Стандартизация шероховатости поверхности древесины и древесных материалов Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

ДЕРЕВООБРАБОТКА

Рис. 5. Зависимость RGB составляющих цвета термомодифицированной древесины сосны от температуры стационарного нагрева: ......расчетные данные по модели прогнозирова-

ния цвета; - данные Ахметовой Д.А. [3]

зультатами других исследователей. На рис. 5 представлены зависимости цветовых составляющих R, G, B, рассчитанные для различной температуры обработки t = 160.. ,240°C (продолжительность нагрева во всех расчетах 5 часов). Также на рис. 5 нанесены экспериментальные кривые R, G, B, построенные по данным Ахметовой Д.А.[3]. Продолжительность и температура обработки в экспериментах и расчетах одинаковы; режим нагрева - стационарный; среда обработки - вакуум.

Также было выполнено сравнение с данными финляндских исследователей [4]. Научным исследовательским центром VTT получена зависимость цветового показателя L от температуры обработки. Было установлено удовлетворительное совпадение данных

финляндских исследователей с данными, полученными по представленной модели.

Таким образом, на основе проведенных проверок можно сделать вывод о работоспособности предлагаемой математической модели для прогнозирования цветовых характеристик термомодифицированной древесины.

Библиографический список

1. Кислицын, А.Н. Пиролиз древесины: химизм, кинетика, продукты, новые процессы / А.Н. Кислицын. - М.: Лесная пром-сть, 1990. - 312 с.

2. Шведов, Б.А. Дисс. ... д-ра техн. наук / Б.А. Шведов. - М.: 1990. - 542 с.

3. Ахметова, Д.А. Дисс. ... канд. техн. наук / Д.А. Ахметова. - Казань, 2009. - С. 97-101.

4. Финская ассоциация термообработки древесины: Справочник «Термовуд» - /http:// www.termowood.fi

СТАНДАРТИЗАЦИЯ ШЕРОХОВАТОСТИ ПОВЕРХНОСТИ

древесины и древесных материалов

Б.М. РЫБИН, проф. каф. технологии мебели и изделий из древесины МГУЛ, д-р техн. наук, В.Г. САНАЕВ, проф. каф. древесиноведения МГУЛ, д-р техн. наук,

Д.В. КИРИЛЛОВ, асс. каф. технологии мебели и изделий из древесины МГУЛ

Во исполнение положений Федерального закона «О техническом регулировании» в Московском государственном университете леса разработаны проекты стандартов «Изделия из древесины и древесных материалов. Параметры шероховатости поверхности» и «Изделия из древесины и древесных материалов. Методы определения параметров шероховатости». Стандартам будет присвоен статус межгосударственных,

rybin@mgul. ac. ru

что позволит выработать единую систему оценки качества поверхности изделий и деталей из древесины и древесных материалов на территории евразийского содружества и гармонизировать национальные стандарты с международными в области технологии деревообработки.

В основе разработанных стандартов использовались ГОСТ 7016-82 и ГОСТ 15612-85 соответственно на параметры ше-

ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 3/2012

109

ДЕРЕВООБРАБОТКА

роховатости и методы их измерения. В 80х годах ХХ столетия методики, предложенные в этих стандартах, отвечали уровню мировых разработок. Так ГОСТ 7016-82 являлся одновременно стандартом стран членов СЭВ (СТ СЭВ 3503-81). В этих стандартах были предложены для оценки шероховатости поверхности древесных материалов современные параметры, позволяющие контролировать качество механической обработки. Кроме того, для измерения параметров шероховатости были предложены как оптические приборы, так и современные для того времени профилографы-профилометры завода «Калибр».

В настоящее время предусмотренные в ГОСТ 15612-85 оптические приборы МИС-11 и ТСП-4М, а также профилографы-профилометры завода «Калибр» моделей 201, 252, 283 и др. по тем или иным причинам сняты с производства. Отсюда в разрабатываемых стандартах необходимо было определиться с техникой измерения параметров шероховатости на поверхностях древесины и древесных материалов. Сложность заключалась в том, что поверхности древесины и древесных материалов после механической обработки резанием имеют неровности, значительно отличающиеся по высоте и шагу. Так, после рамного пиления высота неровностей достигает значения более 1500 мкм, а после чистового шлифования поверхности натуральной древесины или шпона под отделку жидкими лакокрасочными материалами - менее 16 мкм. Значительное отличие имеют также шаговые характеристики неровностей на древесине и древесных материалах.

В настоящее время в результате повышенного темпа строительства зданий жилого типа используются значительные объемы натуральной древесины в виде досок полов и других конструкций, поверхности которых получены в результате продольного фрезерования. ГОСТы 80х годов не предусматривали оценку возникающей при таких видах обработки кинематической волнистости как доминирующего вида неровностей, а также анатомических неровностей. Последнее имеет особое значение в современной практике,

так как на отечественный рынок поступает значительное количество натуральной древесины тропических и других стран, имеющих анатомические неровности в поверхностном слое, превосходящие по удельному весу неровности, образующиеся в результате механической обработки. Кроме того, в технологии деревообработки за последние 20 лет появились материалы повышенного спроса, такие как моноструктурные плиты, плиты с ориентированным расположением древесных частиц, структурированный шпон, качество поверхности которых было недостаточно изучено с точки зрения предельно допустимых значений параметров шероховатости.

В отечественной и зарубежной практике [1, 2] появились разработки, позволяющие для определения параметров шероховатости использовать более современные методики и более современную приборную базу для контроля шероховатости поверхности древесных материалов. В их основе лежат профильно-контактные приборы, позволяющие в предусмотренной области измерений в автоматическом режиме фиксировать значительное количество разнообразных параметров шероховатости контролируемой поверхности. При разработке стандартов на параметры шероховатости и методы их определения были решены все перечисленные задачи и предусмотрены особенности использования новинок современного уровня.

В основу предлагаемых стандартов были взяты следующие параметры шероховатости: Rm , Rm, Rz, Ra, Sm.

Параметр шероховатости Rm ис-

пользуется при оценке качества поверхностей, на которых преобладают существенно отличающиеся друг от друга неровности величиной от 500 до 1600 мкм (пиломатериалы после раскроя, структурные неровности на поверхности древесных плит из крупноразмерных частиц). Его основным достоинством является простота определения с помощью индикаторного глубиномера, так как ни один из существующих профилогра-фов-профилометров не способен работать на таких грубых поверхностях.

110

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2012

ДЕРЕВООБРАБОТКА

Таблица 1

Значения параметра шероховатости Rmmax для различных древесных материалов и способов обработки

Поверхности материалов и способы обработки Значения параметра шероховатости Rmmax, мкм

Пиломатериалы после рамного распила - хвойных пород древесины 500-1600

- лиственных пород древесины 320-1250

Пиломатериалы после распила ленточными пилами - хвойных пород древесины 100-1600

- лиственных пород древесины 100-800

Пиломатериалы после пиления дисковыми пилами 100-1250

Пиломатериалы после пиления круглыми строгальными пилами не более 200

Древесина после продольного фрезерования 32-320

Шпон лущеный не более 200

Шпон строганый (листы для облицовки) - хвойных и лиственных кольцесосудистых пород древесины - лиственных рассеянососудистых пород древесины не более 200 не более 100

Структурированный шпон (листы для облицовки) не более 200

Древесные плиты ориентированной структуры из крупноразмерных частиц (OSB) 200-800

Параметр шероховатости Rm -

г г г max

среднее арифметическое высот отдельных наибольших неровностей на поверхности определяется по формуле

1 n

Rmmax =-Z Hmax,- , (1)

ni=1

где Hmax. - расстояние от низшей точки впадины до высшей точки выступа i-й наибольшей неровности; n - число неровностей (не менее пяти).

Предельные значения параметра шероховатости Rmmax для различных древесных материалов и способов обработки приведены в табл. 1.

Параметры шероховатости Rm, Rz, Sz по ГОСТ 15612-85 определялись при ручной обработке машинописных профилограмм от некоторой базовой линии (линии отсчета). Современные профилометры-профилографы способны обрабатывать профилограммы в автоматическом режиме от средней линии профиля т, что значительно упрощает и ускоряет работу. По этой причине в разрабатываемых стандартах была принята методика определения параметров шероховатости Rm, Rz, Ra и Sm от средней линии профиля по аналогии с международной практикой.

Параметр шероховатости Rm оценивает поверхностный слой материала, затронутый обработкой, и является одной из

слагаемых общей величины операционного припуска на обработку.

Параметр шероховатости Rm - расстояние между высшей точкой наибольшего выступа профиля и низшей точкой набольшей впадины профиля в пределах базовой длины (рис. 1) определяется по формуле

Rm=Ур + А

max max

(2)

где yPmax - расстояние от средней линии профиля (т) до высшей точки наибольшего выступа профиля в пределах базовой длины; yvmax - расстояние от средней линии профиля (т) до низшей точки наибольшей впадины профиля в пределах базовой длины.

Параметр шероховатости Rz (высота неровностей профиля по десяти точкам) - сумма средних абсолютных значений высот пяти наибольших выступов профиля и глубин пяти наибольших впадин профиля, измеренных от средней линии, в пределах базовой длины (рис. 1) определяется по формуле

1 5 5

Rz=-(Z Ур. +Z 5 i=1 i i=1

),

(3)

где ур, - расстояние от средней линии профиля до высшей точки i-го выступа из пяти наибольших;

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2012

111

ДЕРЕВООБРАБОТКА

Таблица 2

Значения параметров шероховатости Rm, Rz, Ra и Sm для различных древесных материалов и способов обработки

Поверхности материалов, изделий и способы обработки Значения параметров шероховатости

высотных, мкм шаговых, мм

Rm Rz Ra Sm

Фанера общего назначения с наружными слоями из шпона хвойных пород древесины - нешлифованная - шлифованная не более 320 не более 200 - - -

Фанера общего назначения с наружными слоями из шпона лиственных пород древесины - нешлифованная - шлифованная не более 200 не более 100 - - -

Древесно-стружечные плиты - нешлифованные - шлифованные не более 500 не более 63 не более 400 не более 50 не более 12,5 не более 16 0,1-2,5

Плиты древесные моноструктурные шлифованные 16-32 - - -

Древесно-волокнистые плиты - нешлифованные - шлифованные не более 32 не более 100 не более 16 не более 80 не более 2,5 не более 12,5 0,125-3,2

Древесина шлифованная 16-250 12,5-160 2,5-16 -

Клееные мебельные щиты шлифованные 16-63 12,5-40 2,5-12,5 -

Мебельные щиты, облицованные натуральным шпоном 16-32 - - -

Паркет и паркетные доски не более 32 не более 20 не более 3,2 -

yv. - расстояние от средней линии профиля до низшей точки i-й впадины из пяти наибольших.

Параметр шероховатости Ra (среднее арифметическое отклонение профиля) - среднее арифметическое абсолютных от-

клонений профиля в пределах базовой длины (рис. 1) определяется по формуле

1 n, |

Ra=~7 =1У-1 ’ (4)

n г~1

где у. - отклонение профиля от средней линии профиля;

112

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2012

ДЕРЕВООБРАБОТКА

Рис. 2. Определение параметров Rp, Rk, Rv по относительной опорной кривой: а) профилограмма, б) относительная опорная кривая

П - количество измеренных отклонений от средней линии профиля.

Параметр шероховатости Sm является вспомогательным и служит частотной характеристикой неровностей на контролируемой поверхности. Параметр шероховатости Sm - шаг неровностей по средней линии профиля в пределах базовой длины (рис. 1) определяемый по формуле

1 k

Sm=—'Z Sm. , (5)

k i=1

где Sm. - шаг i-й неровности по средней линии профиля;

k - число шагов неровностей по средней линии профиля.

Предельные значения параметров шероховатости Rm, Rz, Ra и Sm для различных древесных материалов и способов обработки приведены в табл. 2.

Для разграничения анатомических неровностей от собственно неровностей, характеризующих шероховатость, предлагается введение параметров шероховатости Rp, Rk, Rv, в основе которых лежит разграничение профиля неровностей на составляющие по относительной опорной кривой.

Для определения параметров шероховатости Rp, Rk, Rv по профилограмме (рис. 2а), снятой с контролируемой поверхности, строится относительная опорная кривая (рис. 2б). К центральному прямолинейному участку относительной опорной кривой проводится касательная линия (рис. 2б). Линия уровня сечения профиля, полученная из точки пересечения касательной к

центральному прямолинейному участку относительной опорной кривой с перпендикуляром, восстановленным в начале координат оси относительной опорной длины, получила название линия единичных выступов. Линия уровня сечения профиля, полученная из точки пересечения касательной к центральному прямолинейному участку относительной опорной кривой с перпендикуляром, восстановленным в точке 100 процентов по оси относительной опорной длины, получила название линия единичных впадин.

Вертикальное расстояние в микрометрах между линией единичных выступов и линией единичных впадин есть величина параметра Rk. Значение параметра шероховатости Rk характеризует высоту неровностей, доминирующих в профиле поверхности.

Высота неровностей Rp - расстояние от высшей точки наибольшего выступа профиля до линии единичных выступов в пределах базовой длины. Значение параметра шероховатости Rp характеризует величину превышения отдельных выступов над основной массой неровностей, созданных в процессе обработки

Высота неровностей Rv - расстояние от линии единичных впадин до низшей точки наибольшей впадины профиля в пределах базовой длины. Значение параметра шероховатости Rv характеризует величину заглубления отдельных впадин ниже основной массы неровностей, созданных в процессе обработки или являющихся анатомическими неровностями.

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2012

113

ДЕРЕВООБРАБОТКА

Параметры Rp, Rk предлагается использовать для оценки качества механической обработки поверхности. Параметр Rv предлагается использовать для контроля величины анатомических неровностей на поверхности древесины.

Значения параметров шероховатости Rp, Rk, Rv для древесины различных пород приведены в табл. 3.

В проекте новых стандартов для оценки кинематической волнистости, возникающей в результате продольного фрезерования поверхности древесины, предлагается использовать параметр шероховатости Rmmax. Для этого измеряют диаметр режущего инструмента, сформировавшего поверхность. Радиус окружности (г), описываемой лезвием ножа, будет равен половине

Т а б л и ц а 3

Значения параметров шероховатости Rp, Rk, Rv для древесины различных пород на поверхности древесины различных пород

Поверхности древесины различных пород под отделку Значения параметров шероховатости, мкм

Rp Rk Rv

Ель (Picea) 8,0 12,5 32

Сосна (Pinus) 12,5 16 25

Пихта (Abies) 10 20 25

Лиственница (Larix) 10 20 32

Тисс (Taxus) 5,0 12,5 16

Береза (Betula) 6,3 8,0 16

Граб (Carpinus) 8,0 8,0 20

Груша (Pyrus Communis) 5,0 10 16

Клен (Acer) 10 12,5 32

Липа (Tilia) 6,3 16 32

Бук (Fagus) 10 16 32

Осина (Populus) 12,5 16 32

Фисташка (Pistacia) 6,3 12,5 20

Вяз (Ulmus) 12,5 20 32

Акация (Acacia) 16 20 40

Дуб (Quercus) 16 16 100

Ясень (Fraxinus) 5,0 20 100

Абачи (Triplochiton scleroxylon) 12,5 25 160

Ироко (Milicia excelsa) 12,5 12,5 100

Венге (Millettia laurentii) 25 32 160

Керуинг (Dipterocarpus Alatus) 32 60 125

Сапели (Entandrophragma

cylindricum) 16 32 100

Амарант (Peltogyne venosa) 12,5 16 100

диаметра режущего инструмента. На образце выбирают не менее трех участков длиной от 100 до 150 мм каждый, перпендикулярно следам обработки. Визуально фиксируют суммарное количество волн на каждом из контролируемых участков. Длину волны определяют как частное от деления длины участка на соответствующее количество волн. Значение параметра шероховатости Rmmax, в микрометрах, вычисляется по формуле

l2

Rmmax =~ 1000, (7)

8-г

где г - радиус окружности, описываемой лезвием ножа, мм;

l - среднее арифметическое значение длины волны кинематической волнистости на контролируемой поверхности, мм.

Предельные значения параметра шероховатости Rmmax для поверхности древесины после продольного фрезерования приведены в табл. 1.

Пересмотр и разработка стандартов позволили предусмотреть необходимые параметры шероховатости (Rmmax, Rm, Rz, Ra, Sm, Rp, Rk, Rv) для оценки как неровностей, полученных в результате механической обработки контролируемых поверхностей древесины и древесных материалов, так и анатомических неровностей древесины. Для определения перечисленных параметров шероховатости предлагается использовать современные методы и приборы, отвечающие уровню мировой практики. Предлагаемые ГОСТы способствуют на территории евразийского содружества гармонизации национальных стандартов с межгосударственными в области технологии деревообработки.

Библиографический список

1. Рыбин, Б.М. К вопросу шероховатости поверхности древесины и древесных материалов / Б.М. Рыбин, Д.В. Кириллов // Технология и оборудование для переработки древесины: науч. тр. - М.: МГУЛ, 2011. - Вып. 353. - 256 с.

2. Magoss E. General Regularities of Wood Surface Roughness / E. Magoss // Acta Silv. Lign. Hung. // Vol. 4 - 2008 - p. 81-93.

114

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2012