Моделирование дискретных контактов термодинамической системы элементов сборной дереворежущей фрезы

УДК

674.055, 621.9.025.6

DOI:

10.37482/0536-1036-2021-4-162-172

Аннотация

Работоспособность сборного дереворежущего инструмента зависит кроме многих факторов от особенностей конструкции узла крепления режущего элемента. Для выбора сборного дереворежущего инструмента, который соответствовал бы требованиям производства, не существует четких критериев, раскрывающих основные влияющие на стойкость факторы. Моделирование термодинамических процессов в условиях контактного взаимодействия элементов дает возможность выбора конструкции для эффективного применения и повышения стойкости устройства. Цель исследования – моделирование термодинамических процессов в узле крепления режущего элемента в корпусе сборного дереворежущего инструмента для оптимизации его конструктивных и технологических параметров, а также режимов работы. Предметом исследования являются условия контактного взаимодействия и теплообменные процессы между элементами устройства. Сконструирован узел крепления режущего элемента и разработана модель взаимодействия частей механизма сборного дереворежущего инструмента. Дальнейшие задачи: построение модели термодинамических процессов в узле крепления режущего элемента; вывод рекомендации по выбору конструкции сборного дереворежущего инструмента на стадии проектирования – реализованы в работе, продолжающей проводимое исследование. На основе стандартного исполнения дереворежущей цилиндрической насадной фрезы была создана конечно-элементная модель контактного взаимодействия шероховатых волнистых поверхностей частей конструкции. Сделаны выводы о возможности дальнейшего аналитического моделирования контактных условий при имеющихся параметрах. С учетом данных конструирования и полученных показателей сил резания древесины определены сближения контактирующих поверхностей и радиусы единичных площадок касания. Методология и методы включают теоретическое исследование и математическое моделирование, в т. ч. конечно-элементный анализ. Полученные модели могут быть использованы в создании комплексной стойкостной схемы дереворежущего инструмента с учетом других факторов. Основным результатом данного этапа работы является получение модели контактных условий и исходных данных для дальнейшего моделирования термодинамических процессов в узле крепления ножа в корпусе дереворежущей фрезы для прогнозирования его теплового состояния.

Для цитирования: Капустина Н.А., Малыгин В.И., Мелехов В.И., Слуцков В.А. Моделирование дискретных контактов термодинамической системы элементов сборной дереворежущей фрезы // Изв. вузов. Лесн. журн. 2021. № 4. С.162–172. DOI: 10.37482/0536-1036-2021-4-162-172

Сведения об авторах

Н.А. Капустина¹, инж.-конструктор; ResearcherID: AAK-7733-2021, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-9770-771X
В.И. Малыгин², д-р техн. наук, проф.; ResearcherID: E-6054-2014, ORCID: https://orcid.org/0000-0003-4268-5178
В.И. Мелехов², д-р техн. наук, проф.; ResearcherID: Q-1051-2019, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-2583-3012
В.А. Слуцков², аспирант; ResearcherID: P-7597-2019, ORCID: https://orcid.org/0000-0003-4032-4635
¹ПКБ «Севмаш», Архангельское шоссе, д. 58, г. Северодвинск, Архангельская обл., Россия, 164500; e-mail: n.a.kapustina@inbox.ru
²Северный (Арктический) федеральный университет им. М.В. Ломоносова, г. Архангельск, Россия, 163002; e-mail: vladimir.malygin@yandex.ru

Ключевые слова

узел крепления, режущий элемент, термодинамические процессы, контактное взаимодействие, сборная дереворежущая фреза, дискретный контакт

Для цитирования

Капустина Н.А., Малыгин В.И., Мелехов В.И., Слуцков В.А. Моделирование дискретных контактов термодинамической системы элементов сборной дереворежущей фрезы // Изв. вузов. Лесн. журн. 2021. № 4. С.162–172. DOI: 10.37482/0536-1036-2021-4-162-172

Литература

1. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя: в 3 т. Т. 1. 8-е изд., перераб. и доп. / под ред. И.Н. Жестковой. М.: Машиностроение, 2001. 920 с. Anur’yev V.I. Handbook for Mechanical Design Engineer. In 3 vol. Vol. 1. Ed. by I.N. Zhestkova. Moscow, Mashinostroyeniye Publ., 2001. 920 p.

2. Бершадский A.Л., Цветкова Н.И. Резание древесины. Минск: Вышейш. шк., 1975. 302 с. Bershadskiy A.L., Tsvetkova N.I. Wood-Cutting Process. Minsk, Vysheyshaya shkola Publ., 1975. 302 p.

3. Глебов И.Т., Неустроев Д.В. Справочник по дереворежущему инструменту. Екатеринбург: Урал. гос. лесотехн. акад., 2000. 253 с. Glebov I.T., Neustroyev D.V. Handbook of Wood-Cutting Tool. Yekaterinburg, UGLTA Publ., 2000. 253 p.

4. Демкин Н.Б., Рыжов Э.В. Качество поверхности и контакт деталей машин. М.: Машиностроение, 1981. 244 с. Demkin N.B., Ryzhov E.V. Surface Quality and Contact of Machine Parts. Moscow, Mashinostroyeniye Publ., 1981. 244 p.

5. Демкин Н.Б., Удалов С.В., Алексеев В.А., Измайлов В.В., Болотов А.Н. Контакт шероховатых волнистых поверхностей с учетом взаимного влияния неровностей // Трение и износ. 2008. Т. 29, № 3. C. 231–237. Demkin N.B., Udalov S.V., Alekseev V.A., Izmaylov V.V., Bolotov A.N. Contact of Rough Wavy Surfaces with Consideration of Mutual Effect of Asperities. Treniye i iznos [Friction and Wear], 2008, vol. 29, no. 3, pp. 231–237. DOI: https://doi.org/10.3103/S1068366608030045

6. Измайлов В.В., Чаплыгин С.А. Числовое и аналитическое моделирование дискретного контакта деталей машин // Интернет-журн. «Науковедение». 2014. № 6(25). Izmailov V.V., Chaplygin S.A. Numerical and Analytical Simulation of Machine Parts Discrete Contact. Naukovedenie, 2014, no. 6(25). DOI: https://doi.org/10.15862/10TVN614

7. Капустина Н.А. Определение контактных условий для моделирования термодинамических процессов в узле крепления ножа в корпусе фрезы // XLVII Ломоносовские чтения: сб. материалов региональной науч.-практ. конф. Архангельск: ИД САФУ, 2019. C. 128–133. Kapustina N.A. Determination of Contact Conditions for Modeling of Thermodynamic Processes in the Knife Fastening Unit in the Milling Body. XLVII Lomonosov Readings: Proceedings of the Regional Scientific and Practical Conference. Arkhangelsk, NArFU Publ., 2019, pp. 128–133.

8. Малыгин В.И. Повышение эффективности режущих инструментов методами сложного неоднородного моделирования и неразрушающей активной экспресс-диагностики: дис. … д-ра техн. наук. М., 1995. 346 с. Malygin V.I. Improving the Efficiency of Cutting Tools by the Methods of Complex Heterogeneous Modeling and Non-Destructive Active Express Diagnostics: Dr. Eng. Sci. Diss. Moscow, 1995. 346 p.

9. Малыгин В.И., Ануфриева А.Р. Исследование влияния характеристик стыка на термосопротивление сборного инструмента // Научно-техн. сб. Архангельск, 1990. С. 64–70. Malygin V.I., Anufriyeva A.R. Research of the Influence of Joint Characteristics on the Thermal Resistance of a Modular Cutting Tool. Research and Technical Source Book. Arkhangelsk, 1990, pp. 64–70.

10. Малыгин В.И., Лобанов Н.В., Кремлева Л.В. Методы оптимизации и оценка качества дереворежущих фрез при стендовом и математическом моделировании. 1. Алгоритм решения задачи оптимизации конструкции сборного инструмента при физическом и математическом моделировании // Изв. вузов. Лесн. журн. 2008. № 2. С. 61–71. Malygin V.I., Lobanov N.V., Kremleva L.V. Methods of Optimization and Quality Rating of Wood Cutters under Bench and Mathematical Simulation. 1. Algorithm of Problem Solution on Optimization of Assembled Tool Structure under Physical and Mathematical Modeling. Lesnoy Zhurnal [Russian Forestry Journal], 2008, no. 2, pp. 61–71. URL: http://lesnoizhurnal. ru/upload/iblock/810/81025e18e6677908380022096514573c.pdf

11. Малыгин В.И., Кремлева Л.В., Лобанов Н.В., Мелехов В.И. Эволюция топологии сборных дереворежущих фрез // Изв. вузов. Лесн. журн. 2013. № 6. C. 73–85. Malygin V.I., Kremleva L.V., Lobanov N.V., Melekhov V.I. Evolution of the Topological Structure of Wood-Milling Cutters. Lesnoy Zhurnal [Russian Forestry Journal], 2013, no. 6, pp. 73–85. URL: http://lesnoizhurnal.ru/upload/iblock/b29/mod_8_6_2013.pdf

12. Малышев В.И., Резников Л.А. Теплофизические аспекты процесса резания в трудах отечественных и американских ученых // Сб. науч. тр. SWorld. 2012. Т. 12, № 3. С. 73–80. Malyshev V.I., Reznikov L.A. Thermophysical Aspects of Metal Cutting Process in Works of Russian and American Scientists. Sbornik nauchnykh trudov SWorld, 2012, vol. 12, no. 3, pp. 73–80.

13. Морозов В.Г. Дереворежущий инструмент: справочник. М.: Лесн. пром-сть, 1988. 339 с. Morozov V.G. Wood-Cutting Tool: Handbook. Moscow, Lesnaya promyshlennost’ Publ., 1988. 339 p.

14. Резников А.Н. Теплофизика процессов механической обработки материалов. М.: Машиностроение, 1981. 279 с. Reznikov A.N. Thermophysics of Mechanical Processing. Moscow, Mashinostroyeniye Publ., 1981. 279 p.

15. Шлыков Ю.П., Ганин Е.А., Царевский С.Н. Контактное термическое сопротивление. М.: Энергия, 1977. 328 с. Shlykov Yu.P., Ganin E.A., Tsarevskiy S.N. Contact Thermal Resistance. Moscow, Energiya Publ., 1977. 328 p.

16. Barrett P.R. ANSYS Nonlinear Convergence Best Practices. CAE Associates, 2012. 75 p.

17. Gao Y.-F., Bower A.F. Rough Surface Plasticity and Adhesion across Length Scales. Nanomechanics of Materials and Structures, 2006, pp. 277–287. DOI: https://doi.org/10.1007/1-4020-3951-4_27

18. Jackson R.L., Green I. On the Modeling of Elastic Contact between Rough Surfaces. Tribology Transactions, 2011, vol. 54, iss. 2, pp. 300–314. DOI:https://doi.org/10.1080/10402004.2010.542277

19. Marohnić T., Basan R., Franulović M. Evaluation of Methods for Estimation of Cyclic Stress-Strain Parameters from Monotonic Properties of Steels. Metals, 2017, vol. 7, iss. 1, art. 17. DOI: https://doi.org/10.1016/j.proeng.2015.02.029

20. McKenzie W.M. Fundamental Analysis of the Wood-Cutting Process. Doctoral Thesis. Ann Arbor, University of Michigan, 1961. 151 p.

21. Rachid Ch., Lebon Fr., Rosu I., Mohammed M. Numerical Study of the Surface Roughness, Thermal Conductivity of the Contact Materials and Interstitial Fluid Convection Coefficient Effect on the Thermal Contact Conductance. Annales de Chimie - Science des Matériaux, 2019, vol. 43, no. 4, pp. 265–271. DOI: https://doi.org/10.18280/acsm.430410

Ссылка на английскую версию:

Modeling of Discrete Contacts for the Thermodynamic Element System of a Modular Wood-Milling Cutter

MODELING OF DISCRETE CONTACTS FOR THE THERMODYNAMIC ELEMENT SYSTEM OF A MODULAR WOOD-MILLING CUTTER

Natalia A. Kapustina¹, Design Engineer; ResearcherID: AAK-7733-2021, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-9770-771X
Vladimir I. Malygin², Doctor of Engineering, Prof.; ResearcherID: E-6054-2014, ORCID: https://orcid.org/0000-0003-4268-5178
Vladimir I. Melekhov², Doctor of Engineering, Prof.; ResearcherID: Q-1051-2019, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-2583-3012
Vladimir A. Slutskov², Postgraduate Student; ResearcherID: P-7597-2019, ORCID: https://orcid.org/0000-0003-4032-4635
¹Design Bureau “Sevmash”, Arkhangel’skoye shosse, 58, Severodvinsk, Arkhangelsk Region, 164500, Russian Federation; e-mail: n.a.kapustina@inbox.ru
²Northern (Arctic) Federal University named after M.V. Lomonosov, Naberzhnaya Severnoy Dviny, 17, Arkhangelsk, 163002, Russian Federation; e-mail: vladimir.malygin@yandex.ru

Abstract. Operational capability of a modular wood-cutting tool depends, besides many factors, on the design features of cutting element fastening unit. There are no clear and precise methods that explain major factors influencing tool durability for selecting the design of the modular wood-cutting tool, which would meet production requirements. Thermodynamics modeling under contact interaction of elements enables to choose a design for effective application and increases the tool efficient life. The research purpose is modeling of thermodynamic processes in the cutter element fastening unit in the wood-cutting tool body in order to optimize the design, technological parameters and operating modes of the tool. The research subject is the contact interaction conditions and heat transfer processes between the device elements. The cutting element fastening unit is designed and the model of interaction between the parts of the mechanism of the modular wood-milling tool is developed. Further tasks, namely, development of a model of thermodynamic processes in the cutting element fastening unit, discussion of the results and identifying the recommendations for choosing the design of the modular wood-cutting tool at the design stage were realized in a work that continues the ongoing research. The finite-element model of rough wavy surfaces contact interaction of design elements was developed on the basis of standard design of a shell-type plain woodmilling cutter. The analysis concluded that further analytical modeling of contact conditions with existing parameters is possible. The contacting surfaces approach and the radii of single contact areas were determined taking into account the data of design and calculation of wood cutting forces. These results will be used next in modeling of thermodynamic processes. Methodology and research methods comprise theoretical study and mathematical modeling, including finite-element analysis. The models developed are possible to be used in the creation of a complex durability model of the wood-cutting tool with regard to other factors. The main result of this research stage is obtaining the model of contact conditions and initial data for further modeling of thermodynamic processes in the knife fastening unit in the milling body to predict its thermal condition.
For citation: Kapustina N.A., Malygin V.I., Melekhov V.I., Slutskov V.A. Modeling of Discrete Contacts for the Thermodynamic Element System of a Modular Wood-Milling Cutter. Lesnoy Zhurnal [Russian Forestry Journal], 2021, no. 4, pp. 162–172. DOI: 10.37482/0536-1036-2021-4-162-172.

Keywords: fastening unit, cutting element, thermodynamic processes, contact interaction, modular wood-milling cutter, discrete contact.