Xác định tỷ suất lực cắt khi cưa ngang tre luồng dendrocalamus membra naceus bằng cưa đĩa

Với những lí do trên, được sự đồng ý của Khoa Đào tạo sau Đại học, tôi thực hiện đề tài: "Xác định tỷ suất lực cắt khi cưa ngang tre luồng Dendrocalamus membra - naceus bằng cưa đĩa" nhằ

LỜI CẢM ƠN

Sau thời gian làm việc khẩn trương, nghiêm túc, đề tài của tôi đã hoàn thành Nhân đây cho phép tôi bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới tất cả mọi người

đã giúp đỡ tôi trong thời gian qua Xin cảm ơn:

Thầy giáo hướng dẫn khoa học TS Lê Tấn Quỳnh, ThS Phạm Văn Lý đã dành nhiều thời gian chỉ bảo tận tình và cung cấp nhiều tài liệu có giá trị

Tập thể cán bộ, giáo viên Khoa Sau đại học, Trung tâm thí nghiệm thực hành Khoa Cơ điện và Công trình trường Đại học Lâm nghiệp đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi thực hiện đề tài

Xin cảm ơn tới gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện đề tài

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc vì những giúp đỡ quý báu đó

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Những kết quả trong luận văn này được tính toán chính xác, trung thực và chưa có tác giả nào công bố

Những nội dung tham khảo, trích dẫn trong luận văn đều được chỉ dẫn nguồn gốc

Hà Nội, tháng 9 năm 2011

Tác giả

Đỗ Thị Hạnh

MỤC LỤC

Trang

Trang phụ bìa

Lời cảm ơn i

Mục lục ii

Tài liệu tham khảo iii

Phụ lục iii

Danh mục ký hiệu iv

Danh mục hình vẽ v

Danh mục các bảng vi

ĐẶT VẤN ĐỀ 1

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 3

1.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới 3

1.2 Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam 8

Chương 2 MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 10

2.1 Mục tiêu nghiên cứu 10

2.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 10

2.2.1 Khái quát chung về tre luồng (Dendrocalamus membra – naceus) 10

2.2.2 Phân loại, cấu tạo và một số thông số kỹ thuật của cưa đĩa 19

2.3 Nội dung nghiên cứu 23

2.4 Phương pháp nghiên cứu 23

Chương 3 CƠ SỞ LÝ LUẬN CỦA ĐỀ TÀI 25

3.1 Động học của quá trình cắt vật liệu cắt bằng cưa đĩa 25

3.2 Công suất và tỷ suất lực cắt khi cưa vật liệu cắt bằng cưa đĩa 36

3.2.1 Xác định công suất cắt 36

3.2.2 Xác định tỷ suất lực cắt 36

3.3 Những yếu tố ảnh hưởng đến tỷ suất lực cắt 37

3.3.1 Khái niệm về tỷ suất lực cắt 37

3.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến tỷ suất lực cắt 38

Chương 4 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 43

4.1 Xây dựng mô hình thí nghiệm 43

4.1.1 Các thiết bị thí nghiệm 43

4.1.2 Chuẩn bị mẫu thí nghiệm 46

4.2 Thu thập và xử lý số liệu 49

4.3 Kết quả nghiên cứu 50

4.3.1 Trường hợp đĩa cưa có bước răng tiêu chuẩn, răng cưa có gằn hợp kim cứng 50

4.3.2 Trường hợp đĩa cưa có răng cưa là răng cắt ngang 60

4.3.3 Hệ số điều chỉnh trong các điều kiện cắt thay đổi 70

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 75 TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

DANH MỤC KÝ HIỆU

Not: Công suất tiêu thụ điện khi không tải

Nt: Công suất tiêu thụ điện khi có tải

DANH MỤC HÌNH VẼ

2.1 Cấu tạo, nguyên lý hoạt động của máy cưa đĩa 21

3.2 Lực tác dụng lên mặt trước của cạnh cắt AB 27

DANH MỤC BẢNG BIỂU

2.1 Bảng xét ảnh hưởng của tuổi tre đến lực cắt 17

4.2 Tổng hợp các giá trị tỷ suất lực căt khi độ ẩm thay đổi 50 4.3 Bảng tính hệ số tương quan (r) giữa độ ẩm (W) và tỷ suất lực cắt

(Kh) và các tham số của phương trình hồi quy a và b

4.17 Tổng hợp các giá trị tỷ suất lực cắt khi góc cắt thay đổi 66 4.18 Bảng tính hệ số tương quan (r) giữa góc cắt δ (rad) và tỷ suất lực

cắt (Kn) và các tham số của phương trình hồi quy a và b

67

4.20 Tổng hợp các giá trị của awhcủa răng cưa cắt ngang 71 4.21 Tổng hợp các giá trị của ath của răng cưa cắt ngang 71 4.22 Tổng hợp các giá trị của a δhcủa răng cưa cắt ngang 71 4.23 Tổng hợp các giá trị của awn của răng cưa gắn hợp kim 72 4.24 Tổng hợp các giá trị của atn của răng cưa gắn hợp kim 73 4.25 Tổng hợp các giá trị của a δn của răng cưa gắn hợp kim 73

ĐẶT VẤN ĐỀ

Sau hai mươi năm thực hiện đường lối đổi mới, Việt Nam có sự thay đổi sâu sắc và toàn diện về mặt kinh tế và xã hội Cùng với sự tăng trưởng kinh tế nói chung, ngành lâm nghiệp cũng có những thay đổi cơ bản Tài nguyên rừng phong phú và đa dạng của Việt Nam sau một thời gian suy giảm đang được phục hồi Năm 2003 đạt tỷ lệ che phủ 36,1% diện tích lãnh thổ, trong đó rừng tự nhiên: 10.004.709 ha chiếm 82,7% và rừng trồng: 2.089.809 ha chiếm 17,3% Tổng trữ lượng gỗ là 782 triệu m3, trong đó rừng tự nhiên: 751,4 triệu m3 chiếm 96% và rừng trồng 30,6 triệu m3 chiếm 4% Diện tích rừng trồng hàng năm không ngừng tăng lên, từ năm 1999 đến nay tăng bình quân 69.000 ha/năm tương đương 0,9% độ che phủ toàn quốc Trong đó, có khoảng 8.400.766 nghìn cây tre nứa, hàng năm đưa vào khai thác khoảng 50.000 tấn (FAO 2003)

Trong các dây chuyền chế biến tre luồng việc cắt ngang tre luồng bằng cưa đĩa được sử dụng phổ biến Cưa đĩa là một trong những thiết bị chủ yếu trong dây chuyền sơ chế và chế biến gỗ Kể từ khi chiếc máy cưa đĩa đầu tiên trên thế giới được chế tạo vào cuối thể kỷ XV cho đến nay, đã có hàng triệu máy cưa đĩa ra đời với các cải tiến khác nhau và đang được sử dụng rộng rãi trong các xưởng sơ chế gỗ cũng như các xưởng chế biến gỗ với các quy mô khác nhau

Ở nước ta, đã có nhiều công trình nghiên cứu về cưa đĩa, nhưng chỉ tập trung vào việc khảo nghiệm, đánh giá hiệu quả kinh tế của cưa đĩa trong cắt gọt gỗ Cắt gọt gỗ đã được nhiều nhà khoa học nghiên cứu từ lâu và đã tương đối hoàn thiện, nhưng nghiên cứu cắt gọt tre còn nhiều hạn chế Cho đến nay, chưa có nhiều công trình nghiên cứu về cưa tre luồng bằng cưa đĩa

Tỷ suất lực cắt là yếu tố quan trọng trong quá trình cắt gọt, nó là cơ sở

để xác định lực cắt và công suất cắt Đây là một trong những yếu tố quan trọng góp phần để thiết kế và sử dụng cưa một cách hợp lý Vì vậy, những nghiên cứu về vấn đề này sẽ là cơ sở khoa học để chúng ta tính toán và thiết

kế, cũng như sử dụng công cụ một cách hợp lý nhất

Với những lí do trên, được sự đồng ý của Khoa Đào tạo sau Đại học,

tôi thực hiện đề tài: "Xác định tỷ suất lực cắt khi cưa ngang tre luồng (Dendrocalamus membra - naceus) bằng cưa đĩa" nhằm góp phần làm cơ sở

khoa học cho việc thiết kế cải tiến và lựa chọn chế độ làm việc hợp lý của cưa đĩa trong chế biến tre luồng

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Quá trình gia công cắt gọt tre luồng về nguyên lý có thể coi như giống với nguyên lý cắt gọt gỗ, vì tre luồng có cấu tạo bó mạch như trong gỗ Chúng chỉ khác nhau về tính chất cơ lý của vật liệu gia công Vì vậy, khi nghiên cứu

về gia công cắt gọt tre luồng có thể kế thừa và vận dụng những phương pháp

và kết quả nghiên cứu về gia công cắt gọt gỗ

Quá trình cưa gỗ là quá trình gia công gỗ bằng cơ học Cùng với sự phát triển của gia công gỗ bằng cơ học, lý thuyết cắt gọt gỗ đã ra đời và phát triển không ngừng Những người có công trong việc xây dựng và phát triển lý thuyết cắt gọt gỗ phải kể đến các bác học Xô Viết như giáo sư I.A Time, giáo

sư P.A Aphanaxiev, kĩ sư Denpher, giáo sư M.A Đêsevôi, giáo sư C.A.Voskrexenski, giáo sư A.L Bersatski, các nhà bác học Đức như H.Brune, G.Andrews, G.Kolman; Phần Lan như E.Kivima, Mỹ như B M Makenji Tổng hợp các công trình của các nhà khoa học nêu trên cho thấy rằng các nghiên cứu về cắt gọt gỗ đi theo ba hướng sau:

- Hướng thứ nhất: là dùng phương pháp toán cơ để phân tích, nghiên cứu các hiện tượng xảy ra trong quá trình cắt gọt gỗ Giải các bài toán thuận

và bài toán nghịch trong công nghệ gia công gỗ trên cơ sở này Đây là một hướng đi khá khó, đòi hỏi kiến thức rộng, nhiều lĩnh vực rộng, nhưng phù hợp với quá trình gia công gỗ

- Hướng nghiên cứu thứ hai: là xây dựng học thuyết cắt gọt trên cơ sở phân tích các giá trị của các hiện tượng lý hoá xảy ra trong quá trình và trên

cơ sở đó xây dựng các công thức thực nghiệm, áp dụng trong các bài toán thuận và nghịch Trong cắt gọt gỗ, hướng này đòi hỏi hệ thống thiết bị đo rất tinh vi, hiện đại và tốn kém, bởi vì trong cắt gọt gỗ tốc độ cắt thường rất cao

- Hướng thứ ba: là xây dựng lý thuyết cắt gọt gỗ bằng thực nghiệm, nói cách khác là trên cơ sở các số liệu thu được trong quá trình nghiên cứu, phân

tích các cơ sở dữ liệu thu được trong quá tình nghiên cứu, phân tích các hiện tượng xảy ra trong quá trình cắt gọt, dùng toán xác suất thống kê để xây dựng các công thức thực nghiệm, áp dụng trong việc giải các bài toán công nghệ và thiết kế Hướng này đơn giản, dễ tiến hành, song thụ động, nhất là trong gia công gỗ nhiều trường hợp phoi là thành phẩm, cần có cơ sở lý thuyết để giải quyết bài toán công nghệ của chúng

Mặc dù các nhà khoa học đi theo ba hướng khác nhau nhưng tất cả đều nhằm một mục đích là khám phá bức tranh trung thực nhất của quá trình cắt gọt gỗ, đưa ra những kết luận và công thức chính xác, phù hợp với qui luật khách quan nhất để phục vụ cho việc thực hiện tốt các bước công nghệ, thiết

kế máy và dao cắt trong việc cơ giới hoá và tự động hoá công nghệ gia công

gỗ

Lý thuyết cắt gọt gỗ đi sâu nghiên cứu lực phát sinh trong quá trình gia công gỗ bằng cơ học, công suất của thiết bị chi phí cho việc cắt Những đại lượng này cần thiết làm cơ sở cho việc lựa chọn hình dáng, tính toán kích thước, xác định các thông số kỹ thuật của các công cụ cắt trong việc thiết kế

và cải tiến dao cụ và máy gia công gỗ hoặc xác định các chế độ gia công hợp

lý trong sử dụng các thiết bị đã có nhằm nâng cao năng suất, giảm chi phí nhiên, nguyên vật liệu, giảm giá thành sản xuất của sản phẩm

Tỷ suất lực cắt là một thông số quan trọng, khi xác định được nó thì chúng ta xác định được lực cắt và công suất cắt Theo đó, tỷ suất lực cắt được

định nghĩa như sau: Tỷ suất lực cắt là lực cần thiết để biến một đơn vị diện tích gỗ thành phoi

Trong lý thuyết cắt gọt gỗ, để xác định công cắt người ta đưa ra khái

niệm tỷ suất công Đây là: Công cần thiết để biến một đơn vị thể tích gỗ thành phoi

Tỷ suất lực cắt và tỷ suất công cắt có quan hệ: bằng nhau về giá trị nhưng khác nhau về thứ nguyên

Năm 1870, tỷ suất lực cắt lần đầu tiên được giáo sư tiến sỹ I.A Time xác định cho các trường hợp cắt đơn giản bằng phương pháp thực nghiệm ở trong công trình "Sức bền của thép và gỗ khi cắt" và cũng trong công trình này ông đã chứng minh rằng lực cắt tỷ lệ thuận với tiết diện phoi được hình thành Giải thích được sự thay đổi kích thước của phoi khi cắt do biến dạng của gỗ

Năm 1886, trong cuốn sách "Công nghệ gia công gỗ bằng cơ học", giáo

sư P.A Aphanasev đã phân tích quá trình tạo phoi khi cắt gỗ, ông cho rằng áp lực lên mặt trước lưỡi cắt tuân theo biểu đồ ứng suất dạng tam giác và khác với kết luận trước đó của giáo sư I.A Time áp lực lên mặt trước tuân theo biểu đồ hình chữ nhật Lần đầu tiên vai trò của lực cản ma sát được tính đến trong quá trình cắt gọt

Năm 1894, trong cuốn sách "Công nghệ gia công gỗ bằng cơ học", giáo

sư K.A Zvorưkin bằng phương pháp lý thuyết đã xác định được công thức tính lực cắt với các nhân tố ảnh hưởng chính đến lực cắt, ông đã tiến hành 230 thí nghiệm để minh chứng cho kết luận rằng tỷ suất lực cắt là một đại lượng thay đổi và giảm so với sự tăng chiều dày lớp phoi tạo thành

Năm 1934, giáo sư M.A Desevoi đã tổng hợp và xây dựng hoàn chỉnh

lý thuyết cắt gọt gỗ Năm 1939, ông cho ra đời cuốn sách "Kỹ thuật gia công gỗ" Nó là một công trình lớn bao gồm các vấn đề về lý thuyết và những kinh nghiệm thực tế trong gia công gỗ mà trên thế giới lúc đó chưa có công trình nghiên cứu tương tự nào ra đời

Tỷ suất lực cắt khi cưa ngang và xẻ dọc gỗ bằng cưa đĩa đã được tiến sĩ A.L.Bersatski xác định bằng công thức thực nghiệm và tìm ra đồ thị phụ thuộc giữa bề rộng mạch cưa và lượng ăn gỗ của một răng cưa năm 1956

Tỷ suất lực cắt khi bóc gỗ bằng máy bóc dạng đĩa được N.C Drozđov nghiên cứu xác định bằng thực nghiệm năm 1958 phụ thuộc vào đường kính

gỗ

Tỷ suất lực cắt khi bóc gỗ bằng máy bóc gỗ dạng roto được I.V Vorobiev nghiên cứu xác định, kết quả nghiên cứu cho thấy rằng tỷ suất lực cắt phụ thuộc vào loại gỗ và chiều rộng đoạn vỏ được bóc

Tỷ suất lực cắt khi bóc vỏ gỗ theo nguyên lý phay dọc được M.N Ximonov xác định bằng thực nghiệm năm 1963

Tỷ suất lực cắt khi cưa ngang gỗ thông khô ở độ ẩm thăng bằng W=15% bằng cưa xích được bộ môn cơ giới hóa khai thác gỗ Học viện kỹ thuật Lâm nghiệp Leningrat nghiên cứu Kết quả cho thấy rằng tỷ suất lực cắt phụ thuộc vào lượng ăn dao, chiều rộng mạch cắt, độ ẩm của gỗ, độ sắc của cưa

Nghiên cứu quá trình cắt gỗ theo hướng kết hợp lý thuyết và thực nghiệm đã được các nhà khoa học Mỹ tiến hành như C.Fraz, với kết luận quan trọng về sự tạo phoi, các yếu tố ảnh hưởng tới lực cắt

Vào thập kỷ 70 của thế kỷ XX, lý thuyết cắt gọt gỗ ngày càng được hoàn chỉnh hơn với những công trình nghiên cứu mới về cắt gọt do giáo sư A.L Besatski, C.A Vơtcrexensiki, E.G Ivannopski đã thực hiện Lực phát sinh trong quá trình gia công gỗ bằng cơ học được nghiên cứu đầy đủ hơn và chính xác hơn Tỷ suất lực cắt khi cưa gỗ được xác định thông qua công thức

lý thuyết

Nguyên lý cấu tạo, tính năng công nghệ của máy chế biến gỗ nói chung của các máy cưa đĩa nói riêng đã được các giáo sư nổi tiếng F.M.Manjot, N.V.Makovski nghiên cứu sâu rộng

Nghiên cứu khả năng làm việc của các loại lưỡi cưa đĩa trên thế giới do các nhà khoa học thực hiện như N.M Stakhiev đã tạo lập cơ sở khoa học nâng cao chất lượng gia công và độ bền công cụ cắt

Ở một số nước công nghiệp phát triển, gia công gỗ bằng cơ học cũng

đã được nghiên cứu, tiêu biểu như các công trình nghiên cứu của các tác giả sau:

- Hjorth.H, Máy gia công gỗ Bruxen, 1937

- Kiviaa.E, Lực cắt gọt trong gia công gỗ Hesinki, 1950

- Barkas.WV, Nguyên lý gia công gỗ London, 1932

- Patronsky.LA, Những vấn đề về dao cắt Mỹ, 1953

- Norman.C.Franz, Phân tích quá trình cắt gỗ Mỹ, 1957

Norman.C.Franz sau khi nghiên cứu cắt thẳng dọc thớ ba loại gỗ Sugar pine (Pinus Lambertiana Dougl), Yelow birch (Betula alleghaniensis Britt), White as (Fraximus Americana L.) đặc trưng cho ba loại gỗ (gỗ lá kim vùng

ôn đới, gỗ lá rộng mạch phân tán và gỗ lá rộng mạch phân bố theo vòng năm) Tác giả đã nghiên cứu chúng với tổng cộng 378 điều kiện khác nhau, với 3 cấp độ ẩm (1,5%, 3,5% và độ ẩm bão hoà), 7 cấp chiều dày phoi (0,002; 0,005; 0,010; 0,015; 0,020; 0,025 và 0,030 inch), 6 góc cắt trước (50, 100, 150,

200, 250 và 300) Ông đã đưa ra một số kết luận quan trọng sau:

- Quá trình cắt gọt được đặc trưng bởi ba dạng cắt gọt cơ bản

- Các công cụ hình thành tương ứng với dạng phoi Do vậy, công cần thiết cho việc tách bỏ vật liệu phụ thuộc vào dạng hình thành phoi

- Quá trình hình thành phoi phụ thuộc vào đặc tính của gỗ và thông số hình học dao cắt

- Việc hình thành phoi độc lập với vận tốc cắt

- Góc trước và chiều dày vết cắt ảnh hưởng đến việc hình thành phoi

- Các lực ma sát phụ thuộc vào loại gỗ và độ ẩm của gỗ nhưng ít quan

hệ đến độ nhám bề mặt dao vì các vết mài song song với chiều chuyển động của phoi

- Giá trị của hệ số ma sát xem ra tương đối độc lập với góc trước và chiều dày phoi

Tuy nhiên, chúng ta chưa có nhiều những nghiên cứu chuyên sâu và những thông tin một cách hệ thống những nghiên cứu về cắt gọt gỗ ở những nước có nền công nghiệp phát triển

1.2 Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam

Do nhiều nguyên nhân khác nhau cho nên nghiên cứu cơ bản về gia công gỗ bằng cơ học ở nước ta chưa nhiều, mới chỉ có một số nghiên cứu của các tác giả: TS Hoàng Nguyên và Nguyễn Văn Minh, như "Gia công cắt gọt

gỗ Việt Nam"; Nguyễn Văn Minh 1956 "Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố đến lực và độ tù của răng khi xẻ gỗ Việt Nam bằng cưa sọc"; Các tác giả đã xác định tỷ suất lực cắt của một số loại gỗ Việt Nam, như Sến, Lim, Sau sau khi cắt ngang và gỗ Sến khi xẻ dọc Do đó, mà các công trình nghiên cứu vẫn còn hạn chế về số lượng cũng như về chất lượng

Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường năm 2010: "Xác định tỷ suất lực cắt khi cưa gỗ keo lá tràm (Acacia Auriculiformics Cunn) bằng cưa xích" của

ThS Phạm Văn Lý đã xác định được tỷ suất lực cắt khi cưa gỗ keo lá tràm bằng cưa xích, trên cơ sở đó xây dựng được phương trình dạng mũ để tính lực cắt và công suất cắt

Đề tài "Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố đến tỷ suất lực và chất lượng sản phẩm khi xẻ thanh cơ sở từ gỗ keo tai tượng (Acacia mangium) trên máy cưa đĩa - 6", 2007 của ThS Phạm Văn Quảng đã đánh giá được mức

độ ảnh hưởng của một số nhân tố đến tỷ suất lực cắt và chất lượng sản phẩm khi xẻ gỗ keo tai tượng

Đề tài "Xác định tỷ suất lực cắt khi xẻ gỗ Keo tai tượng (Acacia mangium) bằng cưa đĩa", 6/2011 của ThS Nguyễn Anh Tuấn đã xác định

được tỷ suất lực cắt khi xẻ gỗ keo tai tượng bằng cưa đĩa và đánh giá được mức độ ảnh hưởng của các yếu tố ảnh hưởng đến tỷ suất lực cắt khi xẻ gỗ Keo tai tượng

Nghiên cứu cắt gọt tre luồng ở nước ta còn rất hạn chế, tác giả Hoàng Nguyên trong công trình [14], [15] đã đưa ra công thức tổng quát tính lực cắt tre luồng ở ba dạng cắt cơ bản bằng lưỡi cắt đơn giản, nhưng trong công thức tác giả đã nêu còn một số hệ số chưa được đề cập như: các hệ số về thông số góc của lưỡi cắt, hệ số về tính chất cơ học của tre luồng, nên khi sử dụng công

thức này trong tính toán thiết kế công cụ cắt gọt tre còn chưa đủ độ tin cậy Trong thực tế quá trình cắt đều thực hiện ở dạng cắt phức tạp, nhưng các nghiên cứu về quá trình cắt phức tạp tre luồng bằng các dạng răng cắt tổ hợp lại chưa được đề cập

Nhận xét:

- Những nghiên cứu về tỷ suất lực cắt đã được các nhà khoa học trên thế giới nghiên cứu khá hoàn chỉnh và có hệ thống Song nghiên cứu vấn đề trên trong cắt gọt tre luồng hầu như chưa có Vì vậy, những nghiên cứu trên là những tài liệu khoa học giá trị để tham khảo, kế thừa trong quá trình nghiên cứu đề tài này

- Ở Việt Nam, nghiên cứu cắt gọt gỗ còn quá ít Vì vậy, muốn thiết kế, cải tiến và sử dụng hợp lý công cụ cắt gọt gỗ để phù hợp với các loại gỗ Việt Nam thì cần phải có những nghiên cứu cơ bản và hệ thống hơn Nhất là trong giai đoạn hiện nay, việc sử dụng lâm sản ngoài gỗ (đặc biệt là tre luồng) ngày càng phát triển, đòi hỏi cần phải có những công trình nghiên cứu về gia công cắt gọt lâm sản ngoài gỗ làm cơ sở khoa học cho việc thiết kế, chế tạo thiết bị

và lựa chọn chế độ công nghệ cắt ngang tre luồng bằng cưa đĩa

- Từ những phân tích trên cho thấy việc tiến hành nghiên cứu đề tài

“Xác định tỷ suất lực cắt khi cưa ngang tre luồng (Dendrocalamus membra - naceus) bằng cưa đĩa„ là có ý nghĩa thực tiễn và thực sự cần thiết

- Có thể vận dụng phương pháp và các kết quả nghiên cứu về gia công cắt gọt gỗ để tiến hành nghiên cứu về gia công cắt gọt tre luồng

Chương 2 MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI, NỘI DUNG

VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Mục tiêu nghiên cứu

Xác định tỷ suất lực cắt khi cưa ngang tre luồng (Dendrocalamus membra

- naceus) bằng cưa đĩa nhằm góp phần tạo cơ sở khoa học để thiết kế, chế tạo và

sử dụng cưa đĩa một cách hợp lý trong gia công cắt gọt tre luồng

2.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đề tài lựa chọn hai loại đĩa cưa đó là đĩa cưa có bước răng tiêu chuẩn, răng cưa là răng cắt ngang và răng cưa gắn hợp kim

- Đề tài chọn tre luồng có chu kỳ khai thác 4 năm tuổi làm đối tượng

nghiên cứu Tre luồng sử dụng trong nghiên cứu là luồng Dendrocalamus membra- naceus trồng tại Lương Sơn – Hoà Bình

2.2.1 Khái quát chung về tre luồng (Dendrocalamus membra – naceus) 2.2.1.1 Cấu tạo của tre luồng

Cũng như gỗ, tre luồng là một loại thực vật vì thế tính chất cơ, lý của

nó phụ thuộc rất lớn vào cấu tạo Do đó, ta cần nghiên cứu đặc điểm cấu tạo của nó

* Cấu tạo thô của tre luồng

Xét về cấu tạo thô tre luồng có thể chia ra làm ba bộ phận chính: thân ngầm, thân cây và cành lá

- Thân ngầm: Là phần sống dưới mặt đất, thường thân bò dài phát triển

thành mạng lưới hay có thể chỉ có mấy đốt ngắn ở gốc

Ở các đốt thân ngầm có rễ và chồi Chồi mọc lên thành cây tre hay thành thân ngầm mới

Cấu tạo của thân ngầm về cơ bản cũng giống như thân trên mặt đất Nhưng do chức năng và điều kiện sống của nó nên thân ngầm có những đặc

điểm nổi bật: ruột bé hay đặc hoàn toàn Trên thân ngầm có vòng mo, chồi Các bộ phận này thường có màu trắng ngà

- Thân cây: Thân thường tròn, ở đoạn gốc thân có hình bầu dục, có

nhiều lóng, độ dài của lóng từ gốc đến ngọn không giống nhau Nói chung lóng ở đoạn giữa thân dài hơn các đoạn lóng ở đoạn gốc và ngọn Trong ruột lóng rộng Phần tiếp giáp giữa các đốt là mắt

Mắt gồm các bộ phận: Một vòng thân nằm phía trên gọi là vòng rễ, vòng dưới là chỗ đính của mo nang gọi là vòng mo Giữa hai vòng mo là vòng đốt, bên trong ruột có màng ngăn cách giữa hai lòng

Tuỳ thuộc vào đặc tính mỗi loài mà màng ngăn thường phẳng, lồi lên hay lõm xuống, kín hoặc thủng lỗ, ở mỗi phía đốt có màng chồi thường gọi là mắt Chồi thân là nơi phát triển thành cánh

- Cành lá:

+ Cành có cấu tạo như thân: Cành phát triển từ chồi thân gọi là cành chính Cành ở giữa thường lớn hơn và dài hơn những cành bên Tuỳ theo đặc điểm của mỗi loài, chồi thân có từ (1-3) hoặc nhiều cành chính

+ Lá: Các loại cây trong họ phụ Bambuseue thường có hai loại lá: Một loại chuyên dùng làm nhiệm vụ bảo vệ thân non gọi là mo nang, một loại chuyên dùng làm nhiệm vụ quang hợp tạo nên chất hữu cơ nuôi cây gọi là lá quang hợp

+ Măng: Các đốt thân ngầm sinh chồi, nếu chồi phát triển thành cây mới, chồi đó gọi là măng

* Cấu tạo tinh của tre luồng

- Thân tre luồng do thành tre bao bọc Độ dày thành giảm dần theo độ cao thân cây Theo tuổi, bề dày thành tăng dần vào phía trong

- Thành tre luồng chia thành ba phần: Biểu bì, thịt và màng lụa

+ Biểu bì: Là lớp ngoài cùng, bề mặt trơn bóng, chứa nhiều diệp lục tố nên có màu xanh, khi cây già thường chuyển thành màu vàng Trên thân cây

có những bộ phận tiếp xúc nhiều với ánh sáng mặt trời Khi cường độ chiếu

sáng mạnh thì quá trình chuyển hoá từ màu xanh sang màu vàng cũng sớm hơn

Lớp biểu bì cứng, chắc và giòn Sự thay đổi màu xanh biểu bì cũng là yếu tố gián tiếp dự đoán tuổi tre luồng (non, bánh tẻ hay già)

+ Phần thịt tre luồng: Bao gồm nhiều bó mạch và tổ chức mô mềm Căn cứ vào kích thước, sự sắp xếp và mật độ bó mạch có thể chia thành hai phần:

Cật: Là phần tiếp xúc với biểu bì, các bó mạch nhỏ, nhiều, xếp sít nhau,

do đó cật tre cứng, chắc Đi sâu vào trong các bó mạch to, ít, xếp thưa dần

Ruột: Bó mạch rất lớn, gấp (2-3) lần kích thước bó mạch ở phần cật Hai phần libe và gỗ tách rời nhau ra, mật độ rất thưa, chủ yếu là mô mềm nên phần này xốp nhẹ

+ Màng lụa: Là lớp trong cùng, tiếp giáp với khoảng trống của lóng Màng lụa mỏng, màu trắng Bó mạch bao gồm hai phần: Libe và gỗ Libe ở ngoài, gỗ ở trong

Giữa libe và gỗ không có tầng phát sinh (mô phân sinh thứ cấp) Do đó tre luồng không lớn lên về đường kính

- Mỗi bó mạch gồm các thành phần:

+ Phần libe: có mạch rây và tế bào mô mềm, bao quanh phần này là sợi rất dày

+ Phần gỗ: gồm có mạch gỗ, quản bào, bao quanh là sợi

Sợi: Là những tế bào có kích thước bé nhất nhưng ruột gần như bịt kín hoàn toàn, vách rất dày và giữ chức năng cơ học của thân cây Xét về khía cạnh cắt gọt thì nó đóng vai trò rất lớn trong quá trình cắt

Các bó mạch nằm rải rác trên nền cơ bản là mô mềm Mạch, quản bào làm nhiệm vụ dẫn truyền nhựa nguyên Sợi làm nhiệm vụ chịu tải và đảm bảo

độ cứng vững của thân cây

- Mô mềm dự trữ dinh dưỡng

- Về tỷ lệ thể tích các loại tế bào: Tế bào mạch chiếm trung bình từ 5)% Tế bào sợi chiếm tỷ lệ từ (30-50)%, còn lại là các tế bào khác

(4 Về kích thước tế bào mạch: Tế bào mạch chiếm trung bình từ (700(4 800)µ, đường kính trung bình là 700µ Tế bào sợi: chiều dài trung bình là 2500µ, đường kính trung bình là 13µ

- Sự phân bố bó mạch trên mặt cắt ngang của thân cây và chiều cao cây

có tính quy luật Trên mặt cắt ngang của thành từ cật vào ruột: Kích thước bó mạch tăng dần, còn mật độ giảm dần Theo tài liệu nghiên cứu của I.K.Penski nếu chia mặt cắt ngang thành tre thành 4 phần bằng nhau và kể từ ruột ra cật thì số lượng bó mạch ở phần I chiếm 11% tổng số Phần II chiếm 54%

- Tế bào sợi là một phần của bó mạch, nó quyết định tính chất cơ học của tre luồng Theo kết quả nghiên cứu của X.I.Vanhin: Tỉ lệ tế bào một sợi phần giáp biểu bì lớn gấp 3 lần ở phần giáp màng lụa Vấn đề này có quan hệ đến tính chất của tre luồng

- Tính chất của tre luồng phụ thuộc vào số lượng bó mạch và tỉ lệ tế bào sợi Căn cứ vào cấu tạo thành phần tre luồng ở các vị trí khác nhau theo hướng từ ngoài vào trong có thể phân biệt được tính chất cơ lý của nó Theo tài liệu nghiên cứu của V.L.Avaghianhi: Ứng suất trượt dọc thở ở phần thành tre giáp biểu bì lớn hơn (4-4,5) lần ở phần thành tre giáp màng lụa

- Về phân bố bó mạch theo thân cây: Kích thước bó mạch giảm dần nhưng mật độ tăng lên, theo tài liệu của D.K.Antônop loại tre MOCO là mật

độ bó mạch ở ngọn lớn hơn 1,6 lần so với gốc, còn tre Magake là 2 lần Theo tài liệu nghiên cứu của Bộ môn Gỗ - Trường Đại học lâm nghiệp, loại tre gai (tre hoá, tre nhà) ở Chí Linh - Hải Dương ở độ cao 1,5m và 7,5m mật độ bó mạch là 284 - 296 bó/cm2

Sự phân bố này liên quan chặt chẽ đến tính chất cơ lý của nó theo độ cao

- Qua nghiên cứu về cấu tạo của tre luồng, so sánh với gỗ về một số chỉ tiêu về cấu tạo cho phép ta rút ra một số kết luận sau đây:

+ Các bó mạch của tre luồng nằm phân tán giữa vô số các tế bào mô nềm, chúng không xếp theo một trật tự nào cả Ngược lại đối với gỗ, các bó libe - gỗ sắp xếp thành vòng vây quanh tuỷ cây Sự khác biệt này dẫn đến việc cắt ngang đối với tre luồng là khó khăn hơn so với gỗ có cùng các điều kiện khác (độ ẩm, trọng lượng riêng)

+ Tre luồng không có tuỷ và tia gỗ, thân chia nhiều lóng và rỗng Giữa các lóng có màng chắn ngang Gỗ có tuỷ và tia gỗ, thân không chia đốt, Chính cấu tạo rỗng làm giảm tiết diện cắt rất lớn

+ Các bó mạch của tre luồng không có tầng phát sinh libe - gỗ nên thân cây không lớn lên theo đường kính (măng trưởng thành và cây già có đường kính ngoài như nhau) Đặc điểm này làm số lượng sợi tăng lên, thành sợi rất dày nên làm tính chất cơ lý của tre luồng tăng lên rất lớn

+ Tế bào của tre luồng hoàn toàn xếp song song với trục dọc của thân cây Chỉ có ở mắt mới có hiện tượng nghiêng như gỗ Vì vậy ứng suất kéo dọc thớ của tre luồng rất lớn Ngược lại tre luồng rất rễ bị chẻ (tách) Đặc điểm này là căn cứ để ta lựa chọn răng cắt của cưa đĩa phù hợp, đồng thời khi thí nghiệm chỉ cắt ở vị trí lóng mà không cắt ở vị trí mắt hoặc gần mắt

2.2.1.2 Một số tính chất chính của tre luồng có ảnh hưởng đến quá trình cắt gọt

* Tính chất lý học

- Độ ẩm của tre luồng có ảnh hưởng đến quá trình cắt gọt: Tăng hay

giảm độ ẩm của tre luồng dẫn đến thay đổi tính chất cơ học của tre luồng và tất nhiên các hiện tượng xảy ra trong quá trình cắt gọt cũng thay đổi theo Đồng thời độ ẩm lại có quan hệ với vị trí trên thành tre

- Nhiệt độ của tre luồng: Dưới tác dụng của nhiệt độ, tre luồng sẽ thay

đổi tính chất cơ lý nên trong quá trình cắt gọt nhiệt độ cũng thay đổi và ảnh hưởng đến quá trình cắt gọt Do đó, trong khi cắt gọt ta phải quan tâm đến vấn

đề phát nhiệt

* Tính chất cơ học của tre luồng

- Độ cứng vững và đàn hồi của tre luồng: Nói đến tính chất cơ học của

tre luồng là nói đến khả năng chống lại tác dụng của ngoại lực Trong đó đáng chú ý là độ cứng vững, độ bền vững theo kéo, nén, uốn, tách,… Tre luồng là hợp chất hữu cơ mang ba tính chất: Đàn hồi, dẻo, dai Vì vậy dưới tác dụng của ngoại lực, phôi sẽ bị biến dạng, song sau khi ngoại lực thôi tác dụng, phôi

có xu hướng trở lại trạng thái ban đầu Do tính chất không đồng nhất nên hiện tượng biến dạng không giống nhau theo các chiều thớ của tre luồng Đặc trưng cho tính chất của tre luồng có thể biểu diễn theo tỷ số:

ξ = ΔL/L (2.1) Trong đó:

ΔL - Lượng biến dạng (mm)

L - Kích thước ban đầu (mm)

ξ - Biến dạng tương đối

Do tre luồng có tính biến dạng, đàn hồi, dẻo cho nên sự phụ thuộc giữa ứng suất và biến dạng đàn hồi tương đối không hoàn toàn theo định luật Hook (σ = ξ.E, với E là mô đun đàn hồi N/m2), mà nhất định phải được biểu thị theo một công thức khác đi

- Ứng suất nén: Tre luồng có cấu tạo xốp, lúc bị nén có hiện tượng co

lại theo chiều tác dụng của lực nén, mặt khác theo chiều vuông góc với chiều của lực nén nó có xu hướng nở ra Nói chung, sức chịu nén dọc thớ khá lớn Theo chiều cao cây từ gốc đến ngọn, khả năng này tăng dần, ở mắt cao hơn ở lóng

- Ứng suất chịu kéo: Đây là ứng suất lớn nhất, ở các loài khác nhau, vị

trí khác nhau theo độ cao, cật và ruột cường độ sẽ khác nhau Từ gốc đến ngọn cường độ tăng dần

Cường độ chịu kéo theo vị trí từ cật đến ruột: Phần cật chịu kéo tốt hơn

và mật độ bó mạch cao hơn Còn cường độ chịu kéo thay đổi ít hơn

- Sức chịu trượt: Sức chịu trượt của tre luồng tương đối nhỏ Cường độ

chịu trượt dọc và ngang thớ ở phần mắt và phần lóng có sự khác nhau rõ rệt

Ở phần mắt lớn hơn ở phần lóng Trượt ngang thớ lớn hơn trượt dọc thớ khoảng ba lần (315.10 N/m2 và 121.105 N/m2) Trượt ngang thớ các bó mạch sản sinh nội lực, còn trượt dọc thớ thì nội lực lại do mô mềm sinh ra Trên thành tre phần cật có ứng suất lớn hơn phần ruột, ứng suất trượt dọc ở mắt khoảng 140.105 N/m2, ở lóng là 92.105 N/m2, ứng suất trượt dọc trung bình là 120.105 N/m2

* Thành phần hoá học

Thành phần hoá học của tre luồng phụ thuộc loại tre luồng, tuổi, nơi sinh, thời kỳ chặt hạ Theo tài liệu của Trung Quốc thì: Tỷ lệ SiO2 thay đổi từ (0,8 – 0,16)%, Xenlulo thay đổi từ (31,9 – 52,74)%, Linhin thay đổi từ (21,18 – 31,9)%, còn lại là các chất khác

Tỷ lệ SiO2 tuy chiếm ít (0.1 – 0.2)% nhưng có tác dụng quan trọng làm tăng độ cứng của tre luồng và ảnh hưởng đến quá trình cắt gọt

Các thành phần khác của tre luồng cũng ảnh hưởng đến tính chất cơ lý của tre luồng ở các mức độ khác nhau, do đó chúng sẽ ảnh hưởng đến quá trình cắt gọt ở các mức độ tương ứng

2.2.1.3 Ảnh hưởng của một số yếu tố đặc trưng của tre luồng đến cắt gọt

Theo phân tích ở trên thì mọi tính chất của tre luồng đều ảnh hưởng đến quá trình cắt gọt tre luồng, có tính chất ảnh hưởng nhiều, có tính chất ảnh hưởng ít Nhưng tính chất của tre luồng lại phụ thuộc vào các yếu tố đặc trưng của nó, do đó một cách gián tiếp thì các yếu tố đặc trưng của tre luồng ảnh hưởng đến quá trình cắt gọt

- Ảnh hưởng của vị trí phôi theo bề dày thành tre luồng: Cấu tạo của tre

luồng từ ngoài vào trong có nhiều điểm khác nhau như đã phân tích ở phần trên độ cứng lớn nhất ở biểu bì, giảm dần từ ngoài vào theo chiều xuyên tâm

- Ảnh hưởng của cấu tạo theo chiều cao thân cây: Tính chất cơ lý và số

bó duy quản của tre luồng tại các vị trí khác nhau trong thân cây không giống nhau như mục 2.2.1.1 đã phân tích, do đó cũng ảnh hưởng đến lực cắt gọt

- Ảnh hưởng của thời gian sinh trưởng của tre luồng: Chúng ta biết

rằng tính chất cơ lý của tre luồng thay đổi theo tuổi của nó Về độ cứng và ứng suất trượt, uốn, các yếu tố có liên quan đến quá trình biến dạng của phoi đều có xu hướng tăng lên, trừ cây non dưới một năm Các loại tre luồng sử dụng trong công nghiệp đều diễn biến theo quy luật như vậy Do đó lực cắt tăng dần khi tuổi tre luồng tăng lên Từ đó xác định được hệ số ảnh hưởng của tuổi tre luồng đến lực cắt (Bảng 2.1)

Bảng 2.1: Bảng xét ảnh hưởng của tuổi tre đến lực cắt

- Ảnh hưởng của chủng loại tre luồng đến lực cắt: Tre luồng có đến

500 chủng loại, cơ lý tính của chúng rất khác nhau, nghiên cứu cắt gọt cho tất

cả các loại đó là công việc khó thực hiện được Do đó trước mắt xét một số loại đặc trưng như tre, luồng, nứa, vầu, tre mai, trúc và xét hệ số ảnh hưởng cho các loại này (Bảng 2.2)

Bảng 2.2: Bảng hệ số kể đến loại tre luồng

nghiên cứu, mặt khác quan trọng hơn đó là thiết kế và sử dụng cưa đĩa một cách hợp lý như mục tiêu đề tài đã đề ra

2.2.1.4 Đặc tính sinh thái, đặc điểm sinh trưởng và phát triển của tre luồng

* Đặc điểm sinh thái

Tre luồng sinh trưởng và phát triển tốt nhất ở các vùng mưa mùa nhiệt đới, khí hậu nóng ẩm trong năm có hai mùa (mùa mưa, mùa khô) rõ rệt

- Nhiệt độ trung bình (8,8 – 36)0C

- Lượng mưa tối thiểu 1000 mm, chưa tìm được giới hạn tối đa nhưng

đã thấy cây cùng họ sống ở vùng có lượng mưa 65000/năm

- Độ ẩm tương đối trung bình 80%

- Độ cao tuyệt đối trung bình 2500 m Song vẫn thấy loài cùng họ mọc

tự nhiên ở độ cao 3000 m (Ấn Độ), 3600 m (Châu Mỹ La Tinh)

- Mọc được hầu hết ở các loại đất Song ít thấy mọc ở đầm lầy, không phân bố ở vùng ngập mặn, đất ngập nước, trên đất bạc màu, khô cằn tre luồng sinh trưởng phát triển kém

- Tổ thành: Có thể mọc thuần loài hoặc hỗn loài trong các rừng ẩm, thường xanh hoặc rụng lá theo mùa tại các miền nhiệt đới

* Đặc điểm sinh trưởng của tre luồng

Tre luồng sinh trưởng theo kiểu mọc cụm, phát triển theo hình ly tâm, cây già bên trong, cây non mọc sau bên ngoài Khoảng cách giữa các cây cạnh nhau khoảng (5 – 10) cm tuỳ theo từng bụi

Tre luồng sinh sản chủ yếu bằng vô tính, cũng có hoa, có quả Song chưa thấy cây tái sinh từ hạt Hiện tượng ra hoa kết quả chỉ có ở những khóm với chu kỳ (5 – 10) năm

Măng mọc tập trung vào các tháng (4 – 5), mùa thu và cuối thu ít măng Thông thường mỗi cây mẹ chỉ nuôi được một măng phát triển thành cây trưởng thành sau này

Thời gian từ lúc măng nhú khỏi mặt đất đến lúc định hình khoảng (40 – 55) ngày, thời gian cần thiết để cây định hình có biến động chút ít, theo thời

vụ ra măng và tình hình phát triển của rừng Măng mọc đầu vụ cần (5 – 10) ngày, nhiều hơn cuối vụ Cây ở rừng đã định hình (từ 6 tuổi trở lên) cần (10 – 42) ngày, nhiều hơn cây ở rừng vừa khép tán

Tre luồng phát triển mạnh nhất từ (1 – 2) tuổi, trong giai đoạn này thì tính chất cơ lý còn thay đổi lớn, khi đạt từ 4 tuổi trở lên thì tính chất cơ lý ít thay đổi

Những đặc điểm sinh trưởng trên đây là căn cứ quan trọng để nhà sản xuất chọn thời điểm, loại hình khai thác sao cho vừa đảm bảo chất lượng sản phẩm khai thác, vừa đảm bảo an toàn cho các cây non

2.2.2 Phân loại, cấu tạo và một số thông số kỹ thuật của cưa đĩa

2.2.2.1 Phân loại

Cưa đĩa được sử dụng rộng rãi trong chế biến lâm sản Theo nguyên lý làm việc chúng được chia thành ba nhóm: Cưa đĩa xẻ dọc, cưa đĩa cắt ngang, cưa đĩa cắt hỗn hợp Căn cứ vào các yếu tố khác nhau người ta phân loại cưa đĩa như sau:

* Cưa đĩa xẻ dọc;

+ Căn cứ vào phương pháp đẩy gỗ:

- Đẩy bằng thủ công áp dụng với cưa đĩa một lưỡi dùng trong các xưởng nhỏ

- Đẩy bằng cơ giới: Đẩy bằng xe goòng, đẩy bằng máy truyền xích, bằng hệ thống con lăn áp dụng với cưa đĩa nhiều lưỡi và trong các xưởng có công suất lớn

+ Căn cứ vào số lượng lưỡi lắp trên máy: Cưa đĩa một lưỡi và cưa đĩa nhiều lưỡi

+ Căn cứ vào tính chuyên dụng:

- Cưa đĩa xẻ tà vẹt

- Cưa đĩa xẻ bìa bắp

- Cưa đĩa xẻ nhỏ

- Cưa đĩa dùng dọc rìa

* Cưa đĩa cắt ngang;

+ Căn cứ vào số lượng lưỡi cưa lắp trên máy: Cưa đĩa một lưỡi và cưa đĩa nhiều lưỡi

+ Căn cứ vào phương pháp đẩy:

- Đẩy cưa vào gỗ

- Đẩy gỗ vào cưa (bằng xe goòng, máy truyền xích)

+ Căn cứ vào tính chuyên dụng:

- Cưa đĩa cắt khúc

- Cưa đĩa cắt đầu ván

- Cưa đĩa cắt thanh gỗ nhỏ

2.2.2.2 Cấu tạo chung

Hiện nay, rất nhiều xưởng chế biến gỗ sử dụng cưa đĩa để gia công sản phầm Để có thể vận dụng thiết kế thi công bộ thí nghiệm phù hợp, đề tài lựa chọn loại cưa đĩa có đặc điểm cấu tạo như sau:

Bộ phận động lực

Bộ phận động lực của cưa đĩa gồm một động cơ không đồng bộ 3 pha

có công suất là P=7KW Chuyển động quay của động cơ được truyền đến trục của đĩa cưa nhờ hệ thống truyền động puli dây đai Tùy theo yêu cầu về tốc

độ cắt mà chúng ta có các cặp puli dây đai tương ứng hoặc thay đổi đường kính đĩa cưa để tạo ra các tốc độ cắt khác nhau

Bộ phận công tác (bộ phận cắt vật liệu cắt)

Bộ phận công tác của cưa đĩa gồm có trục và đĩa cưa

- Trục cưa được làm bằng thép tốt, được lắp trên thân máy bằng 2 ổ bi Một đầu của trục được lắp với puli bị động, đầu còn lại được lắp với đĩa cưa

- Đĩa cưa là một bản thép mỏng, hình tròn ở mép ngoài được dập sẵn các răng cưa để tạo thành tổ hợp các cạnh cắt, ở tâm của đĩa có khoan lỗ để lắp vào trục một cách dễ dàng Đây là đối tượng mà đề tài tập trung nghiên cứu

Lưỡi cưa đĩa có nhiều loại khác nhau, để phân loại, chúng ta có thể căn

cứ vào: công dụng (cưa ngang, cưa dọc), dạng cắt tiết diện ngang bản cưa (phẳng, hình côn ), căn cứ vào dạng răng (răng phân bố đều, không đều )

Đề tài đã lựa chọn loại lưỡi cưa đĩa phẳng, cắt ngang

Hình 2.2 Dạng tiết diện ngang của lưỡi cưa

Hình 2.3: Dạng răng cưa cắt ngang

2.2.2.3 Một số thông số kỹ thuật của cưa đĩa

- Máy cưa đĩa có các thông số kỹ thuật cơ bản:

Bảng 2.3 Bảng thông số kỹ thuật của cưa đĩa

7 Đường kính lớn nhất của đĩa cưa, mm 500

8 Đường kính nhỏ nhất của đĩa cưa, mm 270

2.3 Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu cơ sở lý luận của đề tài để làm rõ cơ sở lý thuyết xác định các nhân tố ảnh hưởng đến tỷ suất lực cắt: Độ ẩm, tốc độ cắt

- Điều tra, khảo sát, tiến hành thực nghiệm để thu thập và xử lý số liệu

- Xây dựng hệ thống bảng biểu để lập phương trình của các nhân tố ảnh hưởng đến hàm mục tiêu là tỷ suất lực cắt

2.4 Phương pháp nghiên cứu

Các phương pháp nghiên cứu khoa học được chia ra:

Nghiên cứu lý thuyết và nghiên cứu thực nghiệm

Nghiên cứu lý thuyết có mục đích thiết lập một hệ thống quan điểm nào

đó thông qua việc đưa ra những quy luật mới; nghiên cứu lý thuyết thích hợp nhất khi nghiên cứu các đối tượng và hệ thống mà trong đó có thể phân chia rõ các hiện tượng và các quá trình có cùng bản chất vật lý

Mục đích của nghiên cứu thực nghiệm là tiếp nhận những sự kiện mới, kiến thức khoa học và số liệu khoa học thông qua tổ chức thực nghiệm bằng cách quan sát đối tượng của nhà nghiên cứu

Từ những phân tích ở trên cho thấy rằng nếu sử dụng phương pháp lý thuyết để xác định sự ảnh hưởng của tất cả các yếu tố thì phải nghiên cứu toàn diện mức độ ảnh hưởng và cơ chế tác động của từng yếu tố đến các chỉ tiêu quan tâm, như vậy thì khối lượng nghiên cứu sẽ rất lớn Chính vì vậy, để giảm bớt khối lượng công việc người ta thường lựa chọn phương pháp nghiên cứu thực nghiệm là phù hợp hơn cả Tuy nhiên, phương pháp nghiên cứu thực nghiệm trong đề tài này sử dụng không phải là thực nghiệm thuần tuý mà là sự kết hợp hài hoà giữa lý thuyết và thực nghiệm; lấy lý thuyết làm cơ sở, làm định hướng ban đầu hỗ trợ giảm bớt khối lượng công việc, rút ngắn thời gian nghiên cứu thực nghiệm

Chương 3

CƠ SỞ LÝ LUẬN CỦA ĐỀ TÀI 3.1 Động học của quá trình cắt vật liệu cắt bằng cưa đĩa

Ta ̣i phần răng cắt 13

Theo nguyên lý cắt go ̣t, cạnh cắt 13 (hình 2.3) thực hiện quá trình cắt ngang:

Hình 3.1 Lực tác dụng lên mũi cắt 13

+ Lực tác dụng lên mũi cắt thể hiện ở hình 3.1 Ta biết rằng mũi cưa có tác dụng phân tách phoi ra khỏi phôi theo ranh giới là mặt cắt, cạnh cắt không phải là một đường thẳng mà nó là một mặt cong có bán kính ρ Từ hình vẽ ta thấy cung bnc của mũi cắt chịu áp lực p như nhau, chia cung bc thành hai phần, bn nằm trên mặt cắt và nc nằm dưới mặt cắt (n là điểm nằm xa nhất của bán kính ρ) Trên cung nc lấy một góc vi phân dβ1, chúng ta có cung vi phân ρ.dβ1, tổng áp lực p.ρ.dβ1 Ở đây, chúng ta xét trên một đơn vị bề rộng của cạnh cắt B=1 Khi răng cưa chuyển động, dưới tác dụng của tổng áp lực ρ.dβ1, xuất hiện lực ma sát f.ρ.dβ1, (f là hệ số ma sát giữa vật liệu cắt và răng cưa, p

là ứng suất của vật liệu cắt), chiếu hai thành phần lực đó theo hai phương:

- Theo chiều ngang, theo phương tốc độ v:

dP1=p.ρ.cosβ1.dβ1+f.p.ρ.sinβ1.dβ1 (3.1)

- Theo phương vuông góc với phương vận tốc v:

dQ1=p.ρ.sinβ1.dβ1-f.p.ρ.cosβ1.dβ1 (3.2) Cũng làm tương tự với cung bn ta có:

dP2=p.ρ.cosβ2.dβ2+f.p.ρ.sinβ2.dβ2 (3.3)

dQ2=p.ρ.sinβ2.dβ2-f.p.ρ.cosβ2.dβ2 (3.4) Tổng hợp các thành phần lực trên theo hai chiều chúng ta được:

dPm=dP1+dP2=p.ρ.cosβ1.dβ1+f.p.ρ.sinβ1.dβ1+

p.ρ.cosβ2.dβ2+f.p.ρ.sinβ2.dβ2 (3.5)

dQm=dQ1+dQ2=p.ρ.sinβ1.dβ1-f.p.ρ.cosβ1.dβ1+

p.ρ.sinβ2.dβ2- f.p.ρ.cosβ2.dβ2 (3.6) Lực tác dụng lên mũi cắt theo hai chiều sẽ là tích phân của lực dPm và

dQm, trong đó đối với dP1 và dQ1 giới hạn từ 0o đến 90o+α, còn đối với dP2 và

dQ2 giới hạn từ 0o đến γ Sau khi tích phân và biến đổi toán học, chúng ta có lực Pm, Qm ở mũi cắt là:

Pm=p.ρ.B.[(cosα+sinγ)+f.(sinα-cosγ+2)]

Qm=p.ρ.B.[(sinα-cosγ+2)-f.(cosα-sinγ)] (3.7) Trong đó: p- Áp lực của vật liệu cắt lên ca ̣nh cắt bên;

ρ- Bán kính của mũi cắt;

B- Bề rộng mạch cắt;

α1- Gó c sau của ca ̣nh cắt bên;

γ1- Góc trước của ca ̣nh cắt bên;

f- Hệ số ma sát giữa thép và vật liệu cắt;

Từ công thức (3.7) ta thấy lực tác dụng lên mũi dao cắt phụ thuộc ứng suất vật liệu cắt, hệ số ma sát giữa vật liệu cắt và răng cưa, mà ứng suất của vật liệu cắt và f lại phụ thuộc vào loại vật liệu cắt, khuyết tật của vật liệu cắt,

độ ẩm Vì vậy, lực tác dụng lên mũi cắt cũng phụ thuộc vào các yếu tố đó Lực Pm và Qm phụ thuộc vào độ tù của ρ Độ tù ρ càng lớn thì lực tác dụng lên mũi cắt càng lớn Nếu độ tù ρ tiến tới 0 thì lực tác dụng lên mũi cắt sẽ triệt

tiêu

Hình 3.2 Lực tác dụng lên mặt trước của cạnh cắt 13

+ Lực tác dụng lên mặt trước cạnh cắt 13 thể hiện ở hình 3.2 Lực tác dụng lên mặt trước của dao cắt là một thành phần rất quan trọng, nó chiếm tỷ

lệ khá lớn trong tổng lực cản chuyển động của cưa và có tác dụng quyết định đến quá trình tạo phoi và đào thải phoi Các dao cụ gia công vật liệu cắt, tùy từng trường hợp mà mặt trước của dao cắt là mặt phẳng hay mặt cong Đặc trưng cho sự tiếp xúc giữa vật liệu cắt (phoi và mặt trước) với dao là áp lực và

độ nhẵn bề mặt ở mặt trước dao cụ thông qua hệ số ma sát f Để đảm bảo cho quá trình cắt gọt được dễ dàng, điều quan trọng là phải có góc cắt thích hợp Lực được hình thành theo hai giai đoạn

Giai đoạn một là khi dao mới bắt đầu tiếp xúc với vật liệu cắt cho đến lúc tạo ra lớp phoi đầu tiên Trong giai đoạn này lực ở mặt trước của dao lớn dần từ 0 đến một giá trị cố định nào đó, áp lực tác dụng lên mặt trước không đồng đều Tại điểm a có giá trị nhỏ nhất, vì tại đây áp suất chưa kịp tăng lên đến giá trị cố định Trên mặt cắt trước a1b1 của răng cưa chúng ta có tổng áp lực là N1, lực ma sát là F1 Chiếu chúng theo hai chiều: chiều chuyển động của cưa và vuông góc với chiều chuyển động của cưa Khi đó, chúng ta được lực cắt và lực đẩy phoi mặt trước của răng

Giai đoạn hai là khi dao đi được quãng đường x2, tương ứng với tổng lực tác dụng lên mặt trước không đổi, ứng suất σ cố định Trong giai đoạn này

áp lực trải đều Vì tại a đã đảm bảo thời gian tiếp xúc giữa vật liệu cắt và răng

đủ đạt đến giá trị áp suất cố định Ở đây, hai thành phần lực: Pt theo phương ngang, có tác dụng nén phoi, lực theo chiều đứng Qt theo phương đứng có xu hướng bẻ phoi và uốn phoi

Dạng tổng quát của lực tác dụng lên mặt trước của răng cưa:

Dựa vào lý thuyết nén vật liệu cắt, áp suất trên đoạn ab là cố định Vậy tổng áp lực ở mặt trước khi ứng suất đạt giá trị ổn định (xét trên một đơn vị

bề rộng của cạnh cắt B = 1) sẽ là:

 cos

x

Lực ma sát F=N.f=σc.f

 cos

x

(3.10) Chiếu lực đó theo phương v, ta được lực cắt ở mặt trước:

Pt=B.σc.x(1-f.tgδ)≈B.σc.h.tgδ.(tgδ+f) (3.11) Theo phương vuông góc với v:

Qt'=B.σc.x(1-f.tgδ)≈B.σc.h.tgδ(1-f.tgδ) (3.12)

Tỷ lệ giữa hai thành phần lực đó:

f tgδ

f.tgδ 1 P

Q t

' t





Trong đó: σc- Ứng suất chèn dập;

x- Quãng đường đi

Dưới tác dụng của lực Pt phoi bị nén Các phần tử vật chất vật liệu cắt của phoi có xu hướng phình ra các phía, vuông góc với chiều lực Pt, kết quả làm phoi bị nở ngang Vì vậy, theo chiều lực Qt', còn có một thành phần lực phụ, hệ quả quá trình nén của lực Pt, còn mặt dưới của phoi đã bị giới hạn Lực phụ đó là:

Thực tế Qt' và Qt" tác dụng đồng thời Vì vậy, lực Qt thực sẽ bằng tổng hợp của hai lực đó:

Qt=Qt'+Qt"= Pt.tgφo+μ.Pt (3.15) Vậy tỷ số giữa hai lực đứng và lực nằm ngang ở mặt trước lúc này sẽ là:

f tgδ

f.tgδ 1 P

+ Lực tác dụng lên mặt sau của cạnh cắt 13 thể hiện ở hình 3.3 và được xác định băng công thức:

1 1

1

ρ tgα

n cos ρ

tgα

n f.sin ρ tgα

n

Trong đó: m, n – Là các hê ̣ số liên hê ̣

Hình 3.3 Lực tác dụng lên mặt sau cạnh cắt 13

Ta ̣i phần lưỡi cắt ngắn 12

Trong quá trình cưa, răng cắt 12 thực hiện dạng cắt bên (tiếp tuyến, xuyên tâm)

+ Lực tác du ̣ng lên mũi dao dạng cắt bên thể hiện ở hình 3.1 và được xác định bằng công thức:

Pm2=B.p.ρ2.[(cos2+sin2)+f.(sin2-cos2+2)] (3.18) Trong đó:

p- Là áp lực của vật liệu cắt lên ca ̣nh cắt;

B- Bề rộng mạch cắt;

ρ2- Bán kính của mũi cắt;

2- Gó c sau của cạnh cắt;

2- Gó c trước của ca ̣nh cắt;

f- Hệ số ma sát giữa thép và vật liệu cắt

+ Lực tác dụng lên mặt trước cạnh cắt 12 thể hiện ở hình 3.2 và xác định bằng công thức:

Pt2=σc.B.h.tgδ2.(tgδ2+f) (3.19) Trong đó:

σc- Ứng suất chèn dâ ̣p;

δ2- Gó c cắt ca ̣nh cắt 12;

B - Bề dầy cạnh cắt 12;

h- Chiều dày mạch cắt;

f - Hệ số ma sát giữa mă ̣t trước với phoi

+ Lực tác dụng lên mặt sau của cạnh cắt 12 thể hiện ở hình 3.4 Lực tác dụng lên mặt sau của răng cưa Trong quá trình cắt gọt, mặt sau của răng cưa chịu áp lực Ps của lớp vật liệu cắt đàn hồi Dưới tác dụng của áp lực Ps sẽ gây

ra lực ma sát ở mặt sau Do cấu tạo của vật liệu cắt, mà các hiện tượng xảy ra trong các trường hợp cắt gọt khác nhau là không giống nhau Ở mặt sau, chúng ta chỉ xét trường hợp cắt dọc và cắt bên còn trường hợp cắt ngang thì chúng ta không xét

Lực tác dụng lên mặt sau của dao cắt khi cắt dọc và cắt bên

Hình 3.4: Lực tác dụng lên mặt sau dao cắt

Hình 3.4, trường hợp này, khi phoi đã được tạo thành, các phần tử vật liệu cắt ở dưới đường thẳng dnf bị nén xuống, từ vị trí cao nhất, tại điểm n cho đến vị trí thấp nhất tại điểm i, sau đó theo từng bước chuyển động của lưỡi cắt 12 mà các phần tử vật liệu cắt bị nén bắt đầu trỗi dậy và có xu hướng trở lại vị trí cũ Hiện tượng rõ nhất là lượng vật liệu cắt bị nén lớn nhất tại điểm i, càng về sau thì mức độ nén càng giảm dần Do tính đàn hồi của vật liệu cắt không tuyệt đối, cho nên các phần tử vật liệu cắt không hoàn toàn trở

về vị trí cũ, mà chỉ đạt đến mức nd Tuy vậy, lượng dư a ở trường hợp này không lớn lắm, thực tế có thể xem như mặt phẳng n'd trùng với mặt phẳng cắt dnf

Ở mặt sau, trong đoạn cd của dao cắt chịu áp lực không bằng nhau, vì lượng vật liệu cắt nén không giống nhau Giá trị nén lớn nhất tại điểm c, giá trị nhỏ nhất tại bằng 0 tại điểm d Từ đó ta có lực tác dụng lên mặt sau:

Lực tác dụng lên mặt sau của dao cắt:

Lấy một điểm m bất kỳ trên đoạn cd, theo định luật đàn hồi, chúng ta

có thể tính áp lực tại điểm m bằng công thức:

Tại điểm m có lượng đàn hồi là mK'=y Tại điểm c có lượng đàn hồi là

CC1, sơ đồ lực có dạng hình tam giác vuông Tổng áp lực lên mặt sau cd là diện tích của tam giác vuông có chiều cao là CC1 và cạnh còn lại là cd Ở đây, chúng ta xét trên một đơn vị bề rộng của cạnh cắt A = 1

2.sinα

α) sin (1 ρ

Từ hai công thức (3.24) và (3.25) chúng ta thấy lực tác dụng lên mặt sau của dao cắt phụ thuộc vào hệ số đàn hồi CH, mà hệ số đàn hồi CH phụ thuộc vào loại vật liệu cắt, độ ẩm, cấu tạo vật liệu cắt Vì vậy, Ps và Qs cũng phụ thuộc vào các yếu tố này Lực Ps và Qs phụ thuộc vào độ tù của ρ, với số

mũ bậc 2, phụ thuộc vào hệ số ma sát và góc α, điều đáng chú ý là lực tác dụng lên mặt sau của dao cắt không phụ thuộc vào chiều dày của phoi htb Trong trường hợp này, áp lực của phoi ở mặt sau có xu hướng nén các phần

tử vật liệu cắt ở mặt cắt, làm cho các vật chất vật liệu cắt sít lại với nhau Nếu ứng suất nén do ngoại lực gây ra, σn<[σn], áp lực đó làm cho bề mặt gia công

nhẵn hơn còn nếu trên giới hạn đó thì làm thớ vật liệu cắt bị nứt, xơ, từng phần tử bị nhăn hoặc bong lên, chất lượng gia công kém

+ Lực ma sát giữa vật liệu gia công và mặt sau của các con dao cắt có cạnh AB và BC (hình 3.4) được xác định bằng công thức sau:

2 1

1

1 2

1

2 2

2

2 2

) a

(3.27) Trong đó:

a1=θ.t2-y.ξH.h.χ(hr-2r) (3.28)

fg- Hệ số ma sát giữa phoi và thành bên;

P0- Áp lực ban đầu;

θ- Hê ̣ số chất tải của hầu cưa;

t- Bướ c răng cưa;

ξH- Hệ số co ngót của phoi theo chiều dầy;

h- Chiều dầy phoi;