Сравнительная оценка резания древесины и композиционных древесных материалов

Сравнение показателей резания ЦСП, ДСтП и древесины различных пород позволяет выявить влияние на процесс обработки особенностей строения и свойств ПКДМ.

Результаты опытов подтверждают, что наименьшие касательная и нормальная силы резания - при плоском резании ПКДМ, а наибольшие - при продольном. Соотношение величин сил при различных направлениях резания несколько изменяется с изменением толщины срезаемого слоя и величины переднего угла. При увеличении толщины срезаемого слоя соотношение величин касательных сил резания также увеличивается, как и при увеличении переднего угла. Описанные зависимости говорят, что процесс резания ПКДМ при различной толщине срезаемого слоя протекает по-разному.

При прямолинейном резании для сравнения были выбраны образцы ЦСП, необлицованной ДСтП и древесина березы, которая используется для изготовления плит (ГОСТ 9462-71), как обладающая повышенными прочностными свойствами по сравнению с хвойной древесиной. Наибольшие касательные силы (рис. 6.1) возникают при резании древесины березы в торец и при продольном резании ДСтП и ЦСП для всех толщин срезаемого слоя в диапазоне 0,05 - 0,5 мм. Соотношение для касательных сил примерно 2,2 : 1,5 : 1, для нормальных сил (рис. 6.2) - 2,1 : 1,4 : 1. Наименьшие силы были отмечены при резании березы вдоль и поперек волокон.

Были проведены сравнительные опыты по цилиндрическому фрезерованию необлицованной ДСтП, древесины дуба, березы, сосны, ели и ЦСП. Образцы из древесины фрезеровались вдоль волокон, а стружечных плит - по кромке. Результаты опытов сведены в табл. 6.1.

Таблица 6.1

Результаты опытов по фрезерованию ДСтП, ЦСП, древесины (D = 143 мм; n = 2751 мин^-1; t = 8 мм;

S_z = 1,6 мм; b = 16 мм; g = 15^о; b = 64^о; a = 11^о)

Анализ опытных данных показал, что касательная сила резания при фрезеровании ЦСП и дуба примерно одинакова и больше, чем при резании остальных пород древесины. Соотношение примерно следующее - сосна : ель : береза : дуб : ЦСП : ДСтП = 1 : 1,69 : 2,11 : 2,73 : 2,80 : 3,04. Нормальные силы резания находятся в соотношении: сосна : ель : береза : дуб : ЦСП : ДСтП = 1 : 1,47 : 1,58 : 1,56 : 1,66 : 1,59.

Для исследования использовались ЦСП, трехслойные необлицованные ДСтП и гипсостружечные плиты (табл. 6.2). ЦСП изготавливались из стружек окоренной древесины хвойных пород и портландцемента. Плиты имели защитный наружный слой, полученный рассеивающей сепарацией, и не шлифовались.

Таблица 6.2

Свойства стружечных плит, использованных для испытаний на фрезерование

Гипсостружечные плиты лабораторного изготовления изготовлены из окоренной сосновой стружки и штучного гипса. Соотношение древесина - связка = 0,25, вода - связка = 0,40. Промышленные гипсостружечные плиты изготавливались из удобрений фосфо-гипса продукта и окоренной древесины сосны с поверхностным слоем из мелкой стружки и большим содержанием гипса.

На рис. 6.3 сопоставлены измеренные при фрезеровании различных видов стружечных плит мощности и средние силы резания. У заточенных резцов (L_ф = 0 м) они находятся между 168 Вт или 4,2 Н и 256 Вт или 6,4 Н. При затупленных резцах (L_ф = 5285 м) мощность и силы были на 17...30% больше, чем при острых. В качестве критерия обрабатываемости плит могут быть взяты, главным образом, величины для острых резцов, так как по мере затупления состояние резцов при обработке различных материалов также различно. Максимальные средние силы резания находятся в соотношении ГСП (лабораторные) : ГСП (промышленные) : ДСтП : ЦСП = 1 : 1,1 : 1,5 : 1,4 .

Если выделить из приведенных результатов данные по ДСтП и ЦСП, то можно отметить примерно один уровень энергетических затрат при обработке этих материалов. С одной стороны ДСтП имеют более высокие показатели механической прочности и, казалось бы, силы резания должны быть больше при их фрезеровании. С другой стороны, плотность ЦСП почти в два раза больше, а этот фактор имеет существенное значение: величина касательной силы при обработке плит на неорганической связке прогрессивно увеличивается вместе со средней плотностью.

При этом еще необходимо учитывать влияние скорости резания. Ряд факторов вызывают изменение сопротивляемости древесины с увеличением скорости резания: ускорение стружки; изменение прочностных свойств обрабатываемого материала с изменением скорости резания (нагружения); изменение прочностных свойств обрабатываемого материала в связи с местными изменениями температуры объекта обработки; изменение условий трения между стружкой и передней гранью резца с изменением скорости резания.

Этими же причинами можно объяснить и то, что если при прямолинейном резании силы резания плит меньше, чем у дуба, то при фрезеровании проявляется влияние сил инерции стружки.

Сравнение касательных сил резания при прямолинейном продольном резании и фрезеровании кромки ЦСП и ДСтП показывает, что в первом случае они больше на 50% для ДСтП, а при фрезеровании практически равны. При прямолинейном резании со скоростью 0,5 мм/с силы инерции очень малы и сказывается более высокая прочность ДСтП.

При сверлении острым сверлом (D = 20 мм; S_z = 0,2 мм) соотношение крутящего момента, а следовательно, касательных сил резания выражается количественно в виде – сосна : ДСтП : ЦСП : дуб = 1 : 1,2 : 1,6 : 2,2. При сверлении главная режущая кромка сверла, на которую приходится до 60% сил резания, режет в плоскости плиты. В этом направлении силы резания меньше, чем в продольном или в поперечном, и соотношение в силах между стружечными плитами и древесиной дуба, полученное при прямолинейном резании, сохраняется.

Для осевого усилия при сверлении соотношение сил – сосна : ДСтП : дуб : ЦСП = 1 : 2,5 : 3,2 : 4,4. Здесь сказывается работа задней грани, имеющей при сверлении большое влияние на осевое усилие. Вообще, несмотря на меньшую прочность ЦСП, силы при их сверлении весьма высоки.

В сравнительных экспериментах по пилению образцы из древесины сосны, березы и дуба распиливались в продольном направлении, а ДСтП и ЦСП распиливались по пласти (табл. 6.3).

Таблица 6.3

Результаты опытов по пилению ЦСП, ДСтП и древесины (D = 355 мм; j_з = 20^о; g = 10^о; В_пр = 4 мм;

L_ф = 8 км; S_z = 0,163 мм; ВК15; ЦСП толщиной 26 мм и плотностью 1250 кг/м³)

Анализ результатов показывает, что касательные силы находятся в соотношении – сосна : ДСтП : ЦСП : береза : дуб = 1 : 1 : 1,2 : 1,65 : 1,74, а нормальные силы резания в соотношении – сосна : береза : ДСтП : дуб : ЦСП = 1 : 1,31 : 1,47 : 2,02 : 2,55.

На соотношение касательных сил при пилении так же как при сверлении сказывается, что главная режущая кромка режет в наименее прочном направлении, в данном случае - поперечное резание. Поэтому плиты уступают твердым породам древесины по энергоемкости процесса.

При пилении ЦСП возникают значительно большие нормальные силы резания, чем для других сравниваемых материалов. Это еще раз свидетельствует о том, что при обработке ЦСП сильно выражена работа задней грани резцов.

Несмотря на имеющиеся различия в строении и свойствах древесины и ПКДМ, базовые качественные зависимости энергетических показателей процессов сложного резания (силы и мощность резания, удельная работа резания) от подачи на резец остаются такими же, как и для древесины.