показатели твердости дна проушин, полученных торцовым прессованием древесины
Рублева О.А. (ФГБОУ ВПО «ВятГУ», г.Киров, РФ)
The article contains the methods of measuring, evaluation and analysis of thorns hardness factors. Models for calculating the hardness of thorns are obtained.
Шиповые клеевые соединения деталей широко применяются в производстве мебели и столярно-строительных изделий. Разработана инновационная технология формирования проушин и шипов прямоугольной формы с помощью торцового прессования, путем вдавливания в торцы заготовок пуансона с профилем, соответствующим форме шипов. При внедрении этой технологии актуальной проблемой является оценка показателей качества элементов шиповых соединений [1].
Целью данного исследования является оценка показателей твердости дна проушин и разработка моделей для их расчета.
Задачи исследования:
- разработать методику измерения показателей твердости в проушине малых размеров;
- определить зависимость показателей твердости дна проушины от параметров шипов и параметров процесса торцового прессования в древесине сосны, березы, дуба;
- провести анализ влияния значимых факторов на показатели твердости дна проушины.
Известны методики измерения статической твердости древесины, основанные на внедрении стальных шариков разных диаметров в поверхность образцов из древесины [2]. Методы предназначены для определения твердости древесины на образцах относительно крупных размеров (при диаметре шарика 5,64 мм), либо для определения микротвердости древесины в разных зонах годичных слоев. Эти методы не подходят для испытаний на твердость образцов с малой шириной проушин (4 мм). В связи с этим в данном исследовании твердость дна проушин предложено оценивать по методу Роквелла, с помощью параметра HRL (HRM), с использованием прибора для измерения твердости ТР 5014. Прибор ТР 5014 предназначен для измерения твердости по методу Роквелла металлов и сплавов, пластмасс, графита и электрографита, фанеры, прессованной древесины и других материалов.
Замеры проводились на образцах из древесины сосны, дуба и березы, на торцах которых были сформированы прямоугольные проушины с помощью торцового прессования. Образцы высушивались до влажности 8%. Для обеспечения доступа испытательного наконечника прибора ТР 5014 в зону замера твердости образцы дорабатывались в соответствии с рис. 1.
Рисунок 1- Подготовка образцов к замеру твердости
Шкала твердости и соответствующая ей нагрузка выбирались по паспорту прибора ТР 5014 в зависимости от вида испытуемого материала и его ориентировочной твердости:
- для образцов из древесины сосны - шкала L; вид наконечника – стальной шарик диаметром 6,35 мм, общая нагрузка – 588,4 Н;
- для образцов из древесины березы и дуба - шкала M; вид наконечника – стальной шарик диаметром 6,35 мм, общая нагрузка – 980,7 Н.
Число твердости дна проушины и торца вычислялось как среднее арифметическое по результатам трех замеров
с погрешностью ±2 единицы твердости. Увеличение твердости 
или 
, %, рассчитывали по формулам:
,
,
где HRLd , HRMd – твердость дна проушины;
HRLt , HRMt - торцовая твердость образца.
Для получения моделей расчета усилия прессования для древесины березы и дуба в виде полиномов первой степени реализован полный факторный эксперимент типа 23 (далее - ПФЭ 23). Для получения моделей расчета усилия прессования для древесины сосны в виде полинома второй степени реализован некомпозиционный план второго порядка для трех факторов (НПВП).
Уровни факторов и интервалы варьирования выбраны по результатам предварительных поисковых экспериментов. Факторы, уровни и интервалы варьирования факторов приведены в табл. 1. Статистическую обработку результатов экспериментов проводили по методике, приведенной в [3].
Матрица планирования и результаты опытов приведены в табл. 1.
Таблица 1 - Уровни и интервалы варьирования факторов
|
Порода древесины |
Факторы |
Кодовое обозначение |
Интервалы варьирования |
Уровни факторов |
||
|
основ-ной 0 |
верхний +1 |
нижний -1 |
||||
|
Сосна |
Влажность древесины W, % |
х1 |
5,0 |
13,0 |
18,0 |
8,0 |
|
Глубина проушины hп, мм |
х2 |
3,0 |
8,0 |
11,0 |
5,0 |
|
|
Ширина проушины В, мм |
х3 |
8,0 |
12,0 |
20,0 |
4,0 |
|
|
Береза |
Влажность древесины W, % |
х1 |
1,5 |
8,0 |
9,5 |
6,5 |
|
Глубина проушины hп, мм |
х2 |
2,0 |
6,0 |
8,0 |
4,0 |
|
|
Ширина проушины В, мм |
х3 |
8,0 |
12,0 |
20,0 |
4,0 |
|
|
Дуб |
Влажность древесины W, % |
х1 |
1,0 |
8,0 |
9,0 |
7,0 |
|
Глубина проушины hп, мм |
х2 |
1,5 |
7,5 |
9,0 |
6,0 |
|
|
Ширина проушины В, мм |
х3 |
8,0 |
12,0 |
20,0 |
4,0 |
|
В результате получены уравнения регрессии (1) –(3):
- для образцов из древесины сосны:
; (1)
- для образцов из древесины березы:
; (2)
- для образцов из древесины дуба:
; (3)
Проверка адекватности моделей
проведена по F-критерию
Фишера. Для образцов из древесины сосны расчетные значения критерия составили 
, табличные - FТ=19,3. Для образцов из
древесины березы 
, FТ=9,1, для образцов из древесины
дуба 
, FТ=9,1.
Условие 
выполнено, следовательно,
модели, отклика yi адекватны.
Затем осуществили переход от кодированных значений (х1, х2, х3) к натуральным (W, hп, В). Уравнения регрессии (1)-(3) преобразованы в уравнения зависимости твердости дна проушины HRL и относительной глубины деформированной зоны h3 от влажности, глубины и ширины проушины (4)-(6):
- для образцов из древесины сосны
; (4)
- для образцов из древесины березы
; (5)
- для образцов из древесины дуба:
Модели позволяют с достаточной точностью определить твердость дна и относительную глубину деформированной зоны прямоугольной проушины в заготовках из древесины сосны, березы, дуба.
Графики зависимости твердости дна проушины в древесине сосны от факторов W, B, hn приведены на рис. 2.
а б
Рисунок 2- Зависимость твердости дна проушины HRL для древесины сосны при глубине проушины hn=8 мм:
а - от ширины проушины В и влажности W; б - от влажности W
Вывод. Экспериментально установлены зависимости твердости дна проушины от ширины и глубины проушины и влажности древесины для образцов из древесины сосны, березы, дуба. Наибольшее влияние на глубину деформированной зоны оказывает глубина получаемой проушины, на увеличение твердости – снижение влажности древесины. В результате анализа зависимостей (4)-(6) определены рекомендуемые для изготовления шипов значения геометрических параметров проушин с максимальной твердостью дна, полученных при минимальных энергозатратах, например, для древесины сосны - влажность W=8%, глубина проушины hn=11 мм, ширина проушины В=4 мм.
Литература
1. Рублева О.А., Кузнецов Г. П. Качество шипов, изготовленных холодным торцовым прессованием // Вестник Московского государственного университета леса - Лесной вестник.- М.: МГУЛ. - 2010. - вып.4. - С. 160-163.
2. Уголев Б.Н. Древесиноведение с основами лесного товароведения: Учебник для лесотехнических вузов. Изд.3-е, перераб. и доп. - М.: МГУЛ, 2001. – 340 с.
3. Спиридонов А.А. Планирование эксперимента при исследовании технологических процессов. – М.: Машиностроение, 1981. – 184 с.