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)
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 =
Решение. =
Пример 2. Ширина пропила b =
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 =
Определить мощность
механизма главного движения в сравнении с пилением пилой с зубьями прямой
заточки.
Решение. 1. Определим значение подачи на зуб
=
По (4) принимаем укорочение прямого
зуба
с =
1,5 Sz =1,5×0,56=
2. Находим угол наклона режущей
кромки зуба с косой заточкой
= 13,8°.
3. Окружной шаг
зубьев
tз = pD/z = 3,14 × 650/36 =
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 =
– прямозубой
=
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.