Пиление рамными пилами

В процессе рамного пиления древесина делится полосовым многорезцовым инструментом при его возвратно-поступательном движении (рис. 8.2, а). В простейшем случае пильная рамка 1 с комплектом (поставом) пил 2 может двигаться только в вертикальной плоскости, перпендикулярной 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

, (8.10)

где V_mах — окружная скорость пальца кривошипа (точки А), м/с;

a — угол поворота пальца кривошипа от верхнего положения на вертикальном диаметре.

При a = 0 V = 0 и пильная рамка находится в крайнем верхнем положении (верхней мертвой точке — ВМТ). При a = 180° (p рад) V = 0 и пильная рамка находится в крайнем нижнем положении (нижней мертвой точке — НМТ). Расстояние между крайними положениями называется ходом пильной рамки H = 2R. Зубья пилы срезают стружки только при движении вниз — при рабочем ходе. Возврат пилы в верхнее положение — холостой ход.

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

, (8.11)

где R — радиус кривошипа, м;

n — 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, 2H, ко времени одного оборота 60/n:

. (8.12)

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

Бревно 4 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 важно для поддержания постоянных условий резания (например, толщины стружки). Это достигается тем, что привод механизма толчковой подачи 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 — см. ниже). 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 характеризуют 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:

, (8.13)

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 y (рис. 8.2, 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. Установка пил с уклоном позволяет беспрепятственно подавать бревно в период холостого хода рамки при непрерывной, толчковой за холостой ход и двухтолчковой подаче. Горизонтальное смещение е линии вершин зубьев на длине хода рамки Н является линейной характеристикой уклона, ею пользуются при установке пил:

, (8.14)

Очевидно, что минимальный уклон е должен равняться посылке бревна за время холостого хода S_х.х. Вся посылка за двойной ход S_2х равна сумме посылок за время рабочего S_р.х и холостого S_х.х ходов:

, (8.15)

При непрерывной подаче с постоянной скоростью за время холостого хода бревно проходит путь S_х.х = S_2х/2. Следовательно, минимальный уклон пил при непрерывной подаче ; при толчковой подаче за холостой ход ; при толчковой подаче за рабочий ход .

Геометрия срезаемого слоя. Рассмотрим геометрию срезаемого зубом рамной пилы слоя в плоскости пилы. При толчковой подаче за холостой ход (рис. 8.3, а) пила имеет уклон величиной . Движения бревна во время резания не происходит. Следовательно, абсолютная скорость движения зуба v_е равна скорости главного движения v. Траектории зубьев в древесине — вертикальные параллельные прямые, расстояние между которыми равно подаче на один зуб S_z:

, (8.16)

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

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

, (8.17)

где t_з — шаг зубьев пилы, мм; y — угол уклона пилы, град.

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

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

. (8.18)

При толчковой подаче за рабочий ход (рис. 8.3, б) уклон пилы не требуется, т. к. 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 во все время рабочего хода. Поэтому траектории зубьев в пропиле будут прямыми, параллельными между собой и наклонными к вертикали под углом j , величина которого зависит от соотношения скоростей подачи и резания:

, (8.19)

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

Расстояние между траекториями смежных зубьев по направлению подачи равно S_z. Кинематическая толщина слоя а

. (8.20)

При непрерывной подаче бревна с постоянной скоростью (рис. 8.3, 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

, (8.21)

где j _ср = arctg[ v_s /(60 v_max)].

Приближенно можно считать j = 1 и соsj_ср = 1.

Пила, остановившись в нижнем положении, формирует на дне пропила ступеньки несрезанной древесины abc. 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 по дну 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, т. к. 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: .

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_е = 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[1]. 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: . 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 .

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 пользуются результатами экспериментов. В табл. 8.1 показана связь между величиной подачи на зуб и высотой наибольших неровностей на поверхности пропила.

Таблица 8.1

Зависимость шероховатости поверхности пропила от подачи на зуб для рамного пиления

Высота неровностей Rm max мкм, не более	Максимально допустимая подача на зуб, мм при зубьях
плющеных	разведенных
	>1,8 1,8 1,1 0,7	>1,2 1,2 0,8 0,5

Глубина внутренних разрушений под поверхностью пропила также зависит прежде всего от подачи на зуб (табл. 8.2).

Таблица 8.2

Показатель качества поверхности пропила при рамном пилении сосны в зависимости от подачи на зуб

Показатель качества	Подача на зуб, мм
0,5	1,0	1,5	2,0	2,5
Толщина поверхностного слоя, ослаблен­ного разрушениями, мм	0,59	0,93	1,32	1,45	1,64

 

Мощность резания, Вт, вычисляют по формуле

, (8.22)

где К_т — удельная работа рамного пиления для условий, указанных в табл. 8.3 (табличное значение), Дж/см³;

а_попр —общий поправочный множитель, учитывающий конкретные условия пиления;

В_пр — ширина пропила, мм;

S t— сумма высот всех пропилов, мм;

v_s — скорость подачи, м/мин.

Величину S t вычисляют как произведение средней высоты пропила t_ср на число пил в поставе i.

; , (8.23)

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

Удельная работа К определяется как произведение табличного значения удельной работы для данного процесса резания К_т (табл. 8.3) на общий поправочный множитель а_попр, учитывающий отличие расчетных условий резания от табличных:

. (8.24)

Выражение в формуле (8.22), взятое в скобки, есть объем древесины, превращаемой в стружки (опилки) за 1 с, см³/с.

Формула (8.22) дает среднюю мощность, затрачиваемую на резание, относящуюся в равной степени к рабочему и холостому ходам. По Р_р можно вычислить условную среднюю силу резания F_xц, постоянную по величине, действующую во время полного оборота кривошипа, Н:

F_xц = P_p/v_ср. (8.25)

Таблица 8.3

Значения К_т и F_xт для рамного пиления сосны *

аср, мм	Fxт, H/мм, при средней высоте пропила tср, мм	Kт, Дж/см3, при средней высоте пропила tср, мм
0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4

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

 

Если принять приближенно, что фактическая сила резания во время холостого хода F_{х х.х} = 0, можно определить фактическую силу резания, действующую во время рабочего хода F_{х р.х}.

Работа условной средней силы резания F_{x ц} за один оборот кривошипа (двойной ход рамки)

А_р = F_{x ц}2H; (8.26)

Работа фактической силы резания за время рабочего хода

A_p = F_{x p.x}H. (8.27)

Из последних выражений следует:

F_{x p.x} = 2F_{x ц}. (8.28)

Зависимость (8.28) 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 опытных диаграмм изменения сил резания.

Пусть аналитическим путем или по эмпирическим данным определены касательная F_х 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_хр.х и F_zр.х определяются как произведения соответствующих сил на одном зубе F_х и F_z на число одновременно режущих зубьев z_реж одной пилы и на число пил i, установленных в поставе:

, , (8.29)

, (8.30)

где t_з — шаг зубьез пилы.

Табличная касательная сила F_хт наделена тремя свойствами: 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:

, (8.31)

где F_{х т} — табличная сила, Н/мм;

a_попр — общий поправочный множитель, учитывающий конкретные условия пиления;

b — ширина срезаемого слоя, мм.

Табличная сила F_{х т} при рамном пилении зависит только от средней толщины срезаемого слоя а_ср и средней высоты пропила t_ср (табл. 8.3). Напомним, что a_ср зависит от способа уширения пропила (8.8),(8.9).

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 d, толщины срезаемого слоя а (или S_z) и остроты главного лезвия r она может быть отжимающей или затягивающей древесину. Во время холостого хода сила F_z всегда является силой отжима.

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

. (8.32)

Переходный множитель m в общем случае является функцией толщины срезаемого слоя а (S_z), угла резания d и остроты лезвия r.

Нормальная сила F_z, переменная во время рабочего и холостого ходов, за цикл совершает работу А_s, расходуемую на подачу бревна. Если допустить, что F_{z p.x} » F_{z x.x} » F_{z ц}, получим

A_s » F_zц S_2x/1000. (8.33)

Мощность, расходуемая на подачу (Вт):

, (8.34)

где F_zц — условная постоянная во время цикла (цикловая) нормальная сила, Н;

v_s — скорость подачи, м/мин.

При допущениях, сделанных для формулы (8.33), можно считать F_zц » mF_{x ц}.

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:

, (8.35)

где q — коэффициент формы зуба (0,4...0,5 – для разведенных и 0,5 – для плющенных зубьев рамных пил);

t_з — шаг зубьев, мм;

t_mах — максимальная высота пропила (комлевой диаметр бревна), мм;

s_min = 0,5.

Рамная пила представляет собой стальную полосу, по рабочей кромке которой насечены зубья. Различают пилы для вертикальных лесопильных рам с приклепанными планками длиной 1250…1950 мм, шириной 180 мм, толщиной 2,0…2,5 мм (тип А, рис. 8.4, а) и без планок длиной 1100, 1250 мм, шириной 160 мм, толщиной 1,6…2,2 мм (тип Б, рис. 8.4, б); для тарных лесопильных рам без планок длиной 600, 685 мм, шириной 80 мм, толщиной 1,0…1,4 мм (тип Б, рис. 8.4, г); для горизонтальных лесопильных рам длиной 2300 мм, шириной 160 мм, толщиной 2,0 мм, имеющие чередующиеся по направлению участки зубьев (рис. 8.4, д). 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_mах

L = 300 + t_max + H, (8.36)

где 300 — длина части пилы, занимаемой крепежной оснасткой (верхними и нижними захватами, прокладками), мм.

Ширина пилы выбирается с учетом расстояния между передними и задними вальцами лесопильной рамы. Для долговечности инструмента имеет смысл выбирать широкие пилы (В_п = 200 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

. (8.37)

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

Шаг зубьев t_з должен быть увязан с работоспособностью впадины. Из уравнения (8.6) следует, что

. (8.38)

Существенная характеристика рамных пил — геометрия зубьев (рис. 8.4, в). Поскольку пилы предназначены для продольного распиливания, геометрия зубьев отражает особенности этого вида резания. По ГОСТ 5524–75 предусматривается один профиль зубьев — с ломанолинейной задней гранью. Угол резания главного (короткого) лезвия зуба d = 75°; g = 15°; b = 47°; a = 28°; t_з = 18...40 мм; h_з = 16...26 мм; l_з = 7...16 мм; r = 3...8 мм. Такую геометрию можно считать удовлетворительной: 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 d_бок = 90°. Косая заточка зуба, т. е. угол резания для боковых кромок d_бок = 60°, желательна, но это усложняет подготовку пил, а заметного снижения усилий или шероховатости поверхности пропила не дает. Задний угол a может быть уменьшен (усилия по задней грани растут при a<10°), однако это вызывает уменьшение емкости впадины между зубьями, что может снизить производительность процесса резания. Реже применяются не предусмотренные ГОСТ рамные пилы с прямой задней гранью для обработки мягкой древесины (g = 12°; b = 33°; a = 45°; d = 78°) и с криволинейной задней гранью для обработки твердых пород (d = 80…84°).

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) мм; по шагу и высоте зубьев ±0,5 мм; по угловым величинам ±2°. Шероховатость боковых поверхностей R_а = 1,25 мкм; передней и задней граней R_z = 20 мкм. Материал рамных пил — легированная сталь 9ХФ или 9ХФМ. Их твердость после закалки должна быть в пределах НRС_Э 43...47. Зарубежные рамные пилы также производятся из легированных сталей, среди наилучших марок заслуживает внимания никелесодержащая UNB15N20 шведской фирмы «Uddeholm».