摩擦學(xué)在竹加工機(jī)械切削系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

黃 帆

（福建水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 三明366000）

0 引言

近年來，竹制品加工行業(yè)快速發(fā)展，各種產(chǎn)品種類越來越豐富，對竹制品加工設(shè)備的需求量日益增加，技術(shù)也隨之不斷發(fā)展。但從整體上看，竹工機(jī)械的水平還較低，特別是我國，竹工機(jī)械的研究起步較晚、起點(diǎn)較低，為提高生產(chǎn)效率，竹加工設(shè)備需朝大型化、智能化等方面發(fā)展。竹加工設(shè)備中切削部件是核心部分，切削系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及匹配設(shè)計(jì)直接影響到竹制品的產(chǎn)量、質(zhì)量以及生產(chǎn)成本。我國的竹加工機(jī)械發(fā)展至今，其機(jī)構(gòu)部分日趨成熟，但對切削系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析理論尚不成熟，其力學(xué)與摩擦學(xué)分析依然有待探討。

現(xiàn)行最常用的竹工機(jī)械分類方法是按照竹工機(jī)械的加工用途進(jìn)行分類。因此，本文將根據(jù)竹工機(jī)械的加工用途選取較為常用的設(shè)備進(jìn)行舉例分析，對其切削部件的刀具磨損、切削力分布及切削區(qū)域的溫度場、應(yīng)力場進(jìn)行探索性的研究，并探討其設(shè)計(jì)方法。

1 以破篾機(jī)為例進(jìn)行的竹工機(jī)械摩擦學(xué)分析計(jì)算

1.1 應(yīng)力場分析

現(xiàn)今常見的破篾機(jī)（圖1）是通過傳送帶將竹材以不同角度傳動(dòng)、輸送原材料進(jìn)入刀具破片部。假設(shè)破篾刀安裝夾角為θ，竹材料重力為G，進(jìn)篾平臺(tái)傳送力為F，則破篾時(shí)切削刀具的瞬間受力情況較容易進(jìn)行分析。

圖1 破篾機(jī)示意圖

由圖2分析可知，由進(jìn)篾平臺(tái)傳送力F與材料重力G合成切削刀具應(yīng)力σ，其大小主要與傳送力F及切削刀具安裝角度θ有關(guān)。實(shí)踐證明，刀具安裝角度θ并非越小越好，而是取5°～10°為佳。

圖2 切削刀具應(yīng)力分析圖

1.2 溫度場分析

對切削部位進(jìn)行溫度場分析是為了進(jìn)一步監(jiān)測切削加工刀具與加工時(shí)效的關(guān)系。通過溫度檢測儀器測得不同時(shí)間、不同工況下的切削溫度，結(jié)合刀具在不同溫度下的使用壽命，可以得出較優(yōu)的連續(xù)工作方案和潤滑冷卻方案。

1.3 模擬性臺(tái)架實(shí)驗(yàn)

需要得到更加準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)可以考慮使用模擬性臺(tái)架實(shí)驗(yàn)，即在試件實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)所選定的參數(shù)設(shè)計(jì)實(shí)際的零件，并在模擬使用條件下進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)。由于臺(tái)架試驗(yàn)的條件接近于實(shí)際工況，增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性。同時(shí)，通過實(shí)驗(yàn)條件的強(qiáng)化和嚴(yán)格控制，可以在較短的時(shí)間內(nèi)獲得系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，還可以進(jìn)行個(gè)別因素對磨損性能影響的研究。

2 影響切削加工的因素

2.1 摩擦

在切削刀具與竹材料摩擦過程中，由于力和熱的作用，摩擦表面將發(fā)生一系列的變化，這些變化對摩擦磨損性能有很大影響。表面形貌和微觀接觸狀況在摩擦中不斷地變化。同時(shí)，摩擦表面的吸附膜和氧化膜也將發(fā)生破裂、再生和轉(zhuǎn)移。

當(dāng)兩個(gè)固體表面接觸時(shí)，由于表面粗糙，使實(shí)際接觸只發(fā)生在表觀面積的極小部分上。實(shí)際接觸面積的大小和分布對于摩擦磨損起著決定性的影響。

對于竹材料加工中的滑動(dòng)摩擦狀態(tài)，由于存在切向力，實(shí)際接觸面積和接觸點(diǎn)的變形條件都取決于法向載荷產(chǎn)生的壓應(yīng)力和切向力產(chǎn)生的剪應(yīng)力的聯(lián)合作用，因而修正后的摩擦系數(shù)為：

2.2 磨損

磨損是相互接觸的物體在相對運(yùn)動(dòng)中表層材料不斷損傷的過程，它是伴隨摩擦而產(chǎn)生的必然結(jié)果。磨損問題在其他場合中引起了人們極大的重視，這是由于磨損所造成的損失十分驚人。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，機(jī)械零件的失效主要有磨損、斷裂和腐蝕等三種方式，而磨損失效約占60%～80%。因而研究竹加工設(shè)備的磨損機(jī)理和提高耐磨性的措施，將有效地節(jié)約材料和能量，提高竹加工機(jī)械裝備的使用性能和壽命，減少維修費(fèi)用，具有較大的意義。

由于技術(shù)的發(fā)展，竹加工設(shè)備切削刀具存在的磨損問題已成為薄弱環(huán)節(jié)，特別是高速、重載、精密以及特殊工況下工作的機(jī)械對于磨損研究提出了更迫切的要求。同時(shí)，近代其他科學(xué)技術(shù)例如材料科學(xué)、物理化學(xué)、表面測試技術(shù)等的發(fā)展，有助于對磨損機(jī)理進(jìn)行更深入的研究。

通過對竹加工設(shè)備切削刀具各種磨損現(xiàn)象的觀察和分析，可以找出它們的變化規(guī)律和影響因素，尋求控制磨損和提高耐磨性的措施。

3 提高竹工機(jī)械加工效率的摩擦學(xué)分析方法

要提高竹工機(jī)械加工效率首先應(yīng)當(dāng)確定造成零部件失效的主要磨損形式和原因，了解其工作失效過程和有關(guān)情況。

（1）主要收集了解被磨損零部件的實(shí)物和圖紙；磨損失效零部件所在系統(tǒng)的工作情況，包括載荷、速度、溫度等參數(shù)，以及破壞過程和部位；潤滑油供應(yīng)系統(tǒng)和技術(shù)性能；維護(hù)保養(yǎng)和操作規(guī)范等。（2）對被磨損零部件進(jìn)行相關(guān)分析，分析零件開始破壞的位置和破壞的發(fā)展過程，確定主要磨損形式。采用光學(xué)顯微鏡觀察摩擦表面，根據(jù)磨損特征判斷磨損形式。分析材料選擇的合理性，采用能譜技術(shù)分析材料的化學(xué)成分和含量，檢查磨損前后表面形貌和硬度等機(jī)械性能的變化，用切截剖面觀察非金屬夾雜物尺寸和分布。（3）分析零部件設(shè)計(jì)的合理性。對于全膜潤滑的摩擦副，核算油膜厚度、膜厚比、潤滑油流量、表面壓力以及工作溫度；檢查潤滑油的更換周期；了解磨損失效前后載荷、速度、溫度以及振動(dòng)、噪聲的變化情況。（4）確定造成零部件失效的主要磨損形式和原因后，根據(jù)流體潤滑理論，應(yīng)用適合實(shí)際使用的膜厚計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算。

4 結(jié)語

切削系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及匹配設(shè)計(jì)直接影響到竹制品的產(chǎn)量、質(zhì)量以及生產(chǎn)成本。竹工機(jī)械發(fā)展至今對切削系統(tǒng)的摩擦學(xué)分析理論仍不成熟，本文僅針對這一領(lǐng)域提出探討，認(rèn)為從摩擦學(xué)分析的角度能夠改進(jìn)竹工機(jī)械切削系統(tǒng)的能效，并提出分析的方向。但在分析過程中由于受到技術(shù)條件及筆者能力的限制，觀察時(shí)間短，對于分析和評價(jià)是否正確還需要進(jìn)一步驗(yàn)證。

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