Под механическими свойствами понимается сопротивление древесины воздействию внешних сил, под действием которых заготовки изменяют свои размеры и форму. К основным механическим свойствам относятся: прочность, упругость, вязкость и гвоздимость (таблица 12.1).
Таблица 12.1
Свойства некоторых видов древесины
Плотность, г/см³
Коэффициент усушки
Пределпрочности растяжениипри вдольволокон, σ
Твердость, НВ, МПа
радиальный
торцевой
обьемный
торцевая
радиальная
тангенциальная
Порода
МПа ,
деревьев
в
Береза
0,64
0,28
0,34
0,64
161,0
42,3
33,6
30,0
Бук
0,68
0,18
0,35
0,52
117,8
55,6
39,4
40,3
Груша
0,72
0,19
0,28
0,49
135,0
72
54,0
55,1
Дуб
0,76
0,18
0,28
0,48
–
65,3
53,6
65,8
Ель
0,46
0,18
0,32
0,52
106,1
24,1
17,3
16,8
Клен
0,70
0,20
0,32
0,54
–
69,0
50,6
53,7
Липа
0,50
0,23
0,33
0,58
115,8
23,4
15,6
16,3
Лиственница
0,68
0,21
0,40
0,62
122,7
40,3
28,0
27,8
Ольха
0,53
0,17
0,30
0,49
96,3
36,7
24,8
26,4
Сосна
0,51
0,68
0,31
1,51
100,9
26,2
21,7
22,3
Исходным сырьем для изготовления деталей и изделий из древесины являются лесоматериалы. Они могут применяться в натуральном виде (пиломатериалы, фанера), а также после специальной химической обработки (пластины, плиты). По способу переработки натуральные лесоматериалы классифицируются на круглый, брусковый и пиленый лес.
Круглый лес имеет ограниченное применение, для упаковки, погру- зочно-разгрузочных и монтажных работ. Брусковый лес – бревна, опиленные с одной, двух или четырех сторон. Пиленый лес – бревна или бруски, распиленные вдоль волокон на большое количество частей.
Шпоном называется тонкий слой древесины, получаемый на специальных станках и используемый как полуфабрикат для изготовления слои-
355
стых материалов, или как материал для отделочных работ. В зависимости от технологии изготовления различают строганный и лущеный шпон. Лущеный шпон получают путем снятия непрерывной ленты с вращающегося кряжа, предварительно обработанного и раскроенного. Строганый шпон изготавливают на специальных строгальных станках из ценных декоративных пород деревьев и используют в качестве облицовочного материала.
Фанерой называют листовой материал, полученный путем склеивания трех и более слоев лущеного шпона. В качестве клеящих веществ применяют альбуминовые и казеиновые клеи, а также клей на основе фенолоформальдегидной смолы. Для изготовления деталей применяют многослойную (более 7 слоев) или плиточную фанеру.
Древопластики – это пластины, наполнителями в которых являются измельченная древесина, опилки, стружка, щепка, лом шпона и др.
К древесным пластинам относятся древесно-стружечные и древесноволокнистые плиты, древесные слоистые пластики, и др. Древесностружечные плиты изготавливают методом горячего прессования древесных частиц (мука, опилки, стружка) смешанных с вяжущим материалом.
Древесно-волокнистые плиты получают горячим прессованием волокнистых древесных материалов. Древесно-слоистые пластины – это горячее прессование различных пород древесины, листы шпона, пропитанные синтетическими смолами.
12.3 Процесс резания древесных материалов
Под резанием древесины понимают все виды и способы механической обработки, основанные на деформации припуска и превращении его в стружку. Существуют также способы обработки древесины, при которых стружка в виде отхода не образуется или стружка является основным продуктом. К таким видам механической обработки относится лущение, рубка и строгание шпона.
356
Рисунок 12.5 – Геометрия и микрогеометрия резца:
а – главный вид; б – вид на переднюю поверхность; в, г – продольная микрогеометрия, соответственно, острого и затупленного лезвия; д, е, ж – поперечная часть лезвия: идеальная, округленная, изношенная; Vр – скорость резания; Пп – передняя поверхность;
В– вершина лезвия; p – радиус округления; p1 – то же изношенной кромки;
x– ширина износа; β – угол заточки (заострения)
Механическая обработка древесных материалов – одна из трудоемких недостаточно автоматизированных технологических операций в деревообработке. Широкому внедрению автоматизированного производства предшествует отсутствие универсального режущего инструмента, пригодного для резки и раскроя разнообразных по форме и размерам древесных материалов.
При анализе процесса резания достаточно ограничиться рассмотрением поперечного режущего клина (элемента резца). Резец имеет клиновидную форму (рисунок 12.5).
Различают главное лезвие Лг и боковое Лб. Сопряжение главного и боковых лезвий называют вершиной резца В. Для анализа процесса резания недостаточно определить лезвие как геометрическую линию пересечения двух поверхностей резца. Такое лезвие может иметь только идеальный, абсолютно острый резец. У реального резца лезвие представляет собой переходную кривую поверхность, по которой сопрягаются передняя и задняя или боковая поверхности. Характеристика переходной поверхности объединяются в понятие
а – схема положения координатных плоскостей; б – схема резания с наклонном лезвия; в – схема резания при дополнительном движении резца Vg; г – технологический угол и угол движения при сложении скоростей Vr и Vs; д – по теории сложения скоростей Vr и Vg
Важнейшей угловой характеристикой является угол заточки β и каждому лезвию соответствует свой угол заточки (рисунок 12.6).
12.4 Ручной дереворежущий инструмент
Резец по дереву имеет две грани (рисунок 12.7): переднюю 1, по которой сходит стружка и заднюю 2, которая обращена к обработанной поверхности 3. Острие резца, образуемое пересечением передней и задней гранями, дает режущую кромку. Вся острая часть резца называется лезвием [43, 85, 100, 109].
358
Рисунок 12.7 – Резец по дереву: 1 – передняя грань; 2 – задняя грань; 3 – обработанная поверхность
Угол между передней и задней гранями, образующих режущую кромку, называется углом заострения резца β. Угол между передней гранью и плоскостью резания называется углом резания δ. Угол между задней гранью и плоскостью резания называется задним углом α. Угол между передней гранью и нормалью к плоскости резания называется передним углом γ. Между собой углы резца связаны следующей зависимостью: α + β = δ; α + β + γ = 90˚. Когда угол резания δ больше 90˚ передний угол γ считается отрицательным и записывается со знаком ( – ).
Ввиду того, что древесина имеет волокнистое строение и неоднородность свойств в различных направлениях, рассматривают три основных случая резания: вдоль, поперек волокон и торцовое. Стружка может разламываться или сходить с резца в виде спирали. Форма стружки зависит от ее толщины, состояния древесины, формы резца и т. п. При резании вдоль волокон все слои подрезаются не задираясь, образуя гладкую поверхность. При резании взадир подрезаемые волокна задираются, вследствие чего обработанная поверхность получается шероховатой (с задирами).
Резание в торец производится поперек волокон, перпендикулярно их направлению. В этом случае волокна перерезаются и получается стружка скалыванием, которая рассыпается в виде мелких частиц.
Торцовое резание самое тяжелое. Его в 2–2,5 раза тяжелее осуществлять, чем вдоль волокон.
359
При резании поперек волокон резец движется параллельно заготовке в поперечном направлении. Стружка получается ломкой. Обработанная поверхность получается шероховатой. Поперечное резание является самым легким. Оно в 2–3 раза легче резания вдоль волокон.
При обработке древесины резанием применяются различные операции: пиление, строгание, долбление, сверление, и др. Выполняя эти операции в определенной последовательности, получают детали, а производя сборку деталей – изделия.
Резание пилами осуществляют вдоль и поперек волокон. Каждому из этих видов пиления соответствует особая форма зубьев. Для продольного пиления применяются пилы с косоугольными зубьями и острым углом резания в 45–60˚ направленным под наклоном в сторону резания (рисунок 12.8).
Пила является сложным инструментом, представляющая собой систему резцов (зубьев), каждый из которых имеет три режущие кромки – короткую 1, 2 и две боковые 1–4, 2–3(рисунок 12.8 а, б). Для поперечного распиливания зубья пил имеют вид равнобедренных треугольников (рисунок 12.8 в), позволяющих производить распиливание древесины без холостого хода при движении пилы в обе стороны. Зубья такой пилы имеют двухстороннюю заточку для перерезания волокон.
Рисунок – 12.8 Элементы пил:
а – схема зубьев; б – косоугольная; в – равнобедренная; г – прямоугольная; 1–2– лезвие зуба; 3 – впадина зуба
360
Пилы для смешанного пиления имеют увеличенные зубья в виде прямоугольных треугольников (рисунок 12.8, г) с прямым углом, направленным в сторону пиления.
Строганием заготовке придается геометрически правильная форма и гладкая поверхность. Для этой цели служат струги. Струг состоит из деревянной или металлической колодки, стального резца – ножа и клина.
Для первой грубой (черновой) обработки древесины вдоль, поперек и под углом к волокнам служит шерхебель. Его нож шириной 35 мм имеет закругленное лезвие, которое оставляет после себя следы в виде желобков. Нож шерхебеля ставится под углом 45˚ к подошве колодки. Он выступает от подошвы до 3 мм.
Одинарный рубанок имеет один нож шириной 40 мм установленный под углом 45˚ к подошве колодки с выпуском до 1 мм. Он применяется для обработки после шерхебеля. Стружка сходит непрерывно без заламывания, поэтому могут быть задиры от отклонения волокон.
Двойной рубанок отличается от одинарного тем, что дает чистую гладкую поверхность за счет установки второго ножа, который называется горбатиком или стружколомателем.
Фуганок служит для окончательного чистового строгания, а также для прифуговки отдельных заготовок. Он представляет собой удлиненный (почти в 3 раза) рубанок с колодкой длиной до 1000 мм. При работе фуганок сначала дает прерывистую, а затем непрерывную стружку, показывающую завершение процесса строгания.
Шлифтик – укороченный рубанок для окончательной зачистки деталей. Он имеет узкую щель и увеличенный угол присадки.
Цинубель – применяется для придания поверхности шероховатости, при оклейке и склеивании древесины. Нож установлен под углом 80˚ и имеет зазубрины.
Торцовый рубанок служит для строгания торцов. В нем нож устанавливается под углом 30˚ к продольной оси.
361
Применяются также различные фигурные рубанки. Например, фальцубель служит для отбора фальца, шпунтубель – для выстрагивания пазов, калевка и отборники – для отборки фигурных профилей, горбач – для строгания вогнутых и выпуклых поверхностей.
Долбление служит для получения в древесине гнезд, проушин, отверстий при помощи долот, стамесок и фасонных резцов. Каждый из этих инструментов представляет собой стальной резец с лезвием, имеющим прямую или фигурную режущую кромку с односторонней заточкой.
Зачистку гнезд, снятие фасок и обрезку торцов производят стамесками. Стамески бывают плоские и полукруглые. Угол заточки стамески – 30˚.
Сверление служит для получения в древесине круглых цилиндрических отверстий с помощью различных инструментов – сверл. Перовые сверла имеют желобчатую форму, которая необходима для вывода стружки. Центровые сверла имеют режущую часть, состоящую из подрезателя, лезвия и направляющего острия. Винтовые сверла применяют для сверления глубоких отверстий поперек волокон древесины. Рабочая часть сверла имеет винт с мелкой резьбой. Спиральные сверла выпускаются с центром, подрезателем и конической заточкой. Стружка отводится по специальной канавке. Бурав представляет собой сверло с конической рабочей частью и спиралью. Его используют для сверления глубоких отверстий.
Однако, более производительная механическая обработка древесины осуществляется на станках. Наиболее распространены станки по дереву следующие: круглопильные, ленточнопильные, строгальные, фрезерные, токарные, долбежные, шлифовальные и др.
362
12.5 Принципиальные схемы механической обработки древесины
Все принципиальные схемы, по которым осуществляется механическая обработка материалов резанием, основаны на сочетании двух элементарных движений: прямолинейного и вращательного [100].
Кинематика резания рассматривает движения, возникающие в процессе обработки в период рабочего цикла: с момента, когда лезвие инструмента вступает в контакт с заготовкой, и до момента, когда этот контакт прекращается.
Результирующее движение резания является следствием нескольких одновременно осуществленных движений: главного движения резания со скоростью резания V, главного движения подачи со скоростью Vs, вспомогательного движения со скоростью Vb. Вектор скорости результирующего движения Vp равен:
Vp = V + Vs + Vb.
(12.1)
Поскольку вспомогательные движения не являются взаимосвязанными с двумя главными движениями, поэтому 12.1 можно заменить на 12.2:
Vp = V + Vs.
(12.2)
Первичная обработка осуществляется распиливанием бревен на пиломатериалы с помощью вертикальных лесопильных рам, оснащенных набором полосовых пил, натянутых в пильной раме и совершающих возвратнопоступательное движение от кривошипно-шатунного механизма. Пиление происходит за один рабочий ход (в одну сторону).
Средняя скорость резания при пилении на лесопильных рамах определяется по формуле:
Vm = 2Hn/60×1000 = Hn/30×1000 = Hω/π1000,
(12.3)
363
где H – величина хода пильной рамы, мм;
n – частота вращения коренного вала, мин¯¹;
ω– угловая скорость пальца кривошипа, рад/c. Скорость подачи заготовки определяется по формуле:
Vз = 60×ωb/Zb = ∆n/10³ = Sb×Zn/10³,
(12.4)
где ωb – угловая скорость подающих валков, рад/с; Zb – радиус подающих пальцев, м;
∆ – подача бревна за 2π рад поворота коленчатого вала, мм; Sz – подача бревна на зуб пилы, мм;
Z – число зубьев пилы, врезающихся в древесину за 2π рад поворота коренного вала;
Z = H/t = 2z/t.
Толщина стружки при пилении древесины рамными ленточными и круглыми пилами зависит от формы зуба, который бывает плющенный или разведенный (рисунок 12.9).
Толщину стружки определяют по следующим формулам:для плющенных зубьев
аλ = в × Sz / в = S ;
(12.5)
для зубьев с разводом
аλ' = в × Sz / S,
(12.6)
где в – ширина пропила, мм;
S – толщина полотна пилы, мм; так как S < в, то аλ < аλ' при Sz = const.
364
Рисунок 12.9 – Формы зуба пилы: а – плющенный; б – разведенный
Рамные пилы различаются по размерам полотна, форме и геометрическим параметрам зубьев. Длину полотна пилы определяют, в основном конструктивными и технологическими условиями или вычисляют по следующей формуле:
l = dmin + H + m,
(12.7)
где dmin – наименьшая высота пропила, мм; m – припуск на крепление пил, мм;
m= 300–350 мм.
Найденную величину округляют до ближайшего большего стандарт-
ного значения. Толщина пилы выбирается в зависимости от ее длины. Параметры зубьев пилы, определяющие ее эксплутационные свойства,
зависят от физико-механических и технологических свойств обрабатываемой древесины, режимов резания, толщины полотна и других факторов.
Зуб пилы характеризуется линейными и угловыми параметрами: шагом t, высотой зуба hз; радиусом закругления впадины зуба rо; формой межзубной впадины, углом заострения β, передним углом γ±, задним углом α, углом резания δ (рисунок 12.10)
Размеры зуба определяют его жесткость, объем, форму впадины и угловые значения. Важным показателем работоспособности инструмента для резания древесины является площадь впадины зуба, т. к. процесс резания
365
рамными, ленточными и круглыми пилами является закрытым, поэтому срезаемая стружка должна иметь возможность размещаться во впадине зуба. На основании этого условия шаг зуба должен быть связан с работоспособностью впадины. Для этого случая шаг зуба определяется по формуле:
Расчеты режимов резания должны быть оценены качеством поверхности обработки. Подача на зуб пилы существенно влияет на качество распиловки (таблица 12.2).
Режущий инструмент ленточнопильных станков представляет собой бесконечную стальную ленту с насечкой зубьев на одной кромке. Конструкция ленточных пил характеризуется шириной В (мм), толщиной S (мм), длиной l (мм), шагом зубьев t (мм) и высотой зуба hз (мм). Их расчитывают по следующим формулам:
l = π d + 2С;
S ≤ 0,001 d;
В ≤ bш + hз;
(12.9)
где d – диаметр пильного шкива, мм;
366
С – расстояние между осями пильных шкивов, мм; bш – ширина пильного шва;
So – развод зубьев на сторону, мм.
Таблица 12.2
Подача на зуб пилы в зависимости от шероховатости поверхности пиломатериалов
Высота неровностей Rm
Максимально допустимая подача на зуб, мм
max, мкм
разведенный
плющенный
1600
>1,8
>1,2
1200
1,8
1,2
800
1,1
0,8
500
0,7
0,5
Продольное пиление древесины осуществляют на круглопильных станках с целью раскроя заготовок по ширине, толщине и формату. В качестве режущего инструмента применяют круглую пилу с многорезцовыми рабочими элементами (зубьями) (рисунок 12.11).
Рисунок 12.11 – Профили зубьев пил:
1 – для продольного распиливания бреве; 2 – для обрезки кромок; 3 – поперечной распиловки доски; 4 – продольной распиловки твердых пород и – для поперечно-продольной распиловки; 5 – продольной распиловки и обрезки; 6 – для раскроя ДВП и других материалов
367
Рисунок 12.12 – Зуб дисковой пилы с пластинками из твердого сплава с чередующейся заточкой; 1 – чистовой; 2 – черновой
Толщина стружки при пилении круглыми пилами является величиной переменной. Ее средняя толщина зависит от положения пилы и обрабатываемой заготовки. Она вычисляется по следующим формулам:
для плющенных зубьев
аср = Sz Sinθср;
(12.10)
для зубьев с разводом
аср = (b/S) Sz Sinθср.
(12.11)
Зуб дисковой пилы с пластинами из твердого сплава приведен на ри-
сунке 12.12.
В станках режущий инструмент совершает возвратно-поступательное (лесопильные рамы), поступательное (ленточнопильные станки) и вращательное движения (круглопильные станки).
Мощность на резание вычисляют по формулам:
Р = Ft V;
P = k b h Vз,
(12.12)
где Ft – окружная сила резания, Н; V – скорость резания, м/с;
k – удельная работа резания, Дж/см³;
368
b – ширина пропила, мм; h – высота пропила, мм; Vз – скорость подачи, м/с.
Тогда сила резания Ft будет:
Ft = k b h Vs / V.
(12.13)
12.6 Стружкообразование при резании древесины
Обычно размеры срезаемого слоя рассматривают в двух сечениях: поперечном, нормальном к вектору скоростей главного движения и продольном, совпадающем с плоскостью движения. В поперечном сечении измеряют толщину и ширину срезаемого слоя, в продольном – толщину и длину. Толщина срезаемого слоя может быть постоянной и переменной. Геометрия срезаемого слоя и стружки приведена на рисунке 12.13 [85, 100].
Объем срезаемого слоя для условий постоянной ширины и толщины стружки:
V = acp b l = Алп l;
V = аcр bcр l = Алп l.
(12.14)
Рисунок 12.13 – Геометрия срезаемого слоя (а) и стружки (б):
1 – лицевая поверхность стружки; 2 – боковая неперерезанная; 3 – оборотная; 4 – трещина на стружке; 5 – боковая поверхность стружки (срез)
369
Срезаемая стружка ограничена основными поверхностями: лицевой, оборотной (поверхность среза), боковыми.
Превращение срезаемого слоя в стружку под воздействием резца сопровождается значительными деформациями слоя материала, вследствие чего геометрические параметры стружки отличаются от соответствующих параметров срезаемого слоя. Длина стружки меньше длины слоя вследствие усадки. Стружка может быть цельной, непрерывной и неразрушенной
(сливной) и состоящая из отчетливо выраженных элементов, сохраняющих или не сохраняющих связь между собой.
В зависимости от вида резания изменяется форма стружки [72]. При резании в торец происходит скалывание частиц древесины и стружка получается мелкой и рассыпающейся. При продольном резании стружка имеет вид завивающейся упругой ленты. При резании поперек волокон стружка получается ломкой, а поверхность обработки древесины – шероховатой.
Параметры шероховатости древесины и древесных материалов регламентированы стандартом ГОСТ 7016–82.
На чистоту резания древесины влияют: направление резания, подпор волокон перед резцом, надламывание стружки, толщина стружки, острота заточки резца и число действующих резцов.
Чистота древесины зависит от направления резания. Наибольшая чистота обработки достигается при резании вдоль волокон. Резание в торец может быть чистым при идеально остром резце и минимальной толщине стружки. При резании поперек волокон чистоты поверхности добиться трудно.
Внедрение режущего элемента в обрабатываемый материал сопровождается их силовым взаимодействием, которое проявляется в виде нагрузки распределенной по поверхности резца и лезвия и состоящей из нормального давления и касательных сил трения.
370
Распределенную нагрузку заменяют сосредоточенной результирующей силой резания F и оперируют ее составляющими на координатных осях x, y, z (рисунок 12.14).
Рисунок 12.14 – Силы резания:
а – координатные силы Fx, Fy, Fz; б, в – нормальная сила Fz в условиях, соответственно, отжима и растяжения заготовки; г – координатные силы резания по зонам резца
Удельная сила резания Fуд (Н/мм2) – касательная сила, необходимая для удаления срезаемого слоя сечением 1 мм2.
Удельная работа резания К (Дж/см3) – работа касательной силы Fx, необходимой для превращения в стружку 1 см3 припуска.
Наряду с углами заточки и схемой резания на силу резания влияют твердость древесины, направление резания, степень затупления резца, трение резца о стружку и опилки, ширина лезвия, а также влажность древесины.
При обработке твердых пород (дуба, ясеня, бука, груши, граба и др.) требуется большая затрата усилий. Резание свилеватой, сучковатой и косослойной древесины также затруднительно.
В связи со структурными особенностями и неодинаковой прочностью древесины в разных направлениях, величина силы резания существенно зависит от направления резания по отношению к волокнам обрабатываемой заготовки.
Затупление резца значительно повышает силу резания, волокна древесины не перерезаются, а сдавливаются, сминаются и разрываются.
Через четыре часа такой работы потребная сила резания может возрас-
ти до 150 %.
371
Трение резца о стружку и опилки требует дополнительных усилий и ведет к нагреванию резца.
Ширина лезвия резца оказывает прямое воздействие на силу резания. Чем шире резец, тем большее усилие надо приложить. Чем меньше % влаги в древесине, тем труднее ее обрабатывать.
Механическая энергия при резании расходуется на образование новых поверхностей, деформацию материала в срезаемом слое и под поверхностью резания, а также на преодоление сил трения и скольжения. Закономерности деформирования древесины определяются: анатомическим строением древесины, ее физико-механическими свойствами, формой резца, толщиной срезаемого слоя и скоростью резания.
Резец, двигаясь в древесине и образовывая в ней новые поверхности, воздействует на ее микроструктурные элементы. При сжатии, растяжении и сдвиге древесины объем древесного вещества, из которого образованы микроструктурные элементы (древесные клетки), практически не изменяются. Значительно меняется форма и внутренний объем самих клеток, за счет чего они деформируются.
Разрушение в древесине может наступить в результате однократного сдвига (прерывание стенок клеток) или растяжения. В первом случае величина трещины (сдвига) в стенке клетки и во всем образце древесины не превышает толщину стенки (около 8 мкм). Следовательно, энергия, затраченная на однократный сдвиг, мала в сравнении с энергией, затраченной на деформирование клеток. Разрушение растяжением также происходит при малых деформациях: при растяжении поперек волокон разрушаются не сами волокна, а цементирующие их вещества; при деформации вдоль волокна усилие значительное, но качество таких деформаций в общей массе древесины невелико (за исключением случаев торцевого резания тупым инструментом). Поэтому расход энергии на растяжение мал по сравнению с расходом энергии на деформирование сжатием.
