СПОСОБ РАСПИЛОВКИ ДРЕВЕСИНЫ ЛЕЗВИЙНЫМ ИНСТРУМЕНТОМ (ВАРИАНТЫ) И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1998 года по МПК B27B1/00 B27B3/00 B27B19/00 B27B23/00 

Группа изобретений относится к лесной и деревообрабатывающей промышленности, а более конкретно - к технологии распиловки древесины лезвийным инструментом.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемым способам аналогом (прототипом) является известный способ распиловки древесины лезвийным инструментом [1], при котором осуществляют подачу заготовки в зону резания, а инструменту сообщают возвратно-поступательное движение.

Известно устройство - лесопильная рама [1], реализующее указанный способ. Лесопильная рама содержит станину, пильную рамку с пилами, механизм подачи и привод пильной рамки с кривошипно-шатунным механизмом.

Недостатками известных способа распиловки древесины и реализующего его устройства являются: высокие энергозатраты, низкое качество обработки, малый срок службы инструмента, значительные отходы обрабатываемого материала.

Техническим результатом изобретений является снижение энергозатрат, повышение качества обработки, увеличение срока службы инструмента, уменьшение отходов обрабатываемого материала.

Указанный технический результат достигается тем, что по первому варианту способа распиловки древесины лезвийным инструментом, преимущественно пильной рамкой, при котором осуществляют подачу заготовки в зону резания, а инструменту сообщают возвратно-поступательное движение, согласно изобретению в инструменте возбуждают ультразвуковые колебания в области его резонансных частот, однонаправленные возвратно-поступательному движению инструмента.

По второму варианту способа распиловки древесины лезвийным инструментом, преимущественно пильной рамкой, при котором осуществляют подачу заготовки в зону резания, а инструменту сообщают возвратно-поступательное движение, согласно изобретению возвратно-поступательное движение инструмента осуществляют локально посредством возбуждения в последнем ультразвуковых колебаний в области его резонансных частот.

Лесопильная рама, реализующая первый вариант способа, содержащая станину, пильную рамку с пилами, механизм подачи и привод возвратно-поступательного движения пильной рамки, согласно изобретению, снабжена излучателем ультразвуковых колебаний, включающим установленный в корпусе магнитострикционный преобразователь, связанный с акустическим концентратором, и приводной рамкой, которая соединена с приводом возвратно-поступательного движения пильной рамки, при этом последняя размещена внутри приводной рамки с возможностью ее колебания относительно приводной рамки в направлении возвратно-поступательного движения, корпус излучателя жестко закреплен на приводной рамке, а акустический концентратор связан с поперечиной пильной рамки.

В лесопильной раме, реализующей второй вариант способа, содержащей станину, пильную рамку с пилами, механизм подачи и привод возвратно-поступательного движения пильной рамки, согласно изобретению привод возвратно-поступательного движения пильной рамки выполнен в виде излучателя ультразвуковых колебаний, включающего корпус, жестко закрепленный на станине, установленный в корпусе магнитострикционный преобразователь и акустический концентратор, связанный с поперечиной пильной рамки.

Кроме того, пилы пильной рамки обоих вариантов лесопильных рам имеют зубья, каждый из которых выполнен симметричным относительно плоскости, перпендикулярной плоскости полотна пилы.

Возбуждение в инструменте продольных ультразвуковых колебаний в области его собственных частот приводит к возникновению резонанса, сопровождающегося многократным увеличением амплитуды колебаний инструмента. При этом в зоне контакта режущих элементов инструмента с обрабатываемым материалом появляются чередующиеся области сильного сжатия и разрежения. В области разрежения возникает кавитация жидкой фазы обрабатываемого материала (при первичной переработке влажность древесины обычно превышает 30%). Энергия, накопленная на стадии роста кавитационных пузырьков, при их захлопывании практически мгновенно высвобождается (кавитационный пузырек является трансформатором мощности), что приводит к интенсивному разрушению волокон древесины микроударными акустическими волнами. Сопутствующие процессу макро- и микроакустические потоки выносят продукты разрушения из зоны контакта инструмента и заготовки.

Жидкость из прилегающих слоев древесины устремляется к колеблющемуся инструменту в зону резания, что интенсифицирует процесс кавитации и способствует эффективному охлаждению инструмента и сушке древесины.

Циклические перемещения контактных поверхностей инструмента вызывают периодический поворот векторов сил трения на рабочих гранях инструмента, значительно уменьшая сопротивление сходу продуктов разрушения.

Максимальная эффективность ультразвуковой распиловки древесины достигается при использовании инструмента с зубьями симметричной формы, что позволяет за один период колебаний на каждом зубе создать по две полости разрежения и сжатия и тем самым значительно интенсифицировать процесс кавитации, в то время как обычные стандартные пилы лесопильных рам, имеющие малый угол задней грани зуба, позволяют создать эффективную зону кавитации, характеризующуюся достаточно сильным разрежением и сжатием лишь в области, прилегающей к передней грани зуба.

Ультразвуковое резание осуществляется в отличие от способа-прототипа как при прямом, так и при обратном ходе инструмента, т.е. непрерывно.

Указанные факторы в совокупности обеспечивают значительное (примерно на порядок) снижение энергозатрат на распиловку древесины за счет уменьшения усилий резания. Уменьшение усилий резания обусловливает увеличение срока службы инструмента.

При распиловке хвойных и лиственных пород древесины умеренной зоны, содержащих достаточное для проявления описанных выше кавитационных эффектов количество влаги, инструмент совершает только колебательное движение, являющееся главным движением процесса резания (способ распиловки по второму варианту).

В случае распиловки высокотвердых пород древесины типа "бокаут" кавитация менее выражена, поэтому главным движением по первому варианту способа является возвратно-поступательное макроперемещение инструмента, а главное резание осуществляется режущими гранями инструмента. Роль ультразвуковых колебаний, однонаправленных главному движению, сводится преимущественно к уменьшению усилий резания, а значит, снижению энергозатрат на пиление за счет периодического поворота векторов сил трения на рабочих гранях инструмента, что обусловливает также увеличение срока службы инструмента. Кавитационные процессы в данном варианте способа распиловки выполняют вспомогательную роль.

Уменьшение усилий резания в предлагаемых вариантах способа распиловки древесины позволяет использовать более тонкие пилы, что уменьшает ширину пропила, а следовательно отходы обрабатываемой древесины, и расширяет технологические возможности за счет получения продуктов распиловки (досок) меньшей толщины.

Высокая частота колебаний инструмента обеспечивает низкую шероховатость (до R_zmax = 50 мкм) и высокое качество распиленных поверхностей.

Изобретения поясняются графическим материалом, где на фиг. 1 изображен общий вид лесопильной рамы по первому варианту (с комбинированным приводом пильной рамки); на фиг. 2 - общий вид лесопильной рамы по второму варианту (с вибрационным приводом пильной рамки); на фиг. 3 - фрагмент пильного полотна лесопильной рамы.

Лесопильная рама, реализующая первый вариант способа (см. фиг. 1), содержит станину 1, в направляющих которой установлена приводная рамка 2. Внутри приводной рамки 2 размещена пильная рамка 3 с пилами 4. Приводная рамка 2 соединена с приводом 5 главного (возвратно-поступательного) движения пильной рамки 3, выполненного, как правило, в виде электродвигателя и кривошипно-шатунного механизма. Пильная рамка 3 установлена в одной плоскости с приводной рамкой 2 с возможностью колебания относительно последней в направлении главного движения. Подача заготовки 6 в зону резания осуществляется механизмом подачи 7. Лесопильная рама снабжена излучателем ультразвуковых колебаний, включающим установленный в корпусе 8 магнитострикционный преобразователь 9, связанный с акустическим концентратором 10. Корпус 8 излучателя жестко закреплен на приводной рамке 2. Магнитострикционный преобразователь 9 соединен через акустический концентратор 10 с поперечиной пильной рамки 3, а обмотка магнитострикционного преобразователя 9 соединена с генератором 11 электрических колебаний ультразвуковой частоты с автоматической подстройкой резонансной частоты.

Лесопильная рама, реализующая второй вариант способа (см. фиг. 2), содержит станину 1, в направляющих которой установлена пильная рамка 3 с пилами 4. Подача заготовки 6 в зону резания осуществляется механизмом подачи 7. Лесопильная рама снабжена излучателем ультразвуковых колебаний, включающим установленный в корпусе 8 магнитострикционный преобразователь 9, связанный с акустическим концентратором 10. Корпус 8 излучателя жестко закреплен на станине 1. Магнитострикционный преобразователь 9 соединен через акустический концентратор 10 с поперечиной пильной рамки 3, а обмотка магнитострикционного преобразователя 9 соединена с генератором 11 ультразвуковых электрических колебаний с автоматической подстройкой резонансной частоты.

Зубья пил 4 лесопильных рам в обоих вариантах имеют симметричную форму (см. фиг. 3).

Лесопильная рама, реализующая первый вариант способа (см. фиг. 1), работает следующим образом.

Генератор 11 вырабатывает электрическое напряжение ультразвуковой частоты, которое подается на обмотку магнитострикционного преобразователя 9 излучателя ультразвуковых колебаний. Сердечник преобразователя 9 совершает продольные колебания, передаваемые через акустический концентратор 10 пильной рамке 3 с пилами 4. Последняя совершает колебательные перемещения в направляющих приводной рамки 2. Подстройкой частоты генератора 11 обеспечивают возникновение резонанса в колебательной системе преобразователь - концентратор - пильная рамка, при котором амплитуда колебаний инструмента достигает максимального значения.

По достижении резонанса колебаний инструмента включают силовой привод 5 лесопильной рамы, сообщающий возвратно-поступательное движение приводной рамке 2, а через нее - колеблющейся пильной рамке 3. Инструмент, таким образом, совершает сложное движение, складывающееся из основного - возвратно-поступательного макроперемещения и однонаправленного ему колебательного микродвижения.

Механизм подачи 7 перемещает заготовку 6 в зону резания. При внедрении пил 4 пильной рамки 3 в обрабатываемый материал осуществляется процесс распиловки с наложением ультразвуковых колебаний на инструмент, сопровождающийся описанными выше кавитационными эффектами и периодическим поворотом векторов сил трения на рабочих гранях инструмента.

Лесопильная рама для осуществления второго варианта способа распиловки (см. фиг. 2) работает следующим образом.

Возбуждение резонансных колебаний пильной рамки 3 с пилами 4 осуществляется аналогично вышеописанным операциям для лесопильной рамы с комбинированным приводом с той разницей, что пильная рамка 3 в данном варианте исполнения совершает колебательное движение в направляющих станины 1. Традиционный для лесопильных рам силовой привод возвратно-поступательного перемещения пильной рамки в описываемом варианте отсутствует. Указанное перемещение осуществляется локально, в пределах, ограниченных амплитудой колебательного движения инструмента, которое и является главным движением в данном варианте способа распиловки.

По достижении резонансного режима колебаний пильной рамки 3 механизм подачи 7 перемещает заготовку 6, содержащую достаточное для обеспечения развитой кавитации количество влаги, в зону резания. При внедрении пил 4 в обрабатываемый материал в жидкой фазе древесины под действием звукового поля, создаваемого колеблющимся инструментом, возникает сильная кавитация. При захлопывании кавитационных пузырьков мгновенно выделяется большое количество энергии, "взрывающее" древесные волокна и удаляющее их из зоны резания за счет возникающих макро- и микроакустических потоков.

Подобно тому, как в известном способе абразивной обработки ультразвуковым инструментом главное резание осуществляется зернами абразива, в предлагаемом способе распиловки древесины главное резание осуществляется динамическими "зернами" кавитации - осциллирующими в акустическом поле кавитационными пузырьками.

Лесопильная рама с комбинированным приводом (см. фиг. 1) может работать по второму варианту способа, для этого приводная рамка 2 с установленной внутри нее пильной рамкой 3 жестко фиксируется в проеме станины 1, привод 5 возвратно-поступательного движения отключается, пильная рамка 3 приводится в колебательное движение виброприводом, включающим генератор 11 и магнитострикционный преобразователь 9 с акустическим концентратором 10, с осуществлением процесса распиловки по второму варианту предлагаемого способа.

При необходимости распиловки твердых пород древесины привод 5 снова приводится в действие - реализуется первый вариант способа. Такое применение предлагаемых изобретений целесообразно для модернизируемых лесопильных рам, включающих кривошипно-шатунный механизм в качестве привода возвратно-поступательного движения и дополнительно оборудованных приводной рамкой, на которой монтируется излучатель ультразвуковых колебаний, связанный с пильной рамкой. Такая переоборудованная лесопильная рама может обрабатывать всю гамму материалов.

В случае временной неисправности элементов вибропривода, например при выходе из строя ультразвукового генератора, лесопильная рама может работать традиционным способом механической распиловки.

Предлагаемые варианты распиловки древесины могут быть реализованы не только в лесопильных рамках, но и в других устройствах, содержащих пилы с возвратно-поступательным движением, например лобзиковых станках. Основным фрикционным узлом в таких устройствах является вибрационный привод, обеспечивающий колебательное движение инструмента, аналогичный вышеописанному для заявляемых лесопильных рам.

Способ и устройство предназначены для лесной и деревообрабатывающей промышленности. По первому варианту способа осуществляют подачу древесины, а инструменту сообщают возвратно-поступательное движение. В инструменте возбуждают ультразвуковые колебания в области его резонансных частот, однонаправленные возвратно-поступательному движению. Согласно второму варианту возвратно-поступательное движение инструмента осуществляют локально посредством возбуждения в нем ультразвуковых колебаний в области его резонансных частот. Лесопильная рама, реализующая первый вариант способа, содержит станину, пильную рамку, механизм подачи и привод возвратно-поступательного движения пильной рамки. Рама снабжена излучателем ультразвуковых колебаний, включающим установленный в корпусе магнитострикционный преобразователь, связанный с акустическим концентратором, и приводной рамкой. Последняя соединена с приводом возвратно-поступательного движения пильной рамки, которая размещена внутри приводной рамки с возможностью колебания в направлении возвратно-поступательного движения. Корпус излучателя жестко закреплен на приводной рамке, а концентратор связан с поперечиной. Лесопильная рама по второму варианту содержит привод возвратно-поступательного движения пильной рамки в виде излучателя ультразвуковых колебаний, включающего корпус, жестко закрепленный на станине. В корпусе установлен магнитострикционный преобразователь и акустический концентратор, связанный с поперечиной пильной рамки. Это обеспечивает снижение энергозатрат, повышение качества обработки, увеличение срока службы инструмента и уменьшение отходов. 4 с. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ распиловки древесины лезвийным инструментом, преимущественно пильной рамкой, при котором осуществляют подачу заготовки в зону резания, а инструменту сообщают возвратно-поступательное движение, отличающийся тем, что в инструменте возбуждают ультразвуковые колебания в области его резонансных частот однонаправленные возвратно-поступательному движению инструмента. 2. Способ распиловки древесины лезвийным инструментом, преимущественно пильной рамкой, при котором осуществляют подачу заготовки в зону резания, а инструменту сообщают возвратно-поступательное движение, отличающийся тем, что возвратно-поступательное движение инструмента осуществляют локально посредством возбуждения в последнем ультразвуковых колебаний в области его резонансных частот. 3. Лесопильная рама, содержащая станину, пильную рамку с пилами, механизм подачи и привод возвратно-поступательного движения пильной рамки, отличающаяся тем, что она снабжена излучателем ультразвуковых колебаний, включающим установленный в корпусе магнитострикционный преобразователь, связанный с акустическим концентратором, и приводной рамкой, которая соединена с приводом возвратно-поступательного движения пильной рамки, при этом последняя размещена внутри приводной рамки с возможностью ее колебания относительно приводной рамки в направлении возвратно-поступательного движения, корпус излучателя жестко закреплен на приводной рамке, а акустический концентратор связан с поперечиной пильной рамки. 4. Лесопильная рама, содержащая станину, пильную рамку с пилами, механизм подачи и привод возвратно-поступательного движения пильной рамки, отличающаяся тем, что привод возвратно-поступательного движения пильной рамки выполнен в виде излучателя ультразвуковых колебаний, включающего корпус, жестко закрепленный на станине, установленный в корпусе магнитострикционный преобразователь и акустический концентратор, связанный с поперечиной пильной рамки. 5. Лесопильная рама по пп.3 и 4, отличающаяся тем, что пилы пильной рамки имеют зубья, каждый из которых выполнен симметричным относительно плоскости, перпендикулярной плоскости полотна пилы.