Способ уплотнения и формообразования изделий из цельной древесины

 

Изобретение относится к области деревообработки, преимущественно к технологии обработки длинномерных заготовок. Уплотнение и формообразование изделий из цельной древесины осуществляют при одновременном воздействии на размещенную в пресс-форме заготовку статической нагрузки, направленной вдоль волокон древесины, и поля акустических волн. Используют пресс-форму, изготовленную из материала, обладающего анизотропией упругих свойств, у которого величины акустического сопротивления в ортогональных направлениях согласованы с величинами акустического сопротивления древесины в направлениях вдоль и поперек волокон. Величины акустических сопротивлений материала пресс-формы и древесины отличаются друг от друга не более чем в 10 раз по каждому из направлений. Способ позволяет повысить эффективность обработки заготовок. 1 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к области деревообработки, в частности к технологии уплотнения и формообразования изделий из цельной древесины, преимущественно к технологии обработки длинномерных заготовок.

Большинство из известных в настоящее время способов уплотнения и формообразования изделий из цельной древесины основано на силовом воздействии на размещенную в пресс-форме заготовку внешней статической нагрузки [1]. В данных способах требуемые показатели качества прессованных изделий достигаются за счет приложения значительных по величине нагрузок, поэтому пресс-формы изготавливают из материала, способного прежде всего противостоять разрушению под действием указанных нагрузок. Наиболее подходящим материалом для пресс-форм с точки зрения механических свойств являются металлы и их сплавы.

Известен способ [2] , выбранный авторами за прототип, в котором уплотнение и формообразование изделий из цельной древесины осуществляют путем одновременного воздействия на размещенную в пресс-форме заготовку статической нагрузки, действующей вдоль волокон древесины, и поля акустических волн.

В указанном способе комплексное воздействие статической нагрузки и акустического поля на обрабатываемую заготовку обеспечивает ее уплотнение и формообразование, при этом возникающие под воздействием акустического поля продольно-поперечные смещения частиц древесинного вещества способствуют равномерному уплотнению материала в объеме изделия, а также снижают трение заготовки при ее продвижении в пресс-форме. Указанные факторы приводят к снижению внутренних напряжений в упруго-сжатой древесине и, как следствие, к улучшению физико-механических характеристик изделия, а также положительно сказываются на сохранении структуры материала изделия.

Однако в данном способе традиционно используют пресс-форму, изготовленную из металла-материала, акустические свойства которого резко отличаются от акустических свойств древесины, в частности величина акустического сопротивления металла намного выше величины акустического сопротивления древесины. Неоднородность акустических свойств материалов в системе пресс-форма - заготовка приводит в диспропорционированию энергии волнового поля на границе раздела сред (металл - древесина), при этом большая часть энергии расходуется в материале пресс-формы, что снижает эффективность способа.

Задачей заявляемого изобретения является повышение эффективности процесса уплотнения и формообразования изделий из цельной древесины.

Поставленная задача решается тем, что в способе уплотнения и формообразования изделий из цельной древесины путем одновременного воздействия на размещенную в пресс-форме заготовку статической нагрузки, направленной вдоль волокон древесины, и поля акустических волн уплотнение и формообразование осуществляют в пресс-форме, изготовленной из материала, обладающего анизотропией упругих свойств, у которого величины акустического сопротивления в ортогональных направлениях согласованы с величинами акустического сопротивления древесины в направлениях вдоль и поперек волокон.

Кроме того, величины акустического сопротивления материала пресс-формы отличаются от величин акустического сопротивления древесины не более чем в 10 раз по каждому из направлений.

Новым в способе является то, что уплотнение и формообразование осуществляют в пресс-форме, изготовленной из материала, обладающего анизотропией упругих свойств, у которого величины акустического сопротивления в ортогональных направлениях согласованы с величинами акустического сопротивления древесины в направлениях вдоль и поперек волокон.

Новым является также то, что величины акустического сопротивления материала пресс-формы отличаются от величины акустического сопротивления древесины не более чем в 10 раз по каждому из направлений.

Принципиальным отличием заявляемого способа от известных является то, что в качестве материала пресс-формы использован материал с анизотропией упругих свойств.

Как известно, некоторые из акустических характеристик материала определяются его упругими свойствами, так как они отражают процессы распространения упругих механических продольных и поперечных колебаний в объеме материала.

Древесина обладает явно выраженной анизотропией упругих свойств, что обусловлено волокнистой структурой древесинного вещества. Анизотропия упругих свойств проявляется, например, в том, что скорость распространения звука в направлении вдоль волокон древесины в 3...4 раза выше скорости распространения звука в направлении поперек волокон.

Для характеристики акустических свойств материалов используют ряд показателей, в том числе величину акустического сопротивления Z, выражающуюся произведением Z = ρc, где ρ - плотность материала, c - скорость звука в материале.

В результате экспериментальных исследований авторами установлено, что эксплуатационные качества прессованных изделий получаются весьма высокими, если процесс уплотнения и формообразования изделий под воздействием статической нагрузки и поля акустических волн проводить в пресс-форме, изготовленной из материала, акустически согласованного с материалом древесины.

Указанное согласование достигается тем, что для пресс-формы выбирают материал с анизотропными упругими свойствами, а именно материал, обладающий анизотропией акустического сопротивления в ортогональных направлениях, при этом величина акустического сопротивления материала в одном из ортогональных направлений должна быть близка к величине акустического сопротивления древесины в направлении вдоль волокон, а величина акустического сопротивления материала в другом направлении должна быть близка к величине акустического сопротивления древесины в направлении поперек волокон. При этом экспериментально установлено, что указанные величины акустических сопротивлений материала пресс-формы и древесины не должны отличаться более чем в 10 раз по каждому из направлений, в противном случае эффективность способа значительно снижается.

При изготовлении пресс-формы, например, в виде цилиндрической трубы обеспечивают ориентацию в ней материала таким образом, чтобы в готовой пресс-форме величины акустического сопротивления в продольном и поперечном направлениях соответствовали величинам акустического сопротивления в направлениях вдоль и поперек волокон помещаемой в пресс-форму древесной заготовки.

Величины акустического сопротивления материала пресс-формы и древесины могут быть вычислены на основании справочных данных [3] или определены экспериментально.

За счет согласования акустических свойств материала пресс-формы и обрабатываемой древесины при прохождении через систему "пресс-форма - заготовка" продольных и поперечных акустических колебаний значительно снижаются потери волновой энергии на границе раздела пресс-форма - заготовка, и соответственно увеличивается объемная плотность энергии в материале древесины, а также обеспечивается более равномерное распределение энергии в объеме обрабатываемой заготовки.

Указанные обстоятельства положительно сказываются на качестве прессованных изделий, при этом более эффективное использование энергии акустического поля позволяет получать высококачественные изделия из заготовок большого диаметра и длины при относительно невысоких энергетических затратах (без увеличения величины статической нагрузки, мощности источника акустических колебаний.) В качестве материала пресс-формы, удовлетворяющего вышеуказанным требованиям, могут быть использованы преимущественно различные армированные полимерные материалы, например стеклопластики, углепластики, а также ряд композиционных материалов (системы бор - алюминий и др.). При выборе материала следует учитывать также его прочностные характеристики для обеспечения стойкости пресс-формы к применяемым статическим нагрузкам.

Следует отметить, что использование в процессе уплотнения и формообразования изделий из цельной древесины пресс-форм, изготовленных из неметаллических материалов, дает ряд дополнительных преимуществ, а именно исключается коррозия внутренней поверхности пресс-формы под действием химически активного древесного сока, снижается масса пресс-формы, что облегчает транспортировку пресс-формы с заготовкой на последующие операции технологического процесса.

Возможность реализации заявляемого способа показана в примерах конкретного выполнения.

Пример 1 Брали цилиндрическую заготовку из ольхи диаметром 67 мм и длиной 500 мм с исходной плотностью в сухом виде 0,33 г/см.

Величина акустического сопротивления древесины составила в направлении вдоль волокон 1,2·10⁵ г/см·с, в направлении поперек волокон 0,45·10⁵ г/см·с. Использовали пресс-форму, выполненную в виде трубы с внутренним диаметром 54 мм. В качестве материала пресс-формы использовали стеклопластик марки ЭДТ-10П.

Величина акустического сопротивления стеклопластика в ортогональных направлениях составила соответственно 8,8·10⁵ г/см·с и 3,0·10⁵ г/см·с.

Осуществляли статическую нагрузку на заготовку величиной 4000 кгс с помощью пуансона, движущегося со скоростью 5 мм/с.

Одновременно сообщали пресс-форме акустические колебания с частотой 18,0±1,5 кГц.

По окончании процесса запрессовки снимали внешнее силовое воздействие и осуществляли сушку изделия в пресс-форме, после чего извлекли изделие из пресс-формы.

Плотность полученного изделия увеличилась в 1,5 раза и составила 0,50 г/см, при этом диаметр изделия составил 53 мм.

Проводили оценку равноплотности прессованного изделия, для чего исследовали рентгенограммы поперечных срезов изделия по его длине. О равноплотности судили по величине разброса результатов измерения расстояния между годичными кольцами, который составил 5...7%.

Пример 2 (сравнительный).

Осуществляли процесс уплотнения и формообразования заготовки по примеру 1, но использовали пресс-форму, изготовленную из стали 45 с приложением статической нагрузки 6000 кгс.

Величина акустического сопротивления стали 45 составляла 46,6·10⁵ г/см·с в обоих ортогональных направлениях, что примерно в 40 раз больше величины акустического сопротивления древесины в направлении вдоль волокон и примерно в 60 раз больше величины акустического сопротивления древесины в направлении поперек волокон.

Получили изделие, диаметр и плотность которого были аналогично примеру 1.

Равноплотность изделия определяли по примеру 1. Разброс результатов измерения между годичными кольцами составил 18...20%.

Пример 3 Брали цилиндрическую заготовку из березы диаметром 67 мм и длиной 500 мм с исходной плотностью 0,50 г/см.

Величина акустического сопротивления древесины в направлении вдоль волокон - 3,2·10⁵ г/см·с, в направлении поперек волокон - 0,9·10⁵ г/см·с.

Использовали пресс-форму по примеру 1. Осуществляли обработку изделия, как описано в примере 1, прикладывая нагрузку 5540 кгс.

В результате получили изделие, плотность которого увеличилась в 1,5 раза и составила 0,75 г/см, при этом диаметр изделия составил 53 мм.

Оценивали равноплотность изделия, как описано в примере 1. Разброс результатов измерения расстояния между годичными кольцами составил 5...7%.

Пример 4 (сравнительный) Осуществляли процесс уплотнения и формообразования заготовки по примеру 3, но использовали пресс-форму по примеру 2 (сталь 45) с приложением статической нагрузки 8000 кгс.

Получили изделие, диаметр и плотность которого были аналогично примеру 3.

Разброс результатов измерения расстояния между годичными кольцами составил 18...20%.

Из приведенных примеров видно, что при обработке крупногабаритных заготовок из различных пород древесины в пресс-форме, изготовленной из материала, обладающего анизотропией упругих свойств, величины акустического сопротивления которого согласованы с величинами акустического сопротивления древесины, удалось достигнуть требуемой степени уплотнения изделий при меньших - статических нагрузках, при этом равноплотность указанных изделий по сравнению с изделиями, обрабатываемыми в пресс-форме из стали 45, в несколько раз выше.

Таким образом, примеры реализации способа позволяют судить о его высокой эффективности.

Источники информации 1. Гончаров Н. А. и др. Технология изделий из древесины. Москва, 1990, стр. 309.

2. Патент РФ N2089385, B 27 M 3/04, опубл. БИ N25, 1997 (прототип).

3. Кикоин И.К. Таблицы физических величин. Москва, 1976, стр. 66,86.

Формула изобретения

1. Способ уплотнения и формообразования изделий из цельной древесины путем одновременного воздействия на размещенную в пресс-форме заготовку статической нагрузки, направленной вдоль волокон древесины, и поля акустических волн, отличающийся тем, что уплотнение и формообразование осуществляют в пресс-форме, изготовленной из материала, обладающего анизотропией упругих свойств, у которого величины акустического сопротивления в ортогональных направлениях согласованы с величинами акустического сопротивления древесины в направлениях вдоль и поперек волокон.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что величины акустического сопротивления материала пресс-формы отличаются от величин акустического сопротивления древесины не более чем в 10 раз по каждому из направлений.