CC BY
42
DOI: 10.12737/2191 УДК 674.049.2
ФОРМИРОВАНИЕ ПРЯМОУГОЛЬНЫХ ШИПОВ СПОСОБОМ ТОРЦОВОГО ПРЕССОВАНИЯ
кандидат технических наук, доцент кафедры машин и технологии деревообработки
О. А. Рублева ФГБОУ ВПО «Вятский государственный университет» [email protected]
Клеевые соединения древесины широко применяются в мебельном и столярно-строительном производствах для сращивания по длине, сплачивания по ширине, получения угловых соединений деталей. Проушины и гнезда в деревянных заготовках получают, в основном, фрезерованием, сверлением, реже долблением, шипы - фрезерованием. Режущий инструмент имеет достаточно сложную конструкцию, требует сравнительно частой заточки. При обработке древесины резанием образуются отходы в виде стружки, которые необходимо удалять с использованием энергоемких систем аспирации. Волокна древесины перерезаются, что снижает качество обработанной поверхности и увеличивает расход клея. В связи с этим существенный интерес представляет разработка безотходного способа изготовления элементов шиповых соединений высокого качества.
Прессование древесины является методом механической обработки, позволяющим без отходов, за счет пластической деформации, получить деревянные детали заданной формы с высокими физико-механическими свойствами. В данной работе описан способ формирования элементов шиповых соединений торцовым прессованием, защищенный патентом РФ [1].
Способ торцового прессования шипов.
Суть способа состоит в следующем: в торец заготовки вдоль волокон внедряется пуансон простой конструкции, профиль которого соответствует форме и размерам получаемых в древесине прямоугольных шипов и проушин (рис. 1).
Пуансон
Заготовка
Деформированная зона
Рис. 1. Схема формирования проушины
пуансоном: F - усилие прессования, В - ширина проушины, ^ - глубина проушины, Ьа - глубина деформированной зоны, Н - высота заготовки
В отличие от известных способов, формирование шипов происходит за счет вдавливания объема древесины между шипами (под проушиной) в массив заготовки. Это приводит к уплотнению древесины под проушиной в зоне соединения, получению гладкой и твердой поверхности дна про-
ушины, что уменьшает впитывание клея в зоне торцового склеивания. При этом исключается появление отходов в виде стружки. Шероховатость боковых граней полученных шипов и проушин имеет меньшие значения, чем при фрезеровании древесины, при этом волокна древесины не перерезаются, что также уменьшает впитывание клея.
Технология изготовления шипов с использованием торцового прессования включает следующие этапы.
На первом этапе производится подбор заготовок по качеству. Влажность заготовок - от 6 до 18 %. Не допускается наклон волокон более 15 %, а также наличие сучков и трещин.
Торцы заготовок опиливают под углом 90 Затем заготовку закрепляют в оснастке пресса, обеспечивающей базирование, фиксацию и двух- или четырехсторонний обжим по сечению с усилием от 300 до 1400 Н, что позволяет минимизировать риск появления трещин.
Далее на прессе в торце деревянной заготовки формируют проушины и шипы (рис. 2, а) за счет внедрения металлического пуансона вдоль волокон. Скорость прессования составляет от 5 до 120 мм/ мин; давление прессования - от 30 до 100 МПа.
По достижении необходимой глубины проушин давление сбрасывают, извлекают пуансон и снимают обжим с заготовки.
Полученные заготовки направляют на механическую обработку. Затем на соединяемые поверхности наносят клей и собирают в шиповое соединение по длине (рис. 2, б) или концевое угловое соединение. Заготовки фиксируются и выдерживаются до отверждения клея.
Способ позволяет получать как видимые, так и невидимые по пласти или кромке шиповые соединения (рис. 3).
Использование изобретения снижает расходы на подготовку инструмента, энергозатраты на удаление отходов из зоны формирования шипов и снижает расход клея, тем самым уменьшая себестоимость изготовления деталей.
Усилие прессования.
Для определения усилия прессования проушины F, Н, в древесине сосны, березы, дуба получены математические модели в виде уравнений регрессии [2, 3]. Так, для следующих исходных условий: толщина образца S=25 мм, ширина А=40 мм, высота Н=60 мм, температура помещения и образца 20 °С, скорость прессования у=50 мм/мин, усилие обжима заготовки Ро=1000 Н, влажность древесины W=7..Л8 %, глубина проушины ^=4...11 мм, ширина проушины В=4...20 мм получена модель расчета усилия прессования прямоугольных проушин в образцах из древесины сосны:
F = 9812,21 - 961,04W -1486,61к + 2068,88В + 30,24W2 + 64,92к2 +
+ 45,76Жк - 68,03WB
' п 4
Анализ полученных регрессионных зависимостей показал, что наибольшее влияние на усилие прессования оказывает изменение ширины проушины В, на втором месте по степени влияния стоит влаж-
(1)
ность древесины W, глубина получаемой проушины ^ оказывает меньшее влияние.
Для применения способа в промышленных условиях необходимо исследовать качество получаемых заготовок, в том чис-
Шип
Проушина
а
н.
с
б
Рис. 2. Форма и размеры заготовок шиповых соединений: а - до склеивания; б - после склеивания, В - ширина проушины, Sш - толщина шипа, ^ - глубина проушины, Ьа - глубина деформированной зоны, S - толщина заготовки, А - ширина заготовки, Н - длина склеенного
образца
а
б в
Рис. 3. Образцы шиповых соединений на прямоугольный прессованный шип: а - открытые шипы, б - полузакрытые шипы, в - закрытые шипы
ле изменение структуры древесины в прессованной зоне и прочность клеевых соединений на прессованные шипы.
Изменение структуры древесины в деформированной зоне.
Проведены исследования изменений структуры пластически деформированной древесины под дном проушины в типичной хвойной породе (сосна), типичной лиственной рассеянно-сосудистой (береза) и типичной лиственной кольцесосудистой (дуб) влажностью W от 8 % до 30 % при внедрении призматического пуансона в торцовую поверхность образцов вдоль волокон на различные глубины.
В отличие от свободного сжатия вдоль волокон, когда происходит потеря устойчивости и сдвиг слоев древесины в двух плоскостях, радиальной и тангенциальной, при внедрении пуансона наблюдается сдвиг слоев в радиальной плоскости. На фотографиях образцов, полученных с помощью цифрового фотоаппарата Canon A530, отмечаются складки деформации сдвига зон поздней древесины в радиальном направле-
нии (на тангенциальном срезе, рис. 4, а) и утолщение зон поздней древесины (на радиальном срезе, рис. 4, б).
Микрофотографии образцов (рис. 5) получены на сканирующем электронном микроскопе JSM-6510 LV фирмы JEOL. Для исследования структуры образцы подвергались дополнительной обработке: были получены поверхности среза и скола в деформированной зоне, произведено вакуумное напыление платины.
На микрофотографиях наблюдается хорошо различимая граница между спрессованной зоной и недеформированной древесиной (рис. 5, а), что свидетельствует о наличии «пробки» из спрессованной древесины под дном проушины, имеющей отличную от исходной древесины структуру и свойства. Под нижней границей деформированной зоны встречаются отдельные поперечные трещины размером до 0,5 мм, что нарушает некоторые структурные взаимосвязи в древесине, но предполагает сохранение остальной структуры.
На рис. 5, б приведена фотография
а б
Рис. 4. Макроструктура деформированной зоны в древесине сосны, W=8 %: а - тангенциальный срез, б - радиальный срез
а б в
Рис. 5. Структура образцов: а - граница между деформированной и недеформированной зонами, увеличение в 25 раз; б - структура спрессованной зоны на радиальном сколе образца, увеличение в 50 раз; в - торцовая поверхность отпечатка, увеличение в 40 раз
участка древесины в деформированной зоне, на радиальной поверхности образца, полученной скалыванием. В слоях ранней древесины исследуемого участка имеются складки высотой от 150 до 730 мкм, шириной от 250 до 700 мкм. Высота складок в поздней зоне - от 300 до 470 мкм, ширина от 290 до 370 мкм при начальной ширине поздней зоны 310...400 мкм. Радиальный размер ранних трахеид 45.55 мкм, поздних -15.25 мкм. Длина трахеид не более 3,8 мм.
На радиальных стенках ранних тра-хеид сохраняются неповрежденными крупные окаймленные поры размером 14.17 мкм с круглыми отверстиями диаметром 5.7 мкм (рис. 5, б). Встречаются фрагменты сердцевинных лучей шириной 110.280 мкм из 5.12 рядов паренхим-ных клеток.
Картина расположения складок, их форма, а также видимая ширина ранней и поздней зоны по сравнению с первона-
чальными размерами, указывают на то, что при местном торцовом прессовании происходит преимущественно односторонний изгиб поздних трахеид. Поздние трахеиды выполняют роль структурного каркаса, обладая более высокой прочностью при местном смятии вдоль волокон. При внедрении пуансона они деформируются в направлении более мягкого слоя ранней древесины, с относительно равномерными складками высотой приблизительно 1/10 длины трахеиды и отдельными расслоениями между соседними трахеидами. При этом ранние трахеиды теряют устойчивость в радиальном и тангенциальном направлениях, образуя как мелкие, так и крупные складки. Остальные структурные элементы древесины остаются практически неповрежденными, что предполагает сохранение основных положительных свойств древесины как природного конструкционного материала.
Изучая изображение дна проушины, т.е. торцовой поверхности отпечатка (рис. 5, в), можно отметить, что её поверхность в значительной степени уплотнена, имеет низкую шероховатость - не более 80 мкм, минимальную глубину и диаметр пор, малые размеры микротрещин (глубина до 200 мкм, поперечный размер до 25 мкм). Высокое качество поверхности отпечатка создает условия для создания качественного клеевого шва: в участке торцового склеивания уменьшается расход клея, необходимого для создания необходимой толщины клеевого шва и увеличивается прочность склеивания.
Стоит отметить, что результаты многолетней выдержки склеенных на прессованные шипы образцов показали: восстановление первоначальной глубины проушины составило не более 0,4 %, что практически не влияет на качество склеивания.
Прочность клеевых соединений на прессованные шипы.
Выполнены экспериментальные исследования, целью которых являлась оценка прочности клеевых соединений на прессованные шипы [4]. Форма исследуемых заготовок приведена на рис. 2, б.
Для испытаний прочности соединений по длине на растяжение о^ и изгиб Oizw по ГОСТ 15613.5-79 и 15613.4 -78 [5, 6] на торцах заготовок толщиной S=25 мм, шириной Т=40 мм, длиной Н=160 мм (рис. 6, б) были получены профили шиповых соединений двух типоразмеров - А и Б. В типоразмере А толщина шипа составила Sш=2 мм, ширина проушины В=2,2 мм, глубина проушины ^=10 мм, шаг шипа tш=Sш+hn=4,2 мм; в типоразмере Б - Sш= 4 мм, В=4,2 мм, ^=20 мм, ^=8,2 мм. Для
склеивания применяли клей ПВА с пределом прочности на сдвиг не менее 4,4 МПА, расход клея 200 г/м.2
Прочность испытанных соединений составила 38.58 % от прочности массивной древесины, что удовлетворяет требованиям стандартов на изделия с использованием склеенных заготовок, например, ГОСТ 475-78 [7]. Экспериментально получены уравнения, позволяющие прогнозировать прочность соединений по длине на прессованные шипы [4].
Конкурентоспособность изделий с использованием соединений на прессованный шип.
Конкурентоспособность изделий с клеевыми шиповыми соединениями связана с целым комплексом показателей качества, нормируемых государственными стандартами, стандартами организаций и другой нормативной документацией, например [7, 8]. В этих документах приведены перечни показателей качества некоторых видов изделий из древесины, а также изложены методики, позволяющие оценить отдельные показатели качества соединений: прочность при растяжении, изгибе и др. В них не изложена методика, позволяющая сравнить варианты соединений по совокупности показателей и выбрать лучшие.
При проектировании изделия перед производителем встает задача выбора оптимального соединения из нескольких альтернативных вариантов. При этом необходимо учитывать целый комплекс требований, предъявляемых к изделию с точки зрения условий производства и эксплуатации изделия.
Методика сравнительной оценки
уровня качества шиповых соединений [9], базирующаяся на методах квалиметрии [10] позволяет комплексно оценить соответствие шипового соединения требованиям стандартов, потребителей и производителей.
Для оценки уровня качества шиповых соединений по дифференциальному методу предложен ряд единичных показателей:
- относительная глубина деформированной зоны Д^
- изменение макроструктуры деформированной зоны М;
- шероховатость граней проушины
Кт тах;
- относительная твердость дна проушины ДНКЬ;
- прочность соединения по длине на растяжение ор^
- прочность соединения по длине на изгиб оизг^
Единичные показатели оцениваются с помощью соотношений, приведенных в работе [4], по результатам испытаний опытных образцов в соответствии с требованиями стандартов и по результатам экспертных оценок [9]. На основании полученных данных для соединений на открытый прессованный шип, закрытый прессованный шип и ближайшего аналога для сращивания по длине - традиционного соединения на фрезерованный зубчатый шип построена лепестковая диаграмма качества (рис. 6).
Рис. 6. Диаграмма качества соединений по длине
Анализируя диаграмму, можно отметить, что соединения на открытый и закрытый прессованные шипы (ОПШ и ЗПШ) уступают соединению на фрезерованный шип по показателю «прочность на растяжение». Однако в целом показатели качества ОПШ и ЗПШ соответствуют требованиям, предъявляемым к соединениям по длине. К применению на предприятии для заданных условий [9] можно рекомендовать соединение на ЗПШ, так как оно обладает более высоким уровнем качества.
Таким образом, разработанный способ формирования элементов шиповых соединений является безотходным, энергосберегающим, экономичным и может применяться в поточных линиях и позволяет получать шиповые соединения, обеспечивающие промышленные требования.
Библиографический список
1. Пат. № 2471614 РФ, МПК B27F1/00. Способ формирования элементов шиповых соединений деревянных заготовок / О.А. Рублева. № 2011116271/13; заявл. 25.04. 2011; опубл. 10.01.2013, Бюл № 1.
2. Рублева О.А., Кузнецов Г.П. Системный подход к разработке конструкции шиповых соединений и технологии их изготовления // Деревообработка: технологии, оборудование, менеджмент XXI века. Труды V международного евразийского симпозиума / под ред. В.Г. Новоселова. Екатеринбург, 2010. С. 94-101.
3. Рублева О.А., Ганапольский С.Г. Разработка способа формирования шипов торцовым прессованием: тезисы // Февральские чтения: сб. матер. науч.-практ. конф.
проф.-препод. состава Сыктывкарского лесного института по итогам науч.-исслед. работ в 2011 году (Сыктывкар, СЛИ, 20-22 февр. 2012 г.). Сыктывкар: СЛИ - фил. «С-Петерб. гос. лесотехн. акад. им. С.М. Кирова», 2012. 1 электрон. опт. диск (CD-ROM).
4. Рублева О.А. Качество шипов, изготовленных холодным торцовым прессованием // Вестник Московского государственного университета леса. Лесной вестник. М.: МГУЛ, 2010. Вып.4. С. 160-163.
5. ГОСТ 15613.5-79. Древесина клееная массивная. Метод определения предела прочности зубчатых клеевых соединений при растяжении. Введен 01.01.80. М.: Изд-во стандартов, 1999. 7 с.
6. ГОСТ 15613.4-78 Древесина клееная массивная. Метод определения предела прочности зубчатых клеевых соединений при статическом изгибе. Введен 01.07.79. М.: Изд-во стандартов, 1999. 7 с.
7. ГОСТ 475-78 Двери деревянные. Общие технические условия. Введен 01.01.79. М.: Изд-во стандартов, 2008. 15 с.
8. Деревянные клееные конструкции. Методы испытаний клеевых соединений при изготовлении. Стандарт организации СТО 36554501-004-2006. М.: ФГУП НИЦ «Строительство», 2006.
9. Рублева О.А. Квалиметрический подход к оценке качества шиповых соединений деревянных заготовок // Advanced science. Киров: ВятГУ, 2012. Вып.1. С. 2943. [Электронный ресурс]. URL: http://www.vyatsu.ru/uploads/file/1301/1_red. pdf (дата обращения: 09.04.13).
10. Федюкин В.К. Основы квалимет-рии. Управление качеством продукции: учеб. пособие. М.: Филинъ, 2004. 296 с.
