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        中心組合設計響應面法優(yōu)化毛竹竹筒車削去青工藝

        2020-08-24 03:54:34胡守恒陳李璨邵迎濤張水珍王新洲李延軍
        浙江農(nóng)林大學學報 2020年4期
        關鍵詞:展平竹筒竹材

        胡守恒,陳李璨,邵迎濤,3,張水珍,王新洲,李延軍,

        (1. 南京林業(yè)大學 材料科學與工程學院,江蘇 南京 210037;2. 北京林業(yè)大學 材料科學與技術學院,北京100083;3. 杭州大索科技有限公司,浙江 杭州 311251;4. 福建華宇集團有限公司,福建 建甌 353003)

        中國竹類資源十分豐富,自20世紀80年代初至今的幾十年時間內(nèi),中國竹材加工產(chǎn)業(yè)從無到有得以迅速發(fā)展[1]。傳統(tǒng)的竹加工生產(chǎn)工藝由于利用率不高,會造成竹材資源的極大浪費[2?3]。為了開展竹材的高效加工利用,竹材軟化展平,特別是竹筒無裂紋展平技術近年來發(fā)展壯大,它實現(xiàn)了以竹片和竹束為主的竹材加工構成單元向展平竹板轉(zhuǎn)變,大大提高了竹材利用率[4]。目前,專家學者主要針對于竹材軟化展平工藝與設備、竹材軟化展平機理等方面進行研究[5]。雖然竹材的軟化和展平是竹筒無裂紋展平的重中之重,但竹筒的預處理,即去青處理也極為關鍵。竹材的竹青主要由蠟質(zhì)層、硅脂層和維管束構成,且竹青部位的纖維素、木質(zhì)素比竹黃和竹肉部位都高,因此竹青層質(zhì)地堅韌,組織致密,難以壓縮、拉伸、變形和軟化[6?7]。因此,去青效果的優(yōu)劣將會影響到最終展平竹板的展平質(zhì)量。目前,學者主要研究重組竹的去青程度對物理力學強度的影響,以及去青設備的制造。而針對竹展平的去青研究鮮有報道,由于竹青的存在會對竹材展平加工產(chǎn)生不良影響,因此研究竹筒的去青工藝對實際生產(chǎn)具有積極意義。葉良明等[8]就是否去青,對重組竹板材的物理力學強度的影響進行研究;李大勝[9]對整竹去青技術及裝備進行研究;鄧健超等[10]研究了竹束去青程度對竹束單板層積材物理力學性能的影響。響應面法(response surface method,RSM)是一種采用多元回歸方程擬合響應值與因素之間函數(shù)關系的優(yōu)化統(tǒng)計方法,通過對響應曲面及等高線的分析來獲得最優(yōu)的工藝參數(shù)[11]。其中的中心組合設計方法(Box-Behnken Design,BBD)是一種基于3水平的一階或多階試驗設計建模方法,具有試驗次數(shù)少,結(jié)果準確性高的優(yōu)點[12]。車削工藝參數(shù)對毛竹Phyllostachys edulis竹筒去青效果存在潛在影響,本研究采用BBD響應面法探討竹筒轉(zhuǎn)速、進給速度和氣缸壓力對竹筒去青度的影響,從而獲得竹筒最佳車削去青工藝參數(shù)。

        1 材料與方法

        1.1 材料與儀器

        1.1.1 材料 采伐于浙江麗水竹口鎮(zhèn)的5年生新鮮毛竹(靜置室外2周),選取壁厚10~11 mm,外徑100~110 mm的竹筒截斷至75 cm。

        1.1.2 主要儀器 浙江莊誠竹業(yè)有限公司自主研制的縱向展平機、車削去青機、去節(jié)機、圓鋸機(型號:MJ105A)、高溫壓力罐、游標卡尺(精度0.02 mm)、皮尺等。

        1.2 方法

        1.2.1 竹筒去青 竹筒軟化展平的技術路線如下:備料、截斷、去節(jié)、車削去青、開槽、軟化、縱向展平、定型、刨削、銑邊、干燥[13]。截斷好的竹筒通過去節(jié)機去除內(nèi)節(jié),通過車削去青機(圖1),按照規(guī)定的車削工藝參數(shù)去青處理。去青完畢后,測量竹筒破損個數(shù)(每組試驗50個試樣)、去青厚度和去青度,作為去青效果的評價指標。其中,竹筒去青度的測量采用軟件Image J(圖2),對軟化展平后的竹板圖片進行處理分析,測量竹板上的帶青區(qū)域的面積占整個竹板面積的比例,記錄數(shù)據(jù)并計算。去青度S=(1-s1)×100%。其中:S為竹筒去青度;s1為展平竹板帶青區(qū)域的面積比例。

        1.2.2 響應面優(yōu)化試驗 在前期單因素試驗結(jié)果基礎上,采用BBD(Box-Behnken Design)響應面法進行3因素3水平的試驗,以竹筒轉(zhuǎn)速、刀具的進給速度、氣缸壓力為變量,以去青度為響應值,應用Design Expert 12 軟件,建立數(shù)學回歸模型,優(yōu)化竹筒的去青工藝。

        1.2.3 響應面最佳工藝的驗證 根據(jù)響應面試驗結(jié)果,得出較優(yōu)的去青工藝參數(shù),再進行竹筒的軟化展平并計算去青度,與響應面模型預測值對比,驗證其可靠性。

        圖1 車削去青機及去青車刀Figure 1 Turing machine of removing bamboo green and turning tool

        圖2 圖像處理前后展平竹板材試樣表面Figure 2 Surface of flat bamboo sample before and after image

        2 結(jié)果與分析

        2.1 車削參數(shù)的單因素試驗

        2.1.1 竹筒轉(zhuǎn)速對去青效果的影響 由表1可知:竹筒轉(zhuǎn)速對去青效果具有明顯影響。當竹筒轉(zhuǎn)速過低時,轉(zhuǎn)速與進給速度不匹配,竹筒表面會出現(xiàn)規(guī)律性的完全未吃刀的留青情況,導致去青質(zhì)量無法達到展平所需的要求。當竹筒轉(zhuǎn)速過高時,在單位時間內(nèi)刀具與工件及切屑的摩擦頻率增大,導致竹青面重復吃刀,去青厚度增大,甚至有可能切削到竹肉。高轉(zhuǎn)速下竹筒的去青厚度達1.00 mm,大于竹筒本身竹青層的厚度,降低了出材率。因此在進給速度和氣缸壓力一定的條件下,竹筒轉(zhuǎn)速以48~56 r·min-1為佳。

        2.1.2 進給速度對去青效果的影響 由表2可知:隨著進給速度增大,竹筒的去青厚度和去青度總體呈下降趨勢,導致去青質(zhì)量無法達到展平所需的要求。若進給速度過小時,單位時間內(nèi)刀具相對于工件位移量小于工件每旋轉(zhuǎn)1周時,刀具切削所產(chǎn)生的切削寬度,導致重復切削,去青厚度增大,甚至有可能切削到竹肉。根據(jù)實際生產(chǎn)要求,在保證去青效果達到要求的前提下,應盡可能的選用較大的進給速度以獲得最大的生產(chǎn)效率。因此在竹筒轉(zhuǎn)速和氣缸壓力一定的條件下,進給速度以0.25~0.35 m·min-1為佳。

        2.1.3 氣缸壓力對去青效果的影響 氣缸壓力是指用于頂緊去青車刀的氣缸預先設置好的壓力大小。由表3可知:隨著氣缸壓力的增加,竹筒的去青厚度和去青度均有大幅度的增長,但此時破裂率也大大增加。壓力的增加使得切削深度增加,進而使車削力變大。當車削力超出竹筒所能承受范圍時,竹筒撕裂。因此雖然較大的壓力可以提高竹筒的去青質(zhì)量,但破裂率也同時提高,不符合實際生產(chǎn)的要求。綜上所述,在竹筒轉(zhuǎn)速和進給速度一定的條件下,氣缸壓力以0.10~0.20 MPa為佳。

        表1 竹筒轉(zhuǎn)速的單因素試驗結(jié)果Table 1 Single factor experimental result of bamboo roration speed

        表2 進給速度的單因素試驗結(jié)果Table 2 Single factor experimental result of bamboo feed speed

        表3 氣缸壓力的單因素試驗結(jié)果Table 3 Single factor experimental result of bamboo pressure

        2.2 響應面法對竹筒的去青工藝優(yōu)化

        2.2.1 響應面試驗設計與結(jié)果 BBD響應面試驗因素與水平見表4,試驗設計及結(jié)果見表5。經(jīng)Desigin-Expert 12 軟件對17個試驗點的去青度進行回歸統(tǒng)計分析,得到的去青度Y回歸方程Y=40.66+6.56A-2.96B+12.60C-0.5775AB-0.515AC-1.91BC-1.0.343A2+1.86B2。通過二次回歸方程計算模擬,當A=60 r·min-1,B=0.25 m·min-1,C=0.20 MPa時,此時去青度Y的理論最佳值為66.97%。由表6可知:該模型的F=232.45,P<0.000 1,達極顯著水平,說明該模型有意義。失擬項P=0.391 9>0.05,表明其影響不顯著,無失擬因素存在,且預測值與校正R2adj接近,說明試驗操作和理論預測可信,可用該回歸方程代替試驗真實點對結(jié)果進行分析。由回歸方程系數(shù)的顯著性檢驗說明可知:模型一次項(A、B、C)影響極顯著,交互項(BC)和二次項(B2)影響顯著,其余變量對去青度的影響不顯著。依據(jù)回歸方程Y內(nèi)的系數(shù),A的系數(shù)為6.56、B的系數(shù)為-2.96、C的系數(shù)為12.60,可得出因素對去青度的主效應順序為:C>A>B,即氣缸壓力>竹筒轉(zhuǎn)速>進給速度。

        表4 響應面BBD試驗因素及水平Table 4 Factors and levels of BBD test

        表5 響應面BBD試驗設計及結(jié)果Table 5 Design and results of BBD test

        表6 回歸模型方差分析Table 6 Variance analysis of regression model

        2.2.2 響應面優(yōu)化分析 響應面分析中等高線圖可以直觀反映各因素之間的相互作用。等高線圖中的線條呈圓形表示兩因素的交換作用不顯著,若呈橢圓形則表示交換作用顯著。如圖3所示:竹筒轉(zhuǎn)速和進給速度交換作用較顯著,且進給速度在軸向等高線變化較為密集,竹筒轉(zhuǎn)速在軸向等高線變化較為稀疏,因此竹筒轉(zhuǎn)速對去青度峰值影響較大;如圖4所示:竹筒轉(zhuǎn)速和氣缸壓力交換作用顯著,且壓力在軸向等高線變化較為稀疏,竹筒轉(zhuǎn)速在軸向等高線變化較為密集,因此壓力對去青度峰值影響較大;同理,如圖5所示:進給速度和氣缸壓力交換作用顯著,且壓力在軸向等高線變化較為稀疏,進給速度在軸向等高線變化較為密集,因此壓力對去青度峰值影響較大。

        圖3 竹筒轉(zhuǎn)速和進給速度對去青度相互影響的響應面圖和等高線圖Figure 3 Contour and response surface plots of Y=f(A, B)

        圖4 竹筒轉(zhuǎn)速和氣缸壓力對去青度相互影響的響應面圖和等高線圖Figure 4 Contour and response surface plots of Y=f(A, C)

        圖5 進給速度和氣缸壓力對去青度相互影響的響應面圖和等高線圖Figure 5 Contour and response surface plots of Y=f(B, C)

        2.2.3 響應面最優(yōu)工藝的驗證 通過響應面法優(yōu)化得到的最佳車削去青工藝:當竹筒轉(zhuǎn)速為60 r·min-1,進給速度為0.25 m·min-1,氣缸壓力為0.20 MPa時,得最大去青度為66.97%。采用上述的工藝條件進行實際驗證,得到的去青度為65.36%,與理論預測值的誤差為-2.37%,證明模型是合理的,可用于實際去青度的預測。

        3 結(jié)論

        本研究采用車削去青工工藝對竹筒進行去青處理,通過單因素試驗和BBD試驗對工藝進行優(yōu)化,得出最佳去青條件:竹筒轉(zhuǎn)速為60 r·min-1,進給速度為0.25 m·min-1,氣缸壓力為0.20 MPa,竹筒的去青度為66.97%。同時,建立了竹筒去青度與各因素變量的二次回歸模型方程,該模型極顯著,且失擬項不顯著,表明該方程對試驗擬合性好,可以應用于實際生產(chǎn)加工之中。

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