Height determining of anatomical irregularities of treated surface of wood and timber-based materials by roughness parameters

Full Text

В настоящее время в мире отмечается тенденция увеличения потребления пиломатериалов, древесных материалов в виде фанеры, плит и продукции, изготовленной на шпоновой основе. [1–5]. Повышение качества лесной продукции является важнейшим стимулом расширения рынков сбыта как для отечественных, так и для зарубежных производителей. Важным показателем служит контроль шероховатости поверхности производимых материалов. Сложность определения шероховатости поверхности на древесине и древесном материале заключается в том, что наряду с неровностями, которые образуются вследствие механической обработки [6], фиксируются анатомические неровности [7–9], присущие древесине.

Неровности обработки возникают в результате механического воздействия на древесный материал дереворежущим инструментом, шлифовальными шкурками, а также при прессовании деталей и плит для выработки в конечном варианте изделия. Размеры неровностей зависят от режима резания, скорости подачи, свойств обрабатываемых древесных материалов [10, 11]. Механические неровности относятся к понятию шероховатости обработанной поверхности и контролируется высотными параметрами шероховатости по ГОСТ 7016–2013 — Rm_max, R_m, R_z, R_a. По данным работ [12, 13] приводим значения параметров шероховатости поверхности для различных древесных материалов (табл. 1).

 

Таблица 1

Параметры шероховатости поверхности древесных материалов

Surface roughness parameters of wood-based materials

Вид древесного материала и способы обработки	Доминирующие неровности	Шероховатость поверхности
		параметр	значение, мкм
Пиломатериалы после рамного распила:  хвойных пород древесины  лиственных пород древесины	Риски обработки, в виде наклонных к волокнам древесины прямолинейных следов, оставленные зубьями рамных и ленточных пил. Неровности разрушения	Rmmax	500…1600 320…1250
Пиломатериалы после распила ленточными пилами:  хвойных пород древесины  лиственных пород древесины		Rmmax	100…1600 100…800
Пиломатериалы после пиления дисковыми пилами	Серповидные риски, расположенные в поперечном направлении к волокнам древесины и оставленные зубьями круглых пил	Rmmax	100…1250
Пиломатериалы после пиления строгальными пилами		Rmmax	Не более 200
Древесина после продольного фрезерования	Кинематическая волнистость и неровности упругого восстановления	Rmmax	20…32
Шпон лущеный	Риски обработки, оставленные на поверхностях шпона лущильными или строгальными ножами	Rmmax	Не более 200
Шпон строганый:  хвойных и лиственных кольцесосудистых пород древесины  лиственных рассеянно-сосудистых пород древесины		Rmmax	Не более 200   Не более 100
Структурированный шпон		Rmmax	Не более 200
Древесно-стружечные плиты:  нешлифованные  шлифованные	Структурные неровности и линейные риски, оставленные зернами абразивного материала шлифовальной шкурки	Rm, Rz, Ra	Не более 500, 400, 12,5 63, 50, 16
Древесина шлифованная	Линейные риски, оставленные зернами абразивного материала шлифовальной шкурки	Rm	16…250
Клееные мебельные щиты шлифованные		Rm	16…63
Паркет и паркетные доски		Rm	Не более 32
*Таблица публикуется в авторской редакции.

 

Помимо контроля качества шероховатости поверхности вырабатываемых полуфабрикатов в виде пиломатериалов, фанеры, шпона и древесных плит есть необходимость контроля качества узлов и деталей производимых изделий из этих древесных материалов. Шероховатость поверхности древесных плит под облицовывание строганым, лущеным шпоном или пленками на основе бумаг должна быть не более 63 мкм по параметру шероховатости R_z. Аналогичной нормы следует придерживаться и при склеивании узлов из массивной древесины.

Шероховатость поверхности деталей и сборочных единиц из древесины и древесных материалов, подготовленных под прозрачную отделку различными лаками и под непрозрачную отделку красками и эмалями должна составлять соответственно не более 16 и 32 мкм по параметру шероховатости R_z. В случаях облицовывания, склеивания или отделки деталей, узлов или сборочных единиц изделия от значения параметра шероховатости обрабатываемой поверхности зависит трудоемкость и качество выполнения операции, расход клеевых и лакокрасочных материалов [14, 15].

На шероховатость поверхности лесоматериалов, деталей, узлов и сборочных единиц в результате механической обработки влияют различные факторы, связанные с состоянием станков и режущего инструмента, вида древесного материала, технологии резания и др. Кроме того, наблюдаемые неровности на поверхности зависят от анатомического строения древесины [16–18], поскольку в процессе определения высотных параметров шероховатости на контролируемых участках древесины и древесных материалов всегда будут наблюдаться как неровности, полученные в результате механической обработки, так и неровности анатомического характера. На радиальных и тангенциальных поверхностях перерезанные полости клеток образуют канавки, углубления и направленные внутрь каналы. Пористость древесины достигает 70 % [15] и за счет этого на контролируемой поверхности оказывается часть перерезанных клеток со вскрытыми внутренними полостями. Отсюда при использовании оптических или профильно-контактных приборов либо устройств в зону измерения шероховатости наряду с неровностями, образованными в результате механической обработки, всегда будут попадать неровности анатомического вида. Возможность разделения их друг от друга при определении шероховатости — одна из задач технологического контроля.

Цель работы

Цель работы — определение высоты анатомических неровностей с помощью параметров шероховатости поверхности после механической обработки пиломатериалов, шпона, фанеры и древесных плит, а также деталей, узлов и сборочных единиц изделий, полученных на их основе.

Материалы и методы

Для исследования были выбраны 39 образцов массивной древесины, включая 12 образцов из кольцесосудистых пород (дуба, ясеня, вяза, фисташки, акации), 15 образцов из рассеянно-сосудистых пород (ольхи, бука, ореха, березы, граба, груши, осины, липы, клена), 7 образцов из иноземных пород (махагони, абачи, ироко, венге, керуинга, сапели, амаранта); 5 образцов из хвойных пород (ели, сосны, тиса, лиственницы, пихты). Поверхности образцов перед испытанием предварительно шлифовались последовательно шлифовальными шкурками с номерами зернистости № 16 и № 8. В результате такой подготовки исключалась возможность измерения более грубых неровностей, не характерных для окончательного варианта подготовки реальных поверхностей деталей и узлов изделий на деревообрабатывающих предприятиях.

Кроме того, для исследования были подготовлены 25 образцов лущеного и строганого шпона древесины следующих пород: ясеня, ореха, бальза, махагони, анегри, бука, вишни, дуба, лайсвуда. Образцы шпона специально наклеивали на поверхность древесно-волокнистой плиты средней плотности толщиной 18 мм. Известно, что шпоны лущеный и строганый обладают малой жесткостью, поскольку при малой толщине шпона (в пределах 0,6…1,15 мм) возникает покоробленность образцов, исключающая проведение измерений шероховатости на криволинейной поверхности. Поверхности образцов наклеенного шпона различных пород не подвергались шлифованию.

Размеры поверхности образцов из массивной древесины и шпона различные, но по ширине и длине не менее 40 и 100 мм соответственно.

Разнообразие пород образцов позволяло отразить особенности анатомии обработанной поверхности древесины. Древесные породы имеют различные анатомические неровности [19–24]: у паренхимных клеток в пределах от 5 до 50 мкм, у либриформа — от 1 до 8 мкм, трахеид поздней зоны годичного слоя — от 1,3 до 40 мкм, трахеид ранней зоны годичного слоя — от 3 до 60 мкм; диаметр в свету полостей сосудов — от 30 до 90 мкм, в ранней древесине кольцесосудистых пород — от 300 до 500 мкм [25–30].

Для определения шероховатости и неровностей анатомического характера, по результатам ранее проведенных исследований [31–35], предлагается использовать следующие параметры по ГОСТ 7016–2013: R_m, R_p, R_k, R_v. Составлена профилограмма неровностей условной поверхности (рис. 1, а), по которой можно определить геометрический смысл выбранных параметров шероховатости. На профилограмме неровности, выступающие заостренными концами по вертикали вверх, считаются выступами, а по вертикали вниз — впадинами. Неровности в виде выступов и впадин позволяют построить относительную опорную кривую профиля (рис. 1, б). Относительная опорная кривая строится в декартовой системе координат, где по оси абсцисс откладываются значения относительной опорной длины профиля, а по оси ординат — уровни сечения профиля в процентах относительно общей высоты, включающей в себя расстояние от высшей точки наибольшего выступа до низшей точки наибольшей впадины. На графике в качестве относительной опорной кривой проводится касательная линия, по точкам пересечения которой с вертикалями определяется положение горизонтальных линий единичных выступов и впадин на профилограмме. Расстояние между высшей точкой наибольшего выступа и низшей точкой наибольшей впадины соответствует значению параметра шероховатости R_m. Разделение высоты профиля неровностей поверхности на составляющие лежит в основе параметров шероховатости R_p, R_k, R_v. Их алгебраическая сумма, как следует из рис. 1, а, равна по значению параметру R_m.

 

Рис. 1. Схема определения параметров шероховатости R_p, R_k, R_v: а — профилограмма; б — относительная опорная кривая

Fig. 1. Scheme for determining the roughness parameters R_p, R_k, R_v: a — profilogram; б — relative reference curve

 

Высота неровностей R_p — это расстояние от высшей точки наибольшего выступа профиля до линии единичных выступов. Значение параметра шероховатости характеризует величину превышения по высоте отдельных выступов над основной массой неровностей, созданных в процессе обработки (см. рис. 1, а).

Вертикальное расстояние в микрометрах между линией единичных выступов и линией единичных впадин есть величина параметра R_k, его значение характеризует высоту неровностей, доминирующих в профиле поверхности (см. рис. 1, а).

Высота неровностей R_v — это расстояние от линии единичных впадин до низшей точки наибольшей впадины профиля. Значение параметра шероховатости характеризует величину заглубления отдельных впадин ниже основной массы неровностей, созданных в процессе обработки или являющихся анатомическими неровностями (см. рис. 1, а).

Перечисленные параметры шероховатости легли в основу применения в целях оценки высоты неровностей механической обработки и анатомических неровностей.

В настоящем исследовании использовался профилометр модели 130, связанный программным продуктом с компьютером. На его мониторе отражается информационное поле с областью управляющих команд, необходимых при настройке прибора и его работе в ходе получения показателей, относящихся к шероховатости исследуемой поверхности. Кроме того, на мониторе выдается примерный профиль исследуемой поверхности в виде профилограммы с графиком относительной опорной кривой.

Измерения выполнялись на произвольно выбранных участках поверхности образцов в местах наибольших неровностей. Таких участков на поверхности каждого образца должно быть не менее пяти.

Практика экспериментов [10, 11] показала, что измерения следует проводить в направлении поперек волокон древесины, т. е. по так называемому поперечному профилю поверхности образца древесины, по которому есть возможность фиксировать величину наибольших неровностей.

Результаты исследований [33, 34] показали, что между изучаемыми параметрами шероховатости наблюдаются прямо пропорциональные зависимости, описываемые линейными уравнениями взаимосвязи. Для этого необходимо вычислить соответствующие коэффициенты линейного корреляционного уравнения, позволяющие по данному значению одной статистической величины находить наиболее вероятное значение другой статистической величины [36–38].

Линейное корреляционное уравнение выражается формулой

$Y={М}_{\gamma }+r\frac{{\sigma }_{\gamma }}{{\sigma }_{\chi }}\left(X-M_{\chi }\right),$ (1)

где Y — значение какого-либо изучаемого свойства или фактора, принятого за зависимую величину (параметры шероховатости R_p, R_k, R_v);

M_γ и M_χ — среднее арифметическое изучаемых свойств или факторов (параметров шероховатости);

r — коэффициент корреляции;

σ_γ и σ_χ — средние квадратические отклонения изучаемых свойств или факторов (параметров шероховатости);

Х — значение какого-либо изучаемого свойства или фактора, принятого за независимую величину (параметр шероховатости R_m).

Для составления корреляционного уравнения результаты экспериментов обрабатывались соответствующим образом. Прежде всего требуется определить коэффициент корреляции [36], так как он отражает прямолинейную взаимосвязь между изучаемыми свойствами или факторами. Сначала оценивается его значимость, а затем определяется вариант уравнения взаимозависимости.

Результаты и обсуждение

На отобранных образцах была исследована взаимозависимость параметров шероховатости при определении их значений на поверхностях различных пород древесины. Были получены корреляционные линейные уравнения для 27 образцов массивной древесины лиственных пород. На их основе составлены графики (рис. 2).

 

Рис. 2. Зависимости параметров шероховатости R_p, R_k, R_v от R_т образцов массивной древесины лиственных пород

Fig. 2. Roughness parameters R_p, R_k, R_v as a function of R_т for solid hardwood samples

 

Коэффициенты корреляции для приведенных зависимостей соответственно составили следующие значения: 0,63 для R_p = ƒ(R_m); 0,79 для R_k = ƒ(R_m); 0,93 для R_v = ƒ(R_m). Полученные коэффициенты корреляции значимы, что позволяет утверждать об адекватности приведенных зависимостей. Характер полученных уравнений имеет одинаковый вид. С увеличением значения параметра R_m как функции увеличивается значение каждого параметра, как соответствующего аргумента.

По значениям коэффициентов линейных уравнений R_p = ƒ(R_m), R_k = ƒ(R_m) и R_v = ƒ(R_m) видно, что при алгебраическом сложении правой и левой частей трех приведенных на рис. 2 уравнений между собой после преобразования получим уравнение вида

R_v + R_k + R_p = 0,68R_m – 9,56 +

+ 0,12 R_m + 4,96 + 0,22 R_m + 4,36 (2)

или

R_v + R_k + R_p ~ 1R_m. (3)

Полученное уравнение (3) не противоречит сути определения изучаемых параметров шероховатости и их взаимодействия.

Разобранная методика обработки данных будет использована в ходе дальнейших работ и при получении результатов исследования.

Приведенные корреляционные линейные уравнения охватывают образцы массивной древесины лиственных кольцесосудистых и рассеянно-сосудистых пород; последние были рассмотрены по отдельности. Для 12 образцов массивной древесины лиственных кольцесосудистых пород и для 15 образцов рассеянно-сосудистых пород были определены корреляционные линейные уравнения (табл. 2).

 

Таблица 2

Корреляционные линейные уравнения для различных образцов древесины и древесных материалов и значения коэффициентов при функции R_m

Linear correlation equations for various wood and wood-based samples and coefficients values for the R_m function

Породный фактор древесины	Корреляционное линейное уравнение	Коэффициент линейного уравнения при функции Rm	Угол наклона графика линейного уравнения к горизонтальной оси координат, град.
Образцы массивной древесины
Лиственные породы (см. рис. 2)	Rp = 0,22Rm + 4,36 Rk = 0,12Rm + 4,96 Rv = 0,68Rm – 9,56	0,22 0,12 0,68	12 7 34
Лиственные кольцесосудистые породы	Rp = 0,21Rm + 10,25 Rk = 0,13Rm + 14,92 Rv = 0,72Rm – 24,89	0,21 0,13 0,72	11 7 35
Лиственные рассеянно-сосудистые породы	Rp = 0,11Rm + 10,11 Rk = 0,09Rm + 10,94 Rv = 0,85Rm – 20,34	0,11 0,09 0,85	6 5 40
Лиственные породы по ГОСТ 7016–2013, (см. рис. 4)	Rp = 0,085Rm + 3,99 Rk = 0,14Rm + 4,69 Rv = 0,76Rm – 8,68	0,085 0,14 0,76	4 7 37
Лиственные рассеянно-сосудистые породы, по ГОСТ 7016–2013	Rp = 0,091Rm + 3,42 Rk = 0,16Rm + 3,39 Rv = 0,74Rm – 6,82	0,091 0,16 0,74	5 9 36
Образцы шпона
Лиственные породы (см. рис. 3)	Rp = 0,25Rm + 7,67 Rk = 0,23Rm – 2,94 Rv = 0,5Rm – 4,56	0,25 0,23 0,5	14 13 26
Лиственные рассеянно-сосудистые породы	Rp = 0,22Rm –3,69 Rk = 0,22Rm + 10,25 Rv = 0,54Rm – 6,23	0,22 0,22 0,54	12 12 28

 

По полученным корреляционным линейным уравнениям для образцов шпона лиственных пород составлены графики (рис. 3).

 

Рис. 3. Зависимости параметров шероховатости R_p, R_k, R_v от R_m образцов шпона лиственных пород древесины

Fig. 3. Roughness parameters R_p, R_k, R_v as a function of R_m for hardwood veneer samples

 

Приведенные на рис. 3 графики по полученным корреляционным линейным уравнениям охватывают значения по 25 образцам шпона лиственных пород древесины. Для 18 образцов шпона лиственных рассеянно-сосудистых пород древесины отдельно проведена обработка результатов, вид линейных уравнений приведен в табл. 2.

Зависимости параметров шероховатости для образцов, приведенные в настоящей статье, сравнивались с аналогичными, которые были получены на основе обработки данных, представленных в таблицах ГОСТ 7016–2013 (Приложение Д). Составлены графики, полученные на основе корреляционных линейных уравнений для 27 образцов массивной древесины лиственных пород (рис. 4).

 

Рис. 4. Зависимости параметров шероховатости R_p, R_k и R_v от R_m образцов массивной древесины лиственных пород, по данным ГОСТ 7016–2013

Fig. 4. Roughness parameters R_p, R_k and R_v as a function of R_m for solid hardwood samples, in compliance with GOST 7016–2013

 

Обработка результатов полученных уравнений проводилась по той же методике. При сложении правой и левой частей уравнений установлено единство алгебраической сущности определения изучаемых параметров шероховатости и их взаимодействия.

Отдельно для 13 образцов массивной древесины лиственных рассеянно-сосудистых пород, по данным ГОСТ 7016–2013 (Приложение Д), были получены корреляционные линейные уравнения (см. табл. 2).

Корреляционные линейные уравнения по параметру R_v, приведенные в табл. 2, показывают, что значения коэффициентов при функции R_m все без исключения имеют высокий показатель. Он составляет более 50 %. Два других по параметрам R_k и R_p дополняют его, что в сумме составляет 100 %.

Значения углов наклона графиков линейных уравнений показывают, что угол наклона графиков по параметру R_v всегда больше, чем по параметрам R_p и R_k. Это показано на графиках (см. рис. 2–4). Видно, что при увеличении шероховатости, а вместе с этим с увеличением параметра R_m, значения по параметру R_v будут превосходить значения по двум другим параметрам шероховатости.

При рассмотрении значений параметров шероховатости R_p, R_k и R_v можно видеть, что параметр R_p определяет высоту неровностей, измеряемых от линии единичных выступов. Параметр R_k измеряет высоту неровностей между линией единичных выступов и линией единичных впадин. Параметр R_v измеряет высоту неровностей от линии единичных впадин внутри исследуемого материала. Отсюда следует, что два первых параметра шероховатости R_p и R_k фактически измеряют высоту неровностей механического происхождения. Такие неровности при их возникновении имеют выступающие риски обработки. Причем параметр R_p характеризует единичные выступающие неровности, образующиеся не по всей поверхности обработки, а как редкие неровности случайного вида. Фактически параметр R_k характеризует значительную долю неровностей механической обработки. Размер неровностей по этому параметру оценки шероховатости будет фактически влиять на качество обработки поверхности древесины. Параметр R_v фактически измеряет впадины неровностей, находящиеся ниже линии единичных впадин. Такие неровности могут возникать при различных разрезах древесины и древесного материала и характеризоваться как неровности анатомического происхождения.

Подтверждением высказанного предположения является иллюстрация возникающих на поверхности обработанной древесины неровностей (рис. 5), где изображена поверхность шлифованной древесины с анатомическими неровностями [39]. Неровности, характеризующие механическую обработку, представляют собой выступы треугольной формы различного по высоте размера. Неровности анатомического характера представляют собой впадины округлой формы. Фактически поперечный разрез представленной поверхности древесины напоминает ранее представленный рисунок профилограммы (см. рис. 1, а). Сопоставление их по геометрическим признакам позволяет утверждать о том, что различные по характеру происхождения неровности можно оценить по предлагаемым параметрам шероховатости. Так, для неровностей механической обработки рекомендуется параметр, представляющий по значению сумму параметров R_p и R_k. Анатомические неровности древесины и древесных материалов можно оценивать по высоте с помощью параметра шероховатости R_v.

 

Рис. 5. Схема обработанной поверхности древесины: 1, 2 — риски обработки соответственно с высотами H и h; 3 — анатомические неровности; L, b — соответственно длина и ширина контролируемого участка; c — максимальная ширина рисок обработки в поперечном сечении; d_i и r_i — диаметр и радиус i-й анатомической неровности; l_j — длина j-го участка поверхности, не включающего в себя анатомические неровности

Fig. 5. Scheme of a treated wood surface: 1, 2 — Treatment marks with heights H and h, respectively; 3 — Anatomical irregularities; L and b are the length and width of the inspected area, respectively; c is the maximum width of the machining marks in the cross-section; d_i and r_i are the diameter and radius of the i-th anatomical irregularity; l_j is the length of the j-th surface area, excluding the anatomical irregularities

 

В табл. 3 представлены количественные значения параметров шероховатости, определенные на поверхностях образцов массивной древесины и шпона различных пород. Параметры шероховатости R_p и R_k характеризуют неровности механической обработки поверхности образцов, в табл. 3 приведены суммарные значения этих параметров.

 

Таблица 3

Параметры шероховатости (R_p + R_k) и R_v для образцов массивной древесины и шпона различных пород

Roughness parameters (R_p + R_k) and R_v for solid wood and veneer samples of various species

Образцы массивной древесины и шпона различных пород	Пределы значений параметров шероховатости неровностей
	Механическая обработка (Rp + Rk), мкм	Анатомическое происхождение Rv, мкм
Массивная древесина лиственных пород
Дуб	50…118	32…193
Ольха	35…43	43…98
Махагони	13…50	91…97
Орех	38…50	78…118
Ясень	53…98	70…132
Бук	12…40	11…23
Шпон лиственных пород
Ясень	45…127	31…102
Орех	27…117	36…134
Дуб	19…52	18…42
Бук	23…46	17…33
Вишня	Не более 46	Не более 21
Бальза	Не более 18	Не более 10
Лайсвуд	Не более 47	Не более 32
Анегри	14…36	6…16
Махагони	Не более 24	Не более 10

 

На поверхностях образцов массивной древесины и шпона различных пород высотные характеристики неровностей отличаются по величине измеренных параметров шероховатости (см. табл. 3). Это объясняется различием поверхностей образцов по породному фактору. Каждая порода древесины обладает своей индивидуальной текстурой, которая оказывает влияние на структуру получаемой поверхности, шероховатость и высоту неровностей анатомического характера. Однако в то же время можно заметить, что взаимное различие по значениям предлагаемых параметров шероховатости позволяет выстроить некоторую систему, которая с одной стороны выделяет неровности механической обработки, а с другой — неровности анатомического характера. Приведенные данные в дальнейшем будут накапливаться для расширенного вида образцов различных пород древесины и уточняться по своим значениям, что позволит разработать нормативы для высот неровностей анатомического характера на основе параметров шероховатости.

Выводы

В результате проведенных исследований шероховатости поверхностей образцов из массивной древесины и образцов шпона были установлены параметры шероховатости, позволяющие определять высотные характеристики неровностей механической обработки и неровностей обусловленные анатомией древесины.

Предлагается для неровностей, полученных в результате механической обработки, использовать параметр, представляющий по значению сумму R_p и R_k. Анатомические неровности древесины и древесных материалов возможно оценивать по высоте параметром шероховатости R_v.

Установлено, что представленные значения диапазонов шероховатости и высот неровностей анатомического происхождения на поверхностях образцов массивной древесины и шпона различных пород отличаются по величине измеренных параметров шероховатости. Это объясняется тем, что каждая порода древесины обладает своей индивидуальной текстурой, которая оказывает влияние на структуру получаемой поверхности, на шероховатость и на высоту неровностей анатомического характера. Но в тоже время можно заметить, что взаимное различие предлагаемых параметров шероховатости позволяет выстроить систему определения высотных характеристик, которая с одной стороны выделяет неровности механической обработки, а с другой неровности анатомического характера.

About the authors

Boris M. Rybin

BMSTU (Mytishchi branch)

Author for correspondence.
Email: rybin@bmstu.ru

Dr. Sci. (Tech.), Professor 

Russian Federation, 1, 1st Institutskaya st., 141005, Mytishchi, Moscow reg.

References

Supplementary files