CC BY
51
ДЕРЕВООБРАБОТКА
ИССЛЕДОВАНИЕ ШЕРОХОВАТОСТИ ПОВЕРХНОСТИ РЕЗАНИЯ ТЕРМИЧЕСКИ МОДИФИЦИРОВАННОЙ ДРЕВЕСИНЫ БЕРЕЗЫ
Е.С. ШАРАПОВ, доц. каф. деревообрабатывающих производствМарГТУ, канд. техн. наук, А С. КОРОЛЕВ, магистрант каф. деревообрабатывающих производств МарГТУ,
Д.А. ПОПОВ, магистрант каф. деревообрабатывающих производств МарГТУ
Развивающиеся технологии термического модифицирования древесины ставят перед наукой новые задачи в области оптимизации параметров механической обработки, а также оценки качества конечной продукции. В результате термического модифицирования происходят изменения в молекулярной структуре древесины, что, безусловно, влияет на физикомеханические свойства (описание изменения которых возможно при условии использования аллометрической функции [1]), а также энергосиловые параметры процесса резания и качество конечной продукции [2]. Наибольший интерес представляет изучение процессов термической модификации и последующей механической обработки «малоиспользуемых» пород древесины, таких как береза, с целью изменения ее свойств и расширения использования в строительстве, производстве мебели и т.д.
Одним из показателей качества поверхности при механической обработке деталей из древесины является ее шероховатость, определяемая согласно ГОСТ 2789-73 «Шероховатость поверхности. Параметры, характеристики и обозначения», ГОСТ 7016-82 «Изделия из древесины и древесных материалов. Параметры шероховатости поверхности», которая характеризуется параметрами: средним арифметическим отклонением профиля Ra, высотой неровностей профиля по десяти точкам Rz, наибольшей высотой профиля Rmax (1) и другими [3, 4].
Таблица
Наименование и уровни варьирования факторов
№ Наименование фактора Уровни варьирования
Xi Угол резания 5,град 25 30 35 40 45
X2 Толщина снимаемой стружки, мм 0,05 0,1 0,2 0,3 0,4
sharapov_evgeniy@mail.ru
Цель работы: определение взаимосвязей класса модификации древесины березы, толщины снимаемой стружки, угла и направления резания относительно волокон древесины с шероховатостью поверхности резания.
Исследования осуществлялись в три этапа: 1) проведение экспериментальных исследований процесса резания термически модифицированной древесины (ТМД) березы на маятниковом копре; 2) определение шероховатости поверхности резания ТМД березы прибором светового сечения МИС-11; 3) статистическая обработка экспериментальных данных, графическая интерпретация результатов.
Следуя методике экспериментальных исследований, величину шероховатости определяли по ГОСТ 2789-73 «Шероховатость поверхности. Параметры, характеристики и обозначения», ГОСТ 7016-82 «Изделия из древесины и древесных материалов. Параметры шероховатости поверхности» прибором светового сечения, двойным микроскопом (МИС-11 системы В.П. Линника) [5].
Руководствуясь планом экспериментальных исследований (таблица) [6], изготавливали образцы из древесины березы, осуществляли термическое модифицирование образцов по трем классам в зависимости от температуры обработки. Исследования процессов продольного и поперечного резания осуществлялись в лаборатории кафедры деревообрабатывающих производств Марийского государственного технического университета на маятниковом копре. Выбор диапазонов варьирования факторов резания ТМД основывался на практической значимости, а также ограниченных технических возможностях лабораторного оборудования. Важным параметром процесса резания является острота режущих ножей, при этом радиус затупления резцов, установленных на маятниковом коп-
118
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 5/2011
ДЕРЕВООБРАБОТКА
z = -11486,941 + 2512,4323x + 9664,3222-lny +
+ 20,366185\x2 - 2700,4966^(lny)2 - 1456,8131x4ny + + 277,33446\x3 + 251,1008b(lny)3 +
+ 218,85166-x-(lny)2 - 76,142568\x2lny;
R2 = 0,97891384 %; скорректир. R2 = 0,96385229 %; средняя ошибка (FitStdErr) 1,4689986;
F- статистика (Fstat) 77,37411 (P = 0,0000)
г° 0
z = -35,9297629 + 195,0056111x + 5,439203y +
+ 227,8786744-x2 - 0,05520447^ + 5,61747475xy; R2 = 0,8096382678 %; скорректир. R2 = 0,7461843571 %; средняя ошибка (FitStdErr) 10,96529042;
F - статистика (Fstat) 16,161995284 (P = 0,0000)
Рис. 1. Поверхности отклика величины шероховатости относительно угла резания и толщины снимаемой стружки для немодифицированной древесины березы: а) при продольном резании; б) при поперечном резании
z = -510,1997 + 0,75662665-lnx + 50,410726y +
+ 22,242887-(lnx)2 - 1,4484913-y2 + 2,4179743-y-lnx + + 11,584966-(lnx)3 + 0,014667898y +
+ 0,016381396;y4nx + 1,0644088-y-(lnx)2;
R2 = 0,98403252 %; скорректир. R2=0.97262717 %; средняя ошибка (FitStdErr) 2,6336734;
F- статистика (Fstat) 102.71214 (P = 0,0000)
z = -1078,5605 + 109,2724961-x +105,5953432y -
- 344,127258-x2 - 3,21154123y + 3,442535242xy -
- 893,059495x3 + 0,032159641-y3 -
- 0,21446928\x-y2 + 33,40433526-x2-y;
R2 = 0,8242808242 %; скорректир. R2 = 0,6987671272 %; средняя ошибка (FitStdErr) 18.13437478;
F - статистика (Fstat) 7.8181642243 (P = 0,00029)
Рис. 2. Поверхности отклика величины шероховатости относительно угла резания и толщины снимаемой стружки для древесины березы, модифицированной при 180°С: а) при продольном резании; б) при поперечном резании
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 5/2011
119
ДЕРЕВООБРАБОТКА
z = 3081,7682 + 1172,0966-lnx - 2266,6439^lny + + 88,701932-(lnx)2 + 561,96933<lny)2 -
- 588,149Hnx4ny + 11,583094<lnx)3 -
- 45,281277-(lny)3 + 79,382634ta<lny)2 --9,9262244^(lnx)4ny;
R2 = 0,97551447 %; скорректир. R2 = 0,9580248 %; средняя ошибка (FitStdErr) 2,0534436;
F- статистика (Fstat) 66,40074 (P = 0.0000)
z = -112,862816 + 572,482573x - 1971,44897X +
+ 2610,272306\x3 + 19,68404972y - 0,74742401/ + + 0,008733412;/;
R2 = 0,8259234762 %; скорректир. R2 = 0,7542449075 %; средняя ошибка (FitStdErr) 12,819279628;
F - статистика (Fstat) 14,233800021 (P = 0,00001)
Рис. 3. Поверхности отклика величины шероховатости относительно угла резания и толщины снимаемой стружки для древесины березы, модифицированной при 200°С: а) при продольном резании; б) при поперечном резании
z = 15,6778 + 15,559258-lnx + 2,3291223y +
+ 5,1949191-(lnx)2 - 0,0081090448-y2 +
+ 0,5835985ylnx;
R2 =0,98515287 %; скорректир. R2 = 0,98020382 %; средняя ошибка (FitStdErr) 1,8560086;
F - статистика (Fstat) 252,14166 (P = 0,0000)
z = 123,4443995 + 813,3035443x - 5,41906799y -- 2329,29367-x2 + 0,074157575y - 15,8536254xy + + 2920,214493-x3 + 9,56649^10'5-y3 +
+ 0,333887397\x-/ - 5,13425073x2y R2 = 0,8253942698 %; скорректир. R2 = 0,7006758912 %; средняя ошибка (FitStdErr) 8,9351440144;
F- статистика (Fstat) 7,8786481699 (P = 0,00028)
Рис. 4. Поверхности отклика величины шероховатости относительно угла резания и толщины снимаемой стружки для древесины березы, модифицированной при 220°С: а) при продольном резании; б) при поперечном резании
120
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 5/2011
ДЕРЕВООБРАБОТКА
ре, определялся с помощью биологического микроскопа методом световых полос и поддерживался в ходе эксперименты в заданном диапазоне: 5-6 мкм [7].
В ходе исследований определялась работа, затрачиваемая на резание ТМД, с помощью математических расчетов определялись усилие резания и удельная работа резания [8]. С помощью отдельной серии экспериментов находили количество повторных опытов при определении энергосиловых параметров резания ТМД. Параметры шероховатости определялись в пределах базовой длины.
Выходным параметром эксперимента являлась наибольшая высота профиля R , при этом находили среднее из пяти значений параметра по исследуемой поверхности резания.
Возможно определение значение параметра Rmax, мкм по формуле [5]
R = v(h - h . ), (1)
max max min
где i = 10 / 2-р, мкм цена деления барабана микрометрической головки; в - увеличение объектива прибора.
При этом было принято решение определить цену деления микрометрической головки отдельной серией опытов путем сопоставления результатов измерения перемещения соответствующей линии перекрестия в делениях барабана микрометрической головки и в интервалах деления штрихов объектмикрометра (i =0,614879).
Математические расчеты и графическое представление результатов исследований осуществлялись в программных комплексах «MSExсel» и «TableCurve 3D».
Результаты экспериментальных исследований шероховатости Rmax поверхности резания ТМД березы представлены на рис. 1-4.
На основании проведенных опытов можно сделать вывод о том, что наибольшее влияние на шероховатость поверхности резания оказывает толщина снимаемой стружки, в меньшей степени на выходную величину оказывает влияние угол резания и класс модификации древесины березы. При продольном резании в сравнении с немодифицированной древесиной березы наблюдается увеличение величины шероховатости поверхности резания в среднем на 60 %, 25 % и 40 % в зависи-
мости от повышения температуры, при которой осуществлялось модифицирование. При поперечном резании в сравнении с немодифицированной древесиной березы наблюдается увеличение шероховатости поверхности резания в среднем на 30 % и 15 % при температуре модификации 180°С и 200°С соответственно. Однако при 220°С величина шероховатости древесины березы сопоставима с величиной шероховатости немодифицированной древесины, при этом наблюдается уменьшение ее величины в диапазонах угла резания 25°-40° и толщин стружки 0,2-0,4 мм. Возрастание величин шероховатости, безусловно, связано со снижением механических характеристик древесины березы при термической обработке. Результаты исследований могут послужить основой при выборе оптимальных режимов термической модификации и механической обработки древесины березы. Целью дальнейших работ является углубление исследований в обозначенном направлении, в том числе изучение шероховатости поверхностей при станочных процессах обработки ТМД.
Библиографический список
1. Торопов, А.С. Исследование плотности древесины березы, пораженной сердцевинной гнилью / А.С. Торопов, Е.С. Шарапов // Изв. вузов. Лесной журнал. - 2006. - № 6. - С. 34-43.
2. Бодров, Ю. Превращение древесины в термодерево / Ю. Бодров // «Дегеуо.т». - 2007. - № 6. - С. 143-146.
3. ГОСТ 2789-73. Шероховатость поверхности. Параметры, характеристики и обозначения. - Взамен ГОСТ 2789-59; Введ. 01.01.75. - М.: Изд-во стандартов, 1982. - 13 с.
4. ГОСТ 7016-82. Изделия из древесины и древесных материалов. Параметры шероховатости поверхности. - Взамен ГОСТ 7016-75; Введ. 01.07.83.
- М.: Изд-во стандартов, 1983. - 6 с.
5. Выполнение измерений параметров шероховатости поверхности по ГОСТ 2789-73 при помощи приборов профильного метода: лабораторный практикум.
- Тамбов: Изд-во Тамб. ГТУ 2006. - 24 с.
6. Пижурин, А.А. Исследование процессов деревообработки / А.А. Пижурин, М.С. Розенблит. - М.: Лесная пром-сть, 1984. - 231 с.
7. Торопов, А.С. Резание древесины: лабораторный практикум / А.С. Торопов, С.А. Еремин. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2003. - 40 с.
8. Бершадский, А.Л. Резание древесины: учеб. пособие / А.Л. Бершадский. - Минск: Вышэйш. школа, 1975. - 304 с.
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 5/2011
121
