Пиление круглыми пилами

В этом процессе резание осуществляется многорезцовым вра­щающимся инструментом в форме диска — круглой пилой. В круг­лопильных станках пила может находиться относительно заготов­ки в верхнем или нижнем положении (рис. 24).

Диаметр резания D = 2R, мм (он же — главная характеристика инструмента — диаметр пилы), в анализе процесса принимается одинаковым для всех зубьев. Частота вращения пилы п, мин^-1, считается постоянной. Тогда скорость главного движения v, м/с:

В среднем скорость v при пилении круглыми пилами на стан­ках составляет 40...80 (максимум 100... 120) м/с.

Движение подачи придается, как правило, заготовке. Скорость механической подачи v_s в станках достигает 100 м/мин и более.

Подачу на один оборот пилы S₀ и на один зуб S_z мм, опреде­ляют по формулам

где z = πD/t₃ — число зубьев пилы; t₃ — шаг зубьев, мм.

Различают пиление со встречной подачей, когда проекция век­тора скорости главного движения v на направление подачи и век­тор скорости подачи заготовки v_s направлены навстречу друг дру­гу, и с попутной подачей, когда они совпадают по направлению.

При продольном пилении попутная подача использует­ся редко, так как при ней возможно затягивание древесины пилой, что приводит к неравномерной скорости подачи, перегрузке дви­гателей механизмов главного движения и подачи, т. е. к аварийному положению. Попутная подача часто встречается при поперечном пилении при неподвижной заготовке. На рис. 24, а, б показано пи­ление со встречной подачей. Изменение направления вектора v бу­дет соответствовать схеме пиления с попутной подачей.

Траектория главного движения — вращения пилы вокруг оси — представляет собой окружность радиуса R, на которой расположе­ны вершины зубьев. Траектория движения подачи заготовки (или оси вращения пилы, если ей придано движение подачи) — пря­мая линия. Траектория движения резания — перемещения верши­ны зуба пилы относительно распиливаемой древесины — получа­ется в результате сложения двух одновременно происходящих дви­жений: главного и подачи.

У всех современных круглопильных станков скорость главного движения v во много раз превышает скорость подачи v_s, так что вектор скорости резания v_e по величине и направлению мало от­личается от скорости главного движения. В расчетах их обычно при­нимают равными, допуская при этом незначительную погрешность. Слой (см. рис. 24, б) срезается по дуге АВ, которую называют дугой контакта зуба с древесиной. Точка А является точкой вхо­да, точка В — точкой выхода зуба из древесины. Средняя точка С делит дугу контакта пополам. Отмеченным точкам соответствуют угол входа φ_вх, угол выхода φ_вых и средний угол φ_ср, которые отсчитывают от нормали к направлению подачи. Величины углов φ_вх и φ_вых определяются расстоянием h, радиусом пилы R и высо­той пропила t (табл. 11).

Таблица 11. Соотношения для вычисления φ_вх и φ_вых

Угол, соответствующий дуге резания или длине срезаемого слоя, называют углом контакта φ_конт:

Текущий угол φ, определяющий положение зуба на дуге резания, нарастает равномерно, пропорционально времени; поэтому можно говорить о среднем угле φ_ср, характеризующем режим пиления:

При продольном пилении угол φ_ср будет соответствовать среднему углу встречи главной режущей кромки зуба с волокнами древесины:

Длина срезаемого слоя / вычисляется как длина дуги контакта

где φ_конт измеряется в градусах.

В процессе подачи два соседних зуба формируют разные повер­хности дна пропила: один зуб — поверхность со следом 1— 1', вто­рой — поверхность со следом 2—2'. Расстояние между этими по­верхностями по направлению подачи равно S_z. Расстояние по нор­мали — кинематическая толщина слоя а — различно (рис. 24, в). Текущее значение кинематической толщины срезаемого слоя вы­числяют по формуле

Частные значения толщины слоя:

в точке входа

в точке выхода

в середине дуги резания (серединная толщина)

Средняя толщина вычисляется путем деления площади боко­вой поверхности слоя f_cб на длину:

Формулы (109), (110) дают несколько различные результаты, однако с достаточной для практики точностью можно приравнять среднюю по длине дуги резания и среднюю по площади боковой поверхности толщину стружки:

В сечении, проходящем через ось вращения пилы (поперечном), геометрия срезаемого слоя, как отмечалось ранее, зависит от спо­собов уширения пропила: средняя толщина слоя по сечению в середине дуги контакта

Ширина слоя также зависит от способа уширения пропила:

При продольном пилении главная (короткая) режущая кромка зуба перерезает волокна древесины и формирует дно пропила, а боковые режущие кромки участвуют в формировании стенок про­пила. Такое распределение функций предопределяет требования к геометрии зубьев пилы для продольного распиливания: короткая режущая кромка должна быть выдвинута вперед по ходу вращения относительно передней поверхности за счет положительного угла γ. При этом волокна будут перерезаны прежде, чем они начнут отде­ляться передней поверхностью, благодаря чему предотвращается неорганизованный вырыв волокон.

При повышенных требованиях к качеству поверхности пропила у боковых режущих кромок должен быть создан положительный передний угол за счет косой заточки по передней грани (γ_бок = φ₁). Так как зубья формируют две стенки пропила, косая заточка должна быть выполнена через зуб: четных зубьев — в одну сторону, нечет­ных — в другую.

Кинематика процесса пиления предопределяет наличие на по­верхности пропила систематических неровностей — рисок, остав­ляемых зубьями (см. рис. 24, г). Можно рассчитать высоту кинема­тических неровностей у, например для пилы с разведенными зу­бьями. Из геометрических соотношений следует, что у=2аtg λ_р, где а — толщина срезаемого слоя; λ_р — угол развода.

Могут быть замерены непосредственно на пиле tgλ_p = b₁/h_p; b₁ иh_p = 0,5h₃.

Для оценки шероховатости поверхности по параметру R_{m max} требуется вычислить наибольшее значение кинематических неров­ностей y_max:

Расчеты R_{m max} по формуле (114) дают заниженный результат (иногда в несколько раз). Это объясняется тем, что при пилении на станке на шероховатость поверхности пропила оказывают до­полнительное влияние неточности уширения зубьев, контакт с зубьями нерабочей зоны пилы, упругое восстановление волокон древесины и упругий отгиб зубьев, затупление режущих кромок и вершин зубьев, трение стружек о стенки пропила, биение дис­ка пилы в радиальном и поперечном направлениях, вибрация пилы, смещение заготовки во время распиливания и многие дру­гие причины.

Достаточно точный прогноз ожидаемой шероховатости по­верхности пропила можно получить на основании опытных дан­ных, в которых высота неровностей R_{m max} связана с важнейши­ми исходными условиями пиления: наибольшей толщиной сре­заемого слоя (через параметры S_zи φ_вых) и способом уширения пропила.

В табл. 12 и 13 приведены допустимые подачи на зуб, обеспечи­вающие заданную шероховатость поверхности.

Таблица 12. Максимальная подача на зуб, мм, при различной заданной шероховатости поверхности пропила для продольного пиления круглыми пилами

Таблица 13. Максимальная подача на зуб, мм, при различной заданной шероховатости поверхности пропила для поперечного пиления круглыми пилами

Примечание: Средние производственные условия резания, зубья острые.

При поперечном пилении (рис. 25) условия работы ре­жущих кромок иные, чем при продольном: перерезает волокна и формирует стенку пропила боковая кромка, а короткая режущая кромка и передняя поверхность скалывают перерезанные волок­на, формируя дно пропила.

Это определяет следующие требования к геометрии зубьев. Бо­ковая кромка должна перерезать волокна прежде, чем в контакт с ними вступит передняя поверхность. Для этого она должна быть выдвинута вперед по ходу пилы относительно короткой кромки за счет отрицательного (или нулевого) контурного переднего угла (γ ≤ 0°) и иметь положительный передний угол γ_бок за счет косой заточки. Обычно косая заточка выполняется по передней и задней поверхностям зуба.

Как правило, для размещения стружки во впадинах зубьев не требуется ограничение скорости подачи, вычисленной из условия обеспечения необходимой шероховатости (см. табл. 13). Для про­дольного пиления коэффициент напряженности впадины σ = 2... 3, а для поперечного σ = 20... 30 из-за малых подач на зуб. Это означа­ет, что условия размещения во впадинах и транспортировки стру­жек из пропила остаются нормальными.

В практических расчетах энергозатрат на процесс пиления при проектировании привода круглопильных станков, определении силовых воздействий на инструмент и элементы станка вычисля­ют среднюю цикловую касательную силу.

Средняя цикловая касательная сила — это условная постоянная касательная сила F_xц, которая, действуя на пути, равном длине окружности пилы 2πR (один оборот — цикл главного движения), совершает ту же работу, что и средняя касательная сила на зубе F_xcp за один оборот пилы:

где z — число зубьев пилы (за один оборот пилы каждый зуб прой­дет через пропил, совершая работу, равную F_xcpl).

Из равенства следует

где z_рeж — число одновременно режущих зубьев (величина средне­взвешенная, не округляемая до целых единиц).

Средняя касательная сила на зубе F_xcp — это условная посто­янная касательная сила, которая, действуя на пути, равном длине срезаемого слоя l, совершает ту же работу, что и фактическая пе­ременная касательная сила на пути, равном фактической дуге кон­такта резца с древесиной.

Сила F_xcpотнесена к средней точке дуги контакта С (см. рис. 24, б), положение которой определяет угол φ_ср. Величину ее рассчитыва­ют по формуле

где F_xT — табличное значение касательной силы для процесса продольного пиления круглой пилой, взятое для толщины срезае­мого слоя а_ср в средней точке дуги контакта, Н/мм (табл. 14); b — ширина срезаемого слоя, мм; а_попр — общий поправочный мно­житель, учитывающий отличие расчетных условий пиления от табличных.

Таблица 14.Табличная касательная сила F_xT и удельная работа К_т для продольного пиления круглой пилой

Примечание: Сосна, W = 10... 15 %; t = 50 мм, φ_в = 60°; V = 40 м/с; зубья острые; δ = 60°.

Максимальная касательная сила

где а_тах=а_вых — максимальная толщина слоя (вблизи точки выхо­да); а_ср — средняя толщина слоя.

Максимальная нормальная сила

По средней цикловой силе вычисляют мощность резания Р_р, Вт:

Мощность резания может быть вычислена также по объемной формуле

где К_Т — табличное значение удельной работы продольного пиле­ния круглой пилой (см. табл. 14), Дж/см³; а_попр — общий поправоч­ный множитель, учитывающий отличие расчетных условий от таб­личных.

Наибольшую скорость подачи v_s(р), допустимую по условию пол­ного использования заданной мощности резания Р_р, рассчитыва­ют по преобразованной объемной формуле

По табл. 14 находят значение средней толщины срезаемого слоя а_ср, соответствующее вычисленной табличной силе F_XT. Затем по а_српо­следовательно в соответствии с формулами (112), (111), (101) опре­деляют а_серед, S_z.v_s.

При поперечном резании расчет сил резания сложнее. Средняя карательная сила на зубе F_xcpисчисляется через табличную каса­тельную силу F_XT(табл. 15), отнесенную к единице ширины про­пила, а не фактического срезаемого слоя и выбираемую в зависи­мости от кинематической, а не средней по сечению толщины струж­ки на середине дуги контакта:

В этой же таблице приведены табличные значения удельной работы поперечного пиления К_Т.

Таблица 15. Табличная касательная сила F_Т и удельная работа К_Т для поперечного пиления древесины круглой пилой

Примечание: Сосна, W = 15%, зубья острые.

Особенности пиления древесных материалов. Для пиления дре­весно-стружечных плит общий характер зависимости касательной и нормальной сил резания и шероховатости обработанной поверх­ности от средней толщины срезаемого слоя остается тем же, что и для пиления древесины. В табл. 16 приведены ориентировочные дан­ные по пилению ДСтП круглой пилой.

Таблица 16.Табличная касательная сила F_xr и удельная работа К_Т для пиления древесно-стружечной плиты круглой пилой

Примечание: Количество связующего 8 %, зубья острые, v = 40 м/с, В_пр = 3 мм, В = 1,7 мм, φ_ср = 35⁰.

Качество распиливания ДСтП характеризуется величиной ско­лов на кромке (измеряется по пласти плиты в направлении, пер­пендикулярном плоскости пропила) и шероховатостью поверхно­сти пропила (главным образом величиной неровностей разруше­ния и ворсистостью).

Сколы являются следствием отслоения поверхностных частиц плиты под силовым воздействием зубьев на входе в материал или на выходе из него. Величина сколов может быть сведена к миниму­му за счет правильного выбора геометрии зубьев пилы (переднего угла и угла косой заточки), обеспечения надлежащего подпора по пласти плиты вблизи кромки пропила, исключения возможности работы затупленным инструментом. Шероховатость поверхности пропила в значительной мере зависит от средней толщины среза­емого слоя (подачи на резец). При этом показатели шероховатости ухудшаются с уменьшением плотности плит и содержания связу­ющего.

Для получения удовлетворительного качества поверхности про­пила рекомендуются следующие подачи на зуб пилы: 0,03... 0,05 мм для плит плотностью 700 кг/м³ и с содержанием связующего ме­нее 8 %; 0,05...0,1 мм для плит плотностью 900 кг/м³ и с содержа­нием связующего 8... 12 %; 0,15...0,25 мм для плит плотностью свы­ше 900 кг/м³ и с содержанием связующего свыше 12 %.

При пилении ДСтП, облицованных декоративным пластиком, предъявляются повышенные требования в отношении сколов по поверхности облицовки. Определены условия чистового пиления, при которых длина сколов не превышает 50 мкм: пила минимального диаметра с
зубьями, оснащенными пластинами твердого сплава, γ = -10°, α = 15°, β = 70°, φ_бок < 13 мкм, v== 40... 50 м/с, S_z < 0,03 мм. ДСтП, облицованные шпоном, можно распиливать поперек волокон облицовки теми же пилами при несколько большей подаче на зуб: S_z≤ 0,05 мм.

Наиболее часто пилением обрабатывают древесный слоистый пластик ДСП-Б, в котором через каждые 1...2 параллельных слоя шпона один слой расположен под углом 90° к ним.

Структура пластика (рис. 26) предопределяет использование следующих видов пиления: поперек волокон 5 и вдоль волокон в направлении прессования 3, перпендикулярно направлению прессования 1, параллельно клеевым слоям 4 и вдоль волокон с перерезанием их в торец 2. Величина удельной работы и реко­мендуемые параметры пиления ДСП круглой пилой приведены в табл. 17 и 18.

Таблица 17 Удельная работа пиления ДСП круглой пилой

Таблица 18. Рекомендуемые углы зубьев пилы и величина подачи на зуб

По виду боковых поверхностей пильного диска (по форме по­перечного сечения) различают плоские, конические и строгаль­ные (с поднутрением боковых поверхностей) круглые пилы.

Плоские пилы. Конструктивные характеристики пил регламен­тируются ГОСТ 980 — 80 «Пилы круглые плоские для распиловки древесины» и ГОСТ 9769—79 «Пилы дисковые дереворежущие с пластинками из твердого сплава».

Пилы для распиловки древесины (рис. 27) изготавливают из стали 9ХФ двух типов: А — для продольной распиловки, Б — для попереч­ной. При использовании пил в различных деревообрабатывающих про­изводствах требуется большое разнообразие их типоразмеров. Диаметр пил колеблется в пределах 125... 1600 мм, толщина диска 1,0... 5,5 мм, число зубьев 24... 72 у пил типа А и 60... 120 у пил типа Б. Углы зубьев установлены с учетом условий работы главного (короткого) и боко­вых лезвий зуба при продольном и поперечном пилении.

Пилы типа А (см. рис. 27, б) для продольного распиливания выпускаются в двух исполнениях: исполнение 1 — с ломано-ли­нейной задней поверхностью зубьев и исполнение 2—с прямоли­нейной задней поверхностью зубьев. Пилы типа А исполнения 2 диаметром 125...250 мм с увеличенным числом зубьев применяют в основном в электрифицированном ручном инструменте, на бы­товых деревообрабатывающих и фрезерных станках.

Пилы типа В (см. рис. 27, б) для поперечного распиливания также имеют два исполнения: исполнение 3 — с передним углом, равным нулю, и исполнение 4— с отрицательным передним углом. Пилы исполнения 3 применяют на круглопильных станках с нижним рас­положением шпинделя, исполнения 4 — на станках с верхним рас­положением шпинделя относительно распиливаемого материала.

Углы зубьев круглых плоских пил, °

Нормальная устойчивая работа круглой пилы возможна только в случае правильного выбора диаметра и толщины диска, а также ди­аметра шайбы, закрепляющей пилу на шпинделе станка. Наимень­ший диаметр D_min, мм, пильного диска определяется толщиной рас­пиливаемого материала и диаметром фланца для закрепления пилы на шпинделе станка (для пил с расположением шпинделя над и под распиливаемым материалом соответственно) по соотношениям

где t — высота пропила, мм; d_ф — диаметр зажимного фланца, мм; h₃ — наименьший выход пилы из пропила, примерно равный высоте зуба пилы, мм; h — наименьшее расстояние от оси пилы до стола станка, мм.

Начальный диаметр диска D = D_min + 2Δ, где Δ — запас по радиусу на износ, мм (Δ ≈ 25 мм).

Толщина пильного диска, мм, выбирается в зависимости от диаметра:

Прочие размеры профилей зубьев вычисляют по формулам: шаг зубьев t₃, мм, при толщине диска b, мм:

высота зуба h₃, мм:

Число зубьев z, шт.:

Радиус впадины r, мм:

Изготавливают круглые пилы из инструментальной легирован­ной стали 9ХФ, HRC₃ 40... 45 в соответствии с требованиями стан­дарта по утвержденной технической документации.

Плоские пилы с пластинками из твердого сплава.Эти пилы (рис. 28) применяют для распиловки древесных материалов (ДСтП, ДВП, клееной древесины), а также цельной древесины (ГОСТ 9769—79).

Режущие пластины зубьев пилы изготавливают из металлоке­рамического сплава карбида вольфрама и кобальта ВК6, ВК15, а корпус пилы — из инструментальной легированной стали 50ХФА или 9ХФ, HRC₃ 40...45. По технологическому назначению пилы подразделяются на три типа (табл. 19).

Таблица 19. Размеры и углы зубьев дисковых плоских пил с пластинками из твердого сплава (см. рис. 28)

Пилы круглые (дисковые) конические. Конические пилы (рис. 29, а) применяют для ребровой распиловки пиломатериалов на тонкие до­щечки в целях уменьшения отходов древесины в опилки (ширина пропила почти вдвое меньше, чем при пилении плоскими пилами). Толщина отпиливаемых дощечек не должна превышать 12... 18 мм, иначе пила не сможет отгибать их в сторону и произойдет закли­нивание ее в пропиле. Для несимметричной распиловки использу­ют односторонние конические пилы (лево- и правоконические), для симметричной распиловки — двусторонние.

Размеры односторонних конических пил: диаметр 500... 800 мм, толщина центральной части диска 3,4...4,4 мм, толщина зубьев 1,0...1,4 мм, число зубьев 100; диаметр посадочного отверстия 50 мм. Зубья пил имеют передний угол 25°, угол заточки 40°. Материал пил — сталь 9ХФ, HRC₃41...46.

Пилы круглые (дисковые) строгальные. У строгальных пил боко­вые поверхности имеют поднутрение от периферии к центру под углом 0°15’ … 0°45', вследствие чего отпадает необходимость в уширении режущего венца путем развода или плющения зубьев.

Боковые режущие кромки зубьев строгальной пилы, формиру­ющие поверхности пропила, расположены в одной плоскости. Пильный диск с поднутрением отличается устойчивостью в рабо­те, поэтому качество распиловки характеризуется малыми величинами кинематических и вибрационных неровностей. Поверхно­сти пропила по шероховатости приближаются к строганым (отсю­да и название пил).

Строгальные пилы применяют для чистовой распиловки су­хой древесины влажностью не более 20 % в любом направлении относительно волокон. Размеры пил и профили зубьев стандар­тизованы (ГОСТ 18479—73). По форме сечения различают пилы одноконусные 4 и двухконусные 5 (рис. 29, б). Последние предус­мотрены для продольной 6и поперечной 7 распиловок.

В строгальной пиле масса металла нарастает к периферии дис­ка; при значительных диаметрах диска и большой частоте враще­ния в диске могут возникать опасные разрывающие напряжения от центробежных сил. Поэтому диаметры этих пил не превышают 400 мм (160...400 мм). Материал пил — сталь 9ХФ или 9Х5ВФ, HRC₃ 51... 55.