CC BY
39
БИОЭНЕРГЕТИКА И БИОТЕХНОЛОГИИ
КАЧЕСТВО ШИПОВ, ИЗГОТОВЛЕННЫХ холодным ТОРЦОВЫМ ПРЕССОВАНИЕМ
О. А. РУБЛЕВА, ст. преподаватель каф. машин и технологий деревообработки ВятГУ,
Г.П. КУЗНЕЦОВ, проф. каф. начертательной геометрии и черчения ВятГУ, д-р техн. наук
В производстве мебели, столярно-строительных и других изделий из древесины широко применяются шиповые клеевые соединения деталей. В [1] представлена инновационная технология изготовления шипов прямоугольной формы путем вдавливания в торцы заготовок на прессах пуансона с профилем, соответствующим форме шипов. При внедрении этой технологии актуальной проблемой является оценка показателей качества шипов и шиповых соединений.
Проведен комплекс исследований, целью которых являлась разработка системы показателей для оценки качества шипов, полученных холодным торцовым прессованием, и разработка методов их измерения, оценки и анализа.
Для определения номенклатуры [2] показателей качества шипов и шиповых соединений использовали рекомендации:
- государственных стандартов на соединения по длине и изделия с их применением (ГОСТ 19414-90, 9330-76, 475-78, 23166-99);
- типовых номенклатур показателей качества продукции [3, 4];
- государственных стандартов на номенклатуру показателей качества для изделий из древесины (ГОСТ 4.208-79, 4.226-83).
В систему для оценки качества шипов включены следующие показатели:
1) твердость дна проушин, оцениваемая по показателю HRL или HRM;
2) относительная глубина деформированной зоны h3 (рис. 1);
3) шероховатость граней шипа (проушины) R , оцениваемая по ГОСТ 701682;
4) качество макроструктуры пластически деформированной зоны;
5) прочность шиповых соединений на растяжение crW и изгиб oizW оцениваемая по ГОСТ 15613.5-79 и 15613.4-78.
ru_olga_ru@mail.ru; kuznetsov@vgu.ru
Шип
Выполнен комплекс исследований, целью которого являлась разработка моделей для расчета показателей качества шипов и прочности шиповых соединений.
Исследования качества шипов проводили на заготовках из древесины сосны, березы, дуба влажностью W = 8 х 18 %. Размеры заготовки: толщина S = 25 мм, ширина T = 40 мм, высота Н = 60 мм; размеры проушины: глубина hn = 5 х 11 мм, ширина В = 4 х 20 мм. Форма и размеры заготовки приведены на рис. 1.
Прессование шипов выполняли на прессе П-10 с приспособлением для закрепления заготовок и инструмента (пуансона). Для измерения влажности применяли влагомер Hydromette Compact. Твердость по методу Роквелла измеряли на приборе ТР 5014. Фотографии образцов получали с помощью фотоаппарата Canon A530 и сканера HP ScanJet 2380. Экспериментальные исследования прочности шиповых соединений проводили на разрывной машине Р-5.
Прессование шипов осуществляли со скоростью v = 50 мм/мин, при этом заготовки обжимали с усилием Р = 1000 Н.
160
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 4/2010
БИОЭНЕРГЕТИКА И БИОТЕХНОЛОГИИ
Таблица 1
Уровни и интервалы варьирования факторов
Порода древесины Факторы Интервалы варьирования Уровни факторов
основной 0 верхний +1 нижний -1
Сосна Влажность древесины W, % 5,0 13,0 18,0 8,0
Глубина проушины кп, мм 3,0 8,0 11,0 5,0
Ширина проушины В, мм 8,0 12,0 20,0 4,0
Береза Влажность древесины W, % 1,5 8,0 9,5 6,5
Глубина проушины кп, мм 2,0 6,0 8,0 4,0
Ширина проушины В, мм 8,0 12,0 20,0 4,0
Дуб Влажность древесины W, % 1,0 8,0 9,0 7,0
Глубина проушины кп, мм 1,5 7,5 9,0 6,0
Ширина проушины В, мм 8,0 12,0 20,0 4,0
Для получения профиля шипового соединения на обеих соединяемых деталях использовали один и тот же пуансон и приспособление.
Для определения относительной глубины деформированной зоны h3 измеряли глубину проушины hn и размер деформированной зоны hd под проушиной. Расчет относительной глубины деформированной зоны h3, % производили по формуле (1)
h3 = (hd / hn>100, (1)
Для расчета относительного увеличения твердости (HRL для образцов из древесины сосны, HRM для образцов из древесины березы и дуба) замеряли торцовую твердость образца до прессования проушины и твердость дна полученной проушины. Статическая твердость торцовой поверхности образцов до изготовления проушины на образцах из древесины сосны составляла 37 HRL, из древесины березы 35 HRM, из древесины дуба 39 HRM. Расчет относительного увеличения твердости производили по формулам (2) и (3)
HRL=HRLd HRLt -100, (2)
HRLt
HRM =HRMcHRMlioo , (3)
HRMt
где HRLd , HRMd твердость дна проушины; HRL t , HRMt - торцовая твердость образ-
ца.
Для получения математических моделей (уравнений регрессии), необходимых для технологических расчетов HRL или HRM и h3, реализовали полный факторный эксперимент типа 23 для древесины березы и дуба и некомпозиционный план второго порядка для трех факторов для древесины сосны. Уровни
и интервалы варьирования факторов приведены в табл. 1.
Математическую обработку экспериментальных данных проводили по методике, приведенной в [5]. В результате статистической обработки результатов экспериментов (при 5 %-ом уровне значимости) получили эмпирические модели расчета твердости дна проушины HRL или HRM и относительной глубины деформированной зоны h3, представленные на рис. 2. Модели позволяют с достаточной точностью определить твердость дна и относительную глубину деформированной зоны прямоугольной проушины в заготовках из древесины сосны, березы, дуба.
Оценку шероховатости граней проушины R проводили по фотоснимкам срезов образцов путем измерения высот максимальных неровностей в соответствии с ГОСТ 7016-82. При исходной шероховатости торца заготовки R = 200 мкм среднее значение шероховатости граней проушины для образцов из древесины сосны составило R = =80 мкм, из древесины березы - R = 83 мкм, из древесины дуба - Rm max = 78 мкм.
Оценку качества макроструктуры пластически деформированной зоны проводили визуально, по фактическому состоянию образцов и их фотоснимкам, путем сравнения с эталонами. Для оценки разработали пятибалльную шкалу: от 5 баллов - «отличная структура» - видимые изменения макроструктуры отсутствуют, до 1 балла - «дефектная структура» - в зоне деформации наблюдается значительное изменение направления волокон и значительное изменение тона окраски, четко просматриваются границы деформированной зоны.
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 4/2010
161
БИОЭНЕРГЕТИКА И БИОТЕХНОЛОГИИ
Порода древесины, ширина заготовки
A X
W, h„, B
сосна
HRL = 136,94 + 12,20W - 13,89hn + 7,41B - 1,06W2 -0,35B2 + 1,25Whn + 0,29WB-0,20hnB h3 =-27,28 +12,69W + 6,14hn + 3,21B - 0,3 4W2 -1,10h2 - 0,16B2 - 0,3 2WB + 0,76hnB
береза
HRM = 158,47 - 5,39W + 12,83hn - 0,60hnB + 3,62B h3 = 860,40 - 73,45W - 67,5h - 20,68B + 5,81Wh + 1,72 WB + 0,87hB
дуб
HRM = 246,80 - 7,28W - 1,43hn - 4,94B + 0,52hnB h3 =-937,09 + 136,72W + 94,98hn + 29,23B - 13,21Whn - 3,14WB
HRL (HRM),
h3
Рис. 2. Модели расчета твердости дна и относительной глубины деформированной зоны прямоугольной проушины
Так, в образцах из древесины сосны изменения макроструктуры деформированной зоны оценили в основном на 4 балла (53 %), 4 % образцов были оценены на 5 баллов, 7 % - на 3 балла, 3 % - на 2 балла. Образцы из древесины березы и дуба в основном были оценены на 3 или 4 балла. 4 % образцов из древесины березы и 6 % образцов из древесины дуба были оценены на 1 балл. 32 % образцов из древесины березы и 28 % образцов из древесины дуба были оценены на 4 балла.
По приведенным в [6] данным, нормативная прочность зубчатых соединений на современных клеях составляет 50 - 60 % прочности древесины. В связи с этим для расчета пределов прочности соединения по длине на растяжение orW и на изгиб о при заданной влажности получены аналитические модели (4) и (5)
°rW = ^ (4)
GzW = k2az (5)
где ог - предел прочности древесины при растяжении вдоль волокон, при заданной влажности;
о - предел прочности древесины при статическом изгибе, при заданной влажности;
k и к2 - поправочные коэффициенты, полученные в результате эксперимен-
тальных исследований, учитывающие форму и размеры соединения, применяемый клей, влажность заготовок. Физико-механические характеристики древесины образцов при нормализованной влажности 12 % (прочность при статическом изгибе и растяжении вдоль волокон) определяли по методикам, приведенным в [7]. Прочность соединений по длине на растяжение и изгиб определяли в соответствии с требованиями ГОСТ 19414-90.
Исследование прочности шиповых соединений проводили на заготовках из древесины сосны и березы толщиной S = 25 мм, шириной T = 40 мм, длиной Н = 160 мм. Путем прессования на заготовках получили профиль шипового соединения двух типоразмеров - А и Б. Для типоразмера А толщина шипа составила Sш = 2 мм, ширина проушины В = 2,2 мм, глубина проушины hn = 10 мм, шаг шипа (ш = Sm+hn = 4,2 мм; для типоразмера Б - S = 4 мм, В = 4,2 мм, h = 20 мм, t =
8,2 мм.
После прессования шипов на торцах заготовки соединялись на клей ПВА с пределом прочности клея на сдвиг при растяжении не менее 4,4 МПа. Применялось двухстороннее нанесение клея, расход 200 г/м2.
162
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 4/2010
БИОЭНЕРГЕТИКА И БИОТЕХНОЛОГИИ
Таблица 2
Результаты испытаний и значения коэффициентов к и к2
Порода образца и тип соединения Предел прочности соединения на растяжение оГ12, МПа Предел прочности древесины на растяжение аг, МПа Предел прочности соединения на изгиб Ом2, МПа Предел прочности древесины на изгиб oz, МПа к1 к2
сосна А 46,640 108,9 48,908 83,4 0,4283 0,5864
сосна Б 41,808 108,9 48,508 83,4 0,3839 0,5816
береза А 55,322 136,9 51,356 107,5 0,4041 0,4777
береза Б 51,586 136,9 50,268 107,5 0,3768 0,4676
Время открытой выдержки 30 с, время закрытой выдержки 30 с. Усилие запрессовки не более 5000 Н. Время выдержки под давлением 30 с. После склеивания образцы выдерживали при относительной влажности воздуха 65±15 % и температуре 200С в течение 22 суток.
Испытания на растяжение и на изгиб проводились по ГОСТ 15613.5-79 и 15613.478. При определении предела прочности при продольном растяжении образец непрерывно нагружали со скоростью 10 мм/мин так, чтобы разрушение происходило через 20±10 с. При определении предела прочности при статическом изгибе скорость приложения нагрузки устанавливалась постоянной; разрушение происходило через 2,5±0,5 мин.
В результате экспериментов определены значения пределов прочности соединений и поправочных коэффициентов к и к2 (табл. 2).
Величина поправочных коэффициентов kj и к2 составила от 0,38 до 0,59, то есть прочность соединения на прямоугольный шип - не менее 38 % прочности древесины. Для сравнения, нормативное снижение прочности сечения зубчатого шипового соединения по сравнению с прочностью цельной древесины может составлять до 50 % (к2 = 0,5) при величине затупления шипов от 2,5 до 3,5 мм [5]. Вместе с тем, по ГОСТ 475-78, прочность на изгиб деталей каркаса и полотен дверей должна составлять не менее 26 МПа (к1<0,31), для деталей коробок дверей не менее 20 МПа (к1<0,24). Следовательно, прочность исследуемых соединений можно считать достаточно высокой и удовлетворяющей требованиям стандартов на изделия из склеенных по длине заготовок.
Модели расчета прочности соединений приведены на рис. 3.
A X
V ▼
Рис. 3. Модели расчета прочности соединений по длине на растяжение и изгиб
Постоянными факторами являются порода древесины, характеристики клея, режимы склеивания. Переменными факторами являются влажность заготовки W, пределы прочности древесины при растяжении вдоль волокон и при статическом изгибе. В результате применения моделей можно определить значения пределов прочности на растяжение и изгиб для соединений на прямоугольные шипы, полученные холодным торцовым прессованием.
Результаты исследования:
1) разработана система показателей для оценки качества шипов, полученных холодным торцовым прессованием;
2) разработаны методы измерения, оценки и анализа показателей качества: твердости дна проушины, относительной глубины деформированной зоны и макроструктуры пластически деформированной зоны в образцах из древесины сосны, березы, дуба;
W ’ * ,12’ ° *12
Порода древесины, характеристики клея, режимы склеивания
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 4/2010
163
