина пелюстки обмежується міцністю шкірки в напрямку перпендикулярному до напряму оброблення та ймовірністю появи нерівностей пружного відновлення. Важливо, також, не допускати розшарування інструмента, тому розроблено спосіб розрізання і розміщення пелюсток згідно з яким, кожна наступна пелюстка перекриває проріз між попередніми (рис.4).

В роботі використані пелюстки з шириною розрізання – 2,5мм та 5мм. Як показали результати попередніх досліджень, пелюстки з шириною розрізання 2,5 мм щільно перекривають оброблюваний профіль, тому добре зачищають поверхню. Спрацювання пелюсток шириною 2,5 мм є рівномірніше, у процесі шліфування деталей криволінійного профілю, ніж пелюсток шириною 5мм, хоча показники шорсткості та глибини шліфування є практично однакові за величиною. У випадку чергування пелюсток обох ширин, величина спрацювання пелюсток зростає на 15-30% (більші значення для шліфувальної шкірки вищої зернистості). При вибраному діапазоні варіювання змінних факторів у процесі шліфування пелюстками, ширина розрізання яких 2,5 мм, не спостерігається появи нерівностей пружного відновлення, тому пелюстки розрізані на відрізки шириною 2,5мм використовували для проведення основного експерименту. Паралельно проводились окремі дослідження роботи інструмента, в якому чергуються пелюстки двох ширин: отримані результати відрізнялися дуже незначно.

На першому етапі експериментальних досліджень, визначено статичну жорсткість круга. В процесі зміни кількості пелюсток від 8 до 32, жорсткість пелюсткового інструмента діаметром 225мм зростає від 40 до 260Н/м. Отримані значення сили притискання при зміні частоти обертання інструмента та кількості пелюсток підтверджують залежності, отримані аналітично.

Визначено коефіцієнт , що враховує пружні характеристики робочого шару інструмента, укомплектованого щітками. Коефіцієнт дає можливість визначити статичну жорсткість інструмента у вигляді залежності (7), в якій пов’язуються жорсткість пелюстки (робочого елемента) в напрямку перпендикулярному її площині , їх кількість та радіус круга.

, , | (7)

де – коефіцієнт пропорціональності.

Жорсткість визначає абразивну здатність круга. Тому, за виразом (7), визначено діапазон зміни кількості робочих елементів від зміни діаметра круга в діапазоні 225…425мм, за умови забезпечення заданої радіальної жорсткості інструмента 150…250Н/м.

Наступний етап експериментальних досліджень проведено з метою визначення шорсткості поверхні деревини дуба, глибини шліфування та спрацювання пелюсток. Результати подані у вигляді рівнянь регресії, відповідно, (8-10) та графічних залежностей.

На основі отриманих результатів досліджень розраховані та проаналізовані продуктивність шліфування, витрата шліфувальної шкірки, працездатність пелюсток шліфувального круга. |

(8)

(9)

(10)

Встановлено, що зі збільшенням швидкості різання від 10 до 20 м/с, на 0,004мм/м (15-20%) зменшується спрацювання круга, на 3...5мкм зростає глибина шліфування (рис.5), шорсткість зменшується на 4...5мкм (рис.6).

Неоднозначним є вплив швидкості різання у випадку зміни кількості пелюсток. При кількості пелюсток 8, спостерігається підвищене їх спрацювання, особливо, у випадку збільшення швидкості різання інструмента, що можна пояснити великою питомою часткою впливу відцентрових сил, порівняно з часткою впливу пружних сил, яка є незначною при меншій кількості пелюсток. Дія відцентрових сил зумовлює появу великих ударних сил на вході в зону оброблення і це спричиняє відривання неспрацьованих частинок довжиною приблизно рівною величині деформації. Відповідно, для невеликої кількості пелюсток (у вибраному діапазоні), спостерігається зростання загальної витрати шліфувальної шкірки (рис.7), більш різке за мінімальної їх кількості, і, дещо в нижчих темпах –тдля середнього значення діапазону. Якщо кількість пелюсток збільшувати, спостерігається тенденція до стабілізації витрати, вплив швидкості в цьому випадку не так різко виражений, оскільки дія загальної відцентрової сили, в розрахунку на одну пелюстку, буде набагато менша.

У процесі збільшення швидкості різання від 10 до 20м/с, завдяки росту відцентрової складової, зростає величина нормальної сили в зоні шліфування, тому забезпечується пропорційний ріст (до 35…45%) продуктивності та (до 50%) працездатності круга.

Якщо збільшується швидкість подачі деталі від 5 до 15м/хв, спрацювання пелюсток зменшується до 25%, дещо зростає продуктивність шліфування, але різко зменшується глибина шліфування та зростає шорсткість поверхні (рис.8). Працездатність круга з ростом швидкості подачі збільшується і знижується величина витрати шліфувальної шкірки на виготовлення пелюсток.

Спрацювання пелюсток, зі збільшенням величини деформації від 1 до 3 мм, суттєво зростає, у процесі подальшого збільшення деформації до 5 мм (рис.9), ріст величини спрацювання менш інтенсивний. Продуктивність оброблення та працездатність пелюсткового круга, із збільшенням величини деформації, зростають, збільшується і витрата шліфувальної шкірки.

Продуктивність абразивного оброблення, як і працездатність інструмента, з ростом кількості пелюсток (жорсткості) буде пропорційно зростати, оскільки за таких умов зростатиме пружна складова нормальної сили різання. Неоднозначний вплив зміни кількості пелюсток на шорсткість обробленої поверхні (рис.10). Шорсткість суттєво зменшується при збільшенні кількості пелюсток до 20, але, при подальшому збільшенні кількості пелюсток, величина її стабілізується, навіть спостерігається тенденція до зростання.

Інтервал варіювання зернистості є невеликим F90, F100, F150, але навіть у його межах можна виявити такі тенденції: якщо збільшується зернистість, то до 20 % зменшується спрацювання інструмента, зростає глибина оброблення (рис.5) і незначно (на 3…5мкм) зростає шорсткість поверхні.

В роботі проведено оптимізацію параметрів оброблення. Критерії оптимізації розраховані на основі результатів досліджень спрацювання пелюсток круга і глибини шліфування. На основі попередніх результатів розв’язку задачі оптимізації встановлено, що параметр шорсткості обробленої поверхні варто віднести до обмежень у вигляді: Rmmax = f(x1, x2, x3, x4, x5)32 мкм.

До критеріїв оптимізації віднесені:

продуктивність шліфування;

загальна величина спрацювання пелюсток (витрата шліфувальної шкірки без врахування коефіцієнтів втрат, оскільки вони приймають однакові значення для всіх значень змінних факторів).

Задача є багатокритеріальною, висока продуктивність забезпечується підвищеним спрацюванням пелюсток. І, навпаки, за мінімального спрацювання пелюсток, спостерігається низька продуктивність процесу шліфування. Тому, перехід до математичної постановки задачі здійснюється за кількома способами згортки критеріїв: методом послідовних поступок, методом формування одного узагальненого критерію, методом формування критерію на основі функції бажаності. Максимальну величину продуктивності при мінімальній витраті шліфувальної шкірки отримано при використанні методу послідовних поступок. У випадку ручної подачі деталей обмежується швидкість подачі деталі. Тоді доцільно використати результати оптимізації, отримані на підставі методу формування критерію на основі функції бажаності. Результати оптимізації подані в табл.2.

Таблиця 2

Результати оптимізації вихідних параметрів процесу шліфування

Значення вихідних параметрів, відповідно, спрацювання пелюсток (мм/м ) і продуктивності шліфування (см3/с) для значень змінних факторів

Метод згортки критеріїв | метод послідовних поступок | методом формування критерію на основі функції бажаності

0,96 | 1,25

0,0294 | 0,0359

зернистість шкірки, (F) | F90(16) | F90(16)

швидкість подачі, , м/хв | 10 | 8,3

деформація інструмента, , мм | 3,1 | 4,7

швидкість різання, , м/с | 16,8 | 18,4

кількість пелюсток, , шт | 24 | 28

У п’ятому розділі виконаний порівняльний розрахунок собівартості процесу шліфування та продуктивності для випадку використання дослідного зразка пелюсткового круга, пелюсткового інструмента базової конструкції і для випадку ручного шліфування. Випробування у промислових умовах проводились за дотримання оптимальних значень змінних факторів.

Собівартість процесу шліфування пелюстковими кругами визначена за оптимальних значень змінних факторів, отриманих для використання ручної подачі та при обмеженні шорсткості поверхні Rmmax = f(x1, x2, x3, x4, x5)16 мкм.

У додатках до дисертаційної роботи наведені опис та конструкція корпуса інструмента, результати експериментальних досліджень та їх обробки, вихідні дані для розрахунку собівартості, а також документи, що підтверджують практичне значення роботи.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

У роботі подане теоретичне узагальнення і нове вирішення важливого народногосподарського завдання, що виявляється у підвищенні ефективності процесу шліфування деревини дуба шляхом розробки конструкції пелюсткового інструмента та визначення оптимальних параметрів процесу шліфування. У результаті проведених досліджень та їх аналізу отримано такі висновки:

1. Побудовано математичну модель визначення жорсткості інструмента, на основі якої отримано залежність жорсткості пелюсткового інструмента від кількості пелюсток та встановлено діапазон зміни кількості пелюсток для забезпечення радіальної жорсткості 150…250Н/м.

2. Вираз для визначення сили притискання інструмента до оброблюваної поверхні пов’язує жорсткість інструмента, його деформацію та швидкість різання. На основі цієї залежності встановлений діапазон зміни жорсткості інструмента, який забезпечить роботу інструмента з рівномірним зусиллям притискання залежно від геометричних характеристик профілю оброблюваної деталі. В процесі шліфування деталей криволінійного профілю з деревини дуба, круги жорсткістю 260Н/м доцільно використовувати, якщо величина перепаду профілю не перевищує 10мм, при величині перепаду вище 10мм, варто використовувати інструменти меншої жорсткості ? 125…260Н/м.

3. Перекривання розрізів між пелюстками, яке здійснюється при використанні запропонованого способу розрізання та розміщення пелюсток в інструменті, забезпечує процес взаємодії з оброблюваною поверхнею без розшарування робочого шару інструмента, появи нерівностей пружного відновлення.

4. В процесі абразивного оброблення деталей криволінійного профілю, пелюстки з шириною розрізання 2,5мм забезпечують до 30% менше спрацювання ніж пелюстки, ширина розрізання яких 5мм. При використанні пелюсток двох ширин 2,5 та 5мм і їх почерговому розміщенні в інструменті, величина спрацювання є менша на 8...10%.

5. З метою зменшення налипання шліфувального пороху на шліфувальній шкірці, встановлено вираз для визначення максимальної кількості пелюсток. Для прийнятих радіуса та радіальної деформації круга , кількість пелюсток не повинна перевищувати .

6. Оптимальні показники якості оброблення деревини дуба, продуктивності процесу шліфування, спрацювання пелюсток забезпечуються в процесі роботи кругами з кількістю пелюсток 20...32, що відповідає жорсткості інструмента 150...260Н/м.

7. При початковій шорсткості поверхні Rmmax35...45 мкм для забезпечення вихідної шорсткості Rmmax32 мкм достатньо одноразового шліфування, для Rmmax 16 мкм – необхідне дворазове шліфування пелюстковим інструментом запропонованої конструкції.

8. Визначені на підставі оптимізації значення швидкості різання ? , швидкості подачі ? vs=8…10м/хв, радіальної деформації ? , зернистості ? F90, F100 забезпечують шорсткість поверхні деревини дуба Rmmax16 мкм, продуктивність процесу шліфування у 3-4 рази вищу продуктивності ручного шліфування та в 1,5 разу від продуктивності шліфування інструментом базової конструкції.

9. Проведені дослідження у виробничих умовах, на підприємствах ВАТ „Львівський меблевий комбінат”, ДП „Надія” Буського ДЛГ, ПП „Возняк” підтверджують результати аналітичних досліджень та досліджень у лабораторних умовах. Собівартість шліфування дослідним зразком пелюсткового інструмента менша від собівартості ручного шліфування в 2-3 рази та в 1,5 разу від собівартості шліфування інструментом базової конструкції.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. | Кійко О.А., Зубик С.В. Принципи побудови моделі процесу шліфування масивної деревини // Наук. вісник УкрДЛТУ: Зб. наук.-техн. праць. – Львів: УкрДЛТУ. 2001, вип. 11.2. С. 14-16.

2. | Кийко О.А., Зубик С.В. К вопросу об определении составляющих модели процесса шлифования массивной древесины // Актуальные проблемы лесного комплекса: Сб. научн. труд. – Брянск: БГИТА. 2001, вып.4. – С. 72-75.

3. | Зубик С., Матвєєв Е.М. Теоретичні дослідження еластичних абразивних інструментів // Наук. вісник УкрДЛТУ: Зб. наук.-техн. праць. Львів: УкрДЛТУ. – 2001, вип.11.4. – С.174-178.

4. | Зубик С. Теоретичні передумови визначення жорсткості пелюсткових інструментів // Наук. вісник УкрДЛТУ: Зб. наук.-техн. праць. Львів: УкрДЛТУ. – 2002, вип.12.5. – С.160-161.

5. | Зубик С. Дослідження процесу шліфування пелюстковими кругами // Лісове господарство, лісова, паперова і деревообробна промисловість. – Львів: УкрДЛТУ. 2003, вип.28. – С.115-119.

Зубик Софія Василівна. Підвищення ефективності процесу шліфування деревини дуба пелюстковим інструментом. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.07 – машини та процеси лісівничого комплексу. – Національний лісотехнічний університет України, Львів, 2005р.

В дисертаційній роботі досліджено процес шліфування пелюстковим абразивним інструментом деревини дуба, розроблено конструкцію інструмента та визначені оптимальні умови процесу шліфування.

Побудовано математичну модель визначення жорсткості інструмента. Встановлено та проаналізовано аналітичний вираз, що пов’язує жорсткість інструмента, його деформацію, швидкість різання та силу притискання інструмента до оброблюваної поверхні. Обґрунтовано величину жорсткості інструмента, яка забезпечує рівномірні зусилля притискання інструмента в процесі шліфування деталей криволінійного профілю. Встановлено вираз для визначення максимальної кількості пелюсток в інструменті, укомплектованому щітками. Розроблено конструкцію інструмента.

Проведені експериментальні дослідження впливу зернистості, кількості пелюсток, режимних параметрів на шорсткість обробленої поверхні, глибину шліфування та спрацювання пелюсток. Визначені оптимальні значення змінних факторів, які забезпечують собівартість у 2-3 рази нижчу у порівнянні із ручним шліфуванням.

Матеріали дисертації викладені у п’яти публікаціях.

Ключові слова: пелюстковий абразивний інструмент, дуб, спрацювання пелюсток, жорсткість інструмента, шорсткість, ефективність шліфування.

Zubyk Sofiya Vasylivna. Increasing of efficiency of oak wood grinding by means of grinding wheel. - Manuscript.

Thesis on obtaining a scientific degree of a candidate of engineering sciences on a specialty: 05.05.07 – machines and processes of the forestry complex. – National university of Forestry and Wood technology of Ukraine, Lviv, 2005.

In the thesis processes of grinding of oak by flap wheel are proved. The author elaborated the construction of the tools and estimated the optimum conditions of grinding.

The mathematical model of estimating of tools rigidness is deduced. The analytic formula, that links the pressing power of the tools with processed surface, rigidness of the tools, its deformation, speed of cutting were analyzed. She grounded the value of tools rigidness, which ensures uniform forces in the process of grinding of curvilinear surfaces and determined the formula for estimating the maximum quality of tools petals completed with brushes. The thesis also investigates the influence of petals quantity, speed of cutting and deformation of the tools on the roughness of the processed surface, depth of grinding and wear of petals and estimates optional values of variable factors which ensure the proper quality of processing of oak wood, its high efficiency, low emery expenditures and prime cost 2 to 3 times lower as compared with manual grinding/ presents a theoretical generalization and new solution to the scientific problem consisting in the study of the nature of the interaction between petals abrasive tools and profiled surfaces; research into the causes of anatomic waves appearing; examination of the influence of grit, and the main operating and structural parameters on the quality of processing, wear and efficiency of grinding complex configuration wooden parts with different physical and mechanical properties of early and late zones.

The materials of the dissertation are summarized in 5 published articles.

Key words: grinding wheel, oak, wear of petals tool, stiffness of abrasive wheel, efficiency of grinding.

Зубик София Васильевна. Повышение эффективности процесса шлифования древесины дуба лепестковым инструментом. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, специальность 05.05.07 – машины и процессы лесного комплекса, – Национальный лесотехнический университет Украины, Львов, 2005р.

В диссертации исследован процесс шлифования лепестковым абразивным инструментом древесины дуба. Разработана конструкция лепесткового инструмента и определены оптимальные условия для ее практического использования.

На основании анализа кинематических характеристик и особенностей процесса абразивной обработки материалов разной твердости лепестковым абразивным инструментом, установлено значительное влияние количества лепестков на основные характеристики процесса. Количество лепестков определяет жесткость инструмента. Таким образом, обоснована необходимость исследования жесткости инструмента и ее влияния на основные характеристики процесса абразивной обработки древесины лепестковым инструментом.

Предложена модель определения жесткости абразивного инструмента. Определена аналитическая зависимость, связывающие статическую радиальную жесткость, скорость резания, деформацию и усилие прижима инструмента к обрабатываемой поверхности. Теоретически обоснована необходимость изменения жесткости инструмента в процессе шлифования древесины криволинейного профиля в зависимости от его геометрических характеристик.

Обосновано и определено максимальное количество лепестков в инструменте, укомплектованном щетками. Разработана конструкция лепесткового инструмента, имеющая удобный механизм регулирования рабочего диаметра и обеспечивающая эффективное использование шлифовальной шкурки. Предлагается способ разрезания и размещения лепестков шлифовальной шкурки. В процессе исследований инструмента выявлено, что закрепленные поочередно лепестки, перекрывая прорези, обеспечивают высокую эластичность инструмента и не допускают его расслоения. Экспериментально определено влияние ширины разрезания лепестков на шероховатость обрабатываемой поверхности и износ лепестков. Экспериментально определена жесткость лепесткового абразивного инструмента, усилие прижима инструмента к детали в процессе работы. Проведены экспериментальные исследования, определяющие регрессионные зависимости шероховатости поверхности древесины дуба, износа лепестков и глубины снимаемого шара от количества лепестков, зернистости и режимных факторов в процессе шлифования лепестковым инструментом.

Рациональная область применения лепестковых кругов по начальной шероховатости обрабатываемой поверхности составляет Rmmax35...45 мкм. Кратность шлифования зависит от требуемой шероховатости обработки: для обеспечения Rmmax32 мкм достаточно одноразового шлифования, для Rmmax16 мкм – требуется выполнять двухразовое шлифование поверхности. Рекомендованные значения зернистости, режимных характеристик, обеспечивают небольшой расход шлифовальной шкурки, чем достигается себестоимость обработки лепестковым инструментом в 2-3 раза ниже, в сравнении с ручной обработкой.

Материалы диссертации представлены в пяти научных публикациях.

Ключевые слова: лепестковый абразивный инструмент, шероховатость, дуб, жесткость инструмента, износ лепестков, эффективность шлифования.

Підписано до друку 21.09. 2005 р.

Ум. др. арк. 1.12. Формат 6084/16.
Тираж 100 прим. Папір офсетний. Зам. № 168 /2005

Видавець: Редакційно-видавничий центр НЛУУ

(Свідоцтво ДК № 2062 від 17.01 2005 р.)

79057, м. Львів, вул. Генерала Чупринки, 103

Тел./факс: (032) 233__

E-mail: nv@forest.lviv.ua