Способ резания твердых тел и пила для его осуществления

 

Изобретение относится к резанию твердых тел, например, древесины различных пород, пластических материалов, металла, камней, кости и других. Для повышения качества резания, увеличения срока службы режущей части устройства, уменьшения энергорасходов на обработку твердых тел резанием, разрушение молекулярных связей твердых тел осуществляют при условии резонанса - совпадении колебаний разрезаемых твердых тел с колебаниями, вызываемыми режущими зубьями (РЗ) инструмента. Пила для осуществления способа содержит пильное полотно 1, имеющее n комплектов РЗ 2. Каждый комплект включает четыре РЗ, имеющих индивидуальный профиль, образованный ломаной линией (ЛЛ). Конец ЛЛ, образующий профиль первого РЗ и начало ЛЛ, образующей профиль второго РЗ совпадают, а между вторым-третьим и третьим-четвертым РЗ образованы впадины, ширина которых определена координатами конца и начала ЛЛ, образующих профиль соответствующих РЗ. Каждый последующий комплект РЗ 2 является отображением предыдущего. 2 с. п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

Изобретение относится к резанию, в частности к резанию твердых тел, например, древесины различных пород, пластических материалов, металла, камней и кости.

Известен способ резания твердых тел, предусматривающий механическое разрушение связей, при этом механическое усилие на резец должно превышать силу связей молекул разрезаемого твердого тела (см. а.с. N 1523358, кл. В 28 D 1/00, 1990).

Однако известный способ требует значительных затрат энергии на резание, определяемых энергий связи между молекулами тела, трением режущего инструмента о твердое тело и остротой режущей кромки.

Известна пила для резания твердых тел, например древесины и подобных материалов, имеющая режущие лезвия зубьев в форме непрерывно соединенных треугольников. Вертикальные части концевых кромок зубьев каждой группы отгибают во взаимно противоположные стороны таким образом, чтобы отогнутые части выступали в наружные стороны полотнища пилы и формировали режущие кромки (см. патент Японии N 58-38281, кл. В 27 В 33/10, 1983).

Однако у известной пилы необходимо периодически производить заточку режущей кромки зубьев, так как процесс резания у режущей части пил вызывает затупление и износ инструмента, а это приводит к сокращению срока службы пильного полотна. Также у известного устройства большой расход энергии на привод инструмента, зависящий как от величины развода зубьев, так и скорости подачи материала.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ резания, предусматривающий механическое разрушение связей, при котором уменьшение энергии на трение достигается путем отвода опилок из пространства между пильным полотном и разрезаемым материалом вибрацией пилы (см. патент Японии, N 59-8521, кл. В 27 В 9/00, 1984).

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является режущий инструмент для резания при колебательном движении с крайне малой амплитудой выходного вала, на свободном конце которого установлен и закреплен режущий орган дисковая пила. Вал дисковой пилы вращается в центральной части корпуса инструмента. На задней части вала установлен заодно с ним ведущий рычаг с пазом. На торцевой поверхности планетарного зубчатого колеса, вращающегося посредством зубчатого колеса с внутренним зубчатым венцом и солнечного зубчатого колеса, размещенных соосно в корпусе инструмента, расположен эксцентриковый штифт, контактирующий с пазом ведущего рычага. Под воздействием вращения планетарного колеса вал вибрирует, а режущий орган совершает сложное движение: вибрирует и вращается с низкой скоростью (см. патент Японии N 59-8521, кл. В 27 В 9/00, A 61 F 15/02, 1984).

Однако известный способ не предусматривает использование внутренней энергии колебаний частиц материала, а известная конструкция режущего устройства сложна в изготовлении, применение дополнительного сложного планетарного механизма позволяет уменьшить скорость вращения дисковой пилы, что приводит к снижению только потери энергии на трение, при этом время простоя на ремонт, периодическую заточку, обслуживание инструмента увеличивается, вследствие чего снижается качество резания, увеличиваются расходы энергии на обработку твердых тел резанием.

Задача, решаемая предлагаемым изобретением, заключается в обеспечении проведения процесса резания твердого материала в условиях резонанса-совпадения собственных колебаний разрезаемой системы твердого тела с колебаниями, вызываемыми зубьями пильного полотна. Это позволит повысить качество резания твердых тел, интенсифицировать процесс, увеличить срок службы режущей части пильного полотна и тем самым устранить необходимость периодической заточки режущей кромки зубьев.

Для достижения обеспечиваемого изобретением технического результата в способе резания твердых тел, например, дерева, камня, металла, кости, предусматривающем разрушение молекулярных связей твердых тел под воздействием зубьев режущего инструмента, согласно изобретению, разрушение молекулярных связей твердых тел осуществляют при условии резонанса совпадении собственных колебаний разрезаемого твердого тела с колебаниями, вызываемыми режущими зубьями инструмента.

Достижение обеспечиваемого изобретением технического результата стало также возможным благодаря пиле для резания твердых тел, содержащей рабочий орган, выполненный в виде пильного полотна, имеющего n комплектов режущих зубьев, у которой согласно изобретению, каждый комплект зубьев пильного полотна включает четыре режущих зуба, каждый из которых имеет индивидуальный профиль, образованный ломаной линией, причем координаты конца ломаной линии, образующей профиль первого зуба, и начала ломаной линии, образующей профиль второго зуба, совпадают, а между вторым третьим, и третьим четвертым режущими зубьями образованы впадины, ширина которых определена координатами конца и начала образующих профиль зубьев ломаных линий, при этом каждый последующий комплект зубьев пильного полотна является отображением предыдущего комплекта.

Именно предлагаемая геометрическая форма выполнения режущих зубьев пильного полотна обеспечивает согласно способу, совпадение колебаний системы разрезаемого твердого тела с колебаниями, вызываемыми зубьями пильного полотна и тем самым достижение обеспечиваемого изобретением технического результата. Это позволяет сделать вывод о том, что заявляемые изобретения связаны между собой настолько, что образуют единый изобретательский замысел, и могут быть использованы лишь совместно.

Сравнение предлагаемого изобретения с другими известными из уровня техническими решениями позволило установить следующее: все известные способы резания (распила) твердых тел предусматривают необходимость остроты и твердости режущего инструмента, который в процессе эксплуатации изнашивается и требует периодической заточки для обеспечения качества резания. Известные режущие инструменты вызывают в обрабатываемых твердых телах колебания произвольной частоты, которые могут препятствовать процессу резания, причем вызываемые в теле колебания являются неуправляемыми и требуют дополнительных энергетических затрат.

В отличии от известных решений в предложенном техническом решении процесс резания твердого тела осуществляют при условии резонанса. От соударения поверхностей зубьев пильного полотна и обрабатываемого материала (древесины, пластических масс, металла, камня, кости и других) вызываются вынужденные колебания в разрезаемом твердом материале, совпадающие с собственной частотой твердого тела, в результате этого разрушаются связи молекул и происходит "распил" тела. Обеспечивая условие резонанса в период резания твердого тела заданной геометрией режущих зубьев пильного полотна, сокращаются затраты энергии на разрушение молекулярных связей частиц, вследствие чего механические усилия, прилагаемые на режущий инструмент уменьшаются и нет необходимости затачивать режущую кромку зубьев универсальной пилы.

Из уровня техники авторами не выявлены технические решения, включающие совокупность признаков, сходных или эквивалентных предлагаемым, что позволяет сделать вывод о соответствии предложения критериям "новизна" и "изобретательский уровень".

При проведении экспериментальных исследований распила различных твердых тел было обнаружено, что интенсивность резания и качество получаемого при этом среза возрастают, если в процессе резания возникает условие резонанса совпадение собственных колебаний с вынужденными колебаниями, вызываемыми в твердом теле зубьями режущего инструмента.

При движении режущего инструмента в твердом теле возникают колебания, описываемые системой кинетических уравнений.

Уравнения Лиувиля , , (1) где плотность частиц в фазовом пространстве скоростей и координат; постоянная Планка; Н оператор Гамильтона, (см. Крефт В.Д. и др. Квантовая статистика систем заряженных частиц. М. Мир. 1988, с. 50).

Цепочка уравнений Боголюбова-Борна-Грина [H_s, F_s]+nv_i,s, Fdd, (2) где гамильтониан системы взаимодействующих частиц; F_s коррелятивная функция s частиц (см. Крефт В.Л. и др. Квантовая статистика систем заряжения частиц. М. Мир. 1988 г. с. 50): Уравнение Навье-Стокча F_i + (3) где плотность жидкости или газа, см. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М. Наука; 1987 г. с. 369).

Выражение для обменного потенциала kTln()= - + d, (4) где k постоянная Больцмана; Т температура;
Z_i, заряд и координата i-го иона, (см. Тезисы докладов Всесоюзной школы-семинаpа. Современные проблемы механики жидкости и газа, август 1990 г. Иркутск, Алексеев Ю.С. Использование межмолекулярного потенциала в уравнениях неразрывности, с. 17).

Решение вышеприведенных кинетических уравнений описывает геометрический рисунок режущего инструмента, который является оптимальным. Решая систему кинетических уравнений, получают координаты 16-ти крайних точек а_i ломаных линий, образующих профили одного комплекта режущих зубьев пильного полотна, где i= 0, 1, 2, 15. Второй комплект зубьев и последующие получают путем отображения предыдущего комплекта. Часть зубьев пилы, исходя из решения уравнений (1-4), вызывают первоначальные колебания разрезаемого твердого тела, затем, как следует из решения уравнений (1-4), возникают новые колебания в теле.

Часть зубьев режущего инструмента пильного полотна вступает с возникаемыми колебаниями в твердом теле во взаимодействие, вызывая условие резонанса во время всего процесса резания, при котором разрушаются молекулярные связи и происходит "распил" материала.

Поскольку в процессе решения системы кинетических уравнений (1-4) получают бесконечный набор возможных геометрий режущего инструмента, то в наших силах выбрать универсальное семейство решений, которые бы позволяли разрушать молекулярные связи независимо от вида твердого тела. Причем, чем тверже тело, тем легче его разрушать. Также следует, что твердость режущего инструмента по крайней мере не должна уступать твердости разрезаемого тела.

При обеспечении условия резонанса во время процесса резания твердых тел сокращаются затраты энергии на разрушение молекулярных связей частиц, поэтому механические усилия, прилагаемые на режущий инструмент для разрезания твердого тела уменьшаются и нет необходимости затачивать режущую кромку зубьев режущего инструмента.

Предлагаемый способ резания твердых тел, например, древесины, пластических материалов, металла, камня, кости, осуществляется следующим образом.

Подлежащее распилу твердое тело фиксируют и воздействуют на него пилой, профиль режущих зубьев которой обеспечивает совпадение колебаний, вызываемых зубьями, с собственными колебаниями разрезаемого твердого тела. Под воздействием зубьев режущего инструмента происходит разрушение молекулярных связей твердого тела в условиях резонанса, в результате чего обеспечивается интенсивный распил тела с получением качественного среза.

На чертеже изображена часть пильного полотна пилы для осуществления способа с одним комплектом режущих зубьев.

Предлагаемая пила для резания твердых тел содержит рабочий орган, выполненный в виде пильного полотна 1, имеющего n комплектов режущих зубьев 2. Каждый комплект зубьев пильного полотна включает четыре режущих зуба, каждый из которых имеет индивидуальный профиль, образованный ломаной линией, при этом координаты а_i, y_i крайних точек ломаной линии представляют собой решения системы кинетических уравнений (1-4) для условия резонанса. В каждом комплекте зубьев координаты а₃, у₃конца ломаной линии, образующей профиль первого зуба, и начала ломаной линии, образующей профиль второго зуба, совпадают, а между вторым-третьим, и третьим четвертым режущими зубьями образованы впадины, ширина которых определена координатами конца и начала ломаных линий, образующих профиль соответствующих зубьев.

Каждый последующий комплект режущих зубьев пильного полотна является отображением предыдущего. Пильное полотно может быть как продольным, так и дисковым, цепным в зависимости от конкретного производства, предусматривающего резание твердых материалов.

Пильное полотно предлагаемой пилы может быть изготовлено традиционным способом изготовления зубьев известных пил с использованием шаблона. При этом твердость материала, из которого выполнено пильное полотно, должна превышать твердость разрезаемого твердого тела или по крайней мере не уступать последней.

Предлагаемая пила работает следующим образом.

При движении пильного полотна 1 (вращательном при диcковой и цепной пиле, возвратно-поcтупательном при ленточной) происходит соударение поверхностей кромок режущих зубьев 2 и обрабатываемого твердого тела, при этом в твердом теле возникают колебания, описываемые системой кинетических уравнений (1-4).

Последовательные удары режущих зубьев вызывают вынужденные продольные колебания в разрезаемом твердом теле, которые совпадают с собственной частотой твердого тела, что обеспечивается за счет профиля зубьев режущего инструмента. В результате чего достигается условие резонанса, при котором разрушаются связи молекул и происходит интенсивный распил твердого тела с получением качественного среза.

Резонансные колебания можно вызвать и в поперечном направлении относительно полотна пилы путем специального развода зубьев известных пил по схеме, эквивалентной предлагаемому профилю режущих зубьев (см. чертеж).

Предлагаемый способ резания был испытан на следующих твердых телах: древесине сосновой и лиственной породы, древесно-стружечной плите (ДСП), красном кирпиче, костях животных, металле (ст.4).

Режущий инструмент был изготовлен в двух вариантах: ручном в виде ножовки и станочном в виде дисковой пилы, при этом пильное полотно ножовки содержало 10 комплектов режущих зубьев, а пильное полотно дисковой пилы 25 комплектов зубьев. Профиль режущих зубьев был получен на основе решения системы кинетических уравнений (1-4). Координаты х, у крайних точек а_i профилей зубьев одного комплекта представлены в таблице.

Испытания показали улучшение качества обработки твердых тел, так в случае распила древесины сосновой и лиственной породы, древесно-стружечной плиты (ДСП), кирпича красного, металла (стали 4) срез получили более гладким, а в случае распила костей животных получили костную муку вместо осколков и крупных частиц, что сказывается на качестве мясного фарша. Предварительные испытания предлагаемой пилы показали уменьшение расхода энергии при распиловке за счет использования условия резонанса при обработке до 50% по сравнению с обычной пилой. Кроме того для пилы не требуется периодическая заточка зубьев, что позволяет снизить эксплуатационные и амортизационные расходы. Вследствие меньшего развода зубьев уменьшается расход материала для изготовления пильного полотна.

Таким образом, новый подход к условиям резания, заключающийся в разрушении молекулярных связей твердых тел при условии резонанса совпадении собственных колебаний разрезаемых твердых тел с колебаниями, вызываемыми режущими зубьями инструмента, позволил создать новый способ резания твердых тел (древесины различных пород, древесно-стружечных плит, кирпича, камня, металла, кости и других) и устройство для осуществления способа резания универсальную пилу, что улучшает качество резания, снижает затраты энергии до 50% увеличивает срок службы режущей части пилы, не требует периодической заточки инструмента, а режущая часть пильного полотна активна до полного истирания зубьев.

Формула изобретения

1. Способ резания твердых тел, заключающийся в разрушении молекулярных связей разрезаемого твердого тела под воздействием зубьев ружущего инструмента, отличающийся тем, что разрушение молекулярных связей осуществляют при совпадении собственных колебаний разрезаемого твердого тела с вынужденными колебаниями, вызываемыми в теле зубьями режущего инструмента.

2. Пила для резания твердых тел, содержащая рабочий орган в виде пильного полотна, имеющего n комплектов режущих зубьев, отличающаяся тем, что каждый комплект зубьев пильного полотна включает четыре режущих зуба, каждый из которых имеет индивидуальный профиль, образованный ломаной линией, причем конец ломаной линии, образующей профиль первого зуба, а начало ломаной линии, образующей профиль второго зуба, совпадают, а между вторым - третьим и третьим - четвертым режущим зубом образованы впадины, ширина которых определена координатами конца и начала ломаных линий, образующих профиль соответствующих режущих зубьев, при этом каждый последующий комплект зубьев пильного полотна является отображением предыдущего комплекта.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2