TERMÉSZETES FAANYAG ANATÓMIAI FELÉPÍTÉSÉNEK HATÁSA A FELÜLETI MINŐSÉGRE MARÁSI MŰVELET ESETÉN Doktori (Ph.D.) értekezés tézisszerű összefoglalója Magoss Ere okl. faipari mérök Nyugat-Magyarországi Egyetem Soproi Egyetemi Karok 000
1. A KUTATÓMUNKA TÁRGYA és CÉLKITŰZÉSEI A természetes faayag mechaikai megmukálása sorá a kialakuló felületi miőség már régóta fotos jellemzője a gyártott fa termékekek. A faayag fűrészelésekor keletkező fűrészelési yom meghatározza az utólagosa leválasztaó réteg vastagságát, míg gyalulásál, illetve marásál a felületi miőség a végmegmukálás szempotjából fotos. A kialakuló érességet agyo sok téyező befolyásolja. Ezek két agy csoportra oszthatóak, mechaikai megmukálás paraméterei és a faayag aatómiai jellemzői. Ezek a hatások együttese határozzák meg a kialakuló felületi érességet. Általáosa megállapítható, hogy urva mechaikai megmukálás (pl. fűrészelés) eseté a megmukálási paraméterek okozta éresség agyobb agyságreű, mit az aatómia okozta éresség. Fiom felületi megmukálás eseté viszot az aatómia hatása okozta éresség agyobb agyságreű lesz, mit a megmukálás okozta éresség. A szakiroalmat áttaulmáyozva a következő megállapítások tehetőek: 1. A szerzők abszolút többsége keresi a legmegfelelőbbek vélt mérési és kiértékelési eljárást, és rámutat a felaat összetett jellegére, a sok befolyásoló téyező következtébe.. Gyakorlatilag em találhatók szisztematikusa végzett mérési ereméyek, amelyek változók közötti összefüggéseket aáak. 3. A fa aatómiájáak hozzájárulása a kialakult érességhez az eigi vizsgálatokból em állapítható meg. Sőt az aatómia hatásával agyo kevés muka foglalkozik. 4. A meglévő szabváy elleére az Abbott-görbe paramétereit agyo kevese haszálják, peig az Abbott-görbe fotos iformációk horozója. Nem vizsgálták, hogy az Abbott görbe paraméterei hogya függek össze az általáosa haszált átlagos éresség R a és egyeetleség magasság R z értékekkel. 5. Az ugya rége ismert, hogy a késél kopása (a lekerekítési sugár övekeése) rotja a felületi érességet, e máig sics számszerűsítve kielégítő móo. Ugyaez a megállapítás voatkozik a forgácsolási sebesség hatására is. A feti megállapítások alapjá jele muka főbb célkitűzéseit az eigi fő hiáyosságok határozzák meg. Ezek közül is a legfotosabb felaat a tömör faayag aatómiai jellemzőiek meghatározása és eze jellemzők hatása a felületi miőség jellemzőire. További felaat az Abbott-görbe jellemzőiek vizsgálata és esetleges korrelációs kapcsolataiak felerítése a felületi miőségi jellemzőkkel. A késél kopásával a felületi sejtrétegek tömöröése jár együtt. Célom a felületi eformáció érességre gyakorolt hatásáak felerítése, elsősorba az Abbott-görbe paramétereiek segítségével. Célom volt továbbá egy az aatómiai struktúrát jellemző szám megállapítása, amellyel a külöböző fafajok egy reszerbe sorolhatóak, és egységese jellemezhetők a várható éresség szempotjából.. A KUTATÓMUNKA MÓDSZERE, RÖVID ÖSSZEFOGLALÁSA A vizsgálatokat elsősorba laboratóriumi körülméyek között végeztem, és csak bizoyos kiegészítő vizsgálatokra került sor üzemi körülméyek között. A vizsgálatokhoz a kiválasztott fafajokból 300 mm hosszú, 60 mm széles és 0 mm vastag próbatesteket készítettem. A vizsgálatokba bevot fafajokat úgy választottam meg, hogy a gyakorlatba előforuló lehetséges belső struktúrákat ezek magukba foglalják. A vizsgálatba
bevot fafajok a következők voltak: balsafa (Ochroma lagopus), yugati tuja (Thuja occietalis), fehér yár (Populus alba), gyertyá (Carpius betulus), ereifeyő (Pius sylvestris), lucfeyő (Picea abies), vörösfeyő (Larix eciua), fehér akác (Robiia pseuoacacia), kocsáytala tölgy (Quercus petraea), bükk (Fagus sylvatica), magas kőris (Fraxius excelsior), oregoi mirtusz (Umbellularia Califorica), ébefa (Diospyros celebica). Mie fafajból 4 mitaarab lett kivágva raiális orietációval. Az egyes próbaaraboko 4 mérőfelületet hoztam létre, amelyek egymáshoz viszoyítva 0.3 mm-rel el voltak tolva függőleges iráyba. Ez egyrészt a próbaarabok számát virtuálisa megövelte, másrészt azt a hatást is igyekezett figyelembe vei, hogy a létrehozott felület a belső eéyekhez viszoyítva miig véletleszerűe helyezkeik el. A próbaarabokat egységese CNC felsőmarógépe mukáltam meg 50 m/s kerületi sebességgel. A megmukáláshoz éles szerszámot haszáltam, amelyek az él lekerekítési sugara 10 m körül volt. Az éresség meghatározására MAHR S3P típusú tűs letapogató bereezést alkalmaztam, amely egyrészt az összes ma haszálatos érességi paramétert, beleértve az Abbott-görbe paramétereit is, automatikusa meghatározta. A mérések általába száliráyra merőlegese törtétek, azoba vizsgálatokat végeztem arra ézve is, hogy a mérési iráy a száliráyhoz viszoyítva hogya befolyásolja az érességet. A későbbi aatfelolgozáshoz szükség volt a próbaarabok főbb aatómiai jellemzőire, az eéyek illetve tracheiák és rostok belső átmérőire, azok eloszlására, és az egységyi keresztmetszetbe található arabszámra, az évgyűrű szélességre, a korai és kései pászta szélességére, valamit a térfogati sűrűségre. 3. TUDOMÁNYOS EREDMÉNYEK ÖSSZEFOGLALÁSA 1. A forgácsolási sebesség hatása az érességre: A forgácsolási sebességet 10-50 m/s között változtatva meghatároztam az R z egyeetleség magasság és az Abbott-görbe paramétereiek változását a forgácsolási sebesség függvéyébe. Érekes ereméy, hogy a vizsgált fafajokál (erei feyő, bükk) R z változását az R vk jellemzőek a változása okozza, míg az R k és R pk jellemzők csak ige kis mértékbe csökkeek a forgácsolási sebesség övelésekor. Az 50 m/s forgácsolási sebességhez közeleve az érességi paraméterek javulása léyegese csökke.. A mérés száliráyal bezárt szögéek hatása: A méréseket általába száliráyra merőlegese szokás végezi, é is így végeztem, ugyaakkor kívácsi voltam, hogy a mérési iráy és a száliráyal bezárt szög hogya befolyásolja az érességi mutatókat. A vizsgálatok mie fafajra egyértelműe mutatták, hogy a legkisebb éresség száliráyal párhuzamosa mérhető. A száliráyal bezárt szög övekeésével az egyeetleség magasság parabolikusa övekszik, és maximális értékét az 50-70-os tartomáyba éri el, és utáa a 90-os értékig kis mértékbe csökke. 3. A fafajok belső struktúrájáak hatása az érességre A struktúra hatásáak vizsgálatához elméleti megfotolások alapjá egy struktúra számot vezettem be, amely tulajoképpe a felület kialakításához átvágott eéy és rost keresztmetszetek összege egységyi hosszra voatkoztatva (1. ábra). i 1. ábra. Fa felületi moellje
A struktúra szám az alábbi egyeletből számítható: F a 1 1 b 8 3 3 4 4 (1) ahol: 1 4 - az eéyek, illetve tracheiák és rostok száma [b/cm ]; 1 4 - közepes belső átmérők; a,b - korai, illetve a kései pászta aráya. A mérési ereméyek felolgozása alapjá összefüggést találtam az R z egyeetleség magasság és a F struktúra szám között, amelyet a. ábra szemléltet.. ábra. A struktúra szám F és az R z egyeetleség magasság összefüggése A vizsgálatok fotos ereméye, hogy a külöböző fafajok a struktúra szám haszálatával egy görbe meté ábrázolhatók, és a görbe tulajoképpe bármilye struktúra számmal reelkező fafajra megaja az elérhető miimális érességet. A. ábra görbéje egyszerű hatváy függvéyel írható le: R 14 F 0.55 ; [m] () z 4. Az átlagos éresség és az egyeetleség magasság Rz összefüggései az Abbottgörbe jellemzőivel. Mivel a külöböző érességi paraméterek számítása ugyaabból az érességi profilból törtéik, ezért érekes volt megvizsgáli, hogy eze érességi paraméterek között feállhat-e belső összefüggés. A vizsgálati ereméyek felolgozása alapjá az R a átlagos éresség és az Abbott-görbe összevot paraméterei (R pk +R k +R vk ) között, függetleül a fafajtól, szoros összefüggés áll fe. Az R z paraméter és az összevot (R pk +R k +R vk ) paraméter között em áll fe szoros egyértelmű összefüggés, e az eltérések szisztematikus törvéyszerűségeket mutatak. A felolgozás sorá kierült, hogy az egyes fafajokra tapasztalható görbe eltolóások az (R k +R vk )/R z viszoyszám függvéye. A vizsgálatok egyértelműe mutatták, hogy az érességi paraméterek a faayagok térfogati sűrűségével icseek korrelációba, egyeül az Abbott-görbe R pk paramétere mutatott lazább korrelációs összefüggést a térfogati sűrűséggel. 5. Ayaghiáy a felületbe A felület éressége következtébe egy felületi ayaghiáy efiiálható, amely a felülete lévő bemélyeések térfogatát jeleti egységyi felületre voatkoztatva. Az Abbott-görbe
paraméterei lehetőséget atak arra, hogy ezt az ayaghiáyt meg lehesse határozi. A kisérleti ereméyek felolgozása alapjá egyértelmű összefüggés aóott az ayaghiáy és az R z paraméter között, függetleül a fafajoktól. 6. A szerszám él kopás hatása a felületi érességre Külöböző kopottságú szerszámmal 10-53 m él sugár között vizsgáltam a felületi éresség változását 4 fafajra. A vizsgálati ereméyek felolgozása alapjá az R z érességi paraméter és az él sugara között lieáris összefüggés aóott. Az Abbott-görbe paramétereiek vizsgálata egyértelműe mutatta, hogy a szerszám él kopásához az R k paraméter övekeése tartozik, és egyértelműe utal a szerszám él kopására. A szerszám él kopásáak további hatása, hogy a felületi profil hullámossá válik és az R k paraméter övekeése következtébe az ayaghiáy a felületbe rasztikusa övekeik. Ezek a jeleségek azzal vaak összefüggésbe, hogy a agy lekerekítésű sugarú szerszám forgácsolás közbe az alatta lévő felületet plasztikusa eformálja, vagyis rocsolja. A felületi miőség romlását elsősorba em az érességi paraméterek rasztikus romlása okozza, pélául tölgy esetébe az R z érték a szerszám él tompulásakor alig változott, haem a rocsolt felület istabil állapota. 4. AZ ÉRTEKEZÉS ÚJ TUDOMÁNYOS EREDMÉNYEI 1. A forgácsolási sebesség övelése a 10-50 m/s tartomáyba javítja a felületi érességet, alapvetőe az R vk reukált bemélyeés mélység paraméter csökkeése révé.. Meghatároztam az R z egyeetleség magasság érességi paraméter és a mérési iráy száliráyal bezárt szöge közötti összefüggést, és magyarázatát atam a görbék maximumáak közbülső szögértékek mellett. Kimutattam az R p éresség profilhegy magasság értékéek relatív csökkeését az R z egyeetleség magasság értékhez viszoyítva a bezárt szög övekeésekor. 3. Bevezettem a F struktúra számot: F a 1 1 b 8 3 3 4 4 ahol: 1 4 - az eéyek, illetve tracheiák és rostok száma [b/cm ]; 1 4 - közepes belső átmérők; a,b - korai, illetve a kései pászta aráya. amely lehetővé tette a külöböző struktúrájú fafajok érességéek együttes ábrázolását, és ezzel közös törvéyszerűség felállítását: R z 14 F 0.55 ; [m] ahol: F mm /cm-be helyettesíteő. 4. Összefüggéseket találtam és állítottam fel az általáosa haszált R a átlagos éresség és R z egyeetleség magasság paraméterek, valamit az Abbott-görbe paraméterei (R vk, R k, R pk ) között. Az R a az összevot (R vk +R k +R pk ) paraméter 0.8-es hatváyával aráyos. Az R z és az összevot paraméter (R vk +R k +R pk ) közötti összefüggés a következő: 0.65 R A R R R [m] z pk k vk
ahol az A fafajra jellemző állaó, amely azoba szité kifejezhető az Abbott-görbe egyes paramétereivel. 5. Kimutattam, hogy a térfogati sűrűség csak abba az esetbe lehet meghatározható paraméter az éresség szempotjából, ha a fákba lévő üregek egymáshoz hasoló alakúak, arabszámúak és eloszlásúak leéek. Így a természetes faayag térfogati sűrűsége em meghatározó paraméter a felületi éresség szempotjából. 6. Meghatároztam az ayaghiáy egyeértékű vastagsága he összefüggését az Abbottgörbe paramétereiek függvéyébe: h e R pk M r 1 Rk R 1 M 1 vk r [m] ahol Mr1 és Mr ecimálisa helyettesíteő. Az ayaghiáy korrelációs összefüggésbe va az egyeetleség magasság R z érességi paraméterrel. 7. Meghatároztam a szerszám élkopás hatását az érességre. Kimutattam az Abbott-görbe jeletős torzulását, és az R k értékek szisztematikus övekeését. Utóbbi alapvetőe hozzájárul az ayaghiáy rasztikus övekeéséhez. A felületi miőség romlását alapvetőe em az R z érték övekeése jeleti, haem a felső felületi rétegek eformációja (sejtsorok teljes összeyomása, felületi hullámosság). 5. PUBLIKÁCIÓS JEGYZÉK 1. Magoss E.: Forgácslap gyártósorra telepíthető folyamatos (o-lie) miőségelleőrző reszer lehetőségéek vizsgálata. Faipar, Nr.1. 1994.. E. Magoss, F. Divós: Qualitätskotrolle er Festigkeit vo Spaplatte, basiere auf er währe es laufee Prouktiosprozesses urchgeführte o lie Schwigugmessug, First Europea Symposium o Noestructive Evalutio of Woo. Proceeigs 1994. 3. Magoss, E., Meyászky L.: CAD-CAM-CNC reszerek alkalmazása a faiparba, Magyar Asztalos Nr.9. 1995. 4. Dr. Sitkei Gy., Dr. Csaáy E., Magoss E.: Nem lieáris reológiai mószer mezőgazasági ayagok tömörítéséek leírása, OTKA zárójeletés. 1996. 5. Magoss E.: Görülőcsapágyak állapotvizsgálatai mószerei, Magyar Asztalos. Nr.6. 1997. 6. Magoss E.: Forgácslapok iamikus rugalmassági moulusáak meghatározása, Rocsolásmetes Faayagvizsgálat. Egyetemi jegyzet. 53-60. o. 1999. 7. Magoss, E. a Sitkei, G.: Ifluece of Woo Structure o the Surface Roughess at Millig Operatios, Proceeigs of the 4 th ICWSF. 1999.