Теоретические основы гнутья

Сущность явлений, происходящих при гнутье древесины, в основ- ном сводится к следующему.

Из курса сопротивления материалов известно, что при изгибе любо- го тела в пределах упругих деформаций возникают нормальные к попе- речному сечению напряжения: растягивающие на выпуклой и сжимаю- щие на вогнутой стороне. Между зонами растяжения и сжатия находит- ся нейтральный слой, нормальные напряжения в котором равны нулю. Поскольку величина нормальных напряжений изменяется по сечению, возникают скалывающие напряжения, стремящиеся как бы сдвинуть одни слои детали относительно других. Так как этот сдвиг невозможен, изгиб неизбежно сопровождается растяжением на выпуклой и сжатием на вогнутой стороне детали.

Величина возникающих деформаций растяжения и сжатия зависит от толщины бруска и радиуса изгиба. Допустим, что брусок прямоуголь- ного сечения изогнут по дуге окружности и что деформации в бруске прямо пропорциональны напряжениям, а нейтральный слой находится в середине бруска.

Как показали исследования, в процессе гнутья деформации растяже- ния и сжатия протекают одновременно, но не по всему сечению бруска, а только на участке непосредственного набегания бруска на шаблон, в зоне линии, соединяющей ось шаблона с осью прессующего ролика. Этот процесс сопровождается сдвигом слоев древесины вдоль волокон, как показано линиями, нанесенными на боковую сторону бруска перед гнутьем.

Бездефектный изгиб бруска возможен только до предела, пока вели- чина относительного удлинения растянутых или относительного сжатия сжимаемых слоев не превысит предельных значений для данного мате- риала.

Выведенное выше отношение действительно для материалов, у ко- торых сопротивления растяжению и сжатию равны. Если сопротивле- ние материала сжатию будет больше, чем растяжению, то нейтральная линия при изгибе будет смещаться к вогнутой стороне.

При большем сопротивлении материала растяжению нейтральная линия будет смещаться к выпуклой стороне, что наблюдается у древе- сины. При свободном изгибе древесина разрушается от разрыва наруж- ных, растянутых слоев.

Объясняется это тем, что допустимая величина деформации растя- жения у древесины очень мала, всего 1 – 2%, в то время как предел де- формации сжатия составляет 15 – 25%.

Возможности гнутья могут быть значительно увеличены, если ис- пользовать способность пропаренной древесины полностью восприни- мать значительные деформации сжатия.

Это достигается применением тонкой стальной ленты (шины), на- кладываемой на наружную сторону бруска до изгиба. Шина снабжена упорами, в которые упираются торцы изгибаемого бруска. Так как со- противление стальной шины растяжению значительно больше, чем со- противление древесины, то при изгибе бруска она будет препятствовать растяжению наружных слоев и изгиб произойдет в основном за счет де- формации сжатия на вогнутой стороне бруска.

Таким путем искусственно вызывают смещение нейтрального слоя к наружной стороне изгибаемого бруска и увеличивают в бруске дефор- мации сжатия. Для предупреждения откалывания и разрывов волокон на выпуклой стороне бруска в начальной стадии изгиба шине дают на- тяжение, сжимая брусок ее упорами, расположенными на концах шины. Величина начального натяжения шины не должна быть большой, так как чрезмерные деформации сжатия могут вызывать брак гнутья в

виде складок на вогнутой стороне.

Наилучшие результаты гнутья могут быть достигнуты при полном использовании способности древесины принимать деформации сжатия и растяжения. Это обеспечивается применением гнутарного станка с подвижным упором шины.

Напряжения сдвига достигают значительной величины и могут вы- зывать скалывание вдоль волокон. Требуется тщательная гидротерми- ческая обработка брусков перед гнутьем. Поэтому гнутье не доводят до самого конца бруска во избежание скола у торца.

Необходимым условием гнутья хвойных и мягких лиственных по- род таким способом является применение шины с подвижным упором. Насечка на шаблоне должна иметь наклон в сторону заднего упора, чтобы предотвращать перемещение внутренних слоев бруска по ша- блону и образование складок из-за напряжений сдвига. Такой способ гнутья позволяет изгибать не только бездефектную древесину, но и древесину с крупными сучками, расположенными на наружной сто- роне бруска.

Технология гнутья

Технологический процесс гнутья древесины состоит из гидродина- мической обработки, гнутья и сушки изогнутых деталей для стабилиза- ции приданной формы. В общем технологическом процессе изготовле- ния изделий место гнутья непостоянно. Чаще всего оно следует непо- средственно за раскроем.

Технологический процесс происходит так: раскрой на заготовки, ги- дротермическая обработка заготовок, гнутье, сушка и механическая об- работка гнутых заготовок. В некоторых случаях гнутью подвергают уже частично обработанные детали. Например, задние ножки гнутого стула изгибают обычно после обработки на круглопалочных копировальных станках, а после гнутья только шлифуют.

Заготовка материала для гнутья. Раскрой пиломатериалов на за- готовки для гнутья возможен различными способами. В некоторых слу- чаях заготовку для гнутья получают путем раскалывания коротких от- резков кряжей (чураков).

Получаемая при этом колотая заготовка, как правило, не имеет пере- резанных волокон, поэтому при изгибании дает наименьший процент брака.

Недостаток такого способа – низкий выход заготовок из кряжа (при- близительно на 20 – 25% ниже, чем при выпиливании) и большая трудо- емкость этой операции, которую выполняют вручную.

Рис. 37 – А – Принципиальная схема гнутья древесины:

1 – шаблон; 2 – заготовка; 3 – шина; 4 – неподвижный торцевой упор; 5 – подвижный торцевой упор.

Б – Схема гнутья древесины с одновременным прессованием:

1 – шаблон; 2 – заготовка; 3 – шина; 4 – прессующий ролик

На индустриальных предприятиях в большинстве случаев пользу- ются обычными методами выкраивания заготовок из досок на кругло- пильных станках.

К качеству древесины заготовок для гнутья предъявляют повы- шенные требования: рационально раскраивать древесину по предва- рительной разметке, не допускать в заготовках дефектов, вызываю-

щих брак гнутья. Заготовки необходимо вырезать только из здоровой древесины. Отклонение направления волокон от оси бруска (косо- слой) не должно превышать 5 – 10°. При раскрое следует добиваться, чтобы продольные резы шли по возможности вдоль волокон обреза доски.

При обычных методах гнутья в заготовках совершенно не допуска- ются сучки, в том числе и здоровые, вполне сросшиеся с древесиной. При гнутье с одновременным прессованием сучки допускаются в до- вольно больших пределах, что резко увеличивает выход заготовок.

Нормы допускаемых пороков указываются в технических условиях на изделия. Выкраивать заготовку следует с учетом припусков на после- дующую обработку. Для гнутья с одновременным прессованием, кроме припуска на механическую обработку, должен учитываться припуск на упрессовку поперек волокон (рис. 37).

Величина упрессовки зависит от породы древесины и в среднем со- ставляет 30 – 35% для сосны и ели, 50% для пихты, 20% для лиственни- цы, 25% для березы от первоначального размера. Кроме того, следует давать повышенный припуск по длине заготовки.

Гидротермическая подготовка. Гидротермическая подготовка пе- ред гнутьем необходима для того, чтобы повысить пластичность дре- весины. Под пластичностью понимают свойство древесины изменять свою форму без разрушения под влиянием внешних сил и сохранять эту форму после прекращения действия этих сил.

Пластичность древесины при производственной влажности (6 – 10%) и комнатной температуре незначительна. В таком состоянии древесина требует для изгибания больших усилий и не допускает больших дефор- маций. Деформации получаются в основном упругими, т. е. исчезающи- ми после прекращения действия вызвавших их сил.

Пластичность древесины значительно повышается при нагреве во влажном состоянии. Это объясняется тем, что часть веществ, входящих в состав клеток древесины, при нагревании переходит в состояние кол- лоидного раствора, в результате чего снижается жесткость клеток, а сле- довательно, и всей массы древесины.

Если влажную древесину высушить в деформированном состоянии, то находившиеся в растворенном состоянии коллоидные вещества за- твердеют и сохранят приданную заготовке форму.

Опыт показывает, что наилучшие результаты получаются при гнутье древесины влажностью 25 – 30%, т.е. близкой к точке насыщения волок- на. Как более низкая, так и более высокая влажность неблагоприятны. При меньшей влажности древесина менее пластична. Влажность сверх

25 – 30%, не улучшая условий гнутья, удлиняет сроки сушки изогнутых деталей и экономически невыгодна.

Излишняя влажность вредна потому, что при изгибе и сжатии дре- весных клеток находящаяся в них вода может местами разрывать стенки клеток, делая поверхность ворсистой.

Гидротермическая подготовка перед гнутьем чаще всего заклю- чается в пропаривании или проваривании древесины в горячей воде. Недостаток проварки в горячей воде состоит в том, что она ведет к не- равномерному увлажнению древесины и перенасыщению водой наруж- ных волокон. Получить путем проваривания равномерную влажность и температуру нагрева всего бруска очень трудно.

Поэтому проварка в горячей воде может быть рекомендована только в некоторых случаях, если пропаривание технически затруднено, напри- мер, при необходимости обработать не всю деталь, а только ее часть (случай загиба носков у лыжных заготовок и т. д.), или если требуется значительное повышение начальной влажности сухих заготовок.

Для проварки пользуются деревянными чанами или металлически- ми ваннами и баками (лучше с лужеными внутренними поверхностями). Проварочные баки и чаны обычно обогревают паром, пропускаемым по змеевику, уложенному у дна.

Температуру воды поддерживают в пределе 90 – 95 °С, не доводя ее до кипения во избежание большого парообразования. Продолжительность проварки при такой температуре колеблется в зависимости от начальной влажности, размеров и породы древесины. Так, для буковых заготовок толщиной 40 мм при начальной влажности 15 – 20% на проварку требу- ется около 1,5 ч.

Пропаривание древесины в атмосфере насыщенного пара получило значительно большее применение, чем проварка. Преимущество пропа- ривания в том, что оно незначительно изменяет влажность древесины, причем древесина с начальной влажностью ниже точки насыщения во- локна повышает свою влажность, а древесина влажностью 50 – 60% и выше даже немного подсушивается.

Таким образом, пропаривание позволяет нагревать древесину до нужной температуры, мало изменяя ее влажность. Путем предвари- тельного подсушивания или увлажнения (вымачивания в воде) и затем пропаривания можно регулировать влажность древесины и получать ее всегда близкой к оптимальной для гнутья, т.е. около 25 – 30%.

Для пропаривания чаще всего пользуются насыщенным паром не- высокого давления, около 0,02 – 0,05 МПа, что соответствует температу- ре пара 102 – 105°.

Применение пара более высоких давлений сокращает сроки пропа- ривания, но усложняет оборудование и повышает опасность.

Заготовки цельной древесины пропаривают чаще всего в специаль- ных пропарочных котлах, представляющих собой стальные, горизон- тально установленные барабаны небольшой емкости. Длина барабана на несколько сантиметров больше длины пропариваемых деталей. Барабан по диаметру невелик (0,3 – 0,4 м) и рассчитан на небольшую закладку брусков, которая может быть переработана за 30 – 40 мин. Увеличение емкости удлиняет время от момента открытия котла до выемки из него последних брусков; это ведет к значительному охлаждению брусков и ухудшает условия гнутья. Выгоднее иметь несколько малых котлов, чем один большой емкости.

Продолжительность пропаривания заготовок зависит от размеров и влажности древесины. При влажности заготовок 7 – 10% значительное влияние оказывает также порода древесины. При влажности, близкой к точке насыщения волокна, необходимые сроки пропаривания почти одинаковы для всех пород.

Укладывать бруски в пропарочную камеру рекомендуется с учетом положения бруска при гнутье, т.е. так, чтобы стороны бруска, примы- кающие к шине и шаблону, хорошо охватывались паром; боковые же поверхности брусков могут примыкать одна к другой.

Бруски перед гнутьем можно нагревать в течение нескольких минут при помощи электрического тока высокой частоты. Физическая сущ- ность такого нагрева описана ниже.

Для повышения пластичности древесину можно пропитывать растворами аммиака, дубильных веществ, фенолов и альдегидами. Растворы алюминиевых и железных квасцов, хлористого магния и дру- гие также повышают ее гигроскопичность.

Полученные таким образом криволинейные детали при температу- ре 60 – 70 °С размягчаются и теряют свою форму. Для устранения этого недостатка древесину перед гнутьем пропитывают в смеси растворов мочевины, формалина, едкого натра и буры. При гнутье пропитанную древесину нагревают также до 100 °С. При этом компоненты раствора в стенках клеток древесины образуют мочевиноформальдегидную смолу, которая в период нагрева и гнутья отверждается окончательно, фикси- руя приданную заготовке форму.

Недостатком такой подготовки древесины к гнутью является дли- тельность пропитки (3 ч на 1 мм толщины) и необходимость последую- щей сушки перед гнутьем в мягком режиме, исключающем отверждение образующейся в клетках мочевиноформальдегидной смолы.

Фанеру в случае гнутья на малые радиусы кривизны также можно гидротермически обрабатывать. Фанеру, полученную при склеивании водоупорными клеями, можно проваривать. Фанеру, полученную при склеиваниии белковыми клеями, можно только пропаривать, причем только наружную сторону, подвергающуюся растяжению. Если изгиба- ют только часть заготовки, при выгибании углов, пропаривать следует только ту часть, в которой будет сделан загиб. Для этого пользуются устройством из двух гладких паровых труб, между которыми зажима- ется заготовка фанеры. Одна из труб имеет ряд очень мелких отверстий для выхода пара на стороне, обращенной к фанере.

Таким путем заложенная между трубами фанера прогревается и одновременно с одной стороны увлажняется. Необходимое время такой обработки перед гнутьем составляет от 5 до 10 мин.

Способы и оборудование для гнутья древесных материалов разно- образны. Однако во всех случаях необходим шаблон, вокруг которого изгибается заготовка и профиль которого определяет форму ее изгиба. Только при использовании точного шаблона можно получить гнутые де- тали заданной формы.

Применяемые для гнутья массивных брусков гнутарные станки можно разделить на два типа: станки для гнутья на неполную окруж- ность и станки для гнутья на полную окружность.

В станках первого типа бруски с наложенной на наружную сторону стальной шиной изгибают вокруг неподвижного шаблона приложенны- ми усилиями к обоим концам бруска или к одному из концов при непод- вижно закрепленном другом конце. Станки такого типа встречаются со съемными и с неподвижно укрепленными обогреваемыми шаблонами. В первом случае после огибания бруска шиной вокруг шаблона концы шины закрепляют на шаблоне при помощи скобы.

Шаблон с закрепленным на нем бруском снимают со станка и от- правляют в сушильную камеру. Во втором случае брусок также за- крепляют на горячем шаблоне при помощи шины и оставляют на нем для подсушивания до закрепления приданной ему формы. В отличие от станков со съемными шаблонами такие станки получили название гнутарно-сушильных.

Гнутарно-сушильные станки могут быть двустороннего и односто- роннего обогрева. При двустороннем обогреве они имеют вид пресса с обогреваемыми профильными плитами, между которыми зажимают бруски. Станки с односторонним обогревом имеют пустотелый шаблон, обогреваемый паром. Изогнутую и закрепленную на шаблоне заготовку подсушивают на нем.

Недостаток гнутарно-сушильных станков – неравномерность сушки и выдерживание в них заготовок в течение нескольких часов для вы- сушивания до состояния, при котором фиксируется соответствующая форма заготовок. Это резко снижает производительность станков. Для увеличения производительности гнутарно-сушильных станков целесо- образно заготовку перед гнутьем предварительно подсушивать до 20%, высушивать в станке до 12 – 15%, а окончательно досушивать освобож- денные из станка заготовки в сушильных камерах.

В станках для гнутья на замкнутый контур бруски изгибают во- круг съемного шаблона. В механизированных станках шаблоны вра- щающиеся.

Во всех случаях гнутья, независимо от используемого для этой цели оборудования, необходимо, чтобы вынутые из пропарочного котла или варочного бака бруски подвергались гнутью немедленно. Задержка в гнутье недопустима, потому что остывают в первую очередь наружные слои древесины, которые испытывают наибольшие напряжения.

При гнутье желательно, чтобы в брусках твердых лиственных пород (дуба, ясеня, граба, ильма) расположение годичных слоев совпадало с плоскостью изгиба, т. е. тангентальный распил приходился на боковые стороны бруска или отклонялся лишь на 45 – 50°.

Расположение годичных слоев перпендикулярно плоскости изгиба может вызвать появление складок на вогнутой стороне. Заготовки из ли- ственных рассеянно-сосудистых пород (бука, березы), а также из хвой- ной древесины, изгибаемые с одновременным прессованием, желатель- но располагать при гнутье так, чтобы годичные слои были перпенди- кулярны плоскости изгиба. Желательное расположение годичных слоев для условий гнутья не всегда может быть соблюдено по техническим условиям. Например, у лыж скользящая поверхность должна быть по- верхностью радиального распила, иначе износ этой поверхности будет неравномерным.

При гнутье с одновременным прессованием положение деталей сле- дует выбирать таким, чтобы пороки древесины располагались по воз- можности в растянутой и нейтральной части деталей. Наоборот, при гнутье без прессования, и особенно при гнутье без шины, растягивае- мая поверхность должна быть наиболее чистой, потому что малейшие дефекты на ней могут стать причиной разрывов и отщепов волокон.

Гнутье фанеры часто осуществляют в шаблонах, состоящих из двух частей, т. е. из матрицы и пуансона, между которыми закладывают и вы- гибают фанеру. Для вдавливания пуансоном фанеры в матрицу можно пользоваться винтами, пневматическими и гидравлическими прессами.

Если гнутью подлежат большие листы фанеры, то для облегчения веса матрицу и пуансон делают легкой каркасной конструкции, но достаточ- но жесткой, чтобы она не деформировалась в процессе гнутья.

При расположении волокон в наружном слое перпендикулярно оси шаблона (гнутье вдоль волокон) возможные радиусы загиба фанеры, склеенной белковыми клеями, почти не отличаются от минимальных радиусов загиба цельной древесины. При расположении волокон парал- лельно к оси шаблона фанера обладает меньшим сопротивлением и до- пускает изгиб до радиусов примерно в 2 раза меньше, чем при гнутье вдоль волокон.

Однако жесткость получаемой таким образом детали меньше, а на наружной стороне ее часто появляются мелкие долевые трещины, особенно если наружный слой состоит из шпона, имеющего скрытые трещины от недостаточного обжима при лущении. Появление таких трещин делает практически невозможной хорошую отделку, так как в период эксплуатации изделия сужаются или расширяются даже при не- значительных изменениях влажности и вызывают растрескивание ле- жащего на них лакокрасочного покрытия. Поэтому предпочтительнее изгибать фанеру вдоль волокон или под некоторым углом к ним.

Гнутье тонкой фанеры (толщиной 1 – 4 мм) возможно до малых ра- диусов кривизны. Изгибание на малые радиусы толстой фанеры и плит (выше 5 мм) требует специальных приемов. Чаще всего делают ряд про- пилов на внутренней стороне заготовки, если это допускается конструк- цией изделия.

Изогнутые заготовки (вместе с шаблонами и охватывающими их шинами) сушат в сушильных камерах. Конечная влажность гнутоклее- ных заготовок соответствует производственной влажности, принятой на данном предприятии. Применяемые режимы сушки мало отличаются от режимов сушки пиленых заготовок из тех же пород, а конструкции и системы сушильных камер подобны тем, какие применяют для сушки пиломатериалов.

Высушенные до влажности обычно ниже 12%, стабилизирующей форму, заготовки поступают в остывочное отделение, где их охлаждают в течение нескольких часов, затем освобождают от шин и шаблонов и направляют в механическую обработку.

Обработка гнутых заготовок, т. е. придание им окончательных раз- меров и требуемых поверхностей, принципиально не отличается от об- работки прямолинейных заготовок.

Базирующим приспособлениям, а иногда и столам станков, на ко- торых обрабатывают гнутые заготовки, придают форму, соответствую-

щую форме обрабатываемых заготовок. Последовательность обработки гнутых заготовок на станках аналогична обработке заготовок из пило- материалов.

Рабочие места в гнутарном цехе включают гнутарный станок или приспособление для гнутья, устройства для гидротермической обработ- ки заготовок, запас необработанных и обработанных заготовок, шин и шаблонов.

Схема организации рабочих мест зависит от вида и размера изгибае- мых заготовок и оборудования. Однако во всех случаях рабочие места должны быть организованы так, чтобы пропаренные заготовки можно было подавать на гнутарный станок сразу после выемки их из пропа- рочного котла, не перенося на большие расстояния и не разворачивая. Пропарочные котлы должны иметь манометры, указывающие давление пара. В цехе должны быть стенные часы, хорошо видные с каждого ра- бочего места (Щелгунов Ю.В., 2000)

Материалы и приспособления (шины, шаблоны) должны быть уло- жены в штабеля или на стеллажи и вагонетки и расположены в удобном для рабочего месте. Обслуживают гнутарный станок обычно двое рабо- чих – основной и подсобный.

Гнутье деталей требует соблюдения следующих мер по технике безопасности: пропарочные котлы должны иметь надежные герметиче- ски закрывающиеся крышки; на манометрах должна быть красная чер- та, указывающая предельное рабочее давление, выше которого в котле нельзя поднимать давление пара; перед открыванием крышки пропароч- ного котла необходимо перекрывать входной паровой вентиль; лучше, если они сблокированы; доставать детали из котла разрешается толь- ко крючьями; руки рабочих должны быть защищены рукавицами; для гнутья следует пользоваться только исправными шаблонами, шинами и другими приспособлениями; при гнутье на открытых шаблонах нельзя наклоняться над изгибаемой заготовкой.

В остальном на рабочем месте гнутья должны соблюдаться общие правила техники безопасности при работе на деревообрабатывающих станках и устройствах повышенных температур и давлений.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: