История развития науки о резании древесины (стр. 1 из 3)
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
Fx = K1b + K2ab, (3)
где Fx – 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 Fxн, силы деформации стружки Fxд и силы резания по задней грани Fxз. В результате синтеза сил, действующих на лезвие, получены уравнения:
Fx = Fxн +Fxз + Fxд, (4)
Fx = Fxо + Fxд,
Fx = Fxо + Кда.
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.