Разработка конструкций и технологий щитовых деталей мебели пониженной материалоемкости Богуш, Владмир Дмитриевич

Введение к работе

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕШ. Необходимость удовлетворения населения и организаций в изделиях мебели при ограниченных возможностях расширения сырьевой базы выдвигают на первый план проблему рационального использования материалов. В качестве основного конструкционного материала при производстве корпусной мебели используют древесностружечные плиты, которые берут как правило одинаковой толщины для всех деталей изделия, хотя размеры их разные и они воспринимают неодинаковые нагрузки.

Выбор оптимальных конструкций и размеров щитовых деталей является, такім образом, одним из важнейших направлений снижения материалоемкости мебели и представляет важное практическое значение.

Наряду с древесностружечными плитами, в производстве мебели используются и другие конструкционные материалы, в частности, стекло. Область применения стеклч »»ожот -быть расширена, если его облицевать пленками или строганы»» шпоном. Разработкой режимов облицовывания отекла ран. з не занимались и изучение данной проблем также представляет практическое значение.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ заключается в повышении рф^ективности производства щитовых деталей "ебели (основного конструктивного элемента издел-Ч) путем выбора их опти"альных размеров, применения эффективных материалов и технологии изготовления.

⁰ - дать енализ различных вариантов изготовления щитовых деталей "ебели и их относительную -экономическую эффективность;

- дать теоретическое и экспериментальное обоснование применимости в производство мебели древесностружечных плит различных толщин; , '

- разработать технологии облицошвания листового стекла различными облицовочными материалами и изучить свойства порученного материала;

~ - дать обоснование формоустойчивостп клееных 'кон^трук-' ций;

- разработать принципиальное устройство установки для облицовывания листовых материалов;

НА ЗАДМУ ШЮСЯТСЯ: ... „ ..

1. Результаты анализа применяемых вариантов изготовления щитовых деталей и их экономической эффективности.

2. Результаты теоретических исследова¹ чй: по обоснованию оптимальных толщин древесностружечных плит для изделий "ебели; по обоснованию 'эрмоустойчивости облицованного листового стекла. ....

3. Результаты экспериментальных исследований по разработке технологии облицовывания листового стекла и конструкция щитов на основе стекла и разработке установки для облицовыва-HHH_t по изучению ползучести щитовых элементов мебели.

4. Результаты внедрения разработок в производство.

НАУЧНАЯ ГОВІРНА работы заключается в обосновании выбора оптимальной толщины древесностружечных плит для производства мебели;

разработке технологии облицовывания листового стекла и расширении возможностей его применения в производстве "ебели

разработке оборудования для облицовывания хрупких материалов.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ работы заключается в том, _ЧТо результаты исследований послужили основой для освоения производства древесностружечных плит толщиной 12 мм, внедрения вконо"ичных конструкций и технологии изготовления щитовых де талей в производстве мебели. По результатам работ получено 3 авторских свидетельства.

РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ. Освоено производство »ебет с использование" древесностружечных плит толщиной 15 мм. Освоено изготовление ПЛИ"* толщиной 12 ММ.

Изготовляла опытная установка для облицовывания листов го стекла и изготавливаются опытные изделия с применением такого стекла.

АПРОБАЦИЯ РАВОТИ. Работа одобрена на расширенном заседании кафедры технологии деревообрабатывающих производсчіз Белорусского технологического института :г".СМ.Кирова.

Основные результаты доложены и обсуждены на научно-технических конференциях БТИ им,С;М.Кирова (1987...1993 гг.), на республиканской научно-технической конференции (г.Минск, 1989 г.), изложены в отчетах кафедры технологии деревообрабатывающих производств по НИР (гос.регистрация Р 01860012003).

ПУБЛИКАЦИИ. По результатам выполненных исследований опубликовано 12 печатных работ, в том числе монография, получено 3 авторских свидетельства, представлен нау- >лтЯ отчет по теме.

Щитобыэ детали в изделиях »»ебети являются основными конструкционны-'И элементами, а на их долга приходится большая часть "атериалов. Поэтов создание рациональных конструкций и технологии изготовления щитовых деталей имеет большое значение с конструкіивной, технологической, экономической и других точек зрения.

Конструкции щитовых деталей используются разные [i] . Наиболее широкое распространение получили щиил из древесностружечной плиты, облицованные древесин" шпоном (в первую очередь строганым), пленками на основе бумаг, пропитанных синтетический с"0ла"П и ре:ке - другими облицовочными мате» риалами (искусственными кожами, поливинилл.лориг,ны"и пленками, пергаментными бу»ага"и). Изготовление таких щитов наиболее технологично, лороио поддается автоматизации.

Для изготовления добро"тной мебели, особенно на экспорт, используют щитобыэ детали, полученные из массивной древеси-т. Но изготовление таких деталей ярзбует большого расхода качественной древесины и более трудоемко по сравнению со щитами из -древесностружечных плит. Еолез рациональными являются рамочные конструкции щитов. Филенки, вставленные в рамки таких щитов, ног'/т быть малых сечений. В их -ачестве _s мргут использоваться стекло, облишванлыэ древесноволокнистые п:. .ты, тонкие древесностружечнь'э плиты, фаіира и др.

Рациональными конструкции! с точки зрения материалоемкости являются п-^стотолые щиты, при изготовлении которых в качестве л

- Ь -

плитных материалов, пластмассы и бумага. Такие щиты больше применятся в строительстве, а в мебельном производстве их использование ограничено из-за слабой механизации процесса изготовления. За рубежом щиты с сотовы" заполнение" используются достаточ.,0 mvpoKO.

Различные зле"ентн "ебели "огут изготавливаться из стружечно-клеевой композиции "етодо" прессования. За рубеже» применяют технологию изготовления "ебели для сидения из стружечно-клеевой >»ассы а сочетании с мягкими элементами. Крепежные детали закладываются в сесь перед формованием детали. Из стран СНГ изготовление щитовых и брусковых деталей для ««ебели из стружечно-клеевой "ассы наибольшее распространение получило на Украине.

Снижение материалоемкости наиболее распространенных видов щитов, т.е. из облицованных древесностружечных плит, осуществлялось в основно" за счет уменьшения толщины плит [ I] . Значительная экономия была .достигнута при переходе с толщины 19 мм на толщину 16 "» (1976-1980-е гг.), зате* с 16 на 15 «ч. Кроме того, возможно изготовление щита и из плит двух толщин, напри"ер, 15 и 10 «». За рубежо" ассортимент выпускаемых древесностружечных плит по толщина" большой (6, 8, 10, Т< мм и др.) и в производстве "ебели они находят применение для изготовления различных деталей "алых размеров или "алонагруженных. ВІШИМом совместно с ВНІЮ "Союэнаучплитпром" разработаны рекомендации по соединениям щитов различной толщины. Показано, что при испог зовании плит толщиной 14 "м "ожет использоваться существующая фурнитура, а при меньшей толщине плит необходима специальная. Однана в этих рекомендациях не указывается, как вкбирать толщину плит в зависимости от габаоитов изделия и раз"еров деталей, а также (что особенно важно) от величины эксплуатационных нагрузок.

Оцни" из перспективных г.уте? снижения материалоемкості' при производстве "ебели является использование стекло-зеркальных элементов. Применение 1000 vr таких элементов дает уменьшение расхода круглого леса в объеме при"ерно GO м³. Ito кро"в общепринятой области применения стекол (полки и стеклянные двери) они "огут иметь и нетрадиционное использ вание: в качеств пцітовкх зле«'ентов (после облицовывания)

или для изготовления полностью стеклянных изделий. Например, из листов стекла "огут собираться различные варианты выставочных или аптечных шкафов (последние приобретаются по импорту) [I] .

Определение оптимальных толщин щитовых деталей из облицованных древесностружечных плит, а также всестороннее изучение различных аспектов облицовывания и применения облицованного стекла является основным предметом дг^сертации.

При назначении функциональных и конструктивных размеров изделий и отдельных щитовых элементов из тонких плит необходимо с большой точностью учитывать величины возникащих напряжений и деформаций деталей. Ранее, при исг^льзовании - плит толщиной 16 и тем более I? ««» запасы прочности были такими, что конструктору достаточно было назначать размеры интуитивно.

i. обосшваше шбора оптшальшх толщин деталей Міцели

Элементы мебели работают в условиях дательных экплуа-тационньтх нагрузок. Во времени конструкционный материал снижает прочностные характеристики, поэтому при проектировании мебели значение жесткости ее элементов необходимо принимать с учетом срока эксплуатации. Для этого необходимо знать характеристики вязко-упругих свойств облицованных плит.

Ползучесть древесностружечных плит начиналась изучаться при испытания^ на растяжение и сжатие, зате" на изгиб. ВНЩЦрёвом предложено г 1979 г. длительную жесткость прогнозировать по результатам измерения прогиба образца в течение 18 суток. ВІЛСЧМом исследование ползучести плит проводилось еще в 60-х годах, а БТИ и-».СМ.Кирова совместо .с НПО "Минск-проектмебель" - в 1977-1978 гг, r-w этом образцы под нагрузкой выдерживались до 300 суток [і] . В 1990 г. были проведены опыты по изучению вязко-упругих характеристик плит, выпускаемых ЦЦО "Речицрчрев"-

Реологические'характеристики модулей упругости (мгно- Ьинноги Е₀ и длительного Е ) и времени релаксации п оп--ределялись по кривы" ползучести. При определении длительного модуля ynpyrocTt. принималось значение прогиба пл -ты \іщ длительном времени, т.о. когда скорость дефогуацим была равна

нулю. Результаты этих опытов приведены на рис.1 и в табл.1.

,: . , Таблица I

Результаты испытаний плит не ползучесть

Вид плиты

ІМгновен- ІДлитель-f Е!Время І ний модульІный "О- !—-! релаксации (упругости іді'ль уп-:З_п_! /г , сутки ГЕ., МПа Іпугости І ^дл!

дл'

Необлицованная, толщиной 16 чм

Облицованная пленкой на основе бумаг:

толщиной ІЗ MM

толщиной 16 МЧ

Облицованная строганьм шпоном дуба:

толщиной 14 »«»*

Толщиной 17 мм

3,55

5,_6 4,21

-~^ ., —

^3

Р-

ъ*2

О і

о. *

И 1

Продолжите ность выдержки,сутки

Рис.1. Зависимость прогиба плит от времени и величины нагрузки (л - толщина плиты):

=17 чм; 1=1,5 кПа »14 чм;!} =1,0 кПа

I- /г =16 »«»; о =1,5 кПа 2-Л--13 ---1=1 0 кПа 3-А =16 -".;|=1 5 кПа

5-Л

В практических целях Е можно оценивать по величине Е-, определение которой не требует длительного вре«ени и больших затрат. Для облицованных древесностружечных плит отношение Eq/Едд можно принимать равным 1,8...1,95 [I].

При выборе оптимальной толщины щитовых деталей мебели эа критерий надежности следует брать: для вертикальных щитов - их устойчивость, для горизонтальных - величину допустимой деформации (прогиба). Аналогичные критерии г инимап-х и за рубежом.

Устойчивость щитов характеризует показатель гибкости Д, . Чем тоньше и длиннее щит, тем больше значение Л . В таких случаях предельное напряжение на устойчивость будет малым, значительно меньше пределт.ного напряжения на смятие. Поэтому в конструкциях изделий с тонкими вертикальными стенками и большими свободными пролетами основным критерием прочности стенок будот устойчивость.

Для практики следует знать чначэния допустимых внешних нагрузок и напряжений, возникающих в щитах и связанных о показателем гибкости.

Расчетные значения пределышх нагрузок Р_кр можно определять по формуле

где JC » 3,14;^/^ - момент инерции; Сп - расчетная длина образца; $ г- коэффициент Пуассона, равный для древесностружечных плит 0,25; М - коэффициент приведенной длины, для незакрепленных по длине, щитов J& а I, для закрепленных

Л< ь

Расчетные значения предельных напряжений можно определять по формуле

ft ^л

^{^"WW* (2)}

ррг Л -Jlltp Jim in. . - наименьший ррдиус инерции, 'І-'тСа " \/Jmin./F~ » F ~ плс'.адь образца в направлении, —перпендикулярном направленшэ сжатия. -

Результаты испытаний плит на устойчивость приведеш п табл.2.

- 1С -

Таблица 2 Результаты испытаний на устойчивость плит

Толщ

гш# плиты 13 м«', облицовка -

строганый шпон

Сравнение опытных и расчетных значений р и & показывает, что расчетные методы нахождения предельных нагрузок и напряжений пригодны при определенных их значениях -в разках применимости закона Гука. Но и этого достаточно, так как большие нагрузки, т.е. за пределами пропорциональности, в мебели не допускаются.

Условия применимости формул I и 2 выражаются неравенст-вами: &_к^ б'пц или Л^Х]/Е^Щ^ * e <^_Пц " ⁿP^e*^eJI ' пропорциональности. Они приведены также в табл.3 (получены на основании экспериментальных исследований [ij ).

- II -

Таблица З Условия при"ени-»ости формул I и 2

Вид облицо-. ! Толщина обли-!Мини«'альное зна-!Чаксимальное
вочного "ате-!цованной пли-! д (значение преде-

риала |ты, ж | >* | ^проподио-

Приведенные опытные данные показателя G'j и формул I и 2 соответствуют значении мгновенного модуля упругости E_Q. Для практически расчетов необходимо прини"ать значение Е , т.е. вводить поправку Ю = E_Q/E _, которую можно принимать равной 2,0, т.е. с округление" в пользу запаса прочности.

При расчетах допустите напряжения принимаются с учетом запаса устойчивости, а коэффициент .запаса.устойчивости, К_у для щитов "ожно принимать таки" же как для деревянных стоек, т.е. равны»' 3,0...3,2. Тогда допустивше расчетные напряжения в вертикальных щитах определятся из выражен: я

Для верти -альных щитов расчетные значения напряжений "ожно принять: для плит, облицованных строганым„ шпоно" толщиной 0,8 "», (Ур_асч*0,75...1,Р МПа (большое значение для "алых толщин плит), для плит, облицованных пленками - 0,5 МПа.

Заметим, что у такого нагруженного изделия как шкаф книжный придолинне вертикальной стенки 14 мм сжи"ащио на^-.іряжения составят 0,34"МПа, а у шкафа для платья и белья -около 0,09 МПа. Длина же стеуок, при которой гарантирована устойчивость с приняты.» коэффициентом'запаса, у первого шкафе- составит примерно 650 мм, у другого 1270 мм. '.аким образо", види"і'что по прочностным показателя" для крупногабариг-

ных изделий в первую очередь важен критерий устойчивости.

Определить толщину вертикальных щитовых элементов изделий исходя из условия¹устойчивости «ожно сгедупци"И путя«и.

I. Зная функциональное значение изделия, его размеры и вєіичину эксплуатационной нагрузки /'факт» "^ини"^альную толщину щита определи" в такой последовательности:

бпи,

)^Z '> 3,46 І/ПІП

2. Если все раз"вры, в то» числе и толщина щита, уже назначены, то остается проверить устойчивость вертикальных щитов. Сделать это «»ожно так:

Рхр -6Рфалщ;

^с jz .

Полученное значенгэ E_Q сравнивав" с фактически" значение" этого показателя для тех плит, из которых изготавливается «ебель (Ех_акт). Если Е₀ < Ех_акт, принятая толщина щитовых деталей взята правильно.

При нагружении горизонтальных щитов критического значе
ния быстрее достигает допусти"ая величина деформации (стрела
прогиба у ), а не напряжения ( &_тг). Поэтому при изготов
лении «ебели практическая задача состоит не в определении
"Ини"вльно допустимой толщины плиты, а в нахождении конструк
тивных прие-'OF. увеличения жесткости тонких горизонтальных ,..
щитовых деталей, если они должны воспринимать значительные
нагрузки. Наиболее нагруженными деталя"И являются, например,
полки книжній шкафов. Прогиб посередине полки определяется
по формуле

5с -j_

S'^ux = i8-Jraj,' ⁽⁴⁾

- ІЗ -

где - длина полки; J^ - «0"ент инерции поперечного сечения полки.

Допустимый прогиб горизонтальных щитов может быть принят 3...5 w/п. Если он получается больше, тогда необходимо найти конструктивные способы увеличения жесткости щита (крепление его к задней стенке шурупами, постановка дополнительного ребра жесткости в виде накладного декоративного бруска и т.п.). За"ети", что за рубеже» допустимую величі.лу прогиба горизонтальных щитов принято определять по формуле Jmav." 1/200^ ( / - длина щита), что соответствует значению 5 wlr

2. ЭКШШЕНГАЛШЕ И Iffi ГЯЇИЧЕСШ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ ЩИТОШХ ЭЛЕМЕНТОВ НА ОСШВЕ С1ЕЮ1А

2.1. Варианты облицовываниг стекла

В современных конструкциях корпусной м»бели стекло составляет до 15% от обшей поверхности изделий и ожидается дальнейший рост его применения. Область применения стекол может быть расширена, если производить их облицовывание с одной или двух сторон [Z, 3j .

На рис.2 показаны различные варианты облицовывания листового стекла. При несплошном облицовывание оно должно быть односторонним (из эстетических соображений), а при сплошном его следует делить двухсторонним. Интересны варианты, когда при несплошном облицовывании обратная сторона окрашивается в яркие насыщенные тона и служит фоном (рис.2, г).

Облицованное стекло лучше использовать в качестве филенок, но можно применять и как самостоятельные щиты, например, в качестве дверок изделий, устанавливаемых на пятниковых петлях J4, 5] .

2.2. Исб'ледойание режи-'ов облицовьзания стекла

Цель исследований - изучение прочности склеивания строганого шпона древесины дуба и стекла в зависимости от трех факторов: расхода клея Q, , продолжительности тдерчки пакета под давлением при облицовывании с и процентного

Рис._ч2. Варианты облицовывания стекла:

а - двухстороннее сплошное; б, в - одностороннее фигурное; г - одностопоннее фигурное с крашение»* обратной стороны; д -'одностороннее пленкой с вырезкой фипурнои полосы; е - одностороннее наклеивание фиг; рной полосы

количества М карбемидофор--альдегидного клея в составе композиционного клея (ПВА-дисперсия+клей КФ-БЖ). Облицовывалось стекло толщиной 4 мм шпоном толщиной 0,8 мм вакууны» способом при давлении 0,1 МПа, температуре эластичной диафрагмы 100С и вязкости композиционного клея 80 с по ВЗ-4. Испытания проводились на неравномерный отрыв по ГОСТ 15867-79 не ранее чем через 3 суток после облицовывания [3J .

Были пришлы следующие диапазоны варьирования факторов: 905Q«I50 (г/и²); 5-і 49 (»ин); 10 6 М 6 40 (%).

Обозначим <3=xj5 ^"Xg» М =х₃5 Xj, Xg, Х₃ - натуральные значения факторов, соответственно Q. , Т , М . В В-плане второго порядка каждый фактор о< варьируем на трех уровнях. Матрица В-плана эксперимента в нормализованных и натуральных

обозначениях факторов приведена в табл.4. Каждый опыт дублировался 10 раз. Средние значения выходной величины предела прочности на неравномерный отрыв ( Я^ ) приведены в табл.4.

Здесь же даны значения дисперсий S; і & также значения выходной величины G". .вычисленные по уравнению регрессии (5). Полученное уравнение регрессии в нормализованных обозначениях имеет вид

У *1 ,04ч0,445х_т+0 ,Пх_Р-0,29х„-0 ,Пх _т²+0,09х ₉²+

З з . і ₍₅₎

tO,I7x₃^?+O,0I25x_Ix₂-0,0625x_Ix₃.

С по»ощью F-критерия Фишвра установлена адекватность регрессивной додели (5).

Уравнение регрессии в натуральных обозначениях имеет

^=.2,177чО,04б -О,285Т-О,03бЛ/-О,00012<а²+

3 ' ' о . _ (б)

+0,0225 Г%О,0о075М<Л,0002 <3f -О.О00І4 Q.M.

Для анализа функций отклика удобнее пользоваться уравнение*» (5) в нормализованных обозначениях факторов.

Рассматриваем семейство 0 = J (х₂) при различных значениях xj и фиксированно" уровне х„. Подс.авив в (5) xj»+I и х_э=+1, получим

^»I,I9iO,I2⁴2tO,09x₂². (7)

При xj=»-l и у+І получим

^=0,42чО,0975х₂+0,09х₂-. (8)

Аналогично получав-» уравнения для х₃=-1
при xj=4l »1,89-Ю, 122x^0,0_z^Z; (9)

при xj»-I U =0,88-i0,6975x₂-tO,09x₂² (10)

Результаты расчетов сводим в табл.5.

Таблица 4

Матрица В-плана

І У-' по }уравнению

W ІНорчализо- !3н ченил на-
огіьі-t ванные '. туральннх

та 1обозначения!факторов !факторов !

|^XI |^х2 1^хз |^Х1 ;*2 | ^Хз

Среднев?ДисперліЗначение зиаче- !сия Івмсодной нив f р (величины

_{Д I}

!

Таблица 5 Результаты расчетов и по'уравнения»» (7).,,-,10)

По данньг' табл.5 построены графики завиеи"оек! у=*У(хм пля xj=4l и xj=-I при Xg=+T (рис.3, а) и при х_д=-Т (рис.3, б

22 ^> 0 и при Xg

Так как коэффициенты при х₂ $\

S?> О,

ЇС

(7)...(10) описывают'вогнутую монотонно возрастащую функцию. Аналогичны» образе рассматривав" ссейства ^»jf(xj) и ^«^(х,).Результаты расчетов своди" соответственно в табл.6 и 7 и по их данньг» строи" графики (рис.3 в, г, д, в).

Іаблица 6

Результаты расчетов fr* j (xj)

Таблица 7 Результаты расчетов У~^^^х^

Анализ данных рис.3 показывает, что оптимальные значения перуенных факторов внутри диапазона их варьирования, при которых значение выходной величины оказывается "акси"аль-ны~, следующие: xj=+I; х₂=ч-1; х_э*-1. Подставив эти значения в (5), найде" соответствующее значение отклика:

/'

^^»1,0440,445>П,11ч0,29-0,1140,09^0,174О,0125чО,0625 »

=2,11 (кН/м).

Нормативный показатель прочности облицовывания плитных материалов строганы' шлоно" толщиной 0,8 мч равен 1,7 кН/м. На графиках рис.3 нор-ативдаЯ показатель прочности отмечен горизонтальными пунктирными линиями. По графикам можно определить, при каких значениях хт, х₂ и х достигается нормативны? показатель прочности & « 1,7 кН/w. Например, при

18 «.

всех сочетаниях Хт, xg и л , соответствующих рис.3 а, в,

показатель у < I,7 кН/м, а при x₃«-I, xj*+I и любых значениях xg (c».f с.З б) показатель Л вше нормативного.

^j=-i

і X_z / 'і X_z Н -і Хі Н 'і

I 1,8

A US

0,6 A3

а.

х_ъ?н

^