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 температурно-влажностные 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.
2.5 Виды профилей клееного бруса
На сегодняшний день существует большое количество профилей, используемых при производстве и монтаже домов. У каждого типа есть достоинства и недостатки. Наиболее распространенными являются: - "гребенка" или немецкий - "финский" или "скандинавский". Все остальные профили являются промежуточными между ними.
Немецкий или "гребенка" изначально создавался как альтернатива финскому.По замыслу создателей предполагалась, что гребенка (6) избавит от утеплителя или уплотнителя. Большая площадь соприкосновения позволит хорошо и качественно уплотнить стыки между рядами. Основной упор при этом делался на неизменяемость геометрических параметров и высокую точность обработки поверхностей контакта на станочном оборудование.
Но, к сожалению это оказалось совсем не так. Действительно в заводских условиях удается обеспечить все необходимые параметры. Но когда строительный материал поступает на стройку, то он оказывается незащищенным от воздействия атмосферных осадков, солнца и температурных перепадов. В результате поверхностный слой (2 и 4) во время монтажа увлажняется. Осадки скапливаются в пазах гребенки верхней части, а нижняя часть (1 и 3) остается сухой. Казалось бы это незначительное разбухание древесины. Но так как площадь поверхности контакты очень большая ,это приводит к тому что верхний не может плотно сесть на профиль нижнего. Происходит расклинивание. В редких случаях это приводит к разрыву по древесине верхней части нижнего ряда.
После сборки дома из-за неполной посадки между собой происходит усадка. Хотя клееный брус практически не меняет свои геометрические размеры. Это вызвано тем, что свободная атмосферная влага испаряется и разбухание устраняется. Для устранения этой проблемы приходится прибегать дополнительно к металлическим стяжкам. Но все эти дополнительные затраты ложатся на плечи застройщика.
Другой тип профиля - "финский" или "скандинавский" изначально создавался для сборки домов. Поэтому в конструкции изначально предусмотрено минимальная поверхность контакта между собой. Контакт осуществляется только по поверхности (1 и 2), а в случае с гребенкой по поверхности (1,2,3,4 ) и каждого зуба (6) по наружной. Контакт вышележащего и нижнего происходит по двум точкам, временное увлажнение и разбухание древесины во время монтажа не влияет на плотность посадки. Не происходит зависания, не требуются металлические стяжки для создания преднатяга. После окончания монтажа стенового комплекта не происходит его изменения по высоте. А материал, применяемые в качестве уплотнителя (4) обеспечивает дополнительную защиту от продувания и промерзания. Сборка простая и технологична. Нет зависимости от погодных условий. Всегда гарантированный отличный результат.
2.6 Сращивание древесины по длине
Современные российские и европейские стандарты выдвигают высокие требования к изделиям, изготовленным из древесины. Для того чтобы соответствовать этим требованиям, а другими словами выпускать конкурентоспособную продукцию требуется сырье высокого сорта а дополнительные вложения. Технология сращивания древесины призвана решить эту проблему. При производстве погонажных изделий применяется сращивание по длине. Для этих целей можно использовать склеивание впритык гладко опиленными торцами, сращивание на ус или на зубчатый шип.
Торцовое соединение впритык дает низкую прочность (10- 15% от проч-ности цельной древесины) и применяется как монтажное склеивание или для деталей, не испытывающих эксплуатационных нагрузок. Этой прочности достаточно для перемещения и обработки склеенных деталей на круглопильных и продольно - фрезерных (строгальных) станках. Возможные области применения соединений впритык - изготовление рамок щитовых дверей, щитовых деталей встроенных шкафов, кухонной мебели и других изделий, где всю нагрузку воспринимает облицовка.
Усовые соединения могут обеспечивать до 100% прочности цельной древесины при изгибе, но требуют повышенного расхода материала, так как длина уса должна составлять 10 - 15 толщин материала. Это не позволяет применять эти соединения для утилизации коротких отрезков досок. Возможно применение усовых соединений при изготовлении авиационных деталей, деталей корпуса деревянных судов, весел, тетив пожарных лестниц и других высоконагруженных деталей, как правило, не содержащих значительных сучков.
Зубчатые соединения занимают по прочности промежуточное положение между соединениями впритык и усовыми. Общие требования к зубчатым соединениям определены в ГОСТ 19414-90. Профиль зубчатых шипов показан на рис.2.13.
Рис.2.13. Профиль зубчатого шипа
Основные достоинства зубчатых соединений - минимальные потери древесины, технологичность и относительная простота формирования шипов, способность самозаклинивания при действии торцового давления и способность сохранять давление вне пресса.
Исследования показали, что прочность соединения зависит не столько от длины шипов, сколько от величины затупления b. Современный режущий инструмент позволяет получать шипы с затуплением менее 1 мм, что дает возможность уменьшать длину шипов до 7,5 мм (минишипы) и даже до 4,5 мм (микрошипы). Согласно немецкому стандарту DIN 68140 следует различать соединения группы I для нагруженных строительных деталей и соединения группы II для столярно-мебельных изделий. Для группы I степень ослабления (величина b/t) должна быть не более 0,18, а для группы II - не более 0,25.
Сегодня повсеместно используют короткие шипы - для группы I до 20 мм, и для группы II применяют минишипы (7,5 - 10 мм). Соединения на минишипах имеют следующие преимущества:
- существенная экономия древесины
- фрезерование осуществляется за один проход
- фрезерные головки имеют высокую долговечность, так как снижены усилия резания при фрезеровании
- повышенное самозаклинивание шипов, обеспечиваемое высокой точностью формирования шипов и высоким продольным давлением сжатия. Это позволяет не использовать нагрев для ускорения отверждения клея.
- ввиду большого числа шипов можно не использовать боковое давление при запрессовке соединения.
Линия сращивания древесины как одна из основных единиц оборудования применяется на производствах по выпуску погонажных изделий, клееного оконного бруска, клееного строительного бруса, клееного мебельного щита и позволяет решать сразу две задачи, позволяющие увеличить прибыльность производства:
- сильно сократить количество отходов (на 8…12%);
- увеличить выпуск качественной продукции.
Линии сращивания по длине могут комплектоваться из отдельных единиц оборудования, а могут поставляться целой автоматической или полуавтоматической линией.
Основными частями линии сращивания являются шипорезный станок для минишипа и пресс для сращивания по длине.
3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ