ВведениеШтампование древесины относят к второй разновидности процессов бесстружечного деления [1]. Режущий инструмент при этом обычнонеприводной, т.е. данный процесс можно отнести и к процессам прессования древесины [1, 2, 3]. Для древесины мягких пород, как лиственных, так и хвойных, до настоящего времени не выявлен порог образования остаточных деформаций при силовом деформировании, не определены доминирующие внешние факторы процесса штампования, а также их совместное влияние на течение процесса деформирования и тепловых процессов при резании [4-10]. По мнению большинства исследователей процесса штампования древесины [1-5], основными факторами, влияющими на качество штампованных изделий, являются следующие: направление резания относительно волокон древесины, порода древесины и влажность, линейные и угловые параметры штампов, температура, режим и скорость нагружения. Однако основным фактором следует считать величину внешней нагрузки [6-12]. По данным В.А. Шамаева и др., древесина мягких лиственных пород сохраняет остаточные деформации с 4 МПа [9]. Целью работы явилось точное определение величин деформаций в древесине мягких пород от внешней нагрузки и температуры, так как данные исследований по этому вопросу различаются на 30-50 % [10-13].Энергоемкость и качественные показатели штампования определяются в первую очередь видом резания относительно волокон [4-7]. Так, при торцовом сжатии минимальная энергоемкость, но худшее качество обработанных поверхностей [8-10]. В зависимости от породы и строения древесины существуют значительные различия физико-механических свойств для кольцесосудистых и рассеянно-сосудистых пород [11]. Такое различие существенно меняется с изменением влажности древесины при штамповании [11, 12]. Но особое влияние оказывает температура процесса штампования. Все исследователи считают целесообразной температуру ниже порога деструкции, т.е. ниже 200 °С [8-13]. Однако оптимальной температуры штампования древесины мягких пород не выявлено. Не установлено и влияние температуры штампования на величину внешней нагрузки. Материалы и методыПроведение разведывательных опытов по штампованию древесины мягких пород проводилось для выявления величины общей нагрузки при сжатии до появления остаточных деформаций, а также величин основных влияющих факторов: влажности и температуры [4-6]. Для графического изображения результатов измерений применялась прямоугольная система координат с двумя переменными. Число измерений во всех случаях было больше 50.Опыты по исследованию процесса штампования проводились на гидравлическом прессе ПГ-63. Влажность древесины контролировалась влагомером, а температура процесса штампования – бесконтактным тепловизором. По ГОСТ 15612-85 для контроля шероховатости штампованной поверхности использовался прибор ТСП-4М и индикаторный глубиномер ИН-10 с индикаторами часового типа ИЧ-10 с возможностью определения дефектов вырывов в присучковой зоне.Влияющие факторы многофакторного эксперимента выбирались методом экспертных оценок с участием 90 пользователей.Проверка значимости коэффициентов уравнений регрессии и адекватности проводилась с использованием критериев Стьюдента и Фишера, путем сравнения табличных значений с расчетными данными, полученными на ЭВМ. После отсеивания незначимых коэффициентов повторно проводилась проверка адекватности моделей, которая показала, что значения расчетного критерия Фишера больше табличных, т.е. обозначенные ниже математические модели адекватно описывают процесс штампования деревины мягких пород [14]. Затем решалась задача оптимизации. Вследствие небольшой размерности полученной задачи нелинейного программирования для ее решения был выбран метод сканирования. Для этого на ЭВМ рассчитывались уравнения регрессии в явном виде с разработкой алгоритмов и программы по расчету оптимальных параметров процесса штампования древесины мягких пород [15].По окончании эксперимента проводилась серия опытов по повышению качества верхней поверхности штампованных изделий. Проверка адекватности реологической модели проводилась экспериментально, на испытательной машине по расчётным температурным коэффициентам деформативности. Данные, полученные на образцах осины и тополя, усреднялись и обрабатывались на ЭВМ.Результаты и обсуждениеСпособность древесины деформироваться при торцевом сжатии и достаточная прочность изделий при таком нагружении создаёт возможность для её обработки давлением.Процесс штампования сопровождается малой энергоёмкостью, но вызывает необходимость более глубокого изучения деформативных свойств древесины.Режим и скорость нагруженияСумма мгновенных упругих деформаций, развивающихся на каждой ступени, равна полной мгновенной упругой деформации, которая была бы получена под действием максимальной нагрузки. Таким образом, величины мгновенной упругой деформации при ступенчатом режиме нагружения и при нагружении с непрерывно-возрастающей нагрузкой равны между собой. Общая эластичная деформация древесины при ступенчатом режиме больше деформации при непрерывно-возраста-ющей нагрузке на величину эластичных деформаций, которая составляет у древесины мягких пород до 25 % от общей деформации. Деформация ползучести увеличивается с увеличением длительности действия нагрузки. То есть для того, чтобы получить значительную деформацию, режим с постоянной длительно-действующей нагрузкой и ступенча­тый более предпочтительны по сравнению с режимом при непрерывно возрастающей нагрузке. При ступенчатом режиме мгновенная упругая деформация развивается на каждой ступени нагружения равномерно по всему циклу, препятствуя разрушению древесины на границе между нагруженным и ненагруженным участком при местном смятии. Уменьшение скорости нагружения ведет к уве­личению всех видов деформаций и, таким образом, общей деформации древесины. Длительность нагруженияВ теории прочности считается, что разрушение материалов происходит не вследствие достижения критического напряжения, а в виде процесса, развивающегося во времени, т. е. зависит в большей степени от длительности действия нагрузки. Установлено, что при длительном действии нагрузки предел прочности древесины и полимеров снижается, а необратимые деформации увеличиваются. Интенсивный рост деформаций при длительном действии нагрузки продолжается 20 суток. Анализируя кривые диаграммы деформаций и реформаций древесины [85], можно сделать вывод о том, что под действием длительной нагрузки при сжатии древесины прочность её снижается, а общая деформация увеличивается. При величине нагрузки выше предела длительного сопротивления с течением времени остаточная деформация также будет увеличиваться, а деформации в древесине – расти до полного разрушения образца. Потеря прочности древесины при длительном нагружении пропорциональна длительности действия нагрузки. Поэтому при штамповании древесины целесообразно устанавливать длительность нагрузки, достаточную для развития мгновенных остаточных, эластичных деформаций и деформаций ползучести. Время действия нагрузки при этом обычно 1-2 минуты.Введение пластификаторовПластификация материала изменяет его вязкость, гибкость молекул и подвижность молекулярных структур. Известны результаты исследований пластификации древесины аммиаком, мочевиной и др. [8-14]. Установлено, что введение пластификаторов в древесину увеличивает её пластичность и, таким образом, увеличивает деформативность. Пластификация может быть внутриструктурной и межструктурной, в зависимости от влияния на молекулы целлюлозы, поверхностной и глубинной. С использованием пластификаторов пластические свойства древесины проявляются при меньших усилиях деформирования.Температура и влажность сж Известно, что прочность древесины при нагревании уменьшается, а сила резания, в большей степени, снижается. Для практической реализации была составлена программа для различных температур и деформаций по вышеперечисленным породам древесины. Разведывательные опыты по совершенствованию технологических процессов штампования древесины мягких пород показали, что во всех случаях при прямом сжатии для достижения одной и той же величины общей деформации необходима общая нагрузка, более значительная по величине, чем при косом сжатии (рис. 1). Величина внешней нагрузки при косом сжатии существенно зависит от угла смятия: увеличение угла ведёт к увеличению необходимой внешней нагрузки. Последующие экспериментальные исследования процесса образования рельефов на торцовой поверхности древесины позволят установить количественную зависимость выходных параметров процесса от переменных влияющих факторов.Опыты по исследованию процесса штампования проводились на гидравлическом прессе ПГ-63. Число замеров выходных величин: напряжение сжатия сж, МПа и процент брака в изделиях составляло во всех опытах более 20, в опыте № 25 – 150. Усредненные результаты эксперимента представлены в табл. 1 для древесины тополя осины и ольхи. Влажность W, %Humidity W,%   Предел прочности на сжатие вдоль волокон s, МпаCompressive strength along the grain s, MPa Предел прочности на сжатие вдоль волокон s, МпаCompressive strength along the grain s, MPa Температура t, oCTemperature t, oC   Рисунок 1. Влияние влажности и температуры на прочность осиныFigure 1. Influence of humidity and temperature on the strength of aspenИсточник: собственная композиция авторовSource: author’s compositions В результате получены следующие уравнения:  (1)    (2)Далее проводим оценку значимости коэффициентов а1/а14 с использованием критерия Стьюдента для уровня значимости q = 0,05 и числа степеней свободы f = 10. Сравниваем табличное значение критерия Стьюдента Т = 2,228 с расчетными данными, полученными на ЭВМ, и оцениваем адекватность моделей по критерию Фишера: Fтабл. = 2,85. Расчетные значения критерия Фишера: F1 = 3.844,   F2 = 5.773.Полученные модели считаются адекватными, если Fрасч > Fтабл. Следовательно, данные математические модели (1 и 2) являются адекватными исследуемому процессу формообразования древесины мягких пород.Но при проверке коэффициентов регрессионных уравнений YI и Y2 заметно, что а6 и а7 при Х22 и Х32 не являются значимыми. Поэтому, используя метод исключений, оставляем следующие значимые коэффициенты: а1, а2, аз, а4, а5, а6, а7, а8, а9, а10, а11, а12, а13, а14. Перерасчет уравнений регрессии по­казывает их следующий вид:  (3) (4)Вторично оцениваем адекватность моделей:F1 = 5,382;      F2 = 23,264;      Fтабл = 2,179.Так как F1, F2 > Fтабл, то обе модели адекватны исследуемому процессу.В результате получено следующее решение задачи:Значение целевой функции: Y1 = 412,408; Y2 = 12,43515.Оптимальные значения: удельное давление – 6 МПа, температура – 156 °С, время выдержки – 10 с; 4) угол смятия – 45°.Вследствие того, что два значения оптимума на практике вполне трудно реализуемы (плотность и температура), дополнительные исследования по качественным характеристикам деформированных элементов показали реальную температуру и итоговую плотность в технологическом процессе штампования древесины. Дальнейшие исследования полученных уравнений регрессии на ЭВМ проводились при стабилизации факторов Хз и Х4 на нулевом уровне и переменных значениях X1, Х2 [1-4]. Установлено, что качественные характеристики процессов формообразования древесины мягких пород определяются двумя главными факторами: удельным давлением (конечной плотностью древесины) и временем выдержки под давлением. Влияние температуры и времени выдержки под давлением на качество декоративных элементов исследовалось дополнительно.Качественно процент брака изделий в последней колонке табл. 2 определялся визуально, в зависимости от количества измерений в опыте, от 20 до 150, но не менее 20. Эксперимент проводился на заготовках из ольхи и осины прямоугольного сечения 12×5,5 с влажностью образцов W = 3,0-5,0 и 7-8 %. Результаты проведенных исследований, определяющих влияние температуры и времени выдержки под давлением на качество поверхности, представлены на рис. 2. Анализ результатов эксперимента показывает, что при изменении температуры в пределах 125-250 °С и времени выдержки от 0 до 60 с избежать появления трещин вдоль волокон практически не удалось. Снижение количества трещин в элементах (μ) наблюдалось при температуре прессования 150-200 °С независимо от времени прессования. Наиболее качественные образцы получены при температуре прессования 150 °С и времени прессования 2,5-10 с. Аналогичные результаты были получены при прессовании заготовок из осины.   Таблица 1 Матрица планирования для четырёх факторов в явном виде и результаты реализации экспериментаTable 1Explicit planning matrix for four factors and results of experiment implementation№ п/п  No.p / pУдельное давление, σсж, Х1, МПа  Specific pressure, σco, X1, MPaТемпература процесса, Х2, °С Process temperature,  X2, °CВремя выдержки под давлением, Х3, сHolding time under pressure, X3, secУгол смятия, Х4, град  Crumple angle, X4, hailПлотность, Y1, ρ, кгс/см3 Density, Y1, ρ, kgf/cm3% брака, Y2    % of scrap, Y21234567150303004822821503030068416350909006251245030309069323515090900494156150303090525207509090905152581509090907222095030300701221015030300534211150909005022412503030905412613150909007441314155090907041815515090905251616201503045733251720100604544114182010060458061119100604559317201020060455802321101000455771522101001204558913231010060-4557027241010060135573212510100904559523Источник: собственные вычисления авторовSource: own calculations  Качество изделия (процент брака), %Product quality(percentage of rejects), % Температура штампования, t, oCStamping temperature, t, oC   Рисунок 2. Зависимость качества штампованныхизделий, изготовленных из древесины ольхи,от температуры и выдержки под давлением: 1 – продолжительность выдержки под давлением 0-2,5 с; 2 – продолжительность выдержки под давлением 2-5.0 с; 3 – продолжительность выдержки под давлением 10 с;4 – продолжительность выдержки под давлением 20 с;5 – продолжительность выдержки под давлением 30 с;6 – продолжительность выдержки под давлением 60 сFigure 2. Dependence of the quality of stamped products made of alder wood on temperature and holding underpressure: 1 – duration of holding under pressure 0-2.5 sec;2 – exposure time under pressure 2-5.0 sec; 3 – exposure time under pressure 10 sec; 4 – duration of holding under pressure 20 sec; 5 – duration of holding under pressure 30 sec;6 – holding time under pressure 60 secИсточник: собственная композиция авторовSource: author’s compositionsПод качеством изделий принимался процент брака, т.е. высокое качество изделий наблюдается при оптимальных температурах (рис. 2). Характер нижней плоскости готовых элементов зависит от исходной влажности заготовок. При влажности заготовок W = 3-4% нижняя поверхность элемента остаётся плоской. До 10 % образцов имело незначительную стрелу прогиба радиусом не более 2-3 мм (рис. 3). При влажности 7-8 % эта поверхность стремится принять цилиндрическую форму с радиусом до 20-30 мм. б)b) a)a) Рисунок 3. Характер нелицевой поверхности штампованного изделия: а) W = 3-4 %, б) W = 7-8 %Figure 3. The nature of the non-face surface of the stamped product: a) W = 3-4%, b) W = 7-8%Источник: собственная композиция авторовSource: author’s compositionsВ ходе выполнения опытов было высказано мнение, что причинами образования трещин на поверхности древесины становится неравномерность распределения степени уплотнения древесины по объёму образца и низкая пластичность наружных слоёв древесины. В целях выравнивания степени уплотнения древесины в детали были проведены эксперименты по определению влияния размеров сечения и формы заготовок на качество поверхности деталей.Эксперименты проводились с заготовками из ольхи при температуре 175 °С, времени прессования 10 с и влажности заготовки W = 7 %. результаты представлены в табл. 2. Из табл. 2 следует, что количество трещин и их размеры снижаются по мере увеличения толщины образца, что свидетельствует о более полном (равномерном) распределению напряжений по его сечению. Анализ степени уплотнения древесины образца показал, что по мере увеличения его толщины разность степени «упрессовки» в результате неравномерного прессования уменьшается.Так, если при толщине заготовки 5 мм степень уплотнения в верхней части профиля составила 0 %, а в нижней части 58 %, то при толщине заготовки 8 мм степень уплотнения соответственно составила 38 и 75 %.Исходя из вышесказанного, можно сделать вывод о том, что с повышением толщины заготовки улучшаются условия неравномерного штампования (рис. 4 и рис. 5) и, соответственно, улучшается качество поверхности, уменьшается количество трещин.Когда прорисовано менее 50 % рельефа, то рельеф считали слабо прорисованным. Достаточно прорисован – 80…90 %. Однако повышение толщины заготовки приводит к расползанию образца по его нижней плоскости, т.е. к появлению облоя. Из проведённого опыта можно сделать вывод, что оптимальной толщиной заготовки является S = 7-8 мм.  Таблица 2Влияние размеров сечения и формы заготовокна качество поверхности штампованных изделийTable 2 Influence of the cross-sectional dimensions and the shape of blanks on the surface quality of stamped productsТолщиназаготовки,ммThicknessblanks,mmСостояние лицевой поверхностиFront surface conditionКоличество и характер трещин, шт.Number and nature of cracks, pcsСостояние рельефа Terrain stateПримечание  Note123455,090Кр.Рельеф неполный, слабо прорисован 6,090Кр.Рельеф недостаточно прорисован 7,080Ср.Рельеф достаточно прорисован 8,060Ср.Рельеф прорисован полностью 8,560Ср.Рельеф прорисован полностьюУвеличение облоя9,049Ср.Рельеф прорисован полностьюУвеличение облоя10,047Мелк.Рельеф прорисован полностьюУвеличение облояИсточник: собственные вычисления авторовSource: own calculations Параллельные участки на рис. 4 означают неизменную степень уплотнения при штамповании на горизонтальных участках штампованного элемента. Поскольку при толщине заготовки S = 7-8 мм у готовых образцов наблюдается значительное количество трещин, появляющихся из-за разности уплотнения древесины образца по его сечению, появилась необходимость в изменении формы образцов, которая так же, как и толщина, оказывает влияние на степень уплотнения. Количество (μ) и виды трещин при прессовании заготовок из древесины ольхи влажностью W = 5% при температуре прессования 175 °С и времени прессования 10 с показаны в табл. 3. Ширина декоративного элемента, ммDecorative element width, mm Степень уплотнения, %Compaction degree, %   Рисунок 4. Распределение степени уплотнения образца декоративного элемента прямоугольного сеченияв зависимости от толщины: 1-5 мм; 2-6 мм; 3-7 мм;4-8 ммFigure 4. Distribution of the degree of compactionof a sample of a decorative element of rectangular section depending on the thickness:1-5 mm; 2-6 mm; 3-7 mm; 4-8 mmИсточник: собственная композиция авторовSource: author’s compositions  Толщина заготовки S, ммWorkpiece thickness S, mm Степень уплотнения, %Compaction degree, %   Рисунок 5. Зависимость разности степени уплотнения образца от толщины заготовкиFigure 5. Dependence of the difference in the degreeof compaction of the sample on the thickness of the workpieceИсточник: собственная композиция авторовSource: author’s compositions Для каждой толщины заготовки при штамповании необходима своя степень уплотнения, для того чтобы обеспечить требуемое качество наружной поверхности штампованного изделия.Данные табл. 3 показывают, что приближение формы заготовок к трапециевидной или цилиндрической (вариант 5 и 6) снижает количество трещин, образующихся в результате разрыва древесины вдоль волокон, при этом появляются трещины из-за разрыва древесины поперёк волокон (вариант 6-8) вблизи основания выпуклой части профиля. Оптимальным вариантом является сечение заготовок с трапециевидной формой. Проделанные эксперименты позволяют сделать вывод о том, что дальнейшее улучшение условий неравномерного штампования возможно при большей пластичности наружных слоёв древесины.Размер трещин от 0,1 до 1 мм по расположению вдоль и перпендикулярно волокнам древесины. Для её повышения заготовки были подвергнуты обработке следующими веществами: вода, едкий натр, жидкий аммиак, карбамид. Наилучшие результаты были получены при обработке заготовок водой. Последующие эксперименты показали, что увлажнение наружных слоёв древесины заготовок способствует улучшению качества штампованных изделий у всех пород древесины. Однако оптимальные значения выдержки увлажнённых заготовок перед прессованием у различных пород древесины различные. Если для ольхи оптимальное значение выдержки находится в пределе до 1 минуты, то для осины время выдержки необходимо увеличить до нескольких минут. Опыты по увеличению влажности лицевой поверхности заготовок путём многократного нанесения холодной и горячей (кипящей) воды на холодные и предварительно нагретые заготовки успехов не имели. Вышесказанное позволяет сделать вывод о том, что наилучшие результаты даёт штампование древесины с предварительной однократной обработкой холодной водой. Одновременно по данным наблюдений было отмечено, что в процессе штампования заготовок, имеющих разную по сечению влажность (нижняя поверхность W = 4 %, а верхняя W до 10 %), состояние нижней поверхности после прессования улучшается. Таблица 3Влияние формы заготовок на качество лицевой поверхности образцовTable 3The influence of the shape of the blanks on the quality of the front surface of the samples№п/п No.Форма сечения заготовок Sectional shape of blanksКоличество и характер трещин | Number and nature of cracks%размер трещин | crack sizeВид разрушения древесины Type of destruction of wood1 80-90Кр(┴)2 1мм70-75Кр(┴)3    1,5 мм50Кр(┴)4     2 мм40Ср(┴)5    3 мм5Мелк(┴)6 8-/30Мелк(┴)/(|-|)7 5-/30Мелк(┴)/(|-|)8 30Ср(|-|)Источник: собственные вычисления авторовSource: own calculations Температура t, oCTemperature t, oC Температура t, oCTemperature t, oC Качество декоративного элемента (процент брака), %The quality of the decorative element (percentage of scrap),% Качество декоративного элемента (процент брака), %The quality of the decorative element (percentage of scrap),%    Рисунок 6. Изменение состояния штампованных изделий в зависимости от температуры прессования и времени выдержки для осины (а) и ольхи (б) при однократном увлажнении холодной водой: 1-10 с; 2-25 с; 3-40 сFigure 6. Change in the state of stamped products depending on the pressing temperature and holding time for aspen (a) and alder (b) with a single moistening with cold water: 1-10 s; 2-25 s; 3-40 sИсточник: собственная композиция авторовSource: author’s compositions  Исчезает покоробленность нижней полости декоративного элемента за счёт снижения напряжений в результате повышения пластичности наружных слоёв лицевой стороны заготовки. Влияние температуры и времени выдержки под давлением на качество штампованных изделий, полученных из заготовок, предварительно увлажнённых холодной водой, исследовалось отдельно [10]. Влияние температуры и времени выдержки под давлением на качество штампованных изделий, полученных из заготовок, предварительно увлажненных холодной водой, показано на рис. 6.Процент брака можно ещё уменьшить с использованием, кроме отмеченных, других пластификаторов. Этот вопрос до конца не исследован. С использованием расчетных температурных коэффициентов деформативности [14] данные, полученные на образцах осины и тополя, усреднялись и обрабатывались на ЭВМ. По результатам опытов построена зависимость деформаций в мягколиственной древесине от действующих нагрузок и температуры (рис. 7). Процесс деформирования древесины исследовался при σ = const и σ = 0. Разница расчётных и экспериментальных значений температурных коэффициентов деформативности не превышает 5 %. Построенная зависимость реально отображает деформативное поведение древесины мягких пород при сжатии вдоль волокон. s, МПаs, MPa, mm t, oCБ, ммB, mmБ, ммB, mm  Рисунок 7. Зависимость деформаций в древесине мягких пород от нагрузки и температурыFigure 7. Dependence of deformations in softwood on load and temperatureИсточник: собственная композиция авторовSource: author’s compositions  Выводы (Заключение)Решение задачи оптимизации позволило выявить следующие параметры процессов по деформированию древесины мягких пород: плотность в пределах 400 кг/м3, температура процесса 156 градусов Цельсия. Из рассмотренных режимов нагружения древесины мягких пород при сжатии ее вдоль волокон оптимальным следует считать ступенчатый режим с подпрессовкой. Он дает возможность развить максимальные общие и остаточные деформации, равномерно распределяя мгновенные упругие деформации по всему циклу нагружения. Режим нагружения с непрерывно возрастающей нагрузкой является худшим, так как древесина в этом случае в большей степени проявляет упругие свойства и хрупкие, а пластичные – в меньшей. Режим с постоянной, длительно действующей нагрузкой менее предпочтителен, чем ступенчатый, так как в этом случае значительны упругие деформации в начале цикла нагружения. При высоких скоростях нагружения древесина мягких пород в большей степени проявляет свои упругие свойства, а при низких – пластические. При сжатии древесины целесообразно устанавливать длительность действия нагрузки до 1 минуты. В качестве поверхностных пластификаторов можно использовать воду, а также мочевиноформальдегидные и фенолоформальдегидные смолы, латексы и др., их применение может дать двойной эффект. В жидкой фазе они играют роль смазки и улучшают поверхностный слой древесины. При формовании с термоподогревом (штамповании) необходим нагрев древесины или оснастки до температуры 80-100 °С, когда наблюдается наибольшая деформативность древесины мягких пород. Выявлены доминирующие внешние факторы, увеличивающие деформативность древесины в требуемых пределах проведения технологических процессов разрезания и штампования. Точный расчёт необходимых усилий деформирования позволил получить срезки и деформированные элементы требуемого качества с меньшими энергоёмкостью и трудоёмкостью. Управляя выявленными законами контактного взаимодействия, с учётом действующих управляемых и неуправляемых факторов, удалось перейти к обоснованию параметров инструментов для разрезания и штампования, а также уточнить и дополнить разработанные в теоретических исследованиях режимы резания.