Історія розвитку науки про різання деревини

Нижче наведено з деякими змінами уривок з монографії -

Глєбов І.Т. Фрезерування деревини: Монографія. -Єкатеринбург: Урал. держ. лесотехн. ун-т, 2003. - 169 с.

Історія розвитку науки про різання деревини

Людина повинна вірити, що незрозуміле можна зрозуміти; інакше він не став би міркувати про нього.

В. Гете

Становлення науки про різанні деревини. Основоположником науки про різанні деревини вважається професор Петербурзького гірничого інституту Іван Августович Тіме [1]. У його дослідницькій роботі "Опір металів і дерева різанню", опублікованій в 1870 р, а пізніше в творі "Основи машинобудування" (всього опубліковано 10 наукових робіт І.А. Тіма по різання деревини і металів), наводиться аналіз і узагальнення результатів дослідів , проведених на Луганському заводі. І.А. Тіма вперше наводить визначення процесу різання, робить класифікацію стружок, пояснює явище усадки стружки (зміна розмірів в результаті пластичного деформування), доводить, що ширина і товщина зрізу по-різному впливають на роботу різання.

Проблеми вчених того часу зводилися головним чином до вивчення деформування матеріалу в зоні різання і залежності сил різання від поперечного перерізу зрізаного шару.

І.А. Тіма вважав, що роботу з різання виконує тільки передня поверхня леза і нормальний тиск оброблюваного матеріалу на ній однаково по всій площі контакту (рис. 1, а). Сила, що діє на лезо, може бути знайдена за формулою

N = klb, (1)

де k - нормальний тиск;

l, b - відповідно довжина і ширина здавлює площі.

У 1886 р виходить книга П.А. Афанасьєва "Курс механічної технології дерева", в якій використовуються методи науки про опір матеріалів, проводиться аналіз характеру стружкообразования, уточнюється форма епюри тиску стружки на лезо. П.А. Афанасьєв вперше вказує на роль тертя в процесі різання.

На відміну від І.А. Тіма П.А. Афанасьєв вважав, що тиск оброблюваного матеріалу на передню поверхню розподілено нерівномірно, і що найбільший тиск має місце у ріжучої кромки, а в точці входу в деревину воно дорівнює нулю. Тиск від нуля до максимуму змінюється по лінійної залежності, тому епюра нормальних тисків має форму трикутника (рис. 1, б).

Перші дослідження з різання деревини і металів були пов'язані з вивченням залежності сил різання від поперечного перерізу зрізаного шару і його розмірів.

У ранніх роботах І.А. Тіма вважав, що сила різання пропорційна ширині і товщині шару, що зрізається. Пізніше в творі "Основи машинобудування" він переглянув свої погляди. Знайшовши масу стружок, що припадають на одиницю роботи різання, він робить висновок, що для зрізання тонких стружок витрачається роботи більше, ніж для зрізання товстих стружок. Звідси випливає, що питома робота різання зменшується зі збільшенням товщини зрізаного шару. При цьому товщина і ширина зрізаногошару впливають на силу різання по-різному.

Таким чином, І.А. Тіма першим з дослідників дійшов правильного висновку, що ширина і товщина шару, що зрізається надають різний вплив на силу різання.

Помітне місце в науці про різанні деревини займають роботи К.А. Зворикіна, особливо книжки "Робота і зусилля для відділення металевих стружок" [1] і "Курс механічної технології дерева" (1894 г.). У своїх роботах К.А. Зворикін робить спробу вивести теоретичним шляхом розрахункову формулу для сили різання, знаходить головні чинники, що впливають на силу різання. Їм проведено велику кількість експериментів, на підставі яких зроблено важливий висновок про те, що робота, витрачена на зрізування одиниці обсягу стружок, зменшується зі збільшенням товщини стружок. Сила різання змінюється пропорційно ширині зрізаного шару. Зовсім інші результати вийшли, коли перетин зрізаного шару змінювалося лише за рахунок його товщини. Проробивши 230 дослідів, К.А. Зворикін робить висновок, що питома робота різання - величина не постійна, а змінна і зменшується зі збільшенням товщини зрізаного шару. Була запропонована емпірична залежність для розрахунку питомої роботи різання:

, (2)

де К '- питома робота різання при товщині зрізаного шару 1 мм;

а - товщина шару, що зрізається, мм.

Так як. Зворикін який із дослідників експериментально довів, що питома робота різання убуває зі збільшенням товщини зрізаного шару, підтвердивши, таким чином, правильність поглядів І.А. Тіма.

Вперше проаналізувати зазначену закономірність спробував А.А. Брікс [2]. У 1896 р, обробляючи експериментальні дані К.А. Зворикіна, він прийшов до висновку, що якщо зазначені дані розглянути в осях координат, де ордината - ставлення сили різання до ширини зрізу, а абсциса - товщина зрізу, то сила різання змінюється за лінійним законом. Графічно це зображується похилою прямою лінією, що проходить вище початку координат і відтинає позитивну ординату. Рівняння має вигляд

F _x = K ₁ b + K ₂ ab, (3)

де F _x - сила різання, Н;

K _1, K ₂ - коефіцієнти з розмірністю відповідно Н / мм і МПа;

a, b - відповідно товщина і ширина зрізаногошару, мм.

Звідси випливає, що сила різання змінюється пропорційно ширині і непропорційно товщині шару, що зрізається.

У 1925 р виходить в світ робота А.Н. Челюскіна "Вплив розмірів стружки на зусилля різання металів" [1], яка, за словами автора, є "результатом критичної обробки найголовніших творів, що відносяться до питання різання металів на верстатах, а також власних досліджень і дослідів автора в цій галузі". А.Н. Челюскін цифрами і графіками підтвердив неоднакове вплив ширини і товщини зрізаного шару на силу різання.

У 1934 р М.А. Дешевої в роботі "Механічна технологія дерева" [3] виклав оригінальну, глибоко розроблену і методично побудовану наукову теорію різання деревини. Як і І.А. Тіма, він, застосовуючи методи механіки в аналізі процесу стружкообразования при різанні, встановив зв'язки між опором деревини різання і показниками її механічних властивостей. Були розроблені більш досконалі методи розрахунку потужності і продуктивності деревообробних машин.

У тридцятих роках виконуються перші дослідні роботи А.Е. Грубе, А.Л. Бершадського, С.А. Воскресенського, Ф.М. Манжоса. Науковими працями цих учених ми широко користуємося в даний час.

У роботах С.А. Воскресенського розвиваються ідеї М.А. Дешевого в застосуванні методів механіки в аналізі процесів різання. Велика увага при цьому приділяється виявленню епюри нормальних тисків у зоні різання і визначенню сили різання. Однією з головних рис теорії С.А. Воскресенського є розчленовування сили різання на складові частини. Приступаючи до аналізу окремих частин, С.А. Воскресенський зазначав, що між процесами, що відбуваються по окремих зонах, існує тісний нерозривний зв'язок. Однак при синтезі сила різання представляється їм як сума трьох сил [4, 5]: сили надрізання F _{x н,} сили деформації стружки F _{x д} і сили різання по задній грані F _{x з.} В результаті синтезу сил, що діють на лезо, отримані рівняння:

F _x = F _{x н} + F _{x з} + F _{x д,} (4)

F _x = F _{x про} + F _{x д,}

F _x = F _{x про} + До _д а.

У цих рівняннях ширина зрізаногошару дорівнює 1 мм.

У наведених рівняннях залишається неясною функція окремих складових частин в цілому процесі різання, так як вони ізольовані один від одного і не взаємопов'язані між собою. Це послужило приводом для критики теорії С.А. Воскресенського іншими вченими. А.Л. Бершадський зауважує з цього приводу [6, 7], що умовність поділу різця і його роботи на самостійно виділені складові, допустима для загальних попередніх міркувань, абсолютно не припустима для поширення її на розрахункову практичну формулу. Процес різання неподільний. У ньому немає кордонів розділу між окремими процесами. Навпаки, один процес діє на інший, зв'язок між процесами інтегральна, а не арифметична. Отже, ізольовані незалежні складові не відображають реальну сутність процесу різання.

Аналізуючи книгу С.А. Воскресенського по різання деревини, Є.Г. Іванівський писав [8], що застосування тільки одного механіко-математичного методу стримує розвиток науки про різанні. Різання деревини є одне з найскладніших фізичних явищ. Саме так треба підходити до його вивчення. Таке розуміння методу дослідження не передбачає відкриття нових фізичних законів, але вимагає виявлення характеру дії відомих законів при різанні. Почала механіки матеріалів допомагають виявити ряд закономірностей різання, але не всі, і тому не можна обмежуватися тільки ними.

Лінійна залежність сили різання від товщини зрізаного шару отримана також в дослідженнях Е. Ківімаа [9]. Дослідження показали, що жодна з кривих, будучи продовжена, не проходить через початок координат, і всі криві відтинають деяку позитивну ординату. З цього робиться висновок, що зусилля, що витрачається на різання деревини, витрачається на дві частини. Одна частина витрачається власне на різання і залишається постійної при зміні товщини зрізу. Інша частина зусилля різання витрачається на деформування зрізаних шарів передньою поверхнею леза і залежить від товщини зрізаного шару.

Так Е. Ківімаа поділив силу різання на дві частини, одна з яких прикладена до ріжучої кромці леза і виробляє вальцевание поверхні різання і перерізання або поділ волокон деревини, а інша - прикладена до передній поверхні леза і виробляє стиснення зрізаного шару деревини. Для одиничної сили різання шириною 1 мм сила різання виражається формулою

F _{x 1} = F _з + Ка.

Якщо одиничну силу різання поділити на відповідне їй значення товщини зрізаного шару а, то вийде значення питомої сили різання, кількісно дорівнює питомій роботі різання.

У роботах А.Л. Бершадського [6, 7, 10] питома робота різання деревини виражалася такою формулою:

, (5)

де К '- питома робота різання при товщині зрізаного шару 1 мм;

m - коефіцієнт, що характеризує інтенсивність росту питомої роботи різання.

Ця формула отримана шляхом обробки експериментальних даних в логарифмічних осях координат. Вона показує, що питома робота різання убуває з ростом товщини зрізаного шару. Ця формула виявилася зручною для практичних розрахунків і широко використовувалася до 60-х років. Однак така формула ускладнювала визначення радіальної складової повної сили різання.

Радіальна сила (сила віджиму) визначалася за формулою:

F _z = ± mF _x, (6)

де m - коефіцієнт, залежний від гостроти ріжучої кромки леза і товщини зрізаного шару [11, 12].Значення m змінюється в межах m = 0,1 1,0.

Дослідження з різання деревини і деревних матеріалів в нашій країні ведуть всі вищі навчальні заклади лісопромислового профілю, а також галузеві науково-дослідні інститути (ЦНІІМОД, м Архангельськ; ЦНІІМЕ, г. Химки Московської обл .; ВНИИДРЕВ, м Балабаново Калузької обл .; СібНІІЛП, м Красноярськ).

Різання деревини - складний процес. Його складність зумовила появу різних напрямків в розвитку теорії різання цього матеріалу.

В результаті наукових дискусій з теорії різання деревини, що відбулися в Ленінграді (1952 г.) і в Москві (1953 р), було встановлено, що вже в той час наука про різанні деревини розвивалася за трьома напрямками.

Перший напрямок застосовує метод механіко-математичного аналізу процесу різання. Це школа І.А. Тіма, М.А. Дешевого, С.А. Воскресенського. Вчені цієї школи переносять методи науки про опір матеріалів на аналіз дії сил і поведінки стружки в процесі різання деревини.

Другий напрямок розвиває фізичну теорію різання деревини. Процес різання розглядається як фізичний. Вивчаються насамперед процеси пружного і залишкового деформування деревини, тертя на молекулярному рівні, вплив на ці процеси швидкості різання. Цей напрямок представлений школою В.Д. Кузнєцова і Є.Г. Іванівського.

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

Між зазначеними трьома теоріями різання не можна провести чітких кордонів. Вони частини однієї теорії, що доповнюють і збагачують одна одну, об'єднані єдністю мети.

Наукові праці основоположника науки про різанні деревини І.А. Тіма дали можливість цілої плеяди російських вчених (П. Афанасьєву, К.А. Зворикіну, А.Н. Челюскіна, Я.Г. Усачова, М.А. дешеві, А.Л. Бершадському, А.Е. Грубе, С.А. Воскресенського, Є.Г. Іванівському, А.Е. Золотарьову, І.П. Лапіну, Ф.М. Манжос, В.С. Рибалко і багатьом іншим) створити вітчизняну російську школу обробки деревини різанням. Ця школа займає зараз провідне місце в світі.

Про взаємозв'язок сил, що діють по контактних поверхонь леза. Вивчаючи процес різання деревини, в 1934 р М.А. Дешевої висловив припущення про незалежність дії сил по обидва боки від площини різання. У 1945 р А.М. Розенберг в дослідженні процесу фрезерування металів, а в 1955 р С.А. Воскресенський в теоретичних дослідженнях процесу різання деревини роблять припущення, що процеси, що відбуваються по передній поверхні леза, не впливають на величину сил по задньої поверхні.

Вперше гіпотеза про незалежність сил по задньої поверхні від товщини зрізаного шару була перевірена М.М. Зорева в 1952 р при різанні стали. Було показано, що при збільшенні товщини шару, що зрізається від 0,05 мм до 0,55 мм сили різання на задній поверхні майже не змінюються. "Природа сил, - зазначає М.М. Зорев [13], - що діють за передній і задній поверхнях, різна і тому більшість чинників по-різному впливають на величину цих сил. Наприклад, передній кут і товщина зрізу сильно впливають на сили, що діють на передній поверхні, але слабо впливають на сили, що діють на задній поверхні. Ширина контакту задньої поверхні слабко впливає на сили, що діють на передній поверхні, але сильно впливає на сили, що діють на задній поверхні. "

У 1953 р М.Н. Ларін [14], вивчаючи характер зносу різців при різних задніх кутах і товщинах зрізаних шарів, прийшов до висновку, що оптимальне значення заднього кута пов'язано з товщиною зрізаного шару і визначається за формулою:

,

де С - постійна величина: С = 0,13 при обробці сталі, чавуну, сплавів; З = 0,18 при обробці пластмас;

а _max - товщина шару, що зрізається, мм;

К - коефіцієнт.

"Таким чином, - пише М. Н. Ларін, - численними дослідами радянських дослідників встановлено, що головним фактором, що впливає на величину оптимального заднього кута, є товщина зрізу стружки."

У 1961 р, розглядаючи питання про коефіцієнт затуплення, А.Л. Бершадський [15] викладає методику обробки експериментальних даних Е. Ківімаа, В.П. Бухтіярова і приводить значення коефіцієнтів затупления по передній a _rп і задньої a _rз поверхонь в залежності від часу роботи леза Т:

Затуплення ріжучої кромки, що надає сильний вплив на роботу задньої поверхні, виявляється, впливає, хоча і незначно, на роботу передньої поверхні.

Пізніше А.Л. Бершадський відмовився від результатів проведених досліджень, але факт існування такої залежності залишається.

У 1967 р, вивчивши вплив затупления лез на дотичну силу різання при фрезеруванні деревини, В.Г. Морозов [16] наводить такі значення коефіцієнтів затупления по передній a _rп і задньої a _rз поверхнях леза:

У 1967 р, вивчаючи процес фрезерування лігніт-вуглеводних деревних пластиків, автором читається Вами роботи [17], була запропонована наступна формула для розрахунку одиничної дотичної сили різання, Н:

,

де використані поправочні коефіцієнти по задній і передній поверхнях леза:

a _vз і a _vп - на швидкість головного руху;

a _Нз і a _Нп - на глибину фрезерування;

a _{r з} і a _{r п} - на затупленія ріжучої кромки;

_a a _з і _a a _п - на величину заднього кута;

a _dз і a _dп - на кут різання.

Поправочні коефіцієнти на кут різання роблять основний вплив на сили по передній поверхні леза, але вони надають, хоча і менший вплив, на сили по задній поверхні. Значення коефіцієнтів наведені нижче.

Поправочні коефіцієнти на задній кут і затуплення ріжучих крайок лез надає головний вплив на сили, що діють по задній поверхні леза, але вони впливають і на сили по передній поверхні. Значення коефіцієнтів наведені нижче.

Таким чином, результати дослідів багатьох дослідників підтверджують взаємозв'язок сил, що діють по передній і задній поверхнях леза.

Розвиток теорії різання деревини в сучасних умовах. Різання деревини - складний процес. При вивченні такий процес в сучасних умовах прийнято розглядати як технологічну систему (ТС), що складається з декількох взаємопов'язаних і щодо неподільних частин, що утворюють єдине ціле. Технологічна система "процес різання" складається з чотирьох частин, які називаються підсистемами (рис. 2): заготовки, умов різання, верстата, ріжучого інструменту.

Підсистеми технологічної системи пронизані між собою причинно-наслідковими зв'язками і впливають на функціонування один одного. Підсистеми тільки щодо неподільні частини. При окремому їх розгляді як систем в кожній з них можна виділити свої підсистеми як умовно неподільні частини.

Заготівлю можна характеризувати наступними умовно неподільними частинами: породою, вологістю, щільністю, міцністю, пружністю, пластичністю, температурою, розмірами та ін.

Ріжучий інструмент включає такі елементи як кут загострення, кількість лез, гостроту різальних крайок, фізико-механічні властивості матеріалу зубів, шорсткість поверхні лез, довжину різальних крайок і ін.

Верстат включає наступні елементи: механізм головного руху з обертовим або зворотно-поступальним рухом, механізм подачі, механізм базування, кількість робочих рухів і послідовність їх виконання, товщину і ширину зрізаного шару, кут різання, задній кут, кут зустрічі (нахилу, скоса) ріжучої кромки леза з волокнами деревини, швидкість головного руху і руху подачі, сили різання і тертя, потужність приводів і ін.

Умови різання представляють собою сукупність умов, що відносяться до заготівлі, ріжучого інструменту і верстата, необхідних і достатніх для здійснення необхідного процесу різання. Якщо умови різання змінити, то і інші підсистеми (заготівля, інструмент, верстат) слід змінити так, щоб вони забезпечили реалізацію процесу різання. Якщо змінити параметри заготовки, наприклад деревина її буде мерзла, в якій вільна волога знаходиться в твердій фазі, то інші частини системи теж повинні бути змінені. Ріжучий інструмент, верстат і умови різання повинні забезпечити виконання процесу різання. Таким чином, зміна будь-якої підсистеми позначиться на стані інших підсистем.

При синтезі підсистеми об'єднуються в єдине ціле, де розрізнені фактори взаємодіють спільно. Спільне взаємодія факторів, їх причинно-наслідкові зв'язки створюють загальний позитивний ефект системи, перевищує суму позитивних ефектів, створюваних окремими факторами.

бібліографічний список

1. Панченко К.П. Російські вчені - основоположники науки про різання металів. Життя, діяльність і вибрані праці І.А. Тіма, К.А. Зворикіна, Я.Г. Усачова, А.Н. Челюскіна. - М .: Машгиз, 1952.- 320 с.

2.Брікс А.А. Різання металів, 1896.

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

4. Воскресенський С.А. Про розмежування сили зрізу і тиску на стружку: Зб. наук.-дослід. робіт. - Архангельськ, ЦНІІМОД, 1940.

5. Воскресенський С.А. Різання деревини. - М .: Гослесбумиздат, 1955.

6. Бершадський А.Л. Основні питання найвигіднішого поздовжнього пиляння деревини: Дисертація. - Мінськ, 1951.

7. Бершадський А.Л. Різання деревини. - М .: Гослесбумиздат, 1956.

8. Іванівський Є.Г. Книга про різання деревини // Деревообробна пром-сть. - 1956. - №5. - С. 28.

9. Ківімаа Е. Зусилля різання в деревообробці. Hols aks Roh-und Werkstoff. - 1952. - III. - №3.

10. Бершадський А.Л. Визначення питомої роботи різання деревини // Механічна обробка деревини. - 1940. - №3.

11. Бухтияров В.П. Про силах віджимання при поздовжньому фрезеруванні // Лісовий журнал. - 1959. - №3.

12. Комаров Г.А. Дослідження поперечного фрезерування деревини: Дисертація. - М .: МЛТІ, 1963.