CC BY
69
В третьем случае вычисление Цкро из условия равенства центров тяжести опытного и вычисляемого по уравнению (15 или 16) исключено ввиду невозможности представления центра тяжести кроны овальной формы с переменной по ее длине плотностью формулой не содержащей интегралов.
По приведенным выше формулам (12 из [3] и 15) для крон овальной формы основных древесных пород и значениях коэффициентов, приведенных выше, вычислим, но при увеличении интервалов до — 0,2 ... 0,65 - сосна, к1 = 0,3 ... 0,65 - береза и^ = 0,25 ... 0,65 - осина, насколько отличается центр тяжести с постоянной от центра тяжести с переменной плотностями в процентах.
Из рис. 5 видим, что на несовпадение центров тяжести оказывают влияние отношение длины кроны к длине ствола (&Д практически линейная зависимость и коэффициент асимметрии (ка), существенно нелинейное влияние. Эти данные 1,2 ... 8,7, 10,2 ... 17,1, 1,2 ... 5,5, 0,9 ... 4,8% хорошо согласуются с опытами [1] для рассматриваемых пород деревьев, в которых несовпа-
дение центров тяжести кроны сосны, ели, березы и осины с постоянной и переменной плотностями без указания на профиль формы кроны установлены в 7,6, 17,5, 4,9, 4,1 % соответственно.
Полученные результаты подтверждают достоверность формул для вычисления центра тяжести кроны и зависимостей для переменной по длине кроны плотности древесины, как для кроны с резким переходом от ствола к кроне, так и для кроны овальной формы.
Литература
1. Закревский П.Б. Влияние изменения плотности ствола и кроны по высоте на положение центра тяжести и момент инерции дерева. //Механизация лесосечных работ/ Тр. ЦНИИМЭ. - Химки, 1974. -С. 70-73.
2. Иванов Г.А. Уравнения образующей профиля кроны и дерева в целом // Лесной вестник. - 2000.
- № 6.
3. Иванов Г.А. Центр тяжести предмета труда при равномерной плотности на лесозаготовках // Лесной вестник. - 2000. - № 4.
ОБРАЗОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТИ РАСПИЛА ПРИ ПИЛЕНИИ ДРЕВЕСИНЫ, ДРЕВЕСНЫХ МАТЕРИАЛОВ И СПОСОБЫ ЕЕ
УЛУЧШЕНИЯ
Н.К. ЯКУНИН, заслуженный работник лесной Почетный академик РАЕН, ветеран ВОВ
Известно, что при пилении поверхность распила образуется зубьями пилы, а удаление опилок между зубной впадиной. Это подтвердит любой работник лесного комплекса и обыватель. Тем не менее физика процесса образования этой поверхности, явления, возникающие в древесине, и удаление опилок из пропила изучены далеко недостаточно. Об этом свидетельствуют появляющиеся публикации с различными взглядами на этот процесс.
промышленности,
При осмотре поверхностей распила, кромок и торцев (на входе и выходе пилы из пропила) не трудно видеть на них различные неровности в виде шероховатости, глубокие вырывы волокон, риски от отдельных зубьев, волнистость, а на кромках досок (в зоне выхода пилы из пропила) отрывы волокон и крупные сколы древесины или древесных материалов, приводящие к браку.
Для разработки мероприятий, обеспечивающих получение качественной поверхности, необходимо знать те явления, ко-
торые возникают при взаимодействии резца (зубьев пилы) с древесиной, каким образом и какими элементами зубьев пилы происходит образование поверхности распила, как удаляются опилки из пропила, а также как влияют на качество поверхности скорость резания, подача на зуб, кинематический угол встречи, углы резания и т.д.
Для того, чтобы лучше понять процесс формирования поверхности распила при пилении различными пилами, необходимо проследить процесс воздействия резца на распиливаемую древесину или древесные материалы. Принципиальную картину этого воздействия можно видеть из рентгеновских снимков, сделанных профессором А.Л. Бершадским еще в 30-е гг. На рентгеновских снимках было показано торцовое резание при углах резания 8 = 90-75-45 °; попереч-
ное резание - при 5 = 45 °; продольное резание - при 5 = 45 °. При всех углах резания продвижение резца вперед создает в древесине сперва снятие волокон, затем их расслоение в толще материала (образование торцовых трещин за счет остаточных деформаций в древесине), а затем отделение срезаемой стружки. При 5 = 90 ° и толщине стружки 1,5 мм расслоение волокон наступает быстрее, чем при 5 = 45 ° и толщине стружки 1,0 мм.
На схемах рентгеновских снимков работают короткие режущие кромки зубьев рамных, ленточных (рис. 1) пил (для продольной распиловки рис. 2), боковые режущие кромки круглых пил для поперечной распиловки (рис. 3).
Рис. 1. Схема работы зубьев рамных и ленточных пил в пропиле: 1 - короткая режущая кромка; 2 -боковая режущая кромка; 3 - опережающая трещина на поверхности материала при входе зубьев пилы в пропил; 4 - отщеп при выходе зубьев пилы из пропила; 5 - опережающая
трещина перед выходом зубьев пилы из пропила; Рэ - сила резания; Р, - горизонтальная
составляющая силы резания; Рк - вертикальная составляющая силы резания; Ау - величина смятия древесины
Рис. 2. Схема воздействия зуба пилы в древесине при продольном пилении: U- направление подачи, и - направление скорости резания, Qmin - наименьший кинематический угол встречи (на входе пилы в пропил), Qmax - наибольший кинематический угол встречи (на выходе зуба пилы из пропила), Ри = const сила резания, Pt - горизонтальная составляющая силы резания, 1,2, 3,4 - зубья пилы, Лу - величина смещения (смятия) слоя древесины под воздействием режущей кромки зуба пилы
В случае поперечного резания при воздействии резца на древесину (при его продвижении и углублении) происходит сперва уплотнение волокон, затем их скалывание с одновременным отделением стружки. Скалывание древесины по волокнам образует различные неровности, уходящие в толщу древесины.
По этой схеме работают фанерострогальные ножи, боковые режущие кромки зубьев рамных, ленточных и круглых пил для продольной распиловки. В случае продольного резания воздействие резца на древесину происходит следующим образом: продвижение резца вызывает врезание его в древесину, образование трещины впереди резца (опере-
жающая трещина), затем приближение резца к основанию трещины, его новое внедрение в древесину, следующее возникновение опережающей трещины и т.д. Эти циклы повторяются. По этой схеме работают ножи ручных рубанков, шерхебелей, фуганков и других инструментов, где резец или нож совершают движение вдоль волокон.
В 60 - 70-е гг. к.т.н. Е.Г. Ивановский (ЛТА) произвел скоростную киносъемку процессов пиления и фрезерования. Просмотр этого фильма показал, что остаточные деформации, возникающие в древесине при пилении и фрезеровании, аналогичны рассмотренным ранее схемам.
Рис. 3. Схема воздействия зубьев пилы на древесину при поперечном пилении: а - зубья пилы в пропиле, б - выход пилы из пропила, в - воздействие боковой режущей кромки на волокна древесины, 1 - зуб пилы, 2 - боковые режущие кромки, 3 - смятые слои древесины под действием боковой режущей кромки, 4 - разораванный нижний слой древесины на выходе пилы из пропила
В работе [9] автор обратил внимание на наличие вырывов волокон и отщепы, образующиеся на выходе зубьев пилы из пропила. При разных выступах пилы из пропила они были разные. Этой работой было установлено, что на чистоту поверхности распила (при хорошо подготовленной пиле) оказывает влияние только толщина срезаемой стружки, которая при постоянном кинематическом угле встречи определяется величиной подачи на зуб. Чем больше толщина срезаемой стружки, тем поверхность распила хуже, и, наоборот, с уменьшением толщины стружки чистота поверхности распила улучшается.
При этом ни скорость резания, ни высота пропила (толщина распиливаемого ма-
териала) при прочих равных условиях не оказывают влияния на чистоту поверхности.
На рис. 2 и 3 показаны схемы действия зубьев круглой пилы при продольном и поперечном пилении древесины. Из рисунков видно, что короткие режущие кроУки, входя в пропил, осуществляют резание, близкое к продольному (рис. 2, зубья 4, 3), примерно в середине толщины материала резание приближается к продольноторцовому (рис. 2, зуб 2), а при выходе из пропила резание, близкое к торцовому (рис.
2, зуб 1).
Деформацию распиливаемого материала и образование стружки осуществляют, главным образом, их короткие режущие кромки.
При входе в пропил зубья пилы оказывают своей короткой режущей кромкой и передней поверхностью давление на древесину. В результате в ней происходит сперва уплотнение (смятие), затем расслоение, срезание, отрыв стружки и ее удаление из пропила (рис. 1, 2, зубья 1 - 4). При уплотнении на поверхности древесины и в пропиле, по мере продвижения зубьев, у их боковых режущих кромок возникают опережающие торцовые трещины 3 (рис. 1, а), аёй'а' (рис.
1), уходящие впереди зуба в толщу материала. На выходе зубьев из пропила возникает отщеп 4, который хорошо виден на рис. 1,2.
При образовании опережающих трещин зуб пилы, уплотняя древесину, одновременно осуществляет ее сдвиг на величину Ду (рис. 1) относительно остальной древесной массы, расположенной сбоку от действия короткой режущей кромки. Разрушение древесины здесь происходит по наиболее слабым связям между волокнами (хаотично). Очередной зуб, входя в пропил, соприкасается не с цельной древесиной, а с древесиной, деформированной предыдущим зубом, но он также вначале уплотняет древесину, за счет этого опережающая трещина углубляется, а затем происходит отрыв волокон, срезание стружки и ее удаление. В этих случаях стружка образуется смятием. Из рис. 1, 2 видно, что от действия короткой режущей кромки деформация древесины распространяется как навстречу подаче, (в направлении волокон) изгиб, а затем отрыв волокон, так и в плоскости, перпендикулярной к волокнам (к направлению подачи), где происходит отрыв срезаемых волокон от остальной древесины и за счет этого возникает поверхность распила. При этом ненаправленный отрыв волокон с боков от короткой режущей кромки распространяется на глубину опережающих трещин. В результате этого боковые кромки зубьев пил по существу срезают только те неровности, которые возникли от разрыва волокон и соприкасаются с зубьями пилы.
Для выявления характера воздействия зубьев пил на древесину при продольном
пилении автором были поставлены специальные опыты. Был взят пильный диск диаметром 500 мм, у которого все зубья срезали на токарном станке. После этого на пиле сделали два, рядом расположенных (и разведенных), зуба, кончики которых выступали за пределы гладкой окружности диска на 2,0- 1,0- 0,5 мм. Таким образом, подача на зуб определялась самой конструкцией пилы. Оба зуба пилы имели передний угол у = 30 °, угол заострения р = 40 ° и задний угол а = 20 °. Этой пилой осуществлялось резание досок толщиной 60 и 30 мм с попутной и встречной подачей при постоянном наибольшем кинематическом угле встречи ©тах = 61 0 и скоростях резания 5 - 10 и 80 м/сек. Распиливаемая заготовка прижималась к вращающемуся пильному диску и после того, когда пропил распространялся на всю толщину, доска отодвигалась назад. Затем в образовавшийся пропил наливались чернила, разведенные на спирте (для лучшего проникновения в древесину). Все сравниваемые опыты проводились на одной доске без дефектов. Затем для вскрытия дна пропила одна пласть сострагивалась на фуговальном станке. Толщина сострагиваемой стружки не превышала 0,07 - ОД мм. Чернила, проникшие в трещины и другие деформированные участки, хорошо проявляли места и глубину разрушения связи между волокнами как у дна пропила, так и на образовавшейся поверхности распила. Было обнаружено, что в направлении волокон чернила проникали на глубину: при IIг = 0,5 мм до 2,5 мм, а при иг = 2,0 мм до 5 - 8 мм. На выходе зубьев пилы из пропила имелись от-щепы глубиной соответственно 1,0- 1,5 мм до 5,5 мм и длиной от 1,5 мм до 6,5 - 7,0 мм. В поперечном направлении разрыв между волокнами проникал на глубину соответственно от 0,4 - 0,6 мм до 0,8 - 1,2 мм, отщепы достигали ширины 5-6 мм. Было обнаружено, что при входе зубьев в пропил частота трещин, в которые проникли чернила была выше, чем при выходе зубьев из пропила, а глубина их проникновения наоборот при
входе в пропил была меньше, чем при выходе из пропила.
При этом на попутной подаче глубина распространения опережающих трещин и разрывов волокон были примерно на 50 % меньше, чем при встречной подаче. Описанный опыт подтвердил, что работа зубьев пилы в пропиле и разрушения, которые возникают в ней под действием короткой режущей кромки зуба, происходят по схеме рис.
1 — 3. Опытами было установлено, что на чистоту поверхности распила оказывает влияние и угол резания. Для выявления характера его влияния на глубину неровностей автором был поставлен специальный опыт, условия проведения которого и полученные результаты приведены в табл. 1. При каждом угле резания было 20 наблюдений на 20 образцах одних и тех же досок.
Глубина неровностей от среза древесины определялась методом теневого сечения (прибором ТСП-2), на отобранных образцах рисок от зубьев не было.
Из данных табл. 1 видно, что при уменьшении угла резания с 75 ° до 45 ° (на 30 ° или 40 %) глубина неровностей умень-
шилась на 0,19 мм или на 20 %. Однако, при угле резания 8=45оиа = 10° кончик зуба имеет недостаточную прочность, из-за чего быстро наступает его затупление.
В 1969 г. Б.Б. Миндели [11] для выявления процесса образования поверхности распила (при продольном пилении древесины сосны круглыми пилами) поставил еще один интересный опыт. Он замерял (согласно ГОСТ 7016-54) глубину неровностей вдоль пути перемещения зуба пилы в пропиле. При и = 0,25 - 0,477 - 1,0- 30 м/сек II2 = 0,27 - 0,54 - 1,08 мм и 5 = 50 °- 60 °- 70 ° определялась чистота поверхности распила и глубина распространения остаточных деформаций впереди и в стороны от короткой режущей кромки с помощью скоростной кино- и фотосъемки и с применением метода вскрытого пропила.
При и = 0,477-1,0 м/сек, IIг — 0,54— 1,09 мм, 8 = 50 °-60 °-70 °, Н = 80 мм, 0 = 71 ° - киносъемка; при и = 30 м/сек, V2 =
0,25 мм - фотосъемка.
Таблица 1
Глубина неровностей в зависимости от угла резания
Условия опыта: Д= 500 мм, 2= 36 мм, Н= 40 мм, 0 = 61 °, и = 80 м/сек, С/ = 100 м/мин, а
= 10 °, и2 = 0,9 мм
Угол резания 75 ° 65 ° 60° 55 ° 50° 45 °
Глубина неровностей 0,94 0,887 0,836 0,84 0,80 0,77
Рис. 4. Дно пропила при поперечном пилении: авс- клин от зубьев, имеющих косую заточку по передней и задней поверхности зубьев пил, Q - силы сопротивления резанию, а - дно пропила при отсутствии скалывающего зуба на пиле, в - дно пропила при отсутствии скаывающего зуба на пиле, авссі - остаток клина, оставшийся после срезания его скалывающим зубом
Одновременно при определении чистоты поверхности в одних и тех же точках он измерял глубину неровностей строго в радиальном направлении (относительно рисок) полагая, что этот замер может дать истинную глубину неровностей в случае наличия только рисок или какую-то другую глубину неровностей, величина которых будет меньше, чем глубина самих рисок.
Обозначив глубину неровностей через Я, тах, а результаты замеров в радиальном направлении через Нг гаах, он в качестве критерия взял их отношение.
ТТ
т~» t ПТаХ 1
Если -------> I, то это означает, что
и
г тах
стенки пропила образуются за счет скалывания древесины и возникновения опережающих трещин от действия передней грани и короткой режущей кромки.
я....
I, то это означает, что
Если
( тах
н.
на поверхности остаются только чистые риски, и стенки пропила формируются путем надрезания древесины боковыми режущими кромками зубьев пилы.
Эти опыты позволили ему сделать следующие выводы:
1) по направлению продвижения зуба чистота поверхности распила ухудшается;
2) высота пропила в диапазоне Н = 20
- 80 мм практически не оказывает влияния на чистоту поверхности распила;
3) скорость резания в диапазоне опытов и = 0,477 - 89,0 м/сек и подачах на зуб
II г = 0,27 - 0,54 мм не влияет на чистоту поверхностей распила;
4) при подачах на зуб менее 0,2 мм (и2 <0,2 мм) изменение угла резания почти не оказывает влияния на чистоту поверхностей распила. При подачах на зуб (иг > 0,27 мм) увеличение угла резания от 5 = 50 ° до 5 = 70 ° вызывает ухудшение чистоты поверхностей распила. Это полностью подтверждает выводы, сделанные в работе [9] в
1953 г. Здесь происходит не перерезание, а разрыв волокон.
Результаты этих опытов показали, что до подачи на зуб 0,2 мм при всех углах резания, а также в большинстве случаев при иг = 0,27 мм (толщина стружки е = 0,26 мм)
н
и 8 = 50 ° —= 1. Это говорит о том, что
^г шах
чистота поверхности распила определяется глубиной рисок и боковые режущие кромки осуществляют резание древесины по плоскостям стенок пропила.
При увеличении и2 > 0,27 мм и 8 > 50 ° происходит ухудшение чистоты по-
н,
верхности распила и
> 1. Это говорит
о том, что поверхность распила образуется за счет скалывания древесины передней гранью, а слой древесины, находящийся впереди короткой режущей кромки, деформируется при врезании зуба пилы в древесину. При этом около короткой режущей кромки возникают продольные напряжения древесины на растяжение поперек волокон, вызывая расслоение древесины по волокнам.
Опережающие трещины по длине всегда больше средней толптины стружки, они достигают 7-8 мм и пронизывают срезаемый слой по всей его толщине. Все это свидетельствует о том, что боковые режущие кромки первостепенной роли в процессе резания не играют.
После распиловки заготовки обычно подвергаются стружке. При этом толщина сострагиваемого слоя определяется наибольшей глубиной неровностей, возникших на поверхностях при выходе зубьев пил из пропила (если нет каких-либо иных дефектов распиловки). В связи с этим, необходимо знать глубину распространения опережающих трещин при различных подачах на зуб. Исследованиями было установлено, что при различных подачах на зуб глубина распространения опережающих трещин и длина от-щепов на выходе зубьев пилы из пропила колеблются в широких пределах (табл. 2).
Таблица 2
Глубина отщепа на выходе пилы из пропила при различных подачах на зуб
Условия опыта: Д= 500 мм, = 80 м/сек, и — 110 м/мин, у = 30 °, р = 40 °, а = 20 °, © = 61 °, Я= 40 мм, 2 = 64-50-44-40-36-30-20-16 шт,
V2 = 0,56-0,72-0,82-0,9-1,0-1,2-1,8-2,24
Подача на зуб, мм 0,2 0,56 0,72 0,82 0,90 1,0 1,2 1,5 1,8 2,25
Длина отщепа на выходе из пропила, мм 0,6 1,75 2,25 2,6 2,85 3,2 3,5 4,2 4,8 5,5
Таблица 3
Зависимость шероховатости (чистоты) поверхности распила от величины подачи на
зуб
№ п/п Название показателя Показатели чистоты поверхности распила при подачах на зуб
0,5 1,0 1,5 2,0 2,5
1 Высота максимальных неровностей на по- 0,48 0,56 0,71 0,75 0,99
верхностях распила (пластях досок), мм
2 Глубина опережающих трещин на дне пропила, мм 1,75 3,25 4,5 6,0 7,0
3 Толщина слоя, ослабленного трещинами на боко- 0,59 0,93 1,32 1,45 1,64
вых поверхностях пропила, мм
4 Класс чистоты поверхности по ГОСТу 7016-54 4 3 3 3 2
Таблица 4
Чистота поверхности пропила в зависимости от подачи на зуб при разных высотах
пропила
Высота пропила, мм Величина посылки, мм Подача на зуб и, мм Средняя величина неровности, мм Наибольшие неровности на участках больших подач, мм Шероховатость поверхности по ГОСТу 7016-75 Толщина слоя, ослабленного трещинами на боковых поверхностях распила, мм
средняя наиболь- шая по средней подаче на зуб по фактической подаче на зуб в начале и конце рабочего хода по средней подаче на зуб по фактической подаче на зуб в начале и конце рабочего хода-
100 24 2,6 4,9 1,0 1,4 1 За пределами 1,7 2,0
ГОСТа
200 15 1,6 3,1 0,7 1,1 2 » 1,3 1,7
400 7,5 0,8 1,5 0,53 0,71 3 1 0,8 1,3
Изложенное выше дает основание считать доказанным, что при продольном пилении древесины круглыми пилами поверхность распила формируется боковыми опережающими трещинами, возникающими с боков от действия короткой режущей кромки и передней грани зубьев пилы.
На рис. 1 показана схема действия зубьев рамных и ленточных пил в древесине. Из рис. 1 видно, что короткая режущая кромка 1 здесь также расположена перпендикулярно к направлению волокон и осуществляет торцовое резание. При входе в пропил она оказывает давление на древесину перпендикулярно к волокнам. В результате в ней происходит вначале ее уплотнение (смятие), а затем срезание, отрыв стружки и ее удаление. При уплотнении на поверхности и в пропиле по мере продвижения зубьев пилы около боковых режущих кромок возникают опережающие торцовые трещины, распространяющиеся вдоль волокон сперва 3, затем 5, уходящие в толщу материала, на выходе зубьев из пропила возникает отщеп 4.
В 1970 г. к.т.н. В.Ф. Фонкин в своей работе [12] приводит экспериментальные данные, показывающие зависимость между глубиной опережающих трещин, чистотой поверхности распила и величиной подачи на зуб. Частично они приведены в табл. 3,4.
Из табл. 3 видно, что с увеличением подачи на зуб увеличиваются как глубина проникновения опережающих трещин, так и высота максимальных неровностей на поверхностях распила и толщина слоя, ослабленного трещинами на пластях досок.
Из рис. 1 видно, что при продольном пилении древесины рамными, ленточными и круглыми (рис. 2) пилами при е = 0,26 мм (II2 = 0,27 мм) вместо срезания стружки боковыми кромками.
Из данных табл. 4 видно, что с увеличением высоты пропила уменьшилась величина подачи на зуб с 2,6 мм до 0,8 мм (почти в 3 раза), в результате глубина неровностей снизилась с 1,0 мм до 0,53 мм
(почти в 2 раза), а толщина слоя, ослабленного трещинами, с 1,7 мм до 0,8 мм (в 2,1 раза).
Опытами было установлено, что глубина неровностей и величина опережающей трещины зависят еще от угла резания и остроты зубьев пил. С увеличением угла резания и затупления глубина опережающих трещин увеличивается и, наоборот, с • их уменьшением глубина неровностей уменьшается.
Из сказанного выше видно, что при продольном пилении древесины рамными ленточными и круглыми пилами (рис. 2) при е =
0,26 мм (II г = 0,27 мм) вместо срезания стружки боковыми кромками зуб пилы осуществляет скалывание ее под давлением короткой режущей кромки, а у круглых пил еще и передней грани. Срезаемый слой древесины, расположенный впереди короткой режущей кромки, при врезании зуба пилы в древесину деформируется и сильно уплотняется. Около короткой режущей кромки в древесине возникают предельные напряжения на растяжение поперек волокон, которые вызывают ненаправленное разрушение связи между волокнами, образование остаточных деформаций опережающих трещин. Длина этих трещин всегда больше толщины срезаемой стружки и в зависимости от ее толщины достигает 6-10 мм.
В результате этих остаточных деформаций слой древесины, подлежащий срезанию или полностью теряет связь со стенками пропила, или же эта связь настолько ослабляется, что при незначительном воздействии на него зуба пилы она полностью утрачивается.
Поэтому при е = 0,26 мм в момент прохождения очередного зуба пилы волокна при острых зубьях перерезаются (радиус закругления лезвия короткой режущей кромки р = 0,02 мм), осуществляя одновременно углубление опережающей трещины. Когда зубья затуплены (р > 0,02 мм), волокна древесины под воздействием зубьев пил сминаются, изгибаются, отламываются, вырываются и частично перерезаются
с одновременным образованием и более значительным углублением опережающих торцовых трещин.
Этот процесс, впервые обнаруженный автором в работах [9, 10] в 1953 г., был подтвержден работой Б.Б. Миндели [11] в 1969 г. с применением скоростной киносъемки.
Аналогичные явления обнаружены были к.т.н. В.Ф. Фомкиным при пилении древесины рамными пилами.
Скорость распространения остаточных деформаций и опережающих трещин в древесине очень большая и зависит как от ее прочностных показателей, так и от толщины срезаемой стружки.
Используя теоретические выводы по резанию древесины и зависимости д.т.н. С.А. Воскресенского [27], базирующиеся на прочностных и упругих характеристиках древесины, и работу к.т.н. H.A. Кряжева [28], можно определить скорость, необходимую для срезания стружки без образования остаточных деформаций и опережающих трещин по формуле
еа, ,есх 103
—1 -------, (1)
ЗуансоБ5
где е - толщина стружки в мм; Стц - предел прочность древесины при изгибе вдоль волокон, кг/мм2 (для сосны Стц = 7,9 кг/мм2);
сгн - предел прочности древесины при растяжении поперек волокон, кг/мм2 (для сосны аи =0,19 кг/мм ); § - ускорение силы тяжести, равное 9,81 м/с2; с - коэффициент упругости древесины (для сосны с = 1,4 кг/мм3); у - объемный вес (для сосны у = 0,51
л
г/см ); 5 - угол резания (градус).
Подставляя конкретные значения в формулу (1), получили необходимые скорости резания для различных толщин стружек
» = ^[7^006=866^.
Результаты расчета приведены ниже:
е, мм и, м/с
0,1 274
0,2 386
0,4 550
0,6 670
0,8 770
1,0 860
1,2 950
1,4 1020
1,6 1100
1,8 1160
2,0 1220
3,0 1500
4,0 1720
5,0 1930
6,0 2120
7,0 2300
8,0 2450
Из этих данных видно, что скорость распространения остаточных деформаций весьма значительная и в современных условиях нет технических средств, позволяющих опередить их распространение в материале. С этим необходимо считаться и учитывать в практической работе. Технически осуществимая наибольшая скорость резания ничего не дает, кроме преждевременного износа Подшипников и ухудшения динамической устойчивости пильных дисков.
На рис. 3, 4 показана схема работы зубьев пилы при поперечной распиловке. Здесь торцовая поверхность распила образуется боковой режущей кромкой (с косой заточкой), которая, осуществляя смятие (уплотнение) древесины, одновременно создает разрыв между волокнами, распространяющийся как вдоль, так и поперек волокон, и их перерезание.
В этом случае очередной зуб в направлении вращения пилы (при врезании) срезает цельную древесину, а навстречу подаче он срезает уже деформированную древесину. Глубина опережающих трещин зависит от толщины срезаемой стружки, углов резания и остроты зубьев. В направлении волокон она в 6-10 раз, а навстречу подаче поперек волокон в 2,0- 3,0 раза больше толщины срезаемой стружки.
На поверхности распила (торце доски), образуемой боковой режущей кромкой имеется множество всевозможных остаточных деформаций (торцовых трещин, выры-вов волокон) различных размеров.
В отличие от пил продольной распиловки здесь на дне пропила образуется клин а, Ь, с (рис. 4), который возникает от короткой режущей кромки за счет наличия у зубьев косой заточки. Этот клин оказывает сопротивление резанию, способствует уводу зубьев пилы в сторону и периодически отрывается короткой режущей кромкой при пилении.
Опытами к.т.н. П.П. Есипова [13], проведенными на специальной экспериментальной установке и проверенных на сосне, на предприятиях г. Архангельска установле-
но, что на торцах пиломатериалов и заготовок при тщательной подготовке пилы и острых режущих зубьях большое значение имеют неровности разрушения древесины при ее срезании зубьями пилы. Эти разрушения проявляются в виде вырывов волокон, главным образом, ранней древесины, имеющей более слабые механические свойства. При больших подачах на зуб, больших контурных углах резания и чрезмерном затуплении зубьев эти разрушения, вырывы волокон и торцовые отщепы на выходе зубьев пилы из пропила увеличиваются. Это можно видеть из данных табл. 5, 6. Опыты показали, что с увеличением затупления зубьев глубина неровностей на торцовых срезах увеличивается.
Таблица 5
Средние арифметические неровности на торцовых срезах при разных контурных углах и подачах на зуб
Угол Угол Неровности в микромах при подаче на зуб
косой заточки резания 0,028 0,084 0,140 0,196
125 942 953 961 1118
СП 110 950 841 1017 1187
ОІ) 95 800 946 1032 1178
80 762 804 1003 1148 •
125 763 838 904 866
к\ 110 712 770 731 922
/и 95 581 680 853 981
80 591 680 748 962
125 550 591 690 892
ои 110 603 721 560 790
125 333 400 481 528
40 110 450 448 501 702
95 330 430 544 670
Таблица 6
Глубина неровностей в зависимости от продолжительности работы пилы
Условия опыта: Д = 600 мм, ъ = 90 шт., и = 50 м/с, С/г = 0,084 мм, 5 = 60 °С
Показатели пиления Дефекты распиловки при продолжительности пиления, мин.
0 5 15 30 60 120 180
Длина распила, м Глубина неровностей, микроны Наличие ворсистости Наличие мшистости Наличие боковых отщепов Начало пиления 352 Незнач 60 413 ительны 180 412 Отс Отс е заусенць 360 464 утствует утствует л на выхо; 720 537 іе зубьев 1440 512 из пропила 2160 574
Рис. 5. Схема пиления древесины ленточной пилой вдоль волокон с поперечной подачей заготовки на пилу: а - положение пилы и заготовки, б - пила в пропиле, 1 - короткая режущая кромка зубьев пилы, 2 - боковые кромки пилы, 3 - ленточная пила, 4 - шкивы ленточно-пильного станка, 5 - направление пропила при подаче заготовки (бревна) на пилу, 6 - повороты (кантование) бревна перед очередным пропилом
Данные табл. 5, 6 подтверждают, что образование поверхности распила идет согласно схемы рис. 3.
На рис. 5 показано пиление древесины вдоль волокон с подачей заготовки (бревна) поперек волокон. Здесь короткая и боковые режущие кромки осуществляют резание вдоль волокон. При этом опережающие трещины распространяются в направлении движения зубьев пилы. Отклонение опережающих трещин от направления волокон здесь может возникнуть только в тех случаях, где зубья пил проходят через сучки, косослой или свилеватые участки, то есть там, где направление волокон не совпадает с направлением резания. Однако на практике этого не происходит, поскольку подачи на зуб малы и обычно не превышают 0,2 -
0,5 мм. При этом ни короткая, ни боковые режущие кромки не вызывают значительных остаточных деформаций древесины в зоне действия режущих кромок зуба и поверхность распила получается чистой, почти строганной.
На основании вышеизложенного можно сделать некоторые общие выводы для приведенных случаев пиления древесины:
1. При пилении острыми пилами, малых трещинах срезаемой стружки е < 0,2 мм и подачах на зуб менее 0,3 мм {II2 < 0,3 мм) поверхность распила образуется преимущественно боковыми режущими кромками (зубья пил считаются острыми, если радиус закругления режущей кромки «р« не превышают 0,02 мм (р < 0,02 мм).
2. При продольном пилении и и2 > 0,3 мм (е > 0,27 мм) поверхность распила формулируется опережающими трещинами в толще материала, возникающими от действия короткой режущей кромки и вертикальной составляющей силы резания. Распространение опережающих трещин в материале происходит хаотично по наиболее слабым связям между волокнами (рис. 2) с весьма высокими скоростями.
3. Поверхность распила при поперечной распиловке образуется боковой режущей кромкой зубьев пил, которые создают на торцах досок разрывы между волокнами, их излом и перерезание. Образование неровностей происходит, главным образом, за счет разрушения ранней древесины, имеющей более слабые механические свойства.
4. Глубина опережающих трещин и разрывов волокон увеличивается при увеличении толщины срезаемой стружки (кинематического угла встречи и подачи на зуб), угла резания и затупления коротких режущих кромок у зубьев пил продольной распиловки и боковых режущих кромок у зубьев пил поперечной распиловки.
5. При пилении древесины круглыми пилами (со встречной подачей) глубина распространения опережающих трещин и разрывов волокон при входе зубьев в пропил меньше, а при выходе из пропила они больше за счет увеличения вертикальной составляющей силы резания, направленной вниз (рис. 2).
6. Во всех приведенных случаях пиления на выходе зубьев пилы из пропила возникают заусенцы, разрывы волокон и отщепы, размеры которых увеличиваются с увеличением толщины срезаемой стружки, углов резания и затупления зубьев (они увеличивают вертикальную составляющую).
7. При продольном и поперечном пилении наиболее глубокие неровности образуются на выходе зубьев пилы из пропила, где возникают отщепы различных размеров, определяющие в конечном счете класс шероховатости по ГОСТ 7016-68 (рис. 2).
При этом было обнаружено, что величина отщепов во всех приведенных случаях продольного пиления при одинаковых толщинах стружки почти одинакова и обычно становится недопустимо большой при работе острыми пилами (радиус закругления кончиков зубьев р < 0,02 мм) с толщиной стружки, срезаемой одним плющенным (или твердосплавным зубом) более 2,0 мм.
При поперечном пилении величина отщепов становится недопустимой для пиломатериалов при работе острыми пилами с подачей на зуб более 0,2 мм, а для столярных работ более 0,07 мм.
Из всего этого следует, что необходимо разработать соответствующие методы и технические средства, способные эффективно влиять как на глубину распространения опережающих трещин, так и на уменьшение величины отщепов на выходе зубьев пилы из пропила.
Эти мероприятия могут быть разделены на две группы: 1) относящиеся к режущему инструменту - пилам и 2) относящиеся к конструкции станков.
Исследованиями установлено и производственной практикой подтверждено, что риски на поверхности распила образуются отдельными, чрезмерно отогнутыми, расплющенными или напаянными зубьями, а также зубьями, находящимися на изогнутой кромке пилы, на выпучине, складке и других дефектах, нарушающих плоскость пилы, а также из-за чрезмерных боковых колебаний пил, возникающих от разных причин.
В связи с этим пилы должны быть тщательно выправлены, а кончики и боковые режущие кромки зубьев находиться точно в одной плоскости (допуск отклонения зубьев от плоскости вращения ±0,01 мм), при этом станки необходимо содержать в технически исправном состоянии. Такую точность расположения боковых режущих кромок может обеспечить их боковая подшлифовка (прифуговка).
Рис. 6. Пилы с разведенными, плющевыми зубьями и неровностями на пиленых полотнах: а -
измерение величины развода зубьев на пиле с выпучиной, 1 - пила, 2 - зубья пилы, 3 - зажимы тисков; б - измерение величины развода зубьев на пиле с выпучинами с применением специальных, калиброванных приспособлений (дисков, пластин) с плоской базой, 1 - пила, 2 -зубья, 3 - зажимы приспособления с базой для отсчета величины измерения зубчатой кромки,
4 - базовые поверхности, 5 - индикаторный разводомер, Ь - ширина пропила, величина развода (уширения), с - толщина базовой поверхности; с, а- схема расположения зубьев при выполнении развода (или плющения по схеме (а), 1 - пила, 2 - зубья пилы, 3 - величина развода, учитывающая выпучину, 4 - величина развода без учета выпучины, 5 - зуб пилы разведенный без учета выпучины, 6 - зуб пилы разведенный с учетом выпучины, 7 - величина выпучины, 8 - выпучина; е - схема расположения разведенных зубьев, подготовленных по схеме (б) 1 - пила, 2 - зубья пилы, 3 - выпучины, 4 - базовые зажимы
Рис. 7. Схема угла искусственного подпора при нижнем расположении пилы. Подача встречная, ¡7™ направление скорости подачи, и - направление скорости резания, 1 - пила, 2 - стол станка,
3 - узел искусственного подпора, 4 - кромка ограничителя отклонения пилы
Все существующие методы боковой прифуговки зубьев стальных пил и способы измерения величины уширения зубчатой кромки (плющение, развод зубьев, наплавка стеллита, напайка пластинок твердого сплава) не могут обеспечить необходимой точности симметрии уширения и расположения кончиков зубьев в одной плоскости из-за отсутствия в этих методах надежной единой отправной базы отсчета как для прифуговки, так и для измерения величины уширения.
В связи с этим автор рекомендует проводить прифуговку зубьев и измерение величины уширения зубчатой кромки в специальных механизмах, снабженных зажимами (рис. 6, б). Настройка шлифовального
круга и индикаторных разводомеров должна осуществляться от единой, тщательно отшлифованной базы — внутренних плоскостей зажимов, которые принимаются за исходное нулевое положение. Пила, продвигаясь в зажимах (рамная или ленточная) или вращаясь в них (или вместе с ними - круглая пила, рис. 6, б), будет воспроизводить движение зубьев в пропиле, а независимая от пилы исходная база позволит обеспечить расположение кончиков зубьев в одной плоскости.
Это позволит создать равномерную нагрузку на все зубья пилы и устранить (или уменьшить) риски, а при малых подачах на зуб получить поверхность, близкую к строганной.
Рис. 8. Схема узла искусственного подпора при верхнем расположении пилы: а - подача встречная, б-подача попутная
Важным условием равномерной нагрузки на все зубья круглых пил является правильное их расположение относительно оси вращения и плоскости, перпендикулярной к оси вращения. При наличии радиального биения возникает эксцентричная установка пилы в станке, а это неизбежно вызывает срезание стружки неравномерной толщины, так как одна половина пильного диска срезает стружку повышенной толщины, а другая - уменьшенной. Это, при определенных условиях, может вызвать ухудшение чистоты поверхности распила и нарушить нормальную работу пильного диска.
В связи с этим при заточке круглых пил необходимо строго следить за техническим состоянием заточных станков и в частности не допускать возникновения люфта в узле крепления и фиксации положения пилы в заточном и круглопильном станках. Следует считать целесообразным применение подшипников качения в узле крепления круглых пил в заточных станках. Для обеспечения условий, способствующих уменьшению вырывов, сколов или отщепов круглопильные станки должны отвечать определенным требованиям.
Радиальное и боковое биение вершин зубьев пил в станке не должно превышать
значений, приведенных в табл. 7. Торцовое биение опорной поверхности коренного зажимного фланца на радиусе 100 мм не должно превышать ±0,02 мм, радиальное биение посадочного места не более 0,02 мм. Пила после установки на посадочное место не должна иметь никаких радиальных люфтов.
Кроме того, участок выхода зубьев пилы из пропила необходимо оснастить специальными регулируемыми техническими средствами, обеспечивающими искусственный подпор волокон древесины (рис. 7, 8).
Это целесообразно сделать для всех делительных ленточнопильных и круглопильных станков, выпиливающих различные заготовки и пиломатериалы с повышенными требованиями к чистоте поверхности пла-стей и торцам.
Радиальное биение пильных дисков, зазор между пилой и кромками поверхностей узла искусственного подпора, а также радиальное и торцовое биение зажимных фланцев должны соответствовать данным, приведенным в табл. 7.
Зазор между ленточной делительной пилой и кромками поверхности узла искусственного подпора не должны превышать 0,2 мм.
Таблица 7
Отклонения кончиков зубьев после установки в станок
Радиальное биение вершинок зубьев после заточки, не более в мм Механизм искусственного подпора Зажимная шайба
Диаметр пил, мм расстояние от боковой режущей кромки до кромки ограничителя, не более в мм расстояние плоскости вращения пильного диска до кромки ограничителя, мм расстояние от короткой режущей кромки до кромки опорной поверхности, не более в мм торцовое биение опорной поверхности фланца на радиусе 100 мм, не более радиальное биение места посадки пилы, не более в мм
До 400 0,01 0,20 0,25 0,25 0,02 0,02
До 630 0,4 0,25 0,25 0,45 0,03 0,03
До 800 0,6 0,30 0,30 0,65 0,03 0,03
До 1000 0,8 0,35 0,35 0,90 0,03 0,05
Более 1000 1,2 0,50 0,50 1,25 0,03 0,05
Рис. 9. Схема действия сил резания и отжима при разных углах и постоянных углах встречи ©.
Наибольший кинематический угол встречи постоянен 0 = 70 ° а - при симметричном профиле, передний угол у = -20 ° отрицательный.
Ри = Const сила резания, Рх - горизонтальная составляющая силы резания; Р2 - вертикальная составляющая силы резания Q - сила отжима Q = const;
Qi - горизонтальная составляющая силы отжима;
Q2 - вертикальная составляющая силы отжима; иг - подача на один зуб;
Щ - общая результирующая сил резания и отжима;
U - направление скорости подачи, направление скорости резания
Зазор между линией движения коротких режущих кромок ленточной пилы и кромкой поверхности узла искусственного подпора не должен превышать 0,2- 0,3 мм. Следовательно, серповидность ленточных пил должна быть минимальной (не более ± 0,3 мм). Круглопильные станки для поперечной распиловки (торцовые станки, концеравнители) должны быть оборудованы соответствующими стационарными или передвижными регулируемыми узлами искусственного подпора. Они нужны в тех случаях, где толщина срезаемой стружки превышает: у станков продольной распиловки 0,27 - 0,3 мм, у станков поперечной распиловки 0,1 - 0,2 мм.
Узел искусственного подпора может быть эффективным и у лесопильных рам, распиливающих брусья на доски. Он должен быть подвижным и сохранять постоянство зазоров между пилами и кромками опорных поверхностей при всех уклонах пильной рамки. Однако, введение его может потребовать серьезных изменений в конструкции лесопильных рам, в связи с чем этот вопрос нуждается в специальном изучении.
Для регулирования толщины срезаемой стружки и подач на зуб все пильные станки должны иметь соответствующие технические средства для регулирования режимов пиления, к которым относятся: бесступенчатое изменение скорости подачи и скорости резания.
Выше было отмечено, что на чистоту поверхности распила решающее влияние оказывает толщина срезаемой стружки. При ее уменьшении она лучше, а при увеличении
- хуже. В круглопильных станках толщина стружки наименьшая на входе пилы в пропил при встречной подаче и на выходе из пропила при попутной подаче.
Это физическое явление связано с величиной переднего контурного угла резания на зубьях пил. Они влияют на вертикальную составляющую силы резания.
На рис. 9, 10 показаны схемы входа и выхода пилы из пропила при встречной (рис. 9) и попутной подаче (рис. 10) в равных условиях. Из рисунков видно, что при постоянной
величине силы резания (Р9 = const) вертикальная составляющая, разрывающая связь между волокнами, имеет разные значения (рис. 2, 9, а, б) и направление (рис. 10). Из рис.
2 видно, что на входе пилы в пропил вертикальная составляющая Р2 меньше (зуб 4), а на выходе из пропила Р2 больше (зуб 1). Из рис. 9 видно, что с изменением профиля зубьев и их переднего контурного угла резания при Рд - const величина и направление вертикальной составляющей силы Р2 имеют значительное различие.
В связи с этим, в круглопильных станках целесообразно иметь подъемные узлы резания, позволяющие изменять выход пилы из пропила. Он не должен превышать 20 мм. В табл. 8 даны наименьшие диаметры пил для продольной распиловки с учетом переднего угла у.
Практическим работникам необходимо помнить, что на чистоту поверхности распила влияет только толщина срезаемой стружки. Поэтому для ее уменьшения следует принимать те меры, которые наиболее эффективны и доступны в конкретных условиях, начиная от применения пил малого диаметра с большим количеством зубьев и кончая изменением скорости резания и подачи.
На чистоту поверхности распила большое влияние оказывает затупление зубьев, для измерения которого необходимо иметь специальные измерительные приборы. Их отсутствие вынуждает работников предприятий производить на глаз оценку степени затупления зубьев пил, в результате продолжительность работы пил на разных предприятиях разная и зависит от квалификации и добросовестности станочников и заточников. Однако, для определения недопустимого затупления зубьев пил в работе измерительные приборы не всегда нужны, так как продолжительность работы пил можно регламентировать и иным путем.
Таблица 8
Наименьший диаметр пил для разных высот пропила, исключающий образование сколов на входе пилы в пропил
Н, мм Диаметр пил, Дьш, при разном расстоянии поверхности стола от оси пильного вала «а», мм и разных у , °
50 мм 55 мм 65 мм 75 мм 80 мм
0° 10° 20° 30° 0° 10° 20° 30° 0° 10° 20° 30° 0° 10° 20° 30° 0° 10° 20° 30°
16 186 172 161 152 201 185 173 162 229 211 198 187 257 238 222 210 272 251 234 222
20 198 182 171 162 212 196 183 173 240 222 208 196 269 249 232 219 282 278 244 231
30 226 209 195 185 240 220 207 196 269 248 232 219 297 274 256 242 311 287 269 254
40 255 235 220 209 269 248 232 219 297 274 256 242 325 300 281 266 339 313 293 277
50 283 261 244 231 237 274 256 242 325 300 281 266 354 326 305 289 368 339 317 300
60 311 287 269 254 325 300 231 266 354 326 305 289 382 352 330 312 396 365 342 323
70 339 313 293 277 354 326 305 289 382 352 330 312 410 379 354 339 424 392 366 343
80 368 339 317 300 382 352 330 312 410 379 354 339 438 405 379 358 453 418 391 369
90 396 365 342 323 410 379 354 339 438 405 379 358 467 431 403 381 481 444 417 393
100 424 392 366 346 438 405 379 358 467 431 403 381 495 457 427 404 509 470 440 416
110 453 418 391 369 467 431 403 381 495 457 427 404 523 483 452 427 537 496 464 439
120 481 444 417 393 495 457 427 404 523 483 452 427 552 509 476 450 566 522 488 462
130 509 470 440 416 523 483 452 427 552 509 476 450 580 535 501 473 594 584 513 485
140 537 496 464 439 552 509 476 450 580 535 501 473 608 561 525 496 622 612 537 508
150 566 522 488 462 580 535 501 473 608 561 525 496 636 587 549 520 651 640 562 531
Рис. 10. Схема действия сил резания и отжима при наименьшем кинематическом угле встречи и переднем угле у = 30 Подача попутная. Значения символов те же, что и на рис. 16
Исследовательскими работами и производственной практикой установлено, что затупление инструмента зависит от длины пути резания. Следовательно, зная путь резания можно установить предельную продолжительность работы пил для конкретных условий (лесопиление, столярное, мебельное производство и т.д.).
Использование результатов работ по затуплению пил требует оснащения пильных станков специальными счетчиками, по показаниям которых можно было бы судить о пути непрерывного резания, установить продолжительность работы пил и организовать своевременную их замену.
В заключение необходимо отметить, что за последние годы возрос технический уровень лесопильных и других деревообрабатывающих предприятий. Однако, технический уровень инструментальных участков практически не изменился. Инструментальные участки не имеют многих нормативных материалов, регламентирующих работу дереворежущего инструмента (по износу, предельному затуплению, расходу режущего и абразивного инструмента, режимам заточки и т.д.). Все это крайне отрицательно отражается на качестве вырабатываемой продукции.
Автор надеется, что изложенный выше материал поможет практическим работниками лучше понять процесс образования поверхностей распила и более квалифицированно подходить к решению практических вопросов пиления древесины в конкретных условиях.
Литература
1. Дешевой М.А. Механическая технология дерева. -Т. 1-3.-1934.
2. Орлов М.Н. Процесс размещения и прессования опилок при резании рамными пилами // Механическая обработка древесины. - 1935. - № 5,6.
3. Орлов М.Н. Исследование профилировки зубьев рамных пил. Сборник научно-исследовательских работ ЦНИИМОД. - М.: Гослестехиздат, 1940.
4. Грубе А.Э. Станки и инструменты по деревообработке. Т. 2. Режущие инструменты по механической обработке древесины. - М.: Гослестехиздат, 1949.
5. Орлов М.Н. Лесопильные рамы и их эксплуатация. -М.: Гослесбумиздат, 1950.
6. Орлов М.Н. Режимы рамного пиления. - М.: Гослесбумиздат, 1951.
7. Бершадский А.Л. Скоростное резание с пониженным энергопотреблением // Лесная промышленность. - 1955.-№ 5.
8. Бершадский А.Л. Резание древесины. - М.: Гослесбумиздат, 1956.
9. Якунин Н.К. Исследование режимов продольного пиления круглыми пилами. Диссертация - Химки: 1953.
10. Якунин Н.К. Исследование режимов пиления и профилировки зубьев круглых пил для продольной распиловки древесины хвойных пород: Сборник «Новое в технике эксплуатации дереворежущего инструмента». - М.: Гослесбумиздат, 1956. - С. 37-122.
11. Миндели Б.Б. Исследование динамики и формирования поверхности пропила при продольном пилении древесины круглыми пилами. Диссертация. -М, 1969.
12. Фонкин В.Ф. Лесопильные рамы и околорамное оборудование. - М.: Лесная промышленность, 1970.
13. Есипов П.П. Исследование профилировки зубьев круглых пил для поперечного пиления сосновой древесины. - Архангельск: Книжное издательство, 1961.
14. Кряжев H.A. Фрезерование древесины. - М.: Гослесбумиздат, 1963.
15. Якунин Н.К. Круглые пилы и их эксплуатация. -М.: Лесная промышленность, 1977.
16. ВНИПИЭИлеспром. Ресурсосберегающие круглые пилы. - Вып. 7-8. - М., 1991.
