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毛竹切削力的研究

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    [LV.3]偶尔看看II

    发表于 2008-8-19 19:32:54 | 显示全部楼层 |阅读模式
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    毛竹切削力的研究

    杨永福 习宝田 李 黎
    (北京林业大学材料科学与技术学院,北京市木材科学与工程重点实验室)

    摘要:为合理制定竹材切削工艺,节约切削动力,该文利用传感器技术及信号分析技术,经切削实验研究了毛竹不同切面、密度、含水率等物理性质及刀具前角、切削量与切削速度等切削参数对切削力的影响.结果表明,由于竹黄部位维管束分布较疏,所需主切削力较小;竹青部位维管束分布密集,主切削力较大.端面切削主切削力最大,纵向切削力次之,横向切削力最小;竹材密度对切削力有明显影响,且呈正相关关系.随着含水率的增大,竹材韧性增加,所需主切削力增加;当含水率超过30%之后,主切削力随含水率的进一步增加而缓慢降低.刀具前角对主切削力的影响较为显著,随刀具前角的增大,所需主切削力明显减小.主切削力与切削量呈正相关关系.切削速度对切削力的影响不大.
    关键词:毛竹,物理特性,切削参数,切削力
    中图分类号:S781·61  文献标识码:A  文章编号:1000--1522(2006)04--0017—05

    YANGYong-fu;XIBao-tian;LILi.Cuttingforcesofmosobamboo.JournalofBeijingForestryUniversity
    (2006)27(4)17--21[Ch,8ref.]KeyLaboratoryforWoodScienceandEngineeringofBeijing,Collegeof
    MaterialScienceandTechnology,BeijingForestryUniversity,100083,P.R.China.
    Theeffectsofphysicalcharacteristicsofmosobamboo(Phyllostachyspubescens),suchassection,density
    andmoisturecontent,andthecuttingparametersincludingcuttingthickness,rakeangle,cuttingspeedonthecuttingforceswerestudiedwiththeaidoftransducertechnologyandsignalanalysis.Itwasfoundthatbecausevascularbundlesweredenseneartheoutculmwallandthinontheinside,moreforcewasneededtocuttheouterpartofbamboothantocuttheinnerpart.Differentforceswererequiredtocutthevarioussections:thelargestforcewasneededtocuttheendsectionandthesmallestforcewasspentoncrosscutting.Densityhasanobviouseffect:thedenserthebamboois,thelargerthecuttingforcerequired.Toughnessofbambooisenhancedwithanincreaseinmoisturecontentofbambooandalargerforceisneededforcutting.However,whenmoisturecontentexceeds30%,therequiredcuttingforcedeclines.Rakeangleofthetoolhasasignificanteffectontheparalleltoolforce.Theparalleltoolforcerequireddecreaseswithanincreaseoftherakeangleandispositivelycorrelatedwithcuttingthickness.Theeffectofcuttingspeedonthecuttingforceisnotsignificant.
    Keywords mosobamboo,physicalcharacteristics,cuttingparameters,cuttingforce

    关于木材切削力的研究,美国南方森林试验站的PeterKoch早在20世纪60年代未70年代初就对美国南方松在不同切削条件下的切削力进行了比较系统的研究[1].中国林业科学研究院管宁于20世纪90年代研究了11种针叶树和15种阔叶树木材密度、切削厚度、刀具前角和木材含水率与切削阻力的关系[2--5].20世纪90年代,张齐生等对中国竹材工业化利用进行了比较全面的研究,重点对竹材人造板的性能和工艺进行了总结[6].李黎等进行了木材切削加工机械切削功率可靠性计算[7].2005年,王明枝等对不同加工方法对几种木材加工表面粗糙度的影响进行了分析[8].中国是竹材产销大国.近年来,竹材加工业蓬勃发展,尤其是竹材集成材和各类竹材人造板发展速度很快.此类工业的发展比木材加工更加依赖于切削和胶合加工.对竹材切削力的研究目前尚属空白.竹材与木材在结构上存在明显的差异,合理的竹材切削加工工艺的制订和动力配置必须建立在对材料切削性能深刻认识的基础之上.因此,我们选取加工利用量最大的毛竹(Phyllostachyspubescens),进行切削加工性能的研究.

    1 材料与方法
    试材采自福建南平,6~7年生毛竹.为考查不同切削面毛竹的切削阻力,分别在端面、弦面、径面进行直角平面切削.切削时将竹材加工成竹片,胶接成适于不同方向切削的试件,从不同截面、每个面进行相互垂直的两个方向的切削.平行于切削方向V的切削力为主切削力Fz,与之垂直的切削力为法向切削力Fy.传感器测定的主切削力为竹材对刀具前刀面与后刀面总反力在V方向分力的合力,法向力为竹材对刀具前刀面与后刀面总反力在垂直于V方向之分力的合力.
    分别以竹材密度、含水率、切削量、刀具前角与切削速度为变量,在不同截面、不同方向进行切削试验,采集切削力进行单因素分析,得出这些因素对切削力影响的规律.
    测试系统见图1,切削实验台为车床改装,利用小刀架不同的进给速度实现不同的切削量.工件2在夹盘1上固定,刀具3固定在测力仪4上,测力仪受力后产生电荷,经电荷放大器5放大并转为电压信号,由信号分析仪6采集信号并做必要的分析,采集后的数据文件用磁盘7转存到计算机上进行分析.驱动夹盘2的电机可调速,以实现不同的切削速度.
    图1 测试系统


                                   
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    经标定,刀刃上所受切削力Fz、Fy与信号分析仪记录的电压Uz、Uy之间的关系为:


                                   
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    2 不同截面及切削方向的切削力
    在竹材密度ρ=0·855g/cm3,含水率m=4·59%,刀具前角γ=45°,刀具后角α=10°,切削量d=0·25mm,切削速度v=6·33m/s的条件下,对竹材试件的端面、径面与弦面各进行相互垂直的两个方向的开式切削,设定信号分析仪采样速度为0·1ms,采集输出电压,经过系统标定及数据处理,可得切削力曲线.纵向径面切削时的切削力曲线见图2.对切削力取平均值,得到各切削面及切削方向的平均切削力.
    图2 切削力曲线

    2·1 端面切削

                                   
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    端面切削时主切削力Fz大小的变化会引起法向力Fy方向的变化.随Fz增大,Fy减小.说明当主切削力较大时,前刀面法向分力大于后刀面法向分力,刀具受到屑片的拉力;反之,前刀面法向分力小于后刀面法向分力,刀具受到试件的压力.当Fz≈11N/mm时,Fy=0(见图3).
    端面切削试件是由多块竹条胶接而成,切削时刀刃切过胶合层时存在一定切削力误差.
    图3 主切削力Fz的变化对法向力Fy的影响

                                   
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    2·2 纵向切削
    径面纵向切削与弦面纵向切削法向力Fy均比端面切削和横向切削明显增大.这种现象是由于维管束强度较大,在垂直于刀刃的方向上压在后刀面上所致.
    弦面纵向切削时,在竹壁径向不同部位,切削力有较明显的变化.靠竹黄部位所需切削力较小,靠竹青部位所需切削力最大,主切削力约为靠竹黄部位的1·5倍,法向力约为靠竹黄部位的4·8倍.其平均切削力见图4.
    图4 弦面纵切径向不同部位切削力平均值

                                   
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    2·3 横向切削
    与端面径向切削类似,径面横向切削时,切削力曲线出现规律而明显的波动,主切削力Fz的波峰与法向切削力Fy的波谷相对应,且主切削力Fz的变化有时也引起法向力Fy方向的变化.切至靠竹黄部位时主切削力较小,切至靠竹青部位时,主切削力增大20%.但由于该方向切削是对维管束的横向劈裂或分离,切削力变化规律没有端面径向切削时明显.

    2·4 各切削面平均切削力比较
    测试结果表明,端面径向与端面弦向切削力基本相等,径面纵向切削与弦面纵向切削力基本相同,径面横向切削与弦面横向切削力基本相同(见图5).
    端面切削、纵向切削与横向切削,3个方向主切削力比约为3·5∶1·8∶1.
    纵向切削法向力最大,横向切削次之,端面切削法向力很小,即端面切削时刀具前后面所受竹材作用力在y方向的分力相互抵消,纵向切削与横向切削法向力比约为8∶1.
    由于测得的法向力为刀具前后面所受法向力的矢量和,所以其大小不说明竹材对刀具前后面压力的具体值.
    图5 各切削面平均切削力


                                   
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    3 密度对切削力的影响
    经测试,本文采集的6~7年生毛竹不同株不同部位密度在0·644~0·855g/cm3范围内.选实测密度0·644、0·659、0·716、0·772与0·855g/cm35个密度等级,在含水率m=4·59%,刀具前角γ=45°,后角α=10°,切削量d=0·25mm,切削速度v=6·33m/s,径面纵向切削条件下,设定数据采集速度0·1ms,进行切削力测试,得出切削力曲线.取各密度对应的切削力曲线求切削力平均值可知,切削力与竹材密度呈正相关关系.经多项式回归,得单位长度切削力Fy及Fz与密度ρ的关系为(见图6).


                                   
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    图6 密度对切削力的影响


                                   
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    4 含水率对切削力的影响
    试件加工后在北京地区1月份,空气相对温度在30%~70%的环境下对试件进行常温浸泡,含水率大于80%后,对试件进行干燥并用水分分析仪实时测重,分别干燥至含水率约大于80%、70%、60%、50%、40%、30%、20%、10%、4%后,保持一定时间的平衡,用水分分析仪使试件含水率分别达到以上预期值并经一定时间平衡后,在密度ρ=0·644g/cm3,刀具前角γ=45°,后角α=10°,切削量d=0·25mm,切削速度v=6·33m/s,径面纵向切削条件下,对切削力进行实时采集,得出切削力曲线,.
    对各含水率m对应的切削力曲线取平均值,经多项式回归,得含水率m对单位长度切削力Fy及Fz的影响曲线见图7,其关系为:

                                   
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    图7 含水率对切削力的影响


                                   
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    由图7可知,当含水率m≈30%时,主切削力最大.毛竹纤维饱和含水率为30%~35%,说明对竹材径向纵切时,当含水率接近或达到纤维饱和点含水率时,所需切削力最大.在纤维饱和点含水率之前,随着含水率的提高,所需主切削力增大,说明竹材韧性增加.含水率超过纤维饱和点含水率后,自由水只起润滑作用,切削力随含水率的进一步增加而缓慢降低.

    5 刀具前角对竹材切削力的影响
    在竹材密度ρ=0·855g/cm3,含水率m≈4%,切削量d=0·25mm,切削速度v=6·33m/s,刀具后角α=10°,径面纵向切削,刀具前角γ分别为15°、30°、45°、60°的条件下进行切削力测试,得切削力曲线.
    对不同刀具前角切削时的切削力取平均值,并进行数学回归,得回归曲线见图8所示,回归方程为:


                                   
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    图8 切削力的影响


                                   
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    刀具前角γ°时,对切削力的影响较大;γ>30°时,法向力基本为0,主切削力随刀具前角的增大而减小,但变化幅度较小.

    6 切削厚度对切削力的影响
    在竹材密度ρ=0·855g/cm3,含水率m≈4%,刀具前角γ=45°,后角α=10°,切削速度v=6·33m/s,径面纵向切削,在不同切削厚度条件下进行切削力测试,得切削力曲线.对不同切削厚度切削时的切削力取平均值并对数回归,得回归曲线见图9,回归方程为:

                                   
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    图9 切削量与切削力的数学关系


                                   
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    切削厚度对主切削力Fz的影响较为明显,随切削厚度的增加,主切削力明显增加.切削厚度较小时,主切削力随切削厚度的增加幅度较大;切削量较大时,主切削力随切削厚度的增大幅度降低.根据对屑片形态的观察,当切削量d>0·25mm时,随着切削厚度的增大,出现超前劈裂;d≥0·5mm时,出现明显的超前劈裂.

    7 切削速度对切削力的影响
    在竹材密度ρ=0·855g/cm3,含水率m≈4%,切削厚度d=0·25mm,刀具前角γ=45°,后角α=10°,径面纵向切削,在不同切削速度条件下进行切削力测试,将测试数据取平均值并进行线性回归,可得切削速度对切削力的影响见图10.
    由图10可知,随切削速度的增加,主切削力略有增大,但其影响不大.单位长度切削力Fy、Fz与切削速度v的关系为:


                                   
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    图10 切削速度对切削力的影响


                                   
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    8 结  论
    1)竹材不同截面切削力有明显区别.靠竹黄部位维管束分布较疏,所需主切削力较小,靠竹青部位维管束分布密集,主切削力较大.端面径向切削时,靠竹青部位所需主切削力比靠竹黄部位增大30·7%;弦面纵向切削时,靠竹青部位所需主切削力约为靠竹黄部位的1·5倍,法向力约为靠竹黄部位的4·8倍;径面纵切时,靠竹青部位所需主切削力比靠竹黄部位增大20%.端面切削主切削力最大,纵向切削次之,横向切削最小,3个方向主切削力的比约为3·5∶1·8∶1;纵向切削法向力最大,横向切削次之,端面切削法向力约为0,纵向切削与横向切削法向力之比约为8∶1.
    2)竹材密度对切削力有明显影响,二者呈正相关二次曲线关系.
    3)含水率对切削力有明显影响,二者呈三次多项式关系.在竹材纤维饱和点之下,随着含水率的增大,竹材纤维韧性增加,所需切削力增加.当含水率在纤维饱和点之上,自由水只起润滑作用,切削力随含水率的进一步增加而缓慢降低.
    4)刀具前角对法向力的影响较小,对主切削力影响较大,主切削力Fz随刀具前角γ的增大而减小,二者呈负对数关系.
    5)主切削力Fz随切削厚度d的增大而增大,当切削厚度较小(d·25mm)时,主切削力增幅明显;当切削厚度较大时(d>0·375mm)时,切削过程中出现超前劈裂,主切削力增幅较小,二者呈对数关系.法向切削力Fy随切削厚度d的增大而减小,当切削厚度较小(d·25mm)时,法向力减幅明显;当切削厚度较大时(d>0·375mm)时,切削过程中出现超前劈裂,法向力减幅较小,二者呈对数关系.
    6)切削速度对切削力的影响不大,随切削速度的增大,主切削力略有减小,法向切削力略有增加.

    参考文献
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