CC BY
32
(рис. 3). Покриття № 12 зношуеться дещо бiльше, однак iнтенсивнiсть вели-чини зносу у нього значно нижча, шж у покриття №3. Необхщно зауважити, що пiдвищення вмюту нiкелю до 7 % (покриття Ti-Ni-N (№ 15)) i 45 % (покриття Ti-Ni-N (№ 13)) приводить до iстотного шдвищення стiйкостi покрит-тiв, при цьому значно менше зношуеться i контртшо.
Рис. 3. Зношення ктъця (а) i вкладки (б — заштрихован стовбчики) при mepmi з покриттями: 1 - Ti-N (№3);
2 - Ti-Ni-N (№12);
3 - Ti-Ni-N (№15);
4 - Ti-Ni-N (№13); 5 - Мо-N (№22)
Таким чином, застосування вакуумних йонно-плазмових покритпв може ютотно шдвищити зносостшюсть деталей машин з вуглецевих нетер-мооброблених сталей. Залежно вщ режимiв роботи вузлiв тертя можна засто-сувати покриття ТьЫ (№3) i Ti-Ni-N (№12) при умовi необхщност забезпе-чення високо! стiйкостi тшьки одше! деталi спряження або покриття Ть№-№ (№ 15, № 13) для забезпечення необхщно! стiйкостi вше! пари тертя.
Застосування цих покритпв е незамiнним для деталей машин, змщ-нення термiчною обробкою яких з тих чи шших причин неможливе.
УДК 674.02 Доц. В.О. Маеесъкий, канд. техн. наук;
магктр Ю.В. Бенях - НЛТУ Украти
ДОСЛ1ДЖЕННЯ ФОРМОСТ1ЙКОСТ1 КЛЕСНИХ ЩИТ1В З МАСИВНО1 ДЕРЕВИНИ ДУБА
Розглянуто рiзнi варiанти клеених щитiв, якi склееш з дiлянок масивно'1 дереви-ни та особливосп розмiщення тахлi в пазах рамки. Виконано експериментальш дос-лiдження, встановлено регресiйнi залежностi для визначення величин розбухання i стрши прогину клеених щит1в тсля розбухання та всихання залежно вщ ширини заготовок та кута нахилу р1чних шар1в та проведено ix оптим1зац1ю. Розраховано собь вартють виготовлення клеених щит1в 1з заготовок шириною 40 та 65 мм.
Doc. V.O. Mayevskyy; master Yu.V. Benyah - NUFWT of Ukraine Investigations of stability of shape of Composite boards from oak solid wood
It was considered the different variants of composite boards, which were glued from wood parts, and features of panel arrangement in groove of frame. It was performed the experimental investigations about establishment of regression dependence for determination
of swelling size and line bend of composite boards after swelling and drying according to width blanks and canting angle of rings. It was realized the optimization of these parameters. It was calculated the cost price of composite boards using from blanks with 40 and 65 mm width.
Актуальшсть дослщжень
Розвиток техшки i технологш у деревообробнш rany3i сприяв появi на ринку нових та урiзноманiтненню i покращенню властивостей наявних видiв композицшних конструкцшних матерiалiв з деревини, як створюють гiдну конкуренцiю масивнiй деревинi. Це вщносно недорогi матерiали, що дають змогу виготовляти меблi, орiентоваш на широке коло споживачiв. До таких матерiалiв можна зарахувати деревинностружковi (ДСП, постформшг, соф-тформiнг, OSB) та деревинноволокнист (ДВП, MDF) плити, фанеру.
Незважаючи на всi позитивнi характеристики композицшних конструкцшних матерiалiв, вони мають ряд недолiкiв, основними з яких е гiршi де-коративнi властивостi i токсичнiсть, зумовлена використанням синтетичних кле!в. Окрiм того, у масивно! деревини е характернi особливост^ якi практично неможливо вщтворити у композицiйних матерiалах, зокрема об'емшсть текстури, здатнiсть до вiдтворювання попередньо! форми за змiни вологи, ста-бiльнiсть механiчних показникiв за перепаду температури, вщсутшсть розша-рування за товщиною та вiдклеювання крайки.
Популяршсть виробiв з масивно! деревини залишаеться незмiнною впродовж багатьох рокiв та не втратила актуальност i на сьогодш. Однак, зважаючи на капшярно-пористу будову деревини та анiзотропнiсть !! властивостей, деревина як конструкцiйний матерiал мае також i недолжи, основними з яких е змша лiнiйних розмiрiв, розтрiскування та короблення окремих деталей i навггь руйнування виробiв у цiлому за змши вологостi деревини. Тому дослщження формостiйкостi клеених щитiв з масивно! деревини, якi пiсля вщповщно! мехашчно! обробки використовуватимуться у рамко-тахле-вих конструкщях як тахлi, е актуальним питанням, особливо стосовно впливу нахилу рiчних шарiв i ширини заготовок на яюсть меблевого або столярного виробу в умовах його експлуатаци.
Основною метою виконаних дослщжень е покращення формостшкос-тi клеених щдлв з масивно! деревини за рахунок вибору оптимально! ширини заготовок та нахилу рiчних шарiв.
Об'ект досл1дження - клеений щит з масивно! деревини.
Предмет досл1дження - формостшюсть клееного щита з масивно! де-ревини.
Методи досл1дження: математично! статистики - для обробки результат експериментальних дослiджень; математично! теорi!' планування експе-риментiв - для встановлення регресшних моделей та !х аналiзу; математич-ного програмування - для ршення задачi оптимiзацi! математичних i регре-сiйних моделей.
Анал1з вщомих досл1джень
У процесi сушiння, збер^ання та експлуатацi! пилопродукцi! може вщбуватися вiдхилення !! форми вiд задано! - короблення. Ашзотрошя вси-
хання приводить до змiни форми поперечного перетину пилопродукцп, випи-ЛЯН01 з рiзних мiсць колоди пiсля сушшня (рис. 1). В основному, короблення виявляеться на поперечному перетинi пилопродукцп - жолоблення, яке е результатом рiзницi радiального i тангенщального всихання, пов'язаного з ку-том нахилу рiчних шарiв до пласт пилопродукцiï. Дифузiя вологи в деревиш е причиною виникнення внутрiшнiх напружень. Характер змши внутрiшнiх напружень достатньо складний, тому передбачити i точно визначити короблення пилопродукцп надзвичайно важко [1].
Рис. 1. Схема змши форми поперечного перерЬу пилопродукцИ, випиляно'1 зpi3Hux м^ць колоди мсля сушшня [2]
На змшу форми та розмiрiв пилопродукцп ютотний вплив мае також i порода деревини. Для пилопродукцп з твердолистяних порщ характерна бшь-ша величина змши форми та розмiрiв порiвняно з м'яколистяними i хвойни-ми породами.
Клеений щит, який мае велику ширину, необхщно склеювати iз вузьких д^нок (заготовок). Це викликано тим, що широк щитовi клеенi конструкцп тддаються жолобленню, на яке впливае розмщення волокон, напрям рiчних шарiв у донках i наявнiсть рiзних зон деревини в дшянщ. Залежно вщ розмь щення рiчних шарiв i напрямку волокон у донках, з яких склеюеться щит, не завжди вдаеться уникнути його жолоблення в реальних умовах експлуатацiï. Так, для випадку, коли щит склеюеться з широких д^нок тангенщального ви-пилювання iз розмiщенням рiчних шарiв в одному напрямку (рис. 2), жолоблення такого щита однобiчне i мае гладку поверхню. А якщо д^нки у щит розмiстити почергово з рiчними шарами в двох напрямках (рис. 3), то жолоблення такого щита буде складним i з хвилястою поверхнею.
Рис. 2. Клеений щит з широких длянок Рис 3 Клеений щит 3 широких Шянок
тангенщального випилювання b
перемтним розмщенням рiчних шарiв в
двох напрямках
тангенщального випилювання гз розмщенням рiчних шарю в одному напрямку
Викривлення заготовок тангенщального випилювання зумовлене рiз-ною величиною всихання ранньо! i шзньо! зон. Шзня зона всихаеться бшьше, тж рання i рiчне кiльце прагне до вирiвнювання, а сама заготовка жолобиться.
Клеений щит з широких дшянок радiального випилювання, рiчнi шари яких розмiщенi перпендикулярно до площини (рис. 4), жолоблення не зазнае, але його поверхня може бути нерiвною через нерiвномiрне всихання заболон-но! та ядрово! частини дшянки.
У процес виготовлення клеених щитiв необxiдно забезпечити потрiб-ну якiсть, зокрема належну "м формостiйкiсть. У такому випадку кращий ва-рiант - склеювання щитiв з вузьких дiлянок ^з заболонно1' або ядрово1' части-ни) радiального випилювання, якi потрiбно розмщувати так, щоб напрям волокон на сусщтх дiлянкаx був розвернутий на 180° один вщносно одного (рис. 5) i при цьому не втрачалися декоративнi властивостi отримувано1' по-верxнi. Проте виконання цих умов для забезпечення виробництва клеених щи^в не е оптимальним варiантом з точки зору використання сировини, трудозатрат та затрат кош^в.
шшдахгшшшги шммшшжшмшшзм
Рис. 4. Клеений щит з широких Рис. 5. Клеений щит з вузьких дтянок (i3
дтянок радiалъного заболонно'1 або ядровоИ частини) радiалъного
випилювання, рiчнi шари яких випилювання, розмщених так, щоб напрям розмщеш перпендикулярно до волокон на суЫдн1х дтянках був розвернений на площини 180° один вiдносно одного
У спецiалiзованiй науково-техшчнш лiтературi питання вибору шири-ни заготовок, з яких склеюють щити, е дискусшним. Одш вважають, що вщ-ношення ширини дшянки до ii товщини не мае перевищувати 1.5 раза [3], ш-шi - 2.2 [4]. Ряд науковщв дотримуються думки, що максимально допустима ширина брусюв iз масивноi деревини для виготовлення меблевих виробiв, не мае перевищувати 100 мм [5].
Важливу увагу необхщно придшити i самiй конструкцii рамко-тахле-вого фасаду з масивноi деревини. Тахля, встановлена в паз рамки (рис. 6), у процес експлуатацп при зволоженш може змiнювати своi розмiри вщ l (для експлуатацiйноi вологостi) до (l + a) (для максимально!" вологостi). Щоб уникнути руйнування конструкци, необxiдно робити пази в рамщ з врахуван-ням можливо" змiни розмiрiв таxлi на величину a.
-_L
Рис. 6. Схема розмщення тахлi в пазах рамки
Внаслщок неоднакового всихання деревини вздовж i впоперек волокон торщ нас^зних шипiв з часом стають помiтними. Тому, для виготовлення рамок часто використовують з'еднання в паз i шип, у яких торщ шишв не виходять на поверхню. Для забезпечення жорсткост конструкци шип повинен входити в паз достатньо глибоко i вщносно щiльно. Щоб уникнути руйнування конструкци рамко-тахлевого фасаду i розтрюкування тахлi, не дозволяеться шип тахлi приклеювати в пазах до рамки. Можлива змiна розмь рiв тахлi пiд дiею вологи в процес експлуатацп повинна вiдбуватись вшьно в межах величини зазору.
Методика i проведення експериментальних дослiджень
Для виготовлення експериментальних взiрцiв (Т*Ш>Д 18x280x380 мм) використано деревину дуба. Дотримано вимог, що ставляться до заготовок при !х склеюванш: вологiсть деревини не бiльше 8 %, рiзниця вологостi двох
сусщшх, склеюваних мiж собою заготовок менше 2 %, шорсткiсть поверхнi заготовок при склеюванш на гладку фугу не бшьше 200 мкм для параметра шорсткосл Яттах .Склеювання заготовок у щити на гладку фугу проведено
полiвiнiлацетатним клеем СЛБСОЬ 3326, який вщповщае вимогам щодо мщ-ностi, тепло- i водостiйкостi з'еднання та безпечностi для здоров'я людини.
Експеримент щодо дослiдження впливу агресивного середовища на характер жолоблення клеених щитв, зокрема величини 1х розбухання i стрь ли прогину шсля розбухання та всихання, проводився впродовж мюяця (30 дiб). Пiд час експерименту створювали такi агресивнi умови, як вщповь дають умовам кухонно! кiмнати. Час проведення експерименту був подше-ний на етапи. Експеримент складено з 6-ти етапiв по декшька днiв. Кожного дня цикшчно змiнювали температуру i вiдносну волопсть повiтря до необхщ-ного значення. Враховано, що пiд час приготування 1ш впродовж в середньо-му 4-5-ти годин на добу спостершаеться змша температури повiтря вiд 18 до 25(30)°С (рис. 7) i вщносно1' вологостi повiтря вiд 50 до 92 %, якi справляють негативний вплив на деревину i можуть спричинити 11 розбухання та всихання, а як наслщок жолоблення деталей фасаду. Вщносна волопсть повггря за нормальних умов знаходилася в межах 60-65 %, а для створення агресивного середовища 11 збшьшували до 70-75 %, а в окремих випадках до 92 % (рис. 8).
о
£ ь о о с
си
п.
>
й
.
о с
г о
31 29 27 25 23 21 19 17
варiант 2 варiант
1
10
23456789 Час, год.
Рис. 7. Характер змти температури впродовж дня
95 90 85
к о.
80
.о
I-
о 'С
о е; о ш га
X
о о
X
ч т
75 70 65 60 55 50 45
13 5 7
9
11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 Дш проведення експеременту
Рис. 8. Характер змти вiдносно'i вологостi повШря впродовж експерименту
У ходi проведення експерименту щодо визначення величини розбухання i стрши прогину клеених шдлв шсля розбухання та всихання, що прийнят
за вихщт величини, на отриманий результат впливали також цiлий ряд iншиx чинниюв, якi роздiлено на три групи:
1. Змшт чинники: ширина заготовок та нахил рiчниx шарiв. На основi ана-лiзу спецiалiзованоi науково-теxнiчноi лiтератури та проведених попе-редтх дослiджень числовi значення змiнниx чинниюв прийнято: ширина заготовок (В) 40.0.. .100.0 мм та нахил рiчниx шарiв (Р) 0.. .90°.
2. Постiйнi чинники: порода деревини - дуб, товщина заготовок - 18 мм, клей - ПВА дисперсiя (CASCOL 3326).
3. Збурюючi чинники: вщносна волопсть навколишнього середовища -50.92 %, температура навколишнього середовища - 18.30°С, волопсть зразюв - 6...8±1 %, тривалiсть дii агресивного середовища ~ 4 год (щоденно протягом 30 дiб).
Результати експериментальних дослщжень
Розрахунок коефiцiентiв рiвнянь регреси проведено на ЕОМ iз вико-ристанням електронних таблиць Microsoft Excel XP з пакету прикладних програм Microsoft Office XP. Для розрахунку коефщенпв застосовано метод Ньютона та концепщю тдбору параметрiв за допомогою процедури пошуку рiшень, щоб значення суми квадрата вiдxилень було мшмальним.
Отриманi рiвняння регресiй для визначення величини розбухання (11) i стрши прогину клеених щитiв пiсля розбухання (Y2) та всихання (Y3) залеж-но вщ змiнниx чинникiв - ширини заготовок (Х1, B) та кута нахилу рiчниx шарiв (Х2, P) в натуральних позначеннях чинникiв матимуть такий вигляд:
Y = 4.210 - 0.036 • B - 0.031 • P + 0.0002 • B2 + 0.0001 • P2 + 0.0001 • B • Р; (1) Y2 = 2.437 - 0.026 • B - 0.006 • P + 0.0002 • B2 - 0.0001 • P2 + 0.0001 • B • P ;(2) Y3 = 1.357 - 0.008 • B - 0.025 • P + 0.0001 • B2 - 0.0001 • P2 + 0.0001 • B • P .(3)
Проведений статистичний аналiз рiвнянь регресiй дозволив зробити висновок, що регресшш моделi (1.3) е адекватними та можуть використову-ватися для визначення величини розбухання (Y) i стрiли прогину клеених щитiв шсля розбухання (Y2) та всихання (Y3).
Граф1чне представлення результат1в досл1дження
Для бiльш наочного представлення результата дослщжень на графжах (рис. 9-11) наведено залежносп величини розбухання i прогину клеених шдпв пiсля розбухання i всихання вщ ширини заготовок та нахилу рiчниx шарiв.
З графiка (рис. 9) видно, що зменшення ширини заготовки призводить до зростання величини розбухання клееного щита, особливо для кута нахилу волокон 0°, цей вплив менш помггний для 45° i практично вщсутнш для кута нахилу 90°. Зменшення кута нахилу рiчниx шарiв вщ 90° до 45° практично не впливае на розбухання, а подальше зменшення кута нахилу до 0° характеризуемся рiзким збшьшенням величини розбухання клееного щита.
Вплив кута нахилу рiчниx шарiв на прогин клееного щита з масивно1' деревини шсля розбухання (рис. 10) характеризуеться рiзким збшьшенням прогину за зменшення кута нахилу вщ 90°до 45° i дещо меншим збшьшенням
нахил волокон 0
............Ш.................. волокон 45
....................А......................нахил волокон 90
0,00
40
100
50 60 70 80 90 Ширина заготовок, мм
Рис. 9. Вплив ширины заготовок г нахилу ргчних шаргв на розбухання клееного
щита
50 60 70 80 90
Ширина заготовок, мм
Рис. 10. Вплив ширини заготовок г нахилу ргчних шаргв на прогин клееного щита
тсля розбухання
5 £1,00
2 1 | ¡0,80
о са0,60 о.
С 0,40 0,20 0,00
40
50
90
100
60 70 80 Ширина заготовок, мм
Рис. 11. Вплив ширини заготовок I нахилу р1чних шар1в на прогин клееного
щита тсля всихання
прогину для кута нахилу вщ 0° до 45°. Аналопчний характер залежносп ви-хщно! величини вщ змшних чинниюв спостерпаеться i тсля аналiзу впливу ширини заготовок та нахилу рiчних шарiв на величину прогину клееного щита
пiсля всихання (рис. 11). Вплив кута нахилу р1чних шарiв на прогин клееного щита з масивно1 деревини п1сля всихання характеризуеться рiзким зб1льшен-ням прогину за зменшення кута нахилу в1д 45°до 0° i дещо меншим зб1ль-шенням прогину для кута нахилу в1д 45° до 90°. Причому, сл1д зауважити, що вплив ширини заготовок на прогин клееного щита (рис. 10, 11) не е таким яс-краво вираженим - в1н практично в1дсутн1й для заготовок шириною в1д 40 до 70 мм (для рiзних кут1в нахилу рiчних шарiв) та на 25.200 % б1льший для заготовок шириною 100 мм.
Оптим1защя результатов експерименту
Оптимiзацiю отриманих математичних моделей проведено з викорис-танням ЕОМ. У стандартны програмi "Microsoft Excel" з пакету прикладних програм "Microsoft Office" за допомогою процедури "Пошуку р1шень" визна-чили оптимальн1 значення ширини заготовки i нахилу рiчних шарiв. При цьому обмежились величиною прогину щит1в fmax < 0.6 мм згiдно зi стандартом [6]. Отримаш результати наведено у табл. 1.
Табл. 1. Результати оптимпаци
№ з/п Ширина заготовки Нахил волокон Прогин
у нормал1зова-них позначеннях у натуральних величинах, мм у нормал1зова-них позначеннях у натуральних величинах, град.
1 -1 40 0,52 68 Для вс1х випадк1в <0,6 мм
2 -0,83 45 0,6 72
3 -0,62 50 0,7 77
4 -0,5 55 0,76 79
5 -0,34 60 0,84 83
6 -0,26 65 0,92 86
7 -0,07 67,9 1 90
Результати оптимiзащl засвiдчили, що оптимальне значення ширини заготовки 40 мм, при цьому кут нахилу рiчних шарiв не повинен бути меншим 68°. Максимально допустима ширина заготовки не повинна перевишу -вати 67,9 мм, але при цьому кут нахилу зросте до 90°.
Отримаш результати експериментальних дослщжень дають змогу провести порiвняльний розрахунок собiвартостi виготовлення клеених щитiв з рiзних ширин заготовок, як пiсля вщповщно! мехашчно! обробки викорис-товуватимуться у рамко-тахлевих конструкщях як тахлi. На основi економiч-ного аналiзу вхiдних даних i результатiв оптимiзацil розраховано орiентовну собiвартiсть виготовлення клеених щитiв розмiром 18*280/380 мм iз заготовок шириною 40 та 65 мм. Собiвартiсть виготовлення 100 клеених щдлв роз-раховано за класичною методикою та наведено у табл. 2 [7].
Аналiз калькуляцн орiентовноl собiвартостi виготовлення клеених щита (табл. 2) засвщчив, що зменшення ширини заготовки призводить до збшь-шення собiвартостi. Оскiльки зменшення ширини заготовки потребуе збшь-шення 1х кiлькостi для виготовлення клееного щита вщповщно! ширини, що, в свою чергу, призводить до збшьшення сумарних витрат деревини на припуски мехашчно! обробки i часу виконання технолопчних операцш. Окрiм того, також зростае кшьюсть склеюваних поверхонь, що вимагае бшьше часу
i витрат клею на проведення операцп склеювання. Тому для виготовлення клеених щитiв доцiльно за можливостi використовувати заготовки бшьшо! ширини в межах вщ 40 до 65 мм, але з врахуванням нахилу волокон.
Табл. 2. Калькулювання opieHmoeHo'iсоб1вартост1 виготовлення 100 клеених щит'ш
№ з/п Статп витрат Витрати, грн.
Ширини заготовок
40 мм 65 мм
1 Прям1 матер1альт витрати: а) на деревину б) на клей 215,22 30,03 210,99 16,55
2 Прям1 витрати на оплату пращ 111,61 103,66
3 Ввдрахування на загальнообов'язкове сощальне страхування 42,86 39,81
4 Загальновиробнич1 витрати: а) електроенерпя - на технолопчт потреби - на осв1тлення б) амортизацшт ввдрахування 6,81 1,67 170,41 6,07 1,48 145,70
Разом: 578,61 524,26
Висновки:
1. За результатами експериментальних дослвджень отримано рiвняння рег-ресiй для визначення величин розбухання i стрши прогину клеених щи-■пв тсля розбухання та всихання, залежно ввд ширини заготовок та кута нахилу рiчних шарiв, як е адекватними та можуть використовуватися для прогнозування вихiдних величин.
2. Результати оптимiзацп засвiдчили, що оптимальне значення ширини заготовки 40 мм, при цьому кут нахилу рiчних шарiв не повинен бути мен-шим 68°. Максимально допустима ширина заготовки не повинна переви-щувати 67,9 мм, але при цьому кут нахилу зросте до 90°.
3. Аналiз калькуляцп орiентовноl собiвартостi виготовлення клеених щиив засвiдчив, що зменшення ширини заготовки призводить до збшьшення собiвартостi. Тому, для виготовлення клеених щиив доцшьно за можли-вост використовувати заготовки бшьшо! ширини в межах ввд 40 до 65 мм, але з врахуванням нахилу волокон.
4. Експериментальт до^дження проведено для неопоряджено! деревини клеених щиив, як пiсля ввдповвдно! мехатчно! обробки використовува-тимуться у рамко-тахлевих конструкщях як тахлi, що дозволило виклю-чити можливiсть впливу на результати експерименту таких значущих чинникiв, як вид лакофарбового матерiалу, технологil опорядження та рамково! конструкцil.
Л1тература
1. Соколовский Я.И., Поберейко Б.П. Расчет нестационарных напряжений в древесине при воздействии влаги// Известия высших учебных заведений. Лесной журнал, № 1. -2000. - С. 7-9.
2. Wood handbook - wood as on engineering material. Gen. Tech. Rep/ FPL - GTR - 113. Madison, WI: U.S. Department Agriculture, Forest Service, Forest Products laboratory. - 1999. -463 p.
3. Бобиков П.Д. Конструирование столярно-мебельних изделий. М.: Лесн. пром-сть, 1980. - 174 с.
4. Буглай Б.М., Гончаров М.А. Технология изделий из древесины. - М.: Лесн. пром-сть, 1985. - 408 с.
5. Бухтияров В.П. Технология производства мебели. - М.: Лесн. пром-сть, 1987. -
264 с.
6. ГОСТ 6449.3-82 Допуски формы и расположения поверхностей. - М.: Изд-во стандартов, 1982.
7. Бенях Ю.В. Особливосп рамко-тахлево! конструкци з масивно! деревини: Магю-терська робота/ УкрДЛТУ. - Льв1в, 2003. - 90 с.
