Kvalita povrchu a energetická náročnost při obrábění termicky modifikovaného tropického dřeva

Ing. Lukáš Kaplan

Doctoral thesis

Surface quality and energy consumption of thermally modified tropical wood machining

Abstract:

Téma ekologie a nízké energetické náročnosti výroby při zachování požadované kvality rezonuje ve společnosti v posledních letech stále více a týká se všech výrobních odvětví včetně toho dřevařského. Snažíme se snižovat uhlíkovou stopu jednotlivce i celé společnosti. Abychom byli schopni dosáhnout menší zátěže životního prostředí, lepší kvality a tím i menší zmetkovitosti, musíme přesně vědět, jak optimálně nastavit parametry všech výrobních procesů ve výrobním systému. Mezi jeden z nejvýznamnějších procesů obrábění dřeva patří rovinné frézování.Dnes se díky unikátním vlastnostem, struktuře, barvě a vzhledu využívají kromě domácích evropských dřevin i různé druhy tropických dřevin a jejich termicky modifikované úpravy. Problematika optimálního obrábění těchto dřevin pocházejících z oblasti Asie nebo Afriky nebyla doposud vědecky probádána a optimální parametry obrábění pro praxi chybí.Z těchto důvodů jsme se rozhodli v disertační práci zkoumat právě termickou modifikaci a obrábění čtyř různých tropických dřevin: Merbau (Intsia bijuga), Meranti (Shorea acuminata), Padouk (Pterocarpus soyauxii) a Iroko (Milicia excelsa). Zmiňované dřeviny byly termicky modifikovány při různých stupních finální teploty 160 °C, 180 °C, 210 °C a pro porovnání byly do výzkumu zahrunty vzorky dřeva bez úpravy. Po termické modifikaci proběhlo obrábění třemi různými nástroji s odlišnými úhly čela nástroje (15°, 20°, 25°) při třech různých řezných rychlostech (20, 30, 40 m.s-1) a třech různých posuvných rychlostech (4, 8, 11 m.min-1). Veškeré testované parametry obrábění byly vzájemně kombinované. Po obrábění byla provedena chemická analýza pro zjištění změn, které ve zkoumaných dřevinách probíhají při termické modifikaci a jejich možný vliv na kvalitu a energetiku procesu obrábění. Po zjištění hodnot kvality opracovaného povrchu pomocí kontaktního měření a vyhodnocení záznamů spotřeby elektrické energie při obrábění bylo provedeno vyhodnocení všech parametrů a jejich vzájemných interakcí. Náš výzkum přinesl odpovědi na zásadní otázky ve zkoumané oblasti.V této oblasti jsme hledali odpovědi na čtyři zásadní otázky: Jaké jsou optimální parametry k dosažení nejlepších výsledků z pohledu střední aritmetické odchylky profilu drsnosti (Ra)? Jaké jsou optimální parametry procesu obrábění k dosažení nejlepších hodnot střední aritmetické odchylky profilu vlnitosti (Wa)? Jaké jsou optimální parametry pro dosažení nejnižší možné spotřeby elektrické energie při obrábění? Čtvrtou a tou nejdůležitější otázkou bylo vyhledání optimálních parametrů s důrazem na jejich optimální vzájemnou kombinaci.

Abstract:

During last years, ecology and low energy intensity of production while maintaining demanded quality have become the issues our society has addressed. Their increasing importance influences all production areas including wood industry. We endeavour to reduce the carbon footprint of an individual as well as the whole society. We have to know how to set optimum parameters of all production processes in the production system in order to reach lower the environmental burden, better quality and thereby lower scrap rate. Plane milling belongs to the main wood machining processes.Apart from European wood species, humans make also use of various tropical wood species and their thermally modified versions because of their unique characteristics, structure, colour and appearance. Optimum machining of the wood species from Asia and Africa is a problematic which has not been explored so far and we lack optimum machining parameters for use in practice.For these reasons we decided to dedicate our dissertation thesis to the exploration of thermal modification and machining of four different tropical wood species: Merbau (Intsia bijuga), Meranti (Shorea acuminata), Padouk (Pterocarpus soyauxii) a Iroko (Milicia excelsa). We carried out thermal modification of these wood species at different final temperatures 160 °C, 180 °C, 210 °C and kept in our research also wood samples without thermal modification. After thermal treatment took place machining by means of three different tools with distinct tool rake angles (15°, 20°, 25°) while using three different cutting rates (20, 30, 40 m.s-1) and feed rates (4, 8, 11 m.min-1). We combined all tested machining parameters mutually. Once the machining was completed, the chemical analysis took place in order to determine changes which occur in examined wood species during thermal modification including their likely influence on quality and machining-process energy consumption. By means of contact measurement we defined the quality level of machined surface and evaluated the recorded energy-consumption-related data during machining. This enabled us to make a final assessment of all parameters and their overall mutual interactions. Our research brought answers to major questions in the area of examination. In this area we were searching for answers to four following main questions: What are the optimum parameters to reach the best results in terms of arithmetic mean deviation of roughness profile (Ra)? What are the optimum parameters of machining process to get the best results in terms of arithmetic mean deviation of waviness profile (Ra)? What are the optimum parameters to reach the lowest possible energy consumption during machining? The last and the most important question was to find the optimum parameters with emphasis on their optimum mutual combination.

Keywords

ThermoWood, kvalita, drsnost, vlnitost, energetika, ekonomika, obrábění, chemická analýza, tropické dřeviny

Keywords

ThermoWood, quality, roughness, waviness, energy consumption, economy, machining, chemical analysis, tropical wood species

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 17. 11. 2020

Thesis defence

• Supervisor: doc. Ing. Milan Gaff, PhD.

Czech University of Life Sciences Prague

Faculty of Forestry and Wood Sciences

Doctoral programme / field:
Forestry Engineering / Wood Processing and Forest Machinery