184

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

“СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ”

На правах рукописи

Цаплин Пётр Витальевич

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ СНИЖЕНИЯ ШЕРОХОВАТОСТИ ДРЕВЕСНЫХ КОМПОЗИТНЫХ ПЛИТ ПРИ ИХ КАЛИБРОВКЕ МЕТОДОМ ТЕРМОСИЛОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ

05.21.05 - “Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки”

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

Д. т. н, профессор А.Г. Ермолович

Научный консультант:

Д.т.н., профессор, Заслуженный изобретатель РФ

С.П. Ереско

Красноярск 2014г.

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................4

Раздел 1. Обзор существующих технологий и оборудования по термосиловому воздействию древесных материалов............................................................................12

1. Физико-механические характеристики древесных композитных плит...................................................................................................................12

2. Литературный и патентный обзор способов обработки поверхности древесных плит с целью калибрования и снижения шероховатости.................................................................................................18

3. Анализ шлифовального оборудования и усовершенствование обрабатывающего узла термопротяжным устройством для получения требуемой шероховатости..............................................................................27

4. Выводы.............................................................................................................33

РАЗДЕЛ 2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМОСИЛОВОГО СПОСОБА ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТИ ДРЕВЕСНЫХ КОМПОЗИТНЫХ ПЛИТ......................................................................................................................36

2.1 Физическая сущность снижения шероховатости поверхности ДСтП термосиловым воздействием и моделирование этого процесса..................................................................................................................38

2.2 Взаимодействие трения и шероховатости поверхности ДСтП.................62

2.3 Разработка технологии как основы снижения трудозатрат при требуемом качестве работ и её внедрение в производственный процесс...........................78

2.4 Выводы...........................................................................................................86

Раздел 3. Экспериментальные исследования термосилового воздействия на поверхность древесностружечной плиты ................................................................87

3.1 Выбор термосиловой головки для обработки поверхности плит.........................................................................................................................87

3.2 Планирование эксперимента и подбор образцов.........................................91

3.3 Расчёт экспериментальных исследований поведения узлов, собранных оригинальным способом.....................................................................................100

3.4 Экспериментальные данные обработки древесностружечных плит калиброванием и термопрокатом.......................................................................112

3.5 Выводы...........................................................................................................119

Раздел 4. Технико-экономическое обоснование введения термосилового воздействия в процесс калибровки древесностружечных плит..................................................................120

4.1 Уравнение регрессии, описывающее процесс поверхностной обработки древесностружечных плит..................................................................................120

4.2 Оптимизация параметров обработки и технико-экономические расчёты.................................................................................................................121

4.3 Сравнительная оценка энергопотребления.................................................124

4.4 Сравнительная оценка технологий..............................................................128

4.5 Выводы...........................................................................................................131

ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................................................................133

Рекомендации и перспективы дальнейшей разработки тематики исследований........................................................................................................134

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК................................................................135

Приложение 1

Регрессионный анализ многофакторных экспериментальных исследований........................................................................................................154

Приложение 2

Патентный обзор конструкций станков для обработки поверхности древесных композиционных плит.....................................................................159

Приложение 3

Акт внедрения в учебный процесс.....................................................................174

Приложение 4

Акт внедрения в производственный процесс...................................................175

Приложение 5

Cловарь терминов Statgraphics...........................................................................176

Приложение 6

Авторские патенты на внедрения технологии обработки древесных композитных плит...............................................................................................177

ВВЕДЕНИЕ

В последние годы стал актуален вопрос получения качественных, но при этом относительно недорогих мебельных изделий. Калибрование полноформатных плит на широколенточных шлифовальных станках, несмотря на высокую производительность, обладает рядом недостатков, а именно: повышенная энергоёмкость из- за высокого расхода мощности, а отсюда высокой стоимости на обработку поверхности плит; низкая стойкость шлифовальных лент (составляет 1,5 – 3,0 часа), при этом появляется волнистость, ворсистость и т.д., которые влияют на расход лакокрасочных материалов; невозможность обработки заготовок за один проход при их большой разнотолщинности и запылённости снимаемого припуска, исключающей повторное использование.

Актуальность темы исследования

Чтобы исключить эти недостатки шлифовальных станков, надо сделать шлифование направленным, с организованным узлом резания и с последу vющим выглаживанием поверхности изделия методом термосилового воздействия. Такое оборудование повысит качество изделия, сделает его безотходным и с повторным использованием. Необходимость в теории и методах проектирования для изучения и совершенствования такого оборудования является актуальной темой исследования.

Совершенствование технологии получения изделий из древесных материалов требует создания новых типов машин, систем привода режущих и формообразующих деталей, отвечающих высокой производительности, долговечности, надёжности и низкой себестоимости.

Поэтому теория и методы проектирования систем приводов станков, узлов резания и формообразования обработанной поверхности изделий являются актуальными для изучения в целях совершенствования конструкции станков.

Степень разработанности темы

Существующее калибровально-шлифовальное оборудование для получения изделий строительного назначения из композиционных материалов превращает часть изделия в пылевидное состояние с включением абразива и делает невозможным их повторное применение в технологии производства композиционных плит из- за увеличенного расхода связующего материала и низкого качества изделий по прочностным показателям.

Очевидно, что в основу конструкций станков должны быть заложены условия, исключающие превращения снятого припуска изделия в пыль. Пылевидное состояние отходов характерно для неорганизованного резания при шлифовании. Простое резание плит даёт волнистость поверхности, имеет низкую стойкость обрабатывающего инструмента и требует последующего шлифования. Заменив шлифование направленным, организованным узлом резания, с последующим выглаживанием поверхности, представляется возможным получать требуемые фракции отходов без абразива и с возможностью повторного использования. Данное диссертационное исследование посвящено обработке поверхности древесных композиционных плит резанием и термосиловым воздействием для снижения разнотолщинности и шероховатости обработки. Проведённый анализ патентного фонда за последние 50 лет показал, что существует ряд изобретений и патентов термопроката поверхности применительно к чистой древесине. Однако, в отношении к древесным композиционным плитам такой способ термосилового воздействия нами обнаружен не был. Всё это определило необходимость разработки и совершенствования новых систем приводов, узлов резания и формообразующих деталей, обеспечивающих требуемое качество обработки со снижением расхода мощности на неё и получение возвратных отходов. Существующие проблемы определили цель и основные задачи научных исследований.

Цель исследования:

Разработать технологию снижения шероховатости поверхности древесных изделий для улучшения качества самих изделий и для снижения их себестоимости.

Задачи исследования:

1. Исследовать принцип организации и технологические особенности процесса калибровки и шлифования древесных композиционных плит;

2. Установить в ходе теоретических исследований, лабораторных и производственных экспериментов закономерности направленного резания припуска плиты и формообразование поверхности плиты термосиловым воздействиям;

3. Разработать математическую модель рабочего процесса калибровально- шлифовального станка с системой приводов, узлов резания и формообразования;

4. Разработать способ, оборудование и технологическую схему процесса калибровки древесностружечных плит с получением возвратных отходов;

5. Дать оценку экономической эффективности от внедрения нового способа калибровки композиционных древесных материалов.

Научная новизна:

1. Впервые предложен и обоснован способ калибровки древесных композитных плит с одновременным снятием её припуска организованным резанием и снижением шероховатости её поверхности при протягивании прижимной пластины с термосиловым воздействием;

2. Получены регрессионные модели поведения древесных композитных плит после механического воздействия в термосиловом поле и в обрабатываемых деталях.

3. Найдены функции параметров нагрузочного режима рабочих узлов станка и наилучший технологический режим обработки плитных изделий из древесины с его энергетическими затратами;

Теоретическая и практическая значимость работы

заключается в том, что на базе проведённых теоретических и экспериментальных исследований получены научные результаты по определению оптимальных параметров обрабатываемого материала:

1. зависимости скорости резания, подачи и нагрузочные характеристики термосилового воздействия контактного пятна обеспечивающих необходимую шероховатость поверхности плиты;

2. создан экспериментальный образец калибровально- шлифовального станка для композиционных древесных плит, исключающий применение шлифовальной ленты и включающий дифференциальный привод режущего узла, а также формообразующие термосиловые детали с возможностью получения теплового поля от сил трения;

3. разработана методика расчёта параметров калибровального устройства, которая используется в учебном процессе кафедры «Теоретическая механика» СибГТУ.

Материалы работы представлены в ООО «СПИК» - Сибирская промышленно-инвестиционная компания (протокол №193 от 16 сентября 2010 г.).

Методология и методы исследования

Объектом исследования является станок для калибрования и снижения шероховатости древесных композиционных плит на основе растительного сырья.

Предметом исследования является процесс термосилового воздействия на поверхность древесностружечной плиты с целью снижения шероховатости и разнотолщинности плит.

Методами исследования являются математическое и имитационное моделирование с применением вычислительной машины с пакетом прикладных программ и теория планирования эксперимента.

Положения, выносимые на защиту:

1. Метод и реализующие его системы приводов, режущих и формообразующих узлов калибровальных станков;

2. Функции параметров нагрузочного режима рабочих органов станка и оптимальный технологический режим обработки поверхности плиты;

3. Регрессионные модели поведения композитных древесных плит в термосиловом поле и в обрабатывающих деталях экспериментальной калибровально-термосиловой установки.

Степень достоверности результатов

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, полученных автором, подтверждаются теоретически и экспериментально. Научные положения аргументированы, теоретические результаты работы и выводы подтверждены проведёнными экспериментальными исследованиями и математической обработкой, использованием теории механики деформируемого тела, теории механизмов и машин, использованием вычислительной техники и пакетом стандартных программ для обработки экспериментальных данных.

Апробация результатов.

Результаты работы докладывались на Всероссийских научно- практических конференциях студентов и молодых учёных (Красноярск 2008, 2009гг.), на семинарах кафедры “теоретической механики” СибГТУ (Красноярск 2008, 2009, 2010, 2011, 2012гг.)

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ. Из них статьи в ВАК 3 печатных работы, 3 доклада на конференциях, 2 патента РФ.

Объём и структура диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырёх разделов, заключения и приложений. Общий объём 180 страниц, в том числе 58 рисунков, 16 таблиц. Список литературы 149 наименований.

Содержание работы.

Во введении обоснована актуальность проблемы по совершенствованию процессов обработки строительных изделий в современных условиях, а также сформулированы цель и задачи исследования, научная новизна, степень достоверности и апробация результатов исследования.

В первом разделе рассмотрены существующие способы поверхностной обработки плитных древесных композиционных материалов калиброванием и шлифованием, а также применение термопроката и термосилового воздействия; свойства и структура поверхности древесных композитных плит; обсуждаются методы и средства, способствующие повышению интенсивности механического воздействия на обрабатываемый материал с целью снижения затрат, т.е. подготовительная часть теоретических и экспериментальных исследований.

Во втором разделе излагаются теория термосилового воздействия на поверхность древесной композитной плиты, основы её деформации и шероховатость. Рассматривается физическая и деформационная модели взаимодействия обрабатывающего узла с древесным композитным материалом и технология как основа снижения трудозатрат при требуемом качестве работ.

В третьем разделе рассмотрена методика и планирование проведения эксперимента, подбор образцов по нахождению оптимальных параметров обработки древесных материалов при калибровании и термопрокате для достижения их минимальной шероховатости; приводятся результаты исследований, графики откликов выходных параметров от входных факторов.

В четвёртом разделе приводиться уравнение регрессии, описывающее процесс поверхностной обработки древесностружечных плит; приведена технология и экономическая целесообразность применения термопроката в облагораживании поверхности древесных композиционных плит и оптимизация процесса обработки древесных композиционных материалов по снижению шероховатости.

В заключении содержатся результаты выполненных исследований, рекомендации, перспективы дальнейшей разработки темы, список используемой литературы и приложения.

Работа выполнена в Сибирском государственном технологическом университете. г.Красноярск.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Ермолович Александр Геннадьевич.

Научный консультант доктор технических наук, профессор, заслуженный изобретатель РФ Ереско Сергей Павлович.

Официальные оппоненты:

Ведущая организация: