RU2107615C1

RU2107615C1 - Method of thermodestructive wood cutting

Info

Publication number: RU2107615C1
Application number: RU96119411A
Authority: RU
Inventors: Исаак Маркович Френкель
Original assignee: Исаак Маркович Френкель
Priority date: 1996-09-20
Filing date: 1996-09-20
Publication date: 1998-03-27
Also published as: WO1998012029A1

Abstract

FIELD: cutting by a tool with cutting member heated by electric current. SUBSTANCE: in the process of wood cutting the values of tool forward force relative to wood are maintained within the preset deviations from the preset variation with the aid of an automatic control system with a closed feedback, in which variation of power of electric current heating the tool cutting member serves as control action. EFFECT: good quality of cut within a wide range of variation of forward force power in the process of cutting, including interruption of feed with subsequent continuation of cutting, enhanced safety for tool cutting member at maximum capacity limited by strength characteristics of tool cutting member. 2 cl, 4 dwg , 1 tbl

Description

Изобретение относится к термодеструкционным способам обработки древесины, осуществляемым инструментами с режущей частью, нагреваемой электрическим током. The invention relates to thermo-destruction methods of wood processing carried out by tools with a cutting part heated by electric current.

Известны способы резания древесины раскаленной проволокой, металлической лентой, перемещаемой в процессе резания возвратно- поступательно вдоль линии разреза древесины (а.с. СССР 142013, 142408, 827293, 885010) а также жестким инструментом с нагреваемыми режущими кромками (а.с. СССР 54632, 747720, 880731). Known methods of cutting wood with hot wire, metal tape, moved during the cutting process reciprocating along the cut line of the wood (A.S. USSR 142013, 142408, 827293, 885010) and also with a rigid tool with heated cutting edges (A.S. USSR 54632 747720, 880731).

Эти способы резания древесины используют явление ее термодеструкции, т. е. разрушение древесины при нагреве. Известно, что структура древесины начинает разрушаться при нагревании выше 150^oC. При этой температуре начинается размягчение целлюлозы и лигнина, двух основных компонентов древесины. При дальнейшем повышении температуры происходит плавление, а затем разложение этих компонентов в условиях недостатка кислорода (процесс пиролиза древесины), что как раз имеет место в известных способах. Разложение завершается улетучиванием газообразных компонентов и образованием угля в результате постепенного прогрева древесины до температуры приблизительно 300^oC. Древесный уголь является термостойким материалом, обладающим абразивными свойствами и низкой теплопроводностью, поэтому обугливание древесины является крайне нежелательным при ее резании нагретым инструментом, так как приводит к увеличению энергозатрат, замедлению процесса резания и повышенному износу инструмента. В случае использования в качестве режущей части инструмента тонкой проволоки продолжение резания при обугливании прилегающей к проволоке области древесины, как правило, вообще становится невозможным. С другой стороны, недостаточный прогрев древесины сопровождается повышением усилия резания, что приводит также к увеличенному износу режущей кромки, особенно в случае одновременного касательного перемещения режущей части в направлении режущей кромки.These methods of cutting wood use the phenomenon of its thermal degradation, i.e., the destruction of wood when heated. It is known that the structure of wood begins to collapse when heated above 150 ^o C. At this temperature, the softening of cellulose and lignin, the two main components of wood, begins. With a further increase in temperature, melting occurs and then decomposition of these components under conditions of oxygen deficiency (the process of wood pyrolysis), which just takes place in known methods. The decomposition ends with the volatilization of the gaseous components and the formation of coal as a result of the gradual heating of the wood to a temperature of approximately 300 ^o C. Charcoal is a heat-resistant material with abrasive properties and low thermal conductivity, therefore carbonization of wood is extremely undesirable when cutting with a heated tool, as it leads to an increase energy consumption, slowing down the cutting process and increased tool wear. In the case of using thin wire as the cutting part of the tool, continued cutting during carbonization of the wood region adjacent to the wire, as a rule, generally becomes impossible. On the other hand, insufficient heating of the wood is accompanied by an increase in cutting force, which also leads to increased wear of the cutting edge, especially in the case of simultaneous tangential movement of the cutting part in the direction of the cutting edge.

Из сказанного ясно, что для обеспечения высоких скоростей резания с малыми энергозатратами и продолжительным сроком службы инструмента определяющим является правильный выбор и поддержание значений параметров режима резания. В упомянутых выше способах принимаются некоторые меры для обеспечения термодеструкции в процессе меняющихся условий резания. В способе, реализованном в а.с. 827293, древесину режут проволокой нагреваемой электрическим током. Проволоку движут возвратно-поступательно вдоль линии разреза, причем электрический ток с помощью роликовых контактов, прижимаемых к разрезаемой заготовке, пропускают только через участок проволоки, внедренный в древесину. Напряжение, подаваемое на контакты, изменяют пропорционально длине участка проволоки, внедренной в древесину, что приблизительно эквивалентно поддержанию постоянства удельной мощности электрического тока, рассеиваемой на единице длины разреза при резании деревянных заготовок, имеющих переменный профиль. В этом и других упомянутых способах требуются дополнительные операции и меры предосторожности, направленные против перегрева режущей части инструмента, при введении в разрезаемую заготовку и на выходе из нее, так как для достижения устойчивого процесса термодеструкции древесины требуется такая мощность электрического тока, нагревающего режущую часть инструмента, которая вызывает заведомо недопустимый перегрев ее на воздухе. From the foregoing, it is clear that to ensure high cutting speeds with low energy consumption and a long tool life, the correct choice and maintenance of the values of the cutting mode parameters is decisive. The methods mentioned above take some measures to ensure thermal degradation during changing cutting conditions. In the method implemented in A.S. 827293, wood is cut with a wire heated by electric current. The wire is moved back and forth along the cutting line, and the electric current using the roller contacts pressed against the workpiece being cut is passed only through a section of wire embedded in the wood. The voltage applied to the contacts is changed in proportion to the length of the wire embedded in the wood, which is approximately equivalent to maintaining a constant electric power dissipated per unit length of the cut when cutting wooden blanks with a variable profile. This and other mentioned methods require additional operations and precautions against overheating of the cutting part of the tool when it is inserted into and exited from the workpiece, since in order to achieve a stable process of thermal degradation of wood, such an electric power is needed to heat the cutting part of the tool, which causes a deliberately unacceptable overheating of it in the air.

Наиболее близким к изобретению является способ резания древесины по патенту RU 2034698. В этом способе автоматически поддерживают в заданных пределах температуру режущей части инструмента. При этом установлено, что температуру режущей части инструмента следует поддерживать на определяемом путем пробных резок уровне, необходимом для локального разогрева контактирующих с ней слоев древесины до температуры 240 - 270^oC, соответствующей стабильному процессу термодеструкции.Closest to the invention is the method of cutting wood according to patent RU 2034698. In this method, the temperature of the cutting part of the tool is automatically maintained within predetermined limits. It was found that the temperature of the cutting part of the tool should be maintained at a level determined by trial cutting necessary for local heating of the wood layers in contact with it to a temperature of 240 - 270 ^o C, corresponding to a stable process of thermal decomposition.

Поддержание заданной температуры режущей части инструмента, контролируемой датчиком температуры, осуществляют с помощью системы автоматической стабилизации, в которой сравнивают величину сигнала от датчика температуры с устанавливаемым с помощью задатчика значением, соответствующим заданной температуре, и в зависимости от результата сравнения регулируют величину мощности электрического тока, нагревающего режущую часть инструмента, так чтобы температура режущей части инструмента находилась в заданных пределах. Этот способ исключает перегрев режущей части инструмента даже в случае обугливания прилегающих к ней слоев древесины и не требует дополнительных предосторожностей при вхождении режущей части инструмента в разрезаемую заготовку и выходе из нее. Maintaining the set temperature of the cutting part of the tool controlled by the temperature sensor is carried out using an automatic stabilization system in which the signal value from the temperature sensor is compared with the value set with the setpoint corresponding to the set temperature, and depending on the comparison result, the electric current heating power is controlled the cutting part of the tool, so that the temperature of the cutting part of the tool is within predetermined limits. This method eliminates overheating of the cutting part of the tool even in case of carbonization of the adjacent layers of wood and does not require additional precautions when entering the cutting part of the tool into the cut workpiece and leaving it.

Описанный способ резания древесины в принципе позволяет при правильном выборе усилия подачи инструмента достигать высокой производительности, однако в этом способе, как и в других известных, не определен порядок задания величины давления режущей части инструмента на древесину и связанного с ним интегрального параметра - усилия подачи, с которым осуществляется ее внедрение в заготовку. Как было установлено, температура нагрева слоев древесины, прилегающих к режущей части инструмента, зависит как от температуры режущей части инструмента так и от ее давления на древесину. Чем ниже давление, тем хуже осуществляется теплопередача, от режущей части инструмента, к слоям древесины, отстоящим от режущей части инструмента в направлении резания, и соответственно тем ниже скорость резания, при этом слои древесины, непосредственно прилегающие к режущей части инструмента, находятся с ней в более продолжительном тепловом контакте и, в результате подвергаются глубокому пиролизу, что ухудшает качество среза. При низких величинах давления режущей части инструмента на древесину резание происходит с низкой скоростью при значительных непроизводительных энергозатратах на нагрев режущей части инструмента. При еще меньших давлениях режущей части инструмента на древесину, а также при временных остановках инструмента будет происходить обугливание древесины, препятствующее дальнейшему резанию. Поэтому описанный способ малопригоден в случае ручной подачи инструмента, так как при этом трудно поддерживать заданное усилие подачи и избежать остановок инструмента в процессе резания. The described method of cutting wood allows, in principle, with the right choice of the tool feed force, to achieve high productivity, however, in this method, as in other known methods, the procedure for setting the pressure of the cutting part of the tool on the wood and the integral parameter associated with it - feed force, s which is its implementation in the procurement. It was found that the heating temperature of the layers of wood adjacent to the cutting part of the tool depends both on the temperature of the cutting part of the tool and on its pressure on the wood. The lower the pressure, the worse the heat transfer is from the cutting part of the tool to the layers of wood spaced from the cutting part of the tool in the cutting direction, and accordingly the lower the cutting speed, while the layers of wood directly adjacent to the cutting part of the tool are in longer thermal contact and, as a result, undergo deep pyrolysis, which affects the quality of the cut. At low pressure values of the cutting part of the tool on wood, cutting occurs at a low speed with significant unproductive energy consumption for heating the cutting part of the tool. At even lower pressures of the cutting part of the tool on the wood, as well as at temporary stops of the tool, carbonization of the wood will occur, which prevents further cutting. Therefore, the described method is of little use in the case of manual feed of the tool, since it is difficult to maintain a given feed force and to avoid tool stops during cutting.

Для эффективного применения этого способа дополнительно требуется подбор и поддержание в процессе резания допустимой величины усилия подачи. Возможно также применение способа в установках со стабильной либо программируемой скоростью резания. Однако при этом задаваемая скорость должна тщательно подбираться в зависимости от толщины, плотности влажности и неоднородности, например, сучковатости древесины. Для правильного выбора скорости резания требуются предварительные экспериментальные резки таких же по толщине образцов конкретного материала. For the effective application of this method, the selection and maintenance of the allowable feed force during the cutting process is additionally required. It is also possible to use the method in installations with a stable or programmable cutting speed. However, in this case, the set speed must be carefully selected depending on the thickness, moisture density and heterogeneity, for example, knotty wood. For the correct choice of cutting speed requires preliminary experimental cutting of the same thickness samples of a particular material.

Перечисленные недостатки затрудняют использование описанного способа в промышленном производстве. These disadvantages make it difficult to use the described method in industrial production.

В основу изобретения положена задача создать способ термодеструкционного резания древесины, который исключал бы непроизводительные энергозатраты и обеспечил хорошее качество среза в широком диапазоне изменений мощности усилия подачи в процессе резания, включающем прекращение подачи с последующим продолжением резания и, в частности, обеспечил бы безопасное для режущей части инструмента резание древесины с максимальной производительностью, ограничиваемой прочностными характеристиками режущей части инструмента. The basis of the invention is the creation of a method of thermal destruction cutting of wood, which would eliminate unproductive energy consumption and ensure good cut quality in a wide range of changes in the power of the feed force during the cutting process, including stopping the feed and then continuing with the cutting and, in particular, would ensure a safe part for the cutting part tool cutting wood with maximum productivity, limited by the strength characteristics of the cutting part of the tool.

Задача решается тем, что в способе термодеструкционного резания древесины, включающем нагрев режущей части инструмента электрическим током, подачу инструмента относительно древесины в направлении резания и поддержание величины параметра режима резания в заданных пределах с помощью системы автоматического регулирования с замкнутой обратной связью, в которой регулирующим воздействием служит изменение мощности электрического тока, нагревающего режущую часть инструмента, согласно изобретению в процессе резания поддерживают в заданных пределах величину усилия подачи инструмента относительно древесины. The problem is solved in that in a method of thermo-destruction cutting of wood, including heating the cutting part of the tool with electric current, feeding the tool relative to the wood in the cutting direction and maintaining the value of the cutting mode parameter within predetermined limits using an automatic control system with closed feedback, in which the regulatory action is the change in the power of the electric current heating the cutting part of the tool according to the invention during the cutting process is maintained at a predetermined x limits the amount of force with respect to the tool feed timber.

Определяющим в решении поставленной задачи является выбор величины усилия подачи инструмента в качестве регулируемого параметра в сочетании с использованием изменения мощности электрического тока, нагревающего режущую часть инструмента, (мощности нагрева режущей части инструмента) в качестве регулирующего воздействия в системе автоматического регулирования. При изменениях мощности усилия подачи инструмента возмущающее воздействие изменения усилия подачи инструмента компенсируется изменением мощности нагрева режущей части инструмента, приводящим к изменению скорости резания, пропорциональному приращению мощности усилия подачи. При этом усилие подачи инструмента сохраняет свое значение в пределах заданных ошибок регулирования, а температура режущей части инструмента изменяется соответственно изменению скорости резания. Изменение механического сопротивления процессу резания, например, при встрече с сучком, при задаваемой постоянной скорости резания сопровождается изменением в нужную сторону мощности нагрева режущей части инструмента. Изменение скорости подачи, также являющееся возмущающим воздействием, аналогичным образом вызывает изменение мощности нагрева режущей части. В большинстве случаев усилие подачи поддерживают на постоянном уровне, таком, чтобы обеспечить в процессе резания заданные пределы величины давления режущей части инструмента на древесину, за исключением случаев, когда требуется получение поверхности среза со специальными декоративными свойствами, например, тона поверхности, изменяющегося в направлении резания по заданному закону. Обнаружено, что, чем выше уровень, котором поддерживается величина давления режущей части инструмента на древесину, тем шире допустимые пределы для мощности усилия подачи, в которых выполняются условия стабильного протекания процесса термодеструкции древесины, обеспечивающего хорошее качество среза. Также было получено теоретически и подтверждено экспериментально, что в предлагаемом способе результирующая мощность нагрева режущей части инструмента в диапазоне от малых до максимальных значений, определяемых тепловой прочностью инструмента, пропорциональна мощности усилия подачи или как следствие скорости резания, а это означает, что в отличие от прототипа в предложенном способе сведены к минимуму непроизводительные затраты энергии, т.е. способ обеспечивает максимальную производительность в указанном диапазоне значений мощности нагрева режущей части инструмента. Кроме того, поддержание давления режущей части инструмента на древесину путем автоматического изменения мощности нагрева режущей части инструмента позволяет в процессе резания в произвольный момент прекращать подачу инструмента, а затем возобновлять резание, не опасаясь обугливания древесины в месте остановки, так как при прекращении подачи мощность нагрева режущей части инструмента автоматически падает до нуля, что сопровождается падением температуры режущей части инструмента, а после возобновления подачи усилие подачи также автоматически достигает заданного значения, не превышая его, что исключает опасность поломки инструмента. Таким образом, предложенный способ предоставляет полные возможности для использования ручной подачи инструмента. The determining factor in the solution of this problem is the choice of the magnitude of the feed force of the tool as an adjustable parameter in combination with the use of changes in the power of the electric current heating the cutting part of the tool (heating power of the cutting part of the tool) as a regulatory action in the automatic control system. With changes in the power of the tool feed force, the disturbing effect of the change in the tool feed force is compensated by a change in the heating power of the cutting part of the tool, leading to a change in cutting speed proportional to the increment in the power of the feed force. In this case, the feed force of the tool retains its value within the specified control errors, and the temperature of the cutting part of the tool changes according to the change in cutting speed. A change in mechanical resistance to the cutting process, for example, when meeting with a knot, at a given constant cutting speed is accompanied by a change in the desired direction of the heating power of the cutting part of the tool. A change in the feed rate, which is also a disturbing effect, likewise causes a change in the heating power of the cutting part. In most cases, the feed force is maintained at a constant level, such as to ensure that the cutting process sets the pressure limits of the cutting part of the tool on the wood, except when it is necessary to obtain a cutting surface with special decorative properties, for example, a surface tone that changes in the direction of cutting according to a given law. It was found that the higher the level that the pressure of the cutting part of the tool on the wood is maintained, the wider the allowable limits for the feed force, in which the conditions for the stable occurrence of the process of thermal degradation of wood, which ensures a good cut quality, are fulfilled. It was also theoretically obtained and experimentally confirmed that in the proposed method, the resulting heating power of the cutting part of the tool in the range from small to maximum values determined by the thermal strength of the tool is proportional to the power of the feed force or as a consequence of the cutting speed, which means that, unlike the prototype in the proposed method minimized unproductive energy costs, i.e. the method provides maximum productivity in the specified range of values of the heating power of the cutting part of the tool. In addition, maintaining the pressure of the cutting part of the tool on the wood by automatically changing the heating power of the cutting part of the tool allows the cutting process to stop feeding the tool at any time, and then resume cutting without fear of carbonization of the wood at the stopping point, since when the supply is cut off the heating power of the cutting part of the tool automatically drops to zero, which is accompanied by a drop in temperature of the cutting part of the tool, and after resuming the feed, the feed force is also auto mathematically reaches the set value without exceeding it, which eliminates the risk of tool breakage. Thus, the proposed method provides full opportunities for using manual feed tool.

Целесообразно подачу инструмента относительно древесины осуществлять с помощью механизма привода подачи с регулируемой мощностью усилия подачи и поддерживать в заданных пределах температуру режущей части инструмента с помощью системы автоматического регулирования с замкнутой обратной связью, в которой регулирующим воздействием служит изменение мощности усилия подачи. It is advisable to feed the tool relative to the wood using the feed drive mechanism with adjustable power of the feed force and maintain the temperature of the cutting part of the tool within the specified limits using an automatic control system with closed feedback, in which the change in the power of the feed force serves as the regulatory action.

Производительность резания в предложенном способе ограничивается механической прочностью режущей части инструмента, падающей с увеличением ее температуры. Поскольку скорость резания возрастает с увеличением как усилия подачи, так и температуры режущей части инструмента, то очевидно, что для каждого инструмента существует оптимальное сочетание предельно допустимых значений усилия подачи и температуры режущей части инструмента, при которых может быть достигнута максимальная скорость резания. Таким образом, для резания древесины в режиме максимальной производительности необходимо поддерживать как усилие подачи, так и температуру режущей части инструмента вблизи предельных значений, определяемых выбором конкретного инструмента. The cutting performance in the proposed method is limited by the mechanical strength of the cutting part of the tool, falling with increasing temperature. Since the cutting speed increases with increasing both the feed force and the temperature of the cutting part of the tool, it is obvious that for each tool there is an optimal combination of maximum allowable values of the feed force and temperature of the cutting part of the tool at which the maximum cutting speed can be achieved. Thus, for cutting wood at maximum productivity, it is necessary to maintain both the feed force and the temperature of the cutting part of the tool near the limit values determined by the choice of a particular tool.

Усилие подачи инструмента в предложенном способе поддерживают в заданных пределах, верхний из которых в этом случае совпадает с максимально допустимым для используемого инструмента значением, с помощью системы автоматического регулирования с замкнутой обратной связью, в которой регулирующим воздействием служит изменение мощности электрического тока, нагревающего режущую часть инструмента. Температуру режущей части инструмента поддерживают в заданных пределах, верхний из которых, совпадает с максимально допустимым для используемого инструмента при заданном усилии подачи значением, используя дополнительно еще одну систему автоматического регулирования с замкнутой обратной связью, в которой регулирующим воздействием служит изменение мощности усилия подачи. Для поддержания температуры режущей части инструмента мощность усилия подачи увеличивают при уменьшении температуры режущей части инструмента и уменьшают при увеличении температуры режущей части инструмента. При этом изменение мощности усилия подачи происходит за счет изменения скорости резания. Таким образом осуществляется безопасное для режущей части инструмента резание древесины с максимальной производительностью, ограничиваемой прочностными характеристиками режущей части инструмента. The feed force of the tool in the proposed method is maintained within specified limits, the upper of which in this case coincides with the maximum value acceptable for the tool used, using a closed-loop automatic control system in which the control action is a change in the power of the electric current heating the cutting part of the tool . The temperature of the cutting part of the tool is maintained within predetermined limits, the upper of which coincides with the maximum acceptable value for the tool used for a given feed force, using an additional automatic closed-loop control system, in which the control force is the change in the power of the feed force. To maintain the temperature of the cutting part of the tool, the power of the feed force is increased with decreasing temperature of the cutting part of the tool and reduced with increasing temperature of the cutting part of the tool. In this case, a change in the power of the feed force occurs due to a change in the cutting speed. In this way, wood cutting that is safe for the cutting part of the tool is carried out with maximum productivity limited by the strength characteristics of the cutting part of the tool.

Предложенный способ может быть использован при резании древесины ручным инструментом, а также с помощью автоматизированных комплексов, тем самым достигается возможность его разнообразных промышленных применений. The proposed method can be used when cutting wood with a hand tool, as well as using automated systems, thereby achieving the possibility of its various industrial applications.

На фиг. 1 изображена схема процесса термодеструкции древесины, происходящего под давлением внедряемой в нее нагретой режущей части инструмента; на фиг.2 - график обобщенной зависимости скорости резания от температуры режущей части инструмента при различных значениях ее давления на древесину; на фиг.3 - функциональная схема устройства с ручным приводом подачи инструмента и автоматическим регулированием усилия подачи; на фиг.4 - функциональная схема устройства с механическим приводом подачи заготовки и автоматическим регулированием усилия подачи и температуры режущей части инструмента. In FIG. 1 shows a diagram of the process of thermal degradation of wood occurring under the pressure of the heated cutting part of the tool introduced into it; figure 2 is a graph of a generalized dependence of the cutting speed on the temperature of the cutting part of the tool at various values of its pressure on the wood; figure 3 is a functional diagram of a device with a manual drive tool feed and automatic control of the feed force; figure 4 is a functional diagram of a device with a mechanical drive for feeding the workpiece and automatic control of the feed force and temperature of the cutting part of the tool.

Химические процессы, протекающие при нагреве древесины подробно освещены в литературе (Кислицын А.Н. Пиролиз древесины. -М.: Лесн. пром., 1990). Процессы, протекающие при термодеструкции древесины под давлением внедряемой в древесину режущей части инструмента, имеющей рабочую температуру около 800^oC, во многом схожи с процессами, протекающими в установках пиролиза древесины, но условия протекания их различны. При техническом пиролизе древесины применяется постепенный нагрев, при котором присутствующая в древесине вода полностью испаряется до начала термодеструкции. В отличие от этого при термодеструкционном резании (фиг.1) одновременно с размягчением компонентов древесины 1 происходит интенсивное испарение воды, присутствующей в ней, в том числе и в связанном виде. В обычных условиях древесина имеет влажность в пределах 40- 70%. При этом, в области теплового контакта с режущей частью инструмента (фиг.1) в виде проволоки 2 создается высокое давление пара. Перегретый водяной пар под давлением проникает по капиллярно-пористой структуре древесины 1 в близлежащую зону, значительно ускоряя передачу тепла в направлении резания. Этот процесс сопровождается разрушением стенок древесных капилляров. Одновременно в близлежащей к проволоке 2 зоне происходит плавление основных компонентов древесины, целлюлозы и лигнина и их частичное разложение, пиролиз, сопровождающиеся выделением газов. Глубина пиролиза в сильной степени зависит от продолжительности контакта расплава с нагретой проволокой 2 и тем меньше чем выше скорость резания. Это явление приводит к уменьшению затрат энергии на резание при увеличении скорости резания. Выделяющиеся газы и водяной пар образуют перед проволокой 2 упругую парогазовую подушку 3, предотвращающую при интенсивном процессе термодеструкции, непосредственный механический контакт древесины 1 с проволокой 2, что также тормозит процесс пиролиза. Расплав компонентов древесины выдавливается с боков от проволоки 2 назад по отношению к направлению подачи и застывает на поверхности разреза в виде прозрачной пленки 4, тем более темно-окрашенной, чем больше в ней примесь продуктов глубокого пиролиза древесины 1. Под пленкой находится слой 5 пластично деформированной древесины, не изменившей своей структуры и цвета. Интенсивность парообразования и давление пара увеличиваются с увеличением мощности нагрева режущей части инструмента. Это увеличение тем более значительно, чем выше давление режущей части инструмента на древесину, а возрастающий при этом перенос тепла паром в направлении резания приводит к снижению теплового сопротивления между режущей частью инструмента и древесиной и как следствие к незначительному росту температуры при увеличении мощности нагрева режущей части инструмента. Получено экспериментальное подтверждение описанных выше явлений, которые позволяют достигать высокой производительности способа при поддержании усилия подачи, определяющего давление режущей части инструмента на древесину вблизи максимально допустимого значения. Приведенные в таблице экспериментальные результаты подтверждают вывод о том, что наиболее выгодными в энергетическом отношении являются режимы резания с высокими скоростями, этим режимам соответствуют наименее окрашенные поверхностные пленки 4.Chemical processes that occur during heating of wood are described in detail in the literature (Kislitsyn AN Pyrolysis of wood. -M .: Lesn. Prom., 1990). The processes that occur during thermal decomposition of wood under the pressure of the cutting part of the tool introduced into the wood, which has an operating temperature of about 800 ^o C, are largely similar to the processes that occur in wood pyrolysis plants, but their flow conditions are different. During the technical pyrolysis of wood, gradual heating is used, in which the water present in the wood completely evaporates before thermal decomposition begins. In contrast, when thermodestruction cutting (Fig. 1), simultaneously with the softening of the components of wood 1, intense evaporation of the water present in it occurs, including in bound form. Under normal conditions, wood has a moisture content in the range of 40-70%. Moreover, in the area of thermal contact with the cutting part of the tool (figure 1) in the form of a wire 2 creates a high vapor pressure. Superheated water vapor under pressure penetrates the capillary-porous structure of wood 1 into a nearby zone, significantly accelerating the transfer of heat in the cutting direction. This process is accompanied by the destruction of the walls of wood capillaries. At the same time, in the zone 2 adjacent to the wire, the main components of wood, cellulose and lignin are melted and partially decompose, pyrolysis accompanied by gas evolution. The depth of pyrolysis to a large extent depends on the duration of the contact of the melt with the heated wire 2 and the smaller the higher the cutting speed. This phenomenon leads to a decrease in energy consumption for cutting with an increase in cutting speed. The evolved gases and water vapor form an elastic vapor-gas cushion 3 in front of wire 2, which prevents the mechanical contact of wood 1 with wire 2 during an intensive thermal decomposition process, which also inhibits the pyrolysis process. The melt of the wood components is squeezed out from the sides of the wire 2 backward relative to the feed direction and solidifies on the cut surface in the form of a transparent film 4, the more dark-colored, the more the admixture of products of deep pyrolysis of wood 1 is in it. Underneath the film is a layer 5 of plastic deformed wood that has not changed its structure and color. The vaporization rate and steam pressure increase with increasing heating power of the cutting part of the tool. This increase is all the more significant, the higher the pressure of the cutting part of the tool on the wood, and the increasing heat transfer by steam in the cutting direction leads to a decrease in thermal resistance between the cutting part of the tool and the wood and, as a result, a slight increase in temperature with an increase in the heating power of the cutting part of the tool . Experimental confirmation of the above phenomena is obtained, which allows to achieve high productivity of the method while maintaining the feed force, which determines the pressure of the cutting part of the tool on the wood near the maximum allowable value. The experimental results presented in the table confirm the conclusion that the cutting modes with high speeds are the most advantageous in the energy sense, the least colored surface films 4 correspond to these modes.

Результаты, приведенные в таблице, получены при использовании в качестве режущей части инструмента проволоки диаметром 0,15 мм. В графе 3 таблицы приведены значения удельной мощности нагрева проволоки на единицу длины, в графе 4 - удельный расход энергии на нагрев проволоки приходящейся на единицу площади разреза. The results shown in the table are obtained when using a wire with a diameter of 0.15 mm as the cutting part of the tool. Column 3 of the table shows the specific power of heating the wire per unit length, column 4 shows the specific energy consumption for heating the wire per unit area of the section.

На фиг.2 приведена зависимость скорости резания V от температуры режущей части инструмента t^o при трех различных значениях давления P режущей части инструмента на древесину, из которых минимальным является P1, а максимальным - P3. Диапазон достижимых значений скорости резания определяется прочностными характеристиками используемого инструмента, но зависимость от температуры и давления сохраняет свой характерный вид, хотя конкретные значения скорости резания до некоторой степени зависят от характеристик древесины (плотности, влажности и др.).Figure 2 shows the dependence of the cutting speed V on the temperature of the cutting part of the tool t ^o at three different values of pressure P of the cutting part of the tool on the wood, of which the minimum is P1, and the maximum is P3. The range of achievable values of the cutting speed is determined by the strength characteristics of the tool used, but the dependence on temperature and pressure retains its characteristic appearance, although the specific values of the cutting speed to some extent depend on the characteristics of the wood (density, humidity, etc.).

Пунктирной линией условно проведена граница области "обугленного среза" соответствующей точкам на графике, лежащим ниже пунктирной линии. Приведенная зависимость наглядно показывает преимущества предложенного способа перед известными в отношении промежуточных остановок инструмента в процессе резания. До тех пор пока мощности усилия подачи хватает для поддержания заданного (высокого) усилия подачи путем автоматического изменения мощности нагрева режущей части инструмента, даже при небольшой скорости резания рабочая точка режима резания будет находиться выше границы области, в которой происходит обугливание, а затем некомпенсируемое снижением мощности нагрева режущей части инструмента уменьшение усилия подачи и связанной с ним величины давления режущей части инструмента на древесину приведет к скачкообразному изменению до нуля одновременно мощности нагрева режущей части инструмента и скорости резания, при котором рабочая точка режима минует область обугливания. Знание зависимостей, изображенных на фиг.2, позволяет выбрать для работы оптимальную область совместных значений полного комплекса параметров, определяющих режим резания. The dashed line conditionally draws the boundary of the “charred cut” region corresponding to the points on the graph below the dashed line. The above dependence clearly shows the advantages of the proposed method over the known in relation to intermediate stops of the tool during cutting. As long as the power of the feed force is sufficient to maintain a given (high) feed force by automatically changing the heating power of the cutting part of the tool, even at a low cutting speed, the working point of the cutting mode will be above the boundary of the area in which carbonization occurs, and then uncompensated by a decrease in power heating of the cutting part of the tool, a decrease in the feed force and the associated pressure of the cutting part of the tool on the wood will lead to an abrupt change to zero one at the same time, the heating power of the cutting part of the tool and the cutting speed at which the operating point of the regime passes the carbonization area. Knowing the dependencies depicted in figure 2, allows you to choose the optimal range of joint values of the full range of parameters that determine the cutting mode.

Особенности предложенного способа термодеструкционного резания древесины могут быть наглядно продемонстрированы на примере использования в качестве режущей части инструмента проволоки, нагреваемой пропускаемым по ней электрическим током, поэтому реализация предложенного способа будет рассмотрена в основном на этом примере. При этом следует отметить, что предложенный способ не налагает ограничений на конкретное выполнение инструмента с режущей частью, нагреваемой электрическим током. В частности, могут быть использованы известные инструменты с режущей частью выполненной в виде металлической ленты, нагреваемой пропускаемым по ней электрическим током, а также любой из инструментов, описанных в патенте RU 2034698. The features of the proposed method of thermal destruction cutting of wood can be clearly demonstrated by the example of using a wire heated by an electric current passed through it as a cutting part of the tool, therefore, the implementation of the proposed method will be considered mainly on this example. It should be noted that the proposed method does not impose restrictions on the specific implementation of the tool with a cutting part heated by electric current. In particular, known tools with a cutting part made in the form of a metal strip heated by an electric current passing through it, as well as any of the tools described in patent RU 2034698 can be used.

На фиг.3 приведена функциональная схема устройства реализующего предложенный способ при ручной подаче инструмента. Устройство содержит раму 6, снабженную рукояткой 7. В раме 6 закреплена гибкая стойка 8 с установленным на ней тензодатчиком 9. На раме 6 и на свободном конце стойки 8 установлены электрически изолированные от них электрические зажимы 10, в которых закреплена проволока 11, имеющая электрический контакт с зажимами 10. Помимо этого на раме 6 смонтирован пружинный механизм, содержащий плоскую тарированную пружину 12, узел 13 регулировки усилия натяжения пружины 12 и тягу 14, соединяющую конец пружины 12 с гибкой стойкой 8. Пружинный механизм служит для создания регулируемого усилия натяжения проволоки 11, позволяющего задавать величину прогиба проволоки 11, возникающего под воздействием усилия подачи. Величина прогиба проволоки выбирается из условия компромисса между допустимой величиной усилия подачи и точностью обработки древесины; чем больше величина прогиба, тем ниже точность. Выходной сигнал тензодатчика 9, пропорциональный усилию, приложенному к проволоке 11, подается на один из входов блока 15 сравнения, на другой вход которого подается выходной сигнал задатчика 16 усилия подачи. Выход блока 15 сравнения соединен с блоком 17 формирования закона регулирования. Выходной сигнал блока 17 формирования закона регулирования поступает на вход усилителя 18 мощности, к выходу которого подключены электрические зажимы 10, образующие электрическую цепь, замкнутую через проволоку 11. При реализации предложенного способа могут быть применены различные законы регулирования, например закон пропорционального регулирования. Figure 3 shows a functional diagram of a device that implements the proposed method for manual feeding of the tool. The device comprises a frame 6 provided with a handle 7. A flexible rack 8 is mounted in the frame 6 with a strain gauge 9 installed on it. On the frame 6 and on the free end of the rack 8 there are installed electrical clamps 10 that are electrically isolated from them, in which a wire 11 having an electrical contact is fixed with clamps 10. In addition, a spring mechanism is mounted on the frame 6, comprising a flat calibrated spring 12, a node 13 for adjusting the tension force of the spring 12 and a rod 14 connecting the end of the spring 12 with a flexible stand 8. The spring mechanism serves to giving an adjustable tension force of the wire 11, which allows you to set the deflection of the wire 11 that occurs under the influence of the feed force. The amount of deflection of the wire is selected from the condition of a compromise between the allowable value of the feed force and the accuracy of the wood processing; the larger the deflection, the lower the accuracy. The output signal of the strain gauge 9, proportional to the force applied to the wire 11, is supplied to one of the inputs of the comparison unit 15, to the other input of which the output signal of the feed force setter 16 is supplied. The output of the comparison unit 15 is connected to the regulation law generating unit 17. The output signal of the block 17 of the formation of the regulation law is fed to the input of the power amplifier 18, the output of which is connected to the electric clamps 10, forming an electric circuit closed through a wire 11. When implementing the proposed method, various regulation laws can be applied, for example, the law of proportional regulation.

Согласно предложенному способу резание древесины выполняют следующим образом. С помощью задатчика 16 устанавливают выбранное для поддержания при резании значение усилия подачи и приводят проволоку 11 в механический контакт с заготовкой. До тех пор пока к проволоке 11 не прилагается усилие, напряжение на выходе усилителя 18 мощности равно нулю. При механическом контакте проволоки 11 с заготовкой возникает усилие подачи, изгибающее гибкую стойку 8, при котором от тензодатчика 9 пропорциональный этому усилию сигнал поступает на блок 15 сравнения, в котором сравнивается с сигналом от задатчика 16. Пропорциональный разности выходных сигналов тензодатчика 9 и задатчика 16 выходной сигнал блока 15 сравнения подается на блок 17 формирования закона регулирования. Выходной сигнал блока 17 формирования закона регулирования, воздействуя на вход усилителя 18 мощности, вызывает появление напряжения на электрических зажимах 10 и электрического тока через проволоку 11. Увеличение усилия подачи приводит к увеличению мощности нагрева режущей части инструмента, уменьшающему сопротивление резанию со стороны древесины, что в конечном счете приводит к такому изменению мощности на нагрев режущей части инструмента, при котором усилие подачи сохраняется постоянным и соответствующим сигналу задатчика 16. Для предотвращения перегрева проволоки 11, при недопустимой для инструмента мощности усилия подачи, в блоке 17 формирования закона регулирования может быть предусмотрено ограничение максимальной величины мощности нагрева режущей части инструмента, при достижении которой срабатывает сигнал оповещения оператора, например, звуковой, сигнализирующий о необходимости уменьшения мощности усилия подачи. According to the proposed method, wood cutting is performed as follows. Using the setter 16, the feed force selected for maintaining during cutting is set and wire 11 is brought into mechanical contact with the workpiece. Until a force is applied to the wire 11, the voltage at the output of the power amplifier 18 is zero. With the mechanical contact of the wire 11 with the workpiece, a feed force arises, bending the flexible stand 8, in which a signal proportional to this force is supplied from the strain gauge 9 to the comparison unit 15, in which it is compared with the signal from the setter 16. Proportional to the difference between the output signals of the load sensor 9 and the setter 16 output the signal of the comparison unit 15 is supplied to the regulation law generating unit 17. The output signal of the regulation law generating unit 17, acting on the input of the power amplifier 18, causes the voltage at the electric terminals 10 and the electric current through the wire 11. The supply force increases the heating power of the cutting part of the tool, which reduces the cutting resistance from the side of wood, which ultimately leads to such a change in the power for heating the cutting part of the tool, in which the feed force is kept constant and corresponds to the signal of the setter 16. For pre to prevent overheating of the wire 11, when the feed force is unacceptable for the tool, in the block of the formation of the regulation law, a restriction of the maximum heating power of the cutting part of the tool can be provided, upon reaching which an operator warning signal is triggered, for example, an audible signal that signals the need to reduce the power of the feed force .

В случаях, когда требуется обеспечить резание с максимальной производительностью, т.е. вблизи пределов прочностных характеристик режущей части инструмента, следует применять вариант осуществления способа с автоматическим регулированием усилия подачи и температуры режущей части инструмента. На фиг. 4 приведена функциональная схема устройства, реализующего такой вариант предложенного способа. Помимо системы автоматического регулирования усилия подачи устройство дополнительно содержит систему автоматического регулирования температуры, в которой в качестве управляющего воздействия используется изменение скорости подачи заготовки. Устройство содержит механизм подачи заготовки 19 с электродвигателем 20 с регулируемой скоростью вращения, вращающим приводной валик 21. Заготовка 19 удерживается от боковых перемещений валками 22, установленными с возможностью вращения, и обрабатывается с помощью инструмента 23 с установленным на нем термодатчиком 24, измеряющим температуру режущей части инструмента 23. Выход термодатчика 24 соединен с входом блока 25 сравнения, с другим входом которого соединен выход задатчика 26 температуры. Выход блока 25 сравнения соединен с входом регулятора 27. Выход регулятора 27 соединен с входом управления скоростью вращения вала электродвигателя 20. In cases where it is required to provide cutting with maximum productivity, i.e. near the limits of the strength characteristics of the cutting part of the tool, you should apply an embodiment of the method with automatic control of the feed force and temperature of the cutting part of the tool. In FIG. 4 shows a functional diagram of a device that implements such an embodiment of the proposed method. In addition to a system for automatically controlling the feed force, the device further comprises a system for automatically controlling the temperature, in which a change in the feed rate of the workpiece is used as a control action. The device comprises a feed mechanism for a workpiece 19 with an electric motor 20 with a variable rotation speed rotating the drive roller 21. The workpiece 19 is held from lateral movements by rollers 22 mounted for rotation, and is processed using a tool 23 with a temperature sensor 24 installed on it that measures the temperature of the cutting part tool 23. The output of the temperature sensor 24 is connected to the input of the comparison unit 25, with the other input of which the output of the temperature setter 26 is connected. The output of the comparison unit 25 is connected to the input of the controller 27. The output of the controller 27 is connected to the input of the speed control of the shaft of the electric motor 20.

Система автоматического регулирования температуры работает следующим образом. Сигнал с выхода термодатчика 24 поступает на блок 25 сравнения, формирующий выходной сигнал, пропорциональный разности сигналов от термодатчика 24 и задатчика 26. Выходной сигнал блока 25 сравнения поступает на вход регулятора 27, напряжение с выхода которого подается на вход управления скоростью вращения вала электродвигателя 20, соединенного с приводным роликом 21, приводящим в движение заготовку 19. Таким образом, при изменении температуры режущей части инструмента изменяется скорость подачи заготовки. Для поддержания температуры режущей части инструмента система автоматического регулирования обеспечивает увеличение скорости подачи при уменьшении температуры режущей части инструмента и ее снижение при увеличении температуры режущей части. The automatic temperature control system operates as follows. The signal from the output of the temperature sensor 24 is supplied to the comparison unit 25, generating an output signal proportional to the difference of the signals from the temperature sensor 24 and the setter 26. The output signal of the comparison unit 25 is fed to the input of the regulator 27, the voltage from the output of which is supplied to the input of the speed control of the shaft of the electric motor 20, connected to the drive roller 21, driving the workpiece 19. Thus, when the temperature of the cutting part of the tool changes, the feed speed of the workpiece. To maintain the temperature of the cutting part of the tool, the automatic control system provides an increase in the feed rate with decreasing temperature of the cutting part of the tool and its decrease with increasing temperature of the cutting part.

Выше приведенные конкретные примеры осуществления изобретения, допускающие различные изменения и дополнения, очевидны специалистам в данной области техники. Поэтому изобретение не ограничивается этими описанными примерами, и в него могут быть внесены изменения и дополнения, которые не выходят за пределы существа и объема изобретения, определенные формулой изобретения. The above specific examples of carrying out the invention, subject to various changes and additions, are obvious to specialists in this field of technology. Therefore, the invention is not limited to these described examples, and changes and additions may be made to it that do not go beyond the essence and scope of the invention defined by the claims.

Claims

1. The method of thermal destruction cutting of wood, including heating the cutting part of the tool with electric current, feeding the tool relative to the wood in the cutting direction and maintaining the value of the cutting mode parameter within the specified limits using an automatic control system with closed feedback, in which the change in the electric current power serves as the regulatory action heating the cutting part of the tool, characterized in that the parameter of the cutting mode supported during the cutting process in the back within these limits is the magnitude of the feed force of the tool relative to the wood in the cutting direction.

2. The method according to claim 1, characterized in that the supply of the tool relative to the wood is carried out using a feed drive mechanism with adjustable power feed forces and maintain within the specified limits the temperature of the cutting part of the tool using an automatic control system with closed feedback, in which the regulatory action serves as a change in the power of the feed force.