Введение
Каждому промышленному предприятию для повышения конкурентноспособности выпускаемой продукции необходимо обеспечить такие ее качественные показатели, как формоустойчивость и ремонтопригодность в течение всего гарантийного срока эксплуатации. Изделия из массивной древесины стоят в этом ряду особняком по той причине, что ни один природный, искусственный или синтетический материал не сравнится с ней по разности свойств в трех основных проекциях, известной как анизотропия. Действительно, если взять, к примеру, такие конструкционные материалы как кирпич, металлический прут или листовое стекло, то физико-механические показатели этих материалов по длине, ширине и толщине одинаковы. Однако, этого нельзя сказать о деревянном бруске того же размера, у которого разность в аналогичных показателях может доходить до трех порядков. Кроме того, существует еще и такое объективное физическое явление как гистерезис сорбции, в результате которого после увлажнения и последующего высыхания изделие никогда не вернется к прежним размерам и форме [1, 2, 3]. Эти обстоятельства обязаны учитывать специалисты-деревообработчики при проектировании и изготовлении изделия, принимая меры к их нейтрализации и купированию [4]. При этом внешний вид и эстетические показатели изделия должны соответствовать нормативно-технической документации и договору поставок, утвержденным в установленном порядке. Кафедра механической технологии древесины ВГЛТУ в сотрудничестве с различными российскими предприятиями регулярно проводит научные исследования в этом направлении и настоящие исследования являются продолжением и развитием подобных работ [5].
Условия обеспечения вышеназванных показателей на практике диктуются первым, вторым и четвертым правилами конструирования, предложенными деканом факультета ТДО ВЛТИ Михайловым Н.А. [6]:
Первое правило. Конструировать изделия надо так, чтобы неизбежная деформация отдельных частей происходила свободно, но без нарушения формы и прочности самого изделия;
Второе правило. Отдельные детали изделия надо конструировать так, чтобы неизбежные изменения размера и формы были наименьшими;
Четвертое правило. Изделия необходимо проектировать так, чтобы они по своей форме, размерам и конструкции были рациональными, отвечали назначению, удовлетворяли техническим условиям и санитарно-гигиеническим требованиям.
Следовательно, правила конструирования настоятельно рекомендуют изготавливать отдельные элементы конструкции не из цельного отрезка древесины, а из нескольких, оптимально мелких, соединенных клеем [7, 8]. Элементы соединять в единое целое не жестко, а оставлять возможность их взаимного перемещения. Тогда напряжения, возникающие в отдельных элементах сборочной единицы или узла, будут взаимно уравновешиваться при изменении их размера и формы без нарушения целостности изделия в целом. Особенно актуальна эта проблема при проектировании столярно-строительных и мебельных изделий, эксплуатируемых в переменных климатических условиях [9, 10].
Таким образом, целью настоящих исследований было:
- установление оптимальных технологических цепочек получения переклейных конструктивных элементов;
- установление оптимальных размеров ламелей, делянок и сборочных единиц под склейку;
- обосновать целесообразность фанерования клееных элементов пиленым шпоном;
- конструирование изделий в целом без использования шипов и клея.
Материалы и методы
В данной работе исследуется первое направление склеивания древесины при промышленном использовании (рис.1, б). Для повышения объективности конечных результатов исследования проводились в условиях реальных производств двух регионов России на древесине твердых лиственных пород рубок Северного Кавказа и Центрально-Черноземного региона:
1) деревообрабатывающего предприятия ООО «Фирма «Кавказский лес», Республика Адыгея, Майкопский р-н, п. Тульский, специализирующегося на выпуске столярно-строительных изделий из массивной древесины;
2) мебельного предприятия ООО ХК «Мебель Черноземья», г. Воронеж, специализирующегося на выпуске бытовой корпусной, мягкой и решетчатой мебели.
В результате многолетних натурных исследований были отработаны технологические режимы, описанные в [5]. Практика показала, что лучшим исходным сырьем для подобных технологий является необрезная доска толщиной 32 мм, сушка которой происходит относительно быстро и равномерно, а раскрой оптимален для подавляющего большинства изделий: дверные полотна и коробки, панели, ступени лестниц, наличники, декор, мебельные фасады и т. п. После выдержки весь материал строгается по обеим пластям на рейсмусовом станке в размер 28 мм без прифуговки и сортируется на две неравные части: малая часть высшей категории качества предназначена для изготовления чистовых лицевых ламелей и после обрезки в размер по ширине раскраивается на реброделительном станке в размер по толщине 4 мм в четном количестве, что позволяет производить симметричный подбор фасадных элементов, пример которого представлен на рис. 1, а. Большая часть предназначена для изготовления переклейных основ конструктивных элементов по следующей технологической цепочке: поперечный раскрой на заготовки с припуском по длине, продольный раскрой по ширине в размер 40 и 75 мм, сращивание по длине в размер с припуском, 4-стороннее строгание, сплачивание по кромке в размер по ширине с припуском в заготовку основы, 4-стороннее строгание, облицовывание основы по одной или обеим пластям.
Далее, в зависимости от назначения, облицованные заготовки либо поступают в чистовую обработку в качестве брусков рамок фасадов, коробок, наличников и пр., либо склеиваются по кромке и далее обрабатываются по технологии в филенки, ступени, бруски каркасов полотен и пр. (рис. 2). Сбеговая рейка также перерабатывается под двойную склейку по толщине (рис. 2, б и 2, в), что повышает как итоговый полезный выход, так и формоустойчивость элемента.
Как видно, технология изготовления переклейных изделий достаточно сложна и поэтому подходит только для крупных технологически оснащенных производств под поточную продукцию. В этом случае подобная технология позволяет рационально использовать как высококачественное, так и низкосортное сырье и получать на выходе востребованный продукт с низкой себестоимостью и высокой добавленной стоимостью, а также надежностью и долговечностью при эксплуатации [11, 12].
Для определения оптимальных размеров делянок и сброчных единиц были проведены натурные исследования, проходившие в период с 01.09.2018 по 01.04.2019 гг. на Северном Кавказе и с 01.09.2019 по 01.04.2020 гг. в г. Воронеже. Для этого партии вертикальных брусков полотен и наличников, цельные и переклейные, по 16 шт. каждого вида, размещали свободно разложенными на стеллажах в помещениях и с постоянными комнатными и переменными комнатными климатическими условиями. Каждый рабочий день снимались показания психрометров в помещениях, каждую неделю фиксировалась влажность древесины и степень коробления.
Результаты
Конечные усредненные результаты исследований представлены в табл. 1.
а) б)
Рис. 1. Пример правильного исполнения правил конструирования:
а) правило №4 - посредством симметричного подбора пиленого шпона по переклейным основам филенки, каркаса полотна и наличников,
б) правило №2 - чертеж филенки с переклейной основой из делянок шириной 100 мм, фанерованных по обеим пластям шпоном пиленым
Источник: собственные вычисления (разработки)
Таблица 1
Результаты натурных исследований воздействия климатических условий в помещениях на степень
коробления конструктивных элементов
|
Вид элемента |
Размеры в чистоте, мм |
Набор и количество делянок, шт. |
Регион |
|||
|
Постоянные условия |
Переменные условия |
|||||
|
Вид коробления |
Величина коробления, мм |
Вид коробления |
Величина коробления, мм |
|||
|
Брусок полотна долевой (рис. 2, а) |
2000х120х40 |
Цельный |
По пласти |
До 5,0 |
Крыловатость |
До 12,0 |
|
1020х62х34 - 4 |
По пласти |
До 3,0 |
Крыловатость |
До 5,0 |
||
|
520х42х34 - 12 |
По пласти |
До 1,5 |
По пласти |
До 3,5 |
||
|
320х21х34 - 42 |
- |
- |
По пласти |
До 2,5 |
||
|
Брусок полотна поперечный нижний (рис. 2, б и 2, в) |
760х175х40 |
Цельный |
По пласти |
До 2,5 |
По пласти |
До 5,0 |
|
390х88х34 - 4 |
По пласти |
До 1,5 |
По пласти |
До 2,5 |
||
|
390х36х17 - 20 |
По пласти |
До 1,0 |
По пласти |
До 1,5 |
||
|
270х18х17 - 60 |
- |
- |
По пласти |
До 1,0 |
||
|
Брусок коробки долевой (рис. 2, г) |
2100х80х40 |
Цельный |
По пласти |
До 4,0 |
Крыловатость |
До 10,5 |
|
1060х42х24 - 4 |
По пласти |
До 2,5 |
По пласти |
До 5,0 |
||
|
530х21х24 - 16 |
По пласти |
До 1,5 |
По пласти |
До 2,0 |
||
|
355х21х24 - 24 |
- |
- |
По пласти |
До 1,5 |
||
|
Наличник долевой (рис. 2, д) |
2200х80х17 |
Цельный |
По пласти |
До 6,0 |
Крыловатость |
До 35,0 |
|
1120х42х14 - 4 |
По пласти |
До 3,0 |
Крыловатость |
До 13,0 |
||
|
560х22х14 - 16 |
По пласти |
До 1,5 |
Крыловатость |
До 5,5 |
||
|
375х22х14 - 24 |
- |
- |
По пласти |
До 3,0 |
||
Источник: собственные вычисления (разработки)
а) б) в) г) д)
Рис. 2. Примеры практической технологии переклейных конструктивных элементов дверного полотна: а) брусок полотна, б) и в) брусок поперечный нижний полотна, г) брусок коробки, д) наличник
Источник: собственные вычисления (разработки)
Заключение
1. Технология переклейных заготовок позволяет в несколько раз снизить коробление и повысить формоустойчивость конструктивных элементов даже в переменных комнатных условиях (входные группы, тамбуры, мансарды, чердаки, сауны, бани).
2. Необходимым и в принципе достаточным для склеивания заготовок из древесины твердых лиственных пород в столярно-строительных и мебельных конструкциях бытового и административного назначения с последующим фанерованием по пластям является однослойный способ. Для особо нагруженных конструктивных элементов возможен двухслойный. Три и более слоя на практике неприемлемы из-за выпадания из зоны оптимальности.
3. Использование цельной массивной древесины при эксплуатации изделий столярно-строительного и мебельного назначения в переменных климатических условиях недопустимо ввиду быстрой и безвозвратной потери ими формоустойчивости. Кроме того, даже при мелкосерийном производстве в этом случае крайне затруднен подбор делянок под склейку, что резко снижает эстетичность готового изделия и его цену.
4. Фанерование элементов пиленым шпоном позволяет не только вовлечь в производство большие объемы низкосортной древесины, но и резко повышает эстетичность и привлекательность изделия, что благоприятно отражается на его сбыте.
5. Для конечного внедрения в производство необходимо провести сравнительные технико-экономические расчеты норм времени на операции, производительности технологического оборудования и калькуляции себестоимости по обеим технологиям, что и планируется сделать в течение ближайшего года
