Проектирование деревообрабатывающего станка

Деревообрабатывающий станок — машина для обработки древесины с целью придания ей необходимых размеров и формы. На станках из древесного сырья вырабатывают различные материалы и полуфабрикаты (брусья, доски, фанеру, стружку, древесные плиты и прочее), детали изделий и конструкций (для мебели, с.-х. машин, вагонов, судов и т. д.), а также готовые изделия (мебель, окна, двери, паркет, перекрытия к зданиям, тару, лыжи, музыкальные инструменты, канцелярские принадлежности и др.).

Распиливание выполняется пилами, совершающими возвратно-поступательное, вращательное или прямолинейное движение.

По способу обработки древесины, характеризуемому видом применяемого процесса резания, конструкцией режущего инструмента, особенностями исходного сырья, различают распиливающие, фрезерующие, строгальные, сверлильные, токарные, лущильные, шлифовальные, дробильные и др. По специализации дереворежущие станки делят на станки общего назначения, широко применяемые в различных отраслях народного хозяйства, и специальные — для работ, выполняемых только в определённых производствах.

1. Описание конструкции станка

станок доска пила резание

Прирезной станок с гусеничной подачей ЦДК-4 предназначен для продольной распиловки досок, брусков и щитов. Станок является основным видом оборудования, применяемого для продольного раскроя. Заготовки, распиленные на этом станке, имеют прямолинейный рез, в результате чего детали, полученные после раскроя, можно склеивать даже без прифуговки.

Рисунок 1 — Общий вид прирезного станка с гусеничной подачей ЦДК-4: 1 — станина, 2 — стол, 3 — пильный диск, 4 — суппорт, 5 — гусеница, 6 — линейка.

Станок представляет собой чугунную станину, на столе которой расположены гусеничный конвейер и линейка. Обрабатываемый пиломатериал прижимается к гусеничному конвейеру специальными роликами, находящимися на суппорте. Суппорт пилы шарнирно связан со стойкой и может, в зависимости от толщины распиливаемого пиломатериала, подниматься или опускаться.

Пильный диск крепится непосредственно на валу электродвигателя, расположенного на суппорте. Вертикальное перемещение суппорта с электродвигателем осуществляется маховичком. Подача на станке оборудована четырехскоростным электродвигателем.

Техническая характеристика станка ЦДК4−1:

1. Размеры распиливаемых заготовок:

— мин длина — 600 мм;

— ширина — 250…400 мм;

— толщина — 10…100 мм;

2. Диаметр пилы: 250 — 400 мм.

3. Число пил: 1 шт.

4. Частота вращения пилы: 3000 об/мин.

5. Скорость подачи: 15, 22, 30, 45 м/мин.

6. Размер стола 77 * 1620 мм.

7. Суммарная мощность электродвигателей 13 кВт.

8. Габариты станка: 1930 / 1460 / 1485 мм.

2. Станочный дереворежущий инструмент

2.1 Описание режущего инструмента

Для работы на круглопильных станках используют круглые пилы, представляющие собой диск, по периметру окружности которого насечены зубья. Пилы выпускаются двух типов: тип 1 — для продольного и тип 2 — для поперечного распиливания. Каждый тип пил выпускается в двух исполнениях. Пилы типа 1 исполнения 1 изготовляют диаметром 200−1500 мм, исполнения 1 — диаметром 160−250 мм. Пилы типа 2 исполнения 1 изготовляют диаметром 360−1500 мм, а исполнения 2 — диаметром 125−1500 мм. Толщина пил всех типов составляет 1−5,5 мм. Пилы диаметром до 250 мм применяют на фрезерных станках, диаметром до 500 мм — на круглопильных станках, диаметром до 700 мм — на педальных торцовочных станках.

Пилу принимаем согласно ГОСТ 980–80

D — диаметр пилы,

t — шаг зубьев пилы,

г — радиус закругления, равный 0,15−0,20 мм.

Н — высота заготовки, мм;

Х1 — зазор между зажимным фланцем и деталью, мм;

Х2 — выступ пилы из пропила, мм.

RФ — радиус зажимных фланцев.

Рисунок 2 — Профили зубьев плоских пил

Рисунок 3 — Положение пильного вала: а — верхнее положение пильного вала; б — нижнее положение пильного вала.

Пилы для поперечного раскроя древесины имеют двустороннюю косую заточку, что позволяет пилить ими в обе стороны. Зубья пил для продольного раскроя имеют прямую заточку, поэтому ими можно пилить только в одну сторону. Во избежание заедания пил в материале производят развод или плющение зубьев. При разводе каждый зуб отгибают примерно на 1/3 его высоты. Величина развода зубьев зависит от породы и влажности древесины. Развод зубьев круглых пил для продольного и поперечного раскроя диаметром до 500 мм составляет 0,3−0,5 мм на сторону, а диаметром более 500 мм — 0,5−0,7 мм на сторону. Вершины зубьев пил должны находиться на одной окружности. Для выравнивания вершины зубьев фугуют. Для придания пильному диску устойчивости во время работы его проковывают, в результате чего ослабляется средняя зона диена, а пильная кромка натягивается. После проковки пилы затачивают так, чтобы профиль зубьев оставался неизменным.

При более высоких требованиях к качеству распиловки используют пилы круглые строгальные диаметром 160−400 м, толщиной 1,2−3,6 мм. Пилы выпускаются однои двухконусные для продольного раскроя и двухконусные для поперечного раскроя. Для раскроя древесины и древесных материалов используют пилы дисковые дереворежущие с пластинами из твердого сплава. Эти пилы более устойчивы в работе.

2.2 Подготовка пил к работе

При пилении стенки пропила упруго восстанавливаются и могут зажать плотно пилы. Для предотвращения зажима пилы в пропиле зубья ее плющат и разводят.

Развод зубьев — поочередный отгиб вершинных частей зубьев в разные стороны. Различают развод прямой и с поворотом. При прямом разводе зубья отгибают в направлении, перпендикулярном к плоскости пилы; такой способ рекомендуется при поперечной распиловке древесины. При разводе с поворотом зубья отгибают и одновременно поворачивают передней гранью в сторону отгиба. Перед разводом пилу необходимо очистить от смолы, опилок и выравнить искривленные зубья.

Плющение — процесс раздавливания вершинки зуба пилы с целью его уширения. Для этого к кончику зуба со стороны задней грани подставляют упор, а со стороны передней грани подводят плющильный валик. При повороте плющильного валика он внедряется в материал зуба и выдавливает металл. После плющения зуб формуют и придают ему правильную форму, после чего зуб затачивают.

Также, когда необходимо изменить профиль зубьев или восстановить сломанные зубья, выполняют насечку зубьев. Для насечки применяют ручные или механические модели пилоштампов.

3. Расчет режимов резания

Исходные данные:

материал заготовки — сосна;

влажность, W = 15%;

толщина заготовки (высота пропила), Н = 35 мм.;

ширина заготовки, В = 400 мм.;

качество поверхности пропила не более RZ = 500 мкм;

положение пильного вала — верхнее.

3.1 Определение диаметра пилы

Расчетный минимальный диаметр пилы рассчитываем по формуле:

=2(35+125/2+5+3) = 141 мм,

где: Н = 35 мм — высота заготовки;

a1 — зазор между зажимным фланцем и деталью, a1 =5 мм;

a2 — выступ пилы из пропила, a2 = 2…3 мм.

rФ — радиус зажимных фланцев,

.

Согласно [1], для круглых пил диаметром от 360 до 500 мм,

мм.

Диаметр пилы принимаем согласно прототипу — 400 мм. Обозначение пилы: 0189−0191.

Параметры пилы:

D = 400 мм; d = 50 мм; В = 2,0 мм; Z = 48; развод зубьев b1 = 0,5 мм.

Тогда

Впр = 2 + 1 = 3 мм — ширина пропила.

3.2 Высота стола над центром пилы

мм.

3.3 Угол выхода зубьев пилы

.

3.4 Угол входа зубьев пилы

.

3.5 Предельная скорость подачи:

м/мин.

где: n — частота вращения рабочего органа инструмента (пилы).

Принимаем подачу на зуб равной 0,1 мм, чтобы получить оптимальные параметры резания.

об/мин.

3.6 Кинематический угол встречи:

.

3.7 Толщина стружки:

мм.

3.8 Фиктивная сила трения:

Н/м.

3.9 Касательное давление стружки на переднюю грань зуба

м/с (при V?50 м/с)

МПа

где: — угол резания, град.

3.10 Средняя толщина срезаемого слоя

мм.

3.11 Длина дуги контакта

мм.

3.12 Окружной шаг зубьев пилы

мм.

3.13 Затупление резца

Начальная острота при пилении мкм, тогда приращение затупления резца за время между переточками Т=200 мин.:

мкм

Тогда на переточку пила будет направлена с радиусом закругления зубьев:

мкм.

3.14 Обобщенный коэффициент затупления

3.15 Средняя касательная сила

Н

где: мм;

Н/мм².

Н.

3.16 Мощность на резание без учета КПД

кВт.

3.17 Сила резания по задней грани

Н.

3.18 Сила резания по передней грани

Н.

3.19 Радиальная сила резания

Н.

При этом алгебраическая сумма вертикальных проекций сил составит силу, нормальную к подаче:

Н;

Н.

4. Расчет элементов конструкции станка

4.1 Разработка кинематической схемы

Разработка кинематической схемы станка начинается с его изображения. Кинематическая схема показывает способ передачи движения от двигательных механизмов к исполнительным механизмам. При этом кинематические цепи не только обеспечивают передачу движений, но и понижают или повышают скорость рабочего органа. Кроме того, повышают или понижают крутящий момент, позволяют изменить направление и траекторию движения, а также регулировать скорость.

Кинематическую схему выполняют в соответствие с требованиями ГОСТ 2.701−68 и правилами ГОСТ 2.703−68. Кинематическую схему вычерчивают в виде развертки в ортогональных проекциях. Все элементы схемы изображают условными графическими обозначениями по ГОСТ 2.770−68. Схемы выполняют без соблюдения масштаба.

Каждому кинематическому элементу присваивается порядковый номер, начиная от источника движения. Валы нумеруются римскими цифрами, остальные элементы — арабскими. Порядковый номер проставляют на полке линии-сноски. Под полкой линии-сноски указывают основные характеристики и параметры кинематического элемента.

В случае исключения в кинематическую схему гидравлических и пневматических устройств на схеме следует указать эти устройства обозначениями по ГОСТ 2.780−68, ГОСТ 2.782−68 и проставить основные их характеристики (производительность, давление, диаметр поршня, его ход). Оформление гидравлической (пневматической) схемы осуществляют по ГОСТ 2.704−76.

Передаточное число кинематической цепи в общем случае может быть записано следующей формулой:

где nдв, nро — частота вращения соответственно двигательного механизма и рабочего органа, мин-1;

d1, d2 — диаметры соответственно ведущего и ведомого шкивов, мм;

zn-1, zn — число зубьев ведущих и ведомых шестерен (звездочек).

За основу берем схему станка.

Принимаем передаточное число червячного редуктора 40, тогда на цепную и клиноременную передачу приходится 14,025. Принимаем передаточное число клиноременного вариатора равным 2, тогда в итоге получаем:

— передаточное число редуктора червячного UP=40;

— передаточное число ременной передачи UPEM=2;

— передаточные числа цепной передачи U1 = 2 и U2 = 3,5.

Проверим

U = 40×2×2×3,5 = 560

4.2 Далее необходимо рассчитать мощность двигателя механизма подачи

кВт.

где: КПД кинематической цепи механизма подачи;

По требуемой мощности выбираем стандартный асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором серии АИР71В2У3 мощностью 1,1 кВт,

где: n (синхронная частота вращения) = 3000 мин-1;

nа (асинхронная частота вращения) = 2805 мин-1;

А — асинхронный;

И — серия стран Интерэлектро;

Р — привязка по первому варианту;

71 — расстояние от основания до оси вала;

В — установочный размер по длине станины;

2 — число полюсов.

Рисунок 4 — Электродвигатель.

Выбор типа привода, т. е. источника движения и совокупности механизмов, передающих движение рабочему органу станка.

4.3 Проектирование сборочной единицы

Под компоновкой сборочной единицы понимают относительное расположение ее функциональных узлов в пространстве. При компоновке добиваются такого расположения деталей, при котором достигаются заданные свойства машины (удобство при эксплуатации, наименьшие габариты и т. д.).

При компоновке сборочная единица вычерчиваются схематически, без подробностей.

При эскизной компоновке шпиндель разрабатывают на базе кинематической схемы. При этом вычерчивают эскиз подшипника, установленного в корпусе, крышки корпуса и другие детали. На эскизе проставляют размеры деталей, зазоров, формирующих длину каждой консоли.

Длины консолей b и c принимаются по возможности максимальными. Расстояние между опорами l принимается из условия l > 2c, длину ступицы назначают (1,5−2)d, длину шеек под подшипники качения — (0,3−0,5)d, длину шеек под подшипники скольжения — (0,8−1,0)d, где d — диаметр вала в шейке подшипника. Диаметром вала пока задаются приближенно по аналогии с валами действующих станков или проектов.

На основании компоновки составляется расчетная схема шпинделя, на которой проставляются необходимые размеры. Наиболее широко применяются следующие две схемы шпинделей (рис. 2):

— шпиндель на двух опорах с консольным закрепленным режущим инструментом;

— ножевой вал на двух опорах, с инструментом, расположенным между опорами.

4.4 Расчет валов шпинделей

Валы рассчитываются на динамическую прочность и на жесткость. Диаметр вала, полученный при расчете на прочность, по величине бывает меньше, чем при расчете на жесткость. Поэтому расчет валов на динамическую прочность рекомендуется вести приближенно.

При расчете вала на прочность строятся эпюры изгибающих моментов в горизонтальной и вертикальной плоскостях, а также эпюра крутящих моментов. Затем для опасного сечения вала находится момент сопротивления по формуле, мм³:

где Mx max, My max — максимальные изгибающие моменты в горизонтальной и вертикальной плоскости опасного сечения вала, Нмм;

Мкр — максимальный крутящий момент в опасном сечении вала, Нмм;

[-1и] - допускаемое напряжение на симметричный изгиб для стали 45 по ГОСТ 1050–88, МПа.

При закалке в воде и твердости 42HRCэ [у-1и] = 200 МПа.

Момент сопротивления W «0,1d3, откуда При расчете валов механизмов резания (шпинделей) на жесткость добиваются, чтобы прогиб в месте закрепления режущего инструмента не превышал бы допускаемой величины. Считают, что допустимый прогиб вала от действующих на него сил равен:

где [r] - допуск на радиальное биение шпинделя в месте крепления инструмента.

При проектировании современных станков допустимое радиальное биение шпинделя назначают следующим:

— для круглопильных станков продольной распиловки [r] = 0,04 мм;

4.5 Нагрузка на вал от шкивов ременной передачи

При параллельных ветвях ремня и полуторном запасе натяжения на вал действует сила, Н

где у0 — напряжение растяжения ремня,

у0 = 1,6 МПа — при малом межосевом расстоянии и угле наклона передачи к горизонту не более 60?;

у0 = 2,0 МПа — для передач с автоматическим натяжением;

Sр — площадь поперечного сечения ремня, мм2;

z — количество ремней;

б — угол обхвата меньшего шкива, град.

где, а — межосевое расстояние, мм;

dmax, dmin — диаметры шкивов соответственно максимальный и минимальный, мм;

[] - минимальный допускаемый угол обхвата для меньшего шкива. Для клиноременной передачи [] = 120.

Площадь поперечного сечения клиновых ремней

5. Требования охраны труда перед началом работы

Надеть спецодежду, обувь, головной убор, другие средства индивидуальной защиты. Одежда не должна иметь свисающих концов, которые могут быть захвачены движущимися частями механизмов.

Произвести внешний осмотр станка и убедиться:

в свободном доступе к пусковым устройствам;

в исправности электрооборудования и заземляющих устройств, пусковых и блокировочных устройств путем кратковременного включения станка;

в эффективности работы тормозного устройства;

в наличии ограждений, их исправности и надежности крепления;

в исправности инструмента, толкателей, наличии крючка.

На круглопильных станках следует проверить правильность установки и крепления пильного диска и убедиться:

в правильности и остроте его заточки; в отсутствии трещин, заусенцев, засинения;

в наличии зубьев и равномерности их развода (не допускается эксплуатация пилы при отсутствии хотя бы одного зуба);

в исправности ограждения пилы над столом и правильности его установки (стальная полоса должна быть установлена над пилой);

в наличии и исправности ограждения пилы под столом станка (пила должна полностью опускаться в крайнее положение); в отсутствии биения и осевого разбега пильного вала; в достаточной освещенности рабочего места.

Кратковременным включением проверить направление вращения пилы. Пильный диск должен вращаться навстречу подаваемому материалу.

Для многопильных станков проверить, чтобы пилы, установленные на одном валу, имели одинаковые диаметр, толщину, профиль зубьев, развод, плющение, пайку. Допускается устанавливать пилы диаметрами, различающимися не более чем на 5 мм.

Проверить наличие и действие когтевой завесы. Упоры когтевых завес должны подниматься под действием подаваемого в станок материала и опускаться в исходное положение. Зазор между нижними кромками упоров одного из рядов и поверхностью подающего устройства станка должен бать не более 2 мм.

Зазор между пластинами упоров должен быть не более 1 мм. Упоры должны быть острыми, обеспечивать постоянный угол заклинивания 55 — 60 при обработке материала любой толщины и не должны проворачиваться в направлении, обратном подаче материала.

1. Красиков А. С. Оборудование отрасли. — Екатеринбург: УГЛТУ, 2013. — 44 с.

2. Глебов И. Т. Резание древесины. — Екатеринбург: УГЛТУ, 2001. — 151 с.

3. Глебов И. Т. Дереворежущий инструмент. — Екатеринбург: УГЛТУ, 2001. — 197 с.

4. Глебов И. Т., Новоселов В. Г., Швамм Л. Г. Справочник по резанию древесины. — Екатеринбург: УГЛТА, 1999. — 190 с.