Способы резания продуктов виды режущих инструментов

Основные способы резания продуктов

ОСНОВЫ ТЕОРИИ РЕЗАНИЯ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ

Виды рабочих органов резательных машин

Основным рабочим инструментом режущего оборудования, как уже упоминалось, является нож, форма и конструкция которого, а также характер его движения в процессе обработки, определяются ви­дом и структурно-механическими свойствами продукта, степенью его измельчения, производительностью машины.

Общим для всех ножей является его режущая сторона (лезвие), вы­полненная в виде одностороннего или двустороннего клина (рис. 29). Грань Б одностороннего клина, ко­торая в процессе резания опирает­ся на основную часть продукта, совпадает с плоскостью движения ножа и называется опорной.

Грань А, расположенная под углом к опорной грани Б, и при помощи которой происходит отгибание отрезаемой части продукта, называет­ся рабочей (рис. 29, а).

Линия пересечения опорной и рабочей граней называется режу­щей кромкой лезвия, а угол а между опорной и рабочей гра­нями называется у гл о м заточки лезвия.

Двусторонний клин в отличие от одностороннего имеет две рабо­чие грани А (рис. 29, б), а угол заточки лезвия двустороннего клина есть угол, образованный его рабочими гранями и, для случая симмет­ричного двустороннего клина, равен 2а.

Для разрезания твердых продуктов применяются режущие инстру­менты в виде пил различной формы, зубья которых имеют в сечении форму клина с определенным углом заточки.

Пластичные продукты (сливочное масло, сыр и т. п.) разрезаются на части с помощью инструмента, режущая часть которого выполнена в виде струны (проволоки).

Основные способы резания продуктов

Основным условием для осуществления процесса резания является на­личие относительного перемещения режущего инструмента и продукта.

В зависимости от направления скорости перемещения рабочего инс­трумента относительно продукта возможны три ситуации (рис. 30).

Рис. 30. Схема перемещения ножа относительно

а — касательное перемещение; 6— нормальное перемещение; в — перемещение под углом к режущей кромке

Если скорость перемещения направлена вдоль режущей кромки (рис. 30, а), то резания продукта не произойдет. При движении ножа по нормали к режущей кромке процесс разделения продукта называ­ется рубящее резание (рис. 30, б), а при движении под углом ф к режу­щей кромке имеет место, скользящее резание (рис. 30, в).

Рубящее резание. В процессе рубящего резания лезвие ножа деформи­рует и одновременно уплотняет поверхностный слой продукта, в котором возникают контактные напряжения сжатия, значение которых возраста­ет по мере увеличения силового воздействия ножа на продукт. При до­стижении предельных значений контактных напряжений происходит разрушение (разделение продукта) под режущей кромкой лезвия ножа.

При рубящем резании характер силового взаимодействия между режущим инструментом и продуктом определяется условиями проте­кания процесса резания: либо это рубящее резание со свободным от­гибанием отрезаемой части продукта (слой, ломтик и т. п.), либо это рубящее стесненное резание в случае применения многолезвенного рабочего органа, когда не происходит отгибания отрезанного продук­та и на режущий инструмент оказывается дополнительное силовое воздействие по плоскостям раздела продукта.

В первом случае на нож действуют следующие силы (рис. 31): сила сопротивления перерезанию волокон или стенок клеток продукта Р_>, направленная по нормали к режущей кромке в сторону, противопо­ложную его движению; сила сопротивления отгибанию отрезаемого слоя продукта Р₂, направленная перпендикулярно рабочей грани но­жа; усилие прижатия продукта Р_ъ, направленное перпендикулярно опорной грани ножа; силы трения между рабочей гранью ножа и про­дуктом Г, и между опорной гранью ножа и продуктом Т₂.

Сила сопротивления перереза­ния волокон определяется по фор­муле:

где q — удельное сопротивление продук­та резанию на единицу длины лезвия, Н/м; Ь — ширина отрезаемого слоя продукта, м.

Из курса «Сопротивление мате­риалов» известно, что сила сопро-гивления изгибанию прямоуголь­ной балки с одним заделанным концом зависит от ее жесткости,

которая характеризуется толщиной и шириной ее поперечного сечения, модулем сдвига и величиной угловой деформации.

По аналогии, сила сопротивления отрезаемого слоя отгибанию Р₂ зависит от жесткости ломтика, определяемой формой его поперечно­го сечения, модулем сдвига продукта и поворотом отрезаемого ломти­ка на угол’ а, равный углу заточки ножа.

Тогда угол поворота ломтика определяется из выражения:

где а — угол заточки ножа, рад;

к — коэффициент, зависящий от формы поперечного сечения отрезаемого ломти­ка (для слоя продукта прямоугольной формы к — %)\ G— модуль сдвига, Па; F— площадь поперечного сечения отрезаемого ломтика, м 2 .

где л и b — толщина и ширина отрезаемого ломтика, м.

С учетом формул (95) и (96) выражение для определения Р₂ примет вид:

Усилие прижатия продукта к опорной грани ножа Р_ъ зависит от массы продукта и от способа удержания продукта в процессе резания, который определяется конструкцией резательной машины.

Силы трения Г, и Т₂ между рабочей и опорной гранями соответ­ственно и продуктом направлены вдоль рабочей и опорной граней

противоположно направлению движения ножа и определяются из вы­ражений:

где/— коэффициент трения продукта о рабочую и опорную грани ножа.

Усилие/>_ин, которое необходимо приложить к режущему инстру­менту для осуществления рубящего резания со свободным отгибанием отрезаемого слоя продукта можно определить, спроектировав все си­лы, приложенные к ножу, на направление его движения:

а с учетом выражений (98) и (99) уравнение (100) примет вид:

Рубящее стесненное резание происходит при использовании мно­голезвийных режущих инструментов, когда между параллельными но­жами возникают силовые взаимодействия, отличающиеся от случая со свободным отгибанием отрезаемого слоя продукта.

В этой ситуации на нож действуют следующие силы (рис. 32): сила сопротивления перерезыванию продукта Р_<, силы Р₂, Я₃ и Р₄, возника-

Рис. 32. Схема сил, действующих на нож мри рубящем стес­ненном резании продукта

ющие вследствие деформации сжатия продукта и направленные по нормали соответственно к рабочей, опорной и боковой граням ножа, а также силы трения Г,, Т₂ и Т₃, направленные вдоль рабочей, опор­ной и боковой граней ножа соответственно.

Сила сопротивления перерезыванию продукта P_t определяется из выражения (94). Сила давления продукта на боковую грань Р₄ опре­деляется напряжением сжатия продукта в объеме между ножами, равным:

где 5 — толщина ножа, м;

а — расстояние между ножами, м;

£»— модуль упругости продукта, Па.

Отсюда выражение для Р₄ можно записать:

где F_b = h\b— площадь боковой грани, м ;

h\ — глубина внедрения боковой грани в продукт, м;

b — ширина отрезаемого слоя продукта, м.

Глубина проникновения ножа в продукт Л₃ (рис. 32) определяется выражением:

где Л₂ = 5ctga — длина лезвия ножа, м.

С учетом выражения (104) формула для определения Р₄ примет вид:

где /р — длина рабочей грани ножа, м (/р = 5/sina).

Сила давления Р₂ на рабочую грань ножа в процессе резания оп­ределяется средним значением напряжения сжатия в продукте в зоне лезвия, равном а/2 (напряжение изменяется по линейному закону от 0 до а) и площадью рабочей грани ножа F_p. Принимая во внимание уравнение (102), формулу для определения Р₂ можно за­писать:

рСила давления продукта Р₃ на опорную грань ножа можно предста­вить как сумму двух составляющих:

где Ру —сила, действующая на часть опорной грани ножа на длине Л,, Н;

Р_у« — сила, действующая на часть опорной грани ножа на длине Л₂, Н (рис. 32).

Очевидно, что Р< = Р₄, а Р<' = /^cosa. Отсюда выражение для Р₃ примет вид:

И, наконец, силы трения, возникающие между продуктом и обра-ующими поверхностями ножей в процессе стесненного резания оп->еделяются по формулам:

Суммарное усилие Р_т, которое необходимо приложить к режуще­му инструменту для осуществления рубящего стесненного резания без учета дополнительных сил, обусловленных скоростью движения ножа и его конструктивных особенностей (угол заточки), можно опреде­лить, спроектировав все рассмотренные силы, приложенные к ножу, на направление его движения:

После подстановки значений соответствующих величин и не­скольких преобразований получим:

При значениях/=0,2. 0,6, a =15. 25° и 5>5 третьим членом в уравнении (113) можно пренебречь и оно примет вид:

Скользящее резание. При скользящем резании (рис. 30, в) нож одно­временно перемещается относительно продукта в двух направлениях: перпендикулярно к режущей кромке — при этом происходит его проник-

новение в толщу продукта, и вдоль режущей кромки — при этом проис­ходит перепиливание микрозубчиками лезвия волокон и стенок клеток продукта. Скорость резания v_p в любой точке лезвия ножа может быть представлена векторной суммой двух скоростей: v_n, направленной по нормали к режущей кромке, и v_T, направленной по касательной к ней, а абсолютная величина скорости резания v_p определяется из выражения:

Угол Р между нормалью к режущей кромке и скоростью резания v_p называется углом скольжения, а его тангенс — коэффициентом сколь­жения Ар, который численно равен:

Область существования значений коэффициента скольжения А_р ле­жит в пределах от 0 до . При А_р = 0 (скорость движения ножа перпенди­кулярно режущей кромке v_T = 0) имеет место рубящее резание; при Ар = оо (скорость движения вдоль режущей кромки v„ = 0) происходит скольже­ние ножа вдоль продукта без разрезания его. При увеличении коэффици­ента скольжения (А_р>0) осуществляется скользящее резание, которое характеризуется двумя основными преимуществами по сравнению с ру­бящим резанием: улучшением качества нарезанного продукта и сниже­нием усилия резания, которые тесно связаны между собой.

Качество процесса резания продукта определяется требованиями чистоты и ровности поверхности среза, а также степенью деформиро­вания продукта под действием усилия, прилагаемого к режущему инструменту. Гладкая и ровная поверхность среза обеспечивается, как уже отмечалось, наличием микрозубцов на режущей кромке лезвия ножа, каждый из которых в процессе скользящего резания перепили­вает волокна и стенки клеток продукта на очень малых площадях кон­такта. Суммарная длина микрозубцов, одновременно участвующих в разрезании, меньше длины режущей кромки лезвия ножа, и называет­ся эффективной длиной режущей кромки лезвия (рис. 33). Один /-ый зубец части лезвия длиной b врезается в продукт на участке длиной а-_г Силу сопротивления разрезанию продукта микрозубцом Р_х можно за­писать в виде Р_х = qa_x. Тогда сила сопротивления разрезанию продукта частью лезвия ножа длиной b будет равна:

Рис.33. Схема определения эффективной длины лезвия

Из выражения (117) видно, что при скользящем резании сила со­противления перерезанию волокон и стенок клеток продукта Р\ уменьшается с увеличением угла скольжения р (при рубящем резании Pi=qb).

Сила сопротивления отгибанию ломтика Р₂ направлена перпенди­кулярно рабочей грани ножа, а ее проекция на нормаль к режущей кромке равна P₂s\na (формула (100)). При скользящем резании под углом скольжения р проекция силы Р₂ на направление движения ножа будет равна /^sinacosp.

Суммарные значения силы трения Т= Г, + Т₂, приложенные к ре­жущему инструменту (Г, — по рабочей грани, Т₂ — по опорной грани ножа), практически не зависят от коэффициента скольжения К^.

Результирующее усилие Р_ин, которое необходимо приложить к режущему инструменту при скользящем резании со свободным от­гибанием отрезаемой части продукта (слоя, ломтика), можно оп­ределить, спроектировав все силы, приложенные к ножу, на на­правление его движения (скорости резания), которое образует с нормалью к режущей кромке ножа угол, равный углу скольжения р (рис. 30, в):

Значения Р_х и Р₂ определяются из выражений (117) и (97), а значе­ния Т\\\Т₂ — из формул (98) и (99).

Таким образом, при скользящем резании с увеличением коэффи­циента скольжения К$ величина общего усилия, действующего на ре­жущий инструмент, уменьшается, что, в свою очередь, снижает сте­пень деформирования продукта при нарезании и способствует более высокому качеству процесса резания.

Источник