Содержание к диссертации
Введение
1. Исследование закономерности изменения и регулирования механических свойств древесины на микроуровне 12
1.1. Особенности анатомического строения клетки древесины 12
1.2. Особенности древесины при обработке 16
1.3. Аналитический обзор ранее выполненных работ 25
1.4. Выводы 29
2. Теоретические исследования деформируемых свойств древесины во время обработки методом тиснения 31
2.1. Деформационное состояние древесины 31
2.1.1. Влияние напряженно-деформационного состояния древесины во время сжатия поперек волокон 31
2.1.2. Влияние деформаций и напряжения на волокна древесины во время внедрения пуансона 33
2.1.3. Упруго-пластичные деформации при приложении нагрузки 37
2.1.4. Восстановление волокон древесины после деформации 40
2.1.5. Влияние процесса сушки на линейные размеры рельефного оттиска на поверхности детали 45
2.2. Теоретическая оценка высоты рельефа 46
2.2.1. Теоретическое исследование режимов уплотнения клетки древесины с учетом анизотропии 46
2.2.2. Теоретическое исследование напряженно-деформированного состояния в зоне внедрения пуансона 48
2.2.3. Теоретическое исследование деформации клетки древесины под действием напряжений 49
2.3. Выводы 57
3. Объекты и методы исследований 59
3.1. Программа исследований 59
3.2. Материал, используемый в экспериментальных исследованиях 60
3.3. Оборудование для проведения экспериментальных исследований и измерительные устройства
3.3.1. Технические характеристики используемого оборудования 61
3.3.2. Внешнее проявление изнашивания инструмента при эксплуатации
3.4. Методика проведения экспериментальных исследований 72
3.5. Проведение поискового экспериментального исследования по формированию рельефного оттиска на поверхности деталей из древесины 76
3.6. Выводы 80
4. Экспериментальное исследование по определению рационального режима прессования 81
4.1. Метод исследования 81
4.2. Результаты исследования и их анализ
4.2.1. Исследование времени выдержки прессуемой детали под давлением 82
4.2.2. Исследование влияния глубины внедрения пуансона в деталь из древесины 83
4.2.3. Исследование влияние диаметра сечения у пуансона на рельефный оттиск 84
4.3 Определение рационального режима прессования 85
4.4. Выводы 91
5. Исследование качественного рельефного оттиска сформированого на поверхности деталей из древесины лиственных пород 93
5.1. Метод исследования 93
5.2. Результаты исследования и их анализ 94
5.3. Выводы 101
6. Исследование высоты восстановленных волокон и рельефного оттиска 102
6.1. Методика определения силовых и качественных показателей волокон древесины во время их восстановления (разбухания) 102
6.2. Характеристика и подготовка исследуемых образцов древесины
6.3. Режим и анализ исследования высоты восстановленных волокон и рельефного оттиска 105
6.4. Вывод 108
7. Теоретическое исследование закономерностей формирования рельефного оттиска на поверхности детали из древесины 109
7.1. Методика определения наибольшего коэффициента для рационального режима прессования 109
7.2. Методика оценки опытных данных режима прессования и планирования эксперимента 113
7.3. Выводы 126
8. Взаимодействие защитно-декоративного покрытия с декорированной поверхностью детали древесины 128
8.1. Материалы используемые для нанесения защитно-декоративного покрытия 128
8.1.1. Масляное покрытие Decking oil 129
8.1.2. Натуральный воск для внутренних и наружных работ NATURA HOLZWACHS LASUR 131
8.1.3. Тиксотропный лак на водной основе AZ 2130/00
8.2. Технология формирования защитно-декоративного покрытия с применение разнотипных лакокрасочных материалов 134
8.3. Визуальная оценка лакокрасочного материала на декорированной поверхности 137
8.4. Выводы 138
9. Экономическое обоснование эффективности и материализация художественно-декоративного способа отделки холодным тиснением на деревообрабатывающем производстве 140
9.1. Оценка технико-экономической эффективности художественно декоративного способа отделки холодным тиснением 140
9.2. Реализация результатов работы на деревообрабатывающих предприятиях
Заключение 149
Список литературы
- Особенности древесины при обработке
- Влияние напряженно-деформационного состояния древесины во время сжатия поперек волокон
- Оборудование для проведения экспериментальных исследований и измерительные устройства
- Исследование времени выдержки прессуемой детали под давлением
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время в деревообрабатывающей промышленности достаточно часто прибегают к художественно-декоративной отделке поверхности деталей мебели, интерьера или экстерьера. Нанесение различных декоров на поверхность изделия придает им дополнительную ценность и повышает эстетические качества. Существующие технологии художественно-декоративной отделки весьма разнообразны, большинство которых заключаются во внедрении в древесину пуансонов, штампов, фрез, пресс-форм и др. Нагружение древесины может привести к разрушению наружных слоев, к необратимым деформациям, что снижает качество изделия.
Как правило, древесина – упруго-вязко-пластичный материал, который поддается деформации во время нагружения и восстановлению деформируемых клеток после снятия нагрузки. Таким образом, на поверхности древесины можно формировать разнообразные рельефные оттиски, сохраняя при этом целостность волокон.
В настоящее время правительство Российской Федерации нацеливает предприятия на сокращение потребления энергозатрат путем внедрения в производство различных технологий. Так же мебельные предприятия, столярные мастерские стремятся к экономичным и более простым в эксплуатации решениям для производства своей продукции, но остаются требовательными к высокому качеству декоративной отделки, так как от полученного результата зависят эксплуатационные характеристики, стоимость изделия и т.д.
Таким образом, разработка художественно-декоративного способа отделки является весьма актуальной, что позволяет снизить деформации внутри детали во время нагружения, сохранить текстуру и структуру древесины, повысить качество художественно-декоративной отделки, уменьшить энергопотребление и временной фактор при нанесении декора.
Степень разработанности темы исследования заключается в
следующем. Установлено, что разработкой и исследованием художественно-декоративных способов отделки с имитацией объемных изображений, мнимых узоров занимались Ветошкин Ю.И., Газеев М.В., Короленко В.Г., Постнов В.И. и др. Разработкой технологии по формированию рельефных оттисков на поверхности древесины занимались Кожинов Ю.В., Буев А.Р., Берзиньш Г.В., Гипслис М.П. и др.
Существующие способы тиснения древесины основываются на термопрессовании. В некоторых случаях с применением различных растворов для обработки древесины.
В наше время деревообрабатывающие предприятия направлены на совершенствование и развитие устоявшихся способов художественно-декоративной отделки. Разработка техники холодного тиснения поверхности деталей древесины является новым видом декорирования с применением упрощенной технологии существующего способа тиснения. Художественно-
декоративный способ отделки холодным тиснением является перспективным, экономически эффективным и обеспечивает требуемое качество изделия.
Полученные результаты апробированы на деревообрабатывающих предприятиях для формирования рельефных оттисков на поверхности деталей предметов интерьера.
Цель работы. Повышение эффективности декоративной отделки древесины.
Для достижения поставленной цели необходимо выполнить следующие задачи:
-
Разработать технологию художественно-декоративной отделки холодным тиснением поверхности древесины на основе экспериментальных исследований;
-
Установить теоретическую оценку и эффективность технологических факторов холодного тиснения древесины;
-
Исследовать изменения высоты и формы рельефного оттиска на поверхности детали древесины с учетом временного фактора;
-
Определить экономическую эффективность художественно-декоративного способа отделки холодным тиснением;
5. Апробировать результаты теоретических и экспериментальных
исследований по формированию рельефного оттиска на поверхности деталей из
древесины лиственных пород.
Научная новизна заключается в следующем:
-
Разработана технология художественно-декоративной отделки холодным тиснением, результат которой основывается на разнообразных рельефных узорах, выполненных на поверхности деталей из древесины.
-
Экспериментально установлен и теоретически обоснован рациональный режим холодного прессования для формирования декора с максимальной высотой рельефа, после восстановления волокон, на разных лиственных породах древесины.
-
Установлена математическая модель параметров прессования, при которой получены оптимальные значения для деформации и восстановления клеток древесины.
-
Разработанная технология художественно-декоративной отделки холодным тиснением снижает напряжение, деформации внутри детали, что исключает возможные дефекты (сколы, трещины, разрыв волокон и др.) на поверхности детали.
Практическая значимость работы. Разработана технология
формирования рельефных оттисков на поверхности деталей из цельной древесины лиственных пород. На предложенный способ холодного тиснения получен патент на изобретение № 2529385 «Способ получения декоративного рельефного изображения на поверхности плоского изделия из древесины».
Методология. Методика исследований включает теоретическое
построение технологического процесса с получением математической модели
художественно-декоративной отделки, численных расчетов режима
прессования и параметров процесса, с последующим проведением
экспериментальных исследований, производственных испытаний и апробации технологии холодного тиснения поверхности детали из древесины лиственных пород.
Методы исследования. При выполнении работы применялись
современные методы для исследования (компьютерное моделирование, электронная микроскопия и т.д.) и стандартные методики по ГОСТам, литературным источникам и справочникам.
Научные положения, выносимые на защиту, заключаются в следующем:
-
Применение рационального режима прессования исключает возможное разрушение клеток древесины, так как вертикальное нагружение сопоставимо с силой упругости клеточных стенок.
-
В процессе нагружения деформационное и напряженное состояние древесины подобны, что приводит к постепенному и равномерному смятию клеток от наружных к внутренним слоям.
-
При постепенном нагружении возникающие напряжения в стенке клетки и её полости равны, что приводит к равнозначной деформации всей клетки.
-
В процессе формирования рельефных оттисков на поверхности детали древесины лиственных пород методом холодного тиснения снижается энерго- и трудоемкость процесса.
Степень достоверности научных положений, выводов и рекомендаций
подтверждается сходимостью результатов теоретических и экспериментальных
исследований. Так же обеспечиваются корректными допущениями при замене
реальных процессов расчетными схемами и их математическими моделями;
современными средствами научного исследования, включая физико-
механические процессы, связанные с деформированием; оценкой адекватности
разработанных моделей технологических процессов; положительными
результатами промышленной апробации и общими итогами выпуска опытных образцов продукции.
Апробация работы. Результаты работы докладывались, обсуждались и получили положительные оценки на Х Всероссийской научно-технической конференции «Научное творчество молодежи – лесному комплексу России» (Екатеринбург, 2014); на XII Всероссийской научно-технической конференции «Научное творчество молодежи – лесному комплексу России» (Екатеринбург, 2016); на Уральской экологической выставке-ярмарке «Дерево + Дом. Коттедж. Дача» (Екатеринбург, 2016); на программе «Участник молодежного научно-инновационного конкурса 2014» и в III Международном конкурсе научно-исследовательских работ «Перспективы науки - 2016» (победитель конкурсов).
Результаты исследований апробированы на предприятиях ООО «Архитектурно-столярная студия» (г. Екатеринбург), ООО «Артель ТМ» (Свердловская область, г. Реж).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 печатных работ, из них 2 статьи в изданиях рекомендованных ВАК, 1 патент РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 9 глав, заключения, списка литературы и приложения. Текстовая часть работы,
включая рисунки и таблицы, изложена на 158 страницах и содержит 95 рисунков, 34 таблицы. Список использованной литературы насчитывает 72 наименования. Приложение состоит из 36 страниц и включает 6 таблиц, 2 акта промышленной апробации, патент на изобретение № 2529385 «Способ получения декоративного рельефного изображения на поверхности плоского изделия из древесины» и дипломы победителя программы «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» («УМНИК – 2014») и III Международного конкурса научно-исследовательских работ «Перспективы науки - 2016».
Особенности древесины при обработке
По данным из таблицы 1.1 построена диаграмма различия упругой деформации между рассматриваемыми породами древесины (рисунок 1.4). Из которой следует, что с изменением модуля упругости возрастает упругая деформация. Относительно других лиственных пород упругая деформация у липы ниже. Соответственно, образцы из древесины липы легче поддаются деформации, стабильнее по своим значениям и механической обработке.
Холодное прессование приводит к тому, что в наружных и внутренних слоях древесины температура остается одинаковой, что равномерно распределяет по всей толщине образца деформационные коэффициенты и интенсивность развивающегося уплотнения. Это приводит к равновесным остаточным деформациям в наружных и внутренних слоях древесины и к равномерному уплотнению. Если рассмотреть, что плотности и температуры распределены по сечению образца по линейному закону, то Pep — Рн — Рв.
Плотность на всех слоя древесины будет равной. Учитывая такую особенность, следует, что уплотнение и деформации будут равновесны как в наружных, так и внутренних слоях древесины.
Технологическими параметрами, характеризующими режимы обработки, является максимальная температура, давление и время прессования. Учитывая, что температура остается неизменной на протяжении всего технологического процесса, то ей можно пренебречь и рассматривать как константу.
Согласно [18] при заданном технологическом режиме прессования распределение давления полностью определяется очертанием формы пуансона. Поскольку любая сложная конфигурация пуансона является сочетанием прямолинейных и криволинейных участков, возникла необходимость сопоставить распределение давлений на таких разнородных по очертанию форм участках. Сравнение давлений на участках в виде клина и круговом очертания при равных перемещениях [19] показало, что и характер распределения давлений практически совпадает в пределах точности технических расчетов, т.е. расхождения в их значениях не превышает ± 5% . Таким образом, распределение давлений во всех случаях можно принимать линейным между экстремальными величинами.
Время выдержки упрессовки детали под плитами пресса играет не маловажную роль. От времени зависят деформационные коэффициенты и процент восстановления волокон древесины в последующем.
Прочность клеточных оболочек определяется составляющими их микрофибриллами и аморфным лигнином. Чем толще клеточные стенки и чем меньше в них пор или не утолщенных мест, ослабляющих стенку клетки, тем прочнее должна быть вся клетка в целом. [19] Различие механических свойств отдельных древесных пород можно объяснить различием в анатомическом строении, как оболочек клеток, так и древесных тканей.
Прочность древесины при сжатии поперек волокон определяется в радиальном и тангенциальном направлениях.[20, 21] При сжатии необходимо учитывать площадь образца, на которую действует нагрузка. Для дальнейших исследований необходимо рассматривать нагрузку, приложенную на части длины и ширины детали (рисунок 1.5). Так же, задействовать лишь на наружные слои древесины, что препятствует появлению высоких деформаций в этом диапазоне, так как происходит смятие наружных слоев древесины, а не их разрушение.
Схематически показано сжатие поперек волокон на части длины и ширины При сжатии поперек волокон древесины разных пород наблюдаются два типа деформирования: однофазное, как и при сжатии вдоль волокон, и трехфазное, характеризуемое более сложной диаграммой (рисунок 1.6).
Диаграммы сжатия древесины поперек волокон: а. – при трехфазном деформировании; б. – при однофазном деформировании При однофазном деформировании на диаграмме рисунка 1.6.б. хорошо выражен приблизительно прямолинейный участок, продолжающийся почти до достижения максимальной нагрузки, при которой образец древесины разрушается.
При трехфазном деформировании на диаграмме рисунка 1.6.а. процесс деформирования древесины при сжатии поперек волокон Хухрянский П.Н. описывает в три фазы [22]:
1. Первая фаза характеризуется на диаграмме начальным, примерно прямолинейным участком, показывающим, что в этой стадии деформирования древесина условно подчиняется закону Гука, как и при однофазном деформировании, и в конце этой фазы достигается условный предел пропорциональности. То есть деформация протекает до предела пластического течения ранней древесины. По терминологии Иванова Ю.М. [23] первая фаза соответствует «области неполной упругости» ранней древесины. Первая фаза для древесины разной влажности заканчивается при относительной деформации в 3 – 6%.
2. Вторая фаза характеризуется на диаграмме почти горизонтальным или слабонаклонным криволинейным участком. Причем переход из первой фазы во вторую достаточно резкий. Величина пологой части как для упругой, так и для пластической деформации в сильной степени зависит от влажности древесины в момент сжатия.
3. Третья фаза характеризуется на диаграмме прямолинейным участком с крутым подъемом, кривая направленна вверх, с увеличением нагрузки растут деформации, в большей степени необратимые. Переход из второй фазы в третью в большинстве случаев постепенный.
При радиальном сжатии деформация первой фазы протекает в основном из-за сжатия ранней зоны годичных слоев, слабой в механическом отношении. Первая фаза продолжается до тех пор, пока стенки клеток ранней зоны не потеряют устойчивости и не начнут сминаться. Фаза продолжается до предела пластического течения оболочек клеток ранней древесины. С потерей устойчивости клеточных стенок и пластического течения ранней древесины начинается вторая фаза, когда деформация протекает в основном в результате смятия клеток ранней зоны. Это происходит при малой нагрузке. По мере вовлечения в деформацию клеток поздней зоны годичных слоев вторая фаза плавно переходит в третью. Третья фаза протекает главным образом за счет сжатия клеток поздней зоны, которые могут сминаться только при больших нагрузках.
При тангенциальном сжатии деформирование происходит с самого начала за счет клеток ранней и поздней зон годичного слоя, причем характер деформирования определяется клетками поздней зоны. В конце деформирования наступает разрушение образца. Начало разрушения древесины можно наблюдать лишь при однофазном деформировании. При трехфазном деформировании древесина может уплотниться на 75 % от начальной высоты без видимых следов разрушения. [24] Деформации протекают по линейным законам. Это приводит к тому, что любая возникшая деформация является обратимой в большей степени. Деформированные клетки волокон начинают восстанавливаться после снятия нагрузки. Благодаря упруго-пластичным свойствам древесины и с помощью внешних факторов восстановление протекает постепенно. Волокна при этом восстанавливаются в среднем на 40 – 60%, что приводит к желаемому результату.
При действии нагрузки в направлении, перпендикулярном волокнам, стенки клеток древесины испытывают деформацию. При сжатии в радиальном направлении (рисунок 1.7) в деформации учувствуют в основном слои ранней древесины. Ввиду малой толщины, стенки клетки при сжатии легко теряют устойчивость. То же самое происходит с сердцевинными лучами, что в ряде случаев привод к деформации самих трахеид ранней древесины, сдвигая их в боковом направлении. [4]
Влияние напряженно-деформационного состояния древесины во время сжатия поперек волокон
Показана расчётная (теоретическая) оценка высоты рельефного оттиска, получаемого на поверхности детали из древесины при использовании разработанного метода художественно-декоративной отделки.
Как установлено выше, клетки древесины, деформированные во время внедрения пуансона в деталь, набухают при увлажнении, восстанавливая первоначальные размеры. В результате на поверхности детали возникает рельеф, повторяющий узор пуансона.
Установление зависимости высоты рельефа от параметров технологического процесса имеет практическое значение.
Рассмотрим свойства древесины, определяющие особенности протекания процесса формирования рельефа. Характерной чертой древесины является структурная неоднородность, проявляющаяся на трёх уровнях её внутреннего строения: макроуровень, микроуровень и субмикроуровень. [4]
Минимальный объём, при рассмотрении которого свойства древесины проявляются на макроуровне, равен VMaK = 1 см3. Объектами структуры древесины на макроуровне являются детали её внутреннего строения с размерами 0,1 мм и выше: слои ранней и поздней древесины, крупные сосуды, широкие сердцевинные лучи и т.д. Распределение перечисленных объектов по всему объёму древесины считаем равномерным. Объёмы древесины, превышающие VMaK, полагаются сплошными и однородными.
Наименьший объём, при рассмотрении которого свойства древесины проявляются на микроуровне, равен VMllK = 1 мм3. Объектами строения древесины на микроуровне являются клетки, сосуды, волокна либриформа. Их размеры лежат в интервале от 0,001 до 0,1 мм. При расчётах на микроуровне сотовую структуру условно рассматривают как сплошную среду, наделённую свойствами пористого материала. Наименьший объём, при рассмотрении которого свойства древесины проявляются на субмикроуровне, равен Vcy6 = 1 1(Г7 мм3 . На этом уровне рассматривается поведение при внешних воздействиях, как отдельной клетки древесины, так и сотовой системы, образованной множеством клеток. Клетка на этом уровне рассматривается как полая, толстостенная призма, длина которой на 1 - 2 порядка превосходит характерные размеры поперечного сечения. Характером деформирования и разрушения клетки и сотовой структуры, составленной из множества клеток, объясняются особенности поведения макрообъёмов древесины.
Процессы деформирования древесины при сжатии поперёк волокон объясняются с помощью модели упруго-вязко-пластического тела. На рисунке 2.15 приведена диаграмма а— є при сжатии поперёк волокон, построенная по данным Хухрянского П.Н.[40] Зависимость между напряжением и деформацией при прессовании древесины описывается зависимостью [57]: є = а/Е + а2/0), (2.9) где є - деформация прессования; о - напряжение, Па; Е - модуль упругости, кгс/см2; v - скорость нагружения, м/с; г] - коэффициент вязкости древесины. Из формулы (2.9) и диаграммы о — є на рисунке 2.15 следует, что при прессовании на начальном участке нагружения сухая древесина проявляет свойства линейно упругого тела. Следовательно, распределение напряжений в упругом полупространстве, возникающее при действии сосредоточенной силы на упругое полупространство, найдём из решения соответствующей задачи теории упругости (задачи Буссинеска). [58,59] Найденные напряжения, являются нагрузками, действующими на древесную клетку. Древесина рассматривается как макронеоднородное упругое тело.
Рассмотрим вдавливание пуансона в деталь из древесины липы с относительной влажностью 8±2%. Предположим, что древесина является изотропным линейно упругим материалом. Пуансон заменим сосредоточенной силой направленной вниз и приложенной перпендикулярно границе поверхности полупространства. Напряжённо-деформированное состояние в зоне внедрения пуансона совпадает с решением задачи о действии силы на изотропное упругое полупространство (задачи Буссинеска). Введём цилиндрическую систему координат. Расчётная схема представлена на рисунке 2.16.
Сила Р перпендикулярна граничной плоскости. Начало координат взято в точке приложения силы. Задача осесимметрична. Напряжения, действующие в точке с координатами г, z, равны: 3Pz3 Р (1-2 її 3r2z\ а = - 2 ; аг= - 2 \цТТ7) -—у {р ЩТ7) ); т= - где її - коэффициент Пуассона; в (l-2fi)Pz 1 3Pz2r I — д/ Т+ Д – радиус - вектор точки. Полное (главное напряжение) совпадает по направлению с радиус-вектором точки и равно: V rr2 + о} = -ЗР cos2e/(2nl2). (2.10) Напряжения в плоскости, проходящей через ось OZ, при действии сосредоточенной силы на полупространство: справа - напряжения в цилиндрической системе координат; слева - главные напряжения
Предположим, что древесные клетки имеют правильную форму и равнозначные размеры по длине и ширине. На основании сказанного, на рисунке 2.17 составлены сечения клеток ранней и поздней древесины лиственных пород с условными размерами (в мкм). Причем, длина достаточно превосходит наибольший размер поперечного сечения.
Оборудование для проведения экспериментальных исследований и измерительные устройства
Схематическая форма сечения пуансона (в разрезе): а – идеальная форма пуансона; б, в – деформируемые формы пуансона Для проведения экспериментальных исследований применяли пуансон из алюминия и меди. Оба эти металла гибкие, мягкие и легко поддаются деформации. Срок службы пуансона из алюминия и меди низкий. Его хватает в среднем на 15 – 20 прессований. Затем пуансон его из твердых металлов, например таких как железо, сталь. Это увеличит срок службы пуансона и его стойкость во время нагружения.
В результате давления, трения контактные поверхности инструмента изнашиваются. Наиболее сильно изнашивается ножевые валы, предназначенные для калибрования поверхности детали из древесины с отпечатком формы пуансона (рисунок 3.9). Деталь (2) после прессования с уплотненными волокнами древесины помещают на каретку (3) рейсмусового станка. Затем срезают ножевым валом (1) часть древесины, на глубину уплотнения волокон за 2 – 3 прохода. Рисунок 3.9 - Схема взаимодействия ножевого вала с древесиной во время калибрования по толщине: 1 – ножевой вал; 2 – деталь из древесины; 3 – каретка В результате частого использования ножевой вал затупляется (рисунок 3.10). Режущая кромка (лезвие - Л) округляется и трансформируется в криволинейную поверхность. Очертание образующей этой поверхности зависит от исходного профиля резца и действующих нагрузок на лезвие ножа и гранях. В результате этого режущие элементы теряют остроту, возрастает усилие при калибровании и снижается качество деталей. При этом могут возникнуть дефекты, которые портят поверхность детали: 1. Вырывы волокон древесины на поверхности детали; 2. Неравномерное калибрование по длине детали; 3. Неравномерное калибрование по ширине детали.
Схема износа и затупления ножей вала: У - линейный износ; р - радиус кромки; Л - лезвие; М - изношенная часть; - угол заточки резцов Мерой изношенности режущих элементов матриц является линейный (у) или массовый (М) износ (рисунок 3.10). Максимальный линейный износ (y = ymax) является характеристикой при разработке норм допустимого износа и расхода ножей вала при эксплуатации. Массовый износ является более объективной характеристикой при изучении физической сущности изнашивания ножей вала. Масса (М) изношенной части режущего инструмента пропорционально работе сил трения, затрачиваемой на превращение инструментального материала в продукты изнашивания. Критерием остроты режущей частоты является радиус закругления режущей кромки (р). При износе радиус режущей кромки возрастает. [18]
Для увеличения срока службы ножевого вала целесообразно соблюдать технологический процесс тиснения древесины. Эксплуатировать рейсмусовый станок в помещении при температуре окружающей среды от 1 до 35 С и относительной влажности воздуха до 80 % при температуре 25С. После каждой работы отчищать его от древесной пыли и стружек. Использовать для калибрования сухую древесину с относительной влажностью W = 8±2%. Затупившиеся режущие элементы можно натачивать и эксплуатировать дальше.
Для проведения экспериментальных исследований по литературным источникам [62] составлена рациональная структура технологического процесса: 1. Подготовка образцов и используемого оборудования; 2. Подготовка пресса и формирование «пакета»; 3. Момент прессования; 4. Калибрование по толщине поверхности образцов с отпечатком формы пуансона; 5. Обработка поверхности водным раствором (водой); 6. Сушка; 7. Нанесение защитно-декоративного покрытия После подготовки, сформировываем «пакет» для прессования (рисунок 3.11). На железные пластины укладываем заготовленный образец из древесины (3), а сверху на него помещаем пуансон (2), который вдавливаем в древесину. Устанавливаем по бокам образца и пуансона металлические планки (4), благодаря которым создаем глубину вдавливания, и весь «пакет» помещаем в пролет пресса (1). В холодном прессе при давлении Р = 10 – 12 МПа и температуре воздуха t = 20 – 25C прессуем, создавая на поверхности образца отпечаток формы пуансона на глубину заданную изначально от 1 до 4 мм (рисунок 3.12).
После выгрузки из пресса полученный образец с декорированной поверхностью калибруем по толщине, снимаем слой древесины на глубину внедрения пуансона (рисунок 3.13.а). Поверхность образца должна быть ровной, гладкой с рисунком мнимого рельефа, который получился благодаря уплотненным волокнам (рисунок 3.13.б).
Схема калибрования по толщине: а. – фрезерование; б. – рисунок с мнимым рельефом на поверхности образца из древесины липы после калибрования Поверхность образца с мнимым узором обильно увлажняем и равномерно распределяем воду по всему периметру отпечатка в течение 1 минуты. Деформируемые волокна, впитывая влагу, перемещают её от наружных к внутренним слоям древесины. Насыщаясь, клеточные стенки восстанавливаются. В течение 5 минут на поверхности образуется рельефный оттиск, отпечаток формы пуансона. Восстановление первоначальной формы происходит в среднем на 60 – 70%. Рельеф становится выпуклым и четко прослеживается на поверхности детали (рисунок 3.14). Через 15 минут древесина полностью насыщается, поверхность остается влажной.
После увлажнения поверхности, образцы сушатся в сухом и проветриваемом помещении при комнатной температуре 20 – 25С одни сутки. По истечению 24 часов рельефный оттиск на поверхности образца уменьшается по высоте, из-за того что произошла усушка (рисунок 3.15). Волокна впитали необходимое количество влаги для восстановления и высохли до относительной влажности 8 ± 2%, т.е. произошел процессы сорбции и десорбции, чтобы создать равновесную влажность внутри образца.
Полученные данные в ходе проведения экспериментальных исследований оценивались посредством первичной обработки результатов экспериментов методами математической статистики. Такая обработка результатов опытов позволяет гарантировать их точность, надежность определения истинного значения и объективность на заданном уровне значимости. Формирования рельефного оттиска на поверхности детали древесины с использованием рационального режима прессования представляет собой сложный процесс. Эффективность которого определяется факторами и их взаимодействиями. После проведения экспериментальных исследований по полученным данным, с целью установления характера зависимости выходного параметра от отдельных управляющих факторов, проводился классический полнофакторный эксперимент, представленный в главе 7.
Исследование времени выдержки прессуемой детали под давлением
Установленный экспериментальным путем режим прессования создает на поверхности детали разнообразные формы отпечатка пуансона. Экспериментальные исследования сопровождаются теоретическими, в которых опытным путем определяется наибольшее положительное значение применяемых во время прессования факторов.
Для правильного составления технического анализа используем линию тренда. Посторенние которой покажет максимальный и минимальный коэффициент. Соответственно, подтвердит или опровергнет применяемый режим прессования.
Рассмотрим диаметр сечения пуансона, применяемый в экспериментальных исследованиях. Первый пуансон с диаметром сечения d1 = 3,5 мм; Второй пуансон с диаметром сечения d2 = 5 мм; Третий пуансон с диаметром d3 = 2 мм. По полученным данным составлен график для всех пуансонов на рисунке 7.1. Линия тренда в каждом случае имеет растущий тренд. Следует, что с увеличение глубины внедрения пуансона в деталь из древесины до 2,5 мм, увеличивается высота рельефного оттиска после восстановления волокон.
Составленные графики, имеют полиноминальную и линейную линии тренда. Для каждой зависимости выбрана определенная линия тренда с наибольшим значением коэффициента R2. Полученный коэффициент R2 линий тренда во всех трех случаях имеет разное значение. Наибольший коэффициент показывает, при каком диаметре сечения пуансона высота восстановление волокон выше. В представленном случае, при прессовании пуансоном с диаметром сечения d1 = 3,5 мм, d2 = 5 мм волокна древесины восстанавливаются лучше, рельеф оттиска равномерный и имеет максимальную высоту. Таким же образом проверим время выдержки под плитами пресса. По установленному режиму наилучшее время составляет 2 мин. Для составления линии тренда использовали данные при глубине прессования 2,5 мм с применением пуансона с диаметрами сечения d1 = 3,5 мм, d2 = 5. Результат представлен на рисунке 7.2.
На рисунке 7.2. представлены две линии тренда. При использовании пуансона с диаметром сечения 3,5 мм линия тренда показана в растущем тренде. При использовании пуансона с диаметром сечения 5 мм линия тренда показана в убывающем тренде. Следовательно, при использовании пуансона с диаметром сечения 3,5 мм время выдержки под давлением в прессе может составлять от 2 до 4 минут. При использовании пуансона с диаметром сечения 5 мм рациональное время выдержки под давлением в прессе – 2 мин. С увеличением времени упрессовки возрастает деформация клеточных стенок, что ведет к сильному уплотнению наружных слоев древесины.
На рисунке 7.3. составлена полиноминальная линия тренда для высот рельефных оттисков на различных породах древесины.
В представленном случае, показан растущий вид линии тренда. В растущем тренде каждый последующий уровень (высота рельефа) превышает предыдущий. Следовательно, при большей высоте восстановленных волокон, рельефный оттиск на поверхности детали получается выше.
Полученный коэффициент полиноминальной линии тренда можно интерпретировать следующим образом: породы древесины, у которых высота восстановленных волокон составляет больше 0,5 мм, предпочтительнее для представленного вида художественно-декоративной отделки холодным тиснением.
При составлении полиноминальной линии тренда можно проследить степень полинома (максимальное и минимальное значения). В рассмотренных случаях полиноминальная линия является более точной, нежели обычная линия тренда. Поскольку при составлении остальных зависимостей линий тренда коэффициент R2 имеет наименьшее значение, а при полиноминальной зависимости наибольшее. Полиноминальную линию тренда можно считать подходящей зависимостью.