Силы и мощность при склеивании

В процессе склеивания необходимо равномерное сжатие склеи­ваемых поверхностей под определенным давлением. Для этого ис­пользуют различные прессующие устройства, действующие по принципу винта, клина, пневматических и гидравлических ци­линдров и приводимые в действие ручным или механизирован­ным способом. Выбор прессующего устройства и его расчет ведут исходя из необходимого усилия, определяемого по размеру пло­щади склеивания и давлению, установленному технологическим режимом.

Общее необходимое усилие для склеивания поверхностей рас­считывается по формуле

где F — общее усилие, МН; S — площадь склеивания, м²; q — давление склеивания, МПа.

Исходя из этого усилия устанавливают необходимое количе­ство прессующих устройств с учетом их конструктивных и эксплу­атационных возможностей. При ручном приводе усилие привода устройства не должно превышать 80... 160 Н. Для пневматических устройств исходным ограничением является давление в сети сжа­того воздуха, для гидравлических — давление гидронасосов и т.д.

Простейшими прессующими устройствами для склеивания заго­товок являются винтовые зажимы и шланговые пневмоприжимы. Винтовые зажимы — струбцины — развивают давление до 8 кН. Нормирование давления при зажиме склеиваемых заготовок в струб­цине осуществляется динамометрическим ключом, регистрирую­щим усилие привода или крутящий момент М = FI, где F— сила, / — плечо рычага.

Усилие, развиваемое винтом струбцины, определяется по фор­муле

где F — осевое усилие винта; М — крутящий момент на динамо­метрическом ключе; К — коэффициент увеличения усилия.

Коэффициент увеличения усилия винта определяется по формуле

где r — радиус резьбы винта; α — угол подъема резьбы; φ — угол трения в винтовой паре; μ — коэффициент трения торца винта; d — диаметр торца.

Учитывая, что при винтовом зажиме давление от винта распреде­ляется на небольшую поверхность, а древесина способна поглощать часть этого давления в некотором объеме, винтовые зажимы следует ставить с шагом менее 0,5 м. При этом давление зажима уменьшается от места его приложения примерно на 0,3 МПа на каждом метре вдоль волокон. Этого недостатка лишены пневматические шланговые прижимы, которые широко используют из-за простоты их устройства.

Усилие, развиваемое шлангом, распределяется равномерно и определяется приближенно по формуле

где F — общее усилие, развиваемое шланговым прессом, МН; р — давление сжатого воздуха, МПа; l — длина шланга, м; D — диа­метр шланга, м; Н — величина сжатия шланга, м.

Усилие запрессовки при склеивании шиповых соединений, Н,

Где первое слагаемое – усилие посадки шипов в гнёзда (проушины); второй член — усилие обжима заплечиками шипов сопрягае­мых деталей; q — нормальное давление на боковую поверхность шипа при посадке его в гнездо, МПа; f — коэффициент трения при посадке; S — суммарная площадь боковых поверхностей всех щечек шипов на одном конце всех одновременно запрессовываемых дета­лей, мм²; S₃ — площадь всех заплечиков шипов на одном конце всех одновременно запрессовываемых деталей, мм²; Р — допустимое дав­ление на смятие древесины заплечиками шипов, МПа.

Значения q, f и Р при максимальном натяге 0,3 мм приведены в табл. 1.

Таблица 1. Параметры, определяющие усилие запрессовки при склеивании (при максимальном натяге 0,3 мм)

Порода древесины	Нормальное давление q, МПа, при сборке	Коэффициент трения f при сборке	Допустимое давление Р, МПа
без клея	с клеем	без клея	без клея
Сосна	4,0...4,5	1,3...1,6	0,3...0,4	0,1 ...0,2	3,0
Бук, береза	5,0...5,5	1,5... 1,8	0,3...0,4	0,1...0,2	4,0
Дуб, ясень	5,5...6,2	1,7...2,2	0,3...0,4	0,1...0,2	5,0

Интенсификация склеивания с помощью ТВЧ. Интенсивность нагрева диэлектриков в электрическом поле токов высокой часто­ты зависит от двух характеристик: диэлектрической проницаемо­сти е и тангенса угла диэлектрических потерь tgδ.

Относительная диэлектрическая проницаемость материала по­казывает, насколько увеличится количество поглощаемой энер­гии конденсатором, если вместо воздуха между его пластинами поместить этот материал. Угол диэлектрических потерь характери­зует необходимое количество энергии для переориентации дипо­лей. Он зависит от свойств материала и частоты поля. Для матери­алов, участвующих в процессе склеивания древесины, эти харак­теристики приведены в табл. 2.

Таблица 2. Характеристики некоторых диэлектрических материалов

Диэлектрик	Тангенс угла потерь tg δ	Относительная диэлектрическая проницаемость е
Древесина влажностью 8...10%	0,05
Клей синтетический (жидкий)	0,7
Клеевой слой отвержденный	0,1	4...6
Воздух	—
Вода	—

Количество выделяемого в диэлектрике тепла зависит от про­изведения ε • tgδ — фактор потерь. Мощность, Вт/см³, теряемая элек­трическим полем высокой частоты в 1 см³ материала, определяет­ся по формуле

где ε — относительная диэлектрическая проницаемость; tg δ — тангенс угла потерь; f — частота поля, МГц; Е — напряженность поля, кВ/см.

Скорость нагрева (приращение температуры за 1 с) определя­ется в зависимости от теряемой мощности по формуле

где ΔТ— приращение температуры,°С; t — текущее время нагрева, с; η — потери тепла 0,5... 0,7; ρ — плотность материала, г/см³; с — удель­ная теплоемкость, кал/(г-°С) [1 кал/(г-°С) = 4,1868-10³ Дж/(кг-К)]. Значение остальных символов указывалось выше. Скорость нагрева обычно принимается в пределах 0,5... 1°С/с.

Из этой формулы следует, что скорость нагрева зависит от ос­новных характеристик материала (ε • tgδ) и поля (fE²). По данным табл. 2 видно, что скорость нагрева клеевого слоя будет во много раз выше скорости нагрева древесины — для жидкого клея в 60 раз, для отвердевшего только в 2 раза. Задав необходимым приращением температуры ΔТ, можно определить требуемое для этого время t. Скорость нагрева можно регулировать изменением параметров поля fE. Величина напряженности поля ограничивается пробив­ным напряжением материала и устанавливается практически в сле­дующих значениях, В/см:

Древесина влажностью свыше 15 % ............... 100

То же, до 10 %.................................................... 3000

Клей карбамидный............................................ 1200

Клей на древесине влажностью 8 %............... 1200

То же, 10 %......................................................... 1100

То же, 14 %......................................................... 700

Равномерность нагрева в поле ТВЧ зависит от соотношения раз­мера склеиваемых заготовок и длины стоячей волны, зависящей от частоты. Это соотношение лежит в пределах 0,05...0,1. Предельная частота при склеивании заготовок с длиной клеевого слоя l опреде­ляется из соотношения

где f_пред — предельная частота, МГц; l — длина клеевого слоя, м; ε — диэлектрическая проницаемость.

Необходимая мощность генератора в зависимости от объема склеиваемых заготовок и потребной мощности на нагрев 1 см³ с учетом коэффициента потерь определяется по формуле

где Р_ген — мощность генератора, кВт; Р_н — потребная мощность в наружном контуре, Вт/см³; V — объем склеиваемых заготовок, см³; η — КПД контура (0,5...0,8).

Потребная мощность потерь определяется в зависимости от потерь в клеевом слое Р_к и древесине Р_д по формуле

где h — толщина клеевого слоя, см; п — число клеевых слоев, находя­щихся в поле; b — ширина склеиваемого изделия между электродами.

При нанесении на поверхность водорастворимых клеев плот­ность в слое контакта древесины с клеем возрастает и находится в следующих пределах, г/см³: сосна, липа 0,58...0,7; бук, береза 0,68...0,8; дуб, ясень 0,75...0,9.

Средняя удельная теплоемкость древесины при температуре 130…140°С и влажности 10... 15% примерно равна 2,73 кДж/(кг-К). Удельная теплоемкость древесины, кДж/(кг-К), в зависимости от температуры Т и влажности W может быть вычислена по формуле

Если имеется генератор ТВЧ определенной мощности Р_ген, то время необходимого нагрева при склеивании с использованием этого генератора определится из выражения

где t — время нагрева, с; G — масса склеиваемых заготовок, кг; с — теплоемкость удельная средняя (1,9...2,73 кДж/(кг- К)); Т_н и Т_к — на­чальная и конечная температуры; Р_гсн — мощность генератора, кВт; η = 0,4...0,6 — КПД установки.

Для интенсификации процесса склеивания используют также токи промышленной частоты. Количество теплоты, выделяемого током промышленной частоты, определяется по закону Джоуля – Ленца:

где Q — количество выделяемой теплоты, Дж; I — сила тока, A; R — сопротивление электрическому току, Ом; t — время, с.

Выделяемая при этом теплота может подводиться к клеевому слою различными способами: предварительным нагревом склеи­ваемых поверхностей путем аккумулирования теплоты, выделени­ем теплоты проводником, помещенным в клеевой слой, прогре­вом клеевого слоя кондуктивным методом от прогреваемого током проводника или пропусканием через клеевой слой тока, прогре­вом лучистой энергией от теплоэлектронагревателей (тэнов). Оче­видно, эффективность этих методов будет разной из-за различных потерь тепловой энергии при передаче ее клеевому слою.

При использовании метода аккумулированного тепла предва­рительный нагрев склеиваемых поверхностей осуществляют кон­тактом с электронагревателем. Время контакта древесины с нагре­вателем определяется в зависимости от его температуры. Оптималь­ная температура нагревателя 200 °С. Время прогрева — 6 мин. При более высоких температурах происходит пиролиз древесины. Она темнеет.

При кондуктивном нагреве происходит передача теплоты от на­гревателя к клеевому слою через промежуточные слои древесины. Такой способ эффективен при облицовывании или приклеивании тонких слоев к массивным заготовкам.

При склеивании строительных конструкций используют конвек­ционный нагрев воздухом при температуре 160... 190 °С при скорос­ти 2 м/с. Потери электроэнергии при преобразовании ее в теплоту, воздействующую непосредственно на клеевой слой, составляют: при использовании ТВЧ — 40 %; конвекцией от калориферов — 30 %; радиацией ТЭН — 25 %; сопротивлением в клеевом слое — 10 %; кондуктивным методом — 20%; ультразвуком — 62%.

Из этих данных видно, что наиболее экономичным является метод прогрева клеевого слоя путем пропускания сквозь него тока промышленной частоты. Такой способ пока не находит широкого применения из-за технических трудностей: в клей необходимо до­бавлять токопроводящие составы. При неравномерной электропро­водности могут происходить неравномерный нагрев клеевого слоя и электрические пробои.

Глава 4. ОБЛИЦОВЫВАНИЕ

Облицовыванием называют оклеивание поверхностей заготовок из дешевых материалов тонким слоем декоративных пленок или стро­ганым шпоном ценных пород. Облицовывание широко используется в производстве мебели, музыкальных инструментов и других изде­лий. Оно позволяет при минимальных расходах ценных пород полу­чить значительные размеры поверхностей единой привлекательной текстуры и рисунка.

При облицовывании используют три вида основных материа­лов: основу, клей и облицовочный слой. В качестве основы могут использоваться малоценные породы древесины, древесно-стружечные и древесно-волокнистые плиты, гнутоклееные заготовки и изделия, склеенные из измельченной древесины. В качестве клея используются составы на основе карбамидоформальдегидных смол, пленочные клеи и др. Облицовочным слоем может быть строганый шпон, полимерные пленки, термореактивные пленки на основе пропитанных бумаг, искусственные кожи, ткани, фольга и другие тонкие слои материалов, способных приклеиваться к поверхности древесных материалов.

Технологический процесс облицовывания включает подготовку применяемых материалов и процесс облицовывания. Облицовывать можно заготовки или сборочные единицы, в зависимости от этого устанавливается место облицовывания в общем технологическом процессе изготовления изделий.

Прямолинейные брусковые заготовки облицовывают после их первичной обработки в размер, щиты — после их калибрования. Криволинейные и профильные детали, получаемые фрезеровани­ем, облицовывают после фрезерования. Формирование шипов, сверление отверстий, выборка пазов и другие операции обычно выполняют после облицовывания.

Рамки и коробки облицовывают после их повторной обработ­ки, устраняющей неточности сборки. В некоторых случаях облицо­вывают бруски для рамок до формирования шипов, а собирают их в облицованном виде.

Заготовки, получаемые гнутьем со склеиванием или склеива­нием измельченной древесины, могут одновременно облицовы­ваться.

Облицовывание может быть однослойным и двухслойным — с подслоем. При двухслойном облицовывании слои могут различаться по виду материала и толщине. Для лицевого слоя используют мате­риалы более эффектные — декоративные и более тонкие. В каче­стве подслоя используют более толстые и дешевые материалы, име­ющие однородную текстуру, способные закрыть поверхность ос­новы и неоднородность ее структуры. Для этого применяют луще­ный шпон, бумагу, ткань и др. При облицовывании заготовок по­лучается клееная конструкция со всеми присущими ей свойствами по прочности, устойчивости формы, наличию внутренних напря­жений.

В производстве изделий из древесины облицовывание щитовых заготовок является преобладающим. Оно выполняется типовыми технологическими режимами производства мебели, которые мо­гут быть применены и в производстве других аналогичных изделий. Облицовывать щитовые заготовки можно с одной стороны и с двух сторон.

При одностороннем облицовывании может проявиться неурав­новешенность системы внутренних напряжений, что вызовет ко­робление заготовки. В клеевом слое возникают растягивающие на­пряжения, которые в слое заготовки вызывают сжимающие уси­лия. Коробление и прогиб при одностороннем облицовывании об­разуются на облицованной стороне заготовки. Обратный эффект возможен в том случае, если относительно влажная заготовка об­лицовывается толстым слоем полимерного материала. При этом в процессе эксплуатации влажность основы снизится. Ее усушка при­ведет к образованию прогиба на необлицованной стороне детали. Неуравновешенность внутренних напряжений, возникающая пос­ле одностороннего облицовывания, резко проявляется у тонких щитовых заготовок.

Чтобы не допустить коробления щитовых заготовок, необходи­мо использовать двустороннее облицовывание. Облицовывать можно холодным и горячим способами. Горячий способ более производи­телен.

Подготовка основы

Поверхности заготовок подготавливают к облицовыванию, т.е. устраняют дефекты, снижающие качество. Наличие неровностей, сколов, природных дефектов древесины, загрязнений снижает прочность склеивания.

Подлежащая облицовыванию поверхность должна быть выров­нена, загрязнения удалены механическим путем или промывкой и сушкой, а затем пропитана клеевым раствором, выбоины и трещины зашпатлеваны составом, имеющим хорошую адгезию с клеем. Сучки, скопления смолы и другие дефекты должны быть высверлены, а отверстия заделаны пробками на клею. Направле­ние волокон в пробках должно совпадать с направлением воло­кон основы. Только в таком случае места заделки не будут замет­ны после облицовывания.

Если под облицовывание попадают поверхности с выходом тор­цовых срезов древесины, они должны быть закрыты специальны­ми наклейками из древесины или ткани. Направление волокон в таких наклейках должно совпадать с плоскостью склеивания. Влаж­ность основы должна быть на 1... 2 % ниже равновесной влажности материала, соответствующей условиям эксплуатации изделий. Это немного компенсируется влагой, вносимой с клеем.

Установлено, что поверхность массивной древесины при хране­нии в производственных условиях загрязняется содержащимися в атмосфере веществами и теряет активность к склеиванию. Поэтому облицовывание заготовок необходимо производить не позднее чем через 4 ч после их механической обработки.

Шероховатость поверхности перед облицовыванием допустима в таких пределах, при которых она не будет проявляться на поверх­ности облицовочного слоя. Это зависит от толщины облицовочного материала и шероховатости основы. Толщина облицовочного слоя должна в 2... 3 раза превосходить максимальную высоту шероховато­сти основы. При облицовывании строганым шпоном шероховатость поверхности R_mmax = 200 мкм, при облицовывании пленками — ме­нее 60 мкм.

При облицовывании древесно-стружечных плит тонкими плен­ками необходимо применять пленки подслоя или шпатлевание поверхности плиты с последующим шлифованием после высыха­ния шпатлевки. Шпатлевки приготовляют на основе формальдегидной смолы, поливинилацетатной дисперсии, талька, поверх­ностно-активного вещества и отвердителя. Расход шпатлевки — до 500 г на 1 м². Шпатлевка на поверхность щита наносится обрезиненными вальцами. Плиту с нанесенной шпатлевкой укладывают между прокладками, смазанными олеиновой кислотой. Получен­ный пакет загружают в многоэтажный пресс с обогреваемыми плитами. Подается давление до 1,2 МПа, и при температуре плит пресса 140°С пакет выдерживают до 5 мин.

При двустороннем облицовывании разнотолщинность щитовых заготовок не должна превышать 0,4 мм, отклонения по толщине не более ±0,2 мм. При облицовывании пленками волнистость на поверхности не допускается. При изготовлении мебельных щитов под облицовывание допускается применение древесно-стружечных плит марок П-1Т, П-2Т и Б по ГОСТ 10632—77.

Подготовка облицовочного материала

Материал облицовочный должен соответствовать действующим стандартам и техническим условиям. Например, шпон строганый по ГОСТ 2977—77, материал облицовочный на основе пропитан­ных бумаг с глубокой степенью отверждения по ТУ 13-160 — 79. Подготовка облицовочных материалов зависит от их вида.

Применение облицовочных пленок не требует особой подго­товки в отличие от использования строганого шпона.

Для облицовывания строганый шпон поступает в соответствии со стандартом в кнолях или пачках. Пачки шпона сортируют и подбирают по породе, размерам, качеству, цветовому и текстур­ному рисунку древесины в соответствии с технической докумен­тацией на изделие.

Влажность шпона перед раскроем должна быть 8 ± 0,5 %. При отсутствии гильотинных ножниц раскраивать шпон можно на уни­версальных станках с дисковыми пилами. При раскрое не допус­каются смещение полос шпона в пачке, сколы и вырывы. При раскрое пачек шпона с помощью пил необходимо последующее фугование кромок на специальных кромкофуговальных или обыч­ных фуговальных станках, либо на фрезерных. При фуговании пачку шпона зажимают в приспособлении, не допускающем сме­щения полос.

Шероховатость на поверхности кромок должна быть по R_{m max} не более 60 мкм. Куски строганого шпона по длине можно склеи­вать на мелкий зубчатый шип, который слабо заметен из-за тек­стурного рисунка древесины.

Контролируют качество раскроя по точности размеров и фор­мы универсальным измерительным инструментом.

Для облицовывания применяют шпон толщиной от 0,4 до 1,15 мм. При раскрое не допускается нарушение последовательности ук­ладки полос шпона в пачке.

Для облицовывания щитов значительных размеров предвари­тельно производят набор и ребросклеивание шпона. При изготов­лении мебели набор и ребросклеивание шпона осуществляют по типовому режиму. Для других изделий имеются соответствующие технологические карты.

Для экономии строганого шпона ценных пород в случае, если обратная сторона щита не является лицевой, ее облицовывают более дешевыми материалами, но с учетом расположения рисунка на­бора и модуля упругости.

Произведение толщины на модуль упругости должно быть оди­наковым для облицовочного материала с каждой стороны щита. Облицовочный материал с меньшим модулем упругости должен быть толще.

Полосы шпона в набор подбирают по рисунку и текстуре так, чтобы смежные полосы были зеркальным отражением друг друга. При четном количестве полос ось симметрии должна проходить по среднему клеевому слою.

Для предварительного формирования набора используют реб­росклеивание с помощью клеевой ленты на бумажной основе или клеевой нити марок КН-54-34, КН-54-56, КН-54-68 и др. методом зигзага. Кроме того, можно применять ребросклеивание без ленты. При ребросклеивании кромки полос шпона должны плотно со­прягаться и быть слабо заметными. Для ребросклеивания исполь­зуют соответствующие станки. Ребросклеивание лентой производят со скоростью 5... 40 м/мин, а клеевой нитью — до 30 м/мин с шагом клеевой нити 3... 5 мм. Ребросклеивание лентой производят по ли­цевой стороне облицовки, клеевой нитью — по стороне, обра­щенной к основе.

Ребросклеивание шпона с применением клеевой ленты имеет тот недостаток, что после облицовывания необходимо клеевую ленту удалять шлифованием. Есть предложения производить реб­росклеивание лентой не по лицевой стороне облицовки, а так, чтобы она после облицовывания оказывалась в клеевом слое. Для этого предварительно осуществляют перфорацию клеевой ленты. Такой прием можно применить при изготовлении неответствен­ных деталей.

При ребросклеивании не допускаются расхождение и нахлест­ка кромок, смещение текстуры, отслаивание и морщины клеевой ленты, смещение клеевой нити. Качество ребросклеивания и на­бора проверяется визуально. Во избежание трещин и повреждения края торцевые части набора оклеивают клеевой лентой или клее­вой нитью. Облицовки одного назначения укладывают в пакет и хранят на стеллажах в сухом, отапливаемом помещении.

Подготовка клеевых материалов

Для облицовывания в производстве изделий из древесины ши­роко используют клей на основе карбамидоформальдегидных смол по ГОСТ 14231—78 марок КФ-БЖ, КФ-Ж(М), КФ-Б и их моди­фикаций. В качестве отвердителя применяют: хлористый аммоний — при горячем склеивании и щавелевую кислоту — при холодном. Для наполнения клеевых растворов используют каолин, тальк и смет пшеничный. Поступающие клеи должны проверяться на со­ответствие стандартам. Стандарты регламентируют долю сухого ос­татка, массовую долю свободного формальдегида (1 %), вязкость, время желатинизации, концентрацию водородных ионов и предел прочности склеивания.

Клей приготавливают в смесителях с водяной рубашкой по ти­повому режиму. Клей обычно наносят на основу при однослойном облицовывании и на подслой — при двухслойном. При двухслой­ном облицовывании направление волокон в смежных слоях пере­крестное. При однослойном облицовывании заготовок из цельной древесины направление волокон строганого шпона должно совпа­дать с направлением волокон основы. При облицовывании сбо­рочных единиц направление волокон в облицовочном материале подбирается в соответствии с положением детали. Обычно направ­ление волокон должно располагаться по направлению роста дере­ва — снизу вверх. Текстурный рисунок также лучше выглядит, если острие конуса роста направлено вверх.

Расход клея зависит от применяемых материалов. Его должно быть достаточно для образования сплошного слоя, но не излишне. При облицовывании пленками клея расходуется от 80 до 100 г/м², для строганого шпона — от 130 до 140 г/м².