Глава 3. СКЛЕИВАНИЕ

Склеивание применяется для следующих целей:

получения деталей большего сечения, чем сечение исходного материала (склеивание брусков пластями);

получения деталей большей ширины, чем ширина исходного материала (массивных плит из делянок, склеенных кромками);

получения деталей криволинейной формы (склеивание с одно­временным гнутьем);

получения узлов рамочной и каркасной конструкции (склеива­ние деталей в узлы с применением шиповых соединений); облицовки деталей;

соединения деталей и узлов при сборке изделия.

Процесс склеивания состоит из двух основных операций: нане­сения клея на древесину и прессования. Клеи наносятся механизи­рованно (вальцами, форсунками и др.) или вручную (кистями, стержнями и др.). Количеством наносимого клея определяются тол­щина клеевой прослойки и прочность клеевого соединения. Проч­ность соединения может ухудшиться как при очень тонкой пленке (нарушается непрерывность клеевого слоя, так называемое голод­ное склеивание), так и при чрезмерно толстой пленке, в которой от усадки клея могут возникнуть внутренние напряжения, ослаб­ляющие клеевое соединение.

При склеивании древесины расход клея колеблется от 150 до 350 г/м² в зависимости от конкретных условий. Период между на­несением клея на поверхность и контактированием склеиваемых поверхностей называют открытой выдержкой. Период времени с момента контактирования склеиваемых поверхностей до сжатия их определенным давлением (прессования) называют закрытой выдержкой. Необходимо, чтобы длительность открытой и закры­той выдержек была менее времени рабочей жизнеспособности клея.

Усилие прессования при склеивании древесины обычно быва­ет от 0,1 до 1,2 МПа. Прессование должно быть равномерным по всей площади склеивания. Для прессования используют различ­ные устройства силового воздействия с применением пневмати­ческих, механических и гидравлических систем. Избыток давления создает тонкий клеевой слой и избыточные внутренние напряже­ния в склеенных заготовках, которые снижают прочность склеива­ния. Недостаточное давление не обеспечивает сплошного клеевого слоя и высокой прочности склеивания.

При изготовлении клееных деревянных конструкций в качестве средств запрессовки могут использоваться гвозди определенных размеров (диаметром 2...2,5 мм, длиной 40...50 мм) с шагом 100…120 мм, забивку гвоздей производят специальными пневма­тическими гвоздезабивными пистолетами.

В запрессованном состоянии склеиваемые поверхности должны находиться определенный период времени, при котором степень отверждения клеевого слоя будет такой, при которой не произой­дет нарушения прочности соединения из-за появляющихся в нем внутренних напряжений после снятия давления. Соответствующая такому состоянию прочность склеивания называется разборной. Разборная прочность зависит от размеров склеиваемых заготовок. При изготовлении клееных деревянных конструкций разборная прочность должна быть равна примерно 50 % нормируемой конеч­ной величины для прямолинейных, т.е. примерно 3 МПа, и до 70 % у криволинейных, т. е. 4... 5 МПа. После снятия давления скле­енные заготовки должны иметь технологическую выдержку для достижения прочности склеивания до установленных норм. Для интенсификации процессов склеивания применяют различные методы, ускоряющие процесс отверждения клея и сокращающие сроки технологических выдержек.

При склеивании заготовок в производстве строительных конст­рукций необходимо получить изделие значительных размеров со стабильной прочностью по всем клеевым слоям и сечениям. При этом используются заготовки ограниченных размеров по длине.

Технологический процесс склеивания при изготовлении клее­ных строительных конструкций состоит из двух различных опера­ций: склеивания по длине и склеивания по толщине и ширине.

Склеивание по ширине применяется редко из-за возможности использования досок стандартной ширины, соответствующей ши­рине клееной конструкции.

При склеивании заготовок по длине могут использоваться со­единения впритык, на ус и зубчатый шип. Соединение впритык может использоваться только в сжатой зоне клееной конструкции. Соединение на ус обладает высокой прочностью, но требует зна­чительного расхода материала и трудно поддается механизации.

В современном производстве клееных конструкций широко ис­пользуются зубчатые клеевые соединения по ГОСТ 19414—79. Зубча­тые клеевые соединения в зависимости от направления шипов к пласти могут быть вертикальными, горизонтальными и диагональными.

По прочности зубчатые клеевые соединения разделяют на две категории. Соединения первой категории имеют относительную прочность не менее 75 %, второй — не менее 60 % прочности цель­ной древесины на статический изгиб.

Необходимое торцовое давление при склеивании заготовок хвой­ных пород по длине определяется в зависимости от шага шипов по формуле Р = 20/t МПа, для лиственных пород давление должно быть на 20 % больше определенного по этой формуле.

Прочность зубчатого клеевого соединения зависит от длины шипа и уклона его пластей. Уклон пластей зубчатых шипов должен быть менее 1:8, что обеспечивает самоторможение шипов при их сборке.

Необходимое время действия давления при сборке зубчатого клеевого соединения должно быть не менее 2 с.

Виды склеивания

Склеивание брусков по толщине. Бруски склеивают в блоки для получения деталей большего сечения и повышения формоустойчивости блока. В мебельном производстве такие блоки используют, например, для изготовления ножек обеденных столов.

Склеиваемые поверхности должны быть выровнены так, что­бы между ними обеспечивалось плотное прилегание. Шерохова­тость поверхности должна быть в пределах 7...8-го классов. Так как с клеем вносится некоторое количество влаги, желательно, чтобы влажность брусков была немного ниже нормы, а именно: 7...9%.

Необходимое давление при склеивании обеспечивается обыч­ными струбцинами при единичном производстве, пневматичес­кими или гидравлическими прижимами при серийном и массовом производствах. Выдержка под давлением в первом случае в услови­ях цеха (Т = 18...25°С) может быть в течение нескольких часов; при массовом производстве применяют нагрев клеевого шва. В дан­ном случае могут быть эффективны предварительный нагрев или нагрев в поле токов высокой частоты (ТВЧ).

Давление Р на склеиваемую поверхность составляет для хвой­ных пород 0,2...0,5 МПа, для твердых лиственных — 0,5... 1,0 МПа. Стабильная прочность клееной конструкции обеспечивается в том случае, если влажность склеиваемых заготовок соответствует рав­новесной влажности древесины при эксплуатации. При этом не­значительное увеличение влажности древесины в процессе экс­плуатации клееной конструкции более желательно, чем усушка.

Целесообразно склеивать заготовки при влажности, соответству­ющей нижнему пределу равновесной влажности древесины в ус­ловиях ее эксплуатации. Допустимый перепад влажности в склеи­ваемых заготовках должен быть в пределах 1,5... 3 % в зависимости от размеров заготовок и их конечной влажности. Меньший — для тонких с низкой конечной влажностью, больший — для более тол­стых (60 мм) с более высокой влажностью (10%).

При изготовлении горизонтально клееных брусьев, к которым обычно относят несущие клееные конструкции, к заготовкам предъявляются требования по точности обработки, по параллель­ности склеиваемых сторон. Особенно не допустимы местные слу­чайные погрешности формы из-за плохой наладки оборудования. Волнистость склеиваемых поверхностей после продольного фрезе­рования должна быть у хвойных пород не более 5 мм, у листвен­ных — 3 мм. Шероховатость фрезерованных поверхностей допусти­ма до R_mmax = 200 мкм.

При изготовлении изделий, имеющих значительный запас проч­ности деталей, превышающий расчетные нормы, можно склеи­вать их поверхности, полученные пилением. Шероховатость таких поверхностей должна быть R_mmax не более 300 мкм, а плоскостность такая же, как и у фрезерованных поверхностей. Склеивание пиле­ных поверхностей экономически целесообразно, поскольку исклю­чает необходимость фрезерования и припуска на эту операцию, хотя требует увеличения расхода клея.

При склеивании деталей из различных пород древесины, отли­чающихся плотностью и различными коэффициентами усушки, необходима специальная механическая подготовка их поверхно­стей, исключающая возможность возникновения в клеевом слое значительных внутренних напряжений.

Поверхность более плотной древесины делается более шерохо­ватой путем цанубления (обработки зубчатыми резцами) или шли­фования шкуркой крупных номеров. Таким образом увеличивается фактическая поверхность у твердых пород древесины, что снижает величину внутренних напряжений; клеевой слой становится гоф­рированным, более эластичным и податливым действию внутрен­них напряжений. Такую же обработку делают при склеивании полуторцовых поверхностей и при склеивании древесины с пластиком, металлами, при этом шлифуют пластик и металл, т.е. материал, обладающий большей жесткостью.

Склеивание массивных плит. Массивная плита — это плита, склеенная из реек (делянок) кромками. При правильной подго­товке и наборе делянок такие плиты меньше коробятся, чем щиты, изготовленные из целой древесины. Кромки делянок и одна пласть должны быть простроганы: кромки — для плотного прилегания, пласть — для более точного базирования группы делянок при склеивании. Для того чтобы склеенная плита при изменении влаж­ности меньше коробилась, целесообразно делянки подбирать так, чтобы соединяемые кромки были одноименные (заболонь к за­болони, сердцевина к сердцевине), а пласти двух соседних деля­нок разноименны (заболонь — сердцевина). По той же причине желательно, чтобы каждый щит набирался из узких (30...70 мм) делянок.

Склеивание брусков по длине выполняется для получения длин­ных заготовок из короткомерных отрезков. Так как древесина не способна склеиваться торцами (клеевое соединение получается чрезвычайно слабым), склеивают ее по длине с помощью шипо­вого зубчатого соединения. Так как угол скоса граней зубчатых шипов меньше угла трения древесины по древесине с клеевой прослойкой, соединение получается самотормозящим и давление на пласти шипов поддерживается упругими силами древесины. Это позволяет собирать, отрезать и складировать готовые брусья с еще не отвержденным клеевым швом. Отверждение происходит при температуре цеха.

При неосторожном обращении во время переноса и укладки возможен сдвиг отдельных заготовок и ослабление прочности со­единения.

Склеивание деталей в узлы. Сборка деталей в узлы рамочной или коробчатой конструкции выполняется чаще всего с помощью шиповых вязок (соединений) и клея.

Сборка состоит из трех основных операций: нанесения клея на соединяемые элементы, вставки шипов в гнезда или проушины, запрессовки узла.

В зависимости от степени механизации клей наносится вруч­ную или наносящими устройствами (форсунками, щетками, дис­ками). Клей наносится, как правило, на оба сопрягаемых элемента (шип, проушина, гнездо), так как при вдвигании возможно сня­тие некоторого слоя клея с поверхности. Непременное условие получения качественной (без подгонки) сборки узла — изготовле­ние сопрягаемых элементов с заданной точностью, регламентиро­ванной системой допусков и посадок.

Вставка шипов в гнезда или проушины делается для предвари­тельного наживления собираемых деталей. Эта операция обычно выполняется вручную.

Запрессовка узла выполняется для окончательной посадки ши­повых соединений на место и для получения заданной геометри­ческой формы (прямых углов и т.д.) узла.

После запрессовки узлы должны быть выдержаны вне сбороч­ного станка до отверждения клеевого шва. При этом остается опас­ность сдвига отдельных элементов узла и задерживается дальней­шая обработка собранных узлов.

Для интенсификации процесса склеивания применяют высо­кочастотный нагрев шиповых соединений.

Склеивание рамочных плит. Плиты полые и с различными запол­нителями изготавливают обычно на столярно-мебельных предпри­ятиях. Полая плита состоит из рамки, оклеенной с двух сторон по пластям листовым материалом. Рамку собирают из брусков, калиб­рованных по толщине и торцованных по длине по размеру будущей плиты с припуском на последующую обработку по периметру.

Соединение брусков в рамку часто выполняется металлически­ми соединительными элементами: S-образными скрепами, П-образными проволочными скобами и т.д., назначение которых — удержать бруски в заданном положении до момента оклеивания рамки с двух сторон листовым материалом.

Реже для повышения жесткости щита рамку собирают с приме­нением шиповых вязок, однако при этом увеличивается расход материала и удлиняется технологический цикл, так как необходи­мы дополнительные операции: нарезание шипов, проушин и гнезд, сборка рамки шиповой вязкой с клеем, выдержка после склеива­ния (для отверждения клея), калибрование рамки по толщине для снятия провесов в местах соединения брусков.

На готовую рамку наносят клей и на обе ее пласти накладывают листы фанеры или древесно-волокнистой плиты. Склеивается щит обычно в гидравлических многопролетных прессах с нагреваемыми плитами. Режим склеивания (температура плит пресса, давление, продолжительность выдержки под давлением) зависит от площади рамки, толщины приклеиваемого листового материала и применя­емого клея. При температуре плит пресса 120... 140°С и применении карбамидных клеев продолжительность запрессовки ориентировоч­но составляет 1 ...2 мин на каждый миллиметр толщины приклеи­ваемого материала. Давление при склеивании 0,5... 1,0 МПа. Общее давление рассчитывается по площади рамки.

Рамочные плиты с заполнением изготовляют примерно по той же схеме, что и полые, добавляются только операции по подго­товке и укладке заполнителя.

В качестве заполнителей применяют рейки из массивной древе­сины, рейки-отходы при раскрое древесно-стружечных плит, спе­циальное сотовое заполнение, стружечно-клеевую массу.

Реечные заполнители перед применением предварительно ка­либруют на рейсмусовом станке в размер толщины рамки. При сборке плиты клей наносят не на рамку, а на облицовочные лис­ты, так как склеивание будет по всей площади плиты. На лист накладывают рамку, в полости рамки укладывают заполнитель, затем рамку покрывают вторым листом — и плита подготовлена к прессованию. Режим прессования тот же. Давление пресса рас­считывают по всей площади клеевого шва.

Склеивание деталей с одновременным гнутьем. Криволинейные детали применяют при изготовлении мебели, спортивного инвен­таря, музыкальных инструментов. Клееным строительным конст­рукциям также придают криволинейные формы. Применение скле­ивания с одновременным гнутьем упрощает процесс изготовле­ния криволинейных деталей по сравнению с гнутьем. При этом не требуется предварительной тепловой обработки древесины и после­дующей сушки деталей с шаблонами. Стабилизация криволиней­ной формы обеспечивается при этом склеиванием в процессе из­готовления. При гнутье со склеиванием учитываются общеизвест­ные свойства древесины изгибаться до определенного соотноше­ния толщины к радиусу изгиба h/R < 1/30.

При склеивании с одновременным гнутьем используют тонкие слои сухой древесины в виде реек толщиной более 5 мм, фанеры или лущеного шпона толщиной 1... 1,5 мм. Применение реек мень­ших толщин резко увеличивает потери древесины на пропилы и припуски. Применение лущеного шпона позволяет получать кри­волинейные профили с радиусом изгиба до 30 мм.

Детали, получаемые склеиванием с одновременным гнутьем, называют гнутоклееными. Процесс изготовления гнутоклееных де­талей включает: подготовку слоев древесины к склеиванию; нане­сение клея на полосы шпона и сборку пакета; прессование со скле­иванием; раскрой блоков на заготовки; обработку заготовок.

Для изготовления гнутоклееных заготовок древесина должна иметь влажность 6... 8 %.

При сборке пакетов в некоторых смежных слоях гнутоклееных заготовок волокна располагают под углом или перпендикулярно, что придает гнутоклееной заготовке более равномерную жесткость. Подбирая соответствующим образом качество слоев в пакете, можно изготавливать гнутоклееные детали не только криволинейных форм, но и различных размеров по сечению.

Для изготовления гнутоклееных деталей часто используют куски лущеного шпона, которые не могут использоваться для изготовле­ния фанеры. Для склеивания используют термореактивные клеи вяз­костью от 60 до 300 с измеряемой вязкозиметром ВЗ-4, с расходом клея от 70 до 240 г/м². Толщина клеевого слоя должна быть в преде­лах 0,1 ...0,2 мм.

Для осуществления гнутья и склеивания используют пресс-фор­мы различной конструкции, соответствующие профилю гнуто­клееной детали. Необходимое давление при склеивании создается прессующими устройствами. Для создания равномерного давления на криволинейные элементы профиля используют разъемные пресс-формы с несколькими прессующими устройствами или эластич­ные элементы передачи давления в виде гибких шин, эластичных подушек. Для ускорения процесса склеивания используют ТВЧ или контактные электронагреватели.

Гнутоклееные детали для мебельного производства поставляют­ся предприятиями, изготавливающими фанеру. Это позволяет эф­фективно использовать кусковые отходы шпона, которые образу­ются при производстве фанеры, что повышает общую эффектив­ность деревообрабатывающих производств. Применение гнугоклееных деталей в мебельном производстве обеспечивает эффект по сниже­нию расхода древесины в 2,4 раза, а трудоемкости — в 2,1 раза.

Значительно упрощаются конструкции изделий за счет уменьше­ния сечений деталей и сокращения их количества. Одна гнутокле­еная деталь в изделии может заменять несколько деталей, изготов­ленных из цельной древесины. Гнутоклееная царга стула заменяет четыре царги из массивной древесины. В настоящее время гнуто­клееные детали могут изготавливаться с одновременным облицо­выванием и отделкой.

Склеивание деталей из измельченной древесины. Изготовление деталей из измельченной древесины является перспективным ме­тодом, коренным образом изменяющим технологию получения деталей сложной конфигурации. При этом способе многие приме­няемые пока технологические операции механической обработки заготовок резанием заменяются одной операцией прессования — силового воздействия. При изготовлении гнутоклееных деталей и при гнутье заготовок также используется силовое воздействие, но ограниченно, только для придания деталям нужных форм. При этом не исключается необходимость последующей механической обра­ботки криволинейных заготовок, раскроя кратных заготовок, фре­зерования и шлифования их поверхностей. При склеивании из­мельченной древесины в пресс-формах обеспечивается получение готовой детали в окончательном виде. При этом можно одновре­менно облицовывать и отделывать их поверхности.

По сравнению с традиционными методами изготовления деталей из цельной древесины склеивание измельченной древесины сокра­щает длительность производственного цикла в 10 раз, снижает себе­стоимость сложных деталей в 2 раза, улучшает показатели использо­вания сырья. Низкие сорта древесины и отходы используются на 90 %. Имеется опыт получения деталей из измельченной древесины без связующего путем прессования при высоких давлениях и температу­ре. Такой метод изготовления деталей пока не нашел широкого при­менения из-за сложности технологических режимов.

В качестве сырья для изготовления деталей склеиванием измель­ченной древесины используют отходы хвойных и лиственных пород древесины: опилки, стружку, обрезки брусковых заготовок и шпо­на. Крупные отходы измельчают на рубильных машинах и стружеч­ных станках с последующей обработкой в дробилках. После дробле­ния измельченную древесину сепарируют по фракциям. Крупные частицы направляют на дополнительное дробление, а пыль улавли­вают для использования в других целях. Технологический процесс в общем виде включает подготовку сырья, приготовление древесно­клеевой массы, формование и прессование деталей.