Экспериментальное исследование динамики процесса обработки древесины концевыми фрезами

УДК

674.023

DOI:

10.17238/issn0536-1036.2019.4.146

Аннотация

Эффективная эксплуатация современных многофункциональных деревообрабатывающих центров с числовым программным управлением связана с созданием рациональных конструкций концевых фрез для многокоординатной обработки. Цель работы – экспериментальное исследование динамических параметров процесса обработки древесины концевыми фрезами и их влияния на шероховатость поверхности в зависимости от конструктивных элементов инструмента. Варьируемыми конструктивными элементами фрез являются: угол наклона режущих кромок, число зубьев, неравномерность окружного шага и наличие стружкоделительных канавок на режущих кромках. В процессе исследования использовался комплект экспериментальных фрез с различными конструктивными элементами. Эксперименты с резанием выполнены в производственных условиях на виброизмерительном комплексе (фирма «Брюль и Къер»). Приведены факторные планы исследований, методики виброизмерений и обработки виброакустических сигналов. Представлены качественные оценки степени влияния различных конструктивных элементов концевых фрез на виброактивность обработки древесины сосны и дуба. В среднем уровень вибраций при обработке заготовок из древесины дуба на 55...75 % выше, чем из сосны, при этом шероховатость обработанной поверхности различалась всего на 10...20 %. Установлена устойчивая корреляция между уровнем вибраций и шероховатостью обработанной поверхности. Увеличение угла наклона режущих кромок, числа зубьев, а также наличие стружкоделительных канавок снижает вибрации и способствует повышению качества обработанной поверхности для рассматриваемых пород древесины. Влияние неравномерного окружного шага зубьев на исследуемые показатели неоднозначно.

Сведения об авторах

В.И. Мелехов¹, д-р техн. наук, проф.; ResearcherID: Q-1051-2019, ORCID: 0000-0002-2583-3012
Л.В. Кремлева¹, д-р техн. наук, проф.; ResearcherID: T-5916-2018, ORCID: 0000-0002-8982-2603
Т.В. Тюрикова¹, канд. техн. наук, доц.; ResearcherID: P-8991-2019, ORCID: 0000-0002-3592-310X
Е.В. Сазанова¹, канд. экон. наук, доц.; ResearcherID: G-8650-2019, ORCID: 0000-0001-5731-7517
Д.А. Лужанский², инж.; ResearcherID: P-9154-2019, ORCID: 0000-0001-9347-3306
В.А. Слуцков², инж.; ResearcherID: P-7597-2019, ORCID: 0000-0003-4032-4635
¹Северный (Арктический) федеральный университет им. М.В. Ломоносова, наб. Северной Двины, д. 17, г. Архангельск, Россия, 163002; e-mail: v.melechov@narfu.ru, l.kremleva@narfu.ru
²АО «Производственное объединение «Севмаш», ш. Архангельское, д. 58, г. Северодвинск, Архангельская область, Россия, 164500; e-mail: arov-dm@mail.ru

Ключевые слова

фрезы с винтовыми стружечными канавками, виброактивность обработки, спектральные характеристики, среднеквадратичные значения виброускорений, качество поверхности

Для цитирования

Мелехов В.И., Кремлева Л.В., Тюрикова Т.В., Сазанова Е.В., Лужанский Д.А., Слуцков В.А. Экспериментальное исследование динамики процесса обработки древесины концевыми фрезами // Лесн. журн. 2019. № 4. С. 146–158. (Изв. высш. учеб. заведений). DOI: 10.17238/issn0536-1036.2019.4.146

Литература

1. Андреев В.Н. Совершенствование режущего инструмента. М.: Машиностроение, 1993. 240 с.
2. Воробьев А.А., Спицын И.Н., Филиппов Ю.А. Моделирование качества обработки и динамики работы дереворежущих станков // Справочник. Инж. журн. 2012. № 3. С. 37–41.
3. Воробьев А.А., Филиппов Ю.А. Установление зависимости шероховатости поверхности древесины от показателей вибрации станка // Деревообраб. пром-сть. 2010. № 2. С. 6–7.
4. Генкин М.Д., Соколова А.Г. Виброакустическая диагоностика машин и механизмов. М.: Машиностроение, 1987. 288 с.
5. Глебов И.Т. Резание древесины: учеб. пособие. Екатеринбург: УГЛТУ, 2007. 228 с.
6. Глебов И.Т. Зависимость высоты микронеровностей обработанной поверхности от некоторых факторов цилиндрического фрезерования // Лесн. журн. 2010. № 1. С. 99–104. (Изв. высш. учеб. заведений).
7. Ивановский Е.Г., Василевская П.В., Лаутнер Э.М. Фрезерование и пиление древесины и древесных материалов. М.: Лесн. пром-сть, 1971. 96 с.
8. Кряжев Н.А. Фрезерование древесины. М.: Лесн. пром-сть, 1979. 200 с.
9. Манжос Ф.М. Дереворежущие станки: учеб. для вузов. М.: Лесн. пром-сть, 1974. 454 с.
10. Iskra P., Hernández R.E. Toward a Process Monitoring and Control of a CNC Wood Router: Development of an Adaptive Control System for Routing White Birch // Wood and Fiber Science. 2010. Vol. 42, no. 4. Рp. 523–535.
11. Iskra P., Tanaka C. The Influence of Wood Fiber Direction, Feed Rate, and Cutting Width on Sound Intensity during Routing // Holz als Roh- und Werkstoff [European Journal of Wood and Wood Products]. 2005. Vol. 63, iss. 3. Pp. 167–172. DOI: 10.1007/s00107-004-0541-7
12. Li Z.Z., Zhang Z.H., Zheng L. Feedrate Optimization for Variant Milling Process Based on Cutting Force Prediction // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2004. Vol. 24, iss. 7-8. Pp. 541–552. DOI: 10.1007/s00170-003-1700-4
13. Palmqvist J., Lenner M., Gustafsson S.-I. Cutting-Forces When Up-Milling in Beech // Wood Science and Technology. 2005. Vol. 39, iss. 8. Pp. 674–684. DOI: 10.1007/s00226-005-0010-4
14. Raju K.V.M.K., Janardhana G.R., Kumar P.N., Rao V.D.P. Optimization of Cutting Conditions for Surface Roughness in CNC End Milling // International Journal of Precision Engineering and Manufacturing. 2011. Vol. 12, iss. 3. Pp. 383–391. DOI: 10.1007/s12541-011-0050-7
15. Sun Y., Li D., Ren F., Guo D. Predictive Force Model Based Variable Feedrate Scheduling for High-Efficiency NC Machining // Proceedings of the ICIRA: International Conference on Intelligent Robotics and Applications, Wuhan, China, October 15–17, 2008. Berlin: Springer, 2008. Pp. 1076–1085. DOI: 10.1007/978-3-540-88518-4_115

Поступила 28.09.18

Ссылка на английскую версию:

Experimental Study of the Woodworking Dynamics with End Milling Cutters

UDC 674.023
DOI: 10.17238/issn0536-1036.2019.4.146

Experimental Study of the Woodworking Dynamics with End Milling Cutters

V.I. Melekhov¹, Doctor of Engineering, Prof.; ResearcherID: Q-1051-2019, ORCID: 0000-0002-2583-3012
L.V. Kremleva¹, Doctor of Engineering, Prof.; ResearcherID: T-5916-2018, ORCID: 0000-0002-8982-2603
T.V. Tyurikova¹, Candidate of Engineering, Assoc. Prof.; ResearcherID: P-8991-2019, ORCID: 0000-0002-3592-310X
E.V. Sazanova¹, Candidate of Economics, Assoc. Prof.; ResearcherID: G-8650-2019, ORCID: 0000-0001-5731-7517
D.A. Luzhansky², Engineer; ResearcherID: P-9154-2019, ORCID: 0000-0001-9347-3306
V.A. Slutskov², Engineer; ResearcherID: P-7597-2019, ORCID: 0000-0003-4032-4635
¹Northern (Arctic) Federal University named after M.V. Lomonosov, Naberezhnaya Severnoy Dviny, 17, Arkhangelsk, 163002, Russian Federation; e-mail: v.melechov@narfu.ru, l.kremleva@narfu.ru
²JSC PO Sevmash, sh. Arkhangel’skoe, 58, Severodvinsk, Arkhangelsk region, 164500, Russian Federation; e-mail: arov-dm@mail.ru

Efficient operation of modern multifunctional woodworking centers with computer numerical control (CNC) is associated with the creation of rational designs of end milling cutters for multi-axis processing. The research purpose is an experimental study of the dynamic parameters of wood processing with end milling cutters and their influence on the surface roughness depending on the structural elements of the tool. The varying structural elements of the cutters are the cutting edge inclination, the teeth number, the circular pitch irregularity and the presence of chip separation grooves on the cutting edges. A set of experimental milling cutters with various structural elements was used in the research. Cutting experiments were performed under the production conditions with the use of vibration-measuring complex (Brüel & Kjær). Factorial designs of studies, methods of vibration measurements and processing of vibroacoustic signals are given. The article presents the qualitative assessment of the degree of influence of various structural elements of end milling cutters on the vibractivity of processing pine and oak wood. On average, the vibration level during the processing of oak blanks is higher by 60–75 % in comparison with pine blanks; while the roughness of the treated surface differs only by 10–20 %. A steady correlation between the level of vibrations and the roughness of the treated surface was found. Increasing the cutting edge inclination, the teeth number, as well as the presence of chip separation grooves reduces vibrations and helps to improve the condition of the treated surface for both wood species. The influence of circular tooth pitch irregularity on the studied parameters is ambiguous.
For citation: Melekhov V.I., Kremleva L.V., Tyurikova T.V., Sazanova E.V., Luzhansky D.V., Slutskov V.A. Experimental Study of the Woodworking Dynamics with End Milling Cutters. Lesnoy Zhurnal [Forestry Journal], 2019, no. 4, pp. 146–158. DOI: 10.17238/ issn0536-1036.2019.4.146
Keywords: milling cutters with spiral leads, processing vibroactivity, spectral characteristics, mean square values of vibration acceleration, surface condition.

REFERENCES

1. Andreev V.N. Cutting Tool Improvement. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1993. 240 p.
2. Vorobjev A.A., Spitsyn I.N., Filippov J.A. Modeling of Quality of Processing and Dynamics of Work Woodcutting of Machine Tools. Spravochnik. Inzhenernyi zhurnal [Handbook. An Engineering Journal], 2012, no. 3, pp. 37–41.
3. Vorobjev A.A., Filippov J.A. Dependence Determination of the Wood Surface Roughness on the Machine Vibration Parameters. Derevoobrabativaushaya promishlennost’ [Woodworking industry], 2010, no. 2, pp. 6–7.
4. Genkin M.D., Sokolova A.G. Vibroacoustic Diagnostics of Vehicles and Machinery. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1987. 288 p.
5. Glebov I.T. Wood Cutting: Educational Textbook. Yekaterinburg, USFEU Publ., 2007. 228 p.
6. Glebov I.T. Dependencies of Micro-Roughness Height of Processed Surface on Some Factors of Cylinder Milling. Lesnoy Zhurnal [Forestry Journal], 2010, no. 1, pp. 99–104.
7. Ivanovskiy E.G., Vasilevskaya P.V., Lautner E.M. Milling and Sawing of Wood and Wood-Based Materials. Moscow, Lesnaya promyshlennost’ Publ., 1971. 96 p.
8. Kryazhev N.A. Wood Milling. Moscow, Lesnaya promyshlennost’ Publ., 1979. 200 p.
9. Manzhos F.M. Wood Cutting Machines: Textbook for Universities. Moscow, Lesnaya promyshlennost’ Publ., 1974. 454 p.
10. Iskra P., Hernández R.E. Toward a Process Monitoring and Control of a CNC Wood Router: Development of an Adaptive Control System for Routing White Birch. Wood and Fiber Science, 2010, vol. 42, no. 4, pp. 523–535.
11. Iskra P., Tanaka C. The Influence of Wood Fiber Direction, Feed Rate, and Cutting Width on Sound Intensity during Routing. Holz als Roh- und Werkstoff [European Journal of Wood and Wood Products], 2005, vol. 63, iss. 3, pp. 167–172. DOI: 10.1007/s00107-004-0541-7
12. Li Z.Z., Zhang Z.H., Zheng L. Feedrate Optimization for Variant Milling Process Based on Cutting Force Prediction. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2004, vol. 24, iss. 7-8, pp. 541–552. DOI: 10.1007/s00170-003-1700-4
13. Palmqvist J., Lenner M., Gustafsson S.-I. Cutting-Forces When Up-Milling in Beech. Wood Science and Technology, 2005, vol. 39, iss. 8, pp. 674–684. DOI: 10.1007/s00226-005-0010-4
14. Raju K.V.M.K., Janardhana G.R., Kumar P.N., Rao V.D.P. Optimization of Cutting Conditions for Surface Roughness in CNC End Milling. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing, 2011, vol. 12, iss. 3, pp. 383–391. DOI: 10.1007/s12541-011-0050-7
15. Sun Y., Li D., Ren F., Guo D. Predictive Force Model Based Variable Feedrate Scheduling for High-Efficiency NC Machining. Proceedings of the ICIRA: International Conference on Intelligent Robotics and Applications, Wuhan, China, October 15–17, 2008. Berlin, Springer, 2008, pp. 1076–1085. DOI: 10.1007/978-3-540-88518-4_115

Received on September 28, 2018