Обоснование технологических параметров процесса строгания древесины на шпон вращающимся механизмом резания тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.21.05, кандидат наук Гайнуллин, Ришат Харисович

• Гайнуллин, Ришат Харисович
• кандидат наук
• 2017

Оглавление диссертации кандидат наук Гайнуллин, Ришат Харисович

ВВЕДЕНИЕ.........................................................5

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ...........11

1.1. Общие сведения о стружкообразовании при резании древесины...11

1.2. Стружкообразование при сложном резании древесины................12

1.3. Общие сведения о продукции, получаемой строганием...............14

1.4. Требования к сырью и его подготовка для производства

строганого шпона.................................................17

1.4.1. Требования и правила хранения сырья.......................17

1.4.2. Методы раскроя древесного сырья на заготовки и их особенности.19

1.4.3. Влаготермообработка заготовок для строгания древесины на шпон.23

1.5. Анализ способов и конструкций станков для изготовления шпона....24

1.6. Характеристики дереворежущего инструмента шпонострогальных

станков..............................................................33

1.7. Анализ методик определения производительности

шпонострогальных станков.............................................35

1.8. Теоретические и экспериментальные изыскания по определению

усилий резания при строгании древесины...............................36

1.9. Цель и задачи исследований......................................40

Глава 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ И ТЕХНИЧЕСКОЕ РЕШЕНИЯ ДЛЯ

РАСШИРЕНИЯ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ИЗГОТОВЛЕНИЯ

СТРОГАНОГО ШПОНА.....................................................42

2.1. Способ и конструкция станка для изготовления строганого шпона...42

2.2. Структурная схема технологического процесса

шпонострогального производства...................................45

2.3. Состав поточной линии и технологическая схема

производственных участков........................................46

2.4. Теоретическое определение производительности шпонострогального

3

станка с вращающимся механизмом резания........................50

Глава 3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРОЦЕССА СТРОГАНИЯ ДРЕВЕСИНЫ НА ШПОН ВРАЩАЮЩИМСЯ МЕХАНИЗМОМ

РЕЗАНИЯ...........................................................54

3.1. Элементы механизма резания и параметры их взаиморасположения.54

3.2. Разработка математической зависимости усилий резания и

определение энергосиловых параметров процесса строгания древесины

на шпон вращающимся режущим инструментом.......................58

Глава 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА СТРОГАНИЯ ДРЕВЕСИНЫ НА ШПОН ВРАЩАЮЩИМСЯ

МЕХАНИЗМОМ РЕЗАНИЯ.............................................64

4.1. Задачи экспериментальных исследований, планирование

эксперимента...................................................64

4.2. Экспериментальные исследования............................66

4.2.1. Факторы, определяющие процесс строгания древесины

на шпон вращающимся режущим инструментом.......................66

4.2.2. Лабораторная установка для проведения экспериментов.....67

4.2.3. Измерительная аппаратура................................68

4.2.4. Тарировка тензометрической балки........................70

4.3. Подготовка древесных заготовок для экспериментов..........70

4.4. Анализ экспериментальных данных, их обработка и

математическое описание........................................71

4.4.1. Анализ экспериментальных данных.........................72

4.4.2. Математическое описание экспериментальных данных........73

4.5. Определение значений поправочных коэффициентов ...........77

4.6. Моделирование процесса строгания древесины на шпон

вращающимся механизмом резания....................................80

4.7. Оценка качества полученного шпона............................88

4

Глава 5. ОЦЕНКА ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВНЕДРЕНИЯ

ШПОНОСТРОГАЛЬНЫХ СТАНКОВ С ВРАЩАЮЩИМСЯ МЕХАНИЗМОМ РЕЗАНИЯ...................................................91

5.1. Технологический процесс и организация производства..............91

5.2. Технико-экономические показатели использования оборудования.....92

5.3. Смета трудозатрат и средств на оплату труда на основных работах.92

5.4. Определение трудозатрат вспомогательных рабочих и средств

на оплату труда......................................................97

5.5. Калькуляция амортизационных отчислений..........................98

5.6. Расчёт потребности и стоимости электроэнергии...................99

5.7. Смета затрат на техническое обслуживание и ремонт .............100

5.8. Расчет себестоимости содержания оборудования...................101

5.9. Смета эксплуатационных затрат..................................101

5.10. Расчет показателей экономической эффективности

предлагаемого шпонострогального станка..............................102

Заключение..........................................................104

Список литературы...................................................106

Приложения..........................................................115

Приложение 1 . Проверка нормальности распределения ряда предварительных измерений и определение минимального количества наблюдений в опыте.......................................116

Приложение 2. Акты внедрения результатов исследования в учебный процесс и производство..............................................119

Приложение 3. Патенты на изобретения................................121

5

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Обоснование технологических параметров процесса строгания древесины на шпон вращающимся механизмом резания»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. По мере развития лесной отрасли стало понятно, что для извлечения максимальной выгоды от реализации древесины назрела необходимость ее глубокой переработки. Этот момент подразумевает под собой создание, совершенствование и обоснование новых технологий и, соответственно, применяемого оборудования. Не является исключением и деревообрабатывающая промышленность, а именно одна из ее составляющих - производство строганого шпона.

Существующие в настоящее время способы получения шпона имеют свои достоинства и недостатки. Наиболее изученной является технология изготовления шпона поперечным относительно волокон древесины строганием при прямолинейном возвратно-поступательном движении режущего суппорта. Шпонострогальные станки, работающие по такому принципу, имеют внушительные габаритные размеры и металлоемкость. Это связано с тем, что шириной стружки является длина строгаемой заготовки, достигающая в некоторых случаях 6 м. Традиционно сложилось так, что в конструкции привода поперечно-строгальных станков присутствует кривошипно-шатунный механизм, из-за чего в работе станка всегда присутствует холостой ход. Заточка и оправка режущих ножей и прижимных линеек для таких станков представляет известные трудности. Шпон, получаемый таким способом, имеет наибольшее количество пороков: внутренние микротрещины, вырывы, большая шероховатость поверхности.

В последнее время наблюдается тенденция перехода от принципа поперечного строгания к продольному. Конструктивно станки этого типа значительно меньше по массе по сравнению со станками поперечного строгания. Тем не менее, производительность продольно-строгальных станков ниже. Это обусловлено наличием холостого хода при работе и тем, что ход режущего суппорта больше длины заготовки. Повышение производительности продольно-строгальных станков возможно использованием системы RING - набора продольных и поперечных транспортеров, обеспе

6

чивающих перемещение и непрерывную подачу строгаемых заготовок по кругу. Ввиду технологических особенностей продольного строгания шпон, получаемый таким способом, практически лишен вырывов и внутренних трещин, а шероховатость поверхности значительно ниже.

Шпон, полученный путем строгания древесины с использованием вращающегося механизма резания, не уступает по качеству поверхности шпону, полученному продольным строганием. Конструктивные особенности станка с вращающимся механизмом резания позволяют решить проблемы наличия холостого хода режущего инструмента, металоемкости и низкой производительности.

В работе рассматривается процесс строгания древесины на шпон вращающимся режущим инструментом. Это требует всесторонней проработки данного направления с учетом множества факторов, в связи с чем тема диссертации является актуальной.

Цель работы: расширение технологических возможностей изготовления шпона путем обоснования параметров процесса строгания древесины вращающимся режущим инструментом.

Задачи исследований:

1) обосновать технологический процесс изготовления строганого шпона на станках с вращающимся механизмом резания;

2) обосновать конструктивные особенности станка с вращающимся механизмом резания;

3) разработать методику расчета теоретической производительности станка с вращающимся механизмом резания;

4) разработать экспериментальную установку с вращающимся механизмом резания, провести исследования с получением регрессионной зависимости усилия резания при строгании древесины на шпон, оценить качество полученного строганого шпона;

7

5) обосновать технологические параметры в виде поправочных коэффициентов для расчета усилия резания при строгании древесины на шпон вращающимся режущим инструментом путем сопоставления теоретических и экспериментальных данных;

6) оценить возможную экономическую эффективность использования шпонострогального станка предложенной конструкции.

Научной новизной обладают:

- предлагаемые способ получения шпона и конструкция шпонострогального станка, защищенные патентами РФ на изобретение и отличающиеся использованием вращательного движения механизма резания;

- методика расчета теоретической производительности шпонострогального станка, учитывающая вращательное движение механизма резания;

- математическая зависимость в виде уравнения регрессии усилия строгания древесины на шпон вращающимся режущим инструментом, отличающаяся учетом влияния толщины срезаемого слоя и степени обжима древесины;

- поправочные коэффициенты к расчету энергосиловых характеристик процесса строгания древесины на шпон, отличающиеся учетом постоянного изменения направления резания при вращательном движении режущего инструмента

- результаты моделирования процесса строгания древесины на шпон вращающимся режущим инструментом.

Значимость для теории. Результаты экспериментальных исследований усилий резания древесины при строгании на шпон вращающимся режущим инструментом, а также математическая зависимость дополняют теорию резания древесины.

Значимость для практики. Полученные аналитико-экспериментальным методом поправочные коэффициенты и приведенные математические зависимости позволяют рассчитывать рациональные режимы процесса строгания древесины на шпон, а также расположение заготовок на приемном столе шпонострогального станка с вращающимся механизмом резания. Предложенные способ и конструкция для

8

изготовления строганого шпона могут иметь практическое значение при проектировании и создании новых образцов оборудования.

Объект и предмет исследований. Объектом исследования являются способ и станок с вращающимся механизмом резания для получения шпона.

Предметом исследования являются технологические параметры процесса строгания древесины вращающимся режущим инструментом, конструкции станка и его режущего инструмента, а также математические зависимости и результаты экспериментальных данных.

Методы исследований. При проведении исследований были использованы методы морфологического анализа, патентного поиска, теории планирования эксперимента, теории подобия, математической статистики, электротензометрии, моделирования и экспериментов строгания древесины на шпон вращающимся режущим инструментом.

Точность и достоверность результатов исследований подтверждается необходимым числом проведенных лабораторных исследований с учетом теории планирования эксперимента и современных методов обработки экспериментальных данных.

Личный вклад автора заключается в постановке задач исследований, разработке экспериментальной установки, проведении серии экспериментов, разработке математической зависимости процесса строгания древесины на шпон вращающимся режущим инструментом, получении поправочных коэффициентов аналитикоэкспериментальным методом. Автором разработана экспериментальная установка для исследований, выполнена программа измерений, произведена статистическая обработка результатов, предложены способ получения строганного шпона (патент РФ №2373047) и конструкция шпонострогального станка (патент РФ №2484952), а также разработана методика расчета его теоретической производительности.

Основные научные положения, выносимые на защиту.

1. Способ и конструкция станка для изготовления строганого шпона.

9

2. Методика расчета теоретической производительности станка с вращающимся механизмом резания.

3. Результаты экспериментальных исследований с получением уравнения регрессии усилия строгания древесины и обоснованием режимов работы шпонострогального станка с вращающимся механизмом резания.

4. Поправочные коэффициенты к расчету энергосиловых характеристик процесса строгания древесины на шпон вращающимся режущим инструментом.

5. Результаты моделирования процесса строгания древесины на шпон вращающимся режущим инструментом с определением рационального расположения заготовки на приемном столе шпонострогального станка.

Апробация работы. Работа выполнена в рамках программы УМНИК-2012 Федерального фонда содействия развитию малых форм предприятий в научнотехнической сфере. Результаты проведенных исследований докладывались и обсуждались на научных конференциях профессорско-преподавательского состава, докторантов, аспирантов и сотрудников ПГТУ (Йошкар-Ола, 2011-2016 гг.), на международной научно-практической конференции «Актуальные направления научных исследований XXI века» (Воронеж, 2014 г), на международной научно-практической конференции «В мире науки и инноваций» (Казань, 2017 г), на XXI международной научно-практической конференции «Исследование различных направлений современной науки» (Москва, 2017 г).

Реализация работы. Результаты исследований приняты к внедрению в производство, что подтверждено соответствующим актом.

Основные результаты работы и экспериментальная установка внедрены в учебный процесс и используются при подготовке бакалавров по направлению 35.02.03 «Технология лесозаготовительных и деревоперерабатывающих производств» по дисциплинам «Технология лесозаготовительных и деревоперерабатывающих производств» и «Дереворежущие станки и инструменты».

10

Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 11 статьях, из них 4 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получены 2 патента на изобретение.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Полученные результаты соответствуют п. 2 «Разработка теории и методов технологического воздействия на объекты обработки с целью получения высококачественной и экологически чистой продукции» и п. 4 «Разработка операционных технологий и процессов в производствах: лесопильном, мебельном, фанерном, древесных плит, строительных деталей и при защитной обработке, сушке и тепловой обработке древесины» списка областей исследования паспорта специальности 05.21.05 «Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки».

11

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

В первой главе диссертации приводится подробный анализ литературных источников, посвященных работам по резанию древесины, в частности, изготовлению шпона. Рассмотрены теоретические основы процесса строгания древесины на шпон, касающиеся вопросов подготовки сырья, режущего инструмента и применяемого оборудования. Приведен анализ экспериментальных исследований проведенных ранее, а также методик определения производительности шпонострогального оборудования.

1.1. Общие сведения о стружкообразовании при резании древесины

В семидесятых годах 19 века русскими учеными И.А. Тиме [74], П.А. Афанасьевым [7] были разработаны основные положения теории резания. Значительную роль в становлении науки о резании древесины сыграл М.А. Дешевой, который глубоко проработал теорию резания древесины [28] с точки зрения механики материалов. В последующем, весьма ценные труды в области теории резания, были выполнены в МЛТИ - С.А. Воскресенским [21], в ЛТА - Е.Г. Ивановским [29], в ВНИИД-маше - П.С. Афанасьевым [7], в БТИ - А.Л. Бершадским [13]. К той же категории относится работа, выполненная П. Кохом [31] в США.

Согласно вышеуказанным авторам одним из видов процесса резания, при котором режущий орган двигается по заданной траектории по отношению к заготовке, называется строганием. Стружка, получаемая при процессе строгания, в поперечном сечении имеет прямоугольную форму. Главное движение при строгании может осуществлять заготовка при неподвижном режущем суппорте или режущий инструмент при неподвижной заготовке. Строганием можно получить следующие виды стружки-продукта - шпон, штукатурную дрань, стружку упаковочную и другого назначения. Технологически строгание подразделяется на поперечное и продольное. При продольном строгании происходит образование тонких дощечек (дранки), либо вы

12

равнивание поверхности заготовок. Поперечное строгание предназначено для изготовления шпона. Для этого используются шпонострогальные станки, отличающиеся друг от друга схемами работы. При вертикальной схеме главное движение совершает кряж (брус, ванчес), при горизонтальной - нож. Движения подачи соответственно при вертикальной схеме совершает нож, а при горизонтальной - кряж (брус, ванчес). Вертикальная схема применяется при выработке дощечек толщиной 5...15 мм, вторая - для изготовления строганого шпона толщиной 0,6...0,8 мм. Общими в этих схемах является то, что главное движение (строгание) - прямолинейное возвратнопоступательное, а движение подачи - циклическое поступательное.

1.2. Стружкообразование при сложном резании древесины

Сложное резание древесины преобладает при получении щепы [52]. Важное значение в геометрии частиц технологической щепы имеет, образованный направлением волокон и поверхностью реза угол, рекомендованное значение которого в пределах 30-60°. Такой угол среза обеспечивает меньше повреждений в древесине щепы.

На рисунке 1.1 показаны разные виды частиц технологической щепы. В исправной дисковой рубительной машине с правильными регулировками и настройками, с острыми ножами, частицы имеют близкую к стандартной размеры и форму (рис. 1.1, а). Однако, часто мятую, заметно поврежденную поверхность имеет один из торцов (рис. 1.1, а). В процессе резания, при затуплении ножей или неустойчивом положении чурака возможно получение частиц с рваными торцами (рис. 1.1, б). Нередко при измельчении древесины получаются частицы-спички (рис. 1.1, д), образующиеся из-за трещин в щепе (рис. 1.1, е, ж). Они приобретают игольчатую форму при таком пороке, как наклон волокон. Образованную резцом, плоскую поверхность имеет один из торцов такой щепы. Часто в виде острой кромки и более тонкий, второй торец образуется скалыванием щепы по годичному слою (рис. 1.1, з). Фрезеро

13

ванной щепе, полученной во фрезерно-брусующих станках, характерны трещиноватые частицы (рис. 1.1, в).

При измельчении древесного сырья появляются дефекты щепы. Целлюлозно-бумажная промышленность весьма требовательна к чистоте торцовых срезов щепы, которые должны быть без мятых кромок и гладкими. Чистых торцовых срезов под углом 30-60° можно добиться периодической заточкой ножей, подготовкой контрножей, правильной установкой зазоров между ножами и контрножами. Влажность сырья - важный фактор, оказывающий большое влияние на качество торцовых срезов щепы. Для измельчения древесины более благоприятна влажность 45-65 %, при которой щепа получается более равномерного фракционного состава и с ровными чистыми срезами. Поверхность срезов, при понижении или повышении влажности древесины сильно ухудшается. Срезы щепы приобретают шероховатую поверхность и ломаный вид при влажности 20%. Выход качественной щепы уменьшается вдвое. В процессе изготовления щепа получает повреждения и содержит как видимые, так и скрытые дефекты. Это связано с тем, что при процессе резания в рубительных машинах, древесина подвергается воздействию скалывающих, сжимающих, изгибающих и растягивающих сил.

Рис. 1.1. Виды частиц технологической щепы

Дефекты обработки щепы проявляются в виде частиц с мятыми и расщепленными торцами, трещинами, содержание которых от общего объема должно быть меньше 30 %. По сравнению со скрытыми внутренними, видимые дефекты обработки щепы играют незначительную роль в процессе получения. Видимые дефекты де

14

формируют значительное количество волокон и возникают вследствие сжатия древесины. Внутренние повреждения невозможно увидеть при наружном осмотре щепы.

1.3. Общие сведения о продукции, получаемой строганием

Шпон представляет собой полученные путем лущения на лущильных станках или строгания на шпонострогальных станках тонкие листы древесины.

Шпон - это наиболее часто получаемый строганием конечной продукт, который является одним из основных облицовочных материалов, используемым для отделки культурно-бытовых помещений, изготовления филенчатых дверей и мебели. В зависимости от вида резания и строения древесины получают тангентальный, тан-гентально-торцовый, радиальный и полурадиальный шпон. Согласно ГОСТ 2977-82 характеристики шпона зависят от его вида (табл. 1.1).

Таблица 1.1

Виды шпона и его характеристики

Вид шпона Обозначение вида шпона Характеристика вида шпона

по сердцевинным лучам по годичным слоям

Тангентальный Т Сердцевинные лучи имеют вид наклонных или продольных штрихов или линий Годичные слои имеют вид кривых линий или конуса нарастания, углов

Тангентально-торцовый ТТ Сердцевинные лучи имеют вид штрихов или кривых линий Годичные слои имеют вид замкнутых кривых линий

Радиальный Р Сердцевинные лучи имеют вид полос, расположенных не менее чем на 75% площади листа Годичные слои имеют вид расположенных по всей поверхности листа прямых параллельных линий

Полурадиальный ПР Сердцевинные лучи имеют вид продольных или наклонных полос, расположенных не менее чем на 50% площади листа Годичные слои имеют вид прямых параллельных линий, расположенных не менее чем на 75% площади листа

При производстве шпона применяются различные отечественные и зарубежные породы древесины, например:

15

- лиственные крупнорассеянно-сосудистые: аиле, лимба, боссе, африканское махогони или акажу, сипо, окуме, фрамире, тиама;

- лиственные мелкорассеянно-сосудистые: береза, груша, бук, граб, клен, липа, красное дерево, орех, ольха, тополь, осина, ива;

- лиственные кольцесосудистые: дуб, бархатное дерево, вяз, ильм, каштан, карагач, ясень;

- хвойные: сосна, лиственница, тисс.

Весьма ценным в настоящее время является шпон, полученный из естественных наростов древесины (капов). Он имеет исключительные декоративные свойства, поскольку волокна в древесине капов не имеют четкой структуры и направления.

Шпон изготавливают прирезанным или обрезным. Раскроенный на заготовки заданного размера называется прирезанным шпоном. Обрезанный с 4-х сторон называется обрезанный шпон, размеры такого шпона должны соответствовать указанным в таблице 1.2.

Шпон подразделяют на сорта: 1 и 2, в зависимости от размеров по ширине и длине, а так же качества древесины. Количество пороков древесины не должно быть выше нормированных значений.

Шпон по параметрам шероховатости поверхности Rm по ГОСТ 7016 не должен быть ниже:

- для лиственницы, сосны - 320 мкм;

- для ясеня, дуба, ильма - 200 мкм;

- для остальных пород - 100 мкм.

Процесс строгания древесины на шпон исследовался довольно большим количеством как отечественных, так и зарубежных авторов, среди которых: Азаренок В.А. [2], Проданенко В.М., Бибичков З.Г., Борисюк И.Д., Василевская П.В., Красовская Л.Г., Сергеевичева Т.А., Соловьева В.К., Троязыкова Л.И. [19], Воронов В.А. [50], Грубе А.Э. [26], Любченко В.И. [36, 37, 38, 39], Михеев И.И., Плахов В.Н. [61],

16

Онищенко З.А. [53], Озолиньш А.Х., Болховитин В.Я., Буйле А.Я., Симонов А.С., Шмит Я.Т. [71] и др.

Таблица 1.2

Размерные характеристики строганого шпона

Порода Вид шпона Толщина Ширина, не менее (с Длина, не менее (с

Номин. Пред. откл. градацие со й 10), для )та градацие со й 50), для )та

1 2 1 2

Лиственная: мелкорассеяннососудистая Лиственная: мелкорассеянно- сосудистая Р; ПР Т 0,4; 0,5; 0,6; 0,7; 0,8 0,5; 0,6; 0,7; 0,8 +0,05 -0,04 120 60 900 400

крупнорассеяннососудистая Р; ПР; Т 0,5; 0,6; 0,7; 0,8

кольцесосудистая Р; ПР; Т 0,7; 0,8; 0,9; 1,0 +0,05 -0,04 120 60 900 400

Хвойная Р; ПР; Т 0,8; 0,9; 1,0

Все породы древесины, в т.ч. наросты ТТ 0,4; 0,5; 0,6; 0,7; 0,8 +0,05 -0,04 200 100 200 200

Указанными авторами прорабатывались вопросы поперечного (поперечно -продольного) строгания шпона, тогда как аспекты процесса строгания древесины на шпон вращающимся режущим инструментом затронуты не были.

Процесс изготовления шпона характеризуется множеством технических, технологических, физико-механических и других параметров, которые взаимосвязаны и взаимозависимы. Важнейшими являются такие параметры как степень обжима, ка

17

чество образуемой поверхности шпона, сила резания, угловые и геометрические характеристики прижимной линейки и ножа.

Качество шпона, различные формы режущих и прижимных инструментов были исследованы в экспериментальных работах. К основным характеристикам режущего инструмента относятся форма сечения и угол заточки ножа. Прижимные инструменты (прижимная линейка) характеризуются аналогичными параметрами. Качество шпона определяют показатели разнотолщинности и шероховатости.

На основании анализа проведенных ранее работ, рассмотрим степень изученности и характер влияния параметров прижимного и режущего инструментов на качественные и силовые показатели процесса строгания древесины на шпон.

1.4. Требования к сырью и его подготовка для производства строганого шпона

Перед непосредственным изготовлением шпона сырье для его производства должно иметь определенные характеристики и свойства, которые придаются ему при определенных условиях хранения и подготовки.

1.4.1. Требования и правила хранения сырья

Для производства строганого шпона сырьем являются круглые лесоматериалы различных пород диаметром от 26 см, длиной не менее 1,5 и не более 6 м. Для того чтобы получить шпона высокого качества к сырью предъявляются определенные требования. Для соответствия лесоматериалов данным требованиям, необходимо выдерживать условия и способы их хранения [10, 16, 17, 99].

Условия хранения круглых лесоматериалов различаются и зависят от таких факторов как: порода, форма ствола, размерные характеристики, вид обработки и назначение, а также климат, продолжительность хранения и т.д. Смысл рациональной организации хранения круглых лесоматериалов на территории складов заключается в принятии ряда мер, направленных на защиту их от насекомых, грибной инфекции и растрескивания.

18

Существуют правила хранения сырья, регламентированные ГОСТ 9014.0-75, который предусматривает различные способы хранения круглых лесоматериалов для различных районов с учетом климатических условий местности. Способ хранения круглых лесоматериалов обусловлен стойкостью сырья к различным поражениям (табл. 1.3) и климатической зоной (табл. 1.4).

Таблица 1.3

Распределение пород древесины по классам стойкости к поражениям

Класс стойкости Стойкость к:

Поражению грибами Повреждению насекомыми Растрескиванию

1 - стойкие Пихта, клен, дуб, явор, ясень, ильмовые Бук, пихта, граб, клен, осина, ольха, тополь, явор Сосна, ель, пихта, ольха, кедр, осина, тополь, липа

2 - нестойкие Сосна, ель, лиственница, береза, кедр, бук, граб, осина, ольха, тополь, липа Сосна, ель, лиственница, дуб, кедр, ясень, береза, ильмовые Бук, лиственница, граб, явор, клен, дуб, ясень, береза, ильмовые

Таблица 1.4

Длительность и способы хранения древесины

Длительность хранения Климатическая зона Способ хранения

стойких пород нестойких пород

Весь теплый период II Плотная укладка и торцовые замазки с затемнением торцов Плотная укладка и дождевание, замораживание, снегование, затопление

III и IV Плотная укладка и дождевание, затопление

До 60 суток III Плотная укладка и затемнение торцов Плотная укладка и торцовые влагозащитные замазки с затенением торцов, замораживание, снегование; плотная укладка и дождевание, затопление

IV Плотная укладка и торцовые влагозащитные замазки Плотная укладка и торцовые замазки с побелкой и затемнение торцов; плотная укладка и дождевание, затопление

До 30 суток II Плотная укладка Плотная укладка с затенением торцов

II и IV Плотная укладка Плотная укладка и влагозащитные торцовые замазки

Климатические зоны: I - заполярная зона, II - северная лесная зона, III - средняя лесная и лесостепная зона, IV - зона степей и других южных районов.

19

Предназначенные для получения шпона в I зоне лесоматериалы, можно хранить без использования средств защиты в штабелях любой укладки. В теплое время года лесоматериалы можно хранить, не учитывая правил хранения не более 10 дней после заготовки.

Древесина, заготовленная зимой, должна быть обработана водоотталкивающими составами: во II зоне - до 1 мая, а в III зоне - до 1 апреля. У заготовленных летом лесоматериалов, торцы должны быть обработаны в течение пяти дней после валки. С целью защиты фанерного сырья от трещин в торцы круглых лесоматериалов вбивают V-образные металлические пластины.

1.4.2. Методы раскроя древесного сырья на заготовки и их особенности

При получении строганого шпона заготовки принято называть брусьями. Они имеют сечения различных размеров и форм, которые получаются в результате продольной распиловки кряжей [10, 16, 20, 61]. Раскрой кряжей на брусья и их строгание на шпон выполняется различными способами в зависимости от древесной породы, размеров кряжа и текстуры шпона. Основные требования к заготовкам следующие: а) прямолинейные плоскости заготовки для базирования и крепления на шпонострогальном станке должны быть прямолинейными, б) при наличии заболони в сырье ее следует удалить, в) необходимо стремиться к наибольшему выходу шпона требуемой текстуры, стандартных размеров и качества.

Так как радиальный шпон является наиболее ценным продуктом в производстве строганого шпона, при соответствующем размере кряжа раскрой ведут так, чтобы получалось максимальное количество листов радиального шпона. Для этого необходимо иметь в виду, что строганая радиальная плоскость проходит через центр кряжа, где расположена сердцевинная трубка, недопустимая в листах шпона.

20

Используемые способы раскроя кряжей отличаются трудоемкостью процесса производства, степенью полезного использования сырья, выходом готовой продукции и качеством.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Гайнуллин, Ришат Харисович, 2017 год

е - и

где Я - толщина срезков, м;

и - число двойных ходов суппорта в минуту.

Применение данной методики ограничено ввиду невозможности ею учета непрерывной подачи режущего инструмента шпонострогальных станков.

В ЛТА часовую производительность шпонострогальных станков было предложено определять по специально разработанным номограммам. Недостатком данной методики является невозможность ее применения при толщинах строгаемого шпона больше 0,8 мм.

Из всего вышесказанного следует, что для оборудования предусматривающего строгание древесины вращающимся механизмом резания, указанные методики определения производительности шпонострогальных станков не могут быть использованы.

1.8. Теоретические и экспериментальные изыскания по определению усилий резания при строгании древесины

Многими авторами [4, 36, 39, 50, 61, 71] усилие резания поперечного строгания древесины на шпон при поступательно движущемся режущем инструменте рассматривалось как сумма сил от действия резца р и прижимной линейки Р„ (рис. 1.6.) [4, 36],

Р„ = Р, + Р. (L6)

37

Рис. 1.6. Схема сил от действия резца и прижимной линейки

В работах [39, 50] с целью упрощения расчетов, сила Рбл, приложенная к древесине со стороны силового блока нож-прижимная линейка, представлена произведением

^ = &-ту„ (1-7)

где А - ширина стружки, равная длине строгаемой заготовки, м;

/у, - единичная сила резания гидротермически обработанной древесины с обжимом стружки прижимной линейкой, Н.

Непосредственно сама единичная сила резания авторами [61,71] была математически описана зависимостью

= (1-8) где - табличное значение единичной силы резания гидротермически обрабо-

танной древесины, Н/м;

суд/,дуду - поправочные коэффициенты, учитывающие соответственно породу древесины, температуру древесины, затупление режущего инструмента, угол наклона лезвия ножа к направлению волокон древесины.

С целью определения численных значений единичной силы резания ^абл для различных условий производилось строгание заготовок из проваренной березы силовым блоком нож-прижимная линейка. Температура древесных заготовок поддерживалась постоянной и равнялась 20°С, угол резания - 17°, линейка с оптималь-

38

ной геометрией и установкой, нож острый. Степень обжима Д и толщина срезаемого шпона е являются непостоянными параметрами, а табличное значение единичной силы резания при строгании P^ табл - выходной величиной. Из-за большого количества опытов описанный метод весьма трудоемок и может использоваться только при прямолинейном движении режущего инструмента.

Более распространенной является методика, приведенная в исследованиях авторов [28, 44, 45], где силу резания при продольном строгании предложено определять сложением сил трения от обжима Р^ и резания древесины Р^

= Рр+Рр, (1.9)

а составляющие р и р определяются по следующим зависимостям

Р = X - й - е, (1.10)

р = Р-/-Й. (1.11)

где X - удельное сопротивление резанию древесины, Н/м2;

е - толщина стружки, м;

й - ширина стружки, м;

/ - коэффициент трения прижимной линейки по древесине;

Р - интенсивность обжима на единицу длины прижимной линейки, Н/м.

Значения / и р найдены экспериментально строганием осиновых заготовок режущим органом с задним углом а до 5° и углом резания 3 до 45° при разных толщинах е срезаемого слоя и степенях обжима Д. Данная методика расчета усилия резания применима для процесса изготовления упаковочной стружки толщиной до 0,2 мм, в то время как толщина шпона в ряде случаев составляет 16 мм. Невозможность применения данной методики для стружки-продукта толщиной более 0,2 мм, является её основным недостатком.

Автором [22] предложена методика для определения усилий резания при строгании шпона. Данная методика справедлива исключительно для случая прямолинейного движения режущего суппорта.

39

Сложное резание древесины происходит при работе дисковых рубительных машин, силы резания на каждом ноже определяют в соответствии с формулой

р, =—; (1.12)

cos ^2

где - удельная сила резания, Н/м;

- ширина измельчаемого материала, м.

Сила обжима древесины прижимной линейкой при расчете мощности и усилия резания по формуле (1.12) не учитывается, вследствие чего невозможно их использование для строгания древесины на шпон вращающимся режущим инструментом.

Методика, изложенная в [14, 26, 30], для определения усилия резания при строгании является наиболее близкой по технологической сущности

= X-7-е, (1.13)

где X - удельное сопротивление резанию при строгании, Н/м2;

7 - длина заготовки, м;

е - толщина стружки, м.

Дальнейшее изучение процесса строгания древесины на шпон [26, 30] посвящено экспериментальному определению значений удельного сопротивления резанию при строгании. Исследования проводились с проваренной древесиной березы при условиях описанных выше. Ученым удалось представить удельное сопротивление резанию при строгании X в виде полиномиальной зависимости от толщины шпона е, степени обжима Д, скорости резания V и температуры древесины t j^_0iipp-0,266^-0314-0.173^4+0,5S+1,1/ А

где И - скорость резания при строгании, м/с;

е - толщина срезаемого шпона, м;

; - температура строгаемой древесины, °С;

А - степень обжима древесины.

Ввиду наличия сложных степенных зависимостей расчет удельного сопротивления резанию X по формуле (1.14) весьма затруднителен без наличия вычисли

40

тельной техники. Поэтому логичным продолжением работ в этой области явилось упрощение зависимости (1.14) авторами [14, 34] до вида

X = X. - а, - о,- а, - а, - Яд С-15)

где Җ) - основное удельное сопротивление резанию, Н/м2;

Я,а,,а,а,ад - поправочные коэффициенты, учитывающие породу древесины, скорость резания, толщину шпона, температуру древесины, степень обжима древесины.

Учеными ЛТА указанные поправочные коэффициенты определены экспериментальным путем и широко используются в настоящее время для технологических расчетов.

Вышеизложенные методики по определению усилий резания справедливы для случаев поперечного и продольного строгания древесины на шпон. Ни в одной из методик не учитываются изменения характеристик процесса строгания древесины при использовании вращающегося механизма резания.

Таким образом, рассмотренные методики не позволяют определять усилия резания при строгании древесины на шпон вращающимся режущим инструментом-Автором предполагается более детально рассмотреть теоретическую и экспериментальную составляющие процесса строгания древесины на шпон режущим инструментом-

1.9. Цель и задачи исследований

Цель работы заключается в расширении технологических возможностей изготовления шпона путем обоснования параметров процесса строгания древесины вращающимся режущим инструментом .

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1) обосновать технологический процесс изготовления строганого шпона на станках с вращающимся механизмом резания;

41

2) обосновать конструктивные особенности станка с вращающимся механизмом резания;

3) разработать методику расчета теоретической производительности станка с вращающимся механизмом резания;

4) разработать экспериментальную установку с вращающимся механизмом резания, провести исследования с получением регрессионной зависимости усилия резания при строгании древесины на шпон, оценить качество полученного строганого шпона;

5) обосновать технологические параметры в виде поправочных коэффициентов для расчета усилия резания при строгании древесины на шпон вращающимся режущим инструментом путем сопоставления теоретических и экспериментальных данных;

6) оценить возможную экономическую эффективность использования шпонострогального станка предложенной конструкции.

42

Глава 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ И ТЕХНИЧЕСКОЕ РЕШЕНИЯ ДЛЯ РАСШИРЕНИЯ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СТРОГАНОГО ШПОНА

Вторая глава диссертации отражает техническую новизну работы. Приведено обоснование способа и конструкции станка для изготовления шпона строганием древесины вращающимся механизмом резания. Разработаны состав поточной линии и структурная схема технологического процесса изготовления строганого шпона, а также методика расчета теоретической производительности шпонострогального станка предложенной конструкции.

2.1. Способ и конструкция станка для изготовления строганого шпона

С целью расширения технологических возможностей изготовления строганого шпона разработаны способ [56] и конструкция шпонострогального станка [55], защищенные патентами № 2373047 и №2484952.

Способ изготовления строганого шпона (рис. 2.1, а, б) может применяться в деревообрабатывающей промышленности, а именно при производстве строганого шпона.

Предлагаемый способ позволяет фиксировать группы заготовок 1 в пределах окружности 2, описываемой режущим органом 3, который совершает вращательное движение и срезает с заготовок листы шпона 4.

Согласно предложенному способу строгание шпона осуществляется следующим образом. Несколько заготовок одного типоразмера объединяют в группу 1, устанавливают и фиксируют в пределах окружности 2, описываемой режущим инструментом 3. Режущий инструмент 3 совершает вращательное движение на полоборота и срезает с заготовок листы шпона 4. После чего происходит опускание групп заготовок 1 или подъем механизма резания 3 на величину толщины срезаемого

43

шпона. Цикл повторяется до тех пор, пока не будут обработаны установленные заго

товки.

б)

Рис. 2.1. Схема строгания древесины на шпон вращающимся режущим инструментом: а) вид сверху, б) вид сбоку;

1 - заготовки, 2 - описываемая рабочим органом окружность,

3 - рабочий орган, 4 - листы шпона

Отличительной особенностью данного способа является использование механизма резания, который совершает вращательное движение в процессе работы. Использование данного способа позволит расширить технологические возможности и повысить эффективность получения строганого шпона.

Для реализации вышеописанного способа предложен шпонострогальный станок (рис. 2.2), в состав которого входят станина 1 коробчатого сечения с открытым внутренним пространством, с расположенным на ней механизмом подачи 2 в виде электродвигателя и червячного редуктора, соединенного при помощи вала 3 со столом 4, установленным в направляющих 5, которые находятся в гранях станины 1,

44

Рис. 2.2. Станок для изготовления шпона:

а) вид спереди, б) разрез А-А, в) режущий суппорт (разрез Б-Б)

при этом к столу 4 подведены шланги 6, вакуумного устройства 7, представленного компрессором и электродвигателем, а в нижней части на раме 8 смонтирован режущий инструмент с траверсой 9, оснащённой двумя блоками с ножами и прижимными

45

линейками 11, зафиксированной на валу 15, соединенному посредством конической передачи 12 с электродвигателем 13.

Функционирование станка происходит по следующему алгоритму.

Под столом 4, при помощи вакуумного устройства 7, заготовки 14 фиксируются и устанавливаются на необходимую высоту при помощи механизма подачи 2. Затем осуществляется запуск электродвигателя 13, который посредством редуктора 12 передает крутящий момент на вал 15, вращая траверсу 9. Вращающаяся траверса 9 с режущими модулями, имеющими ножи 10 и прижимные линейки 11, снимает с заготовок листы шпона. После того, как происходит опускание стола 4 на необходимый уровень, траверса 9 совершает вращательное движение на пол-оборота и, тем самым, осуществляется срезание листов шпона с заготовок 14. Цикл повторяется, пока установленные заготовки не будут полностью обработаны.

Использование данной конструкции шпонострогального станка позволит повысить производительность и эффективность получения строганого шпона.

2.2. Структурная схема технологического процесса шпонострогального производства

Большое влияние на уровень трудозатрат и степень использования производственных мощностей шпонострогальных станков оказывает организация производственного процесса. Одним из важных условий эффективной работы является оптимальная организация производственного процесса, так как затраты труда, связанные непосредственно только со строганием древесины, составляют приблизительно 3035 % от общих трудозатрат.

Организация производственного процесса считается правильной в том случае, если соблюдается последовательность операций. Структурная схема технологического процесса при производстве строганного шпона представлена на рисунке 2.3. Из данной схемы можно сделать вывод о том, что цеха состоят из участков по подготовке сырья, строжки и сушки, а так же обрезки и складирования.

46

2.3. Состав поточной линии и технологическая схема производственных участков

По сырью, объем производства в год равен 1920 м^ древесины, коэффициент сменности равен 1, а количество рабочих дней в год равняется 250.

Учитывая, что в смену необходимо обработать 7,68 м*' сырья, нужно подобрать соответствующий состав оборудования:

- при помощи раскряжевочной установки ЛО-15С, производительность которой равна 196 м^/см, производится поперечная распиловка древесины; для удовлетворения производственных потребностей достаточно одной установки;

Рис. 2.3. Структурная схема технологического процесса производства строганого шпона

47

- раскрой сортиментов на пиломатериалы осуществляется при помощи ленточнопильного станка Тайга - Т2М производительностью 10 м3/см; потребное количество равно 1 шт.;

- для гидротермической обработки древесины необходима варочная яма, если в смену необходимо обработать 7,68 м3 древесины, то, учитывая коэффициент пол-нодревесности 0,85, объем ямы должен быть 9 м3, а линейные размеры ямы должны составлять 3 м *3 м * 1 м, где 3 м - длина и ширина ямы, 1 м - глубина.

На рисунке 2.4 приведена технологическая схема участка подготовки сырья. Здесь происходит подача круглых лесоматериалов продольным транспортером, поперечный и продольный раскрой кряжей на ванчесы с последующей гидротермиче-

Рис. 2.4 - Технологическая схема участка подготовки сырья:

1 - продольный лесотранспортер, 2 - раскряжевочная установка ЛО-15С, 3 - лесонакопители,

4 - ленточнопильный станок Тайга - Т2М, 5 - варочная яма, 6 - тельфер

Участок строжки и сушки шпона (рис. 2.5) состоит из следующих видов оборудования:

- операция строгания древесины осуществляется при помощи шпонострогальных станков с вращающимся механизмом резания, сменная производительность которых приблизительно равна 600 м2. Следовательно, учитывая годовой объем производства, необходим 1 шпонострогальный станок;

48

- при помощи роликовой сушилки производительность которой равна 4000 м2 осуществляется сушка шпона, для удовлетворения производственных нужд необходима одна сушилка.

Рис. 2.5. Технологическая схема участка строжки и сушки шпона:

1 - шпонострогальные станки с вращающимся механизмом резания,

2 - тележки для укладки и транспортировки шпона, 3 - измельчитель древесных отходов, 4 - приемный стол сушилки, 5 - сушилка СУР-5,

6 - продольный лесотранспортер, 7 - тельфер

На участке обрезки и складирования (рис. 2.6) происходят следующие технологические операции:

- при помощи станков гильотинного типа осуществляется обрезка шпона по

длине и ширине;

- ручная сортировка и укладка шпона в кноли.

Рис. 2.6. Технологическая схема участка обрезки и складирования шпона:

1 - продольный лесотранспортер, 2, 3 - ножницы для обрезки шпона по длине и ширине, 4 - стол для обмера и учета шпона

Объединив все участки в единое целое, получим технологическую схему (рис.

2.7) цеха по производству шпона с использованием станков с вращающимся меха-

низмом резания.

Рис. 2.7. Технологическая схема процесса производства шпона с использованием станков с вращающимся механизмом резания:

1, 12 - продольные лесотранспортеры, 2 - раскряжевочная установка ЛО-15С, 3 - лесонакопители, 4 - ленточнопильный станок Тайга - Т2М, 5 - парильная яма, 6 - тельфер, 7 - измельчитель древесных отходов, 8 - шпонострогальные станки с вращающимся механизмом резания, 9 - тележки для укладки и транспортировки шпона, 10 - приемный стол сушилки, 11 - сушилка СУР-5, 13, 14 - ножницы для обрезки шпона по длине и ширине, 15 - стол для обмера и учета шпона

49

50

2.4. Теоретическое определение производительности

шпонострогального станка с вращающимся механизмом резания

Путем составления информационно-логической и математической модели работы шпонострогального станка с вращающимся механизмом резания необходимо получить формулу его теоретической производительности.

Согласно [19] информационно-логическая схема работы шпонострогального станка с вращающимся механизмом резания отобразится в виде рисунка 2.8.

Рис. 2.8. Информационно-логическая модель работы шпонострогального станка

51

Основываясь на данные информационно-логической модели, создается блок-схема математической модели производительности шпонострогального станка. Чтобы создать модель необходимо выполнить символизацию параметров: /^ - время установки заготовок на приемный стол шпонострогального станка, с; /^ - время фиксации заготовок зажимными механизмами, с; /^„ - время пуска привода режущего суппорта станка; /^ - время подачи заготовок для строгания, с; /^ - время срезания одного листа шпона, с; / - время остановки режущего суппорта, с; / -

время уборки шпона, с; / - время возврата приемного стола в исходное положение,

с; - время на отключение пневмоустройства, с; /^ - время уборки отходов (от-стругов), с; Я, - высота заготовки для строгания шпона, м; е - толщина шпона, м; -скорость подачи, м/с; Г - количество часов в смене, час; - угловая скорость вращения вала шпонострогального станка, об/мин. С учетом принятых параметров блок-схема математической модели производительности шпонострогального станка примет вид (рис. 2.9).

Произведением производительности одного цикла на количество циклов в смене можно определить производительность станка в смену

(2.1)

где - производительность станка в смену, м2/смена;

- количество циклов в смене;

- производительность цикла, м2/цикл.

Частным от рабочего времени в смену к продолжительности цикла определяется количество циклов в одной смене.

(2.2)

где - рабочее время в смену, с;

- продолжительность цикла, с.

52

Рис. 2.9. Блок-схема времени цикла 7^ работы шпонострогального станка

53

Произведением продолжительности смены на коэффициенты использования машинного и времени смены определим общее время работы

= 3600 - Г-^1 -^2, (2.3)

где Г - длительность рабочей смены, ч;

,^ - коэффициенты использования соответственно времени смены и машин

ного времени.

Блок 13 представляет собой сумму времен, необходимых в течение цикла для выполнения всех операций. Выражение (блок 13) можно записать в виде

(2.4)

Количество листов шпона получаемых за один цикл определяется по

формуле

2Я,

а

(2.5)

где: Я, - высота заготовки, м;

а - толщина срезаемого слоя, м.

По формуле (2.6) определим производительность цикла (м2/цикл)

В,

(2.6)

). (2.7)

где 2 и В - соответственно длина и ширина заготовки, м.

Подставив (2.2)-(2.6) в (2.1) получим зависимость для определения сменной производительности

уу =LL. ^^2^ = 3600 - Г-^1 -^2 - - 2 -

см 1 смена

Из (2.2) и (2.5) видно, что производительность обратно пропорциональна времени цикла и толщине получаемого шпона, а из формулы (2.7) можно сделать вывод о том, что производительность прямо пропорциональна длине и ширине заготовки, а так же коэффициентам использования рабочего и машинного времени.

54

Глава 3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРОЦЕССА СТРОГАНИЯ ДРЕВЕСИНЫ НА ШПОН ВРАЩАЮЩИМСЯ МЕХАНИЗМОМ РЕЗАНИЯ

В третьей главе диссертации приведено обоснование взаимного расположения элементов механизма резания. Разработаны теоретические основы для определения усилий резания и других энергосиловых характеристик при строгании древесины на шпон вращающимся механизмом резания.

3.1. Элементы механизма резания и параметры их взаиморасположения

Схема размещения режущего ножа, прижимной линейки и заготовки друг относительно друга изображена на рисунке 3.1.

12 3 4

Рис. 3.1. Взаиморасположение составляющих процесса строгания древесины:

1 - заготовка, 2 - прижимная линейка, 3 - нож, 4 - шпон

Величина подачи заготовки должна быть равной толщине стружки е. Задний угол а при регулировке ножа по отношению к ванчесу должен быть более 1°. Однако его увеличение более 3° может привести к следующим негативным последствиям. Во-первых, к повышению энергетических затрат, связанных с увеличением угла резания 8 при условии неизменного угла заточки резца (3. Во-вторых, к снижению

55

стойкости и прочности резца, связанных с уменьшением угла в при условии постоянного угла резания 3. Согласно авторам [13, 48] самым оптимальным считается задний угол а от 1° до 2°, а прижимную линейку рекомендуется фиксировать перпендикулярно к поверхности заготовки.

При строгании древесины на шероховатость поверхности шпона влияет степень обжима, а так же положение прижимной линейки по отношению к ножу. Взаиморасположение линейки и ножа друг относительно друга (рис. 3.1) определяется величинами А и с - соответственно вертикальной и горизонтальной проекциями кратчайшего расстояния от режущей кромки ножа до прижимной линейки е0. Величина е0 всегда меньше номинальной толщины строгаемого шпона е. Это приводит к образованию обжима древесины, который характеризуется степенью. Величину разности толщины шпона е и кратчайшего расстояния от режущей кромки ножа до прижимной линейки е0, приведенную к толщине шпона и выраженную в процентах, называют степенью обжима шпона

А = -100%.

е

(3.1)

Взаимное расположение ножа и прижимной линейки может быть охарактеризовано углом s' (рис. 3.2). Для случая поперечного строгания древесины (рис. 3.2) оптимальное расположение ножа относительно прижимной линейки принято под углом s'=42°. Численное значение определено авторами [17, 48] экспериментально.

Численные значения величин й и с в данном случае определяются по формулам [37]

sin ғ'

й = е - (1 -—) - ,

100 cos(90°-J-ғ')

cos ғ'

с = е - (1 --^) -

100 cos(90°-J-ғ')

(3.2)

(3.3)

Численные значения величин й и с для разных степеней обжима, толщин шпона и углов резания, найденные по формулам (3.2) и (3.3) занесены в таблицы значений координат расположения ножа и прижимной линейки [39, 50, 61].

56

Такое размещение ножа и прижимной линейки неприемлемо для строгания древесины на шпон вращающимся режущим инструментом ввиду ничтожной разницы между величинами А и с. Строгание с использованием вращающегося механизма резания технологически представляет собой симбиоз двух видов - поперечного и продольного. Последнее, как правило, характеризуется образованием опережающей трещины, длина которой ограничивается значением величины с. С увеличением величины с будут увеличиваться длина опережающей трещины и шероховатость поверхности, что, соответственно, будет снижать качество получаемого шпона.

Рис. 3 .2. Линейные и угловые характеристики взаимного расположения ножа и прижимной линейки при поперечном строгании древесины: 1 - заготовка, 2 - прижимная линейка, 3 - нож, 4 - шпон

В работе [53] приведена несколько измененная схема (рис. 3.3) взаимного раз

мещения ножа и прижимной линейки, которая может быть использована для случаев

продольного строгания древесины и при использовании вращающегося механизма

резания.

С учетом схемы (рис. 3.3) выражения (3.2) и (3.3) примут следующий вид

А = е - (1 - - cos J,

100

с = e-(l--^-)-sin J.

100

(3.4)

(3.5)

57

Прижимная линейка в данном случае установлена на очень близком расстоянии от ножа соответственно параметр с имеет минимально допустимое значение. Вследствие этого при возникновении опережающей трещины уменьшается ее длина, ввиду чего качество шпона улучшается, а процесс строгания древесины на шпон вращающимся режущим инструментом можно считать установившимся. Приведенные схему взаимного размещения ножа и прижимной линейки, а так же расчетные зависимости в последующем примем за основу.

Рис. 3.3. Взаимное расположение ножа и прижимной линейки при строгании древесины на шпон вращающимся режущим инструментом: 1 - заготовка, 2 - прижимная линейка, 3 - нож, 4 - шпон.

Определенные по выражениям (3.4) и (3.5) значения величин А и с, сведем в таблицу 3.1.

Таблица 3.1

Координаты взаимного расположения ножа и прижимной линейки в зависимости от толщины шпона, угла резания и степени обжима

Толщина шпона, мм Угол ре-зания, град Численные значения величин А и с при степенях обжима, мм

Д=10% Д=15% Д=20%

с А с А с А

1,0 19 0,29 0,85 0,28 0,80 0,26 0,76

1,5 0,44 1,28 0,42 1,21 0,39 1,13

2,0 0,59 1,70 0,55 1,61 0,52 1,51

58

Основываясь на вышеизложенное можно допустить, что при размещении прижимной линейки строго над режущей кромкой усилие прижима через древесину будет прилагаться к режущей кромке, что приведет к быстрому износу и затуплению, а при большой степени обжима к механическому разрушению режущей кромки. Если же прижимная линейка будет размещена непосредственно над передней гранью резца, то произойдет чрезмерное смятие древесины, из-за чего возникнут дополнительные силы трения. Тем самым прижимная линейка утратит свое функциональное назначение, что создаст условия для появления опережающей трещины и снижения качества готовой продукции.

3.2. Разработка математической зависимости усилий резания и определение энергосиловых параметров процесса строгания древесины на шпон вращающимся режущим инструментом

Из-за множества факторов процесс резания древесины является сложным, эти факторы относятся к режущему органу, лесоматериалу и в целом к процессу резания. Количество этих факторов достигает пятидесяти, в процессе резания они не принимают постоянные значения, а подвержены влиянию химических, физических и механических явлений [82, 84].

При проведении исследований в рамках работы основное внимание было уделено наиболее важным факторам, от которых зависят энергосиловые характеристики процесса строгания древесины на шпон вращающимся режущим инструментом: степень обжима, толщина шпона.

Для того чтобы определить усилие резания при строгании древесины на шпон с использованием вращающегося режущего инструмента целесообразно использовать выражение (1.13) = X - е - /. Рассмотрим каждую из составляющих в отдельности.

Величина / - длина заготовки является постоянной. Толщина шпона е варьируется в зависимости от нужд производства. Наиболее интересной с точки зрения

59

науки является величина X - удельное сопротивление резанию при строгании [3, 33,

62, 72, 73]. Рассмотрим случай резания древесины вращающимся ножом (рис. 3.4), где усилие резания у, в алгебраической форме принимает вид

(3.6)

где /у,.,^, и /у,^,,- усилия резания направленные соответственно перпендикулярно и вдоль волокон древесины и определяются по выражениям

иоиер ^иоиер ' ' COS У ,

^ = 4^-c-&p,-sin%?,

(3.7)

(3.8)

где и - удельные сопротивления резанию соответственно поперек и вдоль волокон древесины, Н/м^,

е - толщина срезаемого слоя, мм,

/у - длина контакта режущей кромки инструмента с древесиной, мм,

у - угол поворота режущего инструмента, отсчитываемый от горизонтальной оси, град.

d

Рис. 3.4. Расчетная схема для определения усилия резания древесины вращающимся ножом

Ъ

С учетом формул (3.7) и (3.8), выражение (3.6) принимает вид

(3.9)

60

Вынеся из выражения (3.8) значения - длина контакта режущего инструмента с древесиной и е - толщина стружки, получим

- а - J- COS^)2 + - sin ^)2 (3.10)

где J(^^, - cos + (^„- sin %?) - удельное сопротивление резанию при вращательном движении ножа, Н/м2. При идеальных условиях .

Обозначим ^(^Q - cos^)2 + (^dI - sin^)2 - основное значение удельного сопротивления резанию древесины при различных углах р. Численные значения приведены в таблице 3.2.

Таблица 3.2

Численные значения удельного сопротивления резанию древесины при различных углах р

р,° 0° 15° 30° 45° 60° 75° 90°

AV, Н/м2 4,9 5,06 5,47 5,98 6,45 6,78 6,90

Удельное сопротивление резанию при строгании древесины на шпон вращающимся режущим инструментом отобразится формулой

^ = (3.11)

где а^ - поправочный коэффициент с учетом различных условий резания.

Значение а^ будет представлять собой произведение различных коэффициентов, учитывающих толщину строгаемого шпона, степень обжима [76, 77], породу, влажность, температуру древесины и т.д. Основными интересующими нас коэффициентами являются ад - коэффициент учитывающий степень обжима шпона, а^ -коэффициент учитывающий толщину срезаемого шпона. Произведение оставшихся поправочных коэффициентов обозначим а„р^„ - коэффициент пропорциональности.

Таким образом, удельное сопротивление резанию при строгании древесины на шпон вращающимся режущим инструментом выразится

^1 = V- Яд- Я' (3.12)

61

Для прямолинейного движения ножевого суппорта можно вычислить,

используя известные значения соответствующих поправочных коэффициентов. Для

случая вращательного движения ножевого суппорта вычислить не представляется возможным ввиду отсутствия значений поправочных коэффициентов. Числен-

ные значения коэффициентов найдем в четвертой главе.

Еще одной величиной, которая постоянно изменяется в процессе строгания, является длина контакта режущего инструмента и древесины ^. Для более четкого понимания разобьем процесс на этапы (рис. 3.5) и примем следующее допущение: проекция точки О, расположенная на заготовке, делит ее длину пополам.

В начальный момент времени (рис. 3.5, а) происходит внедрение режущего инструмента в древесину, что сопровождается поперечно-продольным строганием древесины. Угол ^, при котором произойдет контакт, будет определяться в зависимости от длины заготовки L, ширины заготовки и расстояния от центра вращения режущего инструмента до заготовки J

2^

%х = . (3.13)

При дальнейшем продвижении режущего инструмента длина контакта постепенно увеличивается от нуля до максимального значения (рис. 3.5, б) и определится

по следующему выражению

2cos^ sin^'

(3.14)

Перемещение силового блока в промежутке 45° < t < 90° характеризуется

продольно-поперечным видом резания при строгании древесины.

Соответственно, угол и длина максимального контакта режущего ин

струмента и древесины составят

2(^ +

(3.15)

62

&

max

(3.16)

a)

Рис. 3.5. Основные этапы процесса строгания древесины

на шпон вращающимся режущим инструментом:

а) внедрение ножевого блока в древесину,

б) положение максимальной длины контакта режущего инструмента и древесины,

в) перпендикулярное расположение ножевого блока относительно заготовки

63

В промежутке < 90° длина контакта режущего инструмента и древеси-

ны составит

&

sin^

(3.17)

Следующей важной точкой является перпендикулярное расположение режущего инструмента относительно заготовки (рис. 3.5, в). В данный момент происходит продольное строгание древесины: угол = 90°, а &?=&.

Дальнейшее перемещение режущего инструмента будет являться зеркальным отражением вышеописанных этапов и закономерностей.

Выражение (3.10) не учитывает степень обжима при строгании древесины на шпон. С учетом (3.12) выражение (3.10) примет вид

' й. (3.18)

Момент от силы резания

- я, (3.19)

где - крутящий момент, Н-м,

Дзл - максимальное значение силы резания при строгании древесины на шпон вращающимся режущим инструментом, Н,

- плечо силы, м.

Мощность, затрачиваемая на резание при строгании древесины на шпон вра

щающимся режущим инструментом, составит

(3.20)

где - угловая скорость вращения режущего инструмента, с-1.

Разработанная математическая зависимость (3.18) позволяет определять уси

лия резания и другие энергосиловые характеристики процесса с учетом толщины шпона, степени обжима и других параметров при строгании древесины на шпон вращающимся режущим инструментом.

64

Глава 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА СТРОГАНИЯ ДРЕВЕСИНЫ НА ШПОН ВРАЩАЮЩИМСЯ МЕХАНИЗМОМ РЕЗАНИЯ

В четвертой главе отражены экспериментальные исследования процесса строгания древесины на шпон вращающимся механизмом резания. Разработана экспериментальная установка, получены экспериментальные данные, произведено их математическое описание. Аналитико-экспериментальным методом определены численные значения поправочных коэффициентов, произведена оценка качества полученного шпона. Аналитическим моделированием процесса получена таблица рационального расположения заготовки на приемном столе шпонострогального станка.

4.1. Задачи экспериментальных исследований, планирование эксперимента

Основываясь на обзор существующих исследований и теоретических изысканий по строганию древесины [22, 81, 82, 83, 97], были определены две главные характеристики процесса - это качество продукта и сила резания при строгании. В большей степени исследовались такие виды строгания как поперечно-продольное, поперечное или продольное (относительно волокон древесины). Ввиду этого имеется необходимость более широкого изучения процесса строгания древесины на шпон вращающимся режущим инструментом, а также выявить силовые характеристики.

Следуя вышеизложенному, определены задачи исследований:

1. Экспериментальным путем определить значения силы резания Рбл при строгании древесины вращающимся режущим инструментом и сравнить их с теоретическими, и, в зависимости от степени обжима А и толщины получаемого шпона е, выявить характер ее изменения.

2. По критериям шероховатости, разнотолщинности и наличию трещин опре

делить качество получаемого при различных условиях шпона.

65

При постановке эксперимента воспользуемся полным факторным планом типа 2k с числом факторов k=2.

В методическую сетку (табл. 4.1) входят девять расчетов. Четыре из них формируют полный факторный эксперимент, который учитывает парные взаимодействия и линейные эффекты.

Таблица 4.1

Матрица планирования эксперимента в нормализованном виде

№ п/п Переменные факторы Выходная величина

Х1 Х2

1 - - У1

2 + - У2

3 - + У3

4 + + У4

5 0 0 У5

6 - 0 У6

7 + 0 У7

8 0 - У8

9 0 + У9

Переменными факторами являются:

Х1 - толщина срезаемого шпона е;

Х2 - степень обжима древесины Д.

В таблице 4.2 приведены факторы и уровни их варьирования.

Таблица 4.2

П Переменные факторы и уровни их варьирования

№ п/п Наименование факторов Условное обозначение Код Единица измерения Шаг варьирования Уровни варьирования

-1 0 +1

1 Толщина шпона е Х1 мм 0,5 1,0 1,5 2,0

2 Степень обжима Д Х2 % 5 10 15 20

Угловая скорость вращения режущего инструмента, угол резания, влажность и порода заготовки приняты в качестве постоянных факторов.

Выходная величина (отклик) У - усилие резания Рбл, которая является функцией от варьируемых факторов

66

ғ = / (^1 ^2) (4.1)

В таблице 4.3 представлена матрица планирования эксперимента в натуральном выражении факторов.

Таблица 4.3

Матрица планирования эксперимента в натуральных величинах

№ п/п Переменные факторы Усилие резания Рбл, Н

е, мм А, %

1 1 10

2 2 10

3 1 20

4 2 20

5 1,5 15

6 1 15

7 2 15

8 1,5 10

9 1,5 20

4.2. Экспериментальные исследования

В данном подпункте приведены основные составляющие экспериментальных исследований.

4.2.1. Факторы, определяющие процесс строгания древесины

на шпон вращающимся режущим инструментом

Факторы, характеризующие процесс резания древесины, делятся на три группы.

1. Зависимые переменные факторы:

- усилие резания Рбл при смешанном строгании древесины на шпон;

- качество получаемого шпона.

2. Постоянные независимые факторы:

- влажность древесины W=20 %;

- порода древесины - сосна;

- температура древесины T=20 °C;

- угол резания 3=19°;

67

- вид резания - вращающимся режущим органом;

- ширина заготовки b=0,05 м;

- угловая скорость вращения траверсы ю=0,18 с-1.

2. Переменные независимые факторы:

- степень обжима А;

- толщина шпона е;

Учитывая работы [11, 40, 41, 42, 46, 59], скорость резания до 5 м/с на процесс резания практически не влияет, поэтому она взята постоянной.