Строительные машины и оборудование

Машины для обработки древесины

При обработке древесины с помощью ручных машин выполня­ются следующие операции: пиление, строгание, долбление, свер­ление и фрезерование. Механическая обработка древесины, как правило, производится с нарушением волокон режущим инстру­ментом, имеющим один нож, несколько фрез или большое количе­ство резцов (пилы). Процесс резания состоит в том, что под воз­действием внешней силы резец, имеющий форму клина (рис. 23.1,а), внедряясь в древесину режущей кромкой, перерезает во­локна и отделяет их в виде опилок или стружек.

Параметры процесса резания во многом определяются геомет­рией (совокупностью характеристик его формы и расположения в пространстве) резца. Пусть режущий клин-резец 1 (см. рис. 23.1,а) прошел в заготовке 2 некоторый путь, образуя стружку 3. В ре­жущей части клина можно выделить следующие элементы: перед­нюю поверхность /7, по которой сходит стружка; заднюю поверх­ность 3, обращенную к формируемой на заготовке поверхности резания; боковые поверхности Б (правая и левая относительно 324 направления вектора скорости v) главное лезвие JIT, образован­ное пересечением передней и задней поверхностей; боковые лезвия Jit — пересечением задней и боковых поверхностей; задние кром­ки К — пересечением задней и боковых поверхностей (активной роли в процессе резания не играют).

Угловые параметры резца обычно измеряют в сечении плос­костью, перпендикулярной лезвию (на рис. 23.1,а это сечение рез­

Ца заштриховано). Угол между передней и задней поверхностями резца называют углом заточки р. Положение передней поверхно­сти определяет угол резания б — угол между передней поверхно­стью и плоскостью резания. Задним углом а резца называют угол между задней поверхностью и плоскостью резания. Положение передней поверхности резца иногда определяют передним углом у между передней поверхностью резца и плоскостью, проходящей через лезвие, и нормалью к плоскости резания. Во всех случаях геометрии резца: 7+Р+а=90°. Угол резания б=а+р.

При обработке древесины обычно рассматривают три главных вида резания: в торце — торцовое (_1_), при котором плоскость резания и направление резания перпендкулярны волокнам древе­сины (рис. 23.1,6); вдоль волокон — продольное (//), при котором плоскость и направление резания параллельны волокнам древеси­ны (рис. 23.1,б); поперек волокон (-{+), при котором плоскость резания параллельна волокнам древесины, а направление резания перпендикулярно им. Между главными может быть множество переходных (промежуточных) видов резания (продольно-торцовое, продольно-поперечное, торцово-поперечное и т. д.).

Исходные характеристики процессса резания древесины опре­деляются тремя основными факторами: видом материала (порода и влажность) и его физико-механическими свойствами; угловыми, 22—5258 325
физико-механическими свойствами материала резца, геометрией резца, его остротой и т. д.; режимом и размером обработки (тол­щиной стружки, скоростью подачи и резания, направлением реза­ния по отношению к направлению волокон и др.).

При обработке древесины рабочую зону резца составляют лез­вие и прилегающие к нему участки передней и задней поверхно­

Сти. Для определения величины и направления общей силы, с ко­торой резец действует на древесину, в теории резания всю рабо­чую зону резца расчленяют на участки и рассматривают силы, действующие на каждый участок и на резец в целом.

Рабочая зона резца (рис. 23.2,а) имеет три участка: переднюю грань (участок ak), заднюю грань (участок bd) и лезвие (учас­ток and).

Силы на лезвии. Эпюру нормальных давлений на лезвии мож­но представить как часть кольца (нормальное давление одинаково на каждой единице длины контура лезвия). Величина давления находится в пределах прочности древесины на сжатие, так как здесь имеет место разрушение. Контур лезвия (дуга anb) рас­сматривается состоящим из двух участков — дуг an и nb (рис. 23.2,6). При суммировании нормальных давлений по контуру an получаем равнодействующую Naь а при суммировании сил трения по этому же контуру—Гл). Геометрическая сумма этих сил — 5лі — сила воздействия участка лезвия an на древесину. Анало­гично на учаістке лезвия nb действуют силы N„2 и Гл2 и их геомет - 326
рическая сумма 5л2. Складывая графически силы 5лі и 5лг, получаем общую силу воздействия лезвия резца на древесину 5Я. Эту силу раскладывают для практических целей на две состав­ляющие: Ра — по касательной к-абсолютной траектории резания и <2л — по нормали к ней. Величина этих сил на единице длины (1 мм) лезвия зависит от радиуса затупления р резца и углов а и б, от нормального давления авсж по контуру резца и от коэф­фициента трения /л. Следовательно,

Рл=/(р, б, а, ов. сж, /л); С>л=/'(р, б. а, Лв. сж, М - (23.1)

Главный из выявленных факторов — радиус затупления р. Если, принять остальные факторы за постоянные величины, получим

Рл&Ар; Q,=A'p, (23.2)

Где А и А' — сомножители, не зависящие от р. Следовательно, при очень острых резцах (р~0) силы на лезвии практически отсутст - - вуют.

Силы на передней грани. При внедрении резца в древесину вслед за стадией упругой деформации материала передней гранью резца происходит разрушение клеточных стенок, и удельное дав­ление по поверхности соприкосновения передней грани с древеси-„ ной сразу'же достигает величины временного сопротивления дре­весины смятию Ов. см (рис. 23.2,в). При дальнейшем продвижении резца смятая передней гранью древесина давит - на неразрушенные ряды соседних клеток и разрушает их. Этот процесс происходит при неизменном значении ав. См, поэтому среднее удельное давление на передней грани остается постоянным, не зависящим от глуби­ны внедрения резца.

В этом случае результирующая нормальных сил на передней грани

Nn—On. cndk' 1, (23.3)

Где ak — длина контакта передней грани резца со стружкой (ши­рина детали п принимается равной 1).

Возникающая при движении резца сила трения по передней грани

Tn=Nnfn, (23.4)

Где fn — коэффициент трения передней грани резца по стружке.

Геометрическое сложение Nn и Т„ дает суммарную силу воз­действия передней грани резца на древесину 5П. Разложив эту силу на две составляющие по тем же направлениям, что и силу 5Л, сводим воздействие передней грани резца на древесину к касательной силе Рп и нормальной Q„. Величина этих сил зависит от свойств древесины (ов. см), угла резания б, коэффициента тре­ния стружки по передней грани резца /п, глубины внедрения резца х, считая от начала резания (так KaK'afe=x/cos6).

22* 327

Силы на задней грани. При резании (рис. 23.2,г) резец подми­нает под себя объем древесины nbd. Поскольку величина р мала, можно считать, что деформирование древесины происходит в упру­гой зоне. Давление в этом случае будет пропорционально дефор­мации древесины в этой точке: наибольшее в точке Ь, наименьшее (равное 0) в точке d, где древесина не деформирована.

Результирующая нормальных давлений по задней грани на схеме показана вектором N3, результирующая сил трения —век­тором Т3, суммарная сила воздействия задней грани — вектором

Sз, а также его составляющими: касательной Р3 и нормальной Q3: P3 = J^(f3_tga). Q3 = J^(1+f3tga)j (235)

Где с — коэффициент упругости поверхности древесины; р — ради­ус затупления резца; a—задний угол резца; f3 — коэффициент трения между задней гранью резца и древесиной.

Общая сила воздействия резца на древесину

S=P+Q, (23.6)

Где Р=Рл+Рп+Р3; <2=<2л-|-<2п+£з.

Касательную силу Р называют силой резания. Она всегда на­правлена по абсолютной траектории резания в сторону'движения резца. Нормальная сила Q может проявляться как сила отжима (резец отжимает заготовку от задней поверхности резания в сто­рону массива древесины) или как сила затягивания (резец затя­гивает заготовку в сторону срезаемой стружки). Обычно сила отжима возникает при срезании тонких стружек тупым резцом с большим углом резания, а сила затягивания — при срезании тол­стых стружек острым резцом при малом угле резания.

При расчете машин для обработки древесины обычно вычис­ляют единичную силу резания Рх (Н/мм), т. е. силу резания, при­ходящуюся на единицу ширины стружки. Полная сила резания Р (Н) во всех случаях пропорциональна ширине срезаемой стружки В (м):

Р=РхВ. (23.7)

Удельной силой резания К (МПа) называется сила резания, приходящаяся на единицу площади поперечного сечения стружки S (м2):

K=P/S=P/Bh, (23.8)

Где В — ширина стружки, м; h — толщина стружки, м.

При расчете мощности, затрачиваемой на резание, пользуются понятием удельная работа резания Ак (Дж/м3), под которой по­нимают работу А (Дж) силы Р (Н) на пути L (м), отнесенную к объему номинального объема V (м3) срезанной стружки, т. е.

AK—A/V=PL/BhL. (23.9)

Мощность резания (Вт)

Npe3=A/t=AkV/t=AkVu (23.10)

Где V=V/t—номинальный объем стружки, срезанной за 1 с, м3/с.

Величины К и Лк зависят от многих факторов и их теоретиче­ское определение затрудненно. На практике пользуются средними значениями этих величин, полученных в результате эксперимен­тов.

Машины для распиловки древесины включают в себя дисковые, цепные и лобзиковые пилы.

Дисковые, пилы (рис. 23.3) предназначены для продольной н поперечной распиловки материала толщиной до 65 мм. Рабочим органом является пильный диск 4, приводимый во вращение элек­тродвигателем 1 через одноступенчатый цилиндрический редук­тор 5. Электродвигатель смонтирован на опорной плите 6. Глубина пропила регулируется перемещением двигателя с диском относи­тельно поверхности основания. Для распиловки древесины под уг­лом 0... 45° к плите прикреплен направляющий сектор со шкалой, по которому перемещается пильная головка. Диск огражден под­пружиненным предохранительным кожухом 3. Включение пилы производится через двухполюсный выключатель, установленный в рукоятке 2. Основным недостатком дисковых пил является огра­ничение глубины пропила, зависящей от диаметра диска (соотно­шение диаметров 1:3).

Мощность пиления при работе дисковых пил (Вт)

Npe3 = KrQnonPBnpHa/60, (23.11)

Где Кт — удельная работа пиления дисковой пилой, Дж/м3; Qnonp — коэффициент, учитывающий конкретные условия пиления; Впр — ширина пропила, м; Я — высота пропила, м; и — скорость подачи, м/мин.

Цепные пилы (рис. 23.4) применяются для поперечной распи-' Ловки древесины. Рабочим органом является цепь 6, состоящая из

Режущих 10 и скалывающих 11 звеньев; на скалывающем звене имеется хвостовик 12 для устойчивого движения цепи в направ­ляющей шине 4. Движение цепи осуществляется от электродвига­теля 2 через одноступенчатый цилиндрический редуктор 9, на вы­ходном валу которого насажена ведущая звездочка 1. Натяжение цепи регулируется перемещением направляющей шины 4 с за­крепленной на пружинном амортизаторе 7 ведомой звездочкой 5. Редуктор и ведущая звездочка ограждены кожухом 8. Включение пилы производится через выключатель 3.

Лобзиковые пилы (рис. 23.5) предназначены для прямой и фа­сонной распиловки древесины различных пород толщиной до 55 мм. Рабочим органом является вертикально расположенное пильное полотно 10, совершающее возвратно-поступательное дви­жение. Движение полотна осуществляется от электродвигателя 7 через двухступенчатый редуктор 6, на выходном валу 5 которого эксцентрично закреплен палец 4. На конец пальца насажен су­харь 3, который перемещается в кулисе 1, закрепленной в ползу­не 2. Во время вращения ползун совершает возвратно-поступа­тельное движение, передающееся установленному в нем полотну. Перемещение лобзиковой пилы по линии реза осуществляется вручную с помощью планки 8. Во избежание перекосов и поломки полотна последнее перемещается по ролику 9. Лобзиковые пилы снабжены виброзащитными устройствами.

Машины для строгания древесины (рубанки) различаются по ширине и глубине строгания за один проход. Рубанок (рис. 23.6) состоит из встроенного в корпус 2 электродвигателя 3, ременной передачи 4, ножевого барабана (фрезы) 9 со вставными плоски­ми ножами 8, передней подвижной 10 и задней неподвижной 7 лыж, основной рукоятки 5 с выключателем, ручки 1 и токопрово - дящего кабеля 6. Скорость подачи при обработке древесины сред­ней прочности равна 1,5...4 м/мин..Глубина строгания регули-

Руется подъемом и опусканием с помощью ручки 1 подвижной лы­жи в пределах 0 ... 3 мм. Конструкция рубанков предусматривает работу в стационарном положении.

Фрезерные машины применяют для строгания древесины на глубину до 20 мм, а также для снятия фасок и выборки пазов. Маши­на (рис. 23.7) состоит из электродвигателя 4, опоры 2, щитка ограждения 5, цанги 1. Вал якоря электродвигателя, вращающий­ся в двух шарикоподшипниках, выполнен полым. С одного конца вала имеется цилиндрическая расточка под цангу, которая за­крепляется винтом. На корпусе электродвигателя закреплена зуб­чатая рейка 3, служащая для продольного перемещения двигате - ' ля вдоль его оси, т. е. для установки фрезы на необходимую высоту. Опора 6 фрезерной машины служит для установки электродвига­теля под нужным углом и на определенной высоте относительно обрабатываемого материала, а также для прямолинейного пере­мещения фрезерной машины по обрабатываемому материалу и крепления приспособлений для снятия фасок и вырезки кругов.

Мощность резания при строгании и фрезеровании древесины (Вт)

Npe3—KTQnonp[BH (и/60)], (23.12)

Где Кг — удельная работа строгания для заданных условии реза­ния, Дж/м3; - Qnonp — поправочный коэффициент, учитывающий

Конкретные условия работы; В, Н—ширина и глубина строгания, м; и — величина подачи машины, м/мин.

Долбежники ручные предназна­чены для выборки пазов и гнезд в древесине. Основными парамет­рами являются размеры выбирае­мых отверстий и скорость резания, Электродолбежник (рис. 23.8) приводится в действие трехфазным асинхронным электродвигателем 7 с короткозамкнутым ротором. f—> TtH^^gs^Hl На переднем конце вала ротора 8

^у^у J закреплена ведущая звездочка 5,

Которая приводит в действие дол - Рис. 23.7. Фрезерная машина бежную цепь 13. К переднему щит-

Ку 4 крепится направляющая линейка 2 с роликоподшипником, на­ружная обойма которого служит второй опорной режущей цепи. Натяжение цепи осуществляется перемещением направляющей линейки с помощью винта 3. Вертикальное перемещение долбеж­ной цепи с электродвигателем в процессе работы производится рычажным приспособлением 6 по направляющим колонкам 11, за­крепленным на основании 1, а возврат цепи в исходное положение происходит под действием пружины 9. Глубина долбления регули­руется ограничителем хода 10. К обрабатываемому материалу долбежник крепится зажимным приспособлением 12. Ширина паза, полученного за один проход, соответствует долбежной цепи,. длина паза — ширине линейки, глубина паза — длине направляю­щей линейки.

Мощность резания (Вт) при работе долбежников определяется по формуле (23.12), где Кт — удельная работа долбления при осе­вой подаче, Дж/м3; Q„0„P — поправочный коэффициент, учитываю­щий конкретные условия работы; В и Я — ширина и глубина гнез­да, м; и — величина подачи цепи, м/мин.

Производительность ручных машин для обработки древесины при пилении (м/с)

П=КиУпод, (23.13)

Где Ки — коэффициент использования машины по времени;

При строгании и долблении (м2/с)

И=КкВНп/т. (23.14)