Різання деревини

РЕФЕРАТ

на тему: „Різання деревини”

1. Загальні положення

Перші відомості про деревообробні машини відносяться до Х111 століття. Зберігся опис Віллера де Гоннекуера (1236р) водяного лісопильного млина, який включав чотирьох ланковий механізм і працював від водяного приводу. Є відомості, що в 1565 р. на Дністрі біля м. Самбір працював тартак, також в селах Дворецька Воля, Ланівці і в м, Стрий. За підрахунками у ХУ1 столітті в Україні працювало 20 тартаків.

Серійний випуск деревообробних машин почався на початку Х1Х століття. За цей час створена спеціальна галузь машинобудування по виробництву деревообробного обладнання.

В Україні деревообробне обладнання і інструмент випускають Городоцький верстатобудівний завод, Дніпропетровський верстатобудівний завод, Дніпропетровський завод важких пресів, Камянець-Подільські фірми „Механік”, „Поділля”, фірми „Удача” - Київ, „Астра” - Кіровоград.

Першу спробу теоретично обґрунтувати процес різання деревини зробив професор Петербурзького гірничого інституту І.А. Тіме. Він у 1874р. опублікував працю „ Сопротивление материалов и дерева резанию”. Дальше основні положення різання деревини були розвинуті професорами К.А.Зворикіним, О.О. Бріксом, А.В. Гавриленко, М.А. Дешевим і пізніше О.Е.Грубе, С.О. Воскресенським, Ф.М. Манжосом, Л.О. Бершадським і Е.Е.Івановським.

Деревина може бути оброблена без зміни і з зміною якості речовини. В залежності від цього технологія деревини поділяється на хімічну і механічну.

Хімічна технологія деревини - це наука, яка вивчає обробку деревини, що пов'язана з зміною якості речовини. Сюди відноситься виробництво з деревини скипидару, спирту, каніфолі, штучного волокна, паперу...

Механічна технологія деревини - це наука, що вивчає обробку деревини зміною її форми і об'єму без зміни якості речовини (виготовлення пиломатеріалів, фанери, столярних виробів, меблів... Механічна технологія деревини ґрунтується на двох її властивостях: ділимість - це властивість розділятись під дією зовнішніх сил; пластичність - це здатність зберігати остаточну форму після зняття зовнішніх сил. Розрізняють три види ділення деревини - це роздрібнення всієї маси деревини, розколювання і розрізання. Різання деревини - це процес утворення нових поверхонь з розривом зв'язків між частинами по заданій траєкторії. Воно може проводитись без утворення стружки і з утворенням стружки. Різання без утворення стружки характерне тим, що довжина різу (ходу різця) дуже мала, сюди відносяться штампування, висікання і прорізання тонких листів шпону на ножицях. Одержані таким чином заготовки практично не деформовані, має місце тільки незначне ущільнення поверхні різу.

Різання з утворенням стружки характерне тим, що різець при проходженні деформує той об'єм деревини, що відділяється. Ці деформації ідуть в різних напрямках, викликають значні зміни об'єму стружки і майже завжди призводять до її руйнування.

Обробці різанням підлягає як деревина, так і матеріали на її основі: пресована, пластифікована і клеєна деревина, фанера, деревостружкові, столярні і деревноволоконні плити.

Волокниста будова деревини викликає її анізотропність, тобто різні механічні властивості в різних напрямках. У деревини таких напрямків три: один вздовж волокон (найвища міцність) і два в поперек волокон (радіальний і тангенціальний). Вказані напрямки взаємоперпендикулярні, тому деревину називають ортогонально - анізотропним, або ортотропним матеріалом (рис.22)

Рис.22.

2. Механічні і фізичні та хімічні процеси при різанні деревини

Дані сучасної науки свідчать, що різання деревини - це складний процес при якому відбуваються механічні, фізичні та хімічні явища. Механічні явища процесу різання - це деформація матеріалу, що обробляється і виникнення в ньому внутрішнього напруженого стану. Фізичні явища процесу різання відбуваються на поверхні ковзання деревини по різцю і пов'язані з перетворенням механічної енергії в інші види, головним чином в енергію що витрачається на затуплення інструменту, теплові та електричні явища. Хімічні явища - це хімічні реакції, що проходять на поверхнях ковзання та впливають на швидкість спрацювання робочих поверхонь різця. Доля хімічної складової в загальному балансі факторів, що впливають на затуплення різця, найвагоміша для твердих сплавів татеплостійких сталей, які добре протистоять механічним та тепловим впливам.

Процес тертя при різанні деревини значно відрізняється від тертя при різанні металів, тому що в процесі періодичного різання через малий модуль пружності деревини проходить попереднє зміщення поверхневих шарів при контакті з інструментом. Спочатку проходить пружна деформація і лише після цього проходить ковзання різця по деревині. Коефіцієнт тертя ковзання менший за коефіцієнт тертя в стані спокою.

В процесі різання деревини метал інструменту знаходиться в дуже тісному контакті з волокнами деревини і в деяких точках віддаль між ними становить 10^-7 мм. Одне з тіл передає електрони іншому, на поверхні якого вони накопляються. Виникає електрична контактна напруга, величина якої досягає декількох вольт. Заряджені таким чином поверхні утворюють конденсатор. При віддаленні поверхонь одна від другої різниця потенціалів досягає значної величини.

Дереворізальні інструменти працюють в конкретних умовах. Для вивчення процесу різання вводиться поняття „елементарне” (просте) різання. Воно характеризується слідуючи ми ознаками: різання відкрите; різальна кромка прямолінійна; рух прямолінійний поступальний; вектор швидкості різання нормальний до різальної кромки; швидкість різання V, сила різання P, кут різання д, задній кут б,нормальна товщина стружки e і ширина b постійні.

Елементарному різанню відповідають три головні види різання: торцеве () в площині нормальній до волокон деревини, поздовжнє (ІІ) в площині волокон паралельно їх довжині, поперечне (ІІ) в площині волокон, перпендикулярно до їх довжини. Схеми стружкоутворення згідно І.А.Тіме при трьох головних видах елементарного різання представлені на рис.23 Тут використано ідеально гострі різці (без радіуса заокруглення при вершині) і не враховані дії сил тертя.

Рис. 23.

Різання в торець (рис.23а). По мірі проникнення різця в тіло деревини росте нормальна сила N і, відповідно, сили Р і Р_с Так як міцність деревини на сколювання вздовж волокон невелика, то проходить відносний зсув елементів стружки один відносно другого. Крім того при великих значеннях кута різання (65⁰-90⁰) в масиві деревини нижче лінії зрізу виникають значні напруження і навіть тріщини. Шорсткість поверхні росте з збільшенням товщини стружки і кута різання.

Різання вздовж волокон (рис.23б). При переміщенні різця на деяку величину легше відігнути деревину на деякій довжині, ніж зруйнувати стискуванням вздовж волокон, і при дальшому переміщенні різця надломити її. При утворенні випереджаючої тріщини сили різання падають практично до нуля, після того процес повторюється. При товщині стружки е=0,1-0,2мм утворюється зливна стружка у вигляді сильно деформованої стрічки, яка завертається в спіраль з малим радіусом заокруглення, окремі елементи розрізнити трудно. З збільшенням товщини стружки росте радіус завивання, росте довжина елементів, утворюються вирви на обробленій поверхні.

Різання поперек волокон (рис.23в). Тут періодичність сил різання зберігається, хоч при різанні пропареної деревини гострим різцем з малим кутом різання можна одержати зливну стружку без внутрішніх тріщин. При більш товстій стружці вона, залишаючись стрічковидною, може мати ненаскрізьні тріщини.

З збільшенням кута різання і товщини стружки через слабий зв'язок між волокнами в поперечному напрямку утворюється стружка сколювання у вигляді окремих елементів. При утворенні зливної стрічкоподібної стружки шорсткість поверхні незначна, але якість поверхні погіршується з ростом товщини стружки і при утворенні стружки сколювання на обробленій поверхні утворюються вирви, які ростуть при утворенні стружки надлому (відриву).

3. Силова взаємодія різця з оброблюваним матеріалом при елементарному різанні

Процес різання супроводжується руйнуванням зв'язків між частинками деревини. Це відбувається завдяки дії сил в місці контакту різця з заготовкою. На заготовку (матеріал) діють нормальні і дотичні напруження (рис.24). При постійному значенні коефіцієнта тертя

f

Сума віх дотичних і нормальних напружень дає силу Р- силу взаємодії різця з деревиною, що діє під кутом . Сила Р розкладається на дотичну силу Р_z і нормальну P_y.

P=

Головна сила різання Р_z співпадає з напрямом швидкості різання. При головному обертовому русі Р_у - радіальна сила і, в залежності від умов роботи, вона може бути в бік стружки (-) - сила затягування і в бік заготовки (+) - сила відтискання.

Рис. 24.

Значний вплив на роботу різця має радіус заокруглення різця при вершині (затуплення). В АН Білорусії / / експериментально доказано, що напруження по периметру леза 2с при перерізанні тонких пластинок деревини досягає 40-50 кГ/мм², а при інтенсивних режимах різання - до 500 кГ/мм². Це підтверджує наявність значних напружень на лезі різця, які необхідні для утворення нових поверхонь. І чим менший радіус с, тим вищі напруження. Таким чином, процес різання деревини реальним різцем - це процес утворення нових поверхонь під впливом значних напружень, що створюються лезом, а також деформації деревини по обидві сторони від площини різання. Він супроводжується тертям стружки і обробляємої поверхні по поверхнях різця.

При розрахунках процесів різання використовують поняття, що пов'язані з силами різання: одиничну силу різання, питому силу різання і питому роботу різання.

Одиничною силою різання Р₁ (Н/мм) називають силу різання, яка необхідна для зняття шару шириною 1 мм.

. По аналогії і .

Питома сила різання Р_пит (Н/мм²) - це дотична сила, що необхідно для заняття шару стружки перерізом 1 мм².

,

де а і в, відповідно, ширина і товщина шару, що знімається.

Питома робота різання К(дж/см³) - це робота дотичної сили Р_z, необхідна для перетворення в стружку 1 см³ припуску.

,

тут l- довжина шару, що зрізається ( шлях протязі якого діє сила Р_z); - об'єм зрізаного шару. Питома робота різання (К дж/см³) чисельно дорівнює питомій килі різання (Рн/мм²), але фізично це величини різні. Питома робота різання визначається експериментально для кожного виду обробки і значення її приведені у довідниках. Конкретні особливості обробки враховуються поправочними коефіцієнтами К=К_табла_попр.. Тут К_табл- табличне значення роботи різання, яке береться з відповідних довідників, а_попр - поправочний коефіцієнт, що враховує конкретні умови обробки. а_табл =а_па_va_wa_ta_hа_uz які враховують: а_п - породу, - затуплення інструменту, а_v- швидкість різання, а_w- вологість деревини, а_t -температуру деревини, що підлягає різанню, a_h - висоту пропилу, - кут різання, a_uz- величину подачі на зуб. Необхідна потужність для здійснення процесу різання

N_p =KV₁=Kват.

Тут F- площа поперечного шару, що зрізається, мм², V_s -конструктивна швидкість подачі м/хв.,V₁- об'єм матеріалу, що знімається за 1 секунду, (см³/сек.). Ця залежність універсальна для всіх випадків обробки деревини різання, тільки в кожному окремому випадку треба знати площу поперечного перетину F і питому роботу різання К.

4. Основні закономірності елементарного різання

На величину питомої роботи різання впливає ряд факторів: твердість матеріалу (порода деревини), гострота інструменту, вологість деревини, температура деревини, швидкість подачі, швидкість різання, напрямок різання по відношенню до волокон, розміщення заготовки на стовбурі дерева, регіон виростання деревини, ґрунти на яких виросла деревина. Всіх факторів врахувати практично не можливо, тому при розрахунках обмежуються тільки основними.

На величину питомої роботи різання значно впливає порода деревини. За еталон прийнята деревина сосни для якої а_п=1, менші значення мають деревина ялини (а_п=0,95), осики (а_п=0,85), липи (а_п=0,80) і більші - деревина твердих порід: бука - 1,40,дуба - 1,45, ясеня - 1,75. Значний вплив на роботу різання має гострота інструменту, яка характеризується радіусом заокруглення, це особливо самітно при фрезеруванні. У ново заточеного ножа =4-8 мкм, при нормальній1 роботі =10-15мкм, а у затупленого ножа =40-50 мкм і дальша робота таким ножем недоцільна (рис.25а).

З ростом швидкості різання питома робота зменшується до деякого оптимального значення при v=50-60 м/сек. При дальшому збільшенні швидкості різання питома робота росте через додаткові затрати на переборення сил інерції стружки.

Рис. 25.

Залежність питомої роботи різання від режимних факторів: а- радіуса закруглення леза; б-кута різання; в-температури заготовки; г-задннього кута; д,е-вологості; є-полачі на різець; ж-товщини стружки; з-швидкості подачі; і-швидкості різання; ї-кута загострення. Вплив вологості. При закритому різанні на бокові стінки різця діють сили тертя внаслідок пружних властивостей матеріалу деревини. І чим більша вологість, тим інструмент сильніше затискається, що призводить до росту питомої роботи різання. При відкритому різанні волога діє як мастило, тому з збільшенням вологості питома робота зменшується. Вплив температури деревини. З ростом температури деревини зменшується питома робота різання. Це пов'язано з збільшенням пластичності матеріалу. При температурі Т=0^оС тане лід мерзлої деревини, вода змащує різець і, як результат має місце різке падіння питомої роботи різання.

На величину питомої роботи різання впливає висота пропилу, тому що з її ростом збільшуються сили тертя бокових поверхонь інструменту до стінок пропилу на покорення яких тратиться додаткова робота. Збільшення кута різання призводить до росту зусилля різання і, відповідно до збільшення питомої роботи різання. Збільшення подачі на зуб U_z зменшує питому роботу різання тому, що утворюється більш товста стружка і менше роботи затрачається на її подрібнення.

5. Класифікація процесів різання

Усі види верстатної обробки деревини за технологічним призначенням можна поділити на три групи: ділення, зняття припуску і глибинна обробка.

Пиляння - це процес закритого різання багато різцевим інструментом (пилою) з метою ділення заготовки на недеформовані частини. Особливість процесу є утворення пропилу. Пропил - це порожнина (щілина), що утворилась різцями пили в результаті зрізання та виносу вузьких стружок (тирси). Для формування пропилу різці (зуби пили) повинні мати три робочі леза (за числом поверхонь пропилу).

Рис. 26.

Процеси пиляння класифікуються за видом головного руху пили: прямолінійний зворотно-поступальний рух, обертальний рух і безперервний рух. В залежності від форми пили розрізняють пиляння смуговими, стрічковими, дисковими, ланцюговими і спеціальними (циліндричними, сферичними).

В залежності від орієнтації поверхонь відносно волокон деревини розрізняють такі види пиляння: а) поздовжнє (поверхні пропилу плоскі і розміщені паралельно пропилу); б) поперечне (площини пропилу перпендикулярні до напряму волокон); в)криволінійне (поверхні пропилу криві); г)змішане (проміжне між поздовжнім і поперечним).

Особливістю пиляння є закритий вид різання. При цьому між об'ємом стружки, що зрізується і об'ємом западини зуба повинно бути таке співвідношення, щоб зрізана стружки могла розміститись в ній. При закритому різанні (пилянні) бокові кромки біля леза зуба здійснюють зсув і вирви волокон з стінок пропилу. За рахунок цього росте питомий опір різанню. Крім того стружка, що зрізується зубом пили, сильно деформується і ущільнюється у впадині зуба. Об'єм ущільненої стружки часто становить 0,45-0,5 від початкового. Ущільненню стружки в западині зуба сприяє відновлення стінок пропилу, в результаті чого ширина пропилу в зоні впадини менша, ніж біля головної різальної кромки. На деформацію стружки і її пресування у впадині, тертя при ковзанні по бокових поверхнях затрачується енергія, що збільшує питому роботу різання. Для зменшення роботи сил тертя пропил роблять ширшим шляхом розведення зубів, тоді В_проп= В +2в, де В -товщина полотна пили, в- величина розведення зуба пили на сторону, В_проп- ширина пропилу.

Фрезерування - процес різання різцями, що обертаються, при якому абсолютною траєкторією різання є циклоїда. Таку криву описує точка різальної кромки за рахунок додавання двох рухів: обертового (різця) і прямолінійного (подачі).

Фрезеруванням обробляють поверхні чорнових заготовок з метою зниження їх шорсткості і надання деталям необхідних розмірів і форми у поперечному перетині, утворюють пази, шипи, гнізда а також подрібнюють деревину на технологічну тріску і стружку. В залежності від форми поверхні, яку описують у просторі леза різців, розрізняють фрезерування циліндричне (леза паралельні до осі інструменту), конічне (леза нахилені до осі обертання на деякий кут і описують при обертанні конічні поверхні) і торцьове (леза розміщені перпендикулярно до осі обертання фрези і описують при обертанні плоскі поверхні). Поєднання цих основних видів фрезерування дає комбіновані його різновидності. Як і при різанні металів в залежності від напряму подачі і швидкості різання фрезерування може бути зустрічним і попутнім. Із всіх видів фрезерування в практиці обробки деревини найбільш розповсюджене зустрічне циліндричне (плоске) фрезерування (обробка на фугувальних, рейсмусових, фрезерних і чотирьох сторонніх стругальних верстатах).