способ резания древесины

Формула изобретения

1. Способ резания древесины, содержащий нагрев режущей части инструмента путем пропускания по ней электрического тока, обеспечивающего термодеструкцию древесины и подачу инструмента в направлении резания, отличающийся тем, что перед пропусканием электрического тока создают заданное усилие подачи инструмента в направлении резания, при этом мощность электрического тока, пропускаемого по режущей части инструмента, постепенно увеличивают до заданного значения со скоростью, при которой скорость резания древесины возрастает пропорционально увеличению указанной мощности электрического тока.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что неконтактирующие с древесиной участки режущей части инструмента, нагреваемой электрическим током, принудительно охлаждают.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что в процессе увеличения мощности электрического тока, пропускаемого по режущей части инструмента, периодически вводят отклонения усилия подачи на заданную величину попеременно в сторону увеличения и уменьшения и прекращают дальнейшее увеличение мощности электрического тока по достижении заданного значения разности абсолютных значений приращений скорости резания, соответствующих указанным отклонениям усилия подачи.

4. Способ по пп.1 3, отличающийся тем, что в процессе резания режущей части инструмента сообщают механические колебания.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам безопилочного резания дерева, осуществляемым путем термодеструкции древесины.

Известны способы резания древесины инструментами, режущую часть которых нагревают электрическим током. Известно, что при нагревании до 150-300^oC древесина разрушается, т. е. происходит процесс термодеструции древесины. Этот факт используется в известных способах резания древесины проволокой, металлической лентой, нагреваемой электрическим током [1]

В частности, известен способ резания древесины возвратно-поступательно перемещаемой вдоль линии разреза проволокой, разогреваемой пропускаемым через нее электрическим током [2] Устройство, реализующее способ, снабжено подпружиненными копирами, жестко соединенными с роликовыми токоподводящими контактами, через которые по проволоке пропускают электрический ток. В процессе резания копиры плотно примыкают к древесине. В зависимости от величины участка проволоки, внедренной в древесину, изменяют напряжение, подаваемое на токоподводящие контакты, что обеспечивает в среднем разогрев проволоки, внедренной в древесину, до температуры термодеструкции древесины.

Эффективность резания, а также скорость износа инструмента в сильной степени зависит от того, как протекает процесс термодеструкции древесины, определяемой параметрами режима резания. В указанном способе, как и в других известных, не определены параметры и пути достижения режимов резания, позволяющих обеспечить высокие скорости резания при небольших энергозатратах, а также длительный срок службы инструмента. Например, независимое от других параметров режима резания применение мер по предотвращению плохого прижигания волокон при внедрении проволоки в древесину, предлагаемых в указанном способе, может приводить к ее перегреву, вызывающему обугливание древесины. Процесс термодеструкции, доходящий до стадии обугливания, сильно тормозит резание, приводя к непродуктивным энергозатратам и быстрому износу проволоки, так как обугленный слой древесины обладает ярко выраженными абразивными свойствами.

Наиболее близким к предлагаемому является способ резания древесины [3] В указанном способе температуру режущей части инструмента, нагреваемой электрическим током, поддерживают заранее заданной. Согласно указанному патенту, поддержание на заранее заданном уровне температуры режущей части инструмента, констатирующей с древесиной, обеспечивает компенсацию быстроменяющихся энергозатрат процесса резания, что повышает стабильность процесса термодеструкции древесины в направлении подачи инструмента, исключает механическое трение инструмента о древесину и его перегрев, увеличивает срок службы инструмента и позволяет достигать высокого качества обрабатываемой поверхности.

Данный способ ориентирован на режимы резания древесины, дающие декоративные глубоко проплавленные поверхности срезов различных оттенков при принудительной подаче инструмента с высокими скоростями. Для стабилизации температуры режущей части инструмента необходимо постоянное ее измерение. В патенте [3] способ реализуется с помощью различных инструментов, в частности с помощью инструмента, у которого режущая часть выполнена в виде проволоки, и с помощью инструмента с нагреваемой секционной режущей частью, поддерживаемой жесткой несущей частью. В инструменте с жесткой несущей частью измерение температуры режущей части осуществляется непосредственно внутри каждой секции режущей части, внедряемой в древесину. Жесткий режущий инструмент, позволяя достигать высокой точности обработки, проигрывает в отношении энергозатрат инструменту с режущей частью в виде тонкой металлической проволоки или ленты, нагреваемой электрическим током, так как в последнем случае ширина разреза может быть значительно меньшей. Кроме того, инструмент, у которого в качестве режущей части используется металлическая проволока, более дешев по сравнению с дорогостоящим жестким инструментом. Это делает предпочтительным использование металлической проволоки, если требуется и высокая скорость резания и отсутствует повышение к точности обработки, например, при нарезании тарной дощечки.

Однако в случае резания древесины, нагретой металлической проволокой, затруднительно осуществить стабилизацию температуры режущей части инструмента согласно требованиям данного способа. В описанном в патенте [3] устройстве измерение температуры проволоки производится вне разреза, там где проволока вышла из теплового контакта с древесиной и, вследствие малой теплоемкости, уже значительно нагрелась пропускаемым по ней током. То есть, возникает неконтролируемая разность температур проволоки внутри и вне разреза.

Кроме того, для достижения более высоких скоростей резания по сравнению с характерными для прототипа, очевидно, необходимо увеличить удельную мощность электрического тока, рассеиваемую на единице длины режущей части инструмента. В случаях, когда режущая часть инструмента выполнена в виде проволоки или металлической ленты и имеет неконтактирующие с древесиной нагреваемые участки, на которых измеряется ее температура, увеличение удельной мощности электрического тока может привести к ее перегреву и обрыву на указанных участках.

В основу изобретения положена задача создать способ резания древесины путем термодеструкции, в котором были бы определены режимы резания с максимально возможными для данных инструментов скоростями при минимальных энергозатратах.

Поставленная задача решается тем, что в способе резания древесины, включающем нагрев режущей части инструмента пропускаемым по ней электрическим током, обеспечивающим термодеструкцию древесины, перед пропусканием тока создают заданное усилие подачи инструмента в направлении резания и мощность электрического тока, пропускаемого по режущей части инструмента, постепенно увеличивают до заданного значения со скоростью, при которой скорость резания древесины возрастает пропорционально увеличению указанной мощности электрического тока.

Обнаружено, что создание заданного (как правило, близкого к максимально допустимому для данного инструмента с учетом нагрева режущей части) усилия подачи, предшествующего нагреву режущей части инструмента электрическим током, и последующее за этим постоянное увеличение мощности электрического тока, пропускаемого по режущей части инструмента, до значения, определяемого заданным усилием подачи, обеспечивает достижение экономического режима резания, при котором режущая часть инструмента разогревается до минимально возможной при данном значении электрического тока температуры. Как обнаружено, в процессе выхода на рабочие значения параметров режима скорость резания возрастает пропорционально увеличению мощности электрического тока. Необходимым условием достижения экономического режима резания является постепенное увеличение мощности электрического тока, не опережающее соответствующий рост скорости резания. В противном случае, если из-за инерционности инструмента скорость резания древесины своевременно не возрастет в соответствии с увеличением мощности электрического тока, произойдет резкое повышение температуры режущей части инструмента, которое может сопровождаться необратимым изменением процесса термодеструкции, вызванным обугливанием древесины и невозможностью возврата к экономическому режиму резания.

При экономическом режиме резания энергия электрического тока наиболее эффективно расходуется на быстрый нагрев древесины в направлении подачи, что обеспечивает максимальную при данном значении мощности электрического тока скорость резания.

Целесообразно неконтактирующие с древесиной участки режущей части инструмента, нагреваемые электрическим током, принудительно охлаждать.

Принудительное охлаждение позволяет избежать перегрева нагреваемых электрическим током участков режущей части инструмента, неконтактирующих с древесиной, при высокой удельной мощности электрического тока, рассеиваемой на единице длины режущей части инструмента.

Целесообразно в процессе увеличения электрического тока, пропускаемого по режущей части инструмента, периодически вводить отклонения усилия подачи на заданную величину попеременно в сторону увеличения и уменьшения и прекращать дальнейшее увеличение мощности электрического тока при достижении заданного значения разности абсолютных значений приращений скорости резания, соответствующих указанным отклонениям усилия подачи.

Предлагаемый вариант может применятся, когда неизвестно определяемое параметрами древесины оптимальное значение мощности электрического тока, т.е. максимальное, при котором заданное усилие подачи еще обеспечивает экономичный режим резания. В процессе выхода на рабочие значения параметров режима имеет место избыток усилия подачи, при котором продукты начальной фазы термодеструкции выдавливаются из под режущей части инструмента по мере их образования, скорость которого зависит только от величины мощности электрического тока, пропускаемого по режущей части инструмента. При этом приращения скорости резания, соответствующие периодически вводимым, по мере увеличения мощности электрического тока, отклонениям усилия подачи малы и практически одинаковы по абсолютной величине. Критерием достижения предельного значения мощности электрического тока служит превышение отрицательного приращения скорости резания, соответствующего отклонению усилия подачи в сторону уменьшения, над положительным по абсолютной величине. Задаваемое усилие подачи и абсолютная величина отклонения усилия подачи в данном варианте осуществления изобретения выбираются таким образом, чтобы их сумма не превышала максимально допустимое для данного инструмента усилие подачи, а отклонение усилия подачи в сторону уменьшения не вызывало необратимого изменения процесса термодеструкции. Относительное значение разности абсолютных величин приращений скорости резания по отношению к их среднему значению, при котором прекращают дальнейшее увеличение мощности электрического тока, как было установлено экпериментально для древесины различных пород и влажности, целесообразно задавать в пределах 5-10% в зависимости от выбранной относительной величины отклонения усилия подачи.

Целесообразно в процессе резания сообщать режущей части инструмента механические колебания.

Механические колебания режущей части инструмента приводят к интенсивному перемещению продуктов термодеструкции, снижающему их вязкость, разрушению межмолекулярных связей, а также к увеличению ширины разреза и соответственно увеличению ширины зазоров между режущей частью инструмента и стенками разреза, что уменьшает сопротивление усилию подачи благодаря снижению вязкого трения выдавливаемых режущей частью через зазоры продуктов термодеструкции древесины и тем самым к увеличению скорости резания.

На фиг. 1 схематично изображен процесс резания древесины нагретой проволокой; на фиг. 2 семейство кривых, изображающих характерный вид зависимости резания от усилий подачи, для нескольких значений мощности электрического тока, рассеиваемой на контактирующем с древесиной участке режущей части инструмента.

Для резания древесины предлагаемым способом может быть использован любой известный предназначенный для этих целей инструмент [3] Обнаружено, что параметрами, определяющими экономичный режим резания являются давление режущей части инструмента на древесину и удельная мощность электрического тока, нагревающего часть инструмента, рассеиваемая на единице площади поперечного сечения разреза, или эквивалентные им интегральные параметры усилие подачи инструмента и мощность электрического тока, рассеиваемая участком режущей части инструмента, контактирующим с древесиной, и результирующий параметр - скорость резания.

Процесс термодеструкции древесины по мере увеличения ее температуры протекает в несколько стадий. При температуре около 100^oC происходят испарение влаги, при дальнейшем нагреве древесины (около 120 ^oC) происходит размягчение одного из двух основных компонентов древесины лингина (тем активнее, чем большую начальную влажность имеет древесина) и внутри- межмокулярная дегидратация, приводящая к уменьшению полимолекул целлюлозы - второго основного компонента. При температуре выше 150^oC в условиях недостатка кислорода начинается процесс термического разложения целлюлозы с частичным выделением газообразных компонентов. При температуре около 300^oС происходит полное разложение целлюлозы на летучие компоненты и вязкий маслянистый остаток (левоглюказин), составляющий примерно 45% первоначальной массы древесины. При этих же температурах происходит карбонизация продуктов разложения целлюлозы с образованием инертных термостойких твердых соединений низкой теплопроводности. При температурах выше 300^oC процесс карбонизации идет все более интенсивно. На этой стадии процесса термодеструкции частицы карбонизированных продуктов расположения целлюлозы образуют с лингином и левоглюказином все более вязкую смесь, которая по мере разложения жидких составляющих, спекается в термостойкую твердую массу.

Как отмечено, в случае выдвижения требования высокой производительности способа, экономически наиболее выгодным является использование в качестве режущей части инструмента металлической проволоки или ленты, поэтому дальнейшее рассмотрение будет в основном проведено на примере резания древесины нагретой проволокой.

Процесс резания древесины нагретой проволокой схематично изображен на фиг. 1. Проволоку 1 до начала нагрева подводят к деревянной заготовке 2 и создают усилия подачи, величина которого выбирается, как правило, близкой к максимально допустимой для данной проволоки. Максимально допустимое усилие подачи определяется прочностью проволоки на разрыв в диапазоне рабочих температур и тем меньше, чем больше усилие ее натяжения, от которого зависит величина петли прогиба при резании, определяющая качество поверхности среза. Усилие натяжения выбирается из соображений компромисса между желаемым увеличением усилия подачи и требованиями к качеству поверхности среза.

Усилие подачи создается с помощью известных приспособлений, например, с помощью каретки, имеющей возможность двигаться по направляющим и снабженной приводом от электродвигателя, скоростью вращения которого управляет устройство автоматического регулирования в соответствии с электрическим сигналом от тензодатчиков, через которые узел натяжения проволоки крепится к каретке.

После приложения усилия подачи проволоку постепенно нагревают электрическим током возрастающей мощности. Вначале происходит расширение зоны прогрева древесины благодаря распространению водяного пара по капиллярам ее волокон. В процессе осушения зоны, непосредственно прилегающей к нагретой режущей части инструмента, мощность от инструмента отбирается на испарение без повышения температуры древесины. Процесс резания под воздействием усилия подачи начинается при прогреве древесины до температуры 120-180^oC в зависимости от породы дерева. Двигаясь в древесине 2, проволока 1 оставляет за собой разрез, ширина которого превосходит диаметр проволоки на удвоенную величину зазоров 3, образующихся вследствие проплавления боковых сторон разреза. Движение проволоки в направлении подачи сопровождается выдавливанием назад через эти зазоры вязкой смеси 4, образующейся на пути проволоки при термодеструкции компонентов древесины в направлении подач. При этом большая часть поверхности режущего участка проволоки находится в непосредственном тепловом контакте с обтекающей проволоку 1 смесью 4, благодаря чему они имеют близкую температуру.

В случае использования инструментов, в которых в качестве режущей части используется проволока, движущаяся поступательно или возвратно-поступательно, [2,3] движение проволоки начинают после начала ее нагрева одновременно с началом процесса резания с тем, чтобы избежать трения проволоки о неразмягченную древесину.

Обнаружено и экспериментально подтверждено, что при заданном усилии подачи скорость резания на начальном этапе нагрева практически не зависит от величины усилия подачи и является максимальной для данного значения мощности нагревающего проволоку электрического тока, а температура проволоки - минимальной. Это объясняется тем, что проволока, прижатая усилием подачи через тонкий слой непрерывно образующегося расплава к находящимся впереди нее непрогретым участкам, эффективно отдает выделяющееся тепло на их прогрев. Этот режим отображается точкой А1 (фиг.2 ) на семействе кривых, обозначенных как N1, N2, N3, изображающих характерный вид зависимости скорости резания V от усилия подачи F, экспериментально полученной для различных значений мощности N1<N2<N3 электрического тока, пропускаемого через проволоку на участке резания. Точка А1 соответствует усилию подачи инструмента F_max.

Для достижения желаемого экономичного режима резания принципиальным является поддержание заданного усилия подачи проволоки, так как даже временное его значительное снижение (при попадании в область, лежащую ниже точки A^" на кривой N1 на графике фиг.2) приведет к снижению скорости резания, что при сохранении величены подводимой мощности в свою очередь вызовет повышение температуры проволоки и, как следствие, переход процесса термодеструкции древесины в фазу усиления карбонизации целлюлозы. Последнее даже при восстановлении усилия подачи может провести к снижению скорости резания и дальнейшему лавинообразному развитию описанного процесса, заканчивающегося обугливанием разреза, препятствующим дальнейшему резанию.

С тем чтобы предотвратить описанное явление, увеличение электрического тока, пропускаемого через проволоку, проводят постепенно, не допуская резкого падения сопротивления усилию подачи из-за интенсивной термодеструкции древесины, равносильного уменьшению давления проволоки на древесину. Падение сопротивления усилию подачи может иметь место, когда инерционность режущего инструмента не позволяет ему сразу отреагировать на увеличение мощности электрического тока увеличением скорости резания. Регистрация роста скорости резания в соответствии с увеличением мощности электрического тока, пропускаемого через проволоку, является средством контроля скорости увеличения мощности электрического тока.

Увеличение мощности, сопровождающееся незначительным ростом температуры проволоки, продолжают до достижения режима резания, который на графике фиг.2 изображается точкой А3, находящейся вблизи области нестабильных режимов (на крутой части кривой N3), где начинается интенсивная карбонизация целлюлозы. Оптимальная температура нагрева древесины, при которой продукты ее разложения имеют минимальную вязкость и может быть достигнута максимальная скорость резания, находится в пределах 200-250^oC. Задаваемое рабочее значение мощности электрического тока для экономичного режима резания, если оно не определено при предыдущих резках однородной древесины, может быть определенно, например, следующим образом.

В процессе увеличения мощности электрического тока, пропускаемого по режущей части инструмента, периодически вводят отклонения усилия подачи на заданную величину попеременно в сторону увеличения и уменьшения. В этом случае величины усилия подачи и его отклонения выбирают с таким расчетом, чтобы во всем диапазоне мощностей электрического тока, пропускаемого по проволоке, отклонение в сторону уменьшения усилий подачи не приводило к необратимому изменению процесса термодеструкции, описанному выше, а суммарное значение усилия подачи и его отклонения не превышало допустимого для данной проволоки в диапазоне рабочих температур. До достижения рабочего значения мощности электрического тока, пропускаемого по проволоке, например, при значении, соответствующем режиму, отображенному точкой А2 на кривой N2 (фиг. 2), чувствительность скорости резания к отклонениям усилий подачи остается малой и практически неизменной. При переходе в режим, отображающийся точкой А3 на кривой N3, абсолютная величина приращений скорости резания, вызываемых отклонениями усилий подачи в сторону уменьшения и увеличения, возрастает неодинаково. Это является указанием на достижение предельного значения мощности электрического тока, пропускаемого по проволоке, которое обеспечивает максимальную для заданного усилия подачи скорость резания при сохранении высокого КПД. Такое предельное значение мощности выбирается как рабочее. Если увеличение мощности электрического тока продолжать дальше, это приведет к падению КПД, а затем к вышеописанному необратимому изменению процесса термодеструкции. Чтобы избежать последнего, следует, как установлено в ходе экспериментов с древесиной различных пород и влажности, величину разности абсолютных значений приращений скорости резания, по которому определяют достижение рабочего значения мощности электрического тока, выбирать в пределах 5-10% от среднего значения абсолютных величин положительного и отрицательного приращений скорости резания. Как следует из графика, изображенного на фиг. 2, чем больше величина задаваемого усилия подачи, тем выше оптимальное значение мощности электрического тока, устанавливаемое в соответствии с предлагаемым способом, и тем большая скорость резания может быть достигнута.

В конструкции инструмента, как правило, не удается полностью исключить нагреваемые электрическим током участки режущей части инструмента, которые не имеют теплового контакта с древесиной. Поскольку наличие этих участков, в первую очередь подверженных перегреву, уменьшает допустимое усилие подачи, их целесообразно принудительно охлаждать, например, путем обдува воздухом, водяным паром и т.д.

Использование металлической ленты в качестве режущей части инструмента позволяет в сравнении с проволокой повысить усилие подачи при той же ширине разреза, но металлическая лента дает худшее, чем проволока, качество поверхности среза.

Из вышесказанного следует, что в предлагаемом способе резания древесины основным ограничением скорости резания является величина максимально допустимого усилия подачи инструмента. Возможно применение дополнительных мер по увеличению скорости резания, состоящих в сообщении режущей части инструмента механических колебаний посредством механического контакта наконечника генератора колебаний с режущей частью инструмента на ее участках снаружи от разреза. В качестве такого генератора может быть использован, например, один из ряда известных промышленных генераторов ультразвука, работающих на принципе пьезоэффекта. Амплитуда колебаний режущей части инструмента задается такой, чтобы ширина разреза удовлетворяла условию выбираемого компромисса между снижением сопротивления усилию подачи от увеличения ширины разреза и необходимым для этого увеличением энергозатрат.