Исследование уровня вибраций и качества обработанной поверхности при высокоскоростном фрезеровании древесины

УДК

674.023

DOI:

10.17238/issn0536-1036.2015.6.96

Аннотация

Качество обработанной поверхности при фрезеровании древесины определяется целым рядом факторов: режимы резания, конструктивно-геометрические характеристики инструмента, свойства обрабатываемой древесины. Известно, что с повышением скорости резания до определенного предела происходит повышение качества поверхности древесины. Однако при обработке концевыми фрезами для достижения высоких скоростей резания требуется увеличивать частоту вращения шпинделя до 10 тыс. об/мин и более, что влечет за собой существенный рост уровня вибраций. В статье рассматриваются результаты экспериментального исследования зависимости уровня вибраций инструмента и шероховатости поверхности от режимов резания, числа зубьев фрезы, породы древесины и направления подачи относительно волокон. Эксперименты проводили на современном обрабатывающем центре с числовым программным управлением по плану дробного факторного эксперимента типа 2^5-1 для двух пород древесины (сосна, дуб). В качестве измерительной аппаратуры использовали пьезоэлектрический датчик, закрепленный на заготовке. Датчик подключали через предусилитель к анализатору. В процессе резания записывали сигналы с датчика. После обработки записи получены спектры колебаний и общий уровень виброускорения. Для измерения шероховатости использовали профилометр. Проведено измерение собственных резонансных частот инструмента. На основании экспериментальных данных получены уравнения регрессии, анализ которых показал, что с увеличением частоты вращения шпинделя 
и глубины резания уровень вибраций возрастает для обеих пород древесины, однако при обработке дуба уровень вибраций снижается с увеличением числа зубьев фрезы. Шероховатость поверхности при обработке дуба ухудшается с увеличением числа зубьев фрезы и подачи на зуб и улучшается при переходе от подачи вдоль волокон к подаче поперек волокон. Анализ спектров колебаний показал, что в спектрах доминируют гармоники частоты вращения шпинделя и частоты врезания зубьев. 

Сведения об авторах

© С.А. Черепанов, асп.

Д.А. Лужанский, асп.

Г.Ф. Прокофьев, д-р техн. наук

Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова,

наб. Северной Двины, 17, г. Архангельск, Россия, 163002; e-mail: serg-edu@yandex.ru; arov-dm@mail.ru;

Ключевые слова

фрезерование древесины, вибрации, шероховатость поверхности, резонансная частота, спектр колебаний, концевая фреза

Литература

1. Волков И.М. Совершенствование многоножевых фрез и режимов их эксплуатации: дис. … канд. техн. наук. М., 1984. 168 с.

2. Воробьев А.А. Улучшение качества фрезерованных деталей мебели на основе снижения вибрации технологического оборудования: дис. … канд. техн. наук. Красноярск, 2010. 186 с.

3. Глебов И.Т. Резание древесины: учеб. пособие. Екатеринбург: УГЛТУ, 2007. 228 с.

4. Кремлева Л.В. Повышение эффективности процесса механической обработки сложнопрофильных поверхностей литейных моделей из древесно-композитных материалов: дис. … д-ра техн. наук. Северодвинск, 2010. 299 с.

5. Пижурин А.А., Пижурин А.А. Основы научных исследований в деревообработке: учеб. для вузов. М.: МГУЛ, 2005. 305 с.

Поступила 18.03.15

Ссылка на английскую версию:

Research of the Vibration Level and Surface Quality at High-Speed Moulding

UDC 674.023

Research of the Vibration Level and Surface Quality at High-Speed Moulding

S.A. Cherepanov, Postgraduate Student

D.A. Luzhanskiy, Postgraduate Student

G.F. Prokof'ev, Doctor of Engineering Sciences

Northern (Arctic) Federal University named after M.V. Lomonosov, Naberezhnaya Severnoy Dviny, 17, Arkhangelsk, 163002, Russian Federation; е-mail: serg-edu@yandex.ru; arov-dm@mail.ru

Surface quality at moulding is determined by a number of factors: cutting conditions, constructive and geometrical adjectives of a tool, processed wood property. It is known that with an increase of cutting speed up to a certain limit there is an increase of surface quality. However, to achieve high-speed cutting it is required to increase spindle speed up to more than 10000 rpm at the end mill processing that entails a significant increase in the vibration level. The article deals with the experimental investigation of the dependence of vibration level of a tool and surface roughness on the cutting conditions, the number of cutter teeth, timber species and feed direction with respect to the fibers. The study was conducted in the modern work center with CNC and according to the plan of fractional factorial experiment of the 2^5-1 type for two timber species of pine and oak. The piezoelectric sensor fixed on a workpiece was used as measuring equipment. The sensor was connected through a preamplifier to the analyzer. A sensor signal was taped during the cutting process. The records demonstrated the spectrum of oscillations and the total level of vibration acceleration. The profilometer was used to measure the roughness. A resonant frequencies measurement of the tool was performed. On the basis of the experimental data the regression equations were obtained. The analysis of the equations of regression showed that with increase of spindle speed and the cutting depth the vibration level increased for both timber species. The vibration level at processing of oak decreased with increase in the number of cutter teeth. The surface roughness at processing of oak deteriorated with increasing the number of cutter teeth and bite per tooth and improved in the transition from along-the-grain feeding to the cross-grain feeding. The analysis of vibrational spectra showed that the spectrum was dominated by harmonics of spindle rotation frequency and frequency of teeth incision.

Keywords: moulding, vibration, surface roughness, resonant frequency, vibrational spectra, end mill.

REFERENCES

1. Volkov I.M. Sovershenstvovanie mnogonozhevykh frez i rezhimov ikh ekspluatatsii: dis… kand. tehn. nauk [Improvement of Multiknife Mills and Modes of Their Operation: Cand. Eng. Sci. Diss.]. Moscow, 1984. 168 p.

2. Vorob'ev A.A. Uluchshenie kachestva frezerovannykh detaley mebeli na osnove snizheniya vibratsii tekhnologicheskogo oborudovaniya: dis… kand. tehn. nauk [Improvement of Quality of the Milled Furniture Details on the Basis of Vibration Decrease of Processing Equipment: Cand. Eng. Sci. Diss.]. Krasnoyarsk, 2010. 186 p.

3. Glebov I.T. Rezanie drevesiny [Wood Cutting. Manual]. Yekaterinburg, 2007.
228 p.

4. Kremleva L.V. Povyshenie effektivnosti protsessa mekhanicheskoy obrabotki slozhnoprofil'nykh poverkhnostey liteynykh modeley iz drevesno-kompozitnykh materialov: dis… dok. tehn. nauk [Improving the Efficiency of the Process of Mechanical Operation of Figurine Surfaces of Casting Patterns from Wood and Composite Materials: Doc. Eng. Sci. Diss.]. Severodvinsk, 2010. 299 p.

5. Pizhurin A.A., Pizhurin A.A. Osnovy nauchnykh issledovaniy v derevoobrabotke [Basic Research in a Woodworking]. Moscow, 2005. 305 p.

Received on March 18, 2015