Введение к работе
Актуальность темы. Наша страна по лесным природным богатствам является ведущей мировой державой, поэтому для производства древесной продукции разработаны и используются различные способы переработки древесины, в т. ч. механической обработки, среди которых доминирующее положение занимает фрезерование, обеспечивающее высокую производительность и требуемое качество обработанных поверхностей. Широкое применение с использованием фасонных фрез получило производство профильной продукции, в т. ч. погонажных изделий: блок-хаус, дверных наличников и пр. Фасонный инструмент позволяет значительно упростить технологическое оборудование и рационально использовать сырьевые ресурсы при обработке криволинейных контуров второго порядка, например, крупных отходов лесопиления в виде неокоренных периферийных сегментов.
Влияние режущего инструмента, свойств древесины, технологической
оснастки и оборудования на эффективность цилиндрического фрезерования
детально изучено, в то время как профильное фрезерование древесины и
нетехнологичных крупных отходов лесопиления не исследовано. В «Стратегии
развития лесного комплекса Российской Федерации на период до 2020 г.»
отмечается: «…на многих предприятиях РФ широко используются лесопильные
рамы, которые характеризуются большой энергоемкостью, образованием
значительных объемов отходов древесины, …разрушена отраслевая научно-исследовательская и проектная база развития лесного машиностроения».
Сегодня крупные отходы лесопиления не востребованы, утилизируются на свалках или накапливаются на прилегающих территориях предприятий, где они сгнивают или сжигаются, а в лучшем случае из них производят топливные гранулы, тарную дощечку и др. второстепенную продукцию. Перспективным является разработка оборудования, обеспечивающего реализацию экологически чистых процессов профильного фрезерования крупных отходов лесопиления, на основе которых реален выпуск качественной профильной древесной продукции.
Отсутствие научной и проектной базы для разработки высокоэффективного
автоматизированного оборудования и процессов профильного фрезерования
древесины и крупных отходов лесопиления негативно отражается на
производительности процесса, геометрической точности изделий и
энергопотреблении и свидетельствует о проблеме, имеющей важное хозяйственное значение.
Актуальность работы подтверждается конкурсным выполнением ее этапов по
Государственным контрактам с Федеральным государственным бюджетным
учреждением «Фонд содействия развитию малых форм предприятий в научно-
технической сфере» по темам: №3943р/6110 «Разработка системы оптимизации
режимов резания при обработке материалов, имеющих неоднородные свойства, для
станка ПФП-100», №7728р/11285 «Разработка системы автоматического
регулирования мощности привода главного движения при обработке
пиломатериалов и пиловочного сырья», №9495р/11285 «Разработка системы автоматического управления технологическими параметрами при обработке пиловочного сырья, основанной на пропорционально-интегральном принципе управления с эталонной моделью», а также Ползуновским Грантам по теме: «Микропроцессорная оптимизация режимов резания при обработке материалов, имеющих неоднородные свойства, на примере горбыля».
Степень разработанности темы. Проблеме повышения производительности процессов фрезерования древесины, микрогеометрии обработанных поверхностей и разработке оборудования посвящены работы отечественных и зарубежных ученых: Амалицкого В. В., Бершадского А. Л., Кряжева Н. А., Любченко В. И., Biermann D., Malkocoglu A., Odendahl S., Pinkowski G., Szymanski W., Gilewicz A., Svatos M., Skaljic N., Surmann T. и др. Несмотря на широкое применение в деревообработке и явные преимущества перед декоративным и профильным фрезерованием древесины на станках с ЧПУ, профильное фрезерование древесины и нетехнологичных крупных отходов лесопиления фасонным режущим инструментом не изучено: нет теории процесса, основополагающих моделей, без которых невозможно качественное проектирование оборудования и высоко эффективных процессов. Реализация профильного фрезерования древесины фасонным инструментом в условиях производства основана на личном опыте технолога и станочника, обслуживающего оборудование, что сказывается на снижении производительности и качества обработанных поверхностей.
Цель исследования: повышение производительности и энергосбережение при профильном фрезеровании древесины и нетехнологичных крупных отходов лесопиления на основе моделирования процесса, исследования механизма формообразования обработанной поверхности, оптимизации режимов резания и разработки автоматизированного оборудования.
Для достижения цели следует:
проанализировать контактное взаимодействие фасонной фрезы и заготовки в процессе профильного фрезерования вогнутых и выпуклых поверхностей;
определить расчетные зависимости параметров срезаемого слоя, пригодные для цилиндрического и профильного фрезерования древесины и описывающие закономерности изменения толщины, площади, объема срезаемого слоя в функции геометрических характеристик фасонной фрезы, элементов режима резания, и учитывающие сбег заготовки, а также гребни, остающиеся на обработанной поверхности;
определить расчетные зависимости силовых характеристик процесса
профильного фрезерования заготовок со сбегом и без сбега, устанавливающие
закономерности изменения мощности и составляющих силы резания в функции
элементов режима резания, времени обработки и параметров фасонного режущего
инструмента;
установить формулу для расчета поправочного коэффициента на профильное фрезерование древесины, что позволит привести расчеты в соответствие с общепринятой в деревообработке методологией проектирования;
проанализировать пространственные виброперемещения фасонного режущего инструмента под влиянием его дисбалансов, упругих, диссипативных свойств и размерных характеристик шпиндельного узла;
раскрыть закономерности формирования фасонной обработанной поверхности, ее геометрических погрешностей и определить пути их снижения;
разработать обобщенную математическую модель, раскрывающую закономерности профильного фрезерования древесины и крупных отходов лесопиления;
выполнить в программной среде Advanced Grapher компьютерное моделирование параметров срезаемого слоя, силовых характеристик процесса резания и геометрических показателей обработанной поверхности в широком
диапазоне изменения кинематических и динамических входных факторов профильного фрезерования древесины и нетехнологичных крупных отходов лесопиления;
разработать с использованием современных САЕ-комплексов Creo Parametric и Cosmos Works автоматизированное оборудование для профильного фрезерования древесины и нетехнологичных крупных отходов лесопиления с обоснованием выбора системы автоматического регулирования мощности резания;
провести опытно-промышленные испытания процесса профильного фрезерования древесины и нетехнологичных крупных отходов лесопиления, на основании чего разработать и реализовать мероприятия, необходимые для использования оборудования в деревообрабатывающей промышленности;
оптимизировать режимы резания и разработать научно-обоснованные рекомендации по построению и реализации высокоэффективного процесса профильного фрезерования древесины и нетехнологичных крупных отходов лесопиления.
Научная новизна работы. Работа содержит научную и методологическую
базу для разработки высокоэффективного процесса профильного фрезерования
древесины и нетехнологичных крупных отходов лесопиления, а также
автоматизированного оборудования, обеспечивающих повышение
производительности, геометрических показателей качества обработанных
поверхностей и энергосбережение, а именно:
- впервые введено понятие лимитирующей фасонной поверхности изделия, по
которой выполняется проектирование процесса;
разработана обобщенная математическая модель процесса профильного фрезерования древесины, включающая основополагающие расчетные зависимости параметров срезаемого слоя, силовых характеристик процесса резания, формирования обработанной поверхности, обеспечивающая более высокую точность расчетов и пригодная для цилиндрического, профильного фрезерования различных пород древесины и крупных отходов лесопиления с учетом сбега заготовки, геометрии фасонной фрезы, различных режимов резания и гребней на обработанной поверхности;
математическим моделированием параметров срезаемого слоя древесины, силовых характеристик процесса резания и геометрии обработанной поверхности получена обширная научная информация о характере и границах изменения выходных показателей процесса профильного фрезерования, необходимая для качественного проектирования технологического оборудования;
впервые установлена аналитическая зависимость для расчета поправочного коэффициента на профильное фрезерование древесины, позволяющая привести проектные расчеты показателей профильного фрезерования к общепринятой в деревообработке методологии;
- раскрыты закономерности формирования фасонной обработанной
поверхности под действием комплекса кинематических и динамических факторов
процесса, на основании чего определены геометрические погрешности в функции
элементов режима фрезерования, главного вектора дисбалансов, геометрии
фасонного режущего инструмента, дискретной силы резания и обеспечена высокая
геометрическая точность поверхностей изделий;
- обоснована схема, определяющая компоновку, конструктивное оформление
исполнительных органов автоматизированного оборудования и обеспечивающая
устойчивое базирование заготовки, минимальное дискретное воздействие
инструмента на технологическую систему и безрезонансную обработку;
- получены аналитические зависимости изгибной, крутильной жесткости
шпинделя; установлено, что жесткость в направлении, противоположном рабочей
подаче древесины, выше на 11…15% по сравнению с направлением по подаче, что
свидетельствует о необходимости зеркального отображения шпиндельного узла
базовой модели станка для обработки древесины;
- установлено, что сучки и сбег древесных заготовок вызывают приращение
мощности резания, превышающее в 1,3…2,4 раза мощность фрезерования стволовой
древесины, а также превалирование мощности профильного фрезерования по
сравнению с цилиндрическим;
впервые теоретически установлено и доказано высокоскоростной фотосъемкой более значительное диспергирование стружки в процессе профильного фрезерования древесины;
установлена взаимосвязь движений приводов фрезы и заготовки, необходимая для нахождения дифференциальной составляющей ПИД-закона автоматического регулирования мощности резания и выбора САУ скоростью рабочей подачи, реагирующей на изменение припуска и неоднородные включения в снимаемом слое заготовки;
- установлено, что при увеличении скорости подачи заготовки системой автоматического управления возрастает кинематическая погрешность обработанной поверхности, но, ввиду стабилизации мощности резания, уменьшается более значимая погрешность, вызванная силой резания, что приводит к повышению геометрической точности профильных поверхностей.
Теоретическая значимость работы. Создана научная и методологическая
база для разработки автоматизированного оборудования и высокоэффективного
процесса профильного фрезерования древесины и крупных отходов лесопиления.
Результаты теоретического исследования колебаний шпиндельного узла позволяют
рассчитывать и прогнозировать уровень вибрации фасонного режущего
инструмента в широком диапазоне изменения его геометрических характеристик, упругих, диссипативных свойств опор шпинделя, схем нагрузки и режимов профильного фрезерования, что необходимо для разработки виброустойчивого оборудования и обеспечения безрезонансной обработки.
Разработанные критерии оценки технологических схем, методика анализа и выбора схемы профильного фрезерования для практической реализации могут успешно применяться в процедурах проектирования процессов механической обработки других изделий из различных пород древесины. Математическая модель профильного фрезерования позволяет прогнозировать геометрические погрешности обработанных поверхностей, сокращает объем экспериментальных работ по отработке точности изделий, запускаемых в производство.
Практическая значимость работы. На предприятиях ООО «Владис» и ООО «БелТрансЛес» внедрены:
схема обработки древесины и крупных отходов лесопиления,
обеспечивающая полное устойчивое базирование, минимальное динамическое
воздействие режущего инструмента на заготовку и безрезонансное фрезерование;
устройство для раскроя древесной заготовки;
сертифицированный станок с программным управлением ПФП-100 для профильного фрезерования древесины и крупных отходов лесопиления;
система автоматического управления скоростью рабочей подачи заготовки,
обеспечивающая экономию электроэнергии и повышение производительности процесса профильного фрезерования древесины;
оптимальные режимы и научные рекомендации по построению высокоэффективного процесса профильного фрезерования древесины и крупных отходов лесопиления.
Результаты используются в учебном процессе и научных исследованиях.
Методы исследования. В работе использованы научные методы
дифференциального и интегрального исчисления, линейной алгебры, теории
колебаний и уравновешивания машин и приборов, теории резания и технологии
обработки древесины, режущего инструмента, проектирования и исследования
деревообрабатывающих станков, механики, теории автоматического регулирования,
компьютерного имитационного моделирования, теории планирования
многофакторных экспериментов и математической статистики. Применены современные программные продукты «Statistika V6», Excel-2010, Advanced Grapher, САЕ-комплексы Creo Parametric и Cosmos Works, а также технические средства контроля, измерения и высокоскоростной фотосъемки.
Положения, выносимые на защиту:
- анализ контактного взаимодействия фасонного режущего инструмента и
обрабатываемой заготовки при профильном фрезеровании вогнутых и выпуклых
поверхностей и понятие лимитирующей фасонной поверхности изделия;
обобщенная математическая модель, раскрывающая закономерности процесса профильного фрезерования древесины и нетехнологичных крупных отходов лесопиления и позволяющая проводить расчеты параметров срезаемого слоя, мощности, главной и радиальной составляющих силы резания, а также геометрических показателей качества обработанной поверхности;
результаты математического моделирования процесса профильного фрезерования древесины и крупных отходов лесопиления;
закономерности формирования фасонной обработанной поверхности и геометрических погрешностей под действием комплекса кинематических и динамических факторов процесса;
механизм более значительного диспергирования стружки в процессе профильного фрезерования по сравнению с цилиндрическим;
- разработка автоматизированного оборудования для профильного
фрезерования крупных отходов лесопиления: альтернативных схем профильной
обработки с обоснованием схемы, обеспечивающей устойчивое базирование
заготовки, минимальное динамическое воздействие фасонного режущего
инструмента на технологическую систему и безрезонансные условия фрезерования;
математические формулы изгибной, крутильной жесткости шпинделя, обоснование зеркального отображения и наклона шпиндельного узла в вертикальной плоскости;
дифференциальные уравнения приводов главного движения фасонного режущего инструмента и рабочей подачи заготовки и установление их закономерной взаимосвязи, определяющей дифференциальную составляющую ПИД-закона регулирования мощности резания и обоснование выбора системы автоматического управления скоростью рабочей подачи заготовки;
результаты опытно-промышленных испытаний процесса профильного фрезерования древесины и нетехнологичных крупных отходов лесопиления;
- обоснование повышения производительности и энергосбережения в
процессе профильного фрезерования древесины и крупных отходов лесопиления при использовании системы автоматического управления скоростью рабочей подачи;
- анализ влияния САУ скоростью рабочей подачи на повышение
геометрических показателей качества обработанных поверхностей изделий;
- оптимизация режимов резания и научно-обоснованные рекомендации по построению высокоэффективного процесса профильного фрезерования древесины и нетехнологичных крупных отходов лесопиления.
Соответствие диссертации паспорту научных специальностей 05.21.05. и
05.02.07. Диссертация соответствует паспорту специальности 05.21.05 –
Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки, пункту 2 «Разработка теории и методов технологического воздействия на объекты обработки с целью получения высококачественной и экологически чистой продукции», специальности 05.02.07 – Технология и оборудование механической и физико-технической обработки, пункту 2 «Теоретические основы, моделирование и методы экспериментального исследования процессов механической и физико-технической обработки, включая процессы комбинированной обработки с наложением различных физических и химических воздействий».
Степень достоверности результатов работы. Достоверность результатов исследований подтверждается корректным использованием научных методов фундаментальных и прикладных дисциплин, хорошей сходимостью с данными исследований других ученых, применением современных программных продуктов, средств измерений, контроля и скоростной фотосъемки, проверкой математических моделей на адекватность, сертификационными испытаниями разработанного автоматизированного оборудования и внедрением результатов исследований в промышленность.
Апробация результатов работы. Основные положения и результаты работы доложены и обсуждены на: III-й научно-технической конференции (НТК) «Мехатроника, автоматизация, управление» «МАУ-2006» (г. Санкт-Петербург, 2006 г.); Международной НТК «Повышение качества продукции и эффективности производства» (г. Курган, 2006 г, 2 доклада); Y-й Международной научно-технической Интернет-конференции «Технология – 2004» (г. Орел, 2004 г.); XXIII-й Международной инновационно-ориентированной конференции молодых ученых и студентов «МИКМУС – 2011» (г. Москва: ИМАШ РАН, 2011 г.); Х-ом Всероссийском слете студентов, аспирантов и молодых ученых – лауреатов конкурса Министерства образования и науки РФ, Государственного Фонда содействия развитию малых форм предприятий в НТС «Ползуновские гранты» (г. Барнаул, 2005 г.); XV-й Международной НТК «Фундаментальные проблемы техники и технологии – Технология - 2012» (г. Орел, 2012 г.); Всероссийской молодежной интернет-конференции «Актуальные проблемы машиностроения» (г. Владимир, 2011 г.); 3-ей Международной научно-практической конференции «Современные инновации в науке и технике» (г. Курск, 2013 г.); Международной НТК «Эколого-ресурсосберегающие технологии и системы в лесном и сельском хозяйстве» (г. Воронеж, 2014 г. доклад на пленарном заседании), а также на заседаниях кафедр МГТУ им. Н.Э. Баумана, ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН», МГУЛ, ВГЛТУ им. Г.Ф. Морозова, ВлГУ.
Пильно-фрезерный станок ПФП-100 с программным управлением был представлен на VI Московском Международном салоне инноваций и инвестиций, по результатам конкурса соискатель награжден серебряной медалью и дипломом,
подписанным Министром образования и науки РФ.
В соответствии с постановлением Губернатора Владимирской области от 19.05.2014 № 492 соискателю в 2014 году присуждена премия имени В. А. Дегтярева «за достижения в сфере научно-технической деятельности по решению технологических проблем».
Публикации. По теме диссертации опубликовано 58 печатных работ, в том числе 2 монографии, 27 научных статей в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ, 6 статей в изданиях, входящих в международную реферативную базу данных Skopus, 7 патентов РФ, 16 публикаций в материалах научно-технических конференций.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 298 страницах, содержит 109 рисунков и 10 таблиц, состоит из введения, шести глав, заключения, 9 приложений и списка литературы из 250 наименований источников.