Способ уплотнения и формообразования цилиндрических изделий из цельной древесины и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к области деревообработки. На заготовку при продвижении ее в пресс-форме под действием нагрузки, направленной вдоль продольной оси заготовки, оказывают одновременное колебательное и статическое силовые воздействия. При этом колебательное силовое воздействие осуществляют путем сообщения заготовке в процессе ее перемещения в пресс-форме механических крутильных колебаний, действующих вокруг продольной оси заготовки. Устройство включает пресс-форму для заготовки, выполненную в виде полой трубы с заходной частью в форме обратного усеченного конуса, пуансон, соосно установленный с пресс-формой с возможностью его перемещения в направлении продольной оси пресс-формы, патрон, смонтированный на торце пуансона и снабженный зажимами для закрепления в нем концевого участка заготовки, а также кулачок. В теле кулачка выполнен паз волнообразной формы, ориентированный параллельно продольной оси пресс-формы. Палец закреплен нормально к боковой поверхности патрона, а его свободный конец размещен в пазу кулачка. Изобретение позволяет повысить экономичность процесса обработки древесной заготовки при обеспечении качественного уплотнения и формообразования изделия. 2 с. и 7 з.п.ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области деревообработки, в частности к технологии уплотнения и формообразования цилиндрических изделий из цельной древесины, в том числе к технологии обработки длинномерных древесных заготовок.

Известны способ и устройство для обработки заготовок из цельной древесины, в которых уплотнение и формообразование изделий достигается за счет приложения прессующих усилий в направлении, перпендикулярном оси заготовки, [а.с. СССР N 370050, B 27 M 1/02. публ. 1973 г.].

В указанном способе заготовку размещают между двумя плитами, расположенными параллельно волокнам древесины, прикладывают прессующие усилия в направлении, перпендикулярном оси заготовки, и перемещают плиты горизонтально параллельно одна другой, приводя тем самым во вращательное движение заготовку. Вращение заготовки обеспечивает последовательное многократное приложение прессующего усилия по всем точкам поверхности заготовки.

Способ позволяет достигнуть значительной степени уплотнения древесины. Однако однонаправленное статическое воздействие не обеспечивает равномерного уплотнения изделия во всем его объеме.

В настоящее время широко используются способы и устройства, обеспечивающие разнонаправленное обжатие заголовки, помещенной в пресс-форму.

Известны способ и устройство обработки заготовки из цельной древесины [а.с. СССР N 1655780. B 27 K 5/06. публ. 1994 г.], согласно которым на заготовку, помещенную в пресс-форму, воздействуют путем внешнего силового воздействия, прикладываемого последовательно в аксиальном, радиальном и тангенциальном направлениях. Устройство для реализации указанного способа включает пресс-форму последовательного трехстороннего сжатия, а также источник периодической нагрузки, действующей в аксиальном направлении, и систему статического сжатия заготовки в радиальном и тангенциальном направлениях.

Указанные способ и устройство обеспечивают более равномерное уплотнение материала заготовки.

Однако способ является многостадийным и требует строгого дозирования величины внешних воздействий по различным направлениям, что усложняет технологический процесс обработки древесины.

Наиболее близкими по технической сущности к заявляемым способу и устройству являются способ и устройство для уплотнения и формообразования изделий из цельной древесины, в частности, цилиндрических изделий [патент РФ N 2089385, B 27 M 1/08, публ. 1997 г.], которые выбраны авторами за прототип.

Указанный способ включает статическое силовое воздействие на заготовку, перемещающуюся в пресс-форме под действием нагрузки, действующей вдоль продольной оси заготовки, и одновременно колебательное силовое воздействие, которое обеспечивается двумерным полем акустических колебаний. Двумерное поле акустических колебаний создают путем сообщения пресс-форме колебаний, направленных вдоль ее продольной оси, и колебаний, направленных по нормали к ее продольной оси.

Устройство для осуществления указанного способа включает пресс-форму для заготовки, выполненную в виде полой трубы с заходной частью в форме обратного усеченного конуса, систему создания колебательного силового воздействия - вибратор с концентратором продольных акустических колебаний, излучающая поверхность которого сопряжена с заходной частью пресс-формы, а также систему создания статической нагрузки, включающую пуансон, установленный соосно с пресс-формой и с возможностью перемещения в направлении продольной оси пресс-формы.

Комплексное воздействие статической нагрузки и поля упругих колебаний обеспечивает качественное уплотнение и формообразование изделия при сохранении структуры древесины. При этом под воздействием акустического поля частицы древесного вещества осуществляют высокочастотные продольно-поперечные упругие смещения, что приводит к более равномерному уплотнению древесной заготовки. Кроме того, смещения частиц в поперечном направлении способствуют "отжатию" заготовки от стенок пресс-формы, что несколько снижает трение при продвижении заготовки в пресс-форме. Однако из-за релаксационных свойств частиц упруго сжатой древесины указанный эффект проявляется в недостаточной степени.

Высокая степень уплотнения в рассматриваемых способе и устройстве достигается при значительной величине статической нагрузки. При этом для осуществления процесса обработки заготовки необходимо использовать систему создания акустических колебаний.

Задачей предлагаемых способа и устройства является повышение производительности и экономичности процесса обработки древесной заготовки при обеспечении качественного уплотнения и формообразования изделия.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе уплотнения и формообразования цилиндрических изделий из цельной древесины, включающем одновременное колебательное силовое воздействие и статическое силовое воздействие на заготовку при продвижении ее в пресс-форме под действием нагрузки, направленной вдоль продольной оси заготовки, колебательное силовое воздействие осуществляют путем сообщения заготовке в процессе ее перемещения в пресс-форме механических крутильных колебаний, действующих вокруг продольной оси заготовки.

Кроме того, угол γ крутильных колебаний выбирают исходя из условия где γ - угол крутильных колебаний, рад; P - величина нагрузки, направленной вдоль оси заготовки, Н; D_з - диаметр заготовки, м; f_тр - коэффициент трения скольжения материала заготовки в пресс-форме; l - длина заготовки, м; J - полярный момент инерции сечения заготовки, м⁴; G - модуль упругости материала заготовки при сдвиге, Н/м²; [τ] - величина допускаемых касательных напряжений материала заготовки Н/м²;
w - полярный момент сопротивления сечения заготовки, м³.

Кроме того, минимальную величину угловой скорости кручения заготовки выбирают, исходя из условия

где v - линейная скорость перемещения заготовки под действием статической нагрузки, м/с;
r_ср - средний радиус заходной части пресс-формы, м.

Кроме того, угол крутильных колебаний уменьшают по мере перемещения заготовки в пресс-форме, Кроме того, на заготовку в процессе ее перемещения в пресс-форме дополнительно воздействуют полем акустических колебаний, которое создают путем возбуждения в пресс-форме и заготовке поля акустических колебаний.

Новым в способе является то, что колебательное силовое воздействие осуществляют путем сообщения заготовке в процессе ее перемещения в пресс-форме механических крутильных колебаний, действующих вокруг продольной оси заготовки.

Новым является также то, что угол крутильных колебаний выбирают, исходя из условия (1).

Новым является также то, что минимальную величину угловой скорости кручения заготовки выбирают, исходя из условия (2).

Новым является также то, что на заготовку в процессе ее перемещения в пресс-форме дополнительно воздействуют полем акустических колебаний, которое создают путем возбуждения в пресс-форме и заготовке поля акустических колебаний.

Сущность устройства для реализации способа заключается в том, что устройство включает пресс-форму для заготовки, выполненную в виде полой трубы с заходной частью в форме обратного усеченного конуса, систему создания колебательного силового воздействия на заготовку, систему создания статического силового воздействия, включающую пуансон, соосно установленный с пресс-формой с возможностью его перемещения в направлении продольной оси пресс-формы, при этом система создания колебательного силового воздействия выполнена в виде системы создания механических крутильных колебаний, содержащей патрон, смонтированный на торце пуансона с возможностью поворота вокруг продольной оси пуансона и снабженный зажимами для закрепления в нем концевого участка заготовки, а также кулачок, в теле которого выполнен паз волнообразной формы, ориентированный параллельно продольной оси пресс-формы, и закрепленный нормально к боковой поверхности патрона палец, свободный конец которого размещен в пазу кулачка.

Новым в устройстве является то, что система создания колебательного силового воздействия выполнена в виде системы создания механических крутильных колебаний, которая содержит патрон, смонтированный на торце пуансона с возможностью поворота вокруг продольной оси пуансона и снабженный зажимами для закрепления в нем концевого участка заготовки, а также кулачок, в теле которого выполнен паз волнообразной формы, ориентированный параллельно продольной оси пресс-формы, и закрепленный нормально к боковой поверхности патрона палец, свободный конец которого размещен в пазу кулачка.

Кроме того, новым является то, что "амплитуда" образующей волнообразного паза кулачка, уменьшается в направлении перемещения заготовки под действием нагрузки.

Кроме того, новым является то, что пресс-форма выполнена перфорированной, а соосно установленные пресс-форма и пуансон размещены под углом к горизонту.

Кроме того, новым является то, что устройство дополнительно содержит акустический преобразователь с концентратором, излучающая поверхность которого сопряжена с поверхностью пресс-формы.

Совокупное воздействие на заготовку, перемещаемую в пресс-форме под действием нагрузки, направленной вдоль продольной оси заготовки, статических прессующих усилий и механических крутильных колебаний, действующих вокруг продольной оси заготовки, обеспечивает обжатие и формообразование изделия в пресс-форме и одновременное уплотнение материала древесины во всем объеме заготовки. При этом принципиальным является совершение заготовкой в процессе ее перемещения в пресс-форме крутильных колебаний. Указанный характер движения заготовки, а именно сочетание поступательного движения со знакопеременными поворотами заготовки вокруг ее продольной оси, способствует тому, что граничные условия прилипания заготовки к стенкам пресс-формы изменяются на граничные условия периодического проскальзывания. Это приводит к существенному снижению трения заготовки о стенки пресс-формы и, следовательно, дает возможность осуществлять процесс уплотнения и формообразования изделия при меньших величинах статической нагрузки и делает его более экономичным.

При этом крутильные колебания сжатой заготовки приводят к знакопеременным сдвиговым смещениям частиц древесного вещества, что в совокупности со смещениями частиц, возникающими под действием статических прессующих усилий, обеспечивает сужение капиллярно-порового пространства древесины, из которого вытесняется клеточный сок. Это приводит к уплотнению материала заготовки без нарушения его клеточной структуры и одновременно к снижению пространственной неравноплотности древесного вещества в объеме изделия и, следовательно, позволяет добиться качественного уплотнения и формообразования изделия.

Угол крутильных колебаний следует выбирать из условия, приведенного в формуле (1). Минимальная величина угла крутильных колебаний должна обеспечивать преодоление сил трения заготовки о стенки пресс-формы, а максимальная его величина ограничена прочностными свойствами заготовки при сдвиге.

Для получения наилучших результатов целесообразным является оптимизировать величину угловой скорости поворота заготовки вокруг продольной оси при совершении ею крутильных колебаний. При снижении угловой скорости ниже некоторой пороговой величины эффект снижения трения заготовки о стенки пресс-формы проявляется в недостаточной степени. Величину минимальной угловой скорости выбирают из условия, приведенного в формуле (2).

Угол крутильных колебаний заготовки вокруг ее продольной оси целесообразно уменьшать по мере перемещения заготовки в пресс-форме во избежание механических повреждений материала древесины вследствие повышения деформационных напряжений в древесине при продвижении заготовки в пресс-форме.

Кроме того, для повышения качества готовых изделий целесообразно дополнительно воздействовать па заготовку в процессе ее перемещения в пресс-форме полем акустических колебаний (двухмерным или трехмерным), которое создают путем сообщения пресс-форме акустических колебаний. Дополнительное воздействие на заготовку многомерного поля акустических колебаний усиливает эффект снижения трения заготовки о стенки пресс-формы, а также способствует повышению равноплотности материала древесины, что повышает качество получаемых изделий.

В предлагаемом устройстве для реализации рассматриваемого способа предусмотрены система создания статического силового воздействия и система создания колебательного силового воздействия, с помощью которых создают прессующие усилия, действующие на заготовку в пресс-форме, и одновременно заготовке придают механические крутильные колебания. При этом наличие в устройстве пуансона и пресс-формы, выполненной в виде полой трубы с заходной частью в форме обратного усеченного конуса, обеспечивает обжатие и формообразование заготовки при продвижении ее в пресс-форме под действием пуансона. Для придания заготовке механических крутильных колебаний устройство содержит патрон с зажимами для заготовки, смонтированный на торце пуансона с возможностью поворота вокруг его продольной оси, а также кулачковый механизм. Выполнение в теле кулачка паза волнообразной формы, ориентированного параллельно продольной оси пресс-формы, и размещение в пазу пальца, закрепленного нормально к боковой поверхности патрона, обеспечивают при поступательном перемещении пуансона за счет кинематической связи пальца с криволинейной поверхностью паза непрерывный поворот патрона с заготовкой по часовой стрелке и против часовой стрелки на определенный угол, задаваемый геометрией паза. Таким образом, предлагаемая система механического колебательного воздействия на заготовку не требует применения дополнительного источника энергии, а приводится в действие от пуансона, что делает работу устройства экономичной.

Для уменьшения угла поворота заготовки при совершении ею крутильных колебаний в процессе продвижения по пресс-форме "амплитуда" образующей волнообразного паза кулачка уменьшается в направлении перемещения заготовки.

Для лучшего удаления и сбора клеточного сока из заготовки следует выполнить пресс-форму перфорированной и разместить пресс-форму и пуансон под углом к горизонту. Для обеспечения дополнительного воздействия на заготовку поля акустических колебаний устройство содержит акустический преобразователь с концентратором, излучающая поверхность которого сопряжена с поверхностью пресс-формы.

Способ осуществляют следующим образом.

На заготовку, один конец которой размещен в заходной части пресс-формы, воздействуют с помощью пуансона внешним статическим давлением, направленным вдоль продольной оси пресс-формы (вдоль волокон древесины). Одновременно с помощью специального механизма заготовке придают в процессе ее продвижения в пресс-форме механические крутильные колебания вокруг продольной оси заготовки. Параметры крутильных колебаний рассчитывают с учетом формул (1), (2). Запрессованную древесину с остаточной влажностью подвергают сушке, после чего извлекают готовое изделие из пресс-формы.

Пример 1. Брали цилиндрическую заготовку из осины диаметром 67 мм и длиной 500 мм с исходной плотностью в сухом виде 0,42 г/см³.

Использовали пресс-форму, выполненную в виде трубы диаметром 54 мм и заходной частью в форме обратного усеченного конуса. Один конец заготовки размещали в заходной части пресс-формы. Осуществляли статическую нагрузку на заготовку величиной 4900 кгс с помощью пуансона, движущегося со скоростью 6 мм/с. Одновременно с помощью специального механизма придавали заготовке крутильные колебания. Начальный угол поворота заготовки вокруг продольной оси О-О' составлял 0,9^o, а затем по мере продвижения заготовки в пресс-форме его величину уменьшали, и в конце процесса угол составил 0,2^o. Величины углов крутильных колебаний выбирали, исходя из условия (1).

Угловая скорость поворота заготовки в процессе крутильных колебаний составляла 0,12 с^-1 и определялась с учетом формулы (2).

По окончании процесса запрессовки снимали внешнее силовое воздействие и осуществляли сушку изделия в пресс-форме, после чего извлекали сформованное изделие из пресс-формы.

Исследовали характеристики и свойства полученного изделия.

Плотность изделия увеличилась примерно в 1,5 раза, при этом диаметр изделия составил 53 мм.

Стойкость к истиранию готового изделия увеличилась приблизительно в 2 раза по сравнению со стойкостью к истиранию контрольного образца неуплотненной высушенной древесины.

Твердость изделия увеличилась примерно в 1,8 раза по сравнению с твердостью контрольного образца неуплотненной высушенной древесины.

Анализ рентгенограмм поперечных сечений изделия показал высокую степень его равноплотности по всей длине. Изменение плотности материала изделия от периферии к центру составило всего 8...10%, что для столь длинномерного образца является высоким показателем.

Для сравнения осуществляли обработку аналогичной заготовки без придания ей крутильных колебаний.

При этом для достижения увеличения плотности изделия в 1,5 раза требовалось применять статическую нагрузку величиной 7000 кгс, при этом скорость перемещения заготовки, которая определялась скоростью пуансона, составляла 3 мм/с.

Пример 2. Проводили обработку аналогичной заготовки по примеру 1, но дополнительно осуществляли воздействие на заготовку полем акустических трехмерных колебаний, задаваемым с помощью генератора колебаний с частотой (18±1,5) кГц. В результате обработки получили изделие со следующими характеристиками. Плотность изделия увеличилась в 1,5 раза. Стойкость к истиранию увеличилась в 2,3 раза. Твердость изделия увеличилась в 2,05 раза. Изменение плотности материала изделия от периферии к центру составило 7...8%, что для столь длинномерного изделия является очень высоким показателем.

Как показывают результаты, приведенные в примерах 1 и 2, при реализации заявляемого способа удалось достигнуть качественного уплотнения и формообразования цилиндрических длинномерных изделий при меньшей величине статической нагрузки и при большей величине скорости перемещения пуансона, что характеризует высокую экономичность и производительность способа.

При этом дополнительное воздействие полем акустических колебаний приводит к улучшению физико-механических свойств изделия, в том числе к повышению его равноплотности.

На чертеже представлена схема устройства для реализации заявляемого способа.

Устройство содержит основание 1, выполненное в виде станины. На основании 1 под углом к горизонту установлена пресс-форма 2, выполненная в виде полой трубы с заходной частью 3 в форме обратного усеченного конуса. Стенки пресс-формы 2 выполнены перфорированными. Устройство также содержит пуансон 4 с приводом (не показан), размещенный соосно с пресс-формой 2. На торце 5 пуансона 4 с возможностью вращения закреплен патрон 6 с помощью шайбы 7 и болта 8. В патроне 6 с помощью зажимов 9 закреплена цилиндрическая заготовка 10. На боковой поверхности патрона 6 нормально к ней закреплен палец 11, свободный конец которого размещен в пазу 12 кулачка 13. Паз 12 имеет волнообразную форму. "Амплитуда" волнообразного паза 12 выполнена уменьшающейся в направлении движения заготовки 10 в пресс-форме 2. Кулачок 13 смонтирован на закрепленной на основании 1 стойке 14 и установлен таким образом, что паз 12 ориентирован вдоль оси О-О', совпадающей с продольными осями пресс-формы 2 и пуансона 4. Под пресс-формой 2 расположен сокосборник 15 для сбора клеточного сока из заготовки 10.

Над заходной частью 3 пресс-формы 2 размещен закрепленный на стойке 16 акустический преобразователь 17 с концентратором 18, излучающая поверхность которого сопряжена с выступом 19 втулки 20 заходной части с помощью накидной гайки 21.

Устройство работает следующим образом.

Один конец заготовки 10 закрепляют в патроне 6 с помощью зажимов 9, а другой конец заводят в заходную часть 3 пресс-формы 2. С помощью привода (не показан) осуществляют перемещение пуансона 4 вдоль оси О-О'. При этом заготовка 10 запрессовывается в пресс-форму 2 и одновременно совершает крутильные колебания вокруг оси О-О' за счет движения пальца 11 в пазу 12 кулачка 13.

Кроме того, в заготовке 10 возбуждают акустические колебания, передающиеся через стенки пресс-формы 2 от акустического преобразователя 17 с концентратором 18.

При движении заготовки 10 вдоль пресс-формы 2 находящийся в материале древесины клеточный сок выдавливается через перфорированные стенки пресс-формы 2 в сокосборник 15. По окончании обработки заготовку 10 сушат в пресс-форме 2, после чего готовое изделие извлекают из пресс-формы 2.

Формула изобретения

1. Способ уплотнения и формообразования цилиндрических изделий из цельной древесины, включающий одновременное колебательное силовое воздействие и статическое силовое воздействие на заготовку при продвижении ее в пресс-форме под действием нагрузки, направленной вдоль продольной оси заготовки, отличающийся тем, что колебательное силовое воздействие осуществляют путем сообщения заготовке в процессе ее перемещения в пресс-форме механических крутильных колебаний, действующих вокруг продольной оси заготовки.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что угол крутильных колебаний выбирают из условия

где γ - угол крутильных колебаний, рад.;
P - величина нагрузки, направленной вдоль оси заготовки, H;
D_з - диаметр заготовки, м;
f - коэффициент трения скольжения материала заготовки в пресс-форме;
l - длина заготовки, м;
J - полярный момент инерции сечения заготовки, м⁴;
G - модуль упругости материала заготовки при сдвиге, H/м²;
[τ] - величина допускаемых касательных напряжений материала заготовки, H/м²;
w - полярный момент сопротивления сечения заготовки, м³.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что минимальную величину угловой скорости кручения заготовки выбирают исходя из условия

где v - линейная скорость перемещения заготовки под действием статической нагрузки, м/с;
r_ср - средний радиус заходной части пресс-формы, м.

4. Способ по п.1, или 2, или 3, отличающийся тем, что угол крутильных колебаний уменьшают по мере перемещения заготовки в пресс-форме.

5. Способ по п.1, или 2, или 3, или 4, отличающийся тем, что на заготовку в процессе ее перемещения в пресс-форме дополнительно воздействуют полем акустических колебаний, которое создают путем сообщения пресс-форме акустических колебаний.

6. Устройство для уплотнения и формообразования цилиндрических изделий из цельной древесины, включающее пресс-форму для заготовки, выполненную в виде полой трубы с заходной частью в форме обратного усеченного конуса, систему создания колебательного силового воздействия на заготовку, систему создания статического силового воздействия, включающую пуансон, соосно установленный с пресс-формой с возможностью его перемещения в направлении продольной оси пресс-формы, отличающееся тем, что система создания колебательного силового воздействия выполнена в виде системы создания механических крутильных колебаний, содержащей патрон, смонтированный на торце пуансона с возможностью поворота вокруг продольной оси пуансона и снабженный зажимами для закрепления в нем концевого участка заготовки, а также кулачок, в теле которого выполнен паз волнообразной формы, ориентированный параллельно продольной оси пресс-формы, и закрепленный нормально к боковой поверхности патрона палец, свободный конец которого размещен в пазу кулачка.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что "амплитуда" образующей волнообразного паза кулачка уменьшается в направлении перемещения заготовки под действием пуансона.

8. Устройство по п.6 или 7, отличающееся тем, что пресс-форма выполнена перфорированной, а соосно установленные пресс-форма и пуансон размещены под углом к горизонту.

9. Устройство по п.6, или 7, или 8, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит акустический преобразователь с концентратором, излучающая поверхность которого сопряжена с поверхностью пресс-формы.

РИСУНКИ

Рисунок 1