История развития науки о резании древесины

Ниже приведен с некоторыми изменениями отрывок из монографии –

Глебов И.Т. Фрезерование древесины: Монография. – Екатеринбург: Урал. гос. лесотехн. ун-т, 2003. – 169 с.

История развития науки о резании древесины

Человек должен верить, что непонятное можно понять; иначе он не стал бы размышлять о нем.

В. Гете

 

Становление науки о резании древесины. Основоположником науки о резании древесины считается профессор Петербургского горного института Иван Августович Тиме [1]. В его исследовательской работе "Сопротивление металлов и дерева резанию", опубликованной в 1870 г., а позднее в сочинении "Основы машиностроения" (всего опубликовано 10 научных работ И.А. Тиме по резанию древесины и металлов), приводится анализ и обобщение результатов опытов, проведенных на Луганском заводе. И.А. Тиме впервые приводит определение процесса резания, делает классификацию стружек, объясняет явление усадки стружки (изменение размеров в результате пластического деформирования), доказывает, что ширина и толщина среза по-разному влияют на работу резания.

Проблемы ученых того времени сводились главным образом к изучению деформирования материала в зоне резания и зависимости сил резания от поперечного сечения срезаемого слоя.

 И.А. Тиме считал, что работу по резанию выполняет только передняя поверхность лезвия и нормальное давление обрабатываемого материала на ней одинаково по всей площади контакта (рис. 1, а). Сила, действующая на лезвие, может быть найдена по формуле

N = klb, (1)

где k – нормальное давление;

l, b – соответственно длина и ширина сдавливаемой площади.

В 1886 г. выходит книга П.А. Афанасьева "Курс механической технологии дерева", в которой используются методы науки о сопротивлении материалов, проводится анализ характера стружкообразования, уточняется форма эпюры давления стружки на лезвие. П.А. Афанасьев впервые указывает на роль трения в процессе резания.

В отличие от И.А. Тиме П.А. Афанасьев считал, что давление обрабатываемого материала на переднюю поверхность распределено неравномерно, и что наибольшее давление имеет место у режущей кромки, а в точке входа в древесину оно равно нулю. Давление от нуля до максимума изменяется по линейной зависимости, поэтому эпюра нормальных давлений имеет форму треугольника (рис. 1, б).

Проблема доказательства формы эпюры при резании сохранилась до наших дней.

Первые исследования по резанию древесины и металлов были связаны с изучением зависимости сил резания от поперечного сечения срезаемого слоя и его размеров.

В ранних работах И.А. Тиме считал, что сила резания пропорциональна ширине и толщине срезаемого слоя. Позднее в сочинении "Основы машиностроения" он пересмотрел свои взгляды. Найдя массу стружек, приходящихся на единицу работы резания, он делает заключение, что для срезания тонких стружек затрачивается работы больше, чем для срезания толстых стружек. Отсюда следует, что удельная работа резания уменьшается с увеличением толщины срезаемого слоя. При этом толщина и ширина срезаемого слоя влияют на силу резания по-разному.

Таким образом, И.А. Тиме первым из исследователей пришел к правильному выводу, что ширина и толщина срезаемого слоя оказывают разное влияние на силу резания.

Заметное место в науке о резании древесины занимают работы К.А. Зворыкина, особенно книги "Работа и усилие для отделения металлических стружек" [1] и "Курс механической технологии дерева" (1894 г.). В своих работах К.А. Зворыкин делает попытку вывести теоретическим путем расчетную формулу для силы резания, находит главные факторы, влияющие на силу резания. Им проведено большое количество экспериментов, на основании которых сделан важный вывод о том, что работа, затраченная на срезание единицы объема стружек, уменьшается с увеличением толщины стружек. Сила резания изменяется пропорционально ширине срезаемого слоя. Совсем другие результаты получились, когда сечение срезаемого слоя изменялось только за счет его толщины. Проделав 230 опытов, К.А. Зворыкин делает вывод, что удельная работа резания – величина не постоянная, а переменная и уменьшается с увеличением толщины срезаемого слоя. Была предложена эмпирическая зависимость для расчета удельной работы резания:

, (2)

где К' – удельная работа резания при толщине срезаемого слоя 1 мм;

а – толщина срезаемого слоя, мм.

 Так К.А. Зворыкин первым из исследователей экспериментально доказал, что удельная работа резания убывает с увеличением толщины срезаемого слоя, подтвердив, таким образом, правильность взглядов И.А. Тиме.

Впервые проанализировать указанную закономерность попытался А.А. Брикс [2]. В 1896 г., обрабатывая экспериментальные данные К.А. Зворыкина, он пришел к выводу, что если указанные данные рассмотреть в осях координат, где ордината – отношение силы резания к ширине среза, а абсцисса – толщина среза, то сила резания изменяется по линейному закону. Графически это изображается наклонной прямой линией, проходящей выше начала координат и отсекающей положительную ординату. Уравнение имеет вид

F_x = K₁b + K₂ab, (3)

где F_x – сила резания, Н;

K₁, K₂– коэффициенты с размерностью соответственно Н/мм и МПа;

a, b – соответственно толщина и ширина срезаемого слоя, мм.

Отсюда следует, что сила резания изменяется пропорционально ширине и непропорционально толщине срезаемого слоя.

В 1925 г. выходит в свет работа А.Н. Челюскина "Влияние размеров стружки на усилие резания металлов" [1], которая, по словам автора, является "результатом критической обработки главнейших сочинений, относящихся к вопросу резания металлов на станках, а также собственных изысканий и опытов автора в этой области". А.Н. Челюскин цифрами и графиками подтвердил неодинаковое влияние ширины и толщины срезаемого слоя на силу резания.

В 1934 г. М.А. Дешевой в работе "Механическая технология дерева"[3] изложил оригинальную, глубоко разработанную и методично построенную научную теорию резания древесины. Как и И.А. Тиме, он, применяя методы механики в анализе процесса стружкообразования при резании, установил связи между сопротивлением древесины резанию и показателями ее механических свойств. Были разработаны более совершенные методы расчета мощности и производительности деревообрабатывающих машин.

В тридцатых годах выполняются первые исследовательские работы А.Э. Грубе, А.Л. Бершадского, С.А. Воскресенского, Ф.М. Манжоса. Научными трудами этих ученых мы широко пользуемся в настоящее время.

В работах С.А. Воскресенского развиваются идеи М.А. Дешевого в применении методов механики в анализе процессов резания. Большое внимание при этом уделяется выявлению эпюры нормальных давлений в зоне резания и определению силы резания. Одной из главных черт теории С.А. Воскресенского является расчленение силы резания на составные части. Приступая к анализу отдельных частей, С.А. Воскресенский отмечал, что между процессами, происходящими по отдельным зонам, существует тесная неразрывная связь. Однако при синтезе сила резания представляется им как сумма трех сил [4, 5]: силы надрезания F_xн, силы деформации стружки F_xд и силы резания по задней грани F_xз. В результате синтеза сил, действующих на лезвие, получены уравнения:

F_x = F_xн + F_xз + F_xд, (4)

F_x = F_xо + F_xд,

F_x = F_xо + К_да.

В этих уравнениях ширина срезаемого слоя равна 1 мм.

В приведенных уравнениях остается неясной функция отдельных составных частей в целом процессе резания, так как они изолированы друг от друга и не взаимосвязаны между собой. Это послужило поводом для критики теории С.А. Воскресенского другими учеными. А.Л. Бершадский замечает по этому поводу [6, 7], что условность разделения резца и его работы на самостоятельно выделенные слагаемые, допустимая для общих предварительных рассуждений, совершенно не допустима для распространения ее на расчетную практическую формулу. Процесс резания неделим. В нем нет границ раздела между отдельными процессами. Наоборот, один процесс действует на другой, связь между процессами интегральная, а не арифметическая. Следовательно, изолированные независимые слагаемые не отражают реальную сущность процесса резания.

Анализируя книгу С.А. Воскресенского по резанию древесины, Е.Г. Ивановский писал [8], что применение только одного механико-математического метода сдерживает развитие науки о резании. Резание древесины есть одно из самых сложных физических явлений. Именно так надо подходить к его изучению. Такое понимание метода исследования не предполагает открытия новых физических законов, но требует выявления характера действия известных законов при резании. Начала механики материалов помогают выявить ряд закономерностей резания, но не все, и поэтому нельзя ограничиваться только ими.

Линейная зависимость силы резания от толщины срезаемого слоя получена также в исследованиях Е. Кивимаа [9]. Исследования показали, что ни одна из кривых, будучи продлена, не проходит через начало координат, и все кривые отсекают некоторую положительную ординату. Из этого делается вывод, что усилие, расходуемое на резание древесины, расходуется на две части. Одна часть расходуется собственно на резание и остается постоянной при изменении толщины среза. Другая часть усилия резания расходуется на деформирование срезаемых слоев передней поверхностью лезвия и зависит от толщины срезаемого слоя.

Так Е. Кивимаа поделил силу резания на две части, одна из которых приложена к режущей кромке лезвия и производит вальцевание поверхности резания и перерезание или разделение волокон древесины, а другая – приложена к передней поверхности лезвия и производит сжатие срезаемого слоя древесины. Для единичной силы резания шириной 1 мм сила резания выражается формулой

F_x1 = F_с + Ка.

Если единичную силу резания поделить на соответствующее ей значение толщины срезаемого слоя а, то получится значение удельной силы резания, количественно равное удельной работе резания.

В работах А.Л. Бершадского [6, 7, 10] удельная работа резания древесины выражалась следующей формулой:

, (5)

где К' – удельная работа резания при толщине срезаемого слоя 1 мм;

m – коэффициент, характеризующий интенсивность роста удельной работы резания.

Эта формула получена путем обработки экспериментальных данных в логарифмических осях координат. Она показывает, что удельная работа резания убывает с ростом толщины срезаемого слоя. Эта формула оказалась удобной для практических расчетов и широко использовалась до 60-х годов. Однако такая формула затрудняла определение радиальной составляющей полной силы резания.

Радиальная сила (сила отжима) определялась по формуле:

F_z = ± mF_x, (6)

где m – коэффициент, зависимый от остроты режущей кромки лезвия и толщины срезаемого слоя [11, 12]. Значение m изменяется в пределах m = 0,1- 1,0.

Исследования по резанию древесины и древесных материалов в нашей стране ведут все высшие учебные заведения лесопромышленного профиля, а также отраслевые научно-исследовательские институты (ЦНИИМОД, г. Архангельск; ЦНИИМЭ, г. Химки Московской обл.; ВНИИДрев, г. Балабаново Калужской обл.; СибНИИЛП, г. Красноярск).

Резание древесины – сложный процесс. Его сложность обусловила появление разных направлений в развитии теории резания этого материала.

В итоге научных дискуссий по теории резания древесины, состоявшихся в Ленинграде (1952 г.) и в Москве (1953 г.), было установлено, что уже в то время наука о резании древесины развивалась по трем направлениям.

Первое направление применяет метод механико-математического анализа процесса резания. Это школа И.А. Тиме, М.А. Дешевого, С.А. Воскресенского. Ученые этой школы переносят методы науки о сопротивлении материалов на анализ действия сил и поведения стружки в процессе резания древесины.

Второе направление развивает физическую теорию резания древесины. Процесс резания рассматривается как физический. Изучаются прежде всего процессы упругого и остаточного деформирования древесины, трения на молекулярном уровне, влияние на эти процессы скорости резания. Это направление представлено школой В.Д. Кузнецова и Е.Г. Ивановского.

Третье направление использует физико-технологический метод, математически обобщающий экспериментальные данные процессов резания в эмпирические формулы, пригодные для практических расчетов. Формулы объединяют физические и технологические параметры. Это школа А.Л. Бершадского.

Между указанными тремя теориями резания нельзя провести четких границ. Они части одной теории, дополняющие и обогащающие друг друга, объединенные единством цели.

Научные труды основоположника науки о резании древесины И.А. Тиме дали возможность целой плеяде русских ученых (П.А. Афанасьеву, К.А. Зворыкину, А.Н. Челюскину, Я.Г. Усачеву, М.А. Дешевому, А.Л. Бершадскому, А.Э. Грубе, С.А. Воскресенскому, Е.Г. Ивановскому, А.Е. Золотареву, И.П. Лапину, Ф.М. Манжосу, В.С. Рыбалко и многим другим) создать отечественную российскую школу обработки древесины резанием. Эта школа занимает сейчас ведущее место в мире.

О взаимосвязи сил, действующих по контактным поверхностям лезвия. Изучая процесс резания древесины, в 1934 г. М.А. Дешевой высказал предположение о независимости действия сил по обе стороны от плоскости резания. В 1945 г. А.М. Розенберг в исследовании процесса фрезерования металлов, а в 1955 г. С.А. Воскресенский в теоретических исследованиях процесса резания древесины делают предположения, что процессы, происходящие по передней поверхности лезвия, не влияют на величину сил по задней поверхности.

Впервые гипотеза о независимости сил по задней поверхности от толщины срезаемого слоя была проверена Н.Н. Зоревым в 1952 г. при резании стали. Было показано, что при увеличении толщины срезаемого слоя от 0,05 мм до 0,55 мм силы резания на задней поверхности почти не изменяются. "Природа сил, – отмечает Н.Н. Зорев [13], – действующих по передней и задней поверхностям, различна и поэтому большинство факторов различно влияют на величину этих сил. Например, передний угол и толщина среза сильно влияют на силы, действующие на передней поверхности, но слабо влияют на силы, действующие на задней поверхности. Ширина контакта задней поверхности слабо влияет на силы, действующие на передней поверхности, но сильно влияет на силы, действующие на задней поверхности."

В 1953 г. М.Н. Ларин [14], изучая характер износа резцов при различных задних углах и толщинах срезаемых слоев, пришел к выводу, что оптимальное значение заднего угла связано с толщиной срезаемого слоя и определяется по формуле:

,

где С – постоянная величина: С = 0,13 при обработке стали, чугуна, сплавов; С= 0,18 при обработке пластмасс;

а_max – толщина срезаемого слоя, мм;

К – коэффициент.

"Таким образом, – пишет М.Н. Ларин, – многочисленными опытами советских исследователей установлено, что главным фактором, влияющим на величину оптимального заднего угла, является толщина среза стружки."

В 1961 г., рассматривая вопрос о коэффициенте затупления, А.Л. Бершадский [15] излагает методику обработки экспериментальных данных Е. Кивимаа, В.П. Бухтиярова и приводит значения коэффициентов затупления по передней a_rп и задней a_rз поверхностям в зависимости от времени работы лезвия Т:

Т, ч	0	1	2	3	4	5	6
arп	1,0	1,05	1,1	1,15	1,2	1,25	1,3
arз	1,0	1,25	1,45	1,60	1,75	1,85	2,0

Затупление режущей кромки, оказывающее сильное влияние на работу задней поверхности, оказывается, влияет, хотя и незначительно, на работу передней поверхности.

Позднее А.Л. Бершадский отказался от результатов проведенных исследований, но факт существования такой зависимости остается.

В 1967 г., изучив влияние затупления лезвий на касательную силу резания при фрезеровании древесины, В.Г. Морозов [16] приводит следующие значения коэффициентов затупления по передней a_rп и задней a_rз поверхностям лезвия:

r, мкм	5	10	15	20	25	30	35
arп	1,0	1,04	1,08	1,13	1,20	1,28	1,40
arз	1,0	1,25	1,70	2,00	2,50	3,30	4,50

В 1967 г., изучая процесс фрезерования лигно-углеводных древесных пластиков, автором читаемой Вами работы [17], была предложена следующая формула для расчета единичной касательной силы резания, Н:

 ,

где использованы поправочные коэффициенты по задней и передней поверхностям лезвия:

a_vз и a_vп – на скорость главного движения;

a_Нз и a_Нп  – на глубину фрезерования;

 a_rз и a_rп  – на затупление режущей кромки;

a_aз и a_aп  – на величину заднего угла;

a_dз и a_dп – на угол резания.

Поправочные коэффициенты на угол резания оказывают основное влияние на силы по передней поверхности лезвия, но они оказывают, хотя и меньшее влияние, на силы по задней поверхности. Значения коэффициентов приведены ниже.

Угол резания d, град	50	55	60	65	70
adз	1	1,01	1,03	1,08	1,15
adп	1	1,16	1,29	1,38	1,45

Поправочные коэффициенты на задний угол и затупление режущих кромок лезвий оказывает главное влияние на силы, действующие по задней поверхности лезвия, но они влияют и на силы по передней поверхности. Значения коэффициентов приведены ниже.

Задний угол a, град	8	9	10	11	12
aaз	1,09	1,03	1,0	0,94	0,91
aaп	0,89	0,96	1,0	1,01	1,02
Радиус закругления r, мкм	15	25	35	45	55
arз	1	1,76	2,27	2,65	2,96
arп	1	0,73	0,62	0,54	0,49

Таким образом, результаты опытов многих исследователей подтверждают взаимосвязь сил, действующих по передней и задней поверхностям лезвия.

Развитие теории резания древесины в современных условиях. Резание древесины – сложный процесс. При изучении такой процесс в современных условиях принято рассматривать как технологическую систему (ТС), состоящую из нескольких взаимосвязанных и относительно неделимых частей, образующих единое целое. Технологическая система "процесс резания" состоит из четырех частей, называемых подсистемами (рис. 2): заготовки, условий резания, станка, режущего инструмента.

Подсистемы технологической системы пронизаны между собой причинно-следственными связями и влияют на функционирование друг друга. Подсистемы только относительно неделимые части. При отдельном их рассмотрении как систем в каждой из них можно выделить свои подсистемы как условно неделимые части.

Заготовку можно характеризовать следующими условно неделимыми частями: породой, влажностью, плотностью, прочностью, упругостью, пластичностью, температурой, размерами и др.

Режущий инструмент включает такие элементы как угол заострения, количество лезвий, остроту режущих кромок, физико-механические свойства материала зубьев, шероховатость поверхности лезвий, длину режущих кромок и др.

Станок включает следующие элементы: механизм главного движения с вращательным или возвратно-поступательным движением, механизм подачи, механизм базирования, количество рабочих движений и последовательность их выполнения, толщину и ширину срезаемого слоя, угол резания, задний угол, угол встречи (наклона, скоса) режущей кромки лезвия с волокнами древесины, скорость главного движения и движения подачи, силы резания и трения, мощность приводов и др.

Условия резания представляют собой совокупность условий, относящихся к заготовке, режущему инструменту и станку, необходимых и достаточных для осуществления требуемого процесса резания. Если условия резания изменить, то и остальные подсистемы (заготовка, инструмент, станок) следует изменить так, чтобы они обеспечили реализацию процесса резания. Если изменить параметры заготовки, например древесина ее будет мерзлая, в которой свободная влага находится в твердой фазе, то другие части системы тоже должны быть изменены. Режущий инструмент, станок и условия резания должны обеспечить выполнение процесса резания. Таким образом, изменение любой подсистемы отразится на состоянии других подсистем.

При синтезе подсистемы объединяются в единое целое, где разрозненные факторы взаимодействуют совместно. Совместное взаимодействие факторов, их причинно-следственные связи создают общий положительный эффект системы, превышающий сумму положительных эффектов, создаваемых отдельными факторами.

Библиографический список

1. Панченко К.П. Русские ученые – основоположники науки о резании металлов. Жизнь, деятельность и избранные труды И.А. Тиме, К.А. Зворыкина, Я.Г. Усачева, А.Н. Челюскина. – М.: Машгиз, 1952.– 320 с.

2. Брикс А.А. Резание металлов, 1896.

3. Дешевой М.А. Механическая технология дерева.– Л.: Гостехиздат, 1934. – Т. 1.

4. Воскресенский С.А. О разграничении силы среза и давления на стружку: Сб. науч.-исслед. работ. – Архангельск, ЦНИИМОД, 1940.

5. Воскресенский С.А. Резание древесины. – М.: Гослесбумиздат, 1955.

6. Бершадский А.Л. Основные вопросы наивыгоднейшего продольного пиления древесины: Диссертация. – Минск, 1951.

7. Бершадский А.Л. Резание древесины. – М.: Гослесбумиздат, 1956.

8. Ивановский Е.Г. Книга о резании древесины // Деревообрабатывающая пром-сть. – 1956. – №5. – С. 28.

9. Кивимаа Е. Усилие резания в деревообработке. Hols aks Roh-und Werkstoff. – 1952. – III. – №3.

10. Бершадский А.Л. Определение удельной работы резания древесины // Механическая обработка древесины. – 1940. – №3.

11. Бухтияров В.П. О силах отжима при продольном фрезеровании //Лесной журнал. – 1959. – №3.

12. Комаров Г.А. Исследование поперечного фрезерования древесины: Диссертация. – М.: МЛТИ, 1963.