Глава 14. разрезание и штампование (бесстружечное деление)

Бесстружечное деление успешно применяется для обработки листовых древесных материалов — ДВП, фанеры, шпона.

Разрезание (рис. 41, а) — это процесс деления, основанный на использовании ножниц — двух плоских или дисковых ножей, при смыкании которых их лезвия проходят через общую плоскость ре­зания с небольшим зазором. Задние поверхности ножей составля­ют угол, равный 2°, с плоскостью разреза, благодаря чему умень­шается трение. Углы заточки ножей равны: подвижного — 30°; не­подвижного — 75° (или 90°). Используется несколько схем разреза­ния (рис. 41, б—г).

По схеме, показанной на рис. 41, б, резание происходит одно­временно по всей длине l заготовки, при наклонных ножах — на длине х = t/tgφ, где t — толщина заготовки; φ — угол наклона лезвия. Диски (рис. 41, г) вращаются в направлении подачи v_s, обеспечивая затягивание разрезаемого материала.

Максимальное усилие разрезания F_x, Н, определяют по следу­ющим формулам:

при параллельных ножах

при наклонных ножах

где F_ya — удельная сила разрезания, Н/мм².

Удельная сила разрезания F_ya зависит от углов заточки ножей β₁ и β₂, толщины перерезаемого материала и схемы резания. Напри­мер, для ДВП, разрезаемых на ножницах с наклонными (φ = 5°) ножами, F_ya = 6,1 Н/мм² для плит толщиной 5,6 мм и F_ya = 4,3 Н/мм² для плит толщиной 3,35 мм при их плотности 0,85 г/см³.

Штампование (просечка, пробивка, вырубка) также основано на работе ножниц (рис. 41, д). Особенность процесса штампования заготовки 2 — взаимодействие двух резцов замкнутого контура — пуансона 3 и матрицы (неподвижного резца). В схеме просечки пу­ансон взаимодействует с деревянной, резиновой или свинцовой подкладкой 1, выполняющей роль матрицы.

Угол заточки верхнего ножа 25...30°, нижнего — 60...75°; зазор между ножами не должен превышать 3 % толщины разрезаемого материала.

Наибольшее усилие штампования

где F_yд — наибольшая удельная сила штампования, Н/мм²; t — толщина материала, мм; S — длина периметра образуемого кон­тура, мм.

Наибольшая удельная сила F_ya штампования фанеры толщи­ной 4... 5 мм для сосны составляет 5,5; для березы — 6,4; для дуба — 7,2 Н/мм². Для штампования ДВП толщиной 4,2 мм по схемам пробивки и вырубки F_ya = 9 Н/мм².

Глава 15. ШЛИФОВАНИЕ

Шлифованием называется процесс абразивной обработки с пре­обладанием резания поверхности деревянных деталей в целях вы­равнивания поверхности до плоского состояния, придания ей вы­сокой гладкости и калибрования щитовых деталей. В зависимости от вида шлифовального инструмента различают (рис. 42) ленточ­ное, цилиндровое и дисковое шлифование.

Шлифовальную шкурку (рис. 42, а) можно рассматривать как многолезвийный инструмент с огромным числом режущих эле­ментов — кромок абразивных зерен. Зерна 1 (из электрокорунда, карбида кремния или других абразивных материалов) посредством связки 2 (животного клея, карбамидной или фенольной смолы) связаны друг с другом и с основой 3 (бумагой, тканью, фиброй или комбинацией этих материалов).

Абразивные материалы разделяются по крупности зерна на сле­дующие группы и номера зернистости (ГОСТ 3647—80):

Шлифзерно............... 200, 160, 125, 100, 80, 63, 50, 40, 32, 25, 20, 16

Шлифпорошки......... 12, 10, 8, 6, 5, 4, 3

Микропорошки........ М63, М50, М40, М28, М20, М14

Тонкие микропорошки М10, М7, М5

Номер зернистости характеризует крупность зерен основной фракции (части) зернового состава данного номера зернистости: для шлифзерна и шлифпорошков он соответствует размеру сторо­ны ячейки сита (в сотых долях миллиметра), на котором задержи­ваются зерна основной фракции; для микропорошков и тонких микропорошков он равен наибольшему линейному размеру зерна в поперечнике (в микрометрах).

Средний радиус закругления режущих кромок зерна р умень­шается с уменьшением размеров зерен: для номеров зернистости 40, 25 и 16 он составляет соответственно 28, 19 и 13 мкм. Это обстоятельство, в частности, указывает, что высокая гладкость поверхности при шлифовании мелкозернистыми шкурками до­стигается благодаря уменьшению толщины срезаемых стружек и увеличению остроты режущих кромок мелких зерен.

До работы зерно имеет острую вершину, которая постепенно затупляется. Возрастающее по мере затупления зерна усилие реза­ния вызывает откалывание от него частичек и образование новых острых кромок. В некоторых случаях зерно целиком выкрашивается из связки под действием усилия резания. Совокупность явлений, связанных с образованием у абразивных зерен в процессе работы новых режущих кромок или выкрашиванием частичек и целых за­тупившихся зерен из связки, называется самозатачиванием абра­зивного инструмента.

Основные параметры режима шлифования (для шкурки выб­ранной зернистости): давление на шлифуемой поверхности, на­правление шлифования относительно волокон древесины, скорость резания, скорость подачи, длина контакта с древесиной.

Давление q в зоне контакта шлифовального инструмента с об­рабатываемым материалом влияет на количество активных (ре­жущих) зерен, а значит, на производительность инструмента. Вме­сте с тем увеличение давления мало влияет на среднюю толщину срезаемых стружек и, следовательно, на шероховатость шлифо­вальной поверхности. По опытным данным, возрастание давле­ния в 50 раз приводит к увеличению глубины неровностей всего на 5... 14%.

Рекомендуемая величина давления для основных схем шлифо­вания дана в табл. 27.

Таблица 27. Давление на шлифуемой поверхности

Схема шлифования (см. рис. 42)	Давление q, кПа, для шлифования
чернового (зернистость шкурки 80...50)	чистового (зернистость шкурки 25... 10)
Лентой с неподвижным
столом	1,5...4,0	1,0...2,5
Лентой с контактным
прижимом	5...20	2...5
Цилиндром	50... 200	20...50
Диском	5...57	—

Направление шлифования. Практика и специальные исследова­ния показывают, что при чистовом шлифовании наилучшее каче­ство поверхности достигается при шлифовании вдоль волокон (угол скоса φ_с = 0°). В чистовом шлифовании поверхностей, предназна­ченных для высококачественной отделки, допускается угол скоса не более 15°. При φ_с > 15°, что имеет место, например, при обра­ботке щитов, облицованных в елку или в ромб, требуется тща­тельное шлифование до получения поверхностей с микронеров­ностями высотой не более 6...8 мкм; только при этих условиях следы от зерен будут незаметны.

Черновое шлифование рамных столярно-строительных изде­лий (с продольными и поперечными брусками) рекомендуется при φ_с = 45°. Встречается шлифование с углом скоса 90°, т.е. попе­рек волокон (обработка паркетных досок).

При ленточном шлифовании (рис. 40, б) существует опреде­ленная оптимальная длина контакта l_к шкурки с древесиной (из­меряется по направлению v). Зернами шкурки может быть срезано и унесено с поверхности изделия лишь такое количество стружки, которое разместится в межзерновом пространстве. При достаточно большой длине контакта стружка постепенно заполняет все сво­бодное пространство между зернами и оттесняет шкурку от изде­лия, из-за чего съем древесины сокращается, а затем прекращает­ся. Оптимальная длина контакта не зависит от скорости шлифования, мало зависит от давления и породы древесины, но определя­ющим образом зависит от зернистости шкурки. Для зернистости шкурки 32, 16 и 10 оптимальная длина контакта (утюжка) l_к равна соответственно 125, 100 и 65 мм.

Для нормальной работы шлифовальной ленты важное значение имеет степень ее натяжения. Оптимальным, например, для шкурки на тканевой основе будет натяжение 7,5 Н на 1 см ширины ленты.

Для шлифования весьма сложно заранее предсказать геомет­рию шлифованной поверхности, так как распределение абразив­ных зерен в инструменте случайно.

В производственной практике ожидаемую глубину неровностей на шлифованной поверхности, мкм, определяют по эмпириче­ской формуле

где d_i — размер зерен основной фракции зернистости, мм; γ_п — плотность древесины, г/см³; знак плюс (+) — для острой шкур­ки, минус (—) — для тупой.

Скорость резания v при шлифовании вычисляется согласно схемам процесса как окружная скорость на поверхности шкива, приводящего в движение ленту, цилиндр или диск.

Приведенная глубина шлифования (толщина снимаемого слоя) за один проход

где R_{mmax (i)} — средняя величина максимальных микронеровнос­тей после обработки, мкм; R_{mmax (i}-_1} — то же до обработки, мкм.

Для сохранения высокой производительности процесса детали шлифуют за два-три прохода, уменьшая от прохода к проходу зер­нистость шкурки.

Чтобы рассчитать скорость подачи для заданных условий шли­фования, необходимо знать удельную производительность инстру­мента (шкурки).

Удельная производительность шкурки а_ш — это номинальный объем, см³, материала, удаляемого с 1 см² обрабатываемой поверх­ности при перемещении инструмента вдоль поверхности на 1 см. Следовательно, а_ш имеет размерность см³/(см²-см).

Удельную производительность шкурки а_ш определяют по эмпи­рической формуле

где q — давление, кПа; γ_п — плотность древесины, г/см³; d_t — размер зерен основной фракции данного номера зернистости, мм; а_м — поправочный множитель, учитывающий влияние материала абразива (электрокорунд — 1; кремень — 1,3); а_н — поправочный множитель, учитывающий способ нанесения абразивных зерен на основу (гравитационный — 1; электростатический — 1,25); а_рп — поправочный множитель, учитывающий остроту шкурки (острая — 1,4; средней остроты — 1; тупая — 0,7).

По известной а_ш определяется скорость подачи, м/мин,

При шлифовании различают общие касательную F_x,нормаль­ную F_zи осевую F_y(например, при осцилляции инструмента) силы (рис. 42, в), получающиеся от сложения соответствующих сил на всех режущих абразивных зернах. Осевая сила из-за ее малости обыч­но не учитывается.

В расчетных формулах касательную силу принято представлять как силу трения. Это оправдано физической сущностью шлифова­ния (определяющей ролью процесса трения), а также тем обстоя­тельством, что нормальная сила резания F,практически задается режимом шлифования (суммарная сила нормального давления по площади контакта f_k). Таким образом,

где f_ш — коэффициент шлифования, величина безразмерная; q — давление по площади контакта, кПа; f_K = Вl_К — площадь контак­та, см², где В — ширина утюжка, см.

Коэффициент шлифования f_ш зависит главным образом от зерни­стости и степени затупления шкурки и от свойств обрабатываемого материала. Для древесины f_ш вычисляют по эмпирической формуле

где а_п — поправочный множитель на породу древесины (береза — 1; сосна — 0,95; дуб — 0,85); а_р — поправочный множитель на степень затупления шкурки (острая — 1,3; средней остроты — 1; тупая -- 0,8).

Для обработки древесно-стружечных плит f_ш = 0,45... 0,75 (боль­шие значения при зернистости шкурки № 40 и выше и значитель­ных припусках на обработку).

Мощность шлифования определяется с учетом особенностей схемы шлифования. Так, для шлифования лентой с учетом трения оборотной стороны ленты по «постели» (коэффициент трения /= = 0,3...0,4)

для шлифования цилиндром

)'

Шлифовальную шкурку поставляют в рулонах (Р) и листах (JI). Размеры и зернистость шлифовальных шкурок для сухого шлифова­ния и шлифования с масляным, керосиновым или уайт-спиритовым охлаждением определены ГОСТ 6456—82 (бумажная основа) и ГОСТ 5009—82 (тканевая основа). Шкурку водостойкую на бумаж­ной основе для шлифования с водяным или керосиновым охлажде­нием (ГОСТ 10054—82) выпускают в листах длиной 3100 мм, ши­риной 230, 240, 275 мм. Рекомендации по выбору зернистости шкурки приведены в табл. 28. Марки шлифовальных шкурок на бумажной основе определяются свойствами бумаги-основы: 0-140 (П1), 0-200 (П2), 0-210 (ПЗ), 0-235 (П4), ... БШ-200 (П7), БШ-240 (П8). Циф­ровая часть марки указывает массу 1 м² бумаги в граммах. Напри­мер, 0-210 — бумага, масса 1 м² которой составляет 210 ± 10 г. Чем больше цифра в условном обозначении бумаги, указанном в скоб­ках, тем выше прочность бумаги (разрывная нагрузка) в продоль­ном и поперечном направлениях и меньше удлинение при разрыве.

Шкурки на тканевой основе в деревообработке применяют реже, чем шкурки на бумажной основе: они дороже, имеют большее остаточное удлинение (недостаток при эксплуатации), хотя и более прочны.

Таблица 28. Зернистость шкурок для различных операций шлифования

Объект обработки шлифованием	Шлифование
первое	второе	третье
Древесно-стружечные плиты:
для облицовывания строганым шпоном
для облицовывания бумагой или отделки печатью
		—
Столярные плиты			—
Фанера			—
Щиты, облицованные шпоном
Рамочные конструкции столярно­-
строительных изделий
Лакокрасочные покрытия:
нитролаковые			—
полиэфирные			—

Глава 16. ЛАЗЕРНОЕ РЕЗАНИЕ

Перспективным является применение для резания древесины и древесных материалов устройств на основе оптических квантовых генераторов-лазеров.

В общем случае лазер состоит из активного вещества, помещенного в оптический резонатор, и источника возбуждения. В активном веществе происходит преобразование энергии, поступающей от источника возбуждения, в монохроматическое (с неизменной длиной волны) когерентное (согласованное по фазе) излучение светового диапазона, а в оптическом резонаторе — накопление световой энергии и формирование узконаправленного излучения. В результате использования свойств лазерного луча возможно осуществлять узколокализованный нагрев обрабатываемого материала до очень высоких температур, вызывая в нем разрушение. Древесина и древесные материалы в зоне воздействия лазерного луча превращаются в нагретые газы.

Схема технологической лазерной установки для раскроя листовых древесных материалов показана на рис. 43. Газовый (активное вещество — С0₂) лазер 1 мощностью 200 Вт образует пучок лучей 2 диаметром 15 мм, который с помощью системы зеркал 3 и линз 4 концентрируется и направляется на обрабатываемую заготовку 5. Для быстрого удаления продуктов сгорания обрабатываемого материала из зоны резания через сопло 6 с большой скоростью выбрасывается инертный газ, подаваемый через штуцер 7. Перемещение лазерного луча (режущего инструмента) относительно заготовки осуществляется автоматически по программе.

Технологические возможности установок для лазерного резания характеризуются потерями
древесины (ширина образуемой щели) и производительностью резания (скорость перемещения луча относительно материала). Для тонких листовых материалов ширина щели составляет
0,3...0,4 мм, для фанеры толщиной 18 мм — 0,7 мм. Поскольку лазерный луч приобретает
способность разделения древесины лишь в зоне фокуса, деление толстых образцов (50 см и более) затруднено. Может потребоваться многократный проход луча через материал по анало­гии с последовательным углублением зубьев пилы в дно пропила.

Производительность лазерного деления различных древесных материалов*, пог. м/мин

Древесина мягких пород толщиной, мм:

6,35................................................................... 3,15

12,70................................................................. 1,27

25,40................................................................. 0,56

Древесина твердых пород толщиной, мм:

6,35................................................................... 2,82

12,70................................................................. 1,18

25,40................................................................. 0,44

Фанера на основе фенольных смол

толщиной 12,70 мм.............................................. 0,51

Древесно-стружечные плиты толщиной 12,70 мм 0,41

Древесно-волокнистые плиты, твердые

закаленные, толщиной 12,70 мм........................ 0,33

Примечание: мощность лазера 240 Вт

Применение лазера для раскроя листовых и плитных древесных материалов обеспечивает высокое качество поверхностей кромок и минимальные потери материала на разделение при получении чистовых деталей различной конфигурации (без припусков на даль­нейшую обработку). Отходы в виде твердых опилок отсутствуют, устраняется шум и выделение пыли, расширяются возможности автоматизации технологической операции. Следует, однако, учи­тывать большую энергоемкость процесса лазерного деления (зна­чительно большую, чем лезвийного резания), дороговизну обору­дования, ограниченную сферу технологического применения и дру­гие недостатки.