Введение к работе
Актуальность темы. Полное и рациональное использование древесины находится в ряду наиболее актуальных проблем развития лесного комплекса страны. Производство плит является одним из эффективных путей использования древесного сырья.
К числу древесных материалов на связке из синтетических смол добавились стружечные плиты на неорганической связке. Их происхождение начиналось с легких строительных плит из древесной шерсти на связке из гипса, магнезии или цемента. Начиная с 1974 года стружечные плиты на цементной основе (ЦСП) Изготавливаются во всем мире, обладают негорючестью и сопротивляемостью воспламенению; стойкостью к воздействию климатических факторов; средней биологической стойкостью; достаточной прочностью; хорошей звуко-и теплоизоляцией. Их недостатки - невысокое сопротивление ударным нагрузкам, большой объемный вес, труднообрабатываемость.
В России производство ЦСП начато в 1983 году на Костромском опытно-экспериментальном заводе мощностью 30 тыс. м3 плит в год и составило в 1990 году свыше 700 тыс. м3 плит, выпускаемых девятью заводами.
Особенности резания ЦСП определяются их свойствами, отличными от древесины и других плитных материалов на древесной основе: повышенной твердостью и плотностью, наличием цементного камня и низкой теплопроводностью. При резании ЦСП режущая кромка инструмента встречает частицы цельной древесины; частицы древесины, модифицированные химическими добавками; цементный камень; пустоты на границе раздела фаз и внутри цементного камня. Каждая из этих составляющих оказывает влияние на силы резания и изнашивание режущего инструмента. Показатели резания также зависят от сил адгезии между частицами и затвердевшим цементом. ЦСП имеет различную в двух направлениях и меньшую по сравнению с другими плитными материалами прочность при более высокой плотности.
Анализ результатов исследований сложных станочных процессов резания показал, что при проектировании оборудования и инструмента для обработки ЦСП резанием, выборе режима обработки должны учитываться особенности их строения и свойства.
Разработано несколько технологий и режимов производства плит, изучен ряд физико-механических свойств, однако отсутствует обобщающее системное исследование, оценивающее обрабатываемость ЦСП резанием. Многообразие способов обработки, факторов, оказывающих влияние на процесс резания, требует специального ис-
следования, которое позволит в полной мере использовать этот ценный материал и сформулировать основополагающие моменты теории резания класса композиционных древесных материалов, к которым относится ЦСП. В связи с этим тема диссертационной работы является актуальной.
Дель и задачи исследования. Исходя из анализа проблемы, особенностей обрабатываемого материала и области его применения цель настоящего исследования сформулирована следующим образом: на основании теоретических обобщений и экспериментальных исследований изучить процесс обрабатываемости ЦСП резанием, сформулировать основополагающие положения процесса резания плит как гетерофазного транстропного композиционного материала на древесной основе и разработать оптимальные условия обработки ЦСП пилением, фрезерованием, сверлением и шлифованием.
Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:
-
Разработать технологическую систему обработки резанием ЦСП.
-
Разработать оптимизационную модель обработки ЦСП резанием.
-
Исследовать структуру ЦСП с позиций влияния на процессы резания и изнашивания режущего инструмента.
-
Определить общие закономерности механизма резания ЦСП, силовые показатели резания и формы процесса стружкообразования.
-
Выявить закономерности изнашивания режущего инструмента из различных инструментальных материалов при обработке ЦСП.
-
Установить оптимальные режимы обработки и область рационального использования инструментов из различных материалов для пиления, фрезерования, сверления и шлифования ЦСП.
Научная новизна работы. Разработана технологическая система (ТС) обработки ЦСП резанием, позволяющая прогнозировать и управлять технологическим процессом обработки плит, состоящая из подсистем и элементов: заготовки, режущего инструмента, режимов обработки, технологического оборудования, операторов, средств контроля и измерения.
Разработана оптимизационная модель обработки ЦСП резанием, учитывающая вероятностный характер протекания процесса. Целевая функция модели реализует критерий минимума переменных затрат на обработку 1 п.м и, в отличие от используемых ранее, учитывает качество обработки, увязанное с вероятностью выполнения задания ТС. Оптимизационная модель позволяет определить оптимальные режимы обработки; оценить объем брака и выбрать метод его устра-
нения; решить задачу оптимизации при различных требованиях к качеству обработки; определить наилучшие параметры инструмента, выбрать инструментальный материал, периодичность и стратегию заточки.
Обобщены, проанализированы и систематизированы результаты исследований обработки резанием ЦСП, в том числе и те, в которых принял непосредственное участие автор, что позволило разработать теоретические основы и практические рекомендации по обрабатываемости резанием не только ЦСП, но и других композиционных древесных материалов этого класса.
На единой научной основе исследованы элементарное и сложное резание ЦСП, получены представления о взаимодействии резца со структурными элементами плит, установлены закономерности изменения сил, протекания процесса стружкообразования, формирования неровностей обработанной поверхности.
Выявлены физическая сущность процессов, происходящих на контактных площадках резцов, связанная с особенностями состава и строения ЦСП, закономерности изнашивания инструмента из различных материалов.
Практическая ценность и реализация работы. Разработанная оптимизационная модель реализована для пиления, фрезерования, шлифования и сверления ЦСП, в результате чего получены: оптимальные режимы резания в диапазоне заданных параметров и критериев точности обработки; рекомендации по выбору материала, геометрии, способа и периодичности заточки режущего инструмента.
Полученные данные внедрены на ряде деревообрабатывающих предприятий.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований в методическом отношении позволяют реализовать оптимизационную модель для любого вида обработки резанием древесных материалов. При этом необходимо установить зависимость геометрических характеристик срезаемого слоя, силовых и качественных показателей процесса резания, характеристик износа от исследуемых параметров.
Оптимизационная модель допускает увеличение числа показателей качества обработки и исследуемых параметров в случае необходимости уточнения решения.
Поскольку решение оптимизационных задач сложных процессов резания существующими методами при задаваемой достаточно высокой точности результата не требует значительного машинного времени, становится возможным проводить обширные исследования на разработанной модели.
Оптимизационная модель процесса резания допускает возмож-
ность учета вероятности безотказной работы элементов оборудования ТС.
Достоверность выводов и рекомендаций обеспечена: проведением комплексного системного анализа проблемы с применением теоретических и экспериментальных методов исследования;
применением современных методов математического анализа, статистики, планирования экспериментов, математического моделирования и проверкой адекватности полученных результатов; малой погрешностью опытных измерений, не превышающей 3..5% при уровне значимости 0,05.
На защиту выносятся следующие основные научные положения:
-
Теоретические основы процесса резания ЦСП, (и других плитных древесных композиционных материалов этого класса), которые включают закономерности изменения энергетических и качественных показателей прямолинейного (элементарного) и сложных процессов резания от параметров и условий обработки; общие представления о взаимодействии резца со структурными составляющими плиты; физическую сущность процессов, происходящих на контактных площадках резцов, связанных с особенностями строения и состава ЦСП; закономерности изнашивания инструмента из различных материалов.
-
Технологическая система обработки ЦСП резанием, позволяющая прогнозировать и управлять технологическим процессом обработки, метод оценки и управления стабильностью ее функционирования по критерию вероятности выполнения задания.
-
Оптимизационная модель обработки ЦСП резанием, учитывающая вероятностный характер протекания процесса и применимая для любого вида обработки резанием древесных материалов.
-
Определенные с помощью разработанной оптимизационной модели и экспериментальных исследований силовых и качественных характеристик процессов оптимальные режимы пиления, фрезерования, сверления и шлифования ЦСП.
-
Оптимальные геометрия, периоды стойкости и материал режущих элементов инструмента для пиления, фрезерования, сверления и шлифования ЦСП.
Апробация работы. Основные научные положения и результаты диссертации по этапам докладывались, обсуждались и были одобрены на ежегодных международных и межвузовских научно-технических конференциях ГАСБУ(МТИ) 1991...1997гг; II Международном симпозиуме "Строение, свойства и качество древесины" (М,МГУЛ, 1996г); Международной научно-технической конференции
"Композиционные материалы на основе древесины, их технология, структура, свойства и конструкции из них" (М, МГУ Л, 1997); Всероссийской научно-технической конференции "Теория, проектирование и методы расчета лесных и деревообрабатывающих машин" (М, МГУ Л, 1997);Научно-методическом совете по специальности 17.04 -"Машины и оборудование лесного комплекса"(М,1995...1997гг).
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в монографии "Обработка резанием цементностружечных плит" и 12 научных статьях. Результаты изложены в 2 отчетах по НИР.
Объем диссертации. Диссертация состоит из введения, девяти глав, общих выводов и рекомендаций, списка использованной литературы и приложений. Содержание работы изложено на 281 странице машинописного текста, содержит 78 таблиц и рисунков. Список литературы включает 80 наименований.