ДИСКОВАЯ ПИЛА
CIRCULAR SAW

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для обработки анизотропных материалов как на металлической, так и на неметаллической основе.
Известна конструкция дисковой пилы с прорезями с. 95, рис. 34 (Грубе А.Э. Дереворежущие инструменты. - М.: Лесн. пром-сть, 1971. - 344 с.). Конструкция и формы прорези характеризуются определенными размерами длины (20 мм), ширины (2 мм) и концевым отверстием с диаметром (5 мм) для пил поперечной, смешанной и продольной распиловки древесины и древесных материалов.
Недостатком конструкции является ограниченность применения таких пил, в частности для распиловки цельной и клееной древесины, и волокнистых плит вследствие однозначности размера ширины и диаметра прорези.
В качестве прототипа выбрана конструкция дисковой пилы, содержащая режущий диск с пластинами из сверхтвердого материала, на поверхности которого выполнены прорези, демпферы терморегулирования, установленные симметрично в пазухах зуба дисковой пилы и отверстия для снижения шума, закрепления и передачи крутящего момента, закрепления пилы на фланце (ГОСТ Р 54490-2011).
Недостатком известной конструкции является отсутствие размеров, линейно-угловых параметров расположения компенсаторов и отверстий для снижения шума в зависимости от диаметров пил.
Задача изобретения - повышение устойчивости работы дисковой пилы, точности, качества и производительности дисковых пил.
Технический результат заключается в повышении устойчивости работы дисковой пилы, точности и качества работы, производительности работы дисковых пил с пластинками твердого сплава за счет управления снижением вибрационных процессов, минимизации температурных напряжений, акустического и механического шумов дисковой пилы.
Указанный технический результат достигается тем, что в дисковой пиле, содержащей режущий диск с пластинами, на поверхности которого выполнены две высокочастотных прорези с тремя полуволнами с одинаковой амплитудой, расположенные на горизонтальной оси и повернутые на угол опережения, демпферы терморегулирования, установленные симметрично в пазухах зуба дисковой пилы, отверстия для передачи крутящего момента, закрепления пилы на фланце, согласно изобретению, симметрично от высокочастотных прорезей под углом от 10° до 45° выполнены четыре низкочастотных прорези, с образованием чередующихся участков сжатия, растяжения и условного равновесия, при этом низкочастотные прорези выполнены с двумя полуволнами, связанными со смежной полуволной большой амплитуды и повернутыми на угол запаздывания, равный от 1° до 8°, при этом угол опережения высокочастотных прорезей равен 1° до 15°, а демпферы терморегулирования смещены относительно вертикальной оси на угол 1° до 5° и повернуты на угол запаздывания от 2° до 10°.
Прорези и демпферы заполнены демпфирующим неметаллическим анизотропным материалом с акустической прозрачностью, меньшей, чем материал пилы.
Ширина прорезей и демпферов определяется по формуле
c=α⋅dT⋅l,
где α - коэффициент линейного расширения материала полотна пилы, мм/°С;
dT - градиент температуры пилы,°С;
l - приведенный размер зоны напряжения пилы, мм.
Высокочастотная прорезь расположена на радиусе, определяемом по формуле
1
0,5
R=0,25(D+7,5D),
1
Где R - радиус расположения прорези на диске пилы, мм;
D - наружный диаметр дисковой пилы, мм.
Амплитуда высокочастотной прорези равна
1
z
A=0,707⋅u⋅z,
1
где A - амплитуда прорези, мм;
z
u - подача заготовки на зуб, мм;
z - число зубьев пилы.
Длина высокочастотной прорези определяется по формуле
n
зм
z
зв
l=2πV⋅u/V,
n
где l - длина высокочастотной прорези, мм;
зм
V - скорость звука в материале, м/с;
z
u - подача заготовки на зуб, мм;
зв
V - скорость звука в воздухе, м/с.
Низкочастотная прорезь размещена на радиусе окружности, определяемом по формуле
2
0,5
R=0,25 (D+5D),
2
где R - радиус расположения прорези на диске пилы, мм;
D - наружный диаметр дисковой пилы, мм.
Амплитуда низкочастотной прорези определяется по формуле
2max
z
A=u⋅z,
2max
где A - амплитуда большой полуволны, мм;
z
u - подача заготовки на зуб, мм;
z - число зубьев пилы.
Амплитуда смежной полуволны низкочастотной прорези определяется по формуле
2min
z
A=0,6⋅u⋅z,
2min
где A - амплитуда смежной полуволны, мм;
z
u - подача заготовки на зуб, мм;
z - число зубьев пилы.
m
Длина низкочастотной прорези l определяется по формуле
m
l=(D-d)/2π,
где D - наружный диаметр пилы, мм;
d - диаметр посадочный, мм.
Формулы определения величин прорезей и демпферов, радиусов расположения, амплитуды, длины высокочастотных и низкочастотных прорезей, амплитуды смежной полуволны низкочастотной прорези определены авторами экспериментальным путем и выведены авторами впервые.
Угол опережения высокочастотной прорези обеспечивает восприятие упругой деформации до начала ударного врезания зуба пилы в обрабатываемую заготовку, снижая упругие деформации и нагрев пилы, при этом продольные колебания снижают деформацию от нагрева, а поперечные колебания при этом значительно меньше продольных, способствуют снижению общей вибрации и акустических эффектов. Тем самым удар компенсируется в высокочастотной прорезе за счет сжатия и растяжения ширины прорези. Снижается частота собственных колебаний диска пилы, уводя его от первой моды, что обеспечивается формой высокочастотной прорези.
Угол запаздывания низкочастотной прорези обеспечивает снижение частоты колебания, распространяющегося от высокочастотной прорези, что снижает упругие деформации и уменьшает волны акустики в различных диапазонах частот.
Форма и размер демпферов определены опытным путем, при этом напряжения в зубьях пил в процессе работы не превышают 60 МПа, а упругая деформация в демпфере терморегулирования в момент сжатия и растяжения не превышает 12 мкм.
Размещение анизотропного материала в прорезях и демпферах обеспечивает устранение эффекта забивания их смолами обрабатываемого материала и способствует дополнительному демпфированию колебания диска пилы.
На чертежепредставлена схема дисковой пилы. Дисковая пила состоит из режущего диска 1 с зубьями 2, в которых размещены пластины твердого сплава 3. В пазухах зубьев 2 дисковой пилы расположены демпферы терморегулирования 4.
Демпфер терморегулирования 4 состоит из линейного участка и концевой петли. Длина линейного участка и условный диаметр концевой петли демпфера пропорциональны высоте зуба пилы. Первый демпфер терморегулирования 4 смещен относительно вертикальной оси на угол, равный от 1° до 5°, и повернут на угол запаздывания от 2° до 10°. Остальные демпферы терморегулирования установлены симметрично, например, в четырех местах для пил диаметром до 250 мм и в шести местах для размеров свыше 250 мм.
На поверхности дисковой пилы на горизонтальном диаметре симметрично расположены две высокочастотных прорези 5. По обеим сторонам от высокочастотных прорезей 5 симметрично расположены четыре низкочастотных прорези 6 на угле, равном 10° - 45°.
Высокочастотные прорези 5 имеют три полуволны с одинаковой амплитудой. Низкочастотные прорези 6 имеют две полуволны, связанные со смежной полуволной большой амплитуды.
Высокочастотные прорези 5 повернуты на угол опережения, равный от 1° до 5°. Низкочастотные прорези повернуты на угол запаздывания, равный от 1° до 8°.
Низкочастотные прорези 6 расположены на радиусе, зависящем от диаметра дисковой пилы и угле от 10° до 45° относительно горизонтальной оси пилы и имеют парную симметрию относительно центра пилы.
Расположение прорезей 5 и 6 формируют на полотне диска пилы чередующиеся участки сжатия, растяжения и условного равновесия.
Ширина прорезей 5, 6 и демпферов 4 определяется по формуле, предложенной авторами
c=α⋅dT⋅l,
где α - коэффициент линейного расширения материала полотна пилы, мм/°С;
dT - градиент температуры пилы,°С;
l - приведенный размер зоны напряжения пилы, мм.
Прорези и демпферы заполнены анизотропным материалом, например фторопластом 4 (ГОСТ 10007) с малой акустической прозрачностью.
Ширина прорезей 5 и 6 и демпферов 4 определяется из условия учета коэффициента линейного расширения материала и перепада температур при повышенных режимах обработки.
На корпусе дисковой пилы выполнены отверстия для закрепления и передачи крутящего момента 7 и отверстия для крепления пилы на фланце 8.
1
2
Радиусы R, R расположения прорезей 5 и 6, и демпфера терморегулирования 4 определены из условия устойчивой работы дисковой пилы при изменяющейся собственной частоте упругой системы и коэффициента демпфирования.
Параметры высокочастотной прорези функционально связаны с параметрами подачи на зуб и числом зубьев пилы.
1
Высокочастотная прорезь 5 расположена на радиусе R, определяемой по формуле
1
0,5
R=0,25(D+7,5D),
1
где R - радиус расположения прорези на диске пилы, мм;
D - наружный диаметр дисковой пилы, мм.
2
Низкочастотная прорезь 6 размещена на радиусе R окружности определяемом по формуле
2
0,5
R=0,25 (D+5D),
2
где R - радиус расположения прорези на диске пилы, мм;
D - наружный диаметр дисковой пилы, мм.
Амплитуда высокочастотной прорези 5 равна
1
z
A=0,707⋅u⋅z,
1
где A - амплитуда прорези, мм;
z
u - подача заготовки на зуб, мм;
z - число зубьев пилы.
Амплитуда низкочастотной прорези 6 определяется по формуле
2max
z
A=u⋅z,
2max
где A - амплитуда большой полуволны, мм;
z
u - подача заготовки на зуб, мм;
z - число зубьев пилы.
Амплитуда смежной полуволны низкочастотной прорези 6 определяется по формуле
2min
z
A=0,6⋅u⋅z,
2min
где A - амплитуда смежной полуволны, мм;
z
u - подача заготовки на зуб, мм;
z - число зубьев пилы.
Длина высокочастотной прорези 5 определяется по формуле
зм
z
зв,
ln=2πV⋅u/V
n
где l - длина высокочастотной прорези, мм;
зм
V - скорость звука в материале, м/с;
z
u - подача заготовки на зуб, мм;
зв
V - скорость звука в воздухе, м/с.
Длина низкочастотной прорези 6 определяется по формуле
m
l=(D-d)/2π,
m
где: l - длина низкочастотной прорези, мм;
D - наружный диаметр пилы, мм;
d - диаметр посадочный, мм.
Дисковая пила работает следующим образом. Дисковая пила, отвечающая техническим условиям и технологическому регламенту, после осмотра устанавливается на рабочий вал технологической машины посредством отверстий 7 и 8 и приводится в движение. Процесс внедрения зубьев пилы 2 в обрабатываемый материал сопровождается определенным сопротивлением резанию, приводящим к нагреву полотна пилы 1, а вследствие вариации коэффициента трения различной природы, возникают звуковые волны с широким спектром частот.
При работе пилы пластинки твердого сплава 3, имея повышенную плотность, располагаясь на периферии вращающегося диска пилы, обеспечивают дополнительную жесткость передней грани зуба 2 за счет ее растяжения центробежной силой, приложенной в точке центра масс пластинки.
С момента начала вращения пилы и процесса резания начинают свою работу высокочастотные 5 и низкочастотные прорези 6 и также демпферы 4. От взаимодействия низкочастотных 6 и высокочастотных 5 прорезей и демпферов терморегулирования 4 с технологической средой снижается уровень звукового давления. Скорость нагревания периферии диска пилы от процесса сжатия и трения полотна диска о плоскость распила воспринимаются демпферами 4, уменьшающими напряженно деформируемое состояние за счет собственного сжатия и растяжения при изменении температуры в процессе работы.
Различие в положении углов опережения и запаздывания прорезей 5 и 6 дает:
- снижение угловых колебаний диска пилы за счет наличия парных чередующихся участков сжатия, растяжения и условного равновесия с эффектом осцилляции;
- уравновешивание температурного поля в зоне резания вследствие осуществления процессов нагрева полотна в зоне сжатия и охлаждения в зоне растяжения;
- снижение энергозатрат на процесс резания за счет снижения деформации диска пилы;
- увеличение стойкости пилы.
Предложенная конструкция дисковой пилы обеспечивает стабильный процесс резания анизотропных материалов.
Дисковая пила предложенной конструкции имеет следующие преимущества:
- вследствие снижения вибрации, проявляющейся в акустических колебаниях, создаются условия для повышения точности распиловки материалов за счет уменьшения поперечных колебаний пилы;
- снижение акустических колебаний высокой и низкой частоты уменьшает износ инструмента, повышая стойкость пилы и качество обработки;
- возможность формирования частотных характеристик при создании конструкции пилы, снижают затраты на эксплуатацию, повышая производительность труда в 1,5 раза, позволяя оптимизировать процесс раскроя анизотропных материалов;
- сокращаются сроки внедрения пил вследствие хорошей заводской готовности;
- повышается ресурс работы пилы и точность распиловки;
- снижаются затраты на технологическую подготовку производства;
- появляется возможность вариационного управления динамикой работы при смене частоты вращения;
- выше конкурентоспособность по сравнению с существующими пилами вследствие снижения издержек на испытания;
- обеспечивает выпуск товарной продукции по требованиям международных стандартов.
Предложенная конструкция дисковой пилы позволяет повысить производительность, точность, улучшить шероховатость пропила, снизить аэродинамический шум и вибрации. Предложенная конструкция дисковой пилы обеспечивает стабильный процесс резания анизотропных материалов.