Особенности пиления мерзлой древесины

В этой публикации автор хочет поделиться с читателями своим производственным опытом и знаниями в области пиления мерзлой древесины, полученными за время работы и стажировки на ряде лесопильных заводов Восточной Сибири.

Приглашаю все заинтересованные стороны к дискуссии, потому проблематика, обозначенная в заголовке, хотя и носит общий характер, но в разных регионах страны имеет и свои нюансы, связанные, например, с условиями роста деревьев, со спецификой используемого оборудования, квалификацией обслуживающего персонала и т. п.

Краткая история вопроса пиления мерзлой древесины

Резание древесины – сложный процесс, и в развитии теории резания этого материала существует немало разных направлений. В итоге научных дискуссий по теории резания древесины, состоявшихся в Ленинграде (1952 год) и Москве (1953 год), было установлено, что наука о резании древесины развивалась по трем направлениям.

Первое направление основано на применении метода механико-­математического анализа процесса резания. Это школа проф. И. А. Тиме, М. А. Дешевого, С. А. Воскресенского. Ученые этой школы переносят методы науки о сопротивлении материалов на анализ действия сил и поведения стружки в процессе резания древесины. Второе направление развивает физическую теорию резания древесины, и процесс резания рассматривается как физический. Исследователями изучаются прежде всего процессы упругого и остаточного деформирования древесины, трения на молекулярном уровне, влияние на эти процессы скорости резания. Это направление представлено школой В. Д. Кузнецова и Е. Г. Ивановского. Третье направление использует физико­-технологический метод, математически обобщающий экспериментальные данные процессов резания в эмпирические формулы, пригодные для практических расчетов. Формулы объединяют физические и технологические параметры. Это школа проф. А. Л. Бершадского.

Между названными теориями резания нельзя провести четких границ. Они части одной теории, дополняющие и обогащающие друг друга, объединенные одной целью.

Научные труды основоположника науки о резании древесины – проф. И. А. Тиме дали возможность целой плеяде русских ученых – П. А. Афанасьеву, К. А. Зворыкину, А. Н. Челюскину, Я. Г. Усачеву, М. А. Дешевому, А. Л. Бершадскому, А. Э. Грубе, С. А. Воскресенскому, Е. Г. Ивановскому, А. Е. Золотареву, И. П. Лапину, Ф. М. Манжосу, В. С. Рыбалко и многим другим – создать отечественную школу обработки древесины резанием. Эта школа и сейчас ведущая в мире.

Так как большую часть года на территории Сибири преобладают отрицательные температуры, оборудование лесопильных цехов должно быть ориентировано на распиловку мерзлой древесины. В СССР этому обстоятельству не придавали большого значения, так как у всех более-­менее крупных лесопильных заводов имелись бассейны, где пиловочник частично оттаивал, поэтому проблем при его пилении почти не возникало. Теперь же, в эпоху дорогих энергоресурсов, такие бассейны есть у считаных предприятий, и при обработке мерзлой древесины неизбежно возникают немалые трудности. Кроме того, если в прежние времена основным назначением бассейна была сортировка пиловочника перед лесопильным цехом, то сейчас функцию сортировки выполняет специальное оборудование, из­-за чего в том числе отпала необходимость оттаивания бревен в бассейне.

Проблемы общего характера пиления мерзлой древесины

Пиление мерзлой древесины на лесопильном оборудовании сопряжено с рядом особенностей, которые вызываются изменением физико­-механических свойств древесины в условиях отрицательных температур, а также изменением процессов деформирования древесины, стружкообразования и т. д. На эту тему есть публикации в специальной литературе, у многих производителей режущего инструмента имеются определенные наработки в области конструирования специального режущего инструмента для работы в зимних условиях. Но, учитывая многочисленные проблемы, возникающие при пилении древесины в зимний период на современных лесопильных предприятиях России, особенно в регионах со значительными отрицательными температурами, надо признать, что тема эта больная, острая и требует повышенного внимания. Проблемы есть у всех без исключения лесопильных заводов, работающих в условиях, когда температура наружного воздуха более недели держится на отметке -­30°С и ниже. Причем это касается любых производителей пиломатериалов, но особенно тех, у кого в качестве головного лесопильного оборудования используются ленточнопильные и круглопильные станки. На некоторых предприятиях поступают просто: не работают в те дни, когда температура опускается ниже отметки ­-30°С, так как возникают проблемы не только с режущим инструментом, но и с оборудованием. На некоторых предприятиях работают в такой период по специальным режимам пиления. В частности, снижают скорости подачи в два раза и более, то есть учитывают соответствующий коэффициент плотности древесины, мотивируя это тем, что замерзшая влага (межклеточная и клеточная) повышает твердость обрабатываемого материала в 1,5–2 раза [2], тем самым увеличивая нагрузку на приводы механизмов резания и подачи. Но описанные выше меры снижают и без того невысокую эффективность лесопильного производства, повышают издержки производства; на таких производствах ухудшается и трудовая дисциплина.

Попробуем рассмотреть названную проблему на примере процессов пиления мерзлой древесины с использованием двух типов режущего инструмента – ленточными и круглыми пилами, так как при всем разнообразии у этих пил есть и общие проблемы, препятствующие их эффективному использованию. К ним относятся:

•  температурно-­влажностное состояние древесины на момент распиловки;
• потеря устойчивости пилы в процессе пиления;
• образование трещин в корпусе пилы;
• разрушение корпуса тела пилы;
• обрыв зубьев пил;
•  необходимость вальцевания и проковки.

Действительно, в номенклатуре продукции многих крупных производителей режущего инструмента имеются пилы для работы в зимних условиях. Но практика наших лесопильщиков такова, что «зимние» пилы надо заказывать уже весной-­летом, так как сроки их изготовления у многих производителей – 8–14 недель (изготовление плюс время на доставку). Вот и рассуждают наши лесопильщики примерно так: на дворе тепло, а в это время года и так все хорошо, у иных на заказ денег нет, другие попросту забыли это сделать, понадеявшись на русский авось...

Но даже если на предприятии все предусмотрели, сделали заказ вовремя и получили «зимний» режущий инструмент как раз накануне сезона, деревообработчики не застрахованы от проблем – полученные от производителя пилы не всегда оправдывают ожидания покупателя. Причины тому могут быть самые разные. Например, низкое качество древесины, связанное с условиями произрастания деревьев, сроками хранения сырья на складах, квалификацией пилоточей. Надо добавить к этому, что часть производителей пил обладает небольшим практическим опытом производства подобного инструмента, что для изготовления пил ими используется инструментальная сталь низкого качества, а также то, что зачастую у них нет обратной связи с нашими лесопильными заводами. Увы, но это факт: крупному лесозаводу проще списать несколько пил или, если есть возможность, восстановить их, чем заниматься рутинной работой с поставщиками, которые, как правило, являются дилерами производителей и не всегда оперативно решают возникающие проблемы.

Нюансы технологии пиления мерзлой древесины

В ходе исследований, проведенных сотрудниками СибГТУ (г. Красноярск) И. Н. Спицыным, Н. В. Вишуренко и И. С. Корчмой [1], доказано, что в процессе резания древесины огромную роль играет ее температурно­-влажностное состояние. Пиление возможно только тогда, когда измельченная зубьями пилы древесина полностью удаляется из зоны резания. Поэтому очень важно, чтобы объем впадины зуба мог полностью вмещать срезаемые стружки и они легко удалялись из зоны резания при выходе из пропила. То есть должно соблюдаться условие: объем уплотненной (но не спрессованной) стружки не должен быть больше допустимого объема для заполнения впадины.

Степень уплотнения стружки (опилок) во впадине между зубьями пилы (как и коэффициент уплотнения) зависит от плотности древесины и ее гидротермического состояния. Результаты, полученные в ходе опытной распиловки талой (свежей) древесины, свидетельствуют, что объем уплотненной древесины в межзубной впадине в 1,5–2 раза меньше номинального объема срезанной стружки, поскольку величина напряжения сжатия, возникающего при срезании стружки, достаточна для деформации клеток и вытеснения из них капиллярной (свободной) влаги через поры древесины. Номинальный объем стружки уменьшается на величину объема пор, свободных от капиллярной влаги. С повышением влажности древесины значение коэффициента уплотнения возрастает. У древесины с влажностью выше предела гигроскопичности характер изменения коэффициента уплотнения схож с процессами, описанными выше, только с увеличением влажности численное значение коэффициента растет. Это объясняется большим количеством свободной влаги в полостях клеток, которая может быть вытеснена. При отрицательных температурах внешней среды эта влага превращается в лед, создавая тем самым дополнительное сопротивление при восприятии нагрузки от зубьев пил в процессе резания. То есть коэффициент уплотнения снижается, следовательно, можно сделать вывод: межзубная впадина у пил, предназначенных для эксплуатации в холодный период, должна быть больше впадины пил для пиления древесины летом.

Учитывая вышеизложенное, а также то, что все производители пил делают примерно одинаковое уширение на сторону зубчатого венца (который образует ширину пропила) при одинаковой толщине тела пилы (которое равно, как правило, 0,7–0,8 мм для «летних» пил), ширина пропила находится по формуле:

В = -S +2S¹,

где В – ширина пропила, мм;

S – толщина тела пилы, мм;

S¹ – уширение на сторону, мм.

Такое уширение на сторону (0,7–0,8 мм) вызвано необходимостью компенсировать упругое восстановление стенок пропила талой (свежей) древесины, а также уменьшением вследствие этого трения пилы о стенки пропила, причем чем мягче древесина, тем сильнее этот эффект. В мороженой древесине нет влаги, а лед оказывает цементирующее воздействие на древесину, вследствие чего почти не наблюдается упругого восстановления стенок пропила. Кроме того, по сравнению с водой лед сильнее охлаждает древесину, что также способствует уменьшению засмоления пил при пилении хвойных пород. Следовательно, можно сделать вывод о том, что для пиления мороженой древесины можно использовать пилы с меньшим уширением на сторону, то есть в пределах 0,4-0,6 мм. Это уменьшит усилие резания, снизит нагрузки на пилу, уменьшит потребляемую мощность главного привода лесопильного оборудования и позволит пилить древесину зимой, незначительно снижая скорость подачи, при прочих равных условиях.

Огромную роль в уплотнении стружки в межзубной впадине играют форма и профиль самой впадины, а также форма зуба. Некоторые производители инструмента в связи с этим производят пилы, у которых имеются ступенчатые зубья или радиус закругления у основания зуба во впадине имеет значение не 3–5 мм, как обычно, а 1–2 мм. Ступенчатый зуб предохраняет распиленную поверхность от прилипания комков мерзлой древесной пыли, разбивает эти комки, что позволяет стружке компактнее располагаться в межзубной впадине и легко удаляться из пропила. Для этой же цели предназначен и маленький радиус у основания зуба, так как в процессе пиления стружка «утыкается» в этот радиус, дробится и плотно укладывается в межзубной впадине, что способствует легкому выводу стружки из пропила. Однако следует иметь в виду, что в этом случае нижняя точка межзубной впадины должна находиться не у основания зуба, а как можно дальше от него, в противном случае могут возникнуть напряжения, которые вызовут появление трещин и приведут к обрыву зубьев пилы.

Важны также размеры стружки. На мой взгляд, минимальные размеры стружки должны быть не менее 0,6-0,8 мм (то есть не менее величины уширения на сторону плющеного или напаянного зуба при пилении летом), так как более мелкая фракция стружки свободно уйдет в пазухи между стенками пропила и телом пилы, что приведет к сильному разогреву периферийной зоны тела пилы, потере ею устойчивости и, как следствие, выходу из строя. Но и крупная стружка (поскольку коэффициент уплотнения ее ниже, чем в случае мелкой) также может привести к проблемам, связанным с недостаточным объемом межзубной впадины и выходом ее в пазухи между стенками пропила и телом пилы. При пилении зимой, когда образуется очень большое количество мелкой стружки (пыли), на только что напиленных пиломатериалах можно видеть налипание (примораживание) пыли на пластях и кромках. С этим явлением надо бороться путем подбора оптимальных режущих инструментов или правильной переточки пил.

Свое влияние на процесс пиления в холодный период года оказывает и строение древесины, правда, это относится только к хвойной ядровой древесине (сосне, лиственнице и т. п.), потому что у заболонной и сердцевинной древесины этих пород разная влажность. Сердцевина – это мертвая сухая древесина, заболонь – свежая растущая древесина, через которую дерево получает все необходимые питательные вещества, поэтому ее влажность значительно выше влажности сердцевины. Если древесину распиливают в теплый период, это обстоятельство не оказывает существенного влияния на процесс пиления и устойчивость пилы в зоне перехода заболонной древесины в ядровую. Зимой же вполне возможны случаи неустойчивой работы пилы в этой зоне из-­за разных значений боковых сил резания, так как в зоне перехода сердцевинная и ядровая древесина будут сильно различаться по твердости из-­за большого количества льда в клетках и межклеточном пространстве заболони. Особенно часто сбои будут случаться на тех предприятиях, где для распиловки мерзлой древесины используются пилы со значительным затуплением лезвий режущих элементов пил вследствие их длительной эксплуатации без заточки.

Угловые параметры пилы при пилении мерзлой древесины

Рассмотрим влияние угловых параметров пилы на процессы резания в зимних условиях. У каждого зуба пилы имеются: g – передний угол, измеряемый между перпендикуляром от линии, проведенной через кончики зубьев, и передней гранью зуба; b – угол заострения, измеряемый между передней и задней (касательной) гранями зуба; a – задний угол, измеряемый от линии, проведенной через кончики зубьев, до касательной к задней грани зуба.

Передний угол. Передний угол для пил, предназначенных для продольного пиления, определяется особенностями резания, деформативностью и твердостью пиломатериалов. Кроме того, передний угол оказывает значительное влияние на поперечную устойчивость зуба. Большинство лесопильщиков сознательно увеличивают передний угол до 30°, что в принципе логично, так как уменьшаются лобовые сопротивления усилиям резания, в связи с тем что пила с более острым углом зубьев легче режет древесину. Но надо помнить, что при более остром угле g зуб пилы в основании становится менее устойчивым: снижается его поперечная устойчивость, зубья пилы в большей степени подвергаются вибрациям и начинают (по синусоиде) отклоняться по очереди влево и вправо. Понятно, что такая вибрация приводит к перегрузке и разрушению зубьев и тела пилы. При этом увеличивается ширина пропила, что влечет за собой возрастание усилий резания. Таким образом, можно сделать следующий вывод: неправильно подобранный передний угол (сильно увеличенный) приводит к появлению вибрации, некачественным режимам резания и разрушению пилы. Распространенной ошибкой является и пиление с малым углом g, потому что это приводит к быстрому и неправильному износу главной режущей кромки (лезвия) по переднему углу, перегреву зубьев, высоким нагрузкам от лобовых сопротивлений усилиям резания и сильной вибрации зубьев.

Истина, как правило, находится посередине, и пилоточу надо взять на вооружение принцип, которым руководствуются врачи: «Не навреди». Стандартная величина переднего угла – от 20 до 30° для пиления талой (свежей) древесины. Нижние величины угла используются для пиления твердолиственных пород древесины, а верхние – для продольной распиловки мягкой древесины, т. к. резание мягкой древесины, особенно осины, процесс весьма непростой. Как показывает практика, основная причина получения малого переднего угла – неквалифицированное обслуживание инструмента пилоточами. В частности, они, как правило, «забывают» о том, что абразивные круги (даже алмазные) периодически надо править и всегда контролировать угловые параметры пилы.

Итак, для пиления мороженой древесины при прочих одинаковых условиях необходимо максимально уменьшать передний угол, в частности, для пил с углом 25° его можно снизить до 20°. Кстати, многие производители инструмента для «зимних» пил, используемых при пилении хвойных пород, считают оптимальным угол 22°.

Задний угол. Как правило, он составляет 12–20°. Для пиления мерзлой древесины можно считать оптимальным угол 12°, хотя, учитывая то, что сказано выше о свойствах мерзлой древесины, можно поэкспериментировать и с углом 10°. Минимальное значение (12°) связано с упругим восстановлением древесины, поэтому при распиловке мягких пород летом этот угол должен быть больше.

Необходимо также понимать, что уменьшение переднего и заднего углов до минимальных значений увеличивает угол заточки и, как следствие, ведет также к увеличению жесткости и устойчивости зуба в пропиле из­-за увеличения поперечного сечения пропила, что положительно сказывается на режимах пиления в зимних условиях.

Кроме того, разумное уменьшение переднего угла ведет к замедлению затупления режущей кромки зуба при пилении мерзлой древесины.

Высота зуба при пилении мерзлой древесины

Для ленточных пил высота зуба h определяется толщиной и шириной пильной ленты и находится в следующей зависимости:

h = 10B или h = 1/10Н,

где B – толщина пильной ленты, мм;

Н – ширина пильной ленты, включая зубья, мм.

Для того чтобы увеличить устойчивость зубьев в пропиле, надо добиться такого соотношения высоты и толщины зуба для круглых пил, которое должно быть не менее:

h = 3...5b,

где b – толщина тела пилы, мм.

Понятно, что для большей устойчивости зубьев в пропиле при пилении мороженой древесины высота зуба при всех прочих одинаковых значениях должна быть меньше. Рекомендуется уменьшать высоту зуба зимой на 1–3 мм.

Объем межзубной впадины при пилении мерзлой древесины

Целесообразно проверять правильность выбора пил при помощи расчета по объему заполнения межзубной впадины стружкой (опилками).

Расчет межзубной впадины позволяет проверить правильность выбора дисковых и ленточных пил по объему межзубной впадины V и подаче на зуб u_z или по фактической скорости подачи в процессе пиления, а также в случае резкого ухудшения процессов пиления, частых обрывов лент, обрыва зубьев пил или разрушения корпуса дисковых пил.

При движении зуба пилы из точки входа в лесоматериал до точки выхода из него пила превращает в стружку (опилки) объем древесины, который можно рассчитать по формуле [3]:

V = u_zzHB,

где V – объем стружки (опилок), мм³;

u_z – подача на зуб, мм;

z – число зубьев в пропиле;

H – высота пропила, мм;

B – ширина пропила, мм.

В процессе распиловки древесины опилки попадают в межзубные впадины, уплотняются в них и выносятся из пропила. Средний объем уплотненных опилок, приходящийся на одну межзубную впадину, определяется по формуле:

V_о = Vs/z = u_zВHs,

где V_о – объем стружки (опилок), мм³; s – коэффициент уплотнения опилок (напряженности впадины); в зависимости от состояния и породы древесины он составляет 1,5–2,5. Минимальное значение (1,5) применяется при распиловке твердых пород и мороженой древесины, большие значения (около 2,5) – для мягких пород древесины.

Объем межзубной впадины для стандартных зубьев вычисляется по формуле

V_в = Bqt²,

где V_в – объем межзубной впадины, мм³; q – коэффициент площади впадины зуба, равный отношению площади впадины к площади квадрата со сторонами, равными шагу зубьев t (этот коэффициент составляет 0,12–0,6).

Учитывая, что пила в пропиле работает стабильно до тех пор, пока межзубная впадина вмещает весь объем опилок и они не уходят в пазухи между стенками пропила и телом пилы (что приводит к повышенному трению, нагреву пилы и потере ею устойчивости), а также приравняв объем межзубной впадины и объем спрессованных опилок, получим:

qt₂ = u_zHs, или s = qt²/u_zH.

Таким образом, производительность процесса пиления, выражаемая через подачу на зуб, ограничена шагом зубьев пилы и высотой пропила.

Используя эти формулы, почти всегда можно проверить правильность выбора профиля зуба и межзубной впадины. Особенно это актуально в тех случаях, когда возникают проблемы с эксплуатацией ленточных пил (например, когда образуется множество трещин во впадинах зубьев пил, происходит снижение прямолинейности пропила и т. п.).

Площадь межзубной впадины любых пил можно также быстро вычислить при наличии пилы, листа миллиметровой бумаги и остро отточенного карандаша.

Каждый опытный технолог, работающий в области лесопиления, зная количество зубьев на пиле, может легко определить фактическую подачу на зуб по рискам на поверхности полученного пиломатериала. Подставив в формулу qt² = u_zHs значения коэффициентов q и s для мороженой древесины, получим формулы для расчета подачи на зуб стандартных пил по заполнению впадин опилками при пилении мороженой древесины пилами:

u_z = (0,12...0,3)t²/1,5H_max.

С помощью этой же формулы можно подобрать оптимальный шаг зубьев пил, учитывая величину высоты максимального пропила и оптимальную подачу на зуб при пилении мороженой древесины, которая (по некоторым данным) должна находиться в пределах 0,05–0,15 мм.

Вальцевание и проковка пил для пиления мерзлой древесины

Для ленточных пил в основном применяют вальцевание, причем в зависимости от профиля шкива станка оно может быть разным. Для круглых пил также наиболее распространено вальцевание, исключение составляют пилы большого диаметра (более 800 мм), для которых, как правило, на заводах нет соответствующего вальцовочного оборудования.

У инструмента, предназначенного для зимних условий эксплуатации, целесообразно более тщательно подходить к подготовке тела пилы, уделяя особое внимание не только вальцовке и проковке пил и выполняя все рекомендации производителей, но также подвергая пилы тщательной рихтовке и правке.

Рихтовка, когда выравнивают полотно круглой пилы, и правка, когда середину полотна растягивают, устраняя дефекты тела пилы, – это отдельные этапы производственного процесса, необходимые для обеспечения надлежащего функционирования пилы.

Однако на производстве их часто объединяют, что приводит к неправильной подготовке пилы к работе. Кроме того, в зависимости от типа и конструкции пилы при рихтовке и правке требуется довольно много ручной работы, которая в силу субъективных и объективных причин выполняется плохо или не делается совсем. Поэтому целесообразно периодически проверять правильность выполнения этих операций и в случае необходимости корректировать пилы.

Владимир ПАДЕРИН

Литература:

1. Спицын И. Н., Вишуренко Н. В., Корчма И. С. Исследование влияния влажности и температуры на степень уплотнения древесины в замкнутом пространстве. СибГТУ, г. Красноярск.

2. Бершадский А. Л. Расчет режимов резания древесины [Текст] / А. Л. Бершадский. – М.: Лесн. пром­сть, 1967. – 175 с.

3. Бершадский, А. Л. Резание древесины [Текст] / А. Л. Бершадский, Н. И. Цветкова. – Минск: Вышейш. шк., 1975. – 303 c.

4. Глебов, И. Т. Резание древесины [Текст] / И. Т. Глебов. – Екатеринбург: УГЛТУ, 2001. – 151 с.