УДК 674.023:621.9

 

ПРОДОЛЬНОЕ ПИЛЕНИЕ ДРЕВЕСИНЫ ПИЛОЙ С КОМБИНИРО­ВАННЫМИ ЗУБЬЯМИ

Глебов И.Т.

Уральский государственный лесотехнический университет

 

LONGITUDINAL  CUTTING  WOOD  THE  SAW  WITH  COMBINED TEETH

 

Ключевые слова: пила, зуб пилы, подача на зуб, древесина, продольно-торцово-поперечное резание

 

Для продольного пиления древесины используют пилы с различными зубьями: плющеными, разведенными, оснащенными пластинками твердого сплава, с косой заточкой и т.д. Одной из задач процесса пиления является снижение энергопотребления. Для решения такой задачи зубья пилы выполняют с косой заточкой: поочередно с правой и левой заточкой. При пилении на таких зубьях возникают поперечные составляющие силы резания, которые раскачивают пилу в поперечном направлении, вызывают вибрацию пилы. Для гашения поперечных колебаний пилы за зубьями с косой заточкой один зуб делают прямой, укороченный по высоте. Таким образом, зубья пилы могут быть выполнены по схеме: зуб с косой правой заточкой, зуб укороченный  прямой, зуб с косой левой заточкой, зуб укороченный  прямой и т.д.

На рис. 1, а  показаны профили зубьев пилы в пропиле, на рис. 1,б – сечения срезаемых слоев зубьями при одинаковой подаче на зуб. Срезаемые слои разрезаны плоскостью параллельной вектору скорости подачи и перпендикулярной стенкам пропила. Ширина пропила равна b.

Найдем площадь S поперечных сечений срезаемых слоев для зубьев:

– зуб 1 укороченный с прямой заточкой:

;                                  (1)

– зуб 2 с косой левой заточкой:

;                                  (2)

– зуб 3 с правой косой заточкой:  .

Анализируя формулы (1) и (2), отметим следующее.

При величине укорочения прямого зуба с = 0  S1> S2   на  .

При   или     S1 = S2 = S3 = Szb. Это оптимальный случай, когда площади срезаемых слоев прямым укороченным и косыми зубьями равны. Для этого случая

,                                                    (3)

где λ – угол наклона режущей кромки зуба с косой заточкой.

Можно принимать значение с из ряда (рис. 2):

 

с = 0,5Sz;   с = Sz;  с = 1,5Sz;  с = 2Sz.                              (4)

 

Подпись: bПодпись: bПодпись: b

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

При укорочении прямых зубьев с = 0,5Sz  и с = Sz рабочая часть режущих кромок всех зубьев проходит от левой до правой стенок пропила. Площади срезаемых слоев всеми зубьями одинаковы и равны Szb. Проекция рабочей части режущих кромок всех зубьев на направление ширины пропила равна b.

При укорочении прямых зубьев с > Sz  рабочие части режущих кромок зубьев не формируют одновременно обе стенки пропила. Площади срезаемых слоев прямыми зубьями стали меньше соответствующих площадей, срезаемых зубьями с косой заточкой (табл. 1). Проекция рабочей части режущих кромок зубьев на направление ширины пропила меньше b.

Среднее значение подачи на зуб определим как отношение плошади к ширине пропила. При выполнении условия (3), т.е. при с = 0,5Sz  и с = Sz  для всех зубьев

.

Для других условий значения  Szср  находятся по данным табл. 1.

Таблица 1

Параметры срезаемых слоев

 

Параметры

с = 1,5Sz

с = 2,0Sz

Зуб прямой

Зуб  косой

Зуб прямой

Зуб косой

Площадь

Проекция рабочей части режущей кромки на направление b

Среднее Szср слоя

1,15 Sz

1,25 Sz

1,17 Sz

1,5 Sz

 

Пример 1. Ширина пропила b = 3,6 мм, угол наклона режущей кромки λ = 15º. Определить величину укорочения с зуба 1 и значение Sz.

Решение. = 0,48 мм. Согласно (4) принимаем с = Sz = 0,48 мм.

Пример 2. Ширина пропила b = 3,6 мм, подача на зуб Sz = 0,5 мм,   с = 0,5Sz. Определить угол наклона зубьев с косой заточкой.

Решение. Из (3) получим == 7,9º.

На рис. 3 приведена схема пиления круглой пилой со скошенными зубьями.

Если угол наклона режущей кромки λ=0º, то режущая кромка расположена перпендикулярно стенкам пропила (показана точкой). Угол встречи φв при пилении изменяется от нуля в точке А до 90º в точке С (). Процесс резания изменяется от продольного // до торцового ^. В произвольной точке В дуги контакта имеет место продольно-торцовое резание.

Если угол наклона режущей кромки λ=90º, то режущая кромка расположена параллельно стенкам пропила (показана прямой линией). Угол скоса φс при пилении изменяется от нуля в точке А до 90º в точке С (). Процесс резания изменяется от продольного // до поперечного #. В произвольной точке В дуги контакта имеет место продольно-поперечное резание, а угол скоса равен углу встречи, φс = φв.

Если угол наклона режущей кромки , то в произвольной точке В дуги контакта резание переходит от продольно-торцового к продольно-поперечному и получается продольно-торцово-поперечное резание, которое характеризуется углом наклона φн. Угол наклона измеряется в основной плоскости Pv между направлением волокон, направленных в массив, и главной секущей плоскостью Pτ. Из рис. 3 следует, φн = λ.

Для определения сил и мощности резания необходимо знать значения фиктивной силы резания и касательного давления срезаемого слоя на переднюю поверхность зуба пилы. Для продольно-торцово-поперечного резания можно записать:

– фиктивная сила резания

р//-^-# = р//-^ - (р//-^ - р//-#);                                 (5)

касательное давление срезаемого слоя на переднюю поверхность зуба

k//-^-# = k //-^ - (k //-^ - k //-#),                                (6)

где     р//–^ = 1,57 + 0,0359 jв [1];

р//– # = 1,57 – 0,0065 jc ;

k//–^= (0,196 + 0,0039jв)d + (0,069 + 0,0014jв)V' – (5,4 + 0,158 jв);

k//– #= (0,196 – 0,00184jc)d +[0,069 – (0,069 – Б)0,011jc]V' – (5,4 – 0,053jc);

Б# = 0,059...0,069, меньшее  значение Б#  при  d < 55°,  большее  – при d > 55°;

          d – угол резания, град;

           V'    условная скорость   резания,   м/с,   причем,  если V  <  50 м/с ,  то V' = (90 – V ),  иначе V' = V, где V – скорость главного движения.

Если φн = 90º, то из (5) и (6) получаем данные для продольно-поперечного резания. Если φн = 0º, то из (5) и (6) получаем данные для продольно-торцового резания. Все это соответствует рис. 3.

На пиле половина зубьев выполнены с косой заточкой и половина – укороченными с прямой заточкой. Для выполнения энергетических расчетов надо найти среднее значение р и k и эти средние значения можно отнести к каждому зубу пилы в отдельности.

Порядок расчета поясним на примере.

Пример. На однопильном круглопильном станке с высотой стола над центром пилы h =105 мм распиливаются сосновые брусья толщиной      t = 100 мм на доски. Диаметр пилы D = 650 мм, число зубьев z = 36, толщина диска пилы S = 4,4 мм, уширение зубьев на сторону S’=1,2 мм, ширина пропила b = 6,8 мм, зубья оснащены пластинами твердого сплава ВК15, угол резания δ = 70º, скорость подачи Vs = 30 м/мин, частота вращения пильного вала n =1500 мин-1. Зубья пилы расположены по схеме: зуб с косой правой заточкой, зуб укороченный  прямой, зуб с косой левой заточкой, зуб укороченный  прямой и т.д.

Определить мощность механизма главного движения в сравнении с пилением пилой с зубьями прямой заточки.

Решение. 1. Определим значение подачи на зуб

= 0,56 мм.

По (4) принимаем укорочение прямого зуба

 с = 1,5 Sz =1,5×0,56= 0,83 мм.

2. Находим угол наклона режущей кромки зуба с косой заточкой

 = 13,8°.

3. Окружной шаг зубьев

tз = pD/z = 3,14 × 650/36 = 56,7 мм.

4. Углы (результаты расчетов сведены в табл. 1):

– входа == 0,888 рад;

– выхода  = 1,24 рад;

– контакта jк = jвых jвх = 1,24-0,888 = 0,354 рад;

– среднее значение jср = jв = ( jвх + jвых )/2 = (0,888+1,24)/2 =      

                                         =1,065 рад = 61º.

5. Длина дуги контакта пилы с брусом

l = jк D / 2 = 0,354×650/2 = 114,9  мм.

Таблица  1

Результаты расчетов

 

Параметры

Обозначение

Размерность

Пила комбинированная

Пила с прямой заточкой

Окружной шаг зубьев

tз

мм

≈56,7

56,7

Углы:

 

 

 

 

входа

jвх

рад

0,888

0,888

выхода

jвых

рад

1,242

1,242

контакта

jк

рад

0,354

0,354

среднее

jв

град

61

61

Длина дуги контакта пилы с брусом

l

мм

114,9

114,9

Скорость главного движения

V

м/с

51,1

51,1

Фиктивная сила резания древесины сосны:

 

 

 

 

р//–^

р//–^

Н/мм

3,76

3,76

р//– #

р//– #

Н/мм

1,17

-

р//-^-#

р//-^-#

Н/мм

3,36

-

рср

рср

Н/мм

3,56

-

Касательное давление стружки на переднюю поверхность зуба

 

 

 

 

k//–^

k//–^

МПа

23,22

23,22

k//– #

k//– #

МПа

7,22

-

k//-^-#

k//-^-#

МПа

20,77

-

kср

kср

МПа

22,0

-

Величина затупления

Dr

мкм

6,7

6,7

Коэффициент затупления

ar

 

1,18

1,18

Значение подачи на зуб среднее

Szср

мм

0,67

0,56

Толщина срезаемого слоя

а

мм

0,58

0,49

Удельная сила резания

Fуд

МПа

33,46

36,26

Мощность механизма главного

 движения

 

Р

 

кВт

 

11,38

 

12,33

 

6. Скорость главного движения

V = pDn / 60000 = 3,14×650×1500/60000 = 51,1 м/с.

7. Фиктивная сила резания древесины сосны:

– р//–^ = 1,57 + 0,0359jв = 1,57 + 0,0359×61 = 3,76 Н/мм;

   р//– # = 1,57 – 0,0065 jc  = 1,57-0,0065×61= 1,17 Н/мм;

– р//-^-# = р//-^ - (р//-^ - р//-#) = 3,76-(3,76-1,17) ×13,8/90 =3,36 Н/мм;

– среднее в блоке, включающем один прямой и один косой зуб,

 рср = (р//-^-#+ р//–^)/2 = (3,36+3,76)/2=3,56 Н/мм.

8. Касательное давление стружки на переднюю поверхность зуба:

k//–^ =(0,196 + 0,0039×61)70 + (0,069 + 0,0014×61) ×51,1 – (5,4 + 0,158×61)=

               =23,2 МПа;

k//– # = 7,2 МПа;

k//-^-#= k //-^- (k //-^- k //-#)jн/90 = 23,2-(23,2-7,2) ×13,8/90 =20,8 МПа;

– среднее в блоке kср =(20,8+23,2)/2= 22,0 МПа.

9. Величина затупления режущей кромки зуба

Dr = gDlnTКпКи /1000 = 0,0001×114,9 ×1500 ×480 ×0,9 ×0,9/1000 = 6,7 мкм.

10. Коэффициент затупления при ro = 10 мкм [2]

= 1,18.

11. Средняя подача на зуб:

– зуб прямой =0,64 мм;

– зуб косой =0,69 мм;

– среднее для пилы

=0,67 мм;

12. Толщина срезаемого слоя зубом пилы:

– комбинированной = 0,58 мм;

– прямозубой = 0,49 мм.

 13. Удельная сила резания

=33,46 МПА.

14. Мощность механизма главного движения при работе пилой с комбинированными зубьями

=11,38 кВт.

При использовании пилы с прямыми зубьями мощность равна        Рп = 12,33 кВт. При формировании зубьев только с косой заточкой             Ркос = 10,9 кВт. Укорочение прямых зубьев комбинированной пилы до величины с = Sz  приводит к увеличению мощности  Рк = 11,54 кВт, а при       с = 0,5Sz  Рк = 11,7 кВт. С уменьшением укорочения прямых зубьев комбинированная пила приближается по форме к прямозубой пиле. Таким образом рекомендуется работать комбинированной пилой с укорочением прямых зубьев равным  С = (1,5…2,0) Sz.

 

 

 

Литература

1. Глебов И.Т.  Резание древесины: Учебное пособие. – Екатеринбург: УГЛТА, 2001.– 151 с.

2. Глебов И.Т.  Резание древесины: Избранные лекции. – Екатеринбург: УГЛТУ, 2005.– 99 с.