Ресурсосберегающая технология изготовления облицовочных изделий из древесины
ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………. 6
1 АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ
ИССЛЕДОВАНИЯ…………………………………………………………. 12
1.1hВопросы рационального использования древесины и
переработки древесных отходов…….…………………………………. 12
1.1.1 Методы ресурсосбережения при переработке
древесины……………………………………………………………. 12
1.1.2 Виды древесных отходов и способы их переработки……… 13
1.1.3 Виды продукции из кусковых древесных отходов и сферы
ее применения………………………………………………………. 19
1.2 Технологические принципы изготовления облицовочных изделий
из древесины……………………………………………………………… 20
1.2.1 Анализ требований к облицовочным изделиям…………….. 21
1.2.2 Технологии изготовления облицовочных изделий…………. 24
1.2.3пТребования к сырью для изготовления облицовочных
изделий…………………………………………………………….. 30
1.3 Технологические особенности изготовления облицовочных
изделий из кусковых древесных отходов………………………………. 31
1.4 Выводы. Цель и задачи исследования……………………………… 32
2пОБОСНОВАНИЕ СПОСОБОВ УЛУЧШЕНИЯ ДЕКОРАТИВНЫХ И
ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ДРЕВЕСИНЫ……………….. 34
2.1 Определение условий, способов и приемов, обеспечивающих
повышение эксплуатационных свойств облицовочных изделий……….. 34
2.1.1аСпособы улучшения декоративных свойств древесины….. 35
2.1.2 Условия и приемы повышения твердости поверхности
древесины………………………………………………………….. 36
2.1.3 Условия обеспечения повышенной водо- и влагостойкости
древесины………………………………………………………….. 37
2.1.4gСпособы повышения долговечности изделий из
древесины………………………………………………………………. 38
2.1.5 Условия, обеспечивающие стабильность формы и размеров
деталей из древесины…………………………………..…………. 40
2.2 Анализ процессов обработки древесины, влияющих на ее
декоративные и физико-механические свойства………………………… 41
2.2.1 Обугливание древесины при поверхностном обжиге……… 41
2.2.2рВыявление природной структуры древесины при
брашировании …………………………………………………………. 44
2.2.3пУплотнение подвергнутой обжигу и брашированию
древесины при ее сжатии поперек волокон……………………….. 46
2.2.4пИзменение структуры и свойств древесины при
термической обработке….…………………………………………… 59
2.3 Обоснование комбинирования операций обжига, браширования,
прессования и термической обработки ……………………………….. 61
2.4 Определение факторов комбинированного процесса……………… 62
2.5 Требования к заготовкам для процесса комбинированной обработки 62
2.6 Выводы по второму разделу………………………………………… 63
3пМЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ
ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЦЕССА КОМБИНИРОВАННОЙ
ОБРАБОТКИ………………………………………………………………… 65
3.1 Программа экспериментальных исследований……………………. 65
3.2 Характеристики и свойства исследуемых материалов……………. 67
3.3пХарактеристики оборудования, установок и приборов для
проведения экспериментальных исследований……………………….. 68
3.4 Методика изготовления экспериментальных образцов…………… 69
3.5пМетодика планирования экспериментов и статистической
обработки экспериментальных данных……………………………………. 71
3.5.1 Выбор основных факторов процесса…..…………..………… 71
3.5.2 Определение граничных условий обработки заготовок
комбинированным способом……………………………………………. 69
3.5.3 Обоснование выбора откликов……………………………….. 72
3.5.4 Методика определения откликов…………….………………. 74
3.5.5 Планирование экспериментальных исследований…………. 80
3.5.6рМетодика статистической обработки экспериментальных
данных…………………………………………………………………… 83
3.5.7 Методика определения рациональных значений параметров
режимов прессования и термической обработки…………………… 84
4 ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ
ПРОЦЕССА КОМБИНИРОВАННОЙ ОБРАБОТКИ ……………………… 86
4.1 Результаты поисковых экспериментов и их анализ……………… 87
4.1.1пОпределение возможностей комбинирования операций
обжига, браширования, прессования и термической обработки… 87
4.1.2пИсследование способа четырехстадийной комбинированной
обработки ……………………………………………………………. 89
4.2 Исследование процесса прессования и термической обработки.. 96
4.2.1пЭкспериментальное исследование влияния параметров
режимов прессования и термической обработки на физико-
механические свойства заготовок из древесины сосны и ели..… 96
4.2.2 Определение рациональных режимов прессования и
термической обработки заготовок……………..………………… 114
4.3 Оценка потребительских свойств облицовочных изделий…….. 118
4.3.1 Оценка микроструктуры заготовок………………………… 119
4.3.2 Оценка геометрической точности облицовочных деталей.. 121
4.3.3 Оценка атмосферостойкости облицовочных деталей…….. 122
4.4 Результаты и выводы по четвертому разделу…………………… 123
5 ОЦЕНКА ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ
ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОБЛИЦОВОЧНЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ
ДРЕВЕСИНЫ……………………….…………………………………….. 125
5.1пРазработка конструкции и технологического процесса
изготовления облицовочных изделий………………………………… 126
5.1.1 Разработка варианта конструкции облицовочной панели… 126
5.1.2пТехнологический процесс изготовления облицовочной
панели……………..……………………………………………….. 128
5.1.3 Варианты конструкций технологической оснастки для
обработки короткомерных заготовок……………………………… 134
5.2-Экономическое обоснование технологии изготовления
облицовочных панелей……………………………………………….. 138
5.2.1 Производительность изготовления облицовочных панелей… 138
5.2.2пСравнительная оценка цеховой себестоимости
облицовочных панелей…………………………………………… 141
5.2.3 Оценка уровня качества облицовочных панелей………… 144
5.3 Выводы по пятому разделу……………………………………….. 149
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ………………………… 151
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ…………………………. 153
ПРИЛОЖЕНИЕ-А. Номенклатура показателей качества
облицовочных изделий…………………………………………………… 172
ПРИЛОЖЕНИЕ-Б. Перечень факторов процесса комбинированной
обработки………………………………………………………………….. 175
ПРИЛОЖЕНИЕ-В. Методика статистической обработки
экспериментальных данных……………………………………………… 176
ПРИЛОЖЕНИЕ Г. Методические сетки и результаты экспериментов… 182
ПРИЛОЖЕНИЕ Д. Данные для оценки уровня качества облицовочных
изделий…………………………………………………………………….. 188
ПРИЛОЖЕНИЕ Е. Патенты на изобретения…………………….………. 191
ПРИЛОЖЕНИЕ Ж. Грамоты и сертификаты…………………….……… 192
ПРИЛОЖЕНИЕ И. Акты и справки об апробации и внедрении..……… 194
Во введении обоснована актуальность работы, сформулирована цель ис- следования. Раскрыты научная новизна, практическая и теоретическая значи- мость, представлены основные положения, выносимые на защиту. Приведены сведения об апробации и публикациях, структуре и объеме работы.
В первом разделе представлены результаты обзора и анализа методов ре- сурсосбережения в деревообработке, способов переработки древесных отходов, технологий упрочнения и декорирования изделий из древесины, технологиче- ских особенностей изготовления облицовочных изделий.
В результате анализа методов ресурсосбережения установлено, что на де- ревоперерабатывающих предприятиях, характеризующихся низким уровнем ис- пользования древесного сырья, наиболее перспективными являются инженерно- технические методы в виде разработки и совершенствования системы перера- ботки древесных отходов.
При выборе способа переработки древесных отходов необходимо учиты- вать потенциальные возможности сырья, эффективность технологий перера- ботки, требования к готовой продукции и потребность общества в ней.
Среди разнообразных видов древесных отходов кусковые отходы являются наиболее ценным видом сырья для производства разнообразной продукции, но в преобладающих технологиях изготовления из них композиционных материалов, утрачиваются декоративные свойства древесины, что снижает потребительскую ценность продукции.
Для изготовления высококачественных облицовочных изделий из куско- вых древесных отходов без измельчения необходимо комплексное улучшение декоративных и физико-механических свойства сырья. Соответственно, техно- логический процесс должен включать этапы декорирования и упрочнения.
На основании сравнительного анализа способов декорирования и упрочне- ния древесины с учетом перечня требований к облицовочным изделиям предпо- лагается, что необходимый результат может быть обеспечен за счет комбиниро- вания операций обжига, браширования, прессования и термической обработки. Для подтверждения выдвинутой гипотезы требуется проведение теоретических и экспериментальных исследований, в задачи которых входит:
1) обоснование структуры процесса обработки древесины хвойных пород для улучшения ее физико-механических и декоративных свойств с целью использова- ния в производстве облицовочных изделий;
2) определение основных закономерностей протекающих процессов и фак- торов, влияющих на процесс комбинированной обработки;
3) установление влияния параметров режимов обжига, браширования, прес- сования и термической обработки на показатели качества облицовочных изделий;
4) определение рациональных значений параметров режимов обработки, влияющих на качество облицовочных изделий;
5) разработка вариантов конструкции и технологического процесса изго- товления облицовочных изделий из кусковых древесных отходов;
6) оценка эффективности предложенных технологических решений и ка- чества изготавливаемых облицовочных изделий.
Во втором разделе установлены предпосылки улучшения декоративных и физико-механических свойств заготовок из древесины за счет технологических воздействий, и определены условия, выполнение которых необходимо для улуч- шения декоративных свойств древесины, повышения ее твердости, влагостойко- сти, атмосферостойкости и др. Наиболее важными из них являются: изменение характеристик внешнего вида древесины, уплотнение ее структуры, наличие за-
щитного покрытия, снижение равновесной влажности и шероховатости поверхно- сти, а также удаление питательной для микроорганизмов среды. Это может быть достигнуто за счет различных технологий декорирования и модифицирования древесины, в том числе обжига, браширования, прессования и термической обра- ботки.
Анализ указанных процессов позволил установить основные факторы и ме- тоды управления ими. При обжиге важно регулировать скорость перемещения пла- мени по поверхности Vпп, при брашировании – скорость вращения щеток V и их жесткость J, скорость подачи заготовок Vs и величину выхода инструмента h. При прессовании следует контролировать степень деформации ε, при термической об- работке – температуру T и продолжительность процесса обработки t. Также необ- ходимо учитывать влияние породы древесины Pr, вида распила заготовок r и их влажности W. Можно предполагать, что в случае комбинирования операций ре- зультат обработки будет зависеть от совокупности указанных факторов.
Среди указанных операций наибольший вклад в формирование физико-меха- нических и эксплуатационных свойств облицовочных изделий вносит прессование. Прессование заготовок, подвергнутых обжигу и брашированию, становится нерав- номерным.
Для определения режима неравномерного прессования провели теоретиче- ское моделирование процесса уплотнения рельефной заготовки. Рельефную за- готовку рассматривали упрощенно: как набор чередующихся брусков двух вы- сот, соответствующих толщинам заготовки в зоне гребней (далее зона Г) и в зоне впадин (далее зона В) (рисунок 1). Так как зона Г заготовки деформируется в большей степени, чем зона В, было важно, чтобы режим прессования обеспечи- вал в поверхностном слое заготовки деформацию зоны В до третьей фазы в со- ответствии с диаграммой напряжение-деформация. Для этого необходимо было получение зависимости степени деформации зоны В εв от степени деформации зоны Г εг ср и соответственно зависимостей εг и εв.
аб Рисунок 1 – Расчетная схема: а – упрощенная схема заготовки;
б – схема прессования гребня
В процессе моделирования приняли следующие допущения: влажность и температура по всему сечению брусков одинаковы; смежные бруски выполняют функцию ограничивающих стенок пресс-формы и не деформируются от распи-
9
рающих боковых усилий; собственный вес древесины не учитывается; коэффи- циент трения дерева о металл для боковых брусков равен коэффициенту внут- реннего трения древесины, ширины всех брусков зоны Г одинаковы, ширины всех брусков зоны В равны между собой, Rm max = 0,2 Rm max0.
В расчетной модели приняли следующие обозначения: εг и εв – степень де- формации зоны Г и зоны В, %; σг и σв – напряжение в зоне Г и в зоне В, кгс/см2; η – коэффициент внутреннего трения древесины; μ – коэффициент поперечной деформации (коэффициент Пуассона); h0 и h – толщина заготовки до и после прессования соответственно; x – расстояние от дна матрицы и до слоя cg в спрес- сованном состоянии, мм; Rm max0 – шероховатость поверхности после прессования, мкм; В – ширина заготовки, мм; L – длина заготовки, мм; bг – ширина зоны гребней, мм; а и b – постоянные величины, зависящие от породы древесины, способа и режима ее предварительной подготовки.
Сначала для определения степени деформации зоны Г выделили в соответ- ствующем бруске элементарный слой c1g1 (рисунок 1 б), на который действуют три силы: прессования, бокового давления и трения древесины о смежные бруски. При условии нахождения его в состоянии равновесия получили уравнение:
+2 (h− )=0. (1) г г г
Из уравнения (1) путем ряда преобразований получили зависимость изме- нения давления прессования по толщине:
(2)
Далее, исходя из характера зависимости между напряжением и степенью уплотнения:
= , г
определили зависимость степени деформации зоны Г:
−2 (h− )
(3)
−2 1 (h− )
= ∙ г . г
г (4) г = 1 ln г ,
а затем аналогичным образом определили степень деформации зоны В:
−2 (h− −0,0002 0)
в =1ln в − г . (5)
В итоге при напряжениях, соответствующих третьей фазе деформации, опре- делили соотношение г и в в поверхностном слое заготовки в виде зависимости:
в = 0,89 г. (6)
Анализ зависимостей (4), (5), (6) и величины относительной деформации заготовки по толщине позволил установить, что для обеспечения в поверхност- ном слое заготовки в зонах В и Г степени деформации, соответствующей третьей фазе, необходимо, чтобы относительная деформация заготовки по толщине со- ставляла не менее 33 %.
Кроме того, анализ уравнений (4) и (5), включающие справочные характе- ристики физико-механических свойств древесины, показал, что степень дефор- мации рельефных заготовок можно представить, как функцию от ряда парамет- ров: породы Pr, влажности W и шероховатости поверхности Rm max: ε = f (Pr, W, Rm max). Полученные выводы легли в основу выбора варьируемых факторов при проведении экспериментальных исследований.
В третьем разделе представлены общие положения и методики для пла- нирования и проведения экспериментальных исследований, обработки получен- ных результатов, характеристика применяемых материалов и оборудования.
Программа экспериментальных исследований включает три блока иссле- дований (рисунок 2).
Рисунок 2 – Программа проведения экспериментальных исследований: О – обжиг; Б – браширование; П – прессование; Т – термическая обработка
Группа исследований блока 1 направлена на определение возможностей комбинированных способов обработки, основанных на различных вариантах со- четания обжига, браширования, прессования и термической обработки для изго- товления продукции.
Группа исследований блока 2 представляет собой изучение основных за- кономерностей способа, включающего полную совокупность операций обжига, браширования прессования и термической обработки.
Группа исследований блока 3 направлена на изучение процессов прессова- ния и термической обработки заготовок, подвергнутых обжигу и брашированию, и поиск рациональных режимов обработки, а также оценку свойств заготовок после обработки.
Для экспериментальных исследований выбраны заготовки сосны и ели тан- генциального распила, не содержащие сучков и трещин, влажностью 7 ÷ 17 %.
Методика изготовления экспериментальных образцов в зависимости от этапа и целей исследования включала от двух до четырех этапов. Для обработки обжигом использовали лампу паяльную ПЛ-2, брашированием – шуруповерт Metabo BS14.4 и дисковые щетки Dexter 75 и SL680, прессованием – прессы П- 472Б, Т61210М(AE&T) и пресс-форму, термической обработкой – сушильный шкаф ШСП-0,25-60.
При исследовании процессов прессования и термической обработки (блок исследований 3) степень уплотнения γ определяли, как отношение плотности об- разцов после обработки к исходной плотности заготовок. Твердость лицевой по- верхности измеряли твердомером ТР5014 методом Роквелла по шкале HRR. Бо- ковое расширение рассчитывали, как отношение изменения ширины заготовок к исходной ширине. Шероховатость поверхности измеряли индикаторным глуби- номером по ГОСТ 7016-2013. Показатель водопоглощения определяли, как время впитывания капли жидкости, нанесенной на лицевую поверхность образца.
Оценку микроструктуры заготовок выполняли по фотографиям шлифов торцовой поверхности с помощью микроскопа МБС-10 при увеличении в 18, 36 и 63 раза. Точность изготовления деталей облицовочных изделий определяли посредством измерений габаритных размеров заготовок, величин углов, показа- телей плоскостности, параллельности и перпендикулярности. Испытания образ- цов на атмосферостойкость проводили путем выдержки образцов в атмосферных условиях в течение 6 месяцев и последующем сравнении габаритных размеров, твердости и показателей внешнего вида с исходными значениями.
На этапах 1.1 – 2.4 проводили предварительные поисковые эксперименты, в том числе одно- и двухфакторные. Постановку экспериментов на этапе 3.1 для заготовок из древесины сосны осуществляли по дробному факторному плану типа 24-1 и полному факторному плану типа 32, для заготовок из древесины ели – по плану 24. Варьировали факторы: угол α наклона волокон в заготовке, влажность заготовок W, степень прессования ε, температура термической обработки T, вид пласти θ, принятой за лицевую. Статистическую обработку экспериментальных данных проводили с доверительной вероятностью 95 % в программных пакетах Statistica и Microsoft Excel.
В четвертом разделе экспериментально обоснована структура процесса ком- бинированной обработки заготовок из древесины хвойных пород для изготовления облицовочных изделий. Наиболее высокие декоративные и физико-механические свойства формируются при четырехстадийной обработке с последовательностью операций: обжиг, браширование, прессование и термическая обработка (О-Б-П-Т).
В результате исследования процесса прессования и термической обработки заготовок из древесины сосны и ели, подвергнутых обжигу и брашированию, по- лучены уравнения регрессии для прогнозирования физико-механических и эксплу- атационных свойств облицовочных изделий в зависимости от параметров режимов обработки (см. таблицу 1). На рисунке 3 приведены графические интерпретации моделей. Анализ полученных регрессионных зависимостей, графиков и карт Па- рето-эффектов (рисунок 4) в совокупности позволил установить, что при разра- ботке технологических режимов прессования и термической обработки все варьи- руемые факторы следует рассматривать как параметры режимов.
Таблица 1 – Результаты анализа влияния параметров режимов прессования и термической обработки на физико-механические и эксплуатационные облицовочных изделий
Отклик Степень
уплотнения γ, % Твердость
лицевой поверхности HRR
Сосна расширение β, %
Модель R2 2 = 183,29 − 2,38 + 0,047 2 − 2,38 + 0,04 2 0,99 1 = 172,80 − 2,11 − 5,15 + 0,40 + 0,12 + 0,12 0,99
3 = 77,81 + 0,12 + 1,13 + 49,01 − 1,51 0,9 1 = 247,26 − 15,77 − 0,92 + 7,15 − 3,04 + 0,09 0,98
3 = 53,62 + 0,32 + 0,92 + 116,05 − 3,47 0,93 2 = −3,31 + 0,47 − 0,01 2 + 0,03 + 0,01 0,96
1 = 44,96 − 1,41 − 0,21 − 0,96 − 0,04 + 0,04 0,97
3 = −14,74 + 0,29 + 0,38 − 0,01 + 0,0003 − 0,03 0,68
2 = 455,55 − 23,03 + 0,72 2 − 0,08 0,86
1 = 2362,50 − 40,59 − 45 + 0,04 + − 0,004 0,88
3 = 219,08 − 0,89 − 311,55 + 9,33 0,83
2 = −2117,57 + 296,77 − 7,30 2 + 0,02 2 0,96 1 = −57,35 − 24,13 + 24,55 + 8,62Т − 0,09 0,88
3 = −20173,60 + 191,30 + 229,80 + 127,40 − Т − 0,20
− 1,50 0,67
Порода Сосна
Ель Сосна Ель
Диапазон α, град. до 30
от 30 до от 30 до
45 45
Боковое
от 30 до 45 до 30
45 45
Шероховатость поверхности Rm max, мкм
Показатель водопогло- щения, G, c.
Ель Сосна
Ель Сосна
Ель
от 30 до от 30 до до 30 от 30 до
45 свыше 30
до 30
от 30 до 45
от 30 до 45
12
аб
вг
Рисунок 3 – Зависимость показателей заготовок из древесины сосны от α и ε: а – γ; б – HRR; в – β; г – Rm max
аб
Рисунок 4 – Карта Парето-эффектов для модели отклика: а – твердость лицевой
поверхности HRR1; б – шероховатость поверхности Rm max1
С целью нахождения рациональных параметров режимов прессования и терми- ческой обработки методом справедливого компромисса решена оптимизационная за- дача с учетом ограничений на входные параметры: γ ≥ 135 %, HRR ≥ 115, β ≤ 5 %, Rm max ≤ 250 мкм и G ≥ 600 c:
→ →
→ , (7) →
{ →
где γ – степень уплотнения заготовок, %;
HRR – твердость лицевой поверхности;
β – боковое расширение заготовок, %;
Rm max – шероховатость лицевой поверхности, мкм;
G – показатель водопоглощения, с.
Оптимальные значения параметров режимов прессования и термической
обработки приведены в таблице 2:
Таблица 2 – Результаты решения оптимизационной задачи
Порода древесины
Сосна Ель
Оптимальные значения управляющих факторов
Ожидаемые значения управляемых параметров
α,
град.
Rm max, G, с мкм
W, % ε, % T, 0С
28 8 60 180 0 145 157 1,5 251 871
θ
γ, %
30 8 44 165 1 135 115 1,5 161 855
HRR
β, %
В связи с обоснованными технологическими допущениями для α, опти- мальными параметрами режимов прессования и термической обработки следует считать:
– для сосны: α = 30 град., W = 8 %, ε = 60 %, T = 180 0С, θ = 0;
– для ели: α = 30 град., W = 8 %, ε = 44 %, T = 165 0С, θ = 1.
При исследовании микроструктуры заготовок после каждого этапа комби-
нированной обработки определены следующие параметры:
– после обжига: толщина углистого слоя Hy = 0,1 ÷ 0,2 мм, толщина пироли-
зированного слоя Hп ≤ 0,3 мм;
– после браширования: шероховатость поверхности Rm max = 700 ÷ 1200 мкм; – после прессования и термической обработки: глубина зоны выраженного
неравномерного уплотнения по ширине заготовки не превышает 2,5 мм. Наибо- лее уплотненные клетки заготовки располагаются в зоне ранней древесины, рас- положенной под гребнем, наименее уплотненные – под впадиной. Соотношение степеней деформации зон В и Г в поверхностном слое: εв = 0,78εг.
Проведенная оценка геометрической точности деталей облицовочных изде- лий показала, что отклонения от заданных размеров деталей по длине и ширине соответствуют классу точности ± t2/2; значения отклонений углов соответствуют ± АТ16/2 по ГОСТ 6449.5-82.
По результатам оценки деталей облицовочных изделий на атмосферостой- кость отмечены изменения габаритных размеров заготовок, твердости и внеш- него вида. В этой связи изделия, изготовленные с помощью способа О-Б-П-Т, рекомендуется использовать для отделки внутри помещений.
В пятом разделе разработана конструкция облицовочной панели из кус- ковых древесных отходов хвойных пород и технология ее изготовления, прове- дена оценка эффективности предлагаемых технологических решений.
Облицовочная панель представляет собой двухслойную конструкцию. Ли- цевой слой выполнен из кусковых древесных отходов, а основание – из тонкого плитного материала (рисунок 5 а, б). Смещение основания относительно лице- вого слоя с образованием фальца и гребня необходимо для обеспечения надеж- ного монтажа панелей и их незаметного соединения друг с другом.
а
бв
Рисунок 5 – Конструкция и технологический процесс изготовления облицовочных панелей: а – панель в виде квадратных модулей; б – панель в виде прямоугольных модулей; в – схема технологического процесса
Технологический процесс изготовления деталей лицевого слоя включает опе- рации обжига, браширования, прессования и термической обработки (рисунок 5 в).
Режимы обработки заготовок, включая рациональные значения параметров прессо- вания и термической обработки, подобранные по результатам проведенных теорети- ческих и экспериментальных исследований, приведены в таблице 3.
Таблица 3 – Режимы обработки заготовок обжигом, брашированием, прессованием и термической обработкой
Операция Обжиг
Браширова- ние
Прессование
Термическая обработка
Оборудование, оснастка, инструмент
Паяльная лампа, (газовая горелка), металлическая под- ставка
Шлифовально-щеточ- ный станок, щеточ- ные валы, комплект специальной оснастки для браширования
Гидравлический пресс, комплект спе- циальной оснастки для прессования
Сушильный шкаф (камера), этажерка
Технологические требования и режимы
Скорость перемещения пламени по поверхности Vпп = 1 м/мин
Количество обжигаемых сторон n = 5 Ориентация заготовок – горизонтальная Обжигаемая пласть – наружная
Температура обработки Tо = 1200 0С
Вид инструмента – щеточный вал со стальным вор- сом диаметром 0,25 мм; щеточный вал сизалевый Скорость вращения инструмента V = 3500 об/мин
Скорость подачи Vs = 5 м/мин
Величина выхода инструмента h = 1,2 мм Использование ограничителей по ширине Степень прессования ε = 60 %
Давление прессования не более 40 МПа Скорость прессования не более v = 1 мм/с Время выдержки под нагрузкой tн = 10 с Агент обработки – влажный воздух φ = 50 % Температура обработки T = 180 0С Продолжительность обработки t = 1 ч
Разработана методика определения размеров черновых заготовок и поопера- ционных припусков. Предложены варианты конструкции технологических осна- сток для браширования и прессования и калибрования короткомерных заготовок на типовом промышленном оборудовании, а также для сборки и склеивания облицо- вочных панелей.
Проведена оценка экономической эффективности разработанной технологии. При ее сравнении с технологией изготовления облицовочных панелей из твердолист- венного сырья, установлено, что цеховая себестоимость 1 м2 панелей снижается на 9,6 % и составляет 3090 рублей.
Проведена квалиметрическая оценка уровня качества облицовочных пане- лей, изготавливаемых по предложенной технологии, путем сравнения ее качества с качеством аналогичной панели из древесины дуба. Применение смешанного ме- тода оценки, включающего принципы дифференциального и комплексного мето- дов, позволило учесть значения 9 наиболее значимых показателей как с точки зре- ния производителя, так и с точки зрения потребителя: твердости, точности изготов- ления, эстетичности, экономической эффективности и др. Коэффициент качества для оцениваемой панели равен К = 1,07, что больше значения коэффициента для базового образца из древесины дуба К = 1. Можно заключить, что изготавливаемые
по предлагаемой технологии облицовочные изделия являются достойной альтерна- тивой продукции из твердолиственной древесины.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ, ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ
1. Анализ технологий изготовления облицовочных изделий и методов ресур- сосбережения при переработке древесины показал, что эффективным направле- нием сбережения дефицитной твердолиственной древесины в производстве обли- цовочных изделий является использование в качестве сырья кусковых древесных отходов хвойных пород.
2. Необходимое комплексное повышение декоративных и физико-механиче- ских свойств сырья хвойных пород достигается за счет процесса комбинированной обработки, включающего совокупность операций обжига, браширования, прессо- вания и термической обработки в указанной последовательности.
3. Наиболее значимыми факторами, оказывающими влияние на процесс и ре- зультат комбинированной обработки, являются порода древесины, вид распила за- готовок и их влажность, а также параметры отдельных технологических операций: скорость перемещения пламени по поверхности при обжиге; скорость вращения инструмента, скорость подачи, выход инструмента, тип и жесткость щеток при бра- шировании; степень прессования при обработке давлением; температура и продол- жительность процесса при термической обработке.
4. На степень уплотнения обработанных комбинированным способом загото- вок, твердость и шероховатость их лицевой поверхности наиболее значительно влияют угол наклона волокон в заготовке и степень прессования, на показатель во- допоглощения – температурный режим термической обработки.
5. Определены рациональные режимы прессования и термической обра- ботки, обеспечивающие улучшение физико-механических свойств древесины и эксплуатационных показателей облицовочных изделий: для заготовок из древе- сины сосны – угол наклона волокон α = 30 град., влажность W = 8 %, обрабатыва- емая пласть – внутренняя, степень прессования ε = 60 %, температура термиче- ской обработки T = 180 0С; для заготовок из древесины ели – угол наклона воло- кон α = 30 град., влажность W = 8 %, обрабатываемая пласть – наружная, степень прессования ε = 44 %, температура термической обработки T =165 0С.
6. Разработанная конструкция двуслойной облицовочной панели с лицевым слоем в форме плитки позволяет использовать для ее изготовления кусковые дре- весные отходы хвойных пород в виде тонких реек и короткомерных отрезков. Тех- нологический процесс изготовления облицовочной панели включает операции об- жига, браширования, прессования и термической обработки. Предложенные техно- логические режимы и конструкции оснастки способствуют повышению качества изготавливаемых изделий и увеличению производительности процесса.
7. Расчеты технико-экономической эффективности технологии показывают, что цеховая себестоимость панелей из кусковых древесных отходов хвойных пород ниже на 9,6 % по сравнению с себестоимостью панелей из твердолиственной дре- весины. При выпуске 1000 м2 облицовочных панелей из кусковых древесных отхо- дов экономия твердолиственной древесины составляет более 18 м3. Квалиметриче- ская оценка подтверждает соответствие уровня качества продукции, изготовленной по предложенной технологии, уровню качества традиционной продукции.
Актуальность темы исследования.
Рост востребованности продукции из массивной древесины для обу-
стройства жизненной среды связан с ее экологичностью, высоким уровнем фи-
зико-механических и эстетических характеристик. К такой продукции отно-
сятся облицовочные изделия из древесины в виде панелей или плит для от-
делки жилых, офисных и других интерьеров. Традиционное производство об-
лицовочных изделий требует высоких ресурсных затрат, поскольку основано
на преимущественном использовании высококачественного сырья из дефи-
цитной древесины твердолиственных пород.
В то же время задачи ресурсосбережения и рационального использова-
ния древесины, поставленные в Стратегии развития лесного комплекса РФ до
2030 года, могут быть решены для производства облицовочных изделий за
счет использования альтернативных видов древесного сырья – недефицитных
хвойных пород, в том числе в виде кусковых отходов. Заготовки из этого сы-
рья требуют улучшения их физико-механических и декоративных свойств при
сохранении высоких экологических показателей. Существующие технологии
изготовления облицовочных изделий из данного вида сырья, чаще всего осно-
ванные на операциях измельчения, снижают его экологические и декоратив-
ные характеристики. Необходимого улучшения свойств древесины хвойных
пород можно достичь за счет применения различных технологий модифици-
рования и декорирования при условии обоснованного выбора последователь-
ности технологических операций и их режимов.
В этой связи разработка технологии изготовления облицовочных изде-
лий с высокими физико-механическими и декоративными свойствами из не-
дефицитных ресурсов хвойных пород, позволяющая улучшать характеристики
сырья, является актуальной задачей, решение которой будет способствовать
ресурсосбережению и снижению стоимости продукции.
Степень разработанности темы исследования.
Исследованиями в области переработки древесных отходов занимались
Э.И. Коротаев, Г.М. Михайлов, М.В. Гомонай, В.Н. Волынский, Р.Г. Сафин,
М.В. Цыгарова, Г.С. Варанкина, Ю.И. Ветошкин, И.В. Яцун, Л.Н. Журавлева,
M.H. Kim, H.B. Song, G. Faraca и др. Выполненные исследования позволили уста-
новить, что переработка кусковых древесных отходов является перспективным
направлением ресурсосбережения, но их измельчение сужает потенциальные воз-
можности для производства облицовочных изделий.
Исследования в области изменений физико-механических свойств древе-
сины проводили П.Н. Хухрянский, Т.П. Хухрянская, В.А. Шамаев, А.Р. Бирман,
А.Г. Гороховский, О.А. Куницкая, Р.Р. Сафин, Р.Г. Сафин, О.А. Рублева,
А.Д. Платонов, В.И. Азаров, Е.Ю Разумов, J.H. Kwon, R.H. Shin, D. Ebner,
R. Stelzer и др. Вопросы декорирования изделий из древесины изучали Ю.Д. Ор-
лова, В.Г. Короленко, А.А. Барташевич, О.Н. Чернышев, В.В. Сергеева, Z. Sun,
Y. Zhou и др. Анализ выполненных работ позволил установить, что потенциал
кусковых древесных отходов может быть значительно расширен за счет процес-
сов декорирования и упрочнения.
Обзор и анализ выполненных работ показал недостаточную разработан-
ность эффективных технологических решений, позволяющих перерабатывать
кусковые древесные отходы в облицовочные изделия с высокими декоратив-
ными, физико-механическими и экологическими свойствами.
Цель работы – повышение эффективности изготовления облицовочных
изделий из древесины.
Объект исследования – технология изготовления облицовочных изделий.
Предмет исследования – облицовочные изделия из кусковых древесных
отходов хвойных пород.
Методология и методы исследования.
Информационную базу исследований составили научные публикации,
научно-техническая, нормативная, учебная и методическая литература, мате-
риалы периодических изданий и конференций, патентная информация.
Теоретические исследования выполнены на основе теоретических поло-
жений прессования и пиролиза древесины. Экспериментальные исследования
проведены с использованием стандартных методик и методов планирования
эксперимента. Полученные экспериментальные данные обработаны с помощью
методов математической статистики в программных пакетах Microsoft Excel и
Statistica. Для проведения оценки уровня качества облицовочных изделий ис-
пользованы основные положения квалиметрии и стандарты в области качества.
Научной новизной обладают:
1. Теоретическое и экспериментальное обоснование повышения физико-
механических и декоративных свойств древесины за счет применения комби-
нированной обработки, включающей операции обжига, браширования, прес-
сования и термической обработки.
2. Результаты моделирования процесса неравномерного прессования
древесины, подвергнутой обжигу и брашированию, и исследования ее струк-
турных изменений в результате комбинированной обработки.
3. Математическое описание влияния параметров режимов прессования и
термической обработки на физико-механические свойства заготовок из древе-
сины хвойных пород, подвергнутых обжигу и брашированию, позволяющее
определить рациональные значения параметров технологических режимов.
4. Эффективный ресурсосберегающий способ изготовления облицовоч-
ной панели из упрочненной древесины, отличающийся возможностью исполь-
зования короткомерных отрезков и кусковых отходов хвойных пород вместо
пиломатериалов из твердолиственного сырья.
Теоретическая значимость исследования заключается: 1) в развитии
теории прессования древесины применительно к описанию процесса одноос-
ного неравномерного прессования поперек волокон; 2) в обосновании физико-
механического влияния комбинированного способа, включающего совокуп-
ность технологических операций обжига, браширования, прессования и тер-
мической обработки, позволившем выявить механизм процесса повышения
твердости, водостойкости древесины, снижения шероховатости браширован-
ной поверхности; 3) в разработке математических моделей степени уплотне-
ния и бокового расширения заготовок, твердости и шероховатости их лицевой
поверхности и показателя водопоглощения, являющихся основой для оптими-
зации параметров режимов прессования и термической обработки.
Практическую значимость имеют:
– конструкция облицовочной панели, учитывающая размерно-каче-
ственные характеристики кусковых древесных отходов и обеспечивающая
условия надежного монтажа изделий;
– технологический процесс изготовления облицовочных панелей на ос-
нове комбинированного процесса, включающего операции обжига, браширо-
вания, прессования и термической обработки;
– варианты конструкций оснастки для серийной обработки короткомер-
ных заготовок брашированием, прессованием, калиброванием, а также для
сборки и склеивания облицовочных панелей.
Научные положения, выносимые на защиту.
1. Комплексное улучшение декоративных и физико-механических свойств
заготовок из древесины хвойных пород достигается за счет обработки, основан-
ной на комбинировании операций обжига, браширования, прессования и терми-
ческой обработки.
2. Характер и степень изменения физико-механических и эксплуатаци-
онных свойств заготовок после комбинированной обработки зависит от угла
наклона волокон в заготовке, влажности древесины, степени прессования и
температуры термической обработки, для которых могут быть определены ра-
циональные значения.
3. Применение технологии комбинированной обработки для изготовле-
ния облицовочных изделий позволяет заменить твердолиственную древесину
кусковыми древесными отходами хвойных пород.
Достоверность полученных результатов.
Достоверность сформулированных в диссертации научных положений,
результатов и выводов обеспечивается применением современных методов и
средств научного поиска, известных теорий и апробированных методик; ис-
пользованием сертифицированного оборудования и программного обеспече-
ния; обоснованными упрощениями и корректными допущениями при разра-
ботке математических моделей; применением вероятностно-статистических
Публикации автора в научных журналах
Помогаем с подготовкой сопроводительных документов
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!
5 (174 отзыва)
5 (428 отзывов)
4.5 (9 отзывов)
5 (91 отзыв)
4.9 (522 отзыва)
4.7 (18 отзывов)
4 (15 отзывов)
5 (21 отзыв)
4.7 (46 отзывов)
