Основы теория резания лезвием.

Резание материалов может осуществляться тремя способами: пуансоном /штамп/, резцом /клин/ и лезвием /нож/. Режущие рабочие органы соломосилосорезок и универсальных дробилок работают по принципу резания лезвием.

Бывают дисковые (РСС - 6) и барабанные измельчающие аппараты (РСБ – 3.5; Волгарь - 5).

Теорию резания лезвием разработал академик В.П. Горячкин. дальнейшее развитие она получила в работах В.А. Желиговского, В.Н. Резника, А.Н. Карпенко, М.В. Собликова и др.

Рабочий процесс резания лезвием состоит из двух этапов: уплотнения и резания материала (рис. 1).

1. режущий аппарат;

2. противорежущая пластина;

3. верхний уплотнительный валец ;

4. нижний уплотнительный валец;

5. питающий транспортер.

Рисунок 1. Схема резания корма в измельчителе с ножевым барабаном.

Рассмотрим этот способ резания. Лезвием называется рабочая часть ножа, заточенного по двухгранному углу. Процесс резания осуществляется под действием силы, приложенной непосредственно самой вершиной двухгранного угла к измельчаемому материалу. Вообще процесс резания является разновидностью измельчения и поэтому он подчинен общим законам разрушения материала под действием внешних сил, превосходящих силы молекулярного сцепления. Но он имеет и свои специфические особенности.

Процесс резания лезвием пучка стеблей состоит из двух этапов: предварительного уплотнения и собственно резания. Предварительное уплотнение осуществляется вальцами /участок ОО`/ и лезвием /участок О`А/. Резание сопровождается снижением усилия резания /участок АВ/.

Можно также сказать, что на участке О`А, ВС и т.д. происходят упругие деформации, а на участке АВ, СД, и т.д. — пластические с разрушением материала.

Как видно из диаграммы , процесс резания начинается при достижении силой сжатия какой-то критической величины, превышающей сопротивление материала разрушению. Силу сжатия ножа, способную возбудить процесс резания, называют критической силой P_кр, и ее можно определить из выражения:

Р_кр = Р_рез + Т₁ + Т₂∙cos ,

где Р_рез − сопротивление резанию лезвием, Н; Т₁ − сила трения, обусловленная действием бокового давления, возникающего при внедрении клина в перерезаемый слой, Н;

Т₁ = f ∙ Р_обж,

f − коэффициент трения лезвия по материалу; Т₂ − сила трения на фаске ножа, обусловленная давлением со стороны сдвигаемого материала, Н; − угол заточки ножа, град.

Из трех слагаемых наибольшую величину имеет cила резания, величину которой проф. Резник Н. Е. предлагает определять по формуле:

где − толщина кромки лезвия, м ; Δs − длина активной части лезвия, м; − нормальное контактное разрушающее напряжение разрезаемого слоя, Па.

Из приведенных формул видно, что критическая сила зависит от физико-механических свойств обрабатываемого материала /f, / и параметров лезвия / , Δs /.

Теория резания лезвием выделяет три характерных вида резания: нормальное, наклонное и скользящее. Они отличаются друг от друга углом скольжения τ лезвия по материалу. τ − это угол между направлением движения лезвия и нормалью к нему.

1. Нормальное резание осуществляется под действием нормальной силы N, равной силе резания Р_рез и совпадающей с направлением движения ножа. Боковые смещения ножа отсутствуют, поэтому нет и боковых сил. Угол τ = 0. Происходит "рубка" материала

2. Наклонное резание осуществляется лезвием, имеющим скос <φ / φ − угол трения/.

При этом появляются и боковые силы, однако резания со скольжением еще не наблюдается, так как отсутствует скользящее движение лезвия по материалу. Однако усилие резания уменьшается вследствие кинематической трансформации угла заточки − фактического уменьшения угла заточки при перемещении косо поставленного лезвия. Величина трансформированного угла заточки:

3. Скользящее резание осуществляется лезвием, имеющим скос τ > φ или лезвием, имеющим тангенциальную относительно материала составляющую своего перемещения. При τ > φ скольжение появляется вследствие выталкивания материала из-под лезвия ножа.

Резание со скольжением обеспечивает более легкое проникновение ножа в слой материала с одной стороны трансформацией угла заточки, с другой − перепиливающим воздействием неровностей на лезвии, которые всегда на нем имеются.

При скользящем резании равнодействующая сил сопротивления R, а следовательно и сила резания всегда отклонены от нормали к лезвию на угол трения лезвия о материал . Этот угол принято называть углом скользящего резания, тангенс его − коэффициентом скользящего резания

f' = tg

или еще можно записать − это отношение касательной силы T к нормальной

.

В отличие от коэффициента скольжения, представляющего собой тангенс угла скольжения

= tg

Оба коэффициента и f' зависят один от другого и взаимосвязаны выражением

f' = r ∙ tg τ,

где r − коэффициент пропорциональности, равный 0,176…0,325.

Факторы, влияющие на процесс резания:

1. Удельное давление;
2. Скольжение;
3. Геометрические параметры ножа (углы заточки, острота, шероховатость);
4. Свойства материала из которого изготовлен нож;
5. Рабочая скорость ножа;
6. Прочность и состояние разрезаемого материала;
7. Зазор режущей пары;
8. Угол резания;
9. Защемление материала.

Рассмотрим некоторые факторы процесса резания:

Удельное давление

Удельным давлением называется отношение нормально действующей силы к загруженной части лезвия ножа (рис. 4), т.е.

, Н/см.

Для случая резания рубкой удельное давление имеет максимальную величину. Ее обозначают через q₀.

При наличии боковой силы Т и скользящего движения ножа величина потребного нормального давления уменьшается. Если удельное давление q₀ при рубке принять за 100%, то его величина q при разных углах может быть оценена графиком. (Рис. 5.)

Для различных материалов q₀ – величина постоянная. Она зависит от влажности материала и от остроты ножа. По мере затупления величина q увеличивается.

ЗАЗОР РЕЖУЩЕЙ ПАРЫ

Зазор между лезвием ножа и противорежущей пластиной:

для соломосилосорезок − = 0,5-1,0 мм.

для барабанных режущих аппаратов − =1,5 до 4,6 мм.

УГОЛ РЕЗАНИЯ

Угол резания ,

где - угол заточки ножа; - угол установки ножа.

Для соломорезок угол заточки ножа . Нижний предел угла заточки обусловлен прочностью материала, а верхний - экономичностью режимов резания.

Необходимо отметить, что угол скользящего резания − переменная величина, зависящая от угла скольжения. С увеличением угла скольжения увеличивается и угол скользящего резания.

Для осуществления процесса резания необходимо, чтобы материал не выскальзывал из-под ножа при отсутствии бокового подпора. Необходимо обеспечить надежный захват материала между лезвием и противорежущей пластиной. Допустим, что защемление материала будет обеспечена при угле раствора между лезвием ножа и рабочей кромкой противорежущей пластины.

Силу резания R разложим на составляющие: нормальную N к лезвию и касательную Т, направленную вдоль лезвия. Предположим, что в момент начала защемления материала угол оказался таким, что равнодействующая R сил нормального давления N и трения получила направление, перпендикулярное биссектрисе угла раствора . Тогда из перпендикулярности сторон двух треугольников следует, что /2 = или = 2φ .

Это предельно допустимый угол раствора, так как при его увеличении проекция равнодействующей силы R не будет равна нулю и дает составляющую, которая выталкивает материал из раствора лезвий наружу.

Следовательно, режущая пара защемляет материал, если угол раствора равен или меньше двойного угла φ скользящего резания. В несимметричной режущей паре два угла скользящего резания: угол скользящего резания лезвия ножа по материалу, угол скользящего резания материала по противорежущей кромке. Полное защемление наступит при условии

2

где − наименьший из углов и .

Экспериментально установлено, что в дисковых соломорезках угол защемления находится = 40…50⁰, в барабанных − = 24…30⁰.