Резание древесины и дереворежущий инструмент, Ч.2. (90

пневматическую подушку. При черновом шлифовании с целью точной обработки в размер или под плоскость опора шкурки должна быть жесткой, без «постели».

Для анализа шлифования как процесса резания его разновидности классифицируют по геометрической форме зоны контакта абразивного инструмента с обрабатываемой деталью (рис. 6.1). Различают три группы процессов шлифования:

1)шлифование с плоской зоной контакта инструмента и обрабатываемой детали (рис. 6.1 а, б, в, г);

2)шлифование с цилиндрической зоной контакта (рис. 6.1 д, е);

3)шлифование с профильной зоной контакта (рис. 6.1 ж, з, и, к).

6.2. Основные характеристики шлифования

Шлифовальную шкурку (рис. 6.2) можно рассматривать как многолезвийный инструмент с большим числом режущих элементов – кромок абразивных зерен. Зерна 1 (из электрокорунда, карбида кремния или других абразивных материалов) посредством связки 2 (животного клея, мочевинной или фенольной смолы) крепятся друг к другу и к основе шкурки 3 (бумаге, ткани, фибре или комбинации этих материалов). Вследствие многообразия формы и различия размеров отдельных зерен, а также способов нанесения их на основу режущие кромки (вершины) отдельных зерен располагаются на шкурке не на одном уровне. Это приводит к тому, что одновременно участвует в резании относительно небольшое число зерен, порядка 2 % от их количества на рабочей поверхности инструмента.

Число активных, т, е. взаимодействующих с обрабатываемой поверхностью, зерен зависит от зернистости инструмента, степени его затупления, площади контакта с обрабатываемым изделием и характеристик режима шлифования. Этими же параметрами в основном определяется толщина срезаемых слоев и, следовательно, качество обработанной

21

Углы заострения при вершинах β у зерен электрокорунда колеблются в пределах 40... 145°, причем у большинства (70–75 %) зерен эти углы превышают 90°. Статистические расчеты показывают, что, например, для чернового шлифования наибольшую вероятность имеют следующие значения углов резания: δ =135°, γ

гладкость поверхности при шлифовании мелкозернистыми шкурками достигается не только за счет уменьшения толщины срезаемых слоев, но и за счет более высокой остроты режущих кромок мелких зерен.

Основными параметрами режима (для шкурки выбранной зернистости) являются: удельное давление на шлифуемой поверхности, направление шлифования относительно волокон древесины, скорость резания, скорость подачи, длина контакта шкурки с древесиной.

Удельное давление q в зоне контакта шлифовального инструмента с обрабатываемым материалом влияет на число активных (режущих) зерен Zpeж. Связь между Zpeж (число следов на 1 см2 поверхности) и q в пределах изменения q от 5 до 500

где С и γ – константы, определяемые характеристиками шкурки и

23

обрабатываемого материала (для чернового шлифования С = 5...11; γ = 0,51...0,56).

При увеличении числа режущих зерен повышается удельная производительность инструмента. Вместе с тем увеличение удельного давления мало влияет на средне-вероятностную толщину срезаемого слоя и, следовательно, на шероховатость шлифованной поверхности. По тем же опытным данным, при увеличении удельного давления в 50 раз толщина слоев увеличивается всего на 5...14%.

Направление шлифования относительно волокон характеризуется углом скоса ϕс (рис. 6.4). Практика и специальные исследования показывают, что при чистовом шлифовании наилучшее качество поверхности достигается при ϕс

= 0°, т.е. при шлифовании вдоль волокон. При увеличении угла скоса или переходе от продольного шлифования к поперечному повышается производительность процесса, однако качество обработки ухудшается за счет появления ворса (множества не

Рис. 6.4. Угол скоса при шлифовании цилиндром (вид в плане): а – при наличии дополнительного рабочего движения вдоль оси (осцилляции); б – то же, при несовпадении направлений волокон древесины с направлением подачи.

24

вполне отделенных приподнятых над поверхностью волокон) и резкого выявления следов (рисок), оставляемых абразивными зернами при несовпадении этих следов с направлением волокон древесины. В чистовом шлифовании поверхностей, предназначенных под высококачественную отделку, допускается угол скоса не более 15°. При ϕс = 15°, например при обработке

щитов, облицованных «в елку» или «в ромб», требуется тщательное шлифование до получения поверхностей с микронеровностями высотой не более 6 – 8 мкм: только при этих условиях следы от зерен будут практически не заметны. Черновое шлифование столярно-строительных изделий рамного типа (с продольными и поперечными брусками) рекомендуется вести при ϕс = 45°.

Применяется шлифование с углом скоса 90°, т.е. поперек волокон (обработка паркетных досок).

При шлифовании диском (см. рис. 6.1 г, к) скорость резания изменяется от ноля в центре диска до максимума на его периферии. Изменение скорости резания и различие углов перерезания волокон ϕс в разных местах диска приводят к

сошлифовыванию неравномерного припуска с обрабатываемой поверхности, что является недостатком этой схемы шлифования.

Движение подачи при шлифовании необходимо во всех случаях, когда площадь обрабатываемой поверхности изделия превышает площадь единовременного контакта ее с инструментом. Скорость подачи Us для заданных условий шлифования должна назначаться в зависимости от глубины шлифования t: чем больше глубина, тем меньше скорость подачи и наоборот. При ленточном шлифовании существует оптимальная длина контакта шкурки с древесиной (измеряется по направлению U). Дело в том, что зернами шкурки может быть срезано и унесено с поверхности изделия лишь такое количество стружки, которое разместится в межзерновом пространстве. При достаточно большой длине контакта стружка постепенно заполняет

25

все свободное пространство между зернами и оттесняет шкурку от изделия, съем древесины сокращается, а затем и прекращается совсем.

Оптимальной длиной контакта следует считать ту, при которой заполняются стружкой межзерновые пространства большинства зерен шкурки и с превышением которой снижается производительность шкурки. Оптимальная длина контакта не зависит от скорости шлифования, незначительно зависит от удельного давления и породы древесины, но определяющим образом зависит от зернистости шкурки. Для зернистости шкурки 32, 16 и 10 оптимальная длина контакта (утюжка) соответственно равна 125, 100 и 65 мм.

Для нормальной работы шлифовальной ленты важное значение имеет степень ее натяжения. При слабом натяжении шкурки снижается ее производительность и работоспособность вследствие значительного перемещения (в сторону основы) зерен под действием усилий резания. Чрезмерное натяжение приводит к разрушению связки, к отгибанию зерен на основе при резании (ухудшаются условия резания) и к ускоренному выкрашиванию, что проявляется также в снижении производительности и работоспособности шкурки. Оптимальным, например, для шкурки на тканевой основе будет натяжение 7,5 Н на 1 см ширины ленты.

6.3. Кинематика процесса шлифования

Производительность шлифования характеризуют следующие показатели:

1.Удельная производительность шлифовальной шкурки (аш) – это номинальный объем материала (в см3), удаляемый с 1 см2 обрабатываемой поверхности при перемещении инструмента на

1см. Размерность аш, таким образом, см3/(см2 см).

2.Удельная производительность процесса шлифования ап –

26

номинальный объем материала, удаляемого с 1 см2 обрабатываемой поверхности за 1 мин; по определению

где U – скорость шлифования, см/мин.

3. Полная производительность процесса шлифования Ап номинальный объем материала, удаляемого с обрабатываемой поверхности (со всей площади контакта) за 1 мин.

где fк – площадь контакта шкурки с обрабатываемой поверхностью, см2; В и lк – ширина и длина (по направлению U) контактной площадки, см.

Из формул (6.2) и (6.3) получается формула, обычно используемая для вычисления удельной производительности шкурки по результатам опытов:

Удельная производительность шкурки аш зависит от параметров шкурки (материала абразива и его зернистости, способа нанесения зерен на основу, степени остроты шкурки), свойств обрабатываемого материала (породы древесины, вида и технических данных древесного материала), характеристик режима шлифования (удельного давления, ориентирования волокон древесины относительно вектора скорости резания).

Удельная производительность шкурки может быть определена по эмпирической формуле

влияние материала абразива (для электрокорунда ам = 1; для кремня – 1,3; для стекла – 0,4); ан – поправочный множитель,

27

учитывающий способ нанесения абразивных зерен на основу (для гравитационного способа ан = 1; для электростатического – 1,25); ар – поправочный множитель, учитывающий влияние остроты шкурки (для острой ар = 1,4; средней остроты – 1; для тупой – 0,7).

Длина контакта при шлифовании lк определяется с учетом схемы процесса. При шлифовании лентой с неподвижной опорой (см. рис. 6.1 а) длина контакта соответствует длине детали l, соприкасающейся с лентой. При шлифовании лентой с нажимом на нее плоским утюжком (рис. 6.1 б) lк равна размеру утюжка по направлению движения ленты. При шлифовании торцовой поверхностью диска (рис. 6.1 г) длина контакта может быть приближенно определена как длина дуги некоторого среднего радиуса шлифования rср в пределах площади контакта. При шлифовании шкивной частью ленты или цилиндром (рис. 6.1 д, е) длина контакта определяется с учетом радиуса кривизны (диаметра цилиндра D) и жесткости «постели» инструмента.

6.4. Силы и мощность шлифования

При шлифовании различают силы: касательную Fx, нормальную Fz и осевую Fy (например, при осцилляции инструмента), получающиеся от сложения соответствующих сил Fxi, Fzi и Fyi на каждом режущем абразивном зерне (рис. 6.5). Обычно осевая сила не учитывается из-за ее малости. Касательная сила (средняя) может быть определена по формуле

площадь поперечного сечения условного среза, получаемая как частное от деления объема материала, сошлифовываемого в единицу времени, на скорость резания, мм2.

Величину fcp можно установить по производительности процесса шлифования:

28

где Ап – полная производительность процесса шлифования, см3/мин; U – скорость шлифования, см/мин

Величина Fуд.ш значительно превышает удельную силу в других процессах резания (это легко объяснить известной зависимостью Fуд от а) и колеблется в широких пределах для разных режимов шлифования.

Однако в формулах для практических расчетов принято касательную силу представлять как силу трения.

Это оправдано физической сущностью шлифования (определяющая роль процесса трения), а так же тем обстоятельством, что нормальная сила резания Fz практически задается режимом шлифования (это суммарная сила нормального давления по площади контакта fк). Таким образом,

где fш – коэффициент шлифования, величина безразмерная; q – удельное давление по площади контакта, кПа; fк – площадь контакта, см2.

Коэффициент шлифования fш зависит, главным образом, от зернистости и степени затупления шкурки и свойств обрабатываемого материала. Для древесины fш вычисляют по эмпирической формуле

29

где ап – поправочный множитель на породу древесины (для березы – 1, сосны – 0,95; дуба – 0,85); ар – поправочный множитель на степень затупления шкурки (для острой – 1,3; средней остроты – 1; для тупой – 0,8).

Для древесностружечных плит fш = 0,75...0,45 (большие значения для зернистости № 40 и выше при значительных припусках на обработку).

Мощность шлифования определяется с учетом особенностей схемы шлифования. Так, для шлифования лентой с

6.5. Расчет скорости подачи и глубины шлифования

Обычно для повышения гладкости обработанной поверхности при сохранении достаточно высокой производительности процесса детали шлифуют за 2 – 3 прохода. При этом от прохода к проходу уменьшают зернистость шкурки.

Исследованиями установлено, что достаточным припуском на шлифование является слой материала глубиной, равной средней высоте максимальных микронеровностей на исходной поверхности (Rm по ГОСТ 7016-82). При этом общая площадь поперечного сечения удаляемого материала составит 2/3 от площади прямоугольника, высота которого равна разности величин максимальных микронеровностей до и после обработки. Отсюда приведенная глубина шлифования (толщина снимаемого слоя) за один проход равна

30