微量零锯料角锯齿木材锯切特性与机理研究

摘要

木材锯切为闭式切削，锯齿以三条刃口切削木材（一条主刃，两条侧刃），锯齿一次切削后完成三个切削面——锯路底和两侧锯路壁。但目前关于木材切削力和表面质量的研究大都集中在对锯齿主刃参数的优化方面，忽视了侧刃对切削力和表面加工质量的影响，且随着近年来，木材价格的不断提高，木工锯片的厚度也越来越小，侧刃在锯切过程中的作用也越来越引起人们的关注。 本文重点围绕木材闭式锯切过程中锯齿侧刃产生的切削力和锯路壁形成机理展开研究，首次提出了微量零锯料角锯齿锯切的概念，研究了不同锯料角、不同切削厚度、不同含水率、不同切削速度和不同切削方向等切削条件下，锯齿侧刃产生的切向力和法向力的变化规律及影响因素;利用响应面分析方法，建立出微量零锯料角锯齿切削力多元响应面回归模型;并设计制造出9种不同锯齿齿形圆锯片，在不同切削条件下进行了锯切表面粗糙度试验，分析出锯齿侧刃参数对锯切表面粗糙度的影响。通过以上理论分析和试验研究，最终确定出最佳的微量零锯料角锯齿的齿形参数。得出以下主要结论: (1)通过理论分析得出锯齿受力应包括锯齿主刃受到来自木材的抗力和摩擦力，侧刃受到的来自锯路壁的摩擦力和抵抗力以及齿室内锯屑与锯路壁之间产生的摩擦力三部分。单锯齿切削时，可将锯齿侧刃受力分为侧刃切向力和侧刃法向力，其中，侧刃受到的来自锯路壁的摩擦力和抵抗力主要以侧刃切向力为主。 (2)推导出了圆锯锯切时锯痕的理论深度Sn公式:Sn=Sb tanλ=Uz sinψtanλ=U/n·zsinψtanλ，并提出了微量零锯料角锯齿概念，其侧刃是由零锯料角段11和非零锯料角段12组成，其中零锯料角段承担切削，零锯料角段的长度理论上略大于每齿进给量，且越接近每齿进给量越理想。 (3)锯齿侧刃产生的力主要以侧刃切向力为主，本论文中采用锯齿宽度2.6mm的硬质合金锯片单齿分别对樟子松和水曲柳两种木材进行纵向、横向和端向切削，当在锯料角为0°～3°，切削厚度为0.08mm～0.16mm，含水率为5％～19％和切削速度为5m/min～15m/min的情况下，侧刃产生的侧刃切向力占总切削力的4.6％～20.2％，而侧刃法向力由于受到刀具和工件振动等因素的影响其变化没有明显规律。 (4)随着锯料角由1°增加到3°，侧刃切向力呈减小趋势，切削水曲柳（0.16mm）时，由7.176N降低到2.900N;切削樟子松(0.16mm)时，由5.733N降低到2.959N。随着切削厚度的增加，侧刃切向力增大。 (5)切削不同树种时，切削速度变化其对侧刃切向力的影响并不相同，切削水曲柳时（λ=3°），其侧刃切向力由1.989N增加到3.455N，切削樟子松时（λ=3°），其侧刃切向力先由0.105N增加到2.754N，而后降低到1.457N。这受到木材的抗拉强度和切削方向的影响，当进行纵向切削时，当超前裂隙的扩展速度大于切削速度时，其侧刃切向力呈减小趋势。 (6)切削不同树种时，当含水率由5％增加到19％，其对侧刃切向力的影响并不相同，造成这一现象的主要原因可能是由于含水率变化会引起木材抗拉强度和韧性的交互作用而产生的。 (7)在相同的锯料角条件下，横向切削时，侧刃切向力最大;纵向切削时，侧刃切向力次之;端向切削时，侧刃切向力最小。 (8)当切削过程中综合考虑切削厚度、含水率、切削速度和锯料角等参数对切削力的影响时，其与切削力的关系并不是简单的线性关系，而是呈二次多项式关系，其切削力回归方程可归结为:Fy=A-Bλ+Ch-DMC+EU+FhMC+Gλ2+Hh2+IMC2+JU2，其中:A、B、C、D、E、F、G、H、I和J均为试验确定的系数。 (9)当零锯料角段由0mm增加到0.5mm时，表面粗糙度值显著下降，切削水曲柳λ=1.5°时，表面粗糙度值分别由30.1μm降低到23.8μm，λ=3°时由33.3μm降低到26.2μm。但当零锯料角段大于0.5mm的情况下，其表面粗糙度随零锯料角段增加的影响不明显。

目录

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摘要

第一章绪论

1．1．1木材锯切概述

1．1．2零锯料角锯齿与微量零锯料角锯齿锯切概述

1．2国内外研究现状

1．2．1木材切削机理的研究现状

1．2．2木材切削力的研究现状

1．2．3木材切削表面粗糙度的研究现状

1．3课题的经费来源及主要研究内容

1．3．1课题的经费来源

1．3．2主要研究内容

1．3．3研究的技术路线

1．4研究的目的和意义

第二章圆锯锯切木材锯齿受力及锯路壁形成机理分析

2．1引言

2．2传统的木材切削力分析

2．3微量零锯料角锯齿锯切锯路壁形成机理分析

2．4微量零锯料角锯齿锯切切削受力理论分析

2．5本章小结

第三章切削力测试系统及方法

3．1引言

3．2切削力测试系统组成

3．3切削力测定方法

3．3．1系统标定

3．3．2切削力和法向力的数据处理

3．4本章小结

第四章不同锯料角锯齿侧刃对切削力影响的研究

4．1引言

4．2材料与方法

4．2．1工件材料及刀具

4．2．2试验方法

4．3结果与分析

4．3．1不同切削厚度条件下的切削力

4．3．2不同切削速度条件下的切削力

4．3．3不同含水率条件下的切削力

4．3．4不同切削方向上的切削力

4．4本章小结

第五章微量零锯料角锯齿切削力模型

5．1引言

5．2材料与方法

5．2．1工件材料及刀具

5．2．2试验方法

5．3结果与分析

5．3．1响应面分析方案与试验结果

5．3．2模型的分析与建立

5．3．3响应面结果分析

5．4本章小结

第六章微量零锯料角锯齿圆锯片对锯切木材表面粗糙度影响的研究

6．1引言

6．2实验材料与方法

6．3．1试验材料

6．3．2试验装置

6．3．3实验设计

6．4结果与讨论

6．4．1进给速度对表面粗糙度的影响

6．4．2锯料角对表面粗糙度的影响

6．4．3不同零锯料角段对表面粗糙度的影响

6．5本章小结

第七章结论与讨论

7．1结论

7．2创新点

7．3展望

参考文献

在读期间的学术研究

导师简介

致谢