Пиление рамными пилами

В этом процессе древесина делится полосовым многорезцовым ин­струментом при его возвратно-поступательном движении (рис. 20, а)

В простейшем случае пильная рамка 1 с комплектом (поставом) пил 2 может двигаться только в вертикальной плоскости, перпен­дикулярной к направлению подачи бревна v_s. Движения — главное и возврата — возвратно-поступательное перемещение рамки по­средством кривошипно-шатунного механизма, состоящего из кри­вошипного (коленчатого) вала 6 с маховиками 7 и шатуна 5. Тра­ектория его — прямая (вертикаль), скорость главного движения переменная, вычисляется по приближенной формуле

где v_max — окружная скорость пальца кривошипа (точка А), м/с; α — угол поворота пальца кривошипа от верхнего положения на вер­тикальном диаметре.

При α = 0 v = 0 и пильная рамка находится в крайнем верхнем положении (верхней мертвой точке — ВМТ). При α = 180° (π рад) v = 0 и пильная рамка находится в крайнем нижнем положении (нижней мертвой точке — НМТ).

Расстояние между крайними положениями называется ходом пильной рамки Н = 2R. Зубья пилы срезают стружки только при движении вниз — при рабочем ходе. Возврат пилы в верхнее поло­жение — холостой ход.

При α = 90° (π/2 рад) скорость главного движения, м/с, наи­большая:

где R — радиус кривошипа, м; п — частота вращения коленчатого вала, мин^-1.

Движение с переменной скоростью принято характеризовать сред­ней скоростью, т.е. отношением пути, проходимого пильной рам­кой за один оборот вала, 2Н ко времени одного оборота 60/n:

Средняя скорость главного движения у современных высо­копроизводительных рам составляет 7,2... 7,4 м/с (при Н = 0,6... 0,7 м и п = 360...320 мин^-1).

Бревно 4 (см. рис. 20, а) подается вальцовыми механизмами 3 периодического или непрерывного действия. Возможны следующие виды подачи: периодическая (толчковая) за рабочий ход (во время движения пилы вниз), за холостой ход (во время движения пилы вверх); двухтолчковая; непрерывная с постоянной скоростью, с пе­ременной скоростью.

Толчковые механизмы подачи теоретически могут обеспечивать согласованные движения пильной рамки и бревна, что весьма важно для поддержания постоянных условий резания (например, толщи­ны стружки). Это достигается тем, что привод механизма толч­ковой подачи всегда связан с коленчатым валом лесопиль­ной рамы, от которого приводится в движение и пильная рамка. Подача за рабочий ход позволяет существенно упростить конст­рукцию механизма резания лесопильной рамы (не требуется уст­ройство для изменения уклона рамки).

Однако существующие механизмы толчковой подачи неудовлет­ворительно работают на быстроходных рамах. Толчковая подача за холостой ход и периодическая двухтолчковая применяются редко.

Непрерывная подача, широко используемая в современ­ных рамах, устраняет недостатки механизмов толчковой подачи: от­носительно малое быстродействие и большие динамические нагрузки (связанные с перемещением за короткое время толчком большой массы бревна). Вместе с тем этот вид подачи имеет недостатки из-за несоответствия законов движения пильной рамки и бревна.

Движение подачи характеризует v_s — скорость подачи (м/мин), равная окружной скорости подающих вальцов при непрерывной подаче или средней скорости перемещения бревна при периоди­ческой подаче; S_2x — посылка, мм, т.е. подача бревна за время одного оборота коленчатого вала или за время одного двойного хода пильной рамки:

В тесной связи с видом подачи и величиной посылки находится уклон пил. У рамной пилы вершины зубьев лежат на одной прямой. Эта прямая может располагаться вертикально или наклонно к верти­кали под углом (рис. 20, б). Из схемы видно, что при перемещении установленной наклонно пилы во время холостого хода из положе­ния I в положение II линия вершин зубьев смещается в направлении подачи — отходит от дна пропила. Горизонтальное смещение е линии вершин зубьев на длине хода рамки Н является линейной характери­стикой уклона; ею пользуются при установке пил:

Таким образом, установка пил с уклоном позволяет беспре­пятственно подавать бревно в период холостого хода рамки, что имеет место при непрерывной, толчковой за холостой ход и двух­толчковой подачах. Очевидно, что минимальный уклон е должен равняться посылке бревна за время холостого хода S_{x х}. Вся посыл­ка за двойной ход S_2x равна сумме посылок за время рабочего S_{p х} и холостого S_xx ходов:

При непрерывной подаче с постоянной скоростью за время хо­лостого хода бревно проходит путь S_xx/2. Следовательно, минималь­ный уклон пил при непрерывной подаче e_min(Henp) = S_xx = S_2x/2; при толчковой подаче за холостой ход e_min(x._x) = S_xx = S_2x, при толчко­вой подаче за рабочий ход e_min(px) = S_xx = 0.

Геометрия срезаемого слоя. Рассмотрим геометрию срезаемого зу­бом рамной пилы слоя в плоскости пилы. При толчковой подаче за холостой ход (рис. 21, а) пила имеет уклон величиной e_{min(x x)} = S_xx.

Движения бревна во время резания не происходит. Следовательно, абсолютная скорость движения зуба v_e равна скорости главного движения V. Траектории зубьев в древесине — вертикальные па­раллельные прямые, расстояние между которыми равно подаче на один зуб S_z:

где Z_H — число зубьев пилы, принимающих участие в резании.

Определяется Z_H делением хода пилы на расстояние между зу­бьями по вертикали:

где t₃ — шаг зубьев пилы, мм; ψ— угол уклона пилы, °.

Толщина слоя а (кинематическая) постоянна по высоте про­пила: а = S_z.

При пилении разведенными зубьями средняя по поперечному сечению толщина слоя вычисляется по формуле

При толчковой подаче за рабочий ход (рис. 21, б) уклон пилы не требуется, так как надвигание бревна происходит одновремен­но с ее рабочим ходом из крайнего верхнего в крайнее нижнее положение. Скорость v и скорость подачи v_s (истинная, а не сред­няя) не постоянны по величине, но изменяются по одному и тому же закону (механизмы резания и подачи имеют общий привод от кривошипного вала), так что отношение v_s/v остается постоян­ным в течение рабочего хода. Поэтому траектории зубьев в пропи­ле будут прямыми, параллельными между собой и наклонными к вертикали под углом ф, величина которого зависит от соотноше­ния скоростей подачи и резания:

где 60 — множитель для приведения v, м/с, к размерности v_s, м/мин.

Расстояние между траекториями смежных зубьев по направле­нию подачи равно S_v Кинематическая толщина слоя

При непрерывной подаче бревна с постоянной скоростью (рис. 21, в) пила должна быть установлена с уклоном S_2x/2. Вектор абсолютной скорости перемещения зуба в пропиле, получающийся сложением переменной скорости резания v с постоянной скорос­тью v_s, в каждый момент времени рабочего хода или возврата пилы будет иметь различную величину и направление, следовательно, тра­ектории зубьев будут кривыми (косинусоидами).

На схемах показано продольное сечение срезаемого слоя (за­штриховано). Толщина его переменная — наибольшая в начале и в конце рабочего хода, наименьшая в середине хода:

где φ_ср = arctg (v_s/(60v_max)).

Приближенно можно считать cosφ_cp = 1. Пила, остановившись в нижнем положении, формирует по дну ступеньки несрезанной древесины аbс.

В начале холостого хода зубья пилы действуют на эти ступеньки задними гранями, в результате чего возникают силы, стремящие­ся подбросить бревно вверх и отбить его в направлении, противо­положном подаче.

Эти силы настолько велики, что существенно влияют на про­изводительность процесса и качество пиления. Кроме того, скоб­ление зубьями дна пропила приводит к повышенному расходу энер­гии на резание и ускоренному затуплению пил.

При периодической подаче для устранения скобления исполь­зуют кинематические приемы запаздывания (подача за холостой ход) или опережения (подача за рабочий ход) движения подачи.

При запаздывании подача бревна начинается, когда пила под­нимается из нижнего положения на высоту, равную высоте сту­пеньки, и задние грани зубьев выйдут из контакта с древесиной. Когда пила поднимается в верхнее положение, подача будет про­должаться, так как она началась позже и соответственно кончится после начала рабочего хода пилы. Но это не вызовет осложнений, потому что зубья будут срезать стружки в нормальных условиях. Учи­тывая остановку пилы в верхней мертвой точке при продолжаю­щейся подаче, пиле придают дополнительный уклон 1...2 мм на высоте хода: е_хх = e_min(xx) + (1 ...2) мм = S_2x + (1 ...2) мм.

При опережении подача бревна заканчивается прежде, чем пила опустится в крайнее нижнее положение. С прекращением движе­ния подачи зубья продолжают движение вниз по направлению век­тора v (при v_s = 0 v_e = v), благодаря чему все ступенчатые выступы по дну пропила срезаются и, следовательно, устраняется скобле­ние в начале холостого хода.

Когда подача заканчивается раньше, она возобновляется, прежде чем пила во время холостого хода возвращается в крайнее верхнее положение, т.е. в то время, когда зубья еще не могут срезать струж­ки[4]. Скобление дна пропила начинается теперь не в начале, а в конце холостого хода.

Чтобы этого не случилось, пилу устанавливают с уклоном, обес­печивающим отход линии вершин зубьев от дна пропила к концу холостого хода пилы на 2...3 мм:

е_рх = e_min(px) + (2...3) мм = 0 + (2...3) мм = 2...3 мм.

В лесопильных рамах с непрерывной подачей устранить полно­стью нажим бревна на пилы в начале холостого хода можно только путем сообщения пильной рамке дополнительного горизонталь­ного движения, которое обеспечивало бы отвод пил от дна про­пила. Фактическая величина уклона при непрерывной подаче е = e_min + (1...2) мм = S_2x /2 + (1...2) мм.

Геометрия поверхностей пропила складывается под влиянием многих факторов процесса: способа уширения пропила и качества выполнения этой операции, устойчивости пилы во время работы, толщины срезаемых зубьями слоев.

Расчетом установить высоту неровностей на поверхности про­пила невозможно, поэтому в расчетах пользуются результатами экспериментов.

В табл. 5 показана связь между величиной подачи на зуб и высотой наибольших неровностей на поверхности пропила.

Таблица 5. Зависимость шероховатости поверхности пропила от подачи на зуб для рамного пиления

Глубина внутренних разрушений под поверхностью пропила также зависит прежде всего от подачи на зуб (табл. 6).

Таблица 6. Показатель качества поверхности пропила при резании сосны в зависимости от подачи на зуб

Мощность резания, Вт, вычисляют по формуле

где К_т — удельная работа рамного пиления для условий, указан­ных в табл. 7 (табличное значение), Дж/см³; а_попр — общий попра­вочный множитель, учитывающий конкретные условия пиления (см. гл. 17); B_пр — ширина пропила, мм; Σt — сумма высот всех пропилов, мм; v_s — скорость подачи, м/мин.

Величину Σt вычисляют как произведение средней высоты про­пила t_ср на число пил в поставе i:

где d_cp — средний диаметр бревна (на середине длины), мм.

Удельная работа К определяется как произведение табличного значения удельной работы для данного процесса резания К_т (табл. 7) на общий поправочный множитель a_попр, учитывающий отличие рас­четных условий резания от табличных:

Выражение в формуле (66), взятое в скобки, — это объем дре­весины, превращаемой в стружки (опилки) за 1 с, см³/с.

Таблица 7. Удельная работа К_г и единичная сила F_xT для рамного пиления сосны

Примечание: Зубья острые разведенные. Для плющеных зубьев а_ср надо умножить на 0,8.

Формула (66) дает среднюю мощность, затрачиваемую на реза­ние, относящуюся в равной степени к рабочему и холостому ходу. По Р_р можно вычислить условную среднюю силу резания F_xn, по­стоянную по величине, действующую во время полного оборота кривошипа, Н:

Если принять для приближенных расчетов, что фактическая сила резания во время холостого хода F_xxx = 0, то можно определить фактическую силу резания, действующую во время рабочего хода F_{xp x}.

Работа условной средней силы резания F_xц за один оборот кри­вошипа (двойной ход рамки)

Работа фактической силы резания за время рабочего хода

Из последних выражений следует

Зависимость (72) справедлива для периодической подачи. В слу­чае непрерывной подачи касательная сила при холостом ходе, осо­бенно в первой его половине, достигает значительной величины. Поэтому фактические значения касательной силы для различных точек рабочего и холостого ходов должны определяться на основе анализа опытных диаграмм изменения сил резания.

Пусть аналитическим путем или по эмпирическим данным опре­делены касательная F_x и нормальная F_z силы на зубе пилы как силы на многолезвийном режущем элементе в условиях закрытого резания.

Тогда силы резания всем поставом пил средние за рабочий ход F_{xp x} и F_{zр х} определяются как произведения соответствующих сил на одном зубе F_x и F_z на число одновременно режущих зубьев z_реж одной пилы и на число пил i, установленных в поставе:

где t₃ — шаг зубьев пилы.

Табличная касательная сила F_XT наделена тремя признаками: она условно постоянна за время срезания одного слоя; единична, т.е. пересчитана на 1 мм ширины срезаемого слоя; действительна только для данного процесса станочного резания при определен­ных так называемых табличных условиях резания.

Из перечисленных свойств табличной силы вытекает формула для расчета полной касательной силы на резце (зубе) в заданных условиях резания:

где F_XT — табличная сила, Н/мм; b — ширина срезаемого слоя, мм; a_попр ^— общий поправочный множитель, учитывающий конкрет­ные условия пиления.

Табличная сила F_XT при рамном пилении зависит только от сред­ней толщины срезаемого слоя а_ср и средней высоты пропила t_cp (см. табл. 7). Напомним, что а_ср зависит от способа уширения про­пила (52), (53).

Нормальная сила F_z за время двойного хода пильной рамки зна­чительно меняется по величине и направлению. Во время рабочего хода в зависимости от угла резания δ, толщины срезаемого слоя а (или S_z) и остроты главного лезвия ρ она может быть отжимаю­щей или затягивающей древесину. Во время холостого хода сила F, всегда является силой отжима.

Опытные данные о величине нормальной силы обычно пред­ставляют в форме отношения т = F_z/F_x. Здесь эмпирический пере­ходный множитель т в геометрическом смысле представляет со­бой тангенс угла действия ψ, под которым вектор воздействия резца на заготовку F наклонен к траектории резания:

Переходный множитель т в общем случае дается как функция толщины срезаемого слоя a (S_z), угла резания δ и остроты лезвия ρ.

Нормальная сила F_z, в общем случае переменная во время рабо­чего и холостого ходов, за цикл совершает работу A_s, расходуемую на подачу бревна. Если допустить, что F_zpx ≈ F_zxx ≈ F_zu, получим

Мощность, расходуемая на подачу, Вт:

где F_zu — условная постоянная во время цикла (цикловая) нор­мальная сила, Н; v_s — скорость подачи, м/с.

При допущениях, сделанных для формулы (77), можно считать F_зц = mF_xц.

При рамном пилении существует опасность недопустимого пере­полнения стружкой впадин между зубьями. Определим наибольшую подачу на зуб из условия нормальной работоспособности зубьев рам­ной пилы — по предельному заполнению междузубной впадины:

где θ = 0,35...0,5 — коэффициент формы зуба; t₃ — шаг зубьев, мм; σ_min = 0,5; t_тах — максимальная высота пропила (комлевой диа­метр бревна), мм.

Рамная пила представляет собой стальную полосу длиной 1100... 1950 мм, шириной 160, 180 и 220 мм и толщиной 1,6...2,5 мм, по рабочей кромке которой насечены зубья. Различают пилы с при­клепанными планками (тип А, рис. 22, а) и без планок (тип Б, рис. 22, б).

Длина пилы выбирается в зависимости от характеристики лесо­пильной рамы. Можно записать простое соотношение между дли­ной пилы L, мм, ходом пильной рамки Н, мм, и наибольшей высотой пропила t_max, мм (равной диаметрубревна в комле):

где 300 — часть длины пилы, занимаемая крепежной оснасткой (верхними и нижними захватами, прокладками), мм.

Ширина пилы выбирается с учетом расстояния между передни­ми и задними вальцами лесопильной рамы. Для долговечности инструмента (относительной его дешевизны) имеет смысл выби­рать широкие пилы (В_п = 200 мм). Пилы типа Б обычно имеют начальную ширину 160 мм.

При выборе толщины пилы приходится разрешать следующее противоречие: чтобы добиться минимальных потерь древесины и снизить энергозатраты на резание, надо стремиться к примене­нию тонких пил; но чтобы достичь высокой точности распилива­ния, надо обеспечить достаточную жесткость (устойчивость) пилы, а это сделать легче всего, увеличивая толщину пилы. Толщину пил выбирают, пользуясь эмпирической зависимостью

Меньшие значения b_п относятся к распиловке хвойных пород древесины и к плющеным зубьям, большие — к распиловке твер­дых лиственных пород или к разведенным зубьям.

Шаг зубьев t₃ должен быть увязан с работоспособностью впади­ны. Из уравнения (50) следует, что

Существенная характеристика рамных пил — геометрия зубьев (рис. 22, в). Поскольку пилы предназначены для продольного рас­пиливания, геометрия зубьев отражает особенности этого вида резания. По ГОСТ 5524—75 предусматривается один профиль зубь­ев — с ломано-линейной задней гранью. Угол резания главного (короткого) лезвия зуба δ = 75°, углы резания боковых лезвий 90°, так как боковая заточка зубьев не делается; γ = 15°; β = 47°; α = 28°; t₃ = 18...40 мм, h₃ = 16...26 мм; l₃ = 7... 16 мм, r = 3...8 мм. Такую геометрию можно считать удовлетворительной, потому что глав­ная режущая кромка режет в торец (самый тяжелый случай), этим условиям вполне отвечает угол резания 75°, прочность зуба доста­точна. Боковые кромки режут поперек волокон (самое слабое со­противление древесины), поэтому можно мириться с δ_бок = = 90°. Косая заточка зуба, т. е. угол резания для боковых кромок δ = 60°, желательна, но это усложняет подготовку пил, а заметного снижения усилий или шероховатости поверхности пропила не дает. Задний угол α может быть уменьшен (усилия по задней грани растут при α < 10°), однако это вызывает уменьшение емкости впадины между зубьями, что может снизить производительность процесса резания.

Установлены следующие допускаемые отклонения линейных и уг­ловых величин рамных пил: по длине пилы ±2 мм, по ширине ±0,5 мм, по толщине ±(0,12...0,18), по шагу и высоте зубьев ±0,5 мм, по угловым величинам ±2°. Шероховатость боковых поверхностей Ra 1,25 мкм; передней и задней граней Rz 20 мкм. Материал рамных пил — сталь 9ХФ. Их твердость должна быть в пределах HRC, 42... 46.