摩擦學在竹加工機械切削系統中的應用研究

黃 帆

（福建水利電力職業技術學院，福建 三明366000）

0 引言

近年來，竹制品加工行業快速發展，各種產品種類越來越豐富，對竹制品加工設備的需求量日益增加，技術也隨之不斷發展。但從整體上看，竹工機械的水平還較低，特別是我國，竹工機械的研究起步較晚、起點較低，為提高生產效率，竹加工設備需朝大型化、智能化等方面發展。竹加工設備中切削部件是核心部分，切削系統的結構及匹配設計直接影響到竹制品的產量、質量以及生產成本。我國的竹加工機械發展至今，其機構部分日趨成熟，但對切削系統的設計分析理論尚不成熟，其力學與摩擦學分析依然有待探討。

現行最常用的竹工機械分類方法是按照竹工機械的加工用途進行分類。因此，本文將根據竹工機械的加工用途選取較為常用的設備進行舉例分析，對其切削部件的刀具磨損、切削力分布及切削區域的溫度場、應力場進行探索性的研究，并探討其設計方法。

1 以破篾機為例進行的竹工機械摩擦學分析計算

1.1 應力場分析

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

圖1 破篾機示意圖

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

圖2 切削刀具應力分析圖

1.2 溫度場分析

對切削部位進行溫度場分析是為了進一步監測切削加工刀具與加工時效的關系。通過溫度檢測儀器測得不同時間、不同工況下的切削溫度，結合刀具在不同溫度下的使用壽命，可以得出較優的連續工作方案和潤滑冷卻方案。

1.3 模擬性臺架實驗

需要得到更加準確的數據可以考慮使用模擬性臺架實驗，即在試件實驗的基礎上，根據所選定的參數設計實際的零件，并在模擬使用條件下進行臺架試驗。由于臺架試驗的條件接近于實際工況，增強了實驗結果的可靠性。同時，通過實驗條件的強化和嚴格控制，可以在較短的時間內獲得系統的實驗數據，還可以進行個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，摩擦表面的吸附膜和氧化膜也將發生破裂、再生和轉移。

當兩個固體表面接觸時，由于表面粗糙，使實際接觸只發生在表觀面積的極小部分上。實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摩擦狀態，由于存在切向力，實際接觸面積和接觸點的變形條件都取決于法向載荷產生的壓應力和切向力產生的剪應力的聯合作用，因而修正后的摩擦系數為：

2.2 磨損

磨損是相互接觸的物體在相對運動中表層材料不斷損傷的過程，它是伴隨摩擦而產生的必然結果。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。根據統計，機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%。因而研究竹加工設備的磨損機理和提高耐磨性的措施，將有效地節約材料和能量，提高竹加工機械裝備的使用性能和壽命，減少維修費用，具有較大的意義。

由于技術的發展，竹加工設備切削刀具存在的磨損問題已成為薄弱環節，特別是高速、重載、精密以及特殊工況下工作的機械對于磨損研究提出了更迫切的要求。同時，近代其他科學技術例如材料科學、物理化學、表面測試技術等的發展，有助于對磨損機理進行更深入的研究。

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

3 提高竹工機械加工效率的摩擦學分析方法

要提高竹工機械加工效率首先應當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情況。

（1）主要收集了解被磨損零部件的實物和圖紙；磨損失效零部件所在系統的工作情況，包括載荷、速度、溫度等參數，以及破壞過程和部位；潤滑油供應系統和技術性能；維護保養和操作規范等。（2）對被磨損零部件進行相關分析，分析零件開始破壞的位置和破壞的發展過程，確定主要磨損形式。采用光學顯微鏡觀察摩擦表面，根據磨損特征判斷磨損形式。分析材料選擇的合理性，采用能譜技術分析材料的化學成分和含量，檢查磨損前后表面形貌和硬度等機械性能的變化，用切截剖面觀察非金屬夾雜物尺寸和分布。（3）分析零部件設計的合理性。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、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，根據流體潤滑理論，應用適合實際使用的膜厚計算公式進行計算。

4 結語

切削系統的結構及匹配設計直接影響到竹制品的產量、質量以及生產成本。竹工機械發展至今對切削系統的摩擦學分析理論仍不成熟，本文僅針對這一領域提出探討，認為從摩擦學分析的角度能夠改進竹工機械切削系統的能效，并提出分析的方向。但在分析過程中由于受到技術條件及筆者能力的限制，觀察時間短，對于分析和評價是否正確還需要進一步驗證。

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