Аналіз процесу виробництва клеєного бруса
Клеєні матеріали з цільної деревини в основному використовуються як несучі будівельні та столярні конструкції. У виробництві клеєного бруса для домобудування вихід продукції становить від 20 до 30% від об'єму пиловника.
Низький об'ємний вихід обумовлюється відходами та втратами деревини при обробці, що включають:
- до 50% - обсяг відходів колод при формуванні пиломатеріалів;
- до 15-20% - обсяг вад у пиломатеріалах, які необхідно вирізати;
- до 4-7% - втрати на обробку у розмір по перерізу (стругання) матеріалів до та після лінії зрощування;
- до 6% - безповоротні втрати матеріалу на усихання;
- втрати, що виникають при торцьовуванні пиломатеріалів та бруса у розмір за довжиною; залежать від специфікації готової продукції та можуть становити до 8-10%.
При вибраковуванні всього одного кубометра клеєних конструкцій фактичні втрати становлять близько 4 м 3 пилових колод (3-4 дерева у віці стиглості). За такого виходу готової продукції першому плані виходить забезпечення контролю якості матеріалів і виробів усім етапах технологічного процесу.
Розглянемо кожен етап докладно, щоб визначити, яким чином доцільно організувати та реалізувати роботу, покликану забезпечити контроль якості виробу, що виготовляється.
На цьому етапі виробникам необхідно визначитися із вибором сировини для виготовлення клеєних конструкцій. На безлічі невеликих підприємств воліють використання покупних пиломатеріалів, обходячись без власної ділянки лісопиляння. Зарубіжний досвід показує життєздатність такої моделі, проте її не завжди можна реалізувати в українських умовах. За кордоном пиломатеріали, що формуються в лісопильному цеху, сортуються за допомогою силових та акустичних.установок для визначення їх фізико-механічних властивостей, що є обов'язковою умовою їх використання у виробництві клеєних несучих конструкцій. Проведення такого сортування дозволяє не тільки гарантувати властивості міцності, а й економити пиломатеріали. За її результатами визначається місце розташування вад будівлі деревини, які впливають на якість і повинні бути видалені (вирізані). Слід також зазначити, що для виготовлення клеєних конструкцій доцільно використовувати пиломатеріали радіального та напіврадіального розпилу, великий вихід яких можливий лише при реалізації спеціальних схем розкрою колод, що не завжди вигідно виробнику пиломатеріалів.
Виконуючи розкрій пиловочних колод, виробники клеєного бруса мають можливість випилювати пиломатеріали з різних зон колод – тих, де деревина з необхідними властивостями, пріоритет яких визначається залежно від виду сполучного, що використовується, і призначення клеєних елементів. Тим самим скорочуються втрати деревини на відбракування пиломатеріалів з невідповідними вимогами технології властивостями.
Виробники клеєного бруса, які не забезпечують виробництво власними пиломатеріалами, а купують їх, змушені організовувати ділянку сортування пиломатеріалів за якістю та нахилом волокон деревини. Як правило, створення такої ділянки передбачається на етапі проектування підприємства.
Етап другий
Наступною операцією, у ході якої формується більшість експлуатаційних властивостей майбутніх клеєних конструкцій, є сушіння пиломатеріалів.
Багато виробників клеєних дерев'яних конструкцій у прагненні збільшити обсяги виробництва не хочуть використовувати для підготовки якісної деревини м'які режими, оскільки такзбільшується тривалість сушіння.
Існує думка, що клеєний брус не схильний до короблення, але це вірно тільки в тому випадку, якщо сушка виконана в м'якому режимі і після неї проведено кондиціювання пиломатеріалів для вирівнювання вологості та внутрішніх напруг, а також за умови правильного складання ламелів у брусі.
Сучасні клеї здатні склеювати деревину з вологістю до 15%, проте їх застосування не гарантує цілісності клейового з'єднання та стабільності форми продукції при порушенні технології сушіння та подальшої релаксації напруги, що виникають у деревині (рис. 1).
На стадії виробництва виконується підготовка поверхонь ламелів до склеювання.
Відомо, що поверхня деревини поступово «старіє» і втрачає здатність до склеювання (зменшується кількість вільних радикалів, здатних взаємодіяти з клеєм), тому виробництво має бути організоване таким чином, щоб не пізніше ніж через півзміни (3-4 години) ламелі, оброблені в розмір по перерізу на стругальних (подовжньо-фрезерних) верстатах, що надходили на ділянку склеювання.
«Старіння» деревини супроводжується підняттям ворсу та погіршенням змочуваності поверхні клеєм, що веде до збільшення витрати клею при нанесенні вальцями або пензлем. В результаті не тільки знижується адгезійна здатність деревини, а й зростає товщина клейового шару, що також негативно позначається на міцності клейової сполуки.
Збільшення товщини клейового з'єднання може бути викликане кінематичними нерівностями на поверхні ламелей, що виникають при їх обробці (рис. 2).
Висоту (h) та довжину (l) хвилі визначають за формулами (1), де h − висота хвилі, мм; l – довжина хвилі, мм; R − радіус ріжучої кромки леза циліндричної фрези, мм та(2), де U − швидкість подачі, м/хв; n − частота обертання шпинделів, хв-1; z – число ножів, шт.
За даними компанії Leitz [2], для досягнення балансу між якістю обробки поверхні ламелів та раціональним режимом роботи ріжучого інструменту необхідно забезпечити довжину кінематичної хвилі 1,3-1,7 мм (рис. 3). У виробничих умовах обґрунтування необхідних параметрів роботи обладнання може бути визначено експериментальним шляхом, виходячи з властивостей породи, що обробляється, деревини та інструменту.
Довжина та висота кінематичних нерівностей залежать від виду та ступеня затуплення ріжучого інструменту, а також від швидкості подачі та різання.
Крім збільшення товщини клейового з'єднання за рахунок утворення порожнин через кінематичні хвилі між склеюваними поверхнями відбувається зміна параметрів роботи обладнання, що також негативно впливає на якість його роботи (рис. 4) і, відповідно, на якість підготовки поверхонь, що склеюються [3].
На цьому етапі виробляється формування клеєного бруса. Досить поширена помилка на сучасних підприємствах: при складанні ламелів у брус вкрай мало уваги приділяється орієнтації ламелей щодо спрямування волокон деревини.
Ламелі, як правило, візуально сортують тільки за якістю, без урахування місця їх випилювання з колоди, хоча формостійкість бруса в умовах експлуатації забезпечується саме за рахунок різного напрямку волокон деревини у суміжних шарах, що необхідно для зниження впливу анізотропії деревини.
Конструкція бруса в поперечному перерізі повинна відповідати правилам симетрії і складатися з непарної кількості ламелей для зменшення напруги, що виникають при затвердінні сполучного і в результаті усихання і набухання (такінапруги можуть виникати також при експлуатації бруса, що працює на вигин).
При використанні в процесі виготовлення бруса парного числа ламелей максимальні дотичні напруги припадають на клейове з'єднання, як правило, що працює на сколювання гірше, ніж цільна деревина.
При укладанні ламелей необхідно забезпечити їх складання таким чином, щоб як лицьові не використовувалися серцеві дошки, орієнтовані серцевиною назовні (рис. 5).
Під впливом температурно-влажностных змін довкілля та внутрішніх напруг деревини в ламелях (особливо при товщині більше 33 мм) може відбуватися відшарування та випадання серцевини трубки з бруса в процесі його експлуатації.
Відповідно до ГОСТу 20850-84 «Конструкції дерев'яні клеєні. Загальні технічні умови» товщина шарів, що склеюються, в клеєних елементах повинна становити 20±1 мм і 33±1 мм, на підставі чого виробники приймають допуск на розмір рівним 2 мм - навіть при виготовленні ламелей нестандартних товщини і ширини.
Різнотовщинні ламелі, які формально знаходяться в полі допуску по товщині, досить складно склеювати, оскільки для забезпечення необхідної міцності клейового з'єднання необхідно забезпечити контакт між поверхнями, що склеюються, що, з урахуванням великої кількості ламелів в пресі, вимагає застосування підвищеного тиску.
Крім цього, внаслідок різнотовщинності ламелів при їх склеюванні в деревині виникають внутрішні напруги, викликані нерівномірним стиском по товщині і здатні призвести до руйнування клейового з'єднання.
Так само важливим моментом технологічного процесу є забезпечення постійної ширини пиломатеріалів. При склеюванні бруса по товщині тиск прикладається до пластів.пиломатеріалів.
Для формування бруса необхідної геометричної форми пакет ламелей попередньо фіксується за допомогою фронтальних притисків, які передають тиск на кромки пиломатеріалів. При склеюванні зафіксованих фронтальними притисками ламелів різної ширини може відбуватися їх зміщення (рис. 6), в результаті якого при додатку тиску до пластів не буде забезпечений контакт між поверхнями, що склеюються.
Створення якісного клейового з'єднання залежить не тільки від умов підготовки ламелей, а й від сполучного. При приготуванні та нанесенні клею необхідно витримувати в цеху задані виробником клею температурновологісні умови, оскільки вони впливають на життєздатність сполучного та тривалість відкритої/закритої витримки.
При використанні багатокомпонентних клеїв, підготовлених до нанесення з порушеннями технології, або у разі їх застосування після закінчення терміну життєздатності затвердіння може відбутися передчасно, і тільки між поверхнями, що склеюються, - без проникнення в контактні шари деревини. Подібні дефекти склеювання досить складно розпізнати у виробничих умовах без проведення випробувань клеєного бруса по всій його довжині.рентгенографії чи ультразвуку. Виконати випробування з допомогою методів руйнівного контролю у разі неможливо. Руйнування таких клейових конструкцій, як правило, відбувається під час їх експлуатації в результаті зміни температурно-вологісних умов, що тягнуть за собою зміну розмірних характеристик ламелів, які при цьому не стримуються належним чином клейовими сполуками.
При склеюванні заготовок у пресі клейова сполука зазвичай не встигає набрати необхідну міцність, для досягнення якої необхідно забезпечити витримку бруса після пресування. Тривалість витримки визначається типом сполучного за рекомендаціями виробника.
Витримка здійснюється на підстопних місцях, основною вимогою яких є прямолінійність основи, що не дозволяє брусу деформуватися під дією власної маси.
При збиранні будинків з деформованого клеєного бруса утворюються щілини (рис. 7, 8).
Заключним етапом процесу виробництва клеєного бруса є формування сполучних елементів.
Після склеювання та технологічної витримки необхідно виконати профіль бруса для формування монтажних пазів та гребенів, а також порожнин, у які укладається утеплювач.
На цій стадії може відбуватися зниження якості бруса за рахунок розтину смоляних кишень та випадання сучків, які були непомічені чи невірно визначені на попередніх стадіях технологічного процесу.
Для їх закладення доцільно використання різних вставок у формі «човників» або «пробок» із цільної деревини.
Дефекти, що розкрилися, можуть бути видалені і при формуванні сполучних лап і чашок, а також при торцьовуванні бруса.