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竹材物理性质对切削力影响的研究

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    [LV.3]偶尔看看II

    发表于 2008-8-22 11:55:14 | 显示全部楼层 |阅读模式
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    竹材物理性质对切削力影响的研究

    杨永福,习宝田,李黎
    (北京林业大学木材科学与工程北京市重点实验室,北京100083)

    摘要:经切削实验研究了竹材不同切面、密度与含水率对切削力的影响。结果表明:竹黄部
    位微管束分布较疏,所需主切削力较小,竹青部位微管束分布密集,主切削力较大;端面切削主切削力最大,纵向切削次之,横向切削最小;竹材密度衬切削力有明显影响,且呈正相关关系;随着含水率的增加,竹材韧性增大,所需主切削加曾加。当含水率超过33.6%之后,随含水率的进一步增加,竹材软化作用明显,主切削力缓慢下降。
    关键词:竹材;物理特性;切削力
    中图分类号:S781.9文献标识码:A文章编号:1001-036X(2005)02-0001-05

    Study on the effect of physical characteristicsof bamboo on cutting force

    YANG Yong-fu, XI Bao-tian, LI Li
    (Beijing Forestry University, Key Laboratory for Wood Science and Engineering,Beijing 100083, China)

    Abstract: The effect of different cutting direction, densities and moisture contents of bamboo on cutting for ceis studied in this paper. Because the can aliculuses are dense near the out wall and sparse near the inner, it needs larger force to cut the out part than the inner part of bamboo. It needs different force to cut the bamboo in different sections. The largest force is to the end section cutting and the smallest to the cross cutting. The density of bamboo has an obvious effect on the cutting forces. The denser the bamboo is, the larger the cutting force is needed. The tenacity of bamboo is enhanced with increase of the moisture content of the bamboo, and larger force is needed to cut. But over the moisture content of 33.6%, the bamboo is intenerated and the force is to be declining.Key words: bamboo; physical characteristic; cutting force

    我国是竹材产销大国。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更快。此类工业的发展比木材加工更加依赖于切削和胶合工艺,而合理的切削加工工艺必须建立在对材料切削性能深刻认识的基础上。正是基于这种认识,我们首先选取加工利用量最大的毛竹,对其切削加工性能进行了研究。本文仅是该研究的一部分。

    1.试件及测试系统
    1.1试件
    毛竹试材采自福建南平,6--7年生。为考查不同切削面毛竹的切削阻力,分别在端面、弦面、径面从三个方向(x, Y, z)对试件进行直角平面自由切削,如图1所示。先将竹材加工成竹片,按图2所示胶接成不同试件,从不同方向切削。试件尺寸除d由竹材壁厚去青去黄后决定外,其它尺寸为:a=40mm, b =50mm(随切削过程而减小),c=1 0mm。


                                   
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    1.2切削力的定义
    本研究经测力仪测得的实为切削阻力。因为切削力与切削阻力数值相等,方向相反,故本文一概用切削力代之。
    主切削力与法向切削力,分别定义为F:与Fy, V为切削速度方向。规定与V平行的z方向的力为主切削力,以F:表示;与之垂直的Y方向的力为法向力,以Fy表示,正方向如图3所示。刀具切入竹材后,使竹材沿z轴分开,z轴以上为I区,形成切屑,z轴以下为n区。I区切屑主要对前刀面产生作用力,以F,.表示,其沿切削方向的分力为Fy=,法向分力为F,. y, 11区竹材主要对后刀面产生作用力,以Fa表示,其主切肖i1方向的分力为FaZ,法向分力为ray;测力仪测得的主切削力与法向切削力分别为前后面分力的矢量和:

                                   
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    由于I区与II区竹材对前后刀面的法向作用力Fyy, ray方向相反,所以当ray > FY,时,测力仪测得的Fy为正值,反之为负值,而当Fay=Fyy时,Fy=0。

                                   
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    1.3测试系统
    测试系统如图4。


                                   
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    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t。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1的电机可调速,以实现不同的切削速度。
    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关系为FZ=45.5Uz N,FY= 49.37UY。

    2不同切削方向的切削力
    2.1实时切削力
    试验条件:竹材密度p= 0.855g/cm'。含水率m=4.59%;刀具前角y =450,刀具后角a =100,
    切削且d=0.25mm,切削速度V=6.33m/s.
    设定信号分析仪采样速度为0.1 ms,对切削力进行实时采集,各切削方向上实时切削力曲线如图5。


                                   
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    2.1.1端面(径、弦向)切削
    端面径向切削时,切削力曲线呈现规律性波动。这是由于端面切削是对竹材微管束的横向切断,试件由5层竹片竹青同向胶合而成,竹黄部位微管束分布较疏,切削力较小,竹青部位微管束分布密集,切削力较大,增大幅度约30.7%.
    主切削力与法向力成对出现,端面切削时主切削力F:的变化同样会引起法向力Fy的变化。
    主切削力F:的波峰与法向切削力Fy的波谷相对应,可见,随F:增大,Fy减小,同时主切削力平均值较大时,法向力平均值减小。设法向力为0时对应的主切削力为a,即当FZ - a时,Fy=0,当FZ > a时,Fy ,即刀具受到屑片的拉力;当FZ 时,Fy >0,即刀具受到试件的压力,如图6。这说明当主切削力Fz >a时,法向分力Fvy随之增大,使得Fvy >Fay,Fy = Fay一Fvy,而当主切削力FZ时,法向分力Fyy随之减小,使得Fyy 一Fry>Oo对端面径向切削,a = 11.6N/mm,对端面弦向切削,a=11.2N/mm。

                                   
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    2.1.2纵向切削(径、弦面)
    纵向切削进入正常切削过程后,法向力Fy比端面切削和横向切削明显增大。这种现象是由于微管束强度较大,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,主切削力约为竹黄部位的1.5倍,法向力约为竹黄部位的4.8倍。其平均切削力如图7所示。
    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7弦面纵切径向不同部位切削力平均值

                                   
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    2.1.3横向切削(径、弦面)
    与端面径向切削相类似,径面横向切削时,切削力曲线出现规律明显的波动,主切削力F:的波峰与法向切削力的Fy波谷相对应,且主切削力F:的变化有时也引起法向力Fy方向的变化。
    切削竹黄部位时主切削力较小,切至竹青部位时,主切削力明显上升,增大约20。但由于该方向切削是对微管束的横向劈裂而非横向切断,切削力变化规律没有端面径向切削时明显。

    2.2各切削面平均切削力比较
    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,如图8。

                                   
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    端面切削主切削力最大,纵向切削次之,横向切削最小,三个方向主切削力比约为3.5:1.8:10
    纵向切削法向力最大,横向切削时法向力只有它的1/8。这表明,端面切削时刀具前后面所受竹材作用力在Y方向的分力大部分相互抵消。

    3密度对切削力的影响
    3.1密度分级
    经测试,本文采集的6-7年生毛竹不同株不同部位密度在0.644g/cm' -0.855g/cm,范围内。选实测密度0.644, 0.659, 0.716, 0.772与0.855g/cm' 5个密度等级进行切削力测试。

    3.2切削力测试
    测试条件以密度为变t考查其对切削力的影响时,其他条件不变:含水率m=4.59%(北京,1月份,相对空气湿度30%一70%),刀具前角Y=450,后角a=100,切肖)股d = 025mm,切肖哒渡V=633mES,径面纵向切削。
    设定数据采集速度0.1 ms,对切削力进行实时采集,得出实时切削力曲线进行分析。

    3.3密度对切削力的影响
    取各密度对应的进人正常切削后的实时切削力曲线8条,取平均值后分析表明,切削力与竹材密度呈正相关关系。经多项式回归,得密度P (g/cm')对单位长度切削力Fy及F:影响曲线如图9,其关系为:

                                   
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    4含水率对切削力的影响
    4.1含水率分级
    试件加工后在北京地区元月份,空气相对温度在30%一70%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值时进行切削力测试。

    4.2切削力测试
    测试条件:以含水率变髯考查其对切削力的影响时,其他条件不变:密度P=0.644g/cm',刀具前角y = 45*,后角a=100,切削量d = 0.25mm,切削速度V=6.33m/s,径面纵向切削。
    设定数据采集速度O.lms,对切削力进行实时采集,得出实时切削力曲线进行分析。

    4.3含水率对切削力的影响
    对各含水率m(%)对应的进人正常切削后的实时切削力曲线取平均值后,经多项式回归,得含水率m对单位长度切削力FY及F:影响曲线如图10,其关系为:


                                   
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    图10表明,主切削力在毛竹纤维饱和点(m=30%一35%)上下,随含水率增减呈现不同变化趋势:含水率在纤维饱和点以下时,随含水率增加,主切削力增大,说明竹材韧性增加;在纤维饱和点以上,随含水率增加,主切削力会缓慢下降,这说明这时竹材的软化作用逐渐明显。

                                   
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    5结论
    竹材切削时,不同截面切削力有明显区别。竹黄部位微管束分布较疏,主切削力较小,竹青部位微管束分布密集,主切削力较大。端面径向切削时,竹青部位主切削力比竹黄部位约大30.7%;弦面纵向切削时,竹青部位主切削力约为竹黄部位的1.5倍,法向力约为竹黄部位的4.8倍;径面纵切时,竹青部位所需主切削力比竹黄部位增大约20%.
    端面切削主切削力最大,纵向切削次之,横向切削最小,三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,端面切削法向力几乎为0。纵向切削与横向切削法向力比约为8:1。
    竹材密度对切削力有明显影响,且呈正相关关系,其关系为:


                                   
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    含水率切削力有明显影响,其关系为:


                                   
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    在竹材纤维饱和含水率(30%一35%)以下,随着含水率的增大,竹材韧性增加,所需切削力增加。当含水率达到纤维饱和点之后,随含水率的进一步增加,竹材软化作用逐渐明显,切削力缓慢下降。

    [参考文献]
    张齐生.中国竹材工业化利用[M].北京:中国林业出版社.1999.
    周芳纯.竹材培育学[M].北京:中国林业出版社,1998.
    赵仁杰.竹材人造板工艺学〔M」北京:中国林业出版社,2002.
    南京林产工业学院.木材切削原理与刀具[M].北京:中国林业出版社,1983.
    Peter Koch. Utilization of the Southem Pines [M]. U.3. Departmentof Agriculture Forest Service
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