Орленко Л.В., Соловьев В.В. (АГТУ, г. Архангельск, РФ)

The new approach to the analysis of wood cutting process in view of shock action of a cutter with applying of methods of mechanical destruction is introduced.

Исследование процесса резания древесины, с точки зрения процесса ее разрушения, сводится к анализу двух этапов отделения элементов стружки [1, 2]. На первом этапе происходит образование зоны предельного состояния вследствие различного рода повреждений структурного строения древесины. Сюда относится смятие волокон, потеря их устойчивости, образование трещин. Возникновение и размеры этой зоны определяются классическими критериями наступления предельного состояния [3]. Второй этап характеризуется развитием магистральной трещины, в результате чего происходит полное или частичное отделение элемента стружки. Условием начала распространения трещины при сложном напряженном состоянии является критерий [4]:

( 1 )

где K_I, K_II, K_III - коэффициенты интенсивности напряжений, соответственно для трещин нормального отрыва, плоского и антиплоского сдвига; K_I_с, K_II_с, K_III_с - механические характеристики материала, определяющие его способность сопротивляться развитию соответствующего типа трещин (вязкость разрушения).

В частном случае, если основным видом напряжений являются растягивающие, направленные перпендикулярно волокнам древесины, условие (1) преобразуется к виду:

K_I= K_I_с ( 2 )

При установившихся процессах резания (лущение, токарная обработка) задача определения коэффициентов интенсивности напряжений может рассматриваться в статической постановке [1]. Процессы пиления, фрезерования, получения технологической щепы характеризуются импульсным воздействием резца на древесину. В этой связи возникает необходимость учета факторов, определяющих динамический характер разрушения.

В дальнейшем будем полагать, что отделение стружки происходит в результате развития трещины нормального отрыва [5, 6]. При этом импульс воздействующих напряжений s_y(t) имеет прямоугольную форму:

( 3 )

где s_y– напряжение в окрестности вершины трещины; T – продолжительность импульса.

Под продолжительностью импульса в дальнейшем подразумевается время прохождения резца в древесине:

, ( 4 )

где S – путь резца в древесине; V – скорость резания.

В этих условиях коэффициент интенсивности напряжений, с учетом динамического характера нагружения, определяется в виде [ 7 ]:

, ( 5 )

где l –длина трещины; K_IS – коэффициент интенсивности напряжений, соответствующий статическим условиям нагружения ; f(l) – функция, зависящая от длины трещины; C₁, C₂ – скорости распространения продольных и поперечных волн соответственно:

, ( 6 )

где r - плотность материала; E_x – модуль упругости древесины; G_xy – модуль сдвига; m_xy – коэффициент Пуассона.

Анализ формулы (5) показывает, что наибольшая величина K_I(t) возникает при t=T. При этом условие начала отделения элемента стружки определяется уравнением:

( 7 )

Полученное уравнение позволяет определить напряжения, соответствующие началу распространения трещины, а следовательно и началу отделения элемента стружки:

( 8 )

Приведенный анализ процесса резания древесины позволяет с достаточной полнотой учитывать факторы, определяющие силовые и энергетические параметры, которые на основании решения задачи в статической постановке не могут быть учтены.

Литература

1. Сенькевич Л.В. Анализ процесса резания при получении технологической щепы//Изв. вузов/Лесн. журн.-№4.-1993.-С.59-63.

2. Орленко Л.В., Соловьев В.В., Моргачев А.М. К вопросу исследования процесса резания древесины//Изв. вузов/Лесн. журн.-№4.-1998.-С.92-98.

3. Ашкенази Е.К., Ганов Э.В. Анизотропия конструкционных материалов.-Л.:Машиностроение, 1972.-216с.

4. Черепанов Г.П. Механика хрупкого разрушения.-М.: Наука, 1974.-640с.

5. Кох П. Процессы механической обработки древесины.-М.:Лесная пром-сть, 1969.-328с.

6. Любченко В.И. Резание древесины и древесных материалов: Учебное пособие для вузов.-М.:Лесн. пром-сть, 1986.-296с.

7. Слепян Л.И. Механика трещин.-Л.:Судостроение, 1981.-487с.