Mục tiêu nghiên cứu của luận văn nhằm xác lập được chế độ gia công hợp lý cho quá trình gia công gỗ tạo ván cốt pha trên các máy cưa đĩa cắt ngang đảm bảo yêu cầu về chất lượng sản phẩm và tối giảm chi phí năng lượng trong gia công. Làm luận cứ cho việc giải bài toán tối ưu hoá khâu sản xuất trong thi công các công trình xây dựng, hướng tới nâng cao hiệu quả lao động. Mời các bạn cùng tham khảo!
TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
Tình hình nghiên cứu ngoài nước
Gia công gỗ là quá trình chế biến vật liệu gỗ thành sản phẩm ván làm cốt pha phục vụ thi công các công trình xây dựng, chủ yếu thông qua thiết bị cưa xẻ Quá trình này được thực hiện bằng phương pháp gia công cơ học, và cùng với sự phát triển của nó, lý thuyết cắt gọt gỗ cũng đã liên tục tiến bộ.
Quá trình cưa xẻ gỗ là một phương pháp gia công gỗ bằng cơ giới, đóng vai trò quan trọng trong ngành chế biến gỗ Sự phát triển của gia công gỗ cơ giới đã dẫn đến sự ra đời và phát triển của lý thuyết cắt gọt gỗ Nhiều nhà khoa học Xô Viết, như giáo sư tiến sĩ I A Time, giáo sư P A Aphanaxiev, kỹ sư Denpher, và các giáo sư M A Đesevôi, C A Voskrexenski, A L Bersatski, đã có những đóng góp quan trọng trong việc xây dựng và phát triển lý thuyết này.
Lý thuyết cắt gọt gỗ nghiên cứu các lực tác động trong quá trình gia công gỗ bằng cơ giới, đồng thời xem xét công suất thiết bị và chất lượng sản phẩm Những yếu tố này đóng vai trò quan trọng trong việc lựa chọn hình dáng và kích thước công cụ cắt, cũng như trong thiết kế và sử dụng hiệu quả các thiết bị và công cụ gia công gỗ.
Năm 1870, tỷ suất lực cắt lần đầu tiên được giáo sư tiến sĩ I A Time xác định cho các trường hợp cắt đơn giản bằng phương pháp thực nghiệm [7]
Năm 1933, giáo sư tiến sĩ M A Đesevôi đã hoàn thiện lý thuyết cắt gọt gỗ, và vào năm 1939, ông xuất bản cuốn sách “Kỹ thuật gia công gỗ”, một công trình lớn cung cấp lý thuyết và kinh nghiệm thực tiễn trong gia công gỗ, đánh dấu sự tiên phong trong lĩnh vực nghiên cứu này trên thế giới.
Tỷ suất lực cắt khi cưa ngang gỗ thông khô ở độ ẩm tiêu chuẩn 15% đã được xác định qua thực nghiệm bởi kỹ sư A E Dolotarev Giá trị này phụ thuộc vào chiều rộng mạch cưa và lượng gỗ mà mỗi răng cưa ăn vào.
Nghiên cứu về quá trình cắt gỗ, kết hợp lý thuyết và thực nghiệm, đã được các nhà khoa học Mỹ, như C Fraz, thực hiện, mang lại những kết luận quan trọng về sự hình thành phôi và các yếu tố ảnh hưởng đến lực cắt.
Tỷ suất lực cắt khi cưa ngang và xẻ dọc gỗ được xác định bởi giáo sư tiến sĩ A L Bersatski thông qua công thức thực nghiệm Năm 1956, ông đã phát hiện ra mối quan hệ giữa bề rộng mạch cưa và lượng gỗ mà một răng cưa có thể cắt.
Vào thập kỷ 70 của thế kỷ XX, lý thuyết cắt gọt gỗ đã được hoàn thiện với các nghiên cứu mới từ các giáo sư A L Bersatski, C A Vơtcrexensiki và E G Ivanopski Những nghiên cứu này đã cung cấp cái nhìn sâu sắc hơn về lực phát sinh trong quá trình gia công gỗ bằng cơ học Đặc biệt, tỷ suất lực cắt khi cưa gỗ đã được xác định một cách chính xác thông qua công thức lý thuyết.
GS TS B.M.Buglai đã tiến hành nghiên cứu về độ nhẵn của các dạng gia công gỗ, xác định rằng độ nhẵn cao nhất có thể đạt được là 16 µm và thấp nhất là 1600 µm, tùy thuộc vào khả năng của máy móc, dao cắt và yêu cầu công nghệ Ông đã phân chia độ nhẵn bề mặt gia công thành 10 cấp độ khác nhau.
Nguyên lý cấu tạo và tính năng công nghệ của máy chế biến gỗ, đặc biệt là máy cưa đĩa, đã được nghiên cứu sâu rộng bởi các nhà khoa học nổi tiếng như F.M Manros, A.E Grube và H.B Makovski.
Để nâng cao hiệu suất làm việc của lưỡi cưa đĩa, nhiều nghiên cứu về động học và động lực học trong gia công đã được thực hiện, nổi bật là các công trình của U.M Stakhiev và A.A Sanhikov Các nhà khoa học như Makovski N.V và Aliabiev V.I đã chỉ ra rằng chi phí năng lượng riêng là một chỉ tiêu quan trọng để đánh giá chất lượng của máy móc và thiết bị chế biến gỗ Chi phí năng lượng riêng không chỉ phản ánh sự hoàn thiện kỹ thuật mà còn cho thấy mức độ năng lượng cần thiết trong việc sử dụng và khai thác sản phẩm.
Công nghệ và thiết bị sản xuất gỗ xẻ đã được các quốc gia phát triển như Nga, Thụy Điển và Phần Lan nghiên cứu kỹ lưỡng, với các dây chuyền sản xuất hiện đại Nhiều dây chuyền trong số đó đã được tự động hóa đồng bộ, mang lại hiệu quả cao trong sản xuất đồ gỗ và xây dựng.
Mô hình hoá và tối ưu hoá quá trình công nghệ gia công gỗ là chủ đề quan trọng, được nghiên cứu sâu bởi các nhà khoa học như giáo sư A A Pizurin và M S Rozenblit, với nhiều công trình nổi bật về tối ưu hoá sản xuất.
Nghiên cứu của A E Grube và V N Sanev đã phát triển các công thức thực nghiệm cho thiết kế máy gia công gỗ, hiện đang được áp dụng rộng rãi.
Hình 1.1 Dây chuyền tự động xẻ gỗ(Thuỵ Điển):
1- thiết bị bóc vỏ; 2- máy dò kim loại; 3- thiết bị phân loại gỗ tròn; 4- thiết bị xác định kích thước gỗ; 5- trung tâm tính toán bản đồ xẻ; 6- trung tâm lập trình điều khiển các máy gia công; 7- băng chuyền; 8- thiết bị định chuẩn; 9- thiết bị hiệu chỉnh; 10- các máy gia công xẻ; 11- kho sản phẩm
Tình hình nghiên cứu ở trong nước
Nghiên cứu về sự tương tác giữa công cụ cắt và đối tượng gia công đã được thực hiện bởi PGD.TS Hoàng Nguyên và TS Nguyễn Văn Minh, với các công trình nổi bật như “Gia công cắt gọt gỗ Việt Nam” và “Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố đến lực và độ tù của răng khi xẻ gỗ Việt Nam bằng cưa sọc” Các tác giả đã xác định tỷ suất lực cắt cho nhiều loại gỗ Việt Nam, bao gồm Sến, Lim, và Sau sau, trong các phương pháp cắt ngang và xẻ dọc.
Công nghệ và kỹ thuật xẻ gỗ đóng vai trò quan trọng trong sản xuất đồ gỗ, được trình bày chi tiết bởi Trần Ngọc Thiệp và Nguyễn Phan Thiết trong giáo trình “Công nghệ xẻ” [16].
Vật liệu gỗ trong xây dựng và thiết kế kết cấu gỗ đã được nghiên cứu bởi Phạm Bá Lộc và Huỳnh Minh Sơn trong giáo trình “Kết cấu gỗ” [12]; tuy nhiên, vấn đề gia công các chi tiết trên máy móc vẫn chưa được đề cập.
Vật liệu gỗ, đặc biệt là ván cốt pha, được sử dụng rộng rãi tại Việt Nam mỗi năm, nhưng sản xuất vẫn còn manh mún Quy trình xẻ gỗ chủ yếu diễn ra qua các công đoạn sử dụng máy đa năng, với sự hỗ trợ thủ công hoặc bán cơ giới Đề tài nghiên cứu "Ảnh hưởng của một số yếu tố đến chi phí năng lượng riêng và tỷ suất dăm khi băm gỗ Keo tai tượng bằng máy BX – 444" sẽ góp phần nâng cao hiệu quả sản xuất trong ngành gỗ.
Nghiên cứu của thạc sĩ Phạm Văn Lý (2001) chỉ ra rằng góc mài và tốc độ cắt ảnh hưởng đến chi phí năng lượng và tỷ suất dăm theo quy luật hàm bậc 2 Thạc sĩ Nguyễn Mạnh Hoạt (2004) cũng xác nhận rằng góc mài dao tác động đến chi phí công suất theo quy luật tương tự Tiến sĩ Dương Văn Tài (2005) nghiên cứu ảnh hưởng của góc mài cạnh cắt đến tỷ suất lực cắt và tìm thấy mối quan hệ theo quy luật hàm bậc 2 Cuối cùng, thạc sĩ Phạm Văn Quảng khẳng định rằng tốc độ cắt có ảnh hưởng lớn nhất đến tỷ suất lực và chất lượng sản phẩm khi xẻ gỗ Keo tai tượng trên máy cưa đĩa Ц-6.
Gỗ Keo rừng trồng tại Việt Nam đã được nghiên cứu và phân tích sâu sắc trong nhiều công trình của các tác giả nổi bật như Bùi Đình Toàn (2002), Phó Đức Sơn (2004) và Đặng Trần Minh (2006), qua đó làm rõ các tính chất của loại gỗ này.
Về phân nhóm gỗ, qui định sử dụng gỗ đã có những nghiên cứu theo tiêu chuẩn Nhà nước: TCVN 1072-71 và 1077-71 (về phân nhóm gỗ, qui cách,
Gỗ tròn Xẻ phá Xẻ ván ghép Phân loại Cắt khúc
Sơ đồ quy trình xẻ ván ghép cốt pha bao gồm các bước cắt ngắn ván ghép và đảm bảo chất lượng gỗ theo tiêu chuẩn TCXD 44-70, quy định thiết kế kết cấu gỗ Nội dung chính tập trung vào các qui cách gỗ xây dựng cần thiết.
Trong các chuyên đề nghiên cứu khoa học của TS Hoàng Việt, đã đề cập đến những vấn đề liên quan đến việc miêu tả toán học các quá trình gia công gỗ, cùng với phân tích đặc tính lực trong quá trình xẻ gỗ bằng cưa vòng.
Trong lĩnh vực gia công chế biến gỗ, máy cưa đĩa được sử dụng phổ biến trong quá trình pha phôi ván nhân tạo, như đã được TS Hoàng Việt trình bày trong tài liệu “Máy và thiết bị chế biến gỗ”.
T.S Hoàng Việt đã nghiên cứu và trình bày về việc miêu tả toán học các quá trình gia công gỗ bằng cơ giới trong các chuyên đề nghiên cứu và bài giảng dành cho học viên cao học.
Thiết bị công nghệ và quy trình gia công gỗ, đặc biệt là cưa đĩa, đã được nghiên cứu khá hoàn chỉnh, tạo nền tảng cho các ứng dụng và phát triển Tuy nhiên, một số loại gỗ rừng trồng tại Việt Nam, như ván cốt pha từ gỗ Keo lá tràm, vẫn chưa được nghiên cứu sâu Để thiết kế và cải tiến công cụ cắt gọt gỗ, cũng như nâng cao chất lượng sản phẩm, cần có nghiên cứu cơ bản và hệ thống hơn Điều này càng trở nên cấp thiết trong bối cảnh nhu cầu vật liệu gỗ cho các công trình xây dựng cơ sở hạ tầng đang gia tăng mạnh mẽ.
Khâu cắt ngắn ván ghép trong quy trình sản xuất là một công đoạn quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến năng suất, chất lượng sản phẩm và hiệu quả sản xuất Hiện nay, sản xuất vật liệu ván ghép cốt pha đã được cải tiến với nhiều dây chuyền đồng bộ, cơ giới hóa và chuyên môn hóa cao Ván gỗ nguyên liệu có thể được cung cấp từ nhiều cơ sở khác nhau, do đó, việc nghiên cứu các thông số kỹ thuật của máy và chế độ gia công hợp lý là cần thiết để đảm bảo chất lượng ván ghép và tối ưu hóa chi phí năng lượng trong sản xuất.
Máy cưa đĩa P2800-TM, nhập khẩu từ Đài Loan, được sử dụng phổ biến tại xưởng thực hành Trường Cao đẳng nghề cơ điện - xây dựng Tam Điệp nhờ vào cấu tạo đơn giản và dễ sử dụng Tuy nhiên, qua khảo sát và thực tế sử dụng, chúng tôi nhận thấy chất lượng các chi tiết gia công không ổn định và tiêu hao điện năng lớn, dẫn đến chi phí sản xuất cao.
Cần thiết phải tiến hành nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến chi phí năng lượng và chất lượng sản phẩm trong gia công vật liệu gỗ rừng trồng Điều này nhằm hoàn thiện cơ sở lý thuyết về gia công gỗ tại Việt Nam, tạo lập cơ sở tính toán thiết kế, cải tiến thiết bị và lựa chọn chế độ gia công tối ưu Những nỗ lực này sẽ góp phần nâng cao hiệu quả kinh tế, thích ứng với các điều kiện sản xuất cụ thể.
Từ những phân tích trên một lần nữa cho thấy vấn đề mà luận văn cần giải quyết là thời sự và cấp thiết.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của vấn đề nghiên cứu
Thiết bị cưa đĩa P – 2800 TM được thiết kế với các tính năng công nghệ tiên tiến, phục vụ cho việc gia công gỗ rừng trồng Việc xác định những tính năng này là cơ sở quan trọng để áp dụng thiết bị mới trong quy trình sản xuất và gia công gỗ, cũng như các vật liệu từ gỗ tại các công trường xây dựng.
Việc xác định định lượng ảnh hưởng của các yếu tố chế độ gia công đến chi phí điện năng và chất lượng sản phẩm khi cắt ngang ván gỗ trên máy cưa đĩa là rất quan trọng Điều này không chỉ giúp tính toán thiết kế mà còn hỗ trợ trong việc cải tiến, lựa chọn và sử dụng máy một cách hợp lý.
Định hướng cho các cơ sở sản xuất trong việc gia công ván cốt pha từ gỗ Keo lá tràm và các loại gỗ tương tự cần tập trung vào việc sử dụng máy cưa đĩa để nâng cao hiệu quả kinh tế Điều này không chỉ giúp tối giảm chi phí năng lượng mà còn đảm bảo chất lượng sản phẩm đạt yêu cầu.
Máy cưa đĩa P – 2800 TM cho phép thiết lập các thông số chế độ gia công cắt ván gỗ ghép cốt pha một cách chính xác, giúp nâng cao hiệu quả gia công và giảm thiểu chi phí điện năng.
MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI
Mục tiêu nghiên cứu
- Mục tiêu tổng quát của đề tài luận văn là:
Xác lập chế độ gia công hợp lý cho quá trình sản xuất ván cốt pha trên máy cưa đĩa cắt ngang nhằm đảm bảo chất lượng sản phẩm và giảm thiểu chi phí năng lượng Điều này tạo cơ sở cho việc tối ưu hóa quy trình sản xuất trong thi công công trình xây dựng, từ đó nâng cao hiệu quả lao động.
Nghiên cứu mối quan hệ giữa các thông số chế độ gia công như vận tốc cắt, vận tốc đẩy phôi và độ mở me cưa đến chất lượng mạch xẻ gỗ Keo lá tràm trên máy cưa đĩa cắt ngang Model P2800-TM.
+ Xây dựng được mối quan hệ giữa thông số chế độ gia công đến chi phí công suất khi cắt ngang gỗ Keo lá tràm
Để sản xuất ván cốt pha chất lượng từ gỗ Keo lá tràm, cần xác định chế độ gia công hợp lý nhằm đáp ứng yêu cầu đơn đặt hàng và tối ưu hóa chi phí năng lượng.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
2.2.1 Gỗ Keo lá tràm - đối tượng gia công
Gỗ để xẻ ván cốt pha là ván xẻ gỗ Keo lá tràm (sản phẩm sau khâu xẻ gỗ tròn ), gỗ có độ tuổi 8-12 năm
Gỗ Keo lá tràm, thuộc chi Keo (Acacia Miller) và họ Trinh nữ (Mimosoceae R.Br.), phân bố rộng rãi ở vùng nhiệt đới và á nhiệt đới với hơn 1300 loài, chủ yếu ở bán cầu Nam, đặc biệt là Australia và Thái Bình Dương Tại Việt Nam, Keo lá tràm là một trong những cây tiên phong trong chương trình trồng mới 5 triệu hecta rừng, đồng thời được sử dụng làm băng cản lửa, chắn gió, che bóng, bảo vệ đất và trang trí cảnh quan.
Gỗ Keo được sử dụng rộng rãi trong sản xuất đồ mộc và xây dựng các công trình bán kiên cố, như khung cửa, phào, ván sàn, và cọc Gỗ Keo lá tràm đặc biệt thích hợp cho ván ghép cốt pha nhờ vào độ cứng và khả năng đàn hồi tốt, phù hợp với môi trường ẩm Ngoài ra, bột gỗ Keo còn được dùng để sản xuất ván tàu thuyền, túi đựng, giấy gói và bao tải nhiều lớp Gỗ Keo cũng là nguồn nguyên liệu tốt cho củi và than do có nhiệt lượng cao, trong khi mùn cưa của nó được ứng dụng hiệu quả trong sản xuất nấm.
Gỗ Keo tai tượng được nghiên cứu với sự chú trọng đặc biệt đến các tính chất cơ - lý của nó, với nhiều nhà khoa học đã thực hiện các nghiên cứu tại nhiều vùng sinh thái khác nhau Bảng 2.1 dưới đây trình bày một số tính chất vật lý và cơ học chủ yếu của gỗ Keo lá tràm, có nguồn gốc từ Hà Tây (cũ) và vùng Đông - Nam Hoà Bình.
TT Tính chất cơ lý Đơn vị đo Trị số
1 Khối lượng thể tích cơ bản g/cm 3 0,542
2 Khối lượng thể tích khô kiệt g/cm 3 0,502
3 Tỷ lệ giãn nở thể tích, Yv % 10,33
6 Độ bền kéo dọc thớ MPa 91,36
7 Độ bền ép dọc MPa 46,19
8 Độ bền uốn tĩnh MPa 91,77
9 Độ bền ép ngang XT MPa 7,14
10 Độ bền ép ngang TT MPa 7,06
11 Mô đun đàn hồi uốn tĩnh MPa 10198,5
12 Độ bền trượt dọc mặt cắt XT MPa 9,548
13 Độ bền trượt dọc mặt cắt TT MPa 10,18
14 Độ cứng tĩnh mặt cắt ngang MPa 61,52
15 Độ cứng tĩnh mặt cắt XT MPa 52,37
16 Độ cứng tĩnh mặt cắt TT MPa 53,92
Gỗ Keo lá tràm là một trong những loại gỗ có trữ lượng lớn và đa dụng, đồng thời việc trồng loại gỗ này không yêu cầu điều kiện tự nhiên khắt khe Do đó, việc chọn gỗ Keo lá tràm làm đối tượng nghiên cứu là hợp lý Tổng hợp các tính chất vật lý và cơ học của gỗ sẽ cung cấp cơ sở cho việc dự đoán và giải thích các hiện tượng trong nghiên cứu thực nghiệm.
2.2.2.Thiết bị và điều kiện thực nghiệm
Máy cưa đĩa P2800-TM là thiết bị nghiên cứu quan trọng trong gia công, được sử dụng trong các thực nghiệm tại xưởng thực hành của trường CĐN cơ điện và xây dựng TĐ cũng như tại Trung tâm CNR của trường Đại học Lâm nghiệp Thiết bị này có những đặc điểm cấu tạo đặc trưng, góp phần nâng cao hiệu quả trong quá trình gia công.
Máy cưa đĩa P2800-TM có các thông số kỹ thuật cơ bản được ghi trong biểu 2.1 Sơ đồ cấu tạo của máy được thể hiện trên hình 2.1
Các chuyển động làm việc của máy cưa đĩa model P- 2800 TM :
Khi động cơ 1 hoạt động, trục động cơ quay và thông qua bộ truyền đai 2, trục cưa cũng quay Lưỡi cưa 3 được cố định trên trục cưa bằng đĩa ốp 12 và êcu hãm, giúp lưỡi cưa 3 quay tròn một cách hiệu quả.
Hình 2.1 Máy cưa đĩa cắt ngang P-2800 TM: a- dạng chung của máy; b- sơ đồ động học máy:
1 Động cơ; 2 Bộ truyền đai ; 3 Lưỡi cưa; 4 Động cơ của lưỡi cưa tách mạch; 5 Lưỡi cưa tách mạch; 6 Mặt bàn; 7 Nắp bảo hiểm; 8 Hệ thống thuỷ lực nghiêng lệch lưỡi cưa; 9 Hệ thống thuỷ lực nghiêng lệch lưỡi cưa tách mạch; 10 Hệ thống thuỷ lực nâng hạ lưỡi cưa; 11 Hệ thống thuỷ lực nâng hạ lưỡi cưa tách mạch;
12 Đĩa ốp; 13 Thanh trượt mặt bàn di động a b
Chuyển động đẩy gỗ là quá trình thủ công, phụ thuộc vào sự tác động của công nhân trong việc xẻ chi tiết Tốc độ đẩy gỗ nhanh hay chậm được xác định bởi yêu cầu chất lượng bề mặt gia công, tay nghề của công nhân và loại gỗ được xẻ.
Bảng 2.1 Các thông số kỹ thuật của cưa đĩa Model P- 2800 TM
STT Thông số Giá trị Ghi chú
1 Kích thước bàn trượt 380 x 2800 mm
2 Đường kính lưỡi cưa Max 350 mm
5 Công suất động cơ 7 HP
6 Tốc độ quay của trục cưa 3000; 4000; 5000 v/ph
7 Dịch chuyển nghiêng lệch của lưỡi cưa 0 45 0
8 Đường kính lưỡi cưa cắt trước 120 mm
9 Công suất động cơ lưỡi cưa cắt trước 1 HP
9 Chiều rộng cắt lớn nhất 1500 mm
Máy cưa đĩa model P-2800 TM, nhập khẩu từ Đài Loan, nổi bật với chất lượng từ một trong những nền công nghiệp chế tạo máy uy tín Được sử dụng trong nhiều hội thi kỹ năng nghề quốc tế, như ASEAN 2004 và 2006, cũng như tại INDONESIA và BRUNEI, máy này đã chứng minh hiệu quả qua quá trình gia công Các chuyên gia đánh giá cao thiết bị này, cho rằng nó sẽ trở thành công cụ phổ biến trong các cơ sở sản xuất đồ gỗ và công trường xây dựng quy mô vừa và nhỏ Vì vậy, việc lựa chọn máy cưa đĩa model P-2800 TM cho nghiên cứu là hoàn toàn hợp lý và có tính thời sự.
2.2.3 Các thông số chế độ gia công
Luận văn này tập trung nghiên cứu các thông số cơ bản nhất trong chế độ gia công trên máy, bao gồm vận tốc cắt V và vận tốc đẩy phôi.
U và lượng mở me răng cưa λ
2.2.4 Công suất cắt và chất lượng sản phẩm gia công a Công suất cắt:
Luận văn này tập trung vào việc xác định công suất tiêu thụ điện năng của động cơ quay trục lưỡi cưa đĩa trong một đơn vị thời gian Bên cạnh đó, nó cũng đề cập đến chất lượng sản phẩm gia công, nhấn mạnh tầm quan trọng của hiệu suất và độ chính xác trong quá trình sản xuất.
Sản phẩm gia công - ván xẻ, kích thước ván chiều dày S = 22 mm và chiều dài theo yêu cầu kết cấu sàn ghép
Chất lượng ván xẻ được đánh giá theo một số tiêu chuẩn hiện hành về độ phẳng mạch xẻ và kích thước hình học ván cơ sở.
Nội dung nghiên cứu
Với phạm vi nghiên cứu đã trình bày ở phần trên Để đạt được mục tiêu của đề tài chúng tôi tập trung giải quyết những nội dung sau:
2.3.1 Tổng hợp những cơ sở khoa học quá trình cắt ngang gỗ bằng cưa đĩa và thiết bị công nghệ
2.3.2 Xác định những yếu tố thuộc chế độ gia công ảnh hưởng đến công suất cắt và chất lượng gia công của máy cưa đĩa cắt ngang
2.3.3 Thực nghiệm xây dựng mô hình toán học của các hàm mục tiêu
2.3.4 Xác định, đề xuất chế độ làm việc hợp lý khi sử dụng máy P-2800 TM.
Phương pháp nghiên cứu
Các phương pháp chính được áp dụng để nghiên cứu đề tài bao gồm phương pháp lý thuyết và phương pháp thực nghiệm.
2.4.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết
Phương pháp nghiên cứu lý thuyết đóng vai trò quan trọng trong việc nghiên cứu các công trình khoa học, giúp tổng hợp cơ sở lý luận cho các nội dung 2.3.1, 2.3.2 và 2.3.4 Phương pháp này không chỉ định hướng ban đầu mà còn hỗ trợ giảm bớt khối lượng công việc và rút ngắn thời gian cho nghiên cứu thực nghiệm.
Phương pháp thực nghiệm được sử dụng là qui hoạch thực nghiệm đơn và đa yếu tố để giải quyết các nội dung 2.3.3 và 2.3.4
Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm trong luận văn của chúng tôi là thực nghiệm chủ động kết hợp lý thuyết và thực hành Phương pháp này sử dụng lý thuyết làm cơ sở định hướng ban đầu, giúp giảm bớt khối lượng công việc và rút ngắn thời gian thực nghiệm.
Quy hoạch thực nghiệm là phương pháp nghiên cứu hiện đại, dựa trên cơ sở lý thuyết toán học, đặc biệt là toán học thống kê Phương pháp này sử dụng các công cụ toán học để phân tích dữ liệu, với hai lĩnh vực quan trọng là phân tích phương sai và phân tích hồi quy, nhằm nâng cao hiệu quả của nghiên cứu thực nghiệm.
Khi lựa chọn kiểu thiết kế thí nghiệm, cần xem xét mối quan hệ giữa yếu tố đầu ra và yếu tố đầu vào, xác định xem đó là quan hệ tuyến tính hay phi tuyến Việc này giúp tối ưu hóa phương pháp bố trí thực nghiệm, từ đó giảm thiểu các thí nghiệm không cần thiết.
Phương pháp quy hoạch thực nghiệm nhằm xác định ảnh hưởng của các biến số đến tham số đầu ra (Yi) Các yếu tố ảnh hưởng (Xi) cần được lượng hoá, đo đếm và điều khiển Khi chưa biết dạng của tham số đầu ra, nên bắt đầu với quy hoạch thực nghiệm bậc nhất và kiểm tra mô hình bằng các tiêu chuẩn thống kê Nếu mô hình không phù hợp, có thể chuyển sang quy hoạch thực nghiệm bậc hai.
Quy hoạch thực nghiệm bậc nhất
- Các dạng kế hoạch thực nghiệm bậc nhất:
+ Quy hoạch thực nghiệm các yếu tố toàn phần (đầy đủ):
Mô hình thực nghiệm bậc nhất với các yếu tố toàn phần có dạng:
Y = b0 + b1x1 + b2x2 + bnxn (2.1) Trong đó: b0 - số hạng tự do; b1, b2, bn - các hệ số hồi quy tuyến tín xi
, xn - các yếu tố ảnh hưởng (số biến); Y - tham số đầu ra; i - chỉ số các yếu tố, i = 1, 2, n
Các thí nghiệm được tiến hành với tất cả các mức của các yếu tố Số lượng thí nghiệm (N) phụ thuộc vào số lượng các yếu tố có hai mức và được tính theo công thức: N = 2^n.
+ Quy hoạch thực nghiệm tuyến tính rút gọn:
Kế hoạch thực nghiệm toàn phần gặp nhược điểm khi tăng thông số đầu vào, dẫn đến số điểm thí nghiệm tăng đáng kể, làm cho kế hoạch trở nên cồng kềnh và tốn kém Do đó, các loại thực nghiệm rút gọn đã được phát triển, trong đó số lượng thí nghiệm N được tính theo công thức: N = 2^(n-p), với p là bậc rút gọn.
- Các yếu tố ảnh hưởng và khoảng xác định của chúng:
Trong nghiên cứu thực nghiệm, các yếu tố ảnh hưởng được lựa chọn cần phải rõ ràng liên quan đến mục tiêu nghiên cứu và có khả năng điều chỉnh, đo lường Khoảng xác định tổng quát cho các yếu tố này được quy định như sau: Ximin < Xi < Ximax.
Trong đó: Ximin - mức dưới; Ximax - mức trên
Giữa hai mức trên và dưới, ta lấy mức trung gian (mức cơ sở: Xi 0) Giá trị mức này được tính như sau:
Giá trị trung bình của yếu tố tự nhiên được tính bằng công thức Xi0 = (Ximin + Ximax)/2, trong đó khoảng biến động được xác định bởi Li = Ximax - Xio = Xi0 - Ximin Để đơn giản hóa, các giá trị của yếu tố tự nhiên (Xi) có thể được biểu diễn dưới dạng tọa độ (xi) Khả năng này cho phép xây dựng quy hoạch thực nghiệm một cách tổng quát mà không cần phụ thuộc vào giá trị vật lý của quá trình nghiên cứu Để chuyển đổi từ dạng tự nhiên sang dạng tọa độ, ta áp dụng công thức: xi = (Xi - Xi0)/Li.
Khi đó các mức của yếu tố ảnh hưởng dưới dạng toạ độ sẽ là các giá trị: +1 (mức trên); 0 (mức cơ sở); -1 (mức dưới)
- Lập ma trận thực nghiệm:
Ma trận thực nghiệm bậc nhất là một bảng có số cột tương ứng với số biến và tổ hợp chập đôi của chúng, trong khi số hàng đại diện cho số thí nghiệm N Các biến trong ma trận được mã hóa dưới dạng (+1; -1).
- Xử lý kết quả thí nghiệm:
Số liệu thí nghiệm thu được cùng với các hệ số của phương trình hồi quy tìm ra theo các công thức sau đây:
+ Kiểm tra tính đồng nhất của các phương sai:
Tính đồng nhất của các phương sai kiếm tra theo tiêu chuẩn Kohren:
Gp - giá trị tính toán; Gb - giá trị tra bảng theo mức có nghĩa , bậc tự do và k
+ Kiểm tra tính có ý nghĩa của các hệ số hồi quy:
Các hệ số hồi quy b0, bi, bii, bij kiểm tra theo tiêu chuẩn Student bi i t S b hoặc T t b (2.6)
Trong đó: bi - các hệ số của phương trình hồi quy; tb - tiêu chuẩn
Student tra bảng với = 0.05 và bậc tự do = N(m -1); N - số thí nghiệm; m
- số lần lặp lại; T - trị số tiêu chuẩn Student tính toán; Sbi - phương sai của hệ số thứ i
+ Kiểm tra tính tương thích của mô hình toán học:
Tính tương thích của mô hình toán học, được kiểm tra theo tiêu chuẩn
Fisher: Fp Fb Trong đó: Fb - giá trị tiêu chuẩn Fisher tra bảng;
Fp - giá trị của biểu thức Fisher theo tính toán
Sau khi kiểm tra số liệu thí nghiệm và mô hình thực nghiệm theo các tiêu chuẩn đã đề ra, nếu kết quả quy hoạch thực nghiệm tuyến tính cho thấy mô hình bậc nhất không phù hợp, thì cần tiến hành thực nghiệm bậc hai.
Quy hoạch thực nghiệm bậc hai
- Phương trình tương quan bậc hai có dạng [1,6] :
Các dạng kế hoạch thực nghiệm bậc hai bao gồm nhiều loại như kế hoạch Keeferi J, kế hoạch trực giao, Box-Wilson và kế hoạch H.O Hartley Việc lựa chọn kế hoạch thực nghiệm phù hợp tùy thuộc vào yêu cầu của thí nghiệm cũng như số lượng yếu tố ảnh hưởng.
- Số lượng thí nghiệm được tính toán theo công thức:
Trong đó: N1 - các thí nghiệm phần nhân; N1 = 2 n ; N-các thí nghiệm phần mở rộng (N = 2.n); N0 - các thí nghiệm phần tâm (N0 = 1)
+ Kế hoạch thực nghiệm bậc hai được thực hiện với các mức: mức trên (+1); mức dưới (-1); mức trung gian ( 0) và hai mức sao + ; -
+ Tay đòn điểm sao : là khoảng cách từ tâm thí nghiệm tới các điểm sao được tính theo công thức sau:
Trong đó: p - số yếu tố rút gọn; n - số yếu tố ảnh hưởng
Lập ma trận thực nghiệm là bước quan trọng trong quy hoạch thực nghiệm bậc hai, trong đó ma trận được biểu diễn dưới dạng bảng Các yếu tố ảnh hưởng được mã hóa thành các giá trị tọa độ như +1, -1, 0, +α, -α Số hàng trong ma trận tương ứng với số thí nghiệm N, trong khi số cột thể hiện số yếu tố ảnh hưởng và các tổ hợp chập đôi của chúng.
Xử lý kết quả thí nghiệm yêu cầu kiểm tra số liệu thực nghiệm và các hệ số của phương trình hồi quy theo các tiêu chuẩn thống kê, tương tự như quy hoạch thực nghiệm bậc nhất.
+ Kiểm tra tính đồng nhất của các phương sai:
Tính đồng nhất của các phương sai kiếm tra theo tiêu chuẩn Kohren:
Trong đó : Gp - giá trị tính toán; Gb - giá trị tra bảng
+ Kiểm tra tính có ý nghĩa của các hệ số hồi quy:
Các hệ số hồi quy b0, bi, bii, bij kiểm tra theo tiêu chuẩn Student bi i t S b hoặc T t b (2.11)
+ Kiểm tra tính tương thích của mô hình toán học:
Tính tương thích của mô hình toán kiểm tra theo tiêu chuẩn Fisher: Fp
Fb Trong đó: Fb - giá trị Fisher tra bảng; Fp - giá trị biểu thức Fisher tính toán.
CƠ SỞ LÝ LUẬN CỦA LUẬN VĂN
Động học quá trình cắt ngang gỗ bằng cưa đĩa
Quá trình cắt ngang gỗ bằng cưa đĩa được minh hoạ trên hình 3.1
Cưa đĩa hoạt động dựa trên cấu tạo đặc biệt của lưỡi cưa, cho phép thực hiện dạng cắt phức tạp và cắt kín Trong quá trình cắt, nhiều cạnh cắt cùng tham gia, với cạnh cắt bên thực hiện cắt ngang và cạnh cắt ngắn thực hiện cắt tiếp tuyến.
Cắt ngang bằng cưa đĩa kết hợp hai chuyển động: cưa và gỗ, như thể hiện trong sơ đồ hình 3.2a Thông thường, gỗ chỉ tiếp xúc với đĩa cưa trong một khoảng nhỏ hơn πD/4, như được minh họa trong hình 3.2c.
Trên thành ván xẻ, chỉ có một phần của quỹ đạo được hiển thị (hình 3.2b), và khoảng cách giữa hai quỹ đạo của các răng cưa kế tiếp tương ứng với lượng gỗ được đẩy ra bởi một răng cưa.
Tốc độ cắt được xác định:
Trong đó: D - Đường kính của đĩa cưa (m); n - Số vòng quay của đĩa cưa (vòng/ph);
Tốc độ đẩy của gỗ :
(m/ph), (3.2) Ở đây: uz - lượng ăn dao của một răng (mm)
Khi xẻ gỗ bằng cưa đĩa, góc gặp thớ thay đổi, từ min lúc vào, đến tb và
max lúc ra (hình 3.2b) Chúng ta có:
Hình 3.2 Động học quá trình cắt gọt bằng cưa đĩa
(3.6) và góc tiếp xúc giữa lưỡi cưa với gỗ là:
Cung tiếp xúc là: L = Rtx =
Trong đó: a - Khoảng cách ăn gỗ của một vòng đĩa cưa (m);
R - Bán kính của đĩa cưa (m); hmin = uzsinmin = uzsinv ; (3.9) hmax = uzsinmax = uzsinr (3.10) Chiều dày phoi trung bình là:
2 u h h tb h min max z max min (3.11)
Mặt khác có thể tính chiều dày phoi trung bình htb theo sơ đồ (hình 3.2 b), ở đây: h L = uz H, từ đó:
Cắt ngang bằng cưa đĩa là phương pháp cắt gọt chuyên dụng với quá trình cắt kín Lưỡi cắt gồm các răng cưa trên chu vi của đĩa, khi đĩa cưa quay tròn, nó thực hiện cả chuyển động cắt lẫn chuyển động đẩy nhờ vào gỗ.
Các yếu tố cơ bản và tác động tương hỗ giữa chúng trong các trường hợp cắt gọt gỗ
Các quá trình gia công gỗ và vật liệu gỗ chịu ảnh hưỏng của nhiều yếu tố khác nhau Các yếu tố này có thể phân ra thành 5 nhóm [23, 36]:
- Nhóm 1: Gồm các yếu tố đặc trưng cho đối tượng gia công như : loại gỗ, các tính chất cơ - lý của gỗ
Nhóm 2 bao gồm các yếu tố đặc trưng cho công cụ gia công, như tính chất cơ lý của vật liệu chế tạo công cụ, các thông số hình học, độ tù của dao cắt, chất lượng bề mặt các cạnh biên lưỡi cắt, độ mở cưa, bề dày công cụ, số cạnh cắt tham gia làm việc và độ chính xác của công cụ.
Nhóm 3 bao gồm các yếu tố đặc trưng cho máy móc thiết bị, như độ cứng của hệ thống "Máy - Công cụ cắt - Thiết bị gá kẹp phôi", động học và động lực học Ngoài ra, cần chú ý đến sức căng của công cụ cắt, bao gồm cưa vòng và cưa sọc, cũng như khe hở giữa công cụ và thân máy trong các dẫn hướng Khoảng cách từ dẫn hướng tới mạch xẻ, độ nghiêng lệch bánh đà và khoảng cách giữa các bánh đà cũng là những yếu tố quan trọng cần được xem xét.
Nhóm 4 đề cập đến các yếu tố đặc trưng trong quá trình gia công cơ giới, bao gồm bề dày và chiều rộng phoi cắt, quỹ đạo mặt phẳng cắt cùng phương cắt so với thớ gỗ Ngoài ra, các góc cắt, vận tốc đẩy và cắt, lực cắt, góc gặp thớ động học, cùng với sự đốt nóng của công cụ và vật liệu gia công cũng đóng vai trò quan trọng Cuối cùng, chiều cao mạch xẻ và đặc tính của quá trình cắt (cắt kín, cắt hở, cắt nửa kín) là những yếu tố không thể bỏ qua.
Nhóm 5 tập trung vào các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật quan trọng, bao gồm tiêu hao công cụ, hao mòn công cụ và máy, giá thành gia công, năng suất gia công, độ nhám và độ chính xác gia công Những chỉ tiêu này đóng vai trò quyết định trong việc đánh giá hiệu quả sản xuất và chất lượng sản phẩm.
Xét mối liên hệ của các yếu tố nêu trên trong trường hợp xẻ gỗ bằng máy cưa đĩa, chúng tôi đưa ra sơ đồ như hình 3.3
Lực cắt khi xẻ phụ thuộc vào vật liệu gia công, công cụ, kích thước phoi, độ tù của răng cắt, các thông số góc cắt và vận tốc cắt Bề dày phoi được xác định bởi bước đẩy phôi, chiều cao mạch xẻ và góc gặp thớ động học, trong khi chiều rộng phoi phụ thuộc vào bề dày cưa và độ mở răng cưa Vận tốc cắt được tính dựa trên vận tốc quay của trục chính và đường kính lưỡi cưa Độ nhẵn bề mặt gia công liên quan đến bề dày phoi, các thông số góc cắt, độ tù của răng và các yếu tố về vật liệu, công cụ và máy gia công Độ ổn định của cưa phụ thuộc vào bề dày, đường kính lưỡi cưa và vận tốc cắt.
Bước đẩy Chiều cao mạch cắt Góc gặp thớ động học
Bề dày lưỡi cưa Độ mở cưa Đường kính lưỡi cưa
Bước đẩy Chiều cao mạch cắt Góc gặp thớ động học
Bề dày lưỡi cưa Độ mở cưa Đường kính lưỡi cưa
Bước đẩy Chiều cao mạch cắt Góc gặp thớ động học
Bề dày lưỡi cưa Độ mở cưa Đường kính lưỡi cưa
Các yếu tố về vật liệu gia công
Các yếu tố thuộc về c.cụ cắt
Chiều c.gọt và thớ gỗ
Vận tốc quay của trục chính
Lực cắt Độ nhám gia công Chiều dài gia công
Tuổi thọ của công cụ cắt Độ ổn định của cưa Độ chính xác gia công Độ bền và độ cứng các cơ cấu máy
Công suất dẫn động máy
Chi phí công cụ cắt
Số răng của lưỡi cưa
Năng suất của máy Độ mở cưa
Bước đẩy Chiều cao mạch cắt Góc gặp thớ động học
Bề dày lưỡi cưa Độ mở cưa Đường kính lưỡi cưa Đ kính lưỡi cưa
Bước đẩy Chiều cao mạch cắt Góc gặp thớ động học
Bề dày lưỡi cưa Độ mở cưa Đường kính lưỡi cưa Bước đẩy
Các yếu tố cơ bản trong cắt gỗ bằng cưa đĩa bao gồm tốc độ cắt, chất lượng lưỡi cắt và lực cắt Độ ổn định của cưa, cùng với lực cắt và độ cứng của các cơ cấu, quyết định độ chính xác trong quá trình gia công.
Mức độ tù của răng cưa ảnh hưởng trực tiếp đến độ bền của công cụ, được thể hiện qua quãng đường cắt gọt trong gỗ Tuổi thọ của công cụ phụ thuộc vào các yếu tố như vật liệu chế tạo, loại vật liệu gia công và các thông số góc cắt.
Tóm lại, tuổi thọ của công cụ cắt ảnh hưởng tới các lực, độ đồng phẳng bề mặt gia công, sai số kích thước sản phẩm gia công
Công suất dẫn động máy được xác định bởi các lực cắt và lực đẩy, trong khi thời gian gia công sản phẩm phụ thuộc vào vận tốc đẩy và chiều dài gia công Giá thành gia công chịu ảnh hưởng từ thời gian xẻ, chi phí công cụ cắt, công suất dẫn động máy, cùng với độ bền và độ cứng của các bộ phận máy Ngoài ra, trong giá thành các công đoạn còn có các chi phí liên quan đến nguyên công phụ trợ, mà đặc trưng của chúng trong trường hợp tổng quát không phụ thuộc vào các thông số cắt.
Năng suất của máy bị ảnh hưởng bởi thời gian chu kỳ, tần suất thay đổi công cụ cắt, chi phí cho công cụ cắt và thời gian của các nguyên công phụ trợ.
Từ kinh nghiệm làm việc với máy gia công gỗ, ta nhận thấy rằng khi tăng bước đẩy và độ cứng của máy, tuổi thọ và độ nhẵn bề mặt gia công sẽ được cải thiện Nếu sử dụng bước đẩy nhỏ, có thể đảm bảo độ nhẵn bề mặt gia công và đồng thời kéo dài tuổi thọ của công cụ cắt Ngược lại, khi áp dụng bước đẩy lớn để duy trì chất lượng bề mặt gia công, tuổi thọ của công cụ cắt sẽ bị giảm.
Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra mối liên hệ giữa các yếu tố trong quá trình gia công, nhằm tối ưu hóa chi phí và giảm phế liệu liên quan đến bề rộng mạch xẻ Việc thay đổi độ dày lưỡi cưa ảnh hưởng đến độ ổn định; lưỡi cưa mỏng hơn giúp giảm bề rộng mạch xẻ và phế liệu, nhưng cũng làm giảm độ chính xác gia công Để khắc phục, có thể chọn bước đẩy nhỏ hơn và giảm tuổi thọ công cụ, tuy nhiên, điều này sẽ làm tăng chi phí gia công Do đó, tồn tại các giá trị tối ưu cho bước đẩy, tuổi thọ công cụ và độ dày lưỡi cưa, mang lại hiệu quả kinh tế cao nhất.
Việc giải quyết các bài toán "thuận và nghịch" trong gia công gỗ bằng cơ giới, đặc biệt là cắt ngang bằng cưa đĩa, là một thách thức lớn Luận văn này sẽ trình bày những cơ sở trọng tâm nhất liên quan đến vấn đề này.
Công suất cắt và các yếu tố ảnh hưởng tới công suất cắt
Lực và công suất cắt là những thông số quan trọng trong thiết kế và sử dụng máy móc Trong giai đoạn thiết kế, chúng ta xác định lực cắt và công suất cắt dựa trên các tham số gia công Từ công suất cắt và hiệu suất truyền động, ta tính toán công suất động lực cần thiết và chọn động cơ phù hợp Trong quá trình sử dụng máy, cần giải quyết bài toán ngược để xác định lực cắt và lực đẩy từ công suất động cơ, nhằm tối ưu hóa chế độ gia công và đảm bảo chất lượng sản phẩm Việc tính toán lực và công suất cắt, cũng như lực và công suất đẩy, là cần thiết để thiết lập các chế độ gia công cho công nghệ và máy móc có cấu trúc tương tự.
Theo các công trình nghiên cứu [9,34], công suất cắt của các máy gia công gỗ có thể xác định theo công thức:
N K (3.13) ở đây: N – công suất cắt cần thiết, kW; B - chiều rộng phoi, mm; H - chiều dày phoi, mm; U - tốc độ đấy phôi, m/ph; K - tỷ suất công, N.m/mm 3
Theo giáo sư Grube A.E [23], công suất cắt cần thiết trong cắt ngang bằng cưa đĩa có thể xác định theo công thức:
N C = 171 10 - 8 U z 0,63 V H b 1,24 δ 0,8 W 0,3 γ 0 2,1 T 0,08 β 0,7 kW Trong công thức này, Uz đại diện cho lượng ăn dao, H là chiều cao mạch xẻ tính bằng mm, v là vận tốc cắt tính bằng m/s, W là độ ẩm gỗ (%) và δ là gúc cắt (δ = β + α) tính bằng độ Các thông số ρ và γo lần lượt biểu thị độ tự cạnh cắt và khối lượng riêng của gỗ (g/cm³), trong khi b là bề rộng mạch xẻ tính bằng mm Các hệ số Cp và m phụ thuộc vào loại gỗ và độ ẩm của nó.
Công suất dẫn động cơ cấu cắt:
Máy cưa đĩa P2800-TM hoạt động dựa trên nguyên lý cắt gọt với hai chuyển động đồng thời: chuyển động cắt của đĩa cưa và chuyển động đẩy phôi Chuyển động cắt được thực hiện bởi động cơ điện thông qua bộ truyền đai đến trục đĩa cưa, trong khi chuyển động đẩy phôi được thực hiện bằng sức người.
Công suất tiêu thụ của động cơ làm quay trục lưỡi cưa được tính theo công thức [23]:
N 3 U I cos (3.16) ở đây: N – công suất của động cơ; U - điện áp dây của động cơ; I - cường độ dòng điện dây; cosφ - hệ số công suất của động cơ
Như vậy năng lượng điện tiêu thụ được tính theo công thức:
W N t (3.17) ở đây: t - thời gian sử dụng điện từ lúc khởi động đến khi hoàn thành công việc và tắt máy
Theo định luật bảo toàn năng lượng, nếu không có tổn hao năng lượng, toàn bộ điện năng W sẽ chuyển thành cơ năng Tuy nhiên, trong thực tế, động cơ gặp phải mất mát điện năng do điện trở của dây dẫn và tổn thất từ lõi thép stato và rôto Những hao phí này được thể hiện qua hiệu suất động cơ η Do đó, chỉ một phần điện năng W’ được chuyển đổi thành cơ năng, giúp puli trục động cơ quay, từ đó làm cho trục lưỡi cưa quay và thực hiện quá trình cắt gọt.
N’ chính là năng lượng cần thiết để làm quay trục dao, thắng được lực cản do ma sát trong hai ổ bi, lực cản cắt
Năng lượng tổn hao do ma sát trong ổ đỡ phụ thuộc vào thiết bị, trong khi năng lượng cần thiết để vượt qua lực cản cắt trong quá trình gia công chính là công suất cắt cần thiết.
Từ những kết quả trên thấy rõ, những yếu tố cơ bản ảnh hưởng tới chi phí năng lượng trong quá trình cắt gỗ bao gồm:
- Loại gỗ, các tính chất cơ lý của gỗ (γo, W);
- Chiều cao, bề rộng mạch xẻ (H,b);
- Các thông số của lưỡi cưa (ρ, z, t, D);
- Các thông số chế độ gia công (v, u, λ , β,α)
Như phạm vi nghiên cứu đã đề cập, luận văn lựa chọn ba thông số để xác định ảnh hưởng của chúng tới công suất cắt Nđó là v, u và λ.
Chất lượng gia công và các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng gia công
3.4.1 Khái niệm chất lượng gia công chi tiết trên máy
Chất lượng gia công các chi tiết được xác định bởi chất lượng bề mặt và độ chính xác gia công, đặc biệt là trong các ứng dụng có kích thước nhỏ và yêu cầu chính xác cao Mặc dù hai yếu tố này có mối liên hệ chặt chẽ, nhưng chúng có thể khác nhau khi áp dụng cho các chi tiết có kích thước lớn Chất lượng gia công ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng của sản phẩm cuối cùng, vì mục tiêu chính của công nghệ gia công là tạo ra thành phẩm đạt yêu cầu.
Độ nhẵn bề mặt gia công phản ánh sự phù hợp giữa hình dạng mặt gia công và hình dạng lý thuyết mà thiết kế yêu cầu, bao gồm các bề mặt phẳng và cong Độ nhẵn này chịu ảnh hưởng bởi độ không nhẵn, tức là độ lồi lõm của bề mặt gia công Các loại độ lồi lõm bao gồm: dấu vết của dao cắt, chuyển động cơ học của dao cắt, sự phá hủy các phần tử gỗ, đàn hồi không đều của vật liệu cắt, và rung động của máy.
Độ nhẵn bề mặt gia công được phân loại thành 5 nhóm dựa trên dạng lồi lõm, bao gồm lượn, sóng, nhấp nhô, sóng và nhấp nhô, cùng với lượn sóng và nhấp nhô Để đánh giá độ nhẵn bề mặt, người ta thường đo độ sâu nhấp nhô của lồi lõm, tức là độ lồi lõm lớn nhất.
Độ chính xác gia công của chi tiết được xác định bởi mức độ phù hợp của sản phẩm sau khi gia công, bao gồm kích thước và hình dạng theo thiết kế Công thức H max = H max 1 + max 2 + max 3 + + max n (3.20) thể hiện tổng độ sai số tối đa Hình 3.5 minh họa một số dạng sai số liên quan đến độ chính xác gia công của ván gỗ xẻ.
Mức độ chính xác của sản phẩm gia công phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm kích thước của vật gia công, công cụ máy, vật liệu gia công và chế độ làm việc của máy.
3.4.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng gia công
3.4.2.1 Ảnh hưởng các yếu tố thuộc về phôi (gỗ)
Các kết quả nghiên cứu về ảnh hưởng loại gỗ đến chất lượng gia công [9,
14, 29, 30, 31, 36] cho thấy, thường tỷ trọng gỗ càng lớn thì công suất tiêu
Lượn, sóng và nhấp nhô t t a
Hình 3.4 Các dạng lồi lõm của bề mặt gia công và cách đánh giá
Hình 3.5 minh họa các dạng sai số hình học và kích thước cơ bản của ván xẻ, bao gồm sai số về hình dạng và kích thước, cũng như nghiêng vát mạch xẻ Khi hao hụt càng lớn, lực cắt cũng tăng, dẫn đến chất lượng bề mặt gia công tốt hơn, đặc biệt khi tỷ trọng gỗ cao.
Trong quá trình xẻ gỗ bằng cưa đĩa, cắt gọt diễn ra kín và sự thay đổi độ ẩm của gỗ ảnh hưởng đến tính chất cơ lý của nó Hiện tượng đàn hồi của gỗ thay đổi dẫn đến áp lực tăng lên trên mặt cắt, đặc biệt là mặt bên của công cụ, từ đó làm thay đổi lực cắt Do đó, sự biến động về độ ẩm gỗ trong cùng một chế độ gia công sẽ tác động đến chất lượng sản phẩm.
3.4.2.2 Ảnh hưởng các yếu tố thuộc về dao cắt
Trong cắt gọt gỗ, công cụ cắt đóng vai trò quan trọng quyết định chất lượng gia công Để đạt hiệu quả cao, lưỡi cưa cần ổn định và có các thông số như góc, độ tù, và độ mở phù hợp với quy trình gia công Việc này không chỉ giảm công suất cắt mà còn nâng cao chất lượng sản phẩm cuối cùng.
Lượng nhô của lưỡi cưa so với chiều cao mạch xẻ ảnh hưởng đến góc tiếp xúc với thớ, từ đó tác động đến lực cắt và chất lượng sản phẩm gia công.
Khi thay đổi đường kính lưỡi cưa, khoảng cách tiếp xúc giữa gỗ và cưa sẽ bị ảnh hưởng, dẫn đến sự thay đổi về kích thước phoi, góc gặp thớ gỗ và chất lượng sản phẩm gia công.
Góc trước γ có ảnh hưởng đáng kể đến quá trình cắt gọt, khi phoi bám vào mặt trước răng cưa và bị nén chặt Diện tích hầu cưa được xác định bởi bước răng (t), chiều cao răng cưa (h) và độ lớn của góc trước Khi t và h không đổi, góc trước lớn sẽ tạo ra hầu cưa lớn hơn và ngược lại Sự khác biệt trong việc xẻ các loại gỗ khác nhau cũng làm thay đổi diện tích hầu cưa Góc trước nhỏ giúp răng cưa cứng vững nhưng diện tích hầu cưa lại nhỏ, dẫn đến lượng mùn cưa ít và lực cắt lớn Ngược lại, góc trước lớn tạo ra răng cưa sắc bén, hầu cưa lớn với khả năng chứa mùn cưa nhiều hơn, giúp dễ dàng thoát phoi trong quá trình làm việc, nhưng lại có nguy cơ làm gãy răng cưa.
Góc sau α có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất của dao cắt khi làm việc với gỗ, một vật liệu đàn hồi Khi mũi cắt nén, gỗ sẽ đàn hồi trở lại và tác động lên mặt sau của dao Nếu góc sau nhỏ, lực ma sát sẽ lớn, dẫn đến lực cắt tăng cao Ngược lại, với góc sau lớn, lực ma sát giảm, làm giảm lực cắt, điều này có thể dẫn đến độ cứng vững của dao cắt kém và dễ bị gãy.
Góc trước γ, góc cắt δ và góc mài β có mối quan hệ chặt chẽ, ảnh hưởng lẫn nhau Nếu góc trước và góc sau quá lớn hoặc quá nhỏ, sẽ tác động xấu đến góc mài Góc mài lớn giúp tăng độ cứng vững của răng cưa, nhưng nếu lực cắt quá lớn sẽ làm giảm năng suất và chất lượng sản phẩm Khi góc mài được điều chỉnh phù hợp với từng loại gỗ, năng suất và chất lượng gia công sẽ được cải thiện Độ tù của mũi cắt cũng ảnh hưởng đến lực tác dụng; nếu độ tù tăng, lực cắt và chất lượng gia công sẽ giảm, ngược lại, nếu độ tù giảm, lực cắt sẽ giảm và chất lượng gia công tăng lên.
3.4.2.3 Ảnh hưởng các yếu tố thuộc mối tương quan giữa dao với gỗ và các yếu tố thuộc chế độ gia công
Góc gặp thớ có ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng gia công bề mặt Nghiên cứu chỉ ra rằng chất lượng gia công giảm khi góc gặp thớ θ tăng từ 0° đến 20°, đạt mức tồi tệ nhất trong khoảng θ từ 25° đến 35° Tuy nhiên, chất lượng gia công bắt đầu cải thiện khi góc gặp thớ θ tiếp tục tăng từ 35° đến 90° Mối quan hệ giữa Hmax và góc gặp thớ θ có hình dạng tương tự như hàm sin.
Tốc độ cắt là yếu tố quan trọng trong quá trình cắt gọt, ảnh hưởng trực tiếp đến năng suất và chất lượng sản phẩm Tăng tốc độ cắt giúp tăng tốc độ ăn dao và nâng cao năng suất, đồng thời tạo điều kiện cho việc phá hủy mối liên kết giữa các phần tử gỗ diễn ra nhanh chóng Khi tốc độ cắt cao hơn tốc độ biến dạng của các phần tử gỗ, các phần tử tiếp xúc với dao sẽ không kịp biến dạng, từ đó nâng cao chất lượng gia công Theo nghiên cứu, để đạt được bề mặt sản phẩm nhẵn theo yêu cầu khi gia công trên máy cưa đĩa, tốc độ cắt nên đạt khoảng 80 m/s.
Cơ sở nghiên cứu thực nghiệm
Dựa trên cơ sở lý thuyết về nghiên cứu thực nghiệm đã trình bày ở chương 2, nội dung nghiên cứu thực nghiệm nhằm giải quyết các nhiệm vụ của luận văn bao gồm việc xác định mục tiêu, thiết kế thí nghiệm, thu thập dữ liệu và phân tích kết quả để rút ra những kết luận có giá trị.
- Chọn mục tiêu thực nghiệm;
- Chọn tham số điều khiển;
- Chọn các thiết bị đo;
- Tiến hành công tác chuẩn bị;
- Tiến hành thực nghiệm đơn yếu tố;
- Tiến hành thực nghiệm đa yếu tố
3.5.1 Chọn mục tiêu thực nghiệm
Hai đại lượng chính cần xác định trong nghiên cứu này là chi phí năng lượng cho quá trình cắt (công suất cắt N) và chất lượng gia công, bao gồm độ vuông góc của mạch xẻ (θ) và sai số kích thước ván cắt (∆) Những yếu tố này được chọn làm mục tiêu cho nghiên cứu thực nghiệm.
3.5.2 Chọn tham số điều khiển
Trong quá trình gia công, các yếu tố liên quan đến gỗ như loại gỗ, cơ lý tính và độ ẩm được coi là những đại lượng ngẫu nhiên và không nằm trong phạm vi nghiên cứu của đề tài này Để giảm thiểu ảnh hưởng của các yếu tố này đến độ chính xác của phép đo trong thực nghiệm, chúng tôi đã chọn những khúc gỗ Keo lá tràm có điều kiện sinh trưởng đồng nhất, cùng độ tuổi và đường kính trung bình 20 ± 5 cm Sau khi chặt hạ, gỗ được cắt khúc, xẻ phá, xẻ lại và cắt ngắn để tạo thành ván ghép cơ sở.
Chỉ còn lại các yếu tố liên quan đến máy móc và chế độ gia công, đây là những yếu tố có thể điều chỉnh được, ảnh hưởng đến hai hàm mục tiêu chính.
- Các thông số hình học của răng cưa;
- Độ tù của mũi cắt khi làm việc;
- Điện thế nguồn cho động cơ khi khảo nghiệm
Các thông số hình học của răng cưa, bao gồm góc mài và góc cắt , đóng vai trò quan trọng trong việc xác định độ sắc và độ cứng vững của răng Góc cắt ảnh hưởng lớn đến lực cắt và quá trình cắt, trong khi lượng mở me λ quyết định khả năng thoát phoi và lực cắt Thay đổi kích thước λ sẽ dẫn đến sự thay đổi về lực cắt và công suất cắt, do đó λ là một thông số điều khiển quan trọng cần được nghiên cứu Độ tù của mũi cắt được đặc trưng bởi bán kính .
Độ tù của mũi cắt chỉ ảnh hưởng đến lực cắt sau một giờ làm việc liên tục, vì vậy cần chuẩn bị lại lưỡi cưa sau thời gian này để hạn chế tác động của nó Đường kính của lưỡi cắt ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác gia công và phụ thuộc vào chiều cao mạch xẻ Trong nghiên cứu này, chúng tôi khảo nghiệm máy khi xẻ ván với chiều dày cố định, do đó đường kính đĩa cưa được lựa chọn dựa trên chiều dày của ván Ngoài ra, điện thế làm việc quá thấp so với định mức cũng dẫn đến sự không chính xác, vì vậy chỉ tiến hành khảo nghiệm khi điện thế ổn định theo yêu cầu kỹ thuật.
Còn lại ba yếu tố cần khảo nghiệm ảnh hưởng đến hai hàm mục tiêu là tốc độ cắt, tốc độ đẩy và lượng mở me λ.
Tốc độ cắt v được xác định ở ba mức: giữa (mức 0), dưới tương ứng với 40, 50, 60 (m/s), dựa trên nghiên cứu từ các nhà chế tạo máy và tối ưu hoá gia công gỗ Trong thực nghiệm, vận tốc cắt được tính theo công thức (3.1) và điều chỉnh bằng cách thay đổi tốc độ quay trục lưỡi cưa thông qua bộ biến tốc tự chế tạo.
Tốc độ đẩy u được xác định sơ bộ ở ba mức: giữa (mức 0), dưới tương ứng với 4, 8, 12 (m/ph), dựa trên các nghiên cứu về năng suất, chất lượng gia công, độ bền của máy và khả năng làm việc của công cụ Trong thực nghiệm, tốc độ đẩy được điều chỉnh bằng thiết bị phụ trợ theo nguyên lý trục vít, đai ốc, đảm bảo tính khách quan và chính xác trong việc kiểm soát tốc độ đẩy.
Lượng mở me λ được xác định ở ba mức: mức 0, mức 2.8 mm và mức 3.0 mm, 3.2 mm Các giá trị này được lựa chọn dựa trên cấu tạo của các lưỡi cưa đĩa tiêu chuẩn thông dụng.
Để đo tiêu hao năng lượng điện, chúng tôi sử dụng công tơ điện 3 pha mã hiệu MV3E-4.3x100 A, 45 vòng/Kwh, được sản xuất tại Thụy Sĩ với cấp chính xác 1, đảm bảo đáp ứng yêu cầu về công suất và độ chính xác cần thiết.
+ Đo điện áp: Chúng tôi chọn Vônkế có thang đo từ 0 500 V với cấp chính xác bằng 1 Vôn kế này được sản xuất tại Nga
+ Đo cường độ dòng điện: Chúng tôi chọn Ampekế có thang đo 0 30 A với cấp chính xác bằng 1 Thiết bị được sản xuất tại Nga
Để đo hệ số cos , sử dụng đồng hồ cos mã hiệu 8E-96, được sản xuất tại Hàn Quốc Đối với việc đo độ ẩm, áp dụng máy đo độ ẩm GIAN, có nguồn gốc từ Cộng hòa Liên bang Đức Để đo kích thước của ván xẻ, cần sử dụng thước dây, thước vuông và thước kẹp với độ chính xác đạt 0,05 mm.
+ Đo các thông số của công cụ cắt (lượng mở me ): Dùng dụng cụ Panme, thước kẹp với độ chính xác 0,05 mm
3.5.4 Tiến hành công tác chuẩn bị
Trước khi tiến hành thí nghiệm, cần thực hiện các công việc chuẩn bị quan trọng như kiểm tra tình trạng của thiết bị thí nghiệm, chuẩn bị gỗ và hiệu chỉnh các dụng cụ đo để đảm bảo độ chính xác và hiệu quả của quá trình thí nghiệm.
Công tơ điện cần được kiểm tra trước khi sử dụng, mặc dù đã được kiểm định tại nơi sản xuất Việc sử dụng các thiết bị như vôn kế, ampe kế, đồng hồ đo trị số cosφ và đồng hồ bấm giây, lắp vào mạch điện trở thuần, giúp xác định năng lượng điện tiêu thụ Chỉ số K của công tơ phản ánh lượng điện tiêu thụ, và thông qua các chỉ số của các thiết bị đo, năng lượng tiêu thụ có thể được tính toán theo công thức (3.16).
N.t = K (K- chỉ số của công tơ); t- thời gian (1h)
Hai chỉ số N.t và K trong thực tế chênh lệch không quá 5% là chấp nhận được
Các dụng cụ đo kích thước sản phẩm gia công: thước dài, thước kẹp, thước vuông được chuẩn bị kiểm tra, hiệu chỉnh
3.5.5 Phương pháp quy hoạch thực nghiệm đa yếu tố
Trong nghiên cứu này, chúng ta có thể dự đoán rằng yếu tố Yi sẽ biến thiên theo dạng bậc hai dựa trên các phân tích đã thực hiện Điều này cho phép chúng ta chủ động lựa chọn mô hình tương quan thông qua kết quả thí nghiệm, kiểm tra các điều kiện về sự đồng nhất của phương sai, ý nghĩa của các hệ số trong mô hình và sự tương thích của mô hình Từ đó, chúng ta có thể khẳng định sự tồn tại của mô hình tương quan.
3.5.5.1 Chọn phương án quy hoạch thực nghiệm và lập ma trận thí nghiệm
Xác định giá trị tối ưu của các yếu tố đầu vào của hàm mục tiêu
Mục tiêu của bài toán tối ưu là xác định chế độ làm việc tối ưu cho máy, dựa trên hai hàm mục tiêu Y1 - công suất cắt và Y2 - chất lượng gia công đã được biểu diễn dưới dạng phương trình hồi quy Cần tìm ra giá trị các thông số chế độ gia công nhằm tối ưu hóa chất lượng gia công và giảm thiểu chi phí năng lượng cắt Để đạt được điều này, có thể áp dụng hai phương pháp: phương pháp hình học và giải tích, hoặc kết hợp cả hai Phương pháp hình học sử dụng các biểu đồ tương quan để đánh giá ảnh hưởng của thông số gia công đến chất lượng gia công.
Phương pháp giải tích cho phép khảo sát cực trị của hàm nhiều biến bằng cách chuyển đổi về hàm hai biến Bằng cách định trước giá trị của một biến cụ thể, ta có thể nhận được hàm hai biến để phân tích.