Статьи

Клееные материалы из цельной древесины в основном используются как несущие строительные и столярные конструкции. В производстве клееного бруса для домостроения выход продукции составляет от 20 до 30% от объема пиловочника.

Низкий объемный выход обуславливается отходами и потерями древесины при обработке, включающими:

• до 50% − объем отходов бревен при формировании пиломатериалов;
• до 15−20% − объем пороков в пиломатериалах, которые необходимо вырезать;
• до 4−7% − потери на обработку в размер по сечению (строгание) материалов до и после линии сращивания;
• до 6% − безвозвратные потери материала на усушку;
• потери, возникающие при торцовке пиломатериалов и бруса в размер по длине; зависят от спецификации готовой продукции и могут составлять до 8−10%.

При выбраковке всего одного кубометра клееных конструкций фактические потери составляют около 4 м3пиловочных бревен (3−4 дерева в возрасте спелости). При таком выходе готовой продукции на первый план выходит обеспечение контроля качества материалов и изделий на всех этапах технологического процесса.

Рассмотрим каждый этап подробно, чтобы определить, каким образом целесообразно организовать и реализовать работу, призванную обеспечить контроль качества изготавливаемого изделия.

Этап первый

На этом этапе производителям необходимо определиться с выбором сырья для изготовления клееных конструкций. На множестве небольших предприятий предпочитают использование покупных пиломатериалов, обходясь без собственного участка лесопиления. Зарубежный опыт показывает жизнеспособность такой модели, однако ее не всегда можно реализовать в российских условиях. За рубежом пиломатериалы, формируемые в лесопильном цехе, сортируются с помощью силовых и акустических установок для определения их физико-механических свойств, что является обязательным условием их использования в производстве несущих клееных конструкций. Проведение такой сортировки позволяет не только гарантировать прочностные свойства, но и экономить пиломатериалы. По ее результатам определяется местоположение пороков строения древесины, которые влияют на качество и должны быть удалены (вырезаны). Следует также отметить, что для изготовления клееных конструкций целесообразно использовать пиломатериалы радиального и полурадиального распила, большой выход которых возможен только при реализации специальных схем раскроя бревен, что не всегда выгодно производителю пиломатериалов.

Выполняя раскрой пиловочных бревен, производители клееного бруса имеют возможность выпиливать пиломатериалы из различных зон бревен − тех, где древесина с требуемыми свойствами, приоритет которых определяется в зависимости от вида используемого связующего и назначения клееных элементов. Тем самым сокращаются потери древесины на отбраковку пиломатериалов с несоответствующими требованиям технологии свойствами.

Изготовители клееного бруса, которые не обеспечивают производство собственными пиломатериалами, а приобретают их, вынуждены организовывать участок сортировки пиломатериалов по качеству и наклону волокон древесины. Как правило, создание такого участка предусматривается на этапе проектирования предприятия.

Этап второй

Следующей операцией, в ходе которой формируется большинство эксплуатационных свойств будущих клееных конструкций, является сушка пиломатериалов.

Многие производители клееных деревянных конструкций в стремлении увеличить объем производства не хотят использовать для подготовки качественной древесины мягкие режимы, поскольку так увеличивается продолжительность сушки.

Бытует мнение, что клееный брус не подвержен короблению, но это верно только в том случае, если сушка выполнена в мягком режиме и после нее проведено кондиционирование пиломатериалов для выравнивания влажности и внутренних напряжений, а также при условии правильной сборки ламелей в брусе.

Современные клеи способны склеивать древесину с влажностью до 15%, однако их применение не гарантирует целостности клеевого соединения и стабильности формы продукции при нарушении технологии сушки и последующей релаксации напряжений, возникающих в древесине (рис. 1).

Этап третий

На этой стадии производства выполняется подготовка поверхностей ламелей к склеиванию.

Известно, что поверхность древесины постепенно «стареет» и теряет способность к склеиванию (уменьшается число свободных радикалов, способных взаимодействовать с клеем), поэтому производство должно быть организовано таким образом, чтобы не позднее чем через полсмены (3−4 часа) ламели, обработанные в размер по сечению на строгальных (продольно-фрезерных) станках, поступали на участок склеивания.

«Старение» древесины сопровождается поднятием ворса и ухудшением смачиваемости поверхности клеем, что ведет к увеличению расхода клея при нанесении вальцами или кистью. В результате не только снижается адгезионная способность древесины, но и возрастает толщина клеевого слоя, что также негативно сказывается на прочности клеевого соединения.

Увеличение толщины клеевого соединения может быть также вызвано кинематическими неровностями на поверхности ламелей, возникающими при их обработке (рис. 2).

Высоту (h) и длину (l) волны определяют по формулам (1), где h − высота волны, мм; l − длина волны, мм; R − радиус режущей кромки лезвия цилиндрической фрезы, мм, и (2), где U − скорость подачи, м/мин; n − частота вращения шпинделей, мин-1; z − число ножей, шт.

По данным компании Leitz [2], для достижения баланса между качеством обработки поверхности ламелей и рациональным режимом работы режущего инструмента необходимо обеспечить длину кинематической волны 1,3−1,7 мм (рис. 3). В производственных условиях обоснование требуемых параметров работы оборудования может быть определено экспериментальным путем, исходя из свойств обрабатываемой породы древесины и инструмента.

Длина и высота кинематических неровностей зависят от вида и степени затупления режущего инструмента, а также от скорости подачи и резания.

Помимо увеличения толщины клеевого соединения за счет образования полостей из-за кинематических волн между склеиваемыми поверхностями происходит изменение параметров работы оборудования, что также оказывает отрицательное влияние на качество его работы (рис. 4) и, соответственно, на качество подготовки склеиваемых поверхностей [3].

Этап четвертый

На этом этапе производится формирование клееного бруса. Довольно распространенная ошибка на современных предприятиях: при сборке ламелей в брус крайне мало внимания уделяется ориентации ламелей относительно направления волокон древесины.

Ламели, как правило, визуально сортируют только по качеству, без учета места их выпиловки из бревна, хотя формоустойчивость бруса в условиях эксплуатации обеспечивается именно за счет различного направления волокон древесины в смежных слоях, что необходимо для снижения влияния анизотропии древесины.

Конструкция бруса в поперечном сечении должна отвечать правилам симметрии и состоять из нечетного количества ламелей для уменьшения напряжений, возникающих при отверждении связующего и в результате усушки и разбухания (такие напряжения могут возникать также при эксплуатации бруса, работающего на изгиб).

При использовании в процессе изготовления бруса четного числа ламелей максимальные касательные напряжения приходятся на клеевое соединение, как правило, работающее на скалывание хуже, чем цельная древесина.

При укладке ламелей необходимо обеспечить их сборку таким образом, чтобы в качестве лицевых не использовались сердцевинные доски, ориентированные сердцевиной наружу (рис. 5).

Под влиянием температурно-влажностных изменений внешней среды и внутренних напряжений древесины в ламелях (особенно при толщине более 33 мм) может происходить отслоение и выпадение сердцевинной трубки из бруса в процессе его эксплуатации.

В соответствии с ГОСТом 20850−84 «Конструкции деревянные клееные. Общие технические условия» толщина склеиваемых слоев в клееных элементах должна составлять 20±1 мм и 33±1 мм, на основании чего производители принимают допуск на размер равным 2 мм − даже при изготовлении ламелей нестандартных толщины и ширины.

Разнотолщинные ламели, которые формально находятся в поле допуска по толщине, довольно сложно склеивать, поскольку для обеспечения требуемой прочности клеевого соединения необходимо обеспечить контакт между склеиваемыми поверхностями, что, с учетом большого числа ламелей в прессе, требует приложения повышенного давления.

Помимо этого, вследствие разнотолщинности ламелей при их склеивании в древесине возникают внутренние напряжения, вызванные неравномерным сжатием по толщине и способные привести к разрушению клеевого соединения.

Не менее важным моментом технологического процесса является обеспечение постоянной ширины пиломатериалов. При склеивании бруса по толщине давление прикладывается к пластям пиломатериалов.

Для формирования бруса требуемой геометрической формы пакет ламелей предварительно фиксируется при помощи фронтальных прижимов, которые передают давление на кромки пиломатериалов. При склеивании зафиксированных фронтальными прижимами ламелей разной ширины может происходить их смещение (рис. 6), в результате которого при приложении давления к пластям не будет обеспечен контакт между склеиваемыми поверхностями.

Показатели прочности клеевого соединения при скалывании на разных участках длины бруса будут разными [4], и зависят они не только от физико-механических характеристик склеиваемых ламелей, плотности их контактных слоев, но и от жесткости прижимной балки пресса и числа цилиндров, передающих давление на склеиваемые заготовки. Давление прессования в зависимости от давления в системе может быть определено по формуле (3), где Pр.ж − давление рабочей жидкости в прессе, МПа; F − площадь склеиваемой поверхности, м2; n − число i-х цилиндров.

Создание качественного клеевого соединения зависит не только от условий подготовки ламелей, но и от связующего. При приготовлении и нанесении клея необходимо выдерживать в цехе заданные производителем клея температурновлажностные условия, поскольку они оказывают влияние на жизнеспособность связующего и продолжительность открытой/закрытой выдержки.

При использовании многокомпонентных клеев, подготовленных к нанесению с нарушениями технологии, или в случае их применения по истечении срока жизнеспособности отверждение может произойти преждевременно, и только между склеиваемыми поверхностями − без проникновения в контактные слои древесины. Подобные дефекты склеивания довольно сложно распознать в производственных условиях без проведения испытаний клееного бруса по всей его длине с помощью рентгенографии или ультразвука. Выполнить испытания при помощи методов разрушающего контроля в данном случае невозможно. Разрушение таких клеевых конструкций, как правило, происходит во время их эксплуатации в результате смены температурно-влажностных условий, влекущих изменение размерных характеристик ламелей, которые при этом не сдерживаются должным образом клеевыми соединениями.

При склеивании заготовок в прессе клеевое соединение обычно не успевает набрать требуемую прочность, для достижения которой необходимо обеспечить выдержку бруса после прессования. Продолжительность выдержки определяется типом связующего по рекомендациям изготовителя.

Выдержка осуществляется на подстопных местах, основным требованием к которым является прямолинейность основания, не позволяющая брусу деформироваться под действием собственной массы.

При сборке домов из деформированного клееного бруса образуются щели (рис. 7, 8).

Этап пятый

Заключительным этапом процесса производства клееного бруса является формирование соединительных элементов.

После склеивания и технологической выдержки необходимо выполнить профилирование бруса для формирования монтажных пазов и гребней, а также полостей, в которые укладывается утеплитель.

На этой стадии может происходить снижение качества бруса за счет вскрытия смоляных кармашков и выпадения сучков, которые были незамечены или неверно определены на предыдущих стадиях технологического процесса.

Для их заделки целесообразно использование различных вставок в форме «лодочек» или «пробок» из цельной древесины.

Вскрывшиеся дефекты могут быть удалены и при формировании соединительных лап и чашек, а также при торцовке бруса.

lesprominform.ru

Четырехсторонние станки. История. Классификация. Технологические схемы.

История создания.

    Первый строгально-калевочный станок - предшественник современных четырехсторонних станков - был запатентован в 1827 году Joseph Bramah и Malcolm Muir.

    Распространению данных станков мешало отсутствие индивидуального привода. Привод был групповым, то есть общим для всех станков, и осуществлялся от вала водяного колеса, а позднее - от вала паровой машины, проходил через весь цех, и от него отходили отдельные ременные передачи для каждого вращающегося агрегата. Понятно, что подвести сразу несколько приводных ремней ко всем четырем шпинделям, расположенным в четырехстороннем станке и вертикально, и горизонтально, а также к механизму подачи, было весьма непросто.

    Но в 1907 году английская фирма Wadkin создала DC Pattern Miller с отдельным электродвигателем, что дало толчок развитию деревообрабатывающих станков с приводом от собственного электродвигателя. Начался период промышленной деревообработки, в развитии технологий которой четырехсторонние станки сыграли одну из главных ролей.

Классификация.

    Назначение четырехсторонних строгальных станков - строгание, фрезерование брусков, досок или бруса для получения заготовок и деталей, имеющих прямоугольное или профильное постоянное по всей длине сечение.

    Область применения - деревообрабатывающие и мебельные предприятия, выпускающие погонажные изделия, детали мебели из дерева, строительного бруса и балок.

    За многие годы, прошедшие с момента их изобретения, четырехсторонние станки сохранили весь изначально заложенный в них состав узлов, хотя и серьезно изменились за счет совершенствования конструкции.

    Любой такой станок и сегодня включает в себя станину с расположенными на ней столами (рабочим и фуговальным); продольные направляющие линейки; механизм подачи (концентрированный или распределенный); прижимы для заготовок (боковые и вертикальные); фрезерные агрегаты (горизонтальные и вертикальные) и систему управления.

    По исполнению четырехсторонние станки условно подразделяются на три основные группы. К первой относят легкие, с шириной обработки деталей до 180 мм. Они предназначены преимущественно для производства погонажных столярных изделий (наличников, плинтусов и т. д.) Скорость подачи таких станков - от 6 до 24 м/мин, число шпинделей - 4-6. Станки второй группы - средние, с шириной обработки до 250 мм. Применяются для производства строительного погонажа, брусьев, досок и т. д. Скорость подачи станков этой группы - 8-60 м/мин, а у станков для калибрования пиломатериалов - 150 м/мин и выше. Третья группа - тяжелые станки с шириной обработки до 600 мм. Служат для обработки строительных балок, стенового клееного бруса и других подобных деталей с большим поперечным сечением.

    Существуют и сверхтяжелые четырехсторонние станки с шириной фрезерования до 2600 мм, используемые при обработке широких клееных щитов и балок.

    Существует также деление четырехсторонних станков по технологическому назначению. Обычно у станков имеется, как правило, всего четыре шпинделя для обработки заготовки снизу, с обоих боков и сверху.

    Если четырехсторонние станки снабжены устройствами и фрезерными агрегатами для устранения кривизны (покоробленности) исходных заготовок, то по аналогии с ручным фуганком на профессиональном языке они могут называться фуговальными. У них имеются на входе удлиненный рабочий (фуговальный) стол и агрегаты, обеспечивающие создание плоской базовой поверхности на нижней пласти и кромке исходных заготовок.

    Станки, оснащенные на выходе дополнительным, пятым, шпинделем, предназначенным для выборки глубокого продольного профиля на заготовках или их продольного раскроя пилами на заготовки, называются калевочными - по аналогии с рубанком-калевочником. Станки, совмещающие функции фугования и отборки профиля и оснащенные соответствующими узлами и агрегатами, называются фуговально-калевочными.

    Первый калевочный станок сконструировал в 1920 году в Германии Армин Бернер. Работая в фирме Gubisch, он усовершенствовал конструкцию станка и расширил спектр его функций, в результате чего был создан первый фуговально-калевочный четырехсторонний станок.

Технологические схемы.

    Любой четырехсторонний станок можно рассматривать как комбинацию механизмов фрезерных станков, сгруппированных на одной станине в порядке последовательности выполнения операций по обработке деталей.

 При классической схеме расположения шпинделей первым по подаче располагается нижний горизонтальный, который, подобно шпинделю фуговального станка, создает на нижней пласти заготовки прямолинейную плоскую базовую поверхность. Затем в станке устанавливается первый вертикальный шпиндель (справа), задачей которого является создание плоской прямолинейной базовой поверхности на кромке заготовки, которая будет строго перпендикулярна базовой, сформированной на ее нижней пласти. Работа этого шпинделя подобна работе фрезерного вертикального станка с нижним расположением шпинделя, выполняющего функцию фугования кромки.

    В станках классической схемы за первым вертикальным шпинделем следует аналогичный, но выполняющий функцию рейсмусовой обработки для получения заданной ширины заготовки. Этим же шпинделем может одновременно выполняться и формирование профиля на кромке.

    Толщина формируется верхним горизонтальным шпинделем за счет съема припуска с верхней пласти заготовки - аналогично обработке на одностороннем рейсмусовом станке. Этим же шпинделем при установке соответствующего инструмента можно формировать и профиль на верхней пласти заготовки.

    Таким образом, на четырехстороннем станке последовательно обрабатываются все четыре продольные поверхности детали, что, собственно, и предопределило название оборудования.

    Однако в ряде случаев последовательность расположения и количество шпинделей в четырехстороннем станке могут отличаться от принятых в классической схеме.

    Основное значение при этом имеет форма сечения обрабатываемого профиля. У него может быть, например, большая глубина припуска, который невозможно снять одной фрезой из-за необходимости большого увеличения диаметра фрезы. Величина (глубина) припуска может ограничиваться мощностью привода одного шпинделя, что не позволит удалить припуск полностью за один проход. У профиля могут также иметься какие-то поднутрения, недоступные для горизонтальной или вертикальных фрез.

    Кроме того, при продвижении обрабатываемой заготовки через станок, посредством надежного контакта с элементами механизма подачи должна обеспечиваться строгая равномерность этого перемещения. Но, скажем, при изготовлении деталей треугольного или близкого к нему сечения на заготовке просто не остается поверхностей, пригодных для контакта с вальцами механизма подачи, и окончательное формирование профиля должно производиться несколькими фрезами, установленными на суппортах, которые расположены как можно ближе к выходной стороне станка.

    Все это может привести к необходимости использования в станке дополнительных горизонтальных и вертикальных шпинделей, в том числе наклоняемых.

    Но наиболее часто в калевочных четырехсторонних станках для формирования относительно несложных профилей используется пятый, дополнительный, шпиндель, суппорт которого позволяет размещать его сверху, снизу, слева или справа от заготовки или наклонять под любым заданным углом.

    Патент на такой универсальный калевочный суппорт, переставляемый в различные положения, был получен в 1954 году немецкой фирмой Weinig.

    Число шпинделей, по сравнению с классической схемой, увеличивается и в фуговальных четырехсторонних станках. А о принципе работы этого оборудования и способах фугования речь пойдет в следующей статье.

lesprominform.ru