Пиление мерзлой древесины
Производительность оборудования и энергоемкость при пилении древесины на лесопильных потоках, качество распиловки и потери древесины при ее подготовке и распиловке зависят от параметров инструментов и свойств древесины.
На предприятиях Сибири и Дальнего Востока в течение большей части года распиливается именно мерзлая древесина, так как у большинства предприятий нет бассейнов, а в тех открытых бассейнах, которые имеются на некоторых заводах, температура воды не позволяет древесине оттаивать полностью. Замораживание весьма существенно влияет на физико-механические свойства древесины. Основная причина - переход влаги, содержащейся в ней, в твердое агрегатное состояние.
Повышенные прочностные показатели мерзлой древесины оказывают влияние на выбор параметров и конструкцию режущего инструмента и во многом предопределяют режимы обработки. При решении этих задач необходимо предусматривать возможность комплексного и рационального использования древесины. Увеличение силовых показателей при окорке и распиловке мерзлой древесины по сравнению с распиловкой талой ведет к снижению производительности оборудования. Снижение производительности оборудования зависит от породы древесины, диаметра бревна, климатических условий района размещения лесопильного предприятия и др.
Пиление мерзлой древесины на лесопильных станках сопряжено с рядом особенностей, которые вызываются изменением физико-механических свойств древесины в условиях отрицательных температур, изменением деформирования и стружкообразования и т. д. Рассмотрим названные проблемы.
Пиление возможно только тогда, когда измельчаемая зубьями древесина удаляется из зоны резания. По-этому при пилении очень важно, чтобы объем впадины зуба обеспечил и вмещаемость срезаемых стружек, и их легкое удаление при выходе из пропила, то есть объем уплотненной стружки не должен быть больше допустимого для заполнения впадины.
Степень уплотнения стружки во впадине между зубьями пилы (как и коэффициент уплотнения) зависит от плотности древесины и ее гидротермического состояния. Опытные распиловки талой древесины показывают, что объем уплотненной во впадине между зубьями древесины в 1,5-2 раза меньше номинального объема срезанной стружки, поскольку напряжения сжатия, возникающие при срезании стружки, достаточны 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.
При распиловке мерзлой древесины ледяные включения не могут быть вытеснены из полостей клеток. Следовательно, объем стружки уменьшается только на объем пор, свободных от кристаллов льда.
В литературных источниках содержится неполная информация о деформации стружки в случаях распиловки ленточными пилами древесины сосны. Приводятся приблизительные цифры о значениях коэффициента уплотнения аупл.
Сотрудниками СибГТУ г. Красноярска с целью проверки и уточнения уже имеющихся данных экспериментально определены значения коэффициента αупл. для древесины сосны при положительных и отрицательных температурах. Учеными были проведены исследования влияния влажности и температуры на степень уплотнения древесины в замкнутом пространстве, данные которых представлены на рис. 1.
Из графика видно, что у древесины сосны с влажностью 50-80% уже при -25°C коэффициент уплотнения ауп начинает падать, а при влажности 30-49% увеличение плотности древесины при сжатии почти останавливается. То есть при -25°C влага в древесине полностью замерзает, и, значит, можно говорить, что древесина сосны при такой температуре мерзлая.
Следует отметить, что это данные лабораторных исследований, которые не учитывают размерно-качественных характеристик пиловочного сырья и его теплопроводность, в данном случае - скорость промерзания сырья. Тем не менее, можно сделать вывод: в зависимости от диаметра пиловочного сырья свежесрубленная древесина может быть проморожена полностью в течение двух-трех дней при температуре наружного воздуха -25°C.
В таблице 1 представлены данные по влажности свежесрубленной древесины некоторых пород, они свидетельствуют о том, что у ядровых пород различается влажность ядра и заболони, вследствие чего промерзание их также различно.
При пилении ядровой мороженой древесины на скорости свыше 50 м/мин. на фрезерно-брусующих и фрезерно-пильных линиях целесообразно использовать специально изготовленные пилы (центральные и боковые), которые устанавливаются на станки для пиления ядра и заболони.
Несколько слов о том, что следует понимать под влажностью древесины.
Влажность древесины - это отношение содержащейся в ней массы связанной и свободной влаги к массе древесины в абсолютно сухом состоянии, выраженное в процентах. В древесине содержатся три вида влаги: связанная (гигроскопическая), свободная (капиллярная) и химически связанная.
Объем химически связанной влаги весьма незначителен (1-3%), кроме того, эта влага почти никогда не замерзает, вследствии чего не оказывает никакого влияния на промерзание и увеличение плотности древесины, по-этому не учитывается в расчетах.
По плотности породы влажностью 12% можно подразделить на три группы:
- породы малой плотности - 510 кг/м3 и ниже (ель, сосна, пихта, кедр, тополь, ива, ольха, каштан посевной, орех маньчжурский, бархатное дерево);
- породы средней плотности - 511-740 кг/м3 (лиственница, тис, липа, береза, бук, груша, вяз, ильм, дуб, карагач, платан, клен, рябина, ясень, яблоня);
- породы высокой плотности - 741 кг/м3 и более (акация белая, граб, береза железная, саксаул, самшит, фисташка, кизил).
Плотность древесины колеблется в очень широких пределах. Наибольшая - у древесины бакаута (1280 кг/м3), а наименьшая - у древесины бальсы (150 кг/м3). С увеличением влажности древесины повышается ее плотность. Например, плотность древесины бука при влажности 12% составляет 670 кг/м3, а при влажности 25% - 710 кг/м3.
Плотность ранней и поздней древесины в годовом слое различна. Плотность поздней древесины в 2-3 раза превосходит плотность ранней. У более плотной древесины и прочность выше. При пилении пиловочного сырья на лесопильных линиях на скорости свыше 50 м/мин. у древесины, как правило, повышенная (более 30%) влажность, а у мороженой древесины - повышенная плотность.
Следовательно, при пилении на названных скоростях подачи целесообразно использовать высококачественные пилы, корпуса которых выполнены из высоколегированной прочной стали и специально подготовлены. Кроме того, следует позаботиться о том, чтобы были правильно подобраны шаг зубьев пилы, профиль и объем межзубной впадины.
круглыми пилами разных материалов, м/с
При пилении круглыми пилами необходимо учитывать также частоту вращения режущего инструмента и диаметр пилы, потому что у каждой пилы есть критический ресурс - показатель прочности стали корпуса пилы на разрыв. В таблице 2 приведен график рекомендуемых скоростей резания при пилении различных материалов круглыми пилами.
При пилении мороженой древесины, особенно при пилении на скоростях подачи свыше 50 м/мин. и глубине пропила более 70 мм, целесообразно использовать специальные круглые пилы.
Рассмотрим некоторые профили и формы зубьев пил. Начнем с пил, которые используются на фрезерно-брусующих и фрезерно-пильных линиях в качестве инструмента, образующего пиленую поверхность пиломатериалов и, как правило, сблокированы с фрезами.
Они применяются на станках первого и второго ряда, а также на фрезерно-обрезных и фрезерно-профилирующих станках. В связи с тем, что глубина пропила у этих пил не более 10 мм, проблем с ними почти нет, за исключением случаев неправильной конструкции их корпусов в точках примыкания к ножам фрез.
На станках первого и второго ряда используются круглые пилы разного профиля с разными углами заточки, объемами и профилями межзубной впадины.
Целесообразно подбирать пилы с учетом того, что подача на зуб при пилении мерзлой древесины c хорошим качеством пиленой поверхности (в пределах Rz max = 200) должна быть 0,5-1,2 мм.
На больших глубинах пиления на корпусах пил обязательно должны быть мультаксы (подчищающие зубья), выполняющие функцию удержания пилы в пропиле в случае временной потери ею устойчивости, например, если в древесине встречаются большие сучья или при пилении в зоне перехода ядровой древесины в заболонь. Кроме того, у пил должны быть значительно большие межзубные впадины, чем у инструмента для пиления летней древесины.
Целесообразно использовать пилы с так называемыми ступеньками во впадине зуба, которые предназначены для измельчения опилок и длинной сливной стружки и более плотного их размещения в межзубной впадине. Следует также отметить качество обработки (шероховатость поверхности) межзубной впадины, наличие на задних кромках зубьев пил различных доработок (так называемых выборок при динамической балансировке пил), наличие во впадинах различных рисок, оставленных шлифовальными кругами, а также косых заточек в межзубной впадине, которые могут привести к попаданию опилок между пилой и стенкой пропила, образованию трещин и обрыву зубьев пил.
На станках многопильных и обрезных при пилении с глубинами пропила более 70 мм для улучшения выноса опилок из пропила целесообразно использовать пилы типа «Ганнибал», у которых между группами зубьев пил большие межзубные впадины.
Несколько слов об угловых параметрах зубьев пил и уширении на сторону. Для летних пил передний угол составляет 20-22° для пиления древесины хвойных пород, а при пилении мороженой древесины, с целью снижения нагрузки на зуб, передний угол надо увеличить до 25-30°. Это замечание касается только пил, корпуса которых изготовлены из высококачественных легированных сталей, закалка находится в пределах 56-61 HRC, а зубчатый венец - 38-42. В другом случае целесообразно уменьшить высоту зуба пилы на 1-3 мм, а передний угол оставить в пределах 20-20° или уменьшить на 1-2°.
С целью снижения нагрузок на пилу и повышения качества пиленой поверхности иногда целесообразно делать на зубьях косую заточку в пределах 8-15°. Уширение на сторону также может быть уменьшено с 0,9 до 0,6-0,7 мм, а иногда и до 0,5-0,4 (при пилении мороженых твердых пород древесины).
Пиление ленточными пилами
Рис. 2. Пиление разведенной пилой
и пилой с плющением
На узких ленточных пилах в основном делают развод зубьев пил, а на широких - плющение, наварку стеллита или напайку пластинок твердого сплава (рис. 2). На узких пилах передний угол чаще всего составляет 10-12°, на широких пилах он должен быть: от 25 до 27° в летних условиях, 23-25° - в зимних условиях. Это связано с устойчивостью зуба в процессе пиления. Если же качество пиленой поверхности низкое, либо будут рваться зубья пил, либо пойдет «волна», поэтому целесообразно переточить пилы с целью уменьшения высоты зубьев на 1-2 мм или снизить скорость подачи.
Наиболее ходовые широкие ленточные пилы - это инструмент с шагом зубьев 40-50 мм.
Профили и угловые параметры ленточных пил
Профиль пилы со стружколомателем целесообразно использовать при пилении мороженой древесины, причем передний угол может быть 23-25°. На такой пиле ломку стружки обеспечивает маленький (R = 1-2 мм вместо 5 мм, как у обычной ленточной пилы) радиус закругления в основании зуба пилы.
При разводе зубьев пил, особенно при пилении бревен большого диаметра, используют «сложный» тип развода: один зуб влево, второй не разводят, а третий - вправо. Такой способ развода зубьев способствует большей устойчивости пилы в пропиле и качественному выводу опилок из пропила.
Уширение на сторону может быть также снижено на 15-20% из-за ослабления в мороженой древесине такого явления, как упругое восстановление волокон древесины в пропиле, в результате чего также снижаются нагрузки на зубья и тело пилы.
Владимир ПАДЕРИН
