Освоение свойств дерева для точного ЧПУ-древеобработки

Фрезеровщики часто путают дерево с «легко обрабатываемым материалом» при ЧПУ-древеобработке из-за того, насколько материал мягче металла. В каком-то смысле это правда, так как вы можете программировать параметры резания дерева в ЧПУ-древеобработке с гораздо более высокими подачами по сравнению с большинством металлов. С другой стороны, однако, дерево имеет много уникальных свойств, которые нужно учитывать для оптимизации процесса резания для максимальной эффективности.

Получите максимум от ваших ЧПУ-древеобработки проектов со скоростями и подачами Harvey Tool

Типы дерева для ЧПУ-древеобработки

Существует 3 основные категории дерева для древеобработки: твердая порода, мягкая порода и инженерное дерево.

Твердая порода (Hardwood)

Учебное определение дерева твердой породы — это ангиосперма, более обычно называемая лиственным деревом. Несколько примеров: дуб, береза и клен. Эти типы деревьев часто используются для изготовления высококачественной мебели, настилов, напольных покрытий и строительных компонентов.

Мягкая порода (Softwood)

Мягкая порода — это хвойное дерево, иногда известное как гимносперма. Обычно они менее плотны, чем твердые породы, и поэтому ассоциируются с более легкой обработкой. Не позволяйте названию обмануть себя: некоторые мягкие породы тверже некоторых твердых пород. Таблицы скоростей и подач Harvey Tool для своего предложения материально-специфических фрез для дерева категоризированы по твердости Янки именно по этой причине. Твердость Янки — это модифицированная шкала твердости с тестом, специально разработанным для классификации типов дерева.

Мягкая порода используется для изготовления мебели, но также может использоваться для дверей, оконных рам и бумажных продуктов. Несколько примеров — сосна и кедр. Таблица 1 перечисляет 20 распространенных пород дерева с их твердостью Янки.

Общее название:	Твердость Янки (импер.):
Бальза	90
Бакей, желтый	350
Ива, черная	360
Сосна, сахарная	380
Тополь, восточный	430
Каштан, американский	540
Сосна, красная	560
Дугласиева пихта, внутренняя северная	600
Береза, серая	760
Ясень, черный	850
Кедр, восточный красный	900
Вишня, американская черная	950
Орех, черный	1010
Бук, американский	1300
Дуб, белый	1360
Клен, сахарный	1450
Яблоня	1730
Вишня, бразильская	2350
Олива	2700
Палисандр, индийский	3170

Инженерное дерево (Engineered Woods)

Инженерное дерево, или композитное дерево, — это любой тип древесного волокна, частицы или стружчатый материал, скрепленный клеем или связующим агентом. Хотя некоторые из этих материалов легче обрабатывать, чем цельное дерево, клей, скрепляющий материал вместе, может быть крайне абразивным. Это может вызвать преждевременный износ инструмента и создать трудности при ЧПУ-древеобработке. Важно отметить, что некоторые типы инженерного дерева труднее обрабатывать, чем другие, в частности те, что с большим количеством связующего материала. Эти типы следует программировать с менее агрессивными скоростями и подачами. Например, среднеплотная древесная плита (MDF) труднее обрабатывать, чем фанера, но намного легче, чем фенолпластик.

Свойства дерева

Размер зерна (Grain Size)

Технически дерево можно считать природным композитным материалом, так как оно состоит из прочных и гибких целлюлозных волокон, скрепленных более жесткой клеевидной матрицей, состоящей из лигнина и гемицеллюлозы. Если думать в терминах строительства, целлюлозные волокна — это стальная арматура, а бетон — лигнин и гемицеллюлоза. Дерево с крупными целлюлозными волокнами считается крупнозернистым (дуб и ясень). Деревья, имеющие более мелкие и менее волокна, считаются мелкозернистыми (сосна и клен). Мягкие породы склонны быть мелкозернистыми и поэтому стереотипно считаются легче обрабатываемыми, так как у них не так много прочных волокон для сдвига. Важно отметить, что не все деревья твердых пород крупнозернисты и не все деревья мягких пород мелкозернисты.

Влажность (Moisture Content - MC)

Влажность (MC) — одна из самых важных переменных для учета при обработке дерева. Крайне распространенная проблема при строительстве из дерева — его склонность к деформации. Переменчивость влажности в воздухе неизбежно влияет на влажность внутри дерева. Любое изменение влажности (будь то увеличение или уменьшение) нарушит форму заготовки. Именно поэтому нужно учитывать, какому типу влажности продукт будет подвергнут в своем конечном месте применения.

Равновесная влажность (Equilibrium Moisture Content - EMC)

Равновесная влажность (EMC) наступает, когда дерево достигло точки баланса в своей влажности. Значения внутренней EMC по США в среднем около 8%, внешние значения в среднем около 12%. Эти значения варьируются по стране из-за различий в температуре и влажности. Например, юго-восточные штаты имеют среднюю внутреннюю EMC 11%, в то время как юго-запад в среднем около 6% (исключая прибрежный регион). Важно учитывать, какой регион и применение встретит конечный продукт, чтобы дерево с правильной влажностью могло быть выбрано до обработки. Большинство пород ровнозернистого дерева изменят размер на 1% на каждые 4% изменения MC. Направление деформации зависит от ориентации зерна.

Как правило, потребность в мощности для операции растет с увеличением влажности, главным образом из-за скачка плотности. Плотность дерева увеличивается с ростом MC. Дополнительная мощность может быть необходима для выдавливания более тяжелой стружки из зоны резания при ЧПУ-древеобработке. Стоит отметить, что, как синтетические полимеры, дерево — вязкоэластичный материал, поглощающий энергию по мере увлажнения. Пропорциональный предел его механических свойств усиливается по мере увеличения MC.

При обработке некоторых типов дерева температура зоны резания возрастает с увеличением MC, но в других породах она снижается. Будьте осторожны и избегайте быстрого износа инструмента, уменьшая SFM при обработке дерева с влажностью выше 10%. Таблицы скоростей и подач Harvey Tool предлагают уменьшение на 30 за каждый процентный пункт MC. Как всегда, это зависит от типа обрабатываемого дерева и типа выполняемой операции.

Изменение температуры не единственная причина, почему более высокая влажность ассоциируется с быстрым износом инструмента. Влажность внутри дерева связана не только с водой, но также с смолами, сахарами, маслами, крахмалами, алкалоидами и таннинами, присутствующими в воде. Эти вещества особенно хорошо реагируют со высокоскоростной сталью, и в меньшей степени — с твердым сплавом.

Узлы и их влияние на ЧПУ-древеобработку

Узел — это часть ветви или ветки, ставшая включенной в ствол дерева. Влияние узлов на механические свойства дерева обусловлено прерыванием непрерывности и изменением направления древесных волокон, ассоциированных с ним. Эти свойства ниже в этой части дерева, потому что волокна вокруг узла искажены и ведут к концентрации напряжений. «Растрескивание» (трещины из-за усушки) часто возникает вокруг узлов при сушке. Твердость и прочность перпендикулярно волокнам — исключения из общего понижения механических свойств. Из-за этих двух исключений параметры обработки древесины должны снижаться при встрече с узловатой частью заготовки для избежания ударных нагрузок.