Формирование декоративных элементов мебели из древесины методом термопрессования

Актуальность темы

.

Перед лесной и деревообрабатывающей промьшшгенностью постоянно стоит задана повысить выпуск продукции без существенного расширения объемов поставок лесного сырья. Такая целевая установка вытекает из регулярного повышения материально-эколюгичеосой ценности лесных ресурсов. В связи с этим встает проблема оптимального использования древесины без отходов. В дальнейшем эта проблема будет ужесточаться, что потребует качественного изменения и интенсификации промышленного производства, новых видов модифицированных древесных материалов и изделий из древесины, оптимизации их строения и конструктивных свойств по условиям изготовления и эксплуатации. Решение отмеченных задач возможно лишь на основе четких теоретических обоснований направлений оптимизации качества и улучшения строения изделий из древесины и древесных материалов. При механической обработке, связанной с термопрессованием (или пьезотермообрабожой) этих изделий и материалов, существенно изменяются их свойства Во многих работах [1, 2, 3, 4] исследовалось влияние температуры и давлений, но эти исследования в подавляющем большинстве носят экспериментальный характер и решают частные задачи технологии. Для обоснованных же суждений и решения требуется механическая теория термопрессования, учитывая совместное воздействие всех процессов их взаимосвязи. Значение такой теории усиливается тем, что на термопрессование и его последствия влияют параметры применяемого оборудования и пресс-форм, определяющие степень уплотнения материалов, динамику его осуществления, характер передачи и снятие давлении, восстановительные процессы после снятия давлений и т. п. Принципиальное усовершенствование оборудования и особенно пресс-форм, невозможно без создания необходимых теоретических предпосылок его расчета и проектирования. Это тем более важно, что в современных условиях оборудование и пресс-формы для термопрессования являются одними из слабых мест и тормозят возможности интенсификации процессов и увеличения производительности труда.

Особенно сложные проблемы возникают при термопрессовании криволинейных деталей из древесины древесных материалов. Такие криволинейные детали широко применяются в современной мебели в качестве конструктивных декоративных элементов, и объем их использования все время растет в связи с улучшением потребительских свойств мебели и ее интерьера. Настоящая работа посвящена обоснованию и разработке основных теоретических закономерностей для оценки процессов деформирования таких элементов. Основные задачи проведенных исследований сводятся к следующему:

1. Определение и формализация закономерностей изменения физико-механических свойств древесины и древесных материалов термопрессования.

2. Установление возможностей регулирования и управления механическими свойствами изделий при интенсивном и неравномерном их уплотнении в процессе термопрессования.

3. Исследования процесса термопрессования с учетом его нелинейности.

4. Учет анизотропии механических свойств древесины и древесных материалов при уплотнении.

5. Подход к анализу перемещений материала в пресс-формах, контактирование элементов рабочей поверхности матриц с древесной, определение рационального режима прессования, установление факторов, влияющих на работоспособность матриц и пуансонов, обоснование путей повышения износостойкости рабочих элементов пресс-форм.

Анализ научно-технических разработок по изготовлению гнуто-клееных, рельефных изделий [19,20,92,101,103,131] не дают полной возможности создания обоснованной технологии и инструмента, для производства декоративных элементов мебели методом термопрессования. В связи с чем автором сформулированы следующие цель и задачи диссертационных исследований по решению этой проблемы:

Цель работы.

— Создание технологии и инструмента для формирования декоративных элементов мебели из древесины методом термопрессования: путем проведения теоретических и экспфимштальных исследований явлений деформации древесины, определения силовых и качественных показателей с оптимизацией параметров инструмента и режимов термопрессования, и внедрением полученных результатов в практику.

Задачи исследований.

1. Установить закономерности нелинейных зависимостей д ля деформации.

2. Изучить режимы уплотнения древесины и древесных материалов с учетом анизотропии с анализом перемещения материалов в прессформе.

3. Провести исследование деформации и качественных показателей при термопрессовании.

4. Предложить регламентации точности изготовления декоративных элементов из древесины и древесных материалов термопрессованием.

5. Разработать методику определения силовых и качественных показателей термопрессования декоративных элементов из древесины.

6. Выполнить экспериментальные исследования силовых и качественных показателей термопрессования декоративных элементов.

7. Провести оптимизацию параметров и режимов термопрессования при изготовлении декора и повышения долговечности инструмента.

8. Внедрить в мебельное производство результаты исследований и прикладных научно-технических разработок.

Новизна.

1. Установлены нелинейные зависимости деформации при термопрессовании древесины, отличающиеся характером распределения уплотнений.

2. Определены закономерности изменения деформации и качественных показателей при термопрессовании.

3. Разработаны системы регламентации точности изготовления декоративных элементов из древесины и древесных материалов, отличающиеся определением фактических уплотнений при термопрессовании.

Определены.

— фактическое уплотнение при термопресоовании;

— угфугопрочносгные характеристики при уплотнениях;

— деформации после термопрессования и неравномерности уплотнений по высоте изделия;

— усадочные деформации от изменения влажности и температуры при термопрессовании.

Методика исследований включает в себя теоретические построения процесса термопрессования декоративных элементов с получением математического аппарата, численных расчетов режимов и параметров процесса, а также проведение экспериментальных исследований, производственных испытаний и внедрение в практику технологии, инструмента получения декоративных —элементов мебели.

В первой главе рассмотрено состояние изученности темы, поставлены цели и задачи исследований.

Вторая глава посвящена теоретическим исследованиям термопрессования, развития нелинейности деформации, характера уплотнения древесины с учетом анизотропии, анализу перемещения материалов в прессформах.

Третья глава изучает показатели качественного развития деформации в процессе термопрессования рельефов на поверхности декора из древесины, скорости деформирующего усилия, а также рациональные параметры матриц и пуансонов для изготовления декора.

Четвертая глава определяет регламентацию точности изготовления декоративных элементов, фактические уплотнения при изменении упругопрочностных характеристик древесины, неравномерности уплотнения древесины по высоте изделия, погрешности термопрессования, а также усадочные деформации с изменением влажности и температуры.

Пятая глава содержит математический аппарат постановки методологических задач определения сижвых и качественных показателей термопреооова-ния.

Шастая глава дает анализ экшериментальных исследований силовых и качественных показателей с учетом деформативности древесины, характера влияния температуры нагрева древесины, прессформы, силовых, скоростных показателей процесса термопрессования.

Седьмая глава устанавливает выбор факторов и оптимизации параметров инструмента и технологических режимов термопрессования.

В восьмой главе представлены рекомендации повышения долговечности инструмента, матриц и пуансонов.

Девятая глава характеризует результаты внедрения теоретических и экспериментальных исследований в производственную практику.

Достоверность полученных результатов, обоснованность выводов и рекомендаций. Результаты научных исследований получены на основе использования методов математического моделирования, оптимизации силовых и качественных показателей процесса термопрессования, регламентации точности создания рельефных поверхностей декоративных элементов.

Обоснованность выводов и рекомендаций базируется на позитивных результатах совпадения теоретических исследований с экспериментальными данными, а также общими положительными итогами внедрения технологии и инструмента и производство, выпуска декоративных элементов на мебельных предприятиях. защиту вьмосятся:

1.1Укгемашческий аппарат нелинейных зависимостей для деформации при термопрессовании, режимов уплотнения древесины и древесных материалов с учетом анизотропии, математические зависимости перемещения материалов в прессформах.

2 Закономерности деформации в процессе термопрессования рельефов на поверхности декора из древесины и деформирующие усилия при термопрессовании.

3. Математические зависимости скорости деформирования древесины при тфмопрессовании и рациональных параметров матриц прессформ.

4. Расчетные уравнения определения фактических уплотнений при термопрессовании доезвесины, изменения ее упруго-прочных характеристик.

5. Предложенные математические уравнения расчетов деформации после термопрессования древесины и неравномерности уплотнения по высоте изделия.

6. Закономерности усадочных деформаций от изменения влажности и температуры зри термопрессовании и погрешности прессования.

7. Методика и экспериментальные установки по выпуску декоративных элементов.

8. Результаты экспериментальных сшювых и качественных показателей термопрессования декоративных элементов.

9. Технология и инструмент изготовления декоративных элементов мебели.

Научные значения полученных результатов — установлены закономерности и получен математический аппарат численных расчетов деформаций, режимов уплотнения, перемещения материалов в пресс-формах, рациональных параметров матриц и пуансонов;

— предложены математические зависимости расчетов параметров регламентации точности изготовления декоративных элементов с определением фактических уплотнений, изменения упруго-прочностных характеристик древесины, с определением деформации от изменения влажности и температуры и погрешности термопрессования;

— определены силовые и качественные показатели термопрессования декоративных элементов;

— решены задачи оптимизации параметров инструмента и режимов термопрессования.

Практическая значимость работы заключается в создании технологии и инструмента получения декоративных элементов мебели методом термопрессования.

Результаты исследования реализованы в промышленности, что позволило полнее использовать лесосырьевые ресурсы, создать широкую гамму декоративных элементов для создания фасадных элементов мебели разной компоновки и сочетаний, что способствовало большему выпуску высокохудожественных конкурентоспособных наборов мебели.

Получен новый, оригинальный способ изготовления декоративных элементов с использованием цельной древесины, а также кусковых отходов шпона с бумажными прокладками, пропитанными сиететическими смолами.

Место проведения исследований. Работа проводилась автором или под его руководством: в научной лаборатории ПМО «Кавказ», Краснодар (198 182 гг.) — на кафедре станки и инструменты Лесотехнической академии, Ленинград (1982;85 гг.) — в Центральном научно-исследовательском институте фанеры (ЦНИШ>) Санкт-Петербург с 1985 г.

Декоративные элементы методом термопрессования производились на ПМО «Кавказ» (Краснодар) — ПМО «Дружба» (Майкоп) — ЛМК № 1 (Ленинград);

Мебельный комбинат № 3 (Киев) и многих других мебельных, фанерных предприятиях.

Апробация работы. Основные положения диссертации и отдельные его разделы были заслушаны и получили одобрения на:

— Ежегодных научно-технических конференциях ЛТА (Ленинград), Белорусского технологического института (Минск), 1984 -1999 гг.

— Научно-технических конференциях УкрНИИМОД, НПО «Научфан-пром», ЛДНТП, ВПКТИМ, 1984 -1999 гг.

— Международных конференциях-выставках Ганновер (Германия, 1993, 1999), Прага (Чехия, 1996), Сокраменто (США, 1996).

Внедрение результатов исследований. Результаты исследований апробированы на ПМО «Кавказ» (Краснодар), ПМО «Дружба» (Майкоп), ПМДО «Юг» (Мостовское), Мантуровский, Череповецкий фанерные комбинаты.

Фактический экономический эффект составляет более 700 ООО руб. Результаты исследований внедрены, как в учебном процессе Лесотехнической академии, так и при разработке нормативно-технической документации для фанерной и мебельной промышленности.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 39 работах, включая монографию.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 9 глав, выводов и рекомендаций, заключения, списка литературы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Поставленная автором цель и задачи исследования нашли свое решение на страницах этой диссертации. Полученные результаты исследования и научных разработок решают актуальную научно-практическую задачу создания технологии и инструмента получения высококачественных декоративных элементов мебели методом термопрессования из древесины и древесных материалов.

— Разработаны новые методы получения рельефных поверхностей, отличные в частности от производства гнутоклееных изделий, образования рельефов на поверхности древесностружечных плит (ДСП) давлением, что не отвечает современным требованиям создания высокохудожественной мебели вследствие своей не технологичности, и малой эффективности.

Проблема формирования декоративных элементов мебели из древесины решалась методом термопрессования на основе проведенных теоретических исследований, лабораторных, производственных экспериментов, которые позволили разработать технологию и инструмент по созданию декоративных элементов мебели. При проведении научных исследований установлен ряд закономерностей, которые позволили разработать технологические режимы и инструмент, в частности:

— возрастание давлений при термопрессовании древесины и древесных материалов происходит во времени по нелинейным законам. Поэтому принимаемые обычно линейные законы справедливы лишь в первом приближении.

— найденные зависимости позволяют определить фактические давления при термопрессовании любого древесного материала или любой породы по известным очертаниям пуансона и заданном технологическом режиме.

— установлена практическая возможность согласованно подбирать технологические режимы термопрессования по заданным очертаниям получаемых декоративных изделий. Эти режимы могут быть дифференцированы в зависимости от обрабатываемого материала (породы) и влажности, при этом необходимо учитывать анизотропию механических свойств древесины и древесных материалов при уплотнении.

— установлены закономерности перемещения материала в пресс-формах контактирование элементов рабочей поверхности матриц и пуансонов с древесиной, что определяет рациональные режимы термопрессования и факторы, влияющие на работоспособность инструмента, при этом находятся пути повышения износостойкости рабочих элементов пресс-форм.

— теоретическими расчетами и результатами экспериментов выявлены особенности деформирования древесины и древесных материалов связанных с их пьезотермообработкой при получении декоративных элементов мебели, при этом определен характер изменения механических свойств древесины и древесных материалов, характер изменения их свойств в процессе деформирования.

— изучены закономерности последовательности развития деформации и напряжений при термопрессовании рельефов, влияние их на свойства получаемых изделий в нужном направлении.

— предложен метод и разработана программа ЭВМ для определения оптимальных параметров процесса термопресования декоративных элементов, а так же основных параметров инструмента, матриц и пуансонов.

— сформулированы и математически описаны основные закономерности физико-химических процессов, имеющих место при термопрессовании, при этом теоретически рассчитана и экспериментально подтверждена целесообразность направленного изменения основных параметров прессования в процессе формирования рельефных элементов мебели, что позволило выбрать и обосновать критерии эффективности процесса термопрессовании, получить целевые функции, связанные их с управляющими факторами.

В результате исследований установлено, что:

— при уплотнении и нагревании происходит изменение механических свойств, в частности, уплотнение увеличивает сопротивление деформированию, а нагревание уменьшает его, вследствие пористости строения древесины резко изменяется объем материала в изделии, что является ее специфической особенностью.

— перемещения контактных зон с пресс-формами соизмеримы с начальными размерами обрабатываемых изделий, и это ставит под сомнение справедливость линейных взаимосвязей между перемещениями и деформациями.

— уплотнение вызывает изменение анизотропии механических свойств и соответствующие перераспределение напряжении. От степени уплотнения изделия зависит не только отдельные составляющие энергии, но и удельная энергия на единицу объема обрабатываемого материала. Поэтому одним из путей существенной экономии энергии является уменьшение материалоемкости изделий и прессформ и максимально возможное снижение степени уплотнения заготовок.

Анализ уравнений регрессии изменения скорости прессования давления, влажности подтверждает значимость всех выбранных переменных факторов термопрессования древесины. Характер изменения поверхностей откликов хорошо объясняется и согласуется с известными положениями обработки древесины методом прессования и данными лабораторных исследований, а также практикой изготовления декора для мебели методом термопрессования древесины.

На основании проведенных производственных испытаний и выпуска опытной партии декоративных элементов установлены наиболее приемлемые технологические параметры термопрессования древесины и древесных материалов:

— оптимальная температура древесины в процессе термопрессования должна поддерживаться в диапазоне 180 ± 5 °C;

— заготовки древесины перед помещением в пресс-формы необходимо подогревать в термокамерах до температуры 180 °C;

— температура матрицы должна быть достаточной для поддержания оптимальной температуры древесины или для нагревания ее в процессе термопрессования до оптимальной температуры. Для этого температура матрицы должна быть 190 °C;

— температура пуансона должна находиться в прямой зависимости от породы древесины и времени прессования;

— температура пуансона должна способствовать локальному нагреву древесины в зоне термопрессования, не вызывая ее обугливания;

— время выдержки пуансона в древесине зависит от формы и глубины рельефа, породы древесины и может изменяться от 10 до 20 с;

— скорость опускания пуансона должна находиться в пределах 0,01−0,02 м/мин;

— с целью уменьшения шероховатости поверхности, ликвидации условий образования трещин на формирующей поверхности изделия перед термопрессованием рекомендуется производить равномерное впрыскивание в зону прессования в момент соприкосновения пуансона с заготовкой воды в количестве 0,5 мл на 1 см² поверхности заготовки.

В результате проведенных исследований и прикладных научных разработок предложены рекомендации по расчету и конструированию прессформ для термопрессования декоративных элементов:

— При малых степенях уплотнения 8 < 0,15 неравномерностью их распределения по высоте можно пренебречь. Значения поправочных коэффициентов лежат здесь в пределах технической точности расчетов.

— При уплотнениях, превышающих 0,15, учет неравномерного их распределения дает существенные коррективы и должен обязательно проводится.

— Наибольшего влияния неравномерность достигает при технологических уплотнениях в пределах 0,4 — 0,5 при наличии в сечении волокон с нулевой деформацией. Здесь поправочные коэффициенты доходят до 1,6 -1,3.

— Если экстремальные значения текущих уплотнений отличаются друг от друга не более чем в два раза, неравномерность их распределения можно не учитывать и принимать расчетные уплотнение равные технологическим.

— Полученные зависимости могут быть распространены на случай нелинейного распределения уплотнений по высоте методом кусочно-линейной аппроксимации. Существенных отклонений от полученных результатов здесь не ожидается.

— Толщина днища матрицы по условиям прочности всегда должна быть больше толщины стенок.

— Учитывая возможную концентрацию напряжений в угловых сопряжениях, толщину матрицы следует принимать для цельной древесины, фанеры, готовой шшш и т. п. равной 0,8 — 0,9 перемещения пуансонов, а для сыпучей композиции древесины 0,6 — 0,7 этого перемещения.

— Боковые стенки пуансона можно делать тоньше днища примерно на 25 — 30%.

— Отношения фактических напряжений прессования к пределу пластического течения следует использовать как коэффициенты при определении нагрузок для расчета пресс-форм. Учитывая величины этих коэффициентов, можно увеличивать нагрузку на прессуемых наклонных участках в 1,15 раза по сравнению с расчетными.

— На основе обобщения опыта выпуска декоративных элементов в работе даны практические предложения по изготовлению и эксплуатации пресс-форм при термопрессовании:

— Рисунок поверхности матриц не должен иметь участков с резкими переходами и изменениями радиуса кривизны, что обеспечивает высокое качество поверхности декора и отсутствие местных разрушений древесины.

— Направление главных линий рисунка должно быть продольным и меньше поперечным относительно направления волокон древесины для обеспечения отсутствия деформирования в поверхностном слое декора.

— Матрица должна обеспечить удобство монтажа, демонтажа и ремонта, если возникает в этом производственная необходимость.

— Для повышения качества декора и возможности совмещения операций прессования и отделки поверхности необходимо рабочие поверхности матрицы хромировать гальваническим способом.

— Максимальная глубина рельефа не должна превышать 50−60% толщины заготовки. С увеличением глубины возрастает вероятность разрушения очертаний и поверхностных слоев древесины.

— Основные продольные линии рельефа к направлению волокон древесины должны быть наклонены под углом не более 45°. При больших углах может наблюдаться разрыв волокон древесины с образованием местных дефектов.

— Переходы в линиях рельефа должны быть плавными. Радиус в местах переходов не должен быть менее 2 мм. При меньших радиусах и острых переходах могут наблюдаться разрывы и сжатия волокон древесины, что проявляется в увеличении шероховатости, вырывов и выходов концов волокон древесины на поверхности декоративных элементов.

— При оформлении участков рельефа в виде выпуклых призм углы не должны быть более 120°, а в виде вогнутых призм (впадин) углы не должны быть менее 30°.

— Переходы от одного уровня рельефа к другому смежному должны быть плавными, без острых углов. Длина переходной площадки между двумя смежными рельефами глубиной более 30% по отношению к толщине заготовки не должна быть меньше 4 мм.

— Марку стали следует выбирать в зависимости от условий термопрессования, объема обработки декора, используемого оборудования, т. е. требований и условий изготовления декоративных элементов из древесины в конкретных заводских условиях. В одних условиях можно успешно работать с пресс-формами (матрицами) из стали марки 45, а в других-только из стали марки Х12 или Х12М.

Таким образом, в результате проведенных исследований и прикладных научных разработок, результатов опытного производства декоративных элементов мебельная промышленность получила технологию, инструмент для создания и выпуска высокохудожественной мебели с декоративными элементами, что делает мебель конкурентоспособной.