Особенности пиления древесины мягколиственных пород на круглопильных станках

Анализ предложений круглых пил для раскроя древесины мягких лиственных пород показал, что на рынке инструмента почти не представлены пилы, предназначенные для пиления мягколиственной древесины, которые обеспечивают низкие энергозатраты и высокое качество раскроя.

Известно, что сила резания на зубе достигает значения, достаточного для сдвига древесины от дна пропила лишь при углублении резца до 0,8 мм. Чем глубже вдавливается зуб, тем больше работа трения и, следовательно, расход мощности на пиление. Поэтому целесообразно осуществлять распиловку мягколиственной древесины пилами с комбинированными зубьями, у которых небольшие углы резания и высокое качество заточки лезвия.

Пилы с зубьями из твердого сплава в настоящее время почти полностью вытеснили с российского рынка инструмента стальные пилы (хромванадиевые), у которых в несколько раз выше точность изготовления, стойкость, а следовательно, более высокое качество пропила при правильно подобранном режиме пиления древесины основных пиловочных пород.

Рассмотрим основные проблемы качественного раскроя пиловочного сырья из древесины мягколиственных пород. К подобным проблемам следует отнести: низкое качество пиловочного сырья; сложность сортировки пиловочного сырья из-за скрытых дефектов; низкий выход высокосортных (бессучковых) заготовок из пиловочного сырья; повышенную шероховатость поверхности пиломатериалов, получаемых в процессе пиления; низкую производительность основного лесопильного оборудования при пилении древесины этих пород, чем при пилении хвойных пород, из-за невысокой плотности; неумение технического персонала правильно подбирать режимы пиления мягколиственной древесины; неправильный выбор режущего инструмента.

По степени твердости все древесные породы можно разделить на три группы:

• мягкие, торцовая твердость которых 40 МПа и меньше (сосна, ель, кедр, пихта, можжевельник, тополь, липа, осина, ольха, каштан);
• твердые, торцовая твердость 40,1-80 МПа (лиственница, сибирская береза, бук, дуб, вяз, ильм, карагач, платан, рябина, клен, лещина, орех грецкий, хурма, яблоня, ясень);
• очень твердые, торцовая твердость больше 80 МПа (акация белая, береза железная, граб, кизил, самшит, фисташки, тис).

Твердость древесины имеет существенное значение при обработке режущими инструментами: фрезеровании, пилении, лущении, - а также в тех случаях, когда изделия из нее подвергаются истиранию в процессе эксплуатации, например при устройстве полов, лестниц и перил.

Рассмотрим признаки, свойства и область применения древесины некоторых мягколиственных пород: осины, липы, ольхи и тополя.

Осиновая древесина однородна, легко лущится, пропитывается и при горении не дает сильно коптящего пламени. Используется для производства древесноволокнистых плит, целлюлозы, картона, фанеры, спичек, а также погонажа для отделки бань и саун, применяется в лесохимии, строительстве сельскохозяйственных построек (колодцев, погребов, крыш в качестве кровельного гонта и т. д.). Ограниченно применяется в строительстве и производстве столярно-строительных изделий из-за часто встречающихся гнилых сучков, ядровой гнили и разных окрасок древесины.

Древесина липы используется в мебельном и фанерном производстве, из нее изготавливают столярно-строительные изделия, чертежные доски, карандаши высоких сортов, музыкальные инструменты, игрушки, резные изделия.

Из древесины ольхи получают шпон - как лущеный (для фанеры), так и строганный (для отделки мебели и др.), столяры активно используют ее для имитации ценных пород древесины, реставрации мебели, изготовления музыкальных инструментов, производства строительного погонажа, отделочных материалов.

Из древесины тополя производят пиломатериалы, строительный погонаж, в южных регионах страны она используется для возведения домов, из нее изготавливают домашнюю утварь и сувениры, а отходы и низкосортная древесина используются в производстве плит и целлюлозы, а также в качестве топлива.

Физико-механические свойства древесины некоторых мягколиственных пород

В табл. 1 приведены основные физико-механические свойства древесины четырех пород.

Таблица 1. Физико-механические свойства древесины при
влажности свыше 30%

Основные характеристики древесины, влияющие на режимы резания: наличие коры на стволе бревна; влажность; плотность; наличие или отсутствие пороков строения древесины (сучков, косослоя, свилеватости, крени и т. п.); пластичность и деформируемость (величина упругого восстановления) древесины.

Наличие на бревне коры и грязи способствует быстрому затуплению и износу зубьев пил, что приводит к частой их заточке. Влажность древесины оказывает серьезное влияние на процесс пиления. Сплавная или свежесрубленная древесина из-за повышенной влажности более пластичная и рыхлая, чем древесина с более низкой влажностью, поэтому для раскроя требуются пилы, конфигурация зубьев которых отличается от конфигурации пил для раскроя древесины влажностью не более 30% (в частности, необходимо, чтобы у зубьев был больше передний угол).

Свойства древесины меняются в зависимости от разных факторов и неодинаковы у разных древесных пород, да и в пределах одной породы разнятся. Свойства древесины меняются в зависимости от возраста, условий и времени произрастания, рубки и т. д. К условиям произрастания относятся качество и состояние почвы, климатические особенности, тип леса, высота над уровнем моря. Показатели физико-механических свойств древесины в той или иной степени связаны с ее плотностью. Так, по высоте ствола плотность древесины снижается в направлении от комля к вершине, кроме того, на нее оказывают влияние форма ствола и характер развития кроны и другие факторы.

Рис. 1. Пример низкого качества поверхности осиновых пиломатериалов, распиленных на круглопильном станке
с механической подачей (см. профиль зуба пилы рис. 2 а, б)

Невысокая плотность мягколиственных пород древесины, а также наличие таких пороков, как косослой, свилеватость, наклон волокон и другие (которые мало влияют на процессы пиления хвойной древесины), при пилении оказывают существенное влияние на производительность оборудования и качество получаемых пиломатериалов. Мшистость, ворсистость, волнистая поверхность распила, нарушение геометрии получаемых пиломатериалов и прочие особенности весьма характерны для пиления древесины мягколиственных пород. При пилении круглыми пилами с небольшими передними углами зубьев (менее 20ºС) или пилами со значительным износом режущих кромок (затуплением) инструмента волокна древесины в зоне пропила в основном не перерезаются режущими кромками инструмента, а вырываются из тела древесины. Часть из них обволакивают режущие кромки, способствуя еще большему затуплению режущей кромки инструмента, что ведет к повышению шероховатости поверхности пиломатериалов, снижению устойчивости пил в пропиле и в конечном счете выходу пил из строя, а также к повышению энергозатрат на резание.

Рис. 2 а, б. У пилы, установленной на круглопильном станке, форма зубьев «прямой-трапеция» со стружколомом; пила предназначена для раскроя подсушенной хвойной древесины и не годится для пиления осиновой древесины

Пример качества пиления осиновой древесины при неправильно подобранной скорости подачи и профиля зуба приведен на рис. 1 и 2.

Древесина мягколиственных пород требует повышенного внимания ИТР и грамотного выбора режимов пиления, режущего инструмента и оборудования, своевременного их ремонта и правильного обслуживания.

Основные факторы, влияющие на производительность оборудования, шероховатость получаемой поверхности и мощность пиления при раскрое древесины мягколиственных пород на круглопильном оборудовании: влажность древесины; наличие дефектов строения древесины; угол наклона волокон к плоскости пиления; ширина пропила; величина уширения на сторону (развода) зубьев пилы; параметры переднего и заднего угла зуба; подача на зуб.

Таблица 2. Стойкость дисковых пил

В табл. 2 приведены усредненные данные по стойкости некоторых круглых пил при пилении различных материалов. Понятно, что стойкость может значительно колебаться в зависимости от влажности и качества древесины, типа стали пилы, сорта твердого сплава, угловых и прочих параметров зубьев пил, скорости подачи и т. п.

Рис. 3. Профили зубьев «прямой-косозаточенный» и угловые параметры круглых пил, рекомендованные для пиления сухой древесины осины


а)


б)


с)

Рис. 4. Примеры профилей комбинированных зубьев пил

По данным некоторых специалистов, для пиления, например, осины оптимальные значения подачи на зуб должны составлять 0,06-0,1 мм при влажности древесины 15-20%, косослойности в пределах 0-10°, ширине пропила 3,4 мм. Коэффициенты упругости и пластичности, выявленные в результате исследований упруго-пластических свойств древесины мягких лиственных пород, позволили определить оптимальную разность радиусов резания прямых и косозаточенных зубьев пилы, равную 0,2 мм, с углом наклона косой заточки по задней грани до 8° (см. рис. 3).

Пилы с указанными характеристиками пригодны для пиления сухой древесины, например на многопильных станках, причем диаметр пил не должен превышать 350 мм, а скорость подачи должна быть 10-30 м/мин. Но что делать производственникам при пилении древесины мягколиственных пород на многопильных и однопильных бревнопильных станках пилами диаметром до 1000 мм при скорости подачи 50 м/мин. и выше? Ответов на эти вопросы в технической литературе нет.

Понятно, что структура древесины разная в силу описанных выше причин (страна у нас большая), состояние и технические характеристики круглопильного лесопильного оборудования на каждом предприятии тоже разные, поэтому, чтобы определить оптимальные параметры пил, предназначенных для раскроя древесины мягколиственных пород, надо экспериментировать и дорабатывать найденные значения параметров с учетом разных условий на местах. Однако есть общие принципы конструирования режущего инструмента, которые следует обязательно соблюдать:

• пила должна быть снабжена комбинированным набором зубьев - зубья с косой заточкой подрезают волокна, образуя и формируя стенки пропила, а прямые или трапециевидные зубья удаляют основной объем образующихся опилок из пропила; комбинированные пилы должны быть оснащены зубьями с заточкой по задней грани в пределах 10-40°, эти зубья должны чередоваться с прямыми или трапециевидными зубьями;
• передний угол зубьев пилы должен быть не менее 20° (оптимальный угол - 25-34°), а задний угол не должен быть меньше 15°;
• из-за значительной мягкости распиливаемого сырья и упругого восстановления древесины в пропиле следует применять пилы, у зубьев которых увеличенное уширение на сторону (10-20%);
• пилы с большими углами косой заточки целесообразнее применять при раскрое древесины особо мягких пород с высокой влажностью, а пилы с меньшими углами - при раскрое древесины более твердых пород невысокой влажности;
• при пилении особо мягкой древесины иногда целесообразнее применять не твердосплавные, а стальные пилы, так как на их зубьях можно сделать более значительную косую заточку по задней грани и заточить лезвия с радиусом затупления не более 1 мкм. Для справки: на пилах с твердосплавными пластинами можно заточить лезвие с радиусом затупления более 5 мкм. Так как древесина мягколиственных пород более мягкая, чем, например, хвойная, стойкость стальных пил будет выше, чем указано в табл. 2.
• чтобы дополнительно снизить шероховатость поверхности пиломатериалов, целесообразно вместо прямых зубьев на комбинированных пилах применять трапециевидные зубья, а на концах косозаточенных зубьев сделать фаски размером 0,5 мм под углом 45°.

Шероховатость поверхности пиломатериалов, получаемых при пилении обычными плоскими круглыми пилами, должна соответствовать требованиям ГОСТ 7016-2013 и быть равной R = 100-900 мкм, причем низкая шероховатость может быть получена, когда все требования к сырью, оборудованию, режущему инструменту и режимам обработки соблюдены.

Примеры профилей комбинированных зубьев пил для пиления древесины мягколиственных пород приведены на рис. 4 а, б, с.

Вместо заключения

• Правильно подбирайте конструкцию пилы для пиления древесины мягколиственных пород, отдавайте предпочтение комбинированным пилам.
• Наличие стружколомов в пазухах зубьев и значительного числа мультаксов на корпусе пил при раскрое древесины мягколиственных пород неэффективны.
• Наличие тепловых компенсаторных пазов на теле пил в венцовой зоне обязательно.
• Придерживайтесь оптимальной скорости подачи и подачи на зуб в пределах 0,06-0,3 мм в зависимости от требуемого качества пиленой поверхности, но в любом случае подача на зуб не должна превышать 0,8 мм.
• Величина превышения у зубьев (разница между радиусами зубьев с косой заточкой и прямых - трапециевидных) не должна превышать 0,4 мм.
• Число зубьев на пиле подбирайте по формуле
  Z = 1000*U/ U_z × n,
  где U - скорость подачи, м/мин.; U_z - подача на зуб (рекомендованная), мм; n - частота вращения пильного шпинделя, 1/мин.
  При расчете числа зубьев на комбинированных пилах два косозаточенных зуба удаляют из пропила такой же объем опилок, как один прямой зуб, поэтому на подобных пилах целесообразно число зубьев увеличивать на 30%.
• Для того чтобы поддерживать качество получаемых пиломатериалов на высоком уровне, пилы для раскроя древесины мягколиственных пород нужно точить в 2-3 раза чаще, чем, например, аналогичные пилы, которые используются для раскроя хвойных пиломатериалов тех же объемов.
• Затачивать твердосплавные пилы нужно в основном по передней грани, для беспроблемной многократной перепайки зубьев после их полного износа.
• У зубьев стальных (хромванадиевых) пил, которые используются для раскроя особо мягких, волокнистых пород древесины, кроме косой заточки по задней грани возможна также косая заточка по передней грани в пределах 5-15°.
• Зубья стальных пил следует точить как по передней, так и по задней грани.
• Мороженую древесину мягколиственных пород, особенно свежесрубленную, можно качественно раскраивать пилами, предназначенными для пиления хвойной древесины.

Владимир ПАДЕРИН