Науково-технічні основи процесу калібрування-шліфування деревинностружкових плит жорстким абразивним інструментом

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний лісотехнічний університет України

УДК 621.921:674.815

Науково-технічні основи процесу калібрування-шліфування деревинностружкових плит жорстким абразивним інструментом

05.23.06 - Технологія деревообробки, виготовлення меблів та виробів з деревини

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Кійко Орест Антонович

Львів 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному лісотехнічному університеті України Міністерства освіти і науки України

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор Максимів Володимир Михайлович, Національний лісотехнічний університет України, професор кафедри технології деревообробки і захисту деревини

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Шостак Володимир Васильович, Національний лісотехнічний університет України, професор кафедри деревообробного обладнання та інструментів

доктор технічних наук, професор Морозов Віктор Олексійович, Львівський інститут менеджменту, завідувач кафедри маркетингу

доктор технічних наук, професор Рогатинський Роман Михайлович, Тернопільський державний технічний університет ім. І. Пулюя, проректор з наукової роботи

Захист відбудеться ”07” жовтня 2008 р. о 11 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.072.04 в Національному лісотехнічному університеті України, 79057, м. Львів, вул. Ген. Чупринки, 103

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного лісотехнічного університету України за адресою: 79057, м. Львів, вул. Ген. Чупринки, 101.

Автореферат розісланий „26” серпня 2008 р.

Виконуючий обов'язки вченого секретаря спеціалізованої вченої ради доктор технічних наук, доцент Озарків І.М.

АНОТАЦІЯ

Кійко О.А. Науково-технічні основи процесу калібрування-шліфування деревинностружкових плит жорстким абразивним інструментом. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.23.06 - технологія деревообробки, виготовлення меблів та виробів з деревини. - Національний лісотехнічний університет України, Львів, 2008.

Дисертація присвячена розробці науково-технічних основ процесу калібрування-шліфування деревинностружкових плит жорстким абразивним інструментом. Встановлено, що випадковий характер товщини плитних деревних матеріалів суттєво впливає на показники ефективності процесу їх калібрування-шліфування. Запропоновані математичні, імітаційні та регресійні моделі для визначення основних показників процесу калібрування-шліфування ДСП, MDF та фанери. Розроблені цільова функція оптимізації, алгоритми та програми для розрахунку оптимальних параметрів процесу абразивного оброблення. Основні результати роботи використовуються з метою покращення ефективності процесу калібрування-шліфування на виробництві, в наукових дослідженнях і навчальному процесі.

Ключові слова: абразивний інструмент, шліфувальне обладнання, різнотовщинність, середня товщина плити, середнє квадратичне відхилення товщини плити, шорсткість, моделювання, ефективність, економія коштів.

SUMMARY

Kiyko O.A. Scientific and technical bases of calibration-sanding process of particle boards by hard abrasive tool. - Manuscript.

Thesis for a Doctor of Technical Sciences Degree, specialty 05.23.06 - wood technology, production of furniture and wooden articles. - Ukrainian National Forestry University, Lviv, 2008.

Scientific and technical bases of calibration-sanding process of particle boards by hard abrasive instruments are studied. Influence of casual character of wooden board materials thickness on the basic indicators of calibration-sanding process was defined. Mathematical, simulative and regressions models for determination of basic indicators for calibration-sanding process of the particle board, MDF and plywood are elaborated. Special function of optimization, algorithms and programs for the calculation of optimum parameters for process by abrasive tool has been developed. Basic results of research are used improve of efficiency calibration-sanding process in production, in scientific researches and study process.

Keywords: abrasive tool, sanding equipment, variable thickness, middle thickness of board, standard deviation of thickness, roughness, modeling, efficiency, cost effectiveness.

АННОТАЦИЯ

Кийко О.А. Научно-технические основы процесса калибрования-шлифования древесностружечных плит жестким абразивным инструментом. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени доктора технических наук по специальности 05.23.06 - технология деревообработки, изготовление мебели и изделий из древесины. - Национальный лесотехнический университет Украины, Львов, 2008.

Диссертация посвящена решению научно-технической проблемы, имеющей важное народнохозяйственное значение - разработки научно-технических основ с целью повышения эффективности процесса калибрования-шлифования древесностружечных плит жестким абразивным инструментом за счет выбора оптимальных режимных параметров обработки и структурных параметров инструмента, а также за счет замены дорогой и малопроизводительной шлифовальной шкурки жесткими абразивными цилиндрами.

Для повышения эффективности процесса калибрования-шлифования древесностружечных плит жестким инструментом предложена новая концепция моделирования на базе объектно-статистической методологии. Обосновано научное положение о необходимости статистической параметризации толщины обрабатываемого материала в процессе решения задач абразивной обработки плитных древесных материалов с целью их калибрования-шлифования, теоретически определены статические и динамические погрешности обработки.

Для исследования предложены математические, имитационные и регрессионные модели. В результате моделирования изучено влияние средней толщины плиты, среднего квадратичного отклонения толщины плиты, настроечной толщины калибрования-шлифования, скорости резания, скорости подачи, твердости, зернистости шлифовальных инструментов на длину обработки за период стойкости абразивных цилиндров, износ инструмента, длину калибрования-шлифования за период до полного износа шлифовального инструмента, шероховатость обрабатываемой поверхности, количество бракованных плит, силовые показатели процесса обработки.

Основные результаты работы используются с целью улучшения эффективности процесса калибрования-шлифования на производстве, в научных исследованиях и учебном процессе.

Ключевые слова: абразивный инструмент, шлифовальное оборудование, разнотолщинность, средняя толщина плиты, среднее квадратичное отклонение толщины плиты, шероховатость, моделирование, эффективность, экономия средств.

калібрування шліфування деревинний

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Існуючі темпи збільшення обсягів виробництва деревинностружкових та інших плитних деревинних матеріалів свідчать про конкурентоспроможність цього виду продукції з огляду на все більш зростаючу актуальність заміни масивної деревини.

Важливою стадією технологічних процесів виготовлення деревинностружкових плит і плитних деревинних матеріалів, які застосовують у деревообробній, меблевій, будівельній та інших галузях промисловості України є калібрування-шліфування.

Шорсткість поверхні та різнотовщинність деревинностружкових плит - основні показники, що визначають їх якість. Калібрування-шліфування є важливим етапом технологічного процесу виготовлення деревинностружкових плит, оскільки саме на цьому етапі забезпечуються нормативні вимоги до величини розсіювання за товщиною і до висоти мікронерівностей оброблюваної поверхні. Калібрування-шліфування, що відрізняється підвищеною трудомісткістю, що спричинена наявністю різнотовщинності деревинностружкових плит, є обов'язковим етапом у технологічному процесі їх виготовлення, оскільки забезпечити якісні показники на попередніх стадіях виробництва неможливо.

У Національному лісотехнічному університеті України створено новий шліфувальний інструмент - жорсткий абразивний циліндр, який дозволив замінити на операціях калібрування-шліфування дорогу і малопродуктивну шліфувальну шкурку. Впровадження нового способу механічного оброблення деревинностружкових плит на багатьох підприємствах України та поза її межами довело його реальну конкурентноспроможність.

Існуючі дослідження механічного оброблення деревинностружкових плит жорстким абразивним інструментом носять частковий характер, унеможливлюючи адекватне використання результатів лабораторних досліджень у реальних умовах виробництва, не дають змогу змоделювати і вивчити класичну схему багаторазового шліфування з поступовим зменшенням лінійних розмірів абразивних зерен, які використовують для виготовлення шліфувального інструмента, не враховують випадковість змінних незалежних чинників, передбачають використання обмеженої кількості критеріїв оцінки ефективності процесу, які не можна вважати універсальними і такими, що забезпечують системний підхід до вивчення проблеми і здійснення оптимізації. У багатьох випадках величину режимних чинників процесу калібрування-шліфування, структурних параметрів жорсткого абразивного інструменту розраховують на основі залежностей, які не мають достатнього теоретичного та експериментального обґрунтування, що призводить до значних розбіжностей між прогнозованими та реальними параметрами, і в результаті до збільшення собівартості та погіршення якості готової продукції.

Тому розроблення науково-технічних основ процесу калібрування-шліфування деревинностружкових плит жорстким абразивним інструментом є актуальною проблемою, що має важливе народногосподарське значення.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дана дисертаційна робота зв'язана з наступними держбюджетними науково-дослідними роботами НЛТУ України:

ДБ 34.07-2000 “Дослідження технологічних параметрів процесу шліфування деревини і деревинних матеріалів абразивним інструментом багатошарової структури”, номер державної реєстрації 0101V001051 (дисертанту належить здійснення аналітичного огляду, обґрунтування стану питання та задач досліджень, розроблення методики досліджень, проведення експериментальних досліджень та їх аналіз);

ДБ 08.15-09-2003 “Створення конкурентно-спроможних засобів абразивної обробки деревинних матеріалів з автоматизованими системами керування”, номер державної реєстрації 0103U000081 (дисертанту належить дослідження впливу різнотовщинності матеріалу на основні показники процесу шліфування, розроблення математичної моделі процесу калібрування-шліфування деревинних матеріалів в умовах роботи автоматизованих ліній, обґрунтування ефективності процесу шліфування деревини і деревинних матеріалів, визначення економічної ефективності витрат на наукові дослідження);

ДБ 16.08-07-2003 “Розвиток теорії еколого-енергооощадного оброблення деревини та виробництва меблів”, номер державної реєстрації 0103U000083 (дисертанту належить здійснення досліджень з оброблення деревинних матеріалів, проведення порівняльного аналізу ефективності технологічних процесів виготовлення меблевих виробів).

Мета роботи - розробити науково-технічні основи калібрування-шліфування деревинностружкових плит жорстким абразивним інструментом, що дадуть можливість підвищити ефективність процесу за рахунок визначення флуктації товщини оброблюваного матеріалу, основних похибок оброблення та способів їх ліквідації, підвищення продуктивності і якості оброблення, зниження витрат абразивного інструмента.

Для досягнення вказаної мети необхідно розв'язати такі завдання:

провести аналіз досліджень процесу калібрування-шліфування деревинностружкових плит жорстким абразивним інструментом;

здійснити експериментальні дослідження товщини плитних деревинних матеріалів у виробничих умовах з метою ідентифікації закону розподілу цієї величини;

аналітично визначити основні статичні й динамічні похибки оброблення у процесі однобічного та двобічного калібрування-шліфування деревинностружкових плит і розробити шляхи їх зменшення;

розробити методологію дослідження процесу калібрування-шліфування деревинностружкових плит жорстким абразивним інструментом із використанням імітаційного моделювання;

використовуючи імітаційні моделі та математичну теорію планування експерименту здійснити дослідження процесу калібрування-шліфування ДСП;

здійснити порівняльні дослідження на імітаційних моделях калібрування-шліфування ДСП, MDF і фанери;

обґрунтувати та вибрати критерії оцінки ефективності процесу калібрування-шліфування плитних деревинних матеріалів;

визначити оптимальні умови здійснення процесу калібрування-шліфування деревинностружкових плит;

запропонувати алгоритми і програми для моделювання;

розробити рекомендації для практичного впровадження.

Об'єктом дослідження є процес калібрування-шліфування деревинностружкових плит жорстким абразивним інструментом.

Предметом дослідження є встановлення закономірностей інтегрального впливу статистичних характеристик оброблюваного матеріалу, статичних і динамічних похибок оброблення, величин режимних чинників процесу та структурних факторів жорсткого абразивного інструмента на основні параметри калібрування-шліфування ДСП, які дадуть можливість розробити науково-технічні основи процесу абразивного оброблення.

Методи дослідження. Методологічною основою роботи є системний підхід до вивчення й опису досліджуваного об'єкта. Дослідження товщини плитних деревинних матеріалів дозволили прийняти гіпотезу про її випадковий характер та опис з достатньою достовірністю нормальним розподілом. Теоретичні дослідження здійснені на основі використання положень технології машинобудування і різання матеріалів. На основі аналітичних методів створені математичні моделі процесу калібрування-шліфування деревинностружкових плит. Наявність випадкових величин та складність процесу зумовили вибір імітаційного моделювання. Використання математичного планування експерименту дали можливість на імітаційній моделі дослідити вплив основних чинників на ефективність процесу калібрування-шліфування деревинностружкових плит та визначити їх оптимальні значення. У процесі досліджень використовували математичні пакети MathCad 6, 7, 2000, табличний процесор Excel 2002, пакет для статистичної обробки даних Statistica 5, редактор Visual Basic 6.3.

Наукова новизна.

Розроблено науково-технічні основи процесу калібрування-шліфування ДСП жорстким абразивним інструментом, які базуються на моделюванні стану єдиної системи „оброблюваний матеріал - режими оброблення - абразивний інструмент”, що дало можливість визначити і обґрунтувати шляхи підвищення ефективності процесу калібрування-шліфування.

Вперше для дослідження процесу калібрування-шліфування деревинностружкових плит жорстким абразивним інструментом запропонована і реалізована концепція об'єктно-статистичного моделювання: статистична характеристика об'єктів - генерування випадкових величин за допомогою методу Монте-Карло - врахування характеристик об'єктів, що розраховані на основі аналітичних залежностей - імітаційне моделювання з реалізацією в об'єктно-орієнтованому середовищі програмування.

Запропоновано і обґрунтовано наукове положення про необхідність статистичної параметризації товщини оброблюваного матеріалу у процесі вирішення задач абразивного оброблення плитних деревинних матеріалів з метою їх калібрування-шліфування.

На базі комплексного теоретико-експериментального дослідження визначено основні статичні й динамічні похибки процесу однобічного та двобічного калібрування-шліфування, довжину абразивного оброблення за період стійкості і спрацювання шліфувального інструмента, що дало змогу вперше розробити систему імітаційних моделей стосовно умов процесу калібрування-шліфування ДСП жорстким абразивним інструментом з метою прогнозування бездефектного абразивного оброблення і його оптимізації.

Встановлено закономірності процесу калібрування-шліфування деревинностружкових плит жорстким абразивним інструментом і визначені умови оптимізації параметрів абразивного оброблення, ефективність якого визначається інтегральним впливом статистичних характеристик оброблюваного матеріалу, величиною режимних чинників процесу та величиною параметрів абразивного інструмента. Вперше досліджено вплив характеристик розподілу товщини плитних деревинних матеріалів та налагоджувальних товщин шліфувальних агрегатів на ефективність процесу калібрування-шліфування жорстким абразивним інструментом.

Вперше запропоновано і обґрунтовано наукове положення про необхідність використання частки бракованих плит (плит, які не задовольняють вимог до нормованої стандартом різнотовщинності та висоти мікронерівностей оброблюваної поверхні) та кількості дефектів на мільйон можливостей, як критеріїв ефективності процесу калібрування-шліфування деревинностружкових плит жорстким абразивним інструментом.

Вперше доведено, що зміна закону розподілу товщини деревинностружкових плит несуттєво впливає на ефективність процесу калібрування-шліфування жорстким шліфувальним інструментом.

Запропоновано і практично реалізовано новий підхід до визначення ефективності процесу калібрування-шліфування ДСП жорстким абразивним інструментом, що полягає у визначенні соціально-економічної ефективності процесу абразивного оброблення із використанням комплексу якісних та кількісних критеріїв.

Вперше розроблено оптимізаційну математичну модель процесу калібрування-шліфування деревинностружкових плит жорстким абразивним інструментом, яка дала змогу визначити оптимальні параметри середньої товщини ДСП, її дисперсії, налагоджувальних товщин шліфувальних агрегатів у процесі абразивного оброблення для забезпечення максимальної ефективності. Вперше запропоновано врахувати для оптимізації процесу калібрування-шліфування деревинностружкових плит жорстким абразивним інструментом заходи екологічного спрямування, що пов'язані з першочерговою економією круглих лісоматеріалів.

Сформульовано основні принципи практичної реалізації регулювання статистичних характеристик товщини ДСП, налагоджувальних величин процесу калібрування-шліфування, величин швидкості різання та швидкості подачі, твердості та зернистості шліфувальних інструментів з метою підвищення ефективності процесу абразивного оброблення.

Обґрунтованість і достовірність результатів дослідження. Достовірність і обґрунтованість вибору теоретичного розподілу товщини плитних деревинних матеріалів підтверджена критерієм Пірсона, а адекватність математичних моделей - критерієм Фішера. Достовірність і обґрунтованість наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджена відповідністю результатів аналітичних і експериментальних досліджень, апробацією та практичною реалізацією роботи.

Наукове значення роботи. Запропоновані моделі та методи, що враховують конкретні особливості процесу калібрування-шліфування (матеріал та інструмент) дозволяють досліджувати ефективність процесу оброблення заготовок в розмір за товщиною з одночасним забезпеченням вимог до висоти мікронерівностей оброблюваної поверхні будь-якого матеріалу. Використання випадкового характеру товщини матеріалу дозволяє враховувати і на основі проведеного аналізу оптимізувати умови його виготовлення. Використання методологічного підходу для дослідження процесу калібрування-шліфування деревинностружкових плит можливе для цілого ряду процесів механічного оброблення. Практичне значення одержаних результатів. Практичну цінність роботи представляють комплекс розроблених аналітичних, імітаційних і регресійних моделей та методів обґрунтування ефективності процесу калібрування-шліфування плитних деревинних матеріалів жорстким абразивним інструментом, які можуть бути використані заводами-виготовлювачами ДСП, MDF та фанери, меблевими підприємствами, проектними та науково-дослідними інститутами відповідного спрямування для прогнозування умов бездефектного абразивного оброблення, встановлення оптимальних режимних та структурних чинників процесу, економії витрат шліфувального інструменту.

Результати досліджень впроваджені на ТОВ „Черкаський ДОК”, ТОВ „Берегометський завод ДСП”, ВАТ „ЛК Інтерплит Надвірна”, що дозволило підвищити ефективність процесів калібрування-шліфування на даних підприємствах.

Розробки дисертаційної роботи також використовуються у навчальному процесі Національного лісотехнічного університету України при викладанні наступних дисциплін: “Абразивне оброблення деревини і деревинних матеріалів”, “Моделювання та оптимізація технологічних процесів”, “Основи наукових досліджень”, „Основи технології виробів з деревини”.

Особистий внесок здобувача полягає у загальній постановці проблеми розроблення науково-технічних основ процесу калібрування-шліфування деревинностружкових плит жорстким абразивним інструментом з використанням випадкового характеру товщини оброблюваного матеріалу, аналізі стану питання, постановці завдань досліджень, проведенні аналітичних досліджень та розробці імітаційних і регресійних моделей, виконанні оптимізації.

У спільних розробках вклад автора є основним, а конкретний внесок у ці праці вказаний у авторефераті в переліку публікацій за темою дисертацією.

Апробація роботи. Основні положення дисертації та її окремі розділи доповідались, обговорювались та отримали позитивну оцінку:

на міжнародній конференції “Лесная наука на рубеже ХХI века” (Білорусь, Гомель, 1997);

на міжнародній конференції "Лес - экология и ресурсы" (Білорусь, Мінськ, 1998);

на міжнародній конференції “Лес-2000” (Російська Федерація, Брянск, 2000);

на міжнародній конференції “Актуальные проблемы лесного ком-плекса” (Російська Федерація, Брянск, 2001);

на 4-ій міжнародній конференції “Composite Wood Materials” (Zvolen, Slovakia, 2002);

на міжнародній науково-технічній конференції “Ресурсо- и энергосберегающие технологии и оборудование, экологически безопасные технологии” (Білорусь, Мінськ, 2005);

на 3-ій міжнародній конференції "Співпраця для вирішення проблеми відходів" (Україна, Харків, 2006);

на міжнародній науково-технічній конференції «Современные проблемы в конструировании и производстве художественных изделий из древесины» (Російська Федерація, Архангельск, 2006);

на науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу Національного лісотехнічного університету України в період з 1997 до 2006 року;

на XI Міжнародній спеціалізованій виставці “Примус: деревообробна промисловість” (м.Київ, 15-18 квітня 2003 року);

на XVIII Міжнародній спеціалізованій виставці “КиївЕкспоМеблі” (5 жовтня 2006 року).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 42 праці, у тому числі 1 монографія, 35 наукових статей (з яких 24 статті опубліковано самостійно), 1 декларативний патент, 5 тез доповідей.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, 7 розділів, висновків, списку використаних джерел і додатку.

Основний зміст роботи викладено на 393 сторінках машинописного тексту, з яких 313 стор. - основний текст; 47 стор. - рисунки; 33 стор. - список використаних джерел, що містить 324 найменування. В додаток (151 стор., окремий том) включено ілюстрації і таблиці, дані експериментальних досліджень, програми і розрахунки на ЕОМ, матеріали щодо впровадження і використання результатів досліджень.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовується актуальність теми дисертаційної роботи, визначаються мета і завдання дослідження, наукова та практична цінність одержаних результатів.

У першому розділі приведено загальну характеристику інструменту та обладнання, що використовуються у процесі калібрування-шліфування деревинностружкових плит, проаналізовано способи визначення ефективності процесів абразивного оброблення і особливості їх моделювання у царині технології деревооброблення.

Аналітичний огляд робіт, виконаних вченими наукової школи професора А.І. Яцюка, яка створена в Національному лісотехнічному університеті України на початку 70-их років минулого сторіччя, серед яких: А.В. Якубовський, І.М. Заяць, С.І. Грицишин, В.О. Багрійчук, Я.П. Бугаєнко, О.Д. Пристая, І.М. Гончар, І.І. Хромчак та багато інших, не зважаючи на очевидну наукову новизну і практичну цінність, дозволив виявити ряд суттєвих недоліків.

У цих дослідженнях не врахований випадковий характер змінних вхідних величин. Найбільше це стосується товщини матеріалу h, який знімається з оброблюваної поверхні у процесі калібрування-шліфування деревинностружкових плит. Оскільки, в силу реологічних властивостей деревинних плитних матеріалів загалом і деревинностружкових плит зокрема, в реальних виробничих умовах існує значна різнотовщинність, а проведеними дослідженнями доведено наявність суттєвої зміни основних показників процесу оброблення за умови зміни величини h навіть на 0,1 мм, то стає зрозумілим обмеженість використання отриманих результатів в умовах виробництва, де здебільшого використовується обладнання з відсутньою можливістю забезпечення однакової величини зішліфованого матеріалу, беручи до уваги його змінні розмірні характеристики за товщиною. Експериментальні дослідження передбачали можливість багаторазового оброблення однієї заготовки з метою економії матеріалу. Ця обставина не дає змогу реально оцінити висоту мікронерівностей оброблюваної поверхні в залежності від початкової шорсткості. Вивчений за такою методикою вплив незалежних змінних чинників на основні показники процесу абразивного оброблення дає тільки загальне уявлення про фізичну сутність процесу, не дозволяє змоделювати і вивчити класичну схему багаторазового шліфування з поступовим зменшенням лінійних розмірів абразивних зерен. Проведені дослідження не передбачають вивчення впливу змінних вхідних факторів на один з найважливіших показників процесу калібрування-шліфування - відсоток бракованих плит, тобто тих плит, які не задовольняють вимог до нормованої стандартом різнотовщинності та висоти мікронерівностей оброблюваної поверхні і не дають відповіді на наступні вкрай важливі питання: скільки абразивних інструментів і якої зернистості та твердості необхідно для забезпечення найбільш якісного і продуктивнішого абразивного оброблення партії плит, що відповідає конкретним умовам даного виробництва?; якими є оптимальні налагоджувальні розміри (лінійний розмір між твірними двох абразивних циліндрів за умови використання суміщеної схеми та між твірною циліндра і площиною оброблюваної поверхні за умови використання рознесеної схеми), що встановлюються на всіх шліфувальних агрегатах?; які необхідно використати конкретні шляхи підвищення ефективності процесу калібрування-шліфування деревинностружкових плит в умовах виробництва?

Аналіз робіт вчених наукової школи Батіна-Дудюка-Максиміва дозволяє відмітити наступні позитивні моменти з огляду на особливості моделювання та дослідження процесу калібрування-шліфування деревинностружкових плит: зроблений висновок про флуктаційні властивості багатьох параметрів процесів деревооброблення загалом та калібрування-шліфування зокрема внаслідок інтегрального впливу збурюючих чинників носить фундаментальний характер і має вирішальне значення для вивчення і дослідження процесів механічного оброблення деревини і деревинних матеріалів; доведені беззаперечні переваги використання теоретичних або модифікованих розподілів для опису випадкових величин; апарат імітаційного моделювання є ефективним інструментом для дослідження складних систем процесів деревооброблення; використання для обраної методології універсальних мов програмування дозволяє гнучко вирішувати поставлені завдання.

Водночас, у аналізованих дослідженнях існують особливості, які неприйнятні для використання у процесі вивчення калібрування-шліфування деревинностружкових плит і дають вагомі підстави для продовження робіт з питань абразивного оброблення. У результаті, зроблено висновок про те, що дослідження, проведені вченими наукової школи Батіна-Дудюка-Максиміва хоча і не дали відповіді на питання, які не вирішили науковці школи А.І. Яцюка, але завдяки розробленому методологічному підходу показали принцип вирішення складних завдань процесів деревооброблення, який за умови розвитку і доопрацювання може бути використаний з метою розроблення науково-технічних основ процесу калібрування-шліфування деревинностружкових плит жорстким абразивним інструментом.

На основі результатів аналізу стану проблеми сформульована мета роботи. Визначені також завдання, які необхідно розв'язати для досягнення вказаної мети.

У другому розділі роботи наведені результати експериментальних досліджень товщини плитних деревинних матеріалів, здійснених на підприємствах: “Кроно Львів” (м. Кам'янка-Буська, Львівська область, Україна), ЛК «Інтерплит Надвірна» (м. Надвірна, Україна), ВАТ “Костопільський ДОК” (м. Костопіль, Україна), ТзОВ «Ліфан ДК» (м. Львів).

Плитний деревинний матеріал для проведення досліджень представлено, як умовно нескінчений, що дозволяє найбільш точно відтворити існуюче розсіювання за товщиною. У результаті досліджень встановлено, що різнотовщинність плитних деревинних матеріалів до початку процесу абразивного оброблення є суттєвою, а відтак її величиною не можна нехтувати. Величина Нmax-Hmin залежить від виду оброблюваного матеріалу, номінальної товщини та умов виробництва: для ДСП номінальної товщини Нном=16 мм ця величина складає 1,85...3,37 мм; для різних досліджуваних товщин фанери ця різниця становить 0,89...1,48 мм. У всіх випадках досліджень прийнято статистичну гіпотезу про відповідність емпіричних даних нормальному закону розподілу випадкової величини, яку завжди можна визначити, як:

Hi = H + S(Н)•(НВВ) (1)

де H - середнє значення товщини плити;

S(Н) - середнє квадратичне відхилення товщини плити;

(НВВ) - нормально розподілена випадкова величина із середнім значенням м=0 і середньоквадратичним відхиленням у=1.

У результаті досліджень також встановлено, що товщину деревинностружкової плити, визначену як у поздовжньому, так і в поперечному напрямках можна вважати випадковою величиною. Різницю між середніми значеннями та дисперсіями поздовжньої і поперечної товщин можна вважати незначимою, відтак такою, що викликана випадковими чинниками.

Проведені експериментальні дослідження та їх статистичне оброблення дали змогу визначити для подальших досліджень інтервали варіювання середнього значення товщини Н та його середнього квадратичного відхилення S(H) (випадкове значення товщини оброблюваного матеріалу визначатиме величину одного із найважливіших параметрів процесу - товщини матеріалу h, який зніматиметься з оброблюваної поверхні у процесі калібрування-шліфування): для дослідження процесу абразивного оброблення ДСП (Нном=16мм) - Н=16,7...17,5 мм; S(H)=0,1…0,5 мм; для дослідження процесу абразивного оброблення MDF (Нном=19 мм) - Н=19,2...19,8 мм; S(H)=0,1…0,3 мм; для дослідження процесу абразивного оброблення фанери (Нном=18 мм) - Н=18,2...18,8 мм; S(H)=0,1…0,3 мм.

У третьому розділі роботи здійснені теоретичні дослідження для визначення основних статичних і динамічних похибок процесу однобічного та двобічного калібрування-шліфування.

Поведінку системи інструмента і оброблюваної плити у випадку однобічного оброблення можна описати системою диференційних рівнянь (рис.1):

(2)

, (3)

де М - маса системи інструмента; m - маса системи оброблюваного матеріалу; J1 - жорсткість системи інструмента; J2 - жорсткість системи заготовки; x1 - переміщення системи інструмента; x2 - переміщення системи заготовки; k - коефіцієнт, що характеризує залежність одиничної нормальної складової сили різання Py від номінальної товщини hн; F - амплітудне значення збурюючої сили; щ - кругова частота збурюючої сили; hн - налагоджувальна глибина калібрування-шліфування.

Розв'язок рівнянь (2) та (3) знайдено у наступному вигляді:

(4)

(5)

Кінематична хвилястість, зумовлена переміщеннями систем інструмента і заготовки, визначатиметься різницею x01-x02:

(6)

Якщо припустити, що існує биття робочої поверхні абразивного інструмента і величина биття змінюється за законом синуса, а шліфувальний циліндр не має дисбалансу, то поведінку системи „інструмент-оброблювана заготовка” можна описати системою рівнянь:

(7)

, (8)

де д - величина биття інструмента.

Тоді:

(9)

(10)

(11)

Для випадку двобічного оброблення (рис.2):

(12)

, (13)

де m1, m2 - приведені маси систем інструментів у своїх зонах різання; x1, x2 - переміщення інструментів у своїх зонах різання; k1, k2 - коефіцієнти, що характеризують залежність одиничних радіальних складових сили різання від глибин калібрування-шліфування; F1, F2 - амплітуди збурюючих сил абразивних циліндрів; щ1, щ2 - кругові частоти збурюючих сил; ш1, ш2 - початкові фази збурюючих сил; hн1, hн2 - налагоджувальні глибини різання.

Розв'язок рівнянь (12) та (13) знайдено, як:

(14)

(15)

Для випадку двобічного абразивного оброблення із врахуванням биття (?1 та ?2 - амплітуди биття робочих поверхонь абразивних циліндрів):

(16)

(17)

Тоді:

(18)

(19)

Порівняння математичних моделей процесів калібрування-шліфування деревинностружкових плит жорсткими абразивними інструментами, що розміщені за рознесеною і опозитною схемами, дозволили: виявити ідентичність впливу збільшення налагоджувальної товщини на величину переміщень у двох випадках; встановити, що величина переміщення системи інструмента від положення рівноваги у процесі калібрування-шліфування ДСП за рознесеною схемою більша за аналогічну величину переміщення шліфувальних інструментів, розташованих згідно з опозитною схемою; визначити, що збільшення налагоджувальної глибини процесу калібрування-шліфування призводить до збільшення динамічної хвилястості за умови використання рознесеної схеми розташування абразивних циліндрів і не призводить до зміни аналогічної величини динамічної хвилястості при опозитному розміщенні шліфувальних інструментів; встановити, що величина кінематичної хвилястості у випадку двобічного калібрування-шліфування за опозитною схемою за умови ідентичності абразивних циліндрів дорівнює нулю; визначити, що величини динамічної хвилястості за умов використання рознесеної і опозитних схем розміщення шліфувальних інструментів відрізняються несуттєво. Проведений аналіз дозволяє надати перевагу використанню опозитної схеми розташування абразивних циліндрів у процесі калібрування-шліфування деревинностружкових плит.

У четвертому розділі розроблена методика проведення досліджень (рис 3).

Якщо досліджуватиметься процес калібрування-шліфування деревинностружкових плит одним оброблюваним агрегатом, що складається з двох опозитно розташованих жорстких абразивних циліндрів, то формалізація досліджуваного процесу складатиметься з наступних складових:

Ввід початкових даних - величини, що характеризує середину інтервалу варіювання значень товщини плити (M(H)), величини, що характеризує розсіювання товщини матеріалу від середнього значення (у(H)), режимних параметрів калібрування-шліфування (налагоджувальної товщини процесу оброблення Нн, швидкості різання н, швидкості подачі нs), структурних параметрів абразивного інструмента (твердості Нц та коефіцієнту зернистості Кz), допустимих значень товщини матеріалу після здійснення процесу калібрування (Hд min; Hд max).

Генерування нормально розподіленої випадкової величини НВВ (M(X)=0; у(X)=1) за допомогою генератора випадкових чисел (N=100).

Визначення псевдовипадкової величини товщини Нi = M(H) +у(H)•НВВ (N=100).

Порівняння величини товщини оброблюваного матеріалу до початку калібрування-шліфування із допустимими значеннями із врахуванням припуску на зняття шару певної товщини. Якщо виконується умова - Hдпр min<Hi<Hдпр max, то плита не вважається бракованою.

Якщо умова - Hдпр min<Hi<Hдпр max не виконується, то плита вважається бракованою. Незалежно від результатів цього порівняння процес моделювання продовжується, оскільки в реальних виробничих умовах навіть плита, що не задовольняє вимоги за товщиною подається на подальше оброблення.

Визначення товщини шару матеріалу hi, що зішліфовується з оброблюваної поверхні:

(20)

Величина hi залежить від товщини оброблюваного матеріалу Hi, налагоджувальної товщини Нн, кількості абразивних циліндрів kц, величини преміщення xi, що визначена у результаті теоретичних досліджень.

Порівняння параметру шорсткості поверхні, розрахованого на підставі теоретичних досліджень з нормативною величиною.

У випадку, якщо Rmmax т<Rmmax н, необхідно змінити величину вхідних незалежних чинників. Визначення граничної довжини процесу оброблення.

Граничною вважається така величина Lгрi, при якій якість оброблюваної поверхні (висота мікронерівностей, відсутність припалювань та інше) задовольняє вимоги стандарту.

Величина Lгрi визначатиметься значеннями hi, н, нs, Нц, Kz:

Lгр= - 4121 + 1538,1•V - 579,19•Vs + 75,83•Нц - 35415,36•hi + 32261,81•Kz+ + 43,42•V•Vs - 2,48•V•Нц + 706,37•V•hi - 627,37•V•Kz + 1,274•Vs•Нц - - 336,48•Vs•hi + 274,88•Vs•Kz + 29,75•Нц•hi - 31,06•Нц•Kz - 12717•hi Kz - - 50,07•V2 - 11,74•Vs2 - 0,127•Нц2 + 8517,25•hi2 + 3743•Kz2 (21)

Визначення усередненої величини .

Визначення кроку зміни довжини процесу калібрування-шліфування ДL.

Визначення довжини процесу калібрування-шліфування сумуванням кроку зміни та попереднього значення.

Визначення спрацювання робочого шару абразивного інструмента сi в першій (початковій) фазі, для якої L= ДL. Величина спрацювання в даному випадку визначатиметься величинами: Li, hi, н, нs, Нц, Kz:

сi = 1,001597 + 1,008432•V + 0,995497•Vs + 1,000338•hi + 1,000666•Kz + +1,139242•Нц - 0,01165•Li + 0,267707•V•Vs + 0,988376•V•hi + + 1,006871•V•Kz - 0,21731•V•Нц + 0,001995•V•Li + 0,994858•Vs•hi + + 1,006109•Vs•Kz - 0,03785•Vs•Нц - 0,00083•Vs•Li + 1,000198•hi•Kz + + 1,054273•hi•Нц - 0,0071•hi•Li + 1,090095•Kz•Нц - 0,01625•Kz•Li + + 0,000211•Нц•Li + 0,649654•V2 + 0,164477•Vs2 + 1,000378•hi2 + + 1,000356•Kz2 + 0,004385•Нц2 - 0,0000032•Li2 (22)

Визначення загальної величини спрацювання сi (N).

Порівняння величини L= ДL і . Якщо L<, то здійснюється перехід до наступної фази Li = L i-1+ ДL з наступним визначенням сi. Перехід до наступної фази здійснюється до тих пір, поки не буде виконуватись рівність Li=. Ця фаза вважається критичною, причому довжина процесу оброблення для цієї точки визначається як Li (N) =N•ДL (N - кількість фаз), а спрацювання - сi (N) = .

Визначення граничної величини спрацювання абразивного інструмента за умови, що довжина процесу калібрування-шліфування дорівнюватиме граничній величині.

Визначення граничної довжини процесу калібрування-шліфування до повного спрацювання Lцгрi, яка залежить від величини сумарного спрацювання абразивного інструмента та товщини робочого шару циліндра.

Визначення параметру шорсткості оброблюваної поверхні Rmmaxi в кінці періоду стійкості.

Визначення частки оброблених деталей, що відповідають вимогам із різнотовщинності та якості оброблюваної поверхні.

Визначення частки оброблених деталей, що не відповідають вимогам із різнотовщинності та якості оброблюваної поверхні.

Визначення усереднених показників, що характеризують процес калібрування-шліфування деревинностружкових плит жорстким абразивним циліндром: середньої товщини матеріалу до і після оброблення; довжини шліфування за період стійкості і до повного спрацювання абразивного інструмента; товщини шару матеріалу, що знімається з оброблюваної поверхні; величини мікронерівностей поверхні, яка шліфується; частки бракованих деталей до і після калібрування-шліфування.

Імітаційне моделювання процесу калібрування-шліфування деревинностружкових плит для випадку використання двох шліфувальних агрегатів, кожен з яких складається з двох опозитно розташованих жорстких абразивних циліндрів, побудоване на базі моделі роботи одного агрегату. Різниця полягає в тому, що весь процес оброблення розділений на два етапи: калібрування на першому агрегаті та проміжкове (чистове) шліфування на другому. Кожен із цих етапів може розглядатись, як самостійна ланка процесу оброблення, але разом вони складають одне інтегральне ціле. Імітаційне моделювання оброблення на кожному агрегаті складається з вище описаних складових, причому вихідні дані першого етапу калібрування-шліфування є вхідними для другого, а вихідні дані після імітування роботи другого агрегату, за умов відсутності подальшого чистового шліфування, вважаються кінцевими для загального процесу абразивного різання.

Верифікацію імітаційних моделей здійснювали шляхом порівняння розподілів випадкової величини товщини ДСП, отриманого на основі експериментальних даних та за допомогою машинного генерування псевдовипадкових чисел; перевірки чутливості моделі на зміну закону теоретичного розподілу; оцінювання поведінки моделі за умови зміни величини основних вхідних чинників.

У процесі порівняння емпіричного та імітаційного розподілів перевіряли за допомогою критерію статистичну гіпотезу про однорідність розподілів; отримували полігони розподілу для двох випадків і розраховували основні статистичні характеристики; здійснювали перевірку однорідності дисперсій і однорідності середніх.

Чутливість самої імітаційної моделі перевірялась шляхом зміни нормального закону розподілу на ерлангівський, Сімпсона та рівномірний.

У процесі досліджень калібрування-шліфування ДСП двома шліфувальними агрегатами реалізований уніформ-рототабельний план, в ортогональній частині якого використаний дробовий факторний план типу 210-2. У процесі досліджень калібрування-шліфування ДСП одним шліфувальним агрегатом нами реалізований уніформ-рототабельний план, в ортогональній частині якого використаний дробовий факторний план типу 2 7-2. У процесі досліджень калібрування-шліфування MDF та фанери жорсткими абразивними інструментами реалізований В-план з ДФП типу 2 7-2 в ортогональній частині. Заміна уніформ-рототабельного плану В-планом зумовлена меншим розсіюванням товщини оброблюваного матеріалу, ніж при дослідженні процесу абразивного оброблення ДСП, але з метою збільшення точності отриманих результатів В-план доповнений серією дослідів, проведених в середині інтервалів варіювання незалежних чинників.

У процесі дослідження калібрування-шліфування плитних деревних матеріалів жорстким абразивним інструментом на імітаційній моделі визначався вплив незалежних чинників на: середню товщину плити після калібрування-шліфування першим агрегатом Нпк1, мм; середню товщину плити після калібрування-шліфування другим агрегатом Нпк2, мм; середню товщину зйому у процесі калібрування-шліфування першим h1 та другим h2 шліфувальними агрегатами, мм; середнє значення довжини калібрування-шліфування за період стійкості інструмента першого L1 та другого L2 агрегатів, п.м.; середню величину спрацювання інструмента за період його стійкості для двох агрегатів с1, с2, мкм; середню кількість погонних метрів прошліфованої поверхні абразивним інструментом двох агрегатів до повного спрацювання LП1, LП2, п.м.; частку бракованих плит до калібрування-шліфування першим Чб1 та другим Чб2 агрегатами, %; частку плит, що не оброблялись у процесі калібрування-шліфування ЧН1, ЧН2,%; середню шорсткість оброблюваної поверхні Rm max1 та Rm max2, мкм; частку бракованих плит після калібрування-шліфування Чб1к, Чб2к, %; одиничну нормальну складову силу різання Py, Н/мм; одиничну дотичну складову сили різання Pz, Н/мм; відношення одиничної нормальної складової сили різання до дотичної k=Py/Pz.

У випадку одноагрегатного оброблення за змінні незалежні чинники прийняті: середня товщина плити до оброблення, середнє квадратичне відхилення товщини плити до оброблення, налагоджувальна товщина калібрування-шліфування, швидкість подачі плитного деревинного матеріалу, швидкість різання, твердість та зернистість абразивних циліндрів. У процесі досліджень двоагрегатного оброблення додатково вивчався вплив налагоджувальної товщини другого агрегату, твердості і зернистості інструментів цього агрегату на перелічені вище вихідні величини.

Метою лабораторних досліджень є математичний опис залежності величини основних показників процесу калібрування-шліфування MDF та фанери (довжини процесу оброблення за період стійкості абразивних інструментів, спрацювання інструмента за період його стійкості, шорсткості оброблюваної поверхні) від режимних (швидкості різання, швидкості подачі, товщини шару, який знімається у процесі оброблення) та структурних (твердості і зернистості шліфувального інструмента) чинників.

Дослідження впливу характеристик шліфувального інструмента на його стійкість, питому продуктивність і глибину шліфування проводились на експериментальній установці, змонтованій на базі плоскошліфувального верстата моделі 371М. Регулювання величини швидкості подачі та швидкості різання здійснювалось за допомогою електромагнітного підсилювача.

З метою встановлення залежності довжини калібрування-шліфування фанери від швидкості різання, швидкості подачі, товщини матеріалу, який зішліфовується з оброблюваної поверхні та твердості абразивного круга реалізований уніформ-рототабельний план з повним факторним планом типу 24 в ортогональній частині. Для визначення шорсткості оброблюваної поверхні в процесі калібрування-шліфування MDF та силових показників реалізований дробовий факторний план типу 25-1.

У п'ятому розділі наведені результати імітаційних досліджень, на основі яких отримані рівняння регресії для визначення основних показників процесу калібрування-шліфування деревинностружкової плити жорстким абразивним інструментом.

Збільшення величини середньої товщини плити, як правило, спричиняє збільшення товщини матеріалу, який знімається з оброблюваної поверхні у процесі калібрування-шліфування, що призводить до значного зменшення довжини шліфування за період стійкості інструмента (рис. 4).

Характер впливу величини середнього квадратичного відхилення товщини плити на довжину шліфування залежить від величини hн: якщо hн=0,145…0,460 мм - збільшення середнього квадратичного відхилення призводить до зменшення довжини шліфування за період стійкості абразивного циліндра (рис.5); якщо hн=0,480…0,860 мм - збільшення середнього квадратичного відхилення призводить до збільшення довжини шліфування за період стійкості абразивного циліндра (рис.6); якщо hн=0,460…0,470 мм - збільшення середнього квадратичного відхилення не призводить до суттєвої зміни величини довжини шліфування за період стійкості абразивного циліндра (рис.7). Зміна параметрів розподілу для товщини плити до початку процесу калібрування-шліфування в зв'язку із зміною величини середнього квадратичного відхилення (рис. 5...7) може здійснювати різний вплив на працездатність жорсткого абразивного інструмента. Збільшення величини середнього квадратичного відхилення спричинятиме зменшення кількості ділянок плити, товщина яких знаходитиметься в деякому околі середнього значення товщини плити. В такому разі зменшиться найбільша за кількістю група точок, в яких товщина плити близька за значенням до величини Н. Очевидно, що остання обставина сприятиме зменшенню товщини шару плити, який знімається з оброблюваної поверхні у процесі калібрування-шліфування, але саме для визначеної кількості випадків. Зменшення величини h, в свою чергу, спричинить зменшення сил різання і як наслідок, збільшення величини L. Оскільки частка таких ділянок серед загальної кількості є досить значною, то логічно було б припустити, що збільшення величини середнього квадратичного відхилення призведе до збільшення усередненої довжини калібрування-шліфування за період стійкості абразивного інструмента. Збільшення величини S(H) призведе до збільшення інтервалу розсіювання імовірних значень випадкової величини. Вплив такого розширення інтервалу на працездатність (довжину шліфування за період стійкості інструмента) абразивного циліндра можна прогнозувати, використовуючи три підходи.

Сутність першого полягає у тому, що збільшення максимально можливої товщини плити призведе до збільшення товщини матеріалу, який знімається з оброблюваної поверхні і зменшення довжини L. Згідно з другим, зменшення мінімально можливої товщини оброблюваного матеріалу полегшить умови роботи і призведе до збільшення довжини калібрування-шліфування. Очевидно, що можливий і третій варіант, коли теоретично однакове зменшення і збільшення граничних розмірів товщини плити компенсуються у визначенні ступеня впливу на працездатність шліфувального інструмента і не призводить до зміни величини L. Важливим у процесі аналізу характеру залежності L=f(S(H)) видається наявність у експериментальному розподілі товщини плити кількості грубих промахів, тобто присутність в реальних виробничих умовах таких ділянок оброблюваного матеріалу, товщина яких ускладнює або унеможливлює прийняття статистичної гіпотези про відповідність нормальному закону розподілу випадкової величини. Очевидно, чим ближче емпіричний розподіл до теоретичного (менший критерій узгодженості ч2), тим із більшою імовірністю можна використовувати вище наведений аналіз для прогнозування працездатності абразивного циліндра у процесі калібрування-шліфування ДСП. У разі існування вагомих підстав для прийняття гіпотези про відповідність емпіричного розподілу нормальному, остаточний характер впливу середнього квадратичного відхилення товщини плити на довжину калібрування-шліфування за період стійкості абразивного інструмента визначатиметься інтенсивністю одного із вище описаних явищ.

Частка деревинностружкових плит, що не задовольняє вимоги із різнотовщинності залежить від багатьох чинників. Збільшення середньої товщини плити до величини 17,10 мм не призводить до появи деталей, товщина яких більша за максимально допустиму, причому, збільшення налагоджувальної товщини першого агрегату з 16,24 до 16,66 мм зменшує величину критичної товщини до 16,90 мм (рис. 8).

Незалежно від величини середньої товщини плити, характер залежності кількості бракованих плит від коефіцієнту зернистості шліфувальних інструментів другого агрегату має дві характерних ділянки (рис. 9). На першій спостерігається зменшення частки плит, що не задовольняють умови з різнотовщинності із збільшенням величини Kz. Друга ділянка, навпаки, відзначається ростом величини бракованих плит в процесі збільшення розмірів абразивних зерен. Збільшення розмірів абразивних зерен до деякої величини сприяє збільшенню можливості інструмента знімати шар матеріалу більшої товщини. Подальше зростання зернистості, очевидно, призводить до збільшення шорсткості оброблюваної поверхні.

Якщо прийняти величину поля допуску для товщини неличкованої деревинностружкової плити 0,4 мм (±0,2 мм), то для забезпечення величини індексу відтворюваності Ср=2, необхідно зафіксувати величину середнього квадратичного відхилення після калібрування-шліфування Sпо=0,033 мм. Саме за умови дотримання такого розсіювання можна прогнозувати роботу, при якій виникає 3,4 дефекти на мільйон можливостей. Згідно з рис. 10, цей ефект досягається для певних значень інтервалів варіювання величин Н і S(H).

Якщо підприємство із виготовлення ДСП працюватиме із середньою товщиною плити до оброблення Н=16,7…17,5 мм і аналогічним показником середнього квадратичного відхилення S(H)=0,1…0,5 мм, то можна прогнозувати ефективність роботи на рівні 1,6 «сигма», тобто 460 000 плит із мільйону можливих не відповідатимуть встановленим нормативним вимогам за товщиною (рис. 11).

...