Как согнуть дубовую доску. Гнутье древесины холодным способом
Различают три способа гнутья древесины. Один из них - наиболее известный заключается в предварительной пропарке древесины с последующим приданием ей требуемой формы в мощных прессах. Этот горячий способ гнутья применяют в основном в серийном производстве, например, стульев.
Наряду с ним, особенно в домашних условиях, практикуют два других способа гнутья древесины, но уже в холодном состоянии.
- Первый - гнутье цельной древесины с предварительным выполнением надрезов по изгибу.
- Второй - гнутоклеение, при котором гнутую деталь получают методом давления в пресс-формах из заготовки, представляющей собой пакет из нескольких слоев промазанных клеем тонких полос древесины.
- При гнутье вторым способом - с надрезами - в заготовке на глубину в 2/3-3/4 ее толщины пропиливают узкие, параллельные друг другу пазы, после чего придают заготовке желаемую форму.
Максимальный радиус изгиба зависит от глубины надрезов (и соответственно от толщины заготовок), расстояния между ними и от гибкости древесины. Надрезы производят как параллельно, так и перпендикулярно волокнам. Эту рабочую операцию выполняют с помощью торцовочной или ручной дисковой пилы с направляющим упором. Если нет специального инструмента, годится и обычная ножовка по дереву. Главное, чтобы глубина надрезов была одинаковой.
СКЛЕИВАНИЕ С ОДНОВРЕМЕННЫМ ГНУТЬЕМ
При гнутье древесины волокна на внутренней стороне сжимаются, а на внешней - растягиваются. Сжатие волокон древесина «переносит» сравнительно легко, особенно если ее предварительно пропарить. Растянуть же ее практически невозможно.
Гибкость зависит также от породы дерева и толщины заготовок. Например, твердая древесина из умеренных климатических зон - бук, дуб, ясень, вяз - поддается гнутью легче, чем тропические древесные породы (махагони, тиковое дерево, сипо и пр.). Хвойные же для этого слишком жестки.
Величину сопротивления сгибаемой древесины до момента ее разрушения определяют соотношением 1:50, т.е. радиус изгиба должен не менее чем в 50 раз превышать толщину заготовки. Например, заготовка толщиной 25 мм требует радиуса не менее 1250 мм. Чем тоньше древесина, тем проще она гнется. Поэтому там, где это возможно, целесообразно делать деталь соответствующей формы путем гнутоклеения (рис. 1).
При этом способе отдельные полосы древесины одинаковой толщины и ширины проклеивают, укладывают в несколько слоев так, чтобы их волокна были расположены параллельно, и помещают в пресс-форму, изготовленную из твердой древесины. Матрицу и пуансон пресс-формы сжимают струбцинами и оставляют пакет в таком положении, пока не высохнет клей.
Толщина склеиваемых друг с другом полос может колебаться в пределах 1-6 мм опять же в зависимости от требуемого радиуса изгиба. Для проклеивания слоев подойдет клей холодного отвердения. Если гнутоклееные заготовки предназначены для использования в наружных конструкциях, лучше всего взять водостойкий клей.
ГНУТЬЕ С ПРИМЕНЕНИЕМ ЗАЖИМНЫХ ПРИСПОСОБЛЕНИЙ И ПРЕСС-ФОРМ
Чтобы определить допустимую толщину подлежащих гнутью полос шпона или планок (при большей толщине древесина может сломаться), необходимо знать наименьший радиус изгиба. Больше всего древесина деформируется на внутренней стороне места изгиба. Поэтому измерять всегда нужно именно здесь.
В качестве вспомогательного приспособления целесообразно пользоваться шаблоном, который можно изготовить самому. Для определения радиуса изгиба берем обычный школьный циркуль и чертим на кальке несколько окружностей (с небольшим возрастанием их радиуса), имеющих общий центр. В итоге получаем шаблон. Прикладываем его к поверхности изгиба, например, пресс-формы и смещаем, пока не найдем подходящую окружность наибольшего диаметра. Ее радиус измеряем на шаблоне. Полученное значение делим на 50. Частное от деления и будет максимально допустимой толщиной полосы планки или шпона.
При работе с пресс-формами изгиб на наружной стороне заготовки должен быть более плавным, чем на внутренней. В этом случае чертим из одного центра две окружности, радиусы которых разнятся на общую толщину материала полос.
Труднее всего обстоит дело, когда требуется согнуть деталь сложной конфигурации с разными радиусами изгиба. Здесь изгибы для внутренней или наружной стороны заготовки можно построить свободно, если ее форма не привязана к обводам какого-либо предмета мебели.
Линию для второго пропила (первый - в начале изгиба) можно в этом случае построить так. Отмерим циркулем общую толщину склеиваемых слоев, проведем им окружность на твердом картоне, вырежем круг и приложим его в нескольких местах к линии первого пропила. При этом прикладываем круг так, чтобы он соприкасался с первой линией, и чертим его контур соответственно на противоположной стороне. Вторая линия пропила будет сквозной связью между этими вспомогательными линиями.
ТЕХНОЛОГИЯ ГНУТЬЯ С ВЫПОЛНЕНИЕМ НАДРЕЗОВ НА ЗАГОТОВКАХ
При определении числа запиливаемых на заготовке надрезов для гнутья по известному радиусу (оно зависит еще и от ширины паза и породы древесины) пользуемся вспомогательной конструкцией. Для этого берем брусок, аналогичный заготовке (рис. 2). Выпиливаем на нем один единственный надрез с глубиной в 2/3-3/4 толщины бруска. На листе бумаги проводим прямую и отмечаем на ней точку надреза.
Кладем брусок на бумагу так, чтобы его нижняя кромка до надреза совпала с прочерченной линией и отмеченной точкой места надреза, и крепим брусок струбциной к рабочему столу. Откладываем на линии и бруске расстояние требуемого радиуса b и сгибаем брусок, пока верхние кромки надреза не сомкнутся. Расстояние а между концом линии и меткой на бруске будет расстоянием между отдельными надрезами, которые можно разметить на заготовке.
Если надрезы необходимо запилить на наружной стороне заготовки, расстояние между ними и соответственно их число определяем таким же способом. Заготовку сгибаем настолько, насколько это позволяет эластичность древесины. Если пробный кусок дерева сломается, то этого можно ожидать и от закрепленной в пресс-форме заготовки.
По материалам журнала "Делаем сами"
Если возникла необходимость в изготовлении изогнутого деревянного элемента, то на первый взгляд может показаться, что проще выпилить нужный элемент в изогнутом виде, но в таком случае волокна древесного материала будут перерезаны, ослабляя, таким образом, прочность детали, а как следствие, и всего изделия. Кроме того, при выпиливании получается большой перерасход материала, что нельзя сказать о способе, когда деревянную заготовку попросту изгибают.
Древесина - это волокна целлюлозы, связанные между собой химическим веществом, называемым лигнин. От расположения волокон зависит гибкость дерева.
Только хорошо просушенное дерево будет надежным и долговечным исходным материалом для производства различных изделий. Однако изменение формы сухой деревянной заготовки процесс сложный, ведь сухое дерево может сломаться, что очень нежелательно.
Изучив технологию, как согнуть дерево, а также основные физические свойства древесины, которые позволяют изменять ее форму и впоследствии ее сохранить, вполне реально заняться изгибанием древесины в домашних условиях.
Некоторые особенности работы с деревом
Гнутье древесины сопровождается ее деформацией, а также сжатием внутренних слоев и растяжением внешних. Бывает так, что силы растяжения приводят к разрыву внешних волокон. Предупредить это можно при проведении предварительной гидротермической обработки.
Итак, согнуть можно заготовки бруса, сделанного из массива и клееной древесины. Кроме того, для гнутья применяют строганный и лущеный шпон. Самыми пластичными являются лиственные породы. В их числе бук, ясень, береза, граб, клен, дуб, тополь, липа и ольха. Гнутые клееные заготовки лучше всего делать из шпона березы. Стоит отметить, что в общем объеме гнуто-клееных заготовок березовый шпон занимает примерно 60%.
При пропаривании заготовки способность к сжатию значительно увеличивается, а именно на треть, в то время как способность к растяжению повышается всего на несколько процентов. А, значит, думать о том, можно ли гнуть дерево толще 2 см, не стоит априори.
Нагрев в паровой коробке
Вначале следует подготовить паровую коробку. Она может быть собственноручно сделанной. Ее главная задача - держать дерево, которое необходимо согнуть. В ней должно быть отверстие, предназначенное для выхода давления пара. В противном случае она взорвется.
Отверстие для выхода пара должно располагаться в дне коробки. Кроме того, в коробке должна быть предусмотрена съемная крышка, через которую можно будет вытащить гнутое дерево, после того как оно приобретет нужную форму. Чтобы удержать деревянную гнутую деталь в нужной форме, следует использовать зажимы. Их можно сделать самостоятельно из дерева или купить в специализированном магазине.
Из дерева следует сделать круглые обрезки - несколько штук. В них просверливаются смещенные от центра отверстия. После этого необходимо просунуть болты через них, а затем просверлить еще одно отверстие через стороны, чтобы задвинуть их намертво. Такие нехитрые поделки могут стать отменными зажимами.
Теперь настало время пропарить дерево, для этого следует позаботиться об источнике тепла и закрыть заготовку из дерева в паровой коробке. На каждые 2,5 см толщины заготовки пропаривать изделие нужно около часа. По истечении времени, дерево нужно вынуть из коробки и придать ему необходимую форму. Процесс должен выполняться очень быстро. Сгибается заготовка аккуратно и мягко.
Одни виды древесины гнутся легче других за счет разной эластичности. Разные способы требуют приложения силы разной величины.
Как только желаемый результат достигнут, гнутое дерево нужно зафиксировать в таком положении. Можно закреплять дерево при его формировании. Благодаря этому легче контролировать процесс.
При помощи химической пропитки
Чтобы разрушить связи лигнина между волокнами можно воздействовать на дерево химическими веществами, причем осуществить это вполне реально в домашних условиях. Идеально для этого подходит аммиак. Заготовка отмачивается в 25% водном растворе аммиака. После чего она становится весьма послушной и эластичной, что позволяет согнуть, скрутить ее и выдавить в ней под прессом рельефные формы.
Аммиак опасен! Поэтому при работе с ним следует соблюдать все правила техники безопасности. Вымачивание заготовки следует проводить в глухо закрывающейся емкости, находящейся в помещении, которое хорошо проветривается.
Чем дольше древесина находится в аммиачном растворе, тем пластичнее она становится. После отмачивания заготовки и придания ей формы, нужно оставить ее в таком изогнутом виде. Это нужно для фиксации формы, ну и для того, чтобы аммиак испарился. Опять же оставлять гнутое дерево следует в проветриваемом помещении. Интересно, что после испарения аммиака, волокна древесины обретут былую прочность, а это позволит заготовке удерживать свою форму!
Способ расслоения
Вначале нужно сделать заготовку дерева, которая будет подвергаться изгибу. Доски должны быть чуть длиннее, чем длина готовой детали. Это объясняется тем, что изгиб укоротит ламели. Прежде чем начать резку, следует нарисовать карандашом диагональную прямую. Сделать это нужно поперек нижней стороны доски. Это позволит сохранить последовательность ламелей после их перемещения.
Доски отрезаются прямослойным краем, ни в коем случае не лицевой стороной. Так, их можно будет сложить вместе с наименьшим изменением. В форму наносится пробковый слой. Это поможет избежать неровностей в форме пилы, что позволит сделать более четкий изгиб. Кроме того, пробка удержит расслоение в форме. Теперь наносится клей на верхнюю сторону одной из деревянных ламелей.
Клей наносится на ламели валиком. Лучше всего использовать карбамидоформальдегидный клей, состоящий из 2 частей. Он обладает высоким уровнем сцепления, но долго сохнет. Можно также использовать эпоксидную смолу, но такой состав стоит очень дорого, и позволить его себе может не каждый. Стандартный клей для дерева в этом случае нельзя применять. Он быстро сохнет, но является очень мягким, что в данной ситуации никак не приветствуется.
Заготовку из гнутого дерева следует как можно быстрее поместить в форму. Так, на промазанную клеем ламель укладывается еще одна. Процесс повторяется, пока гнутая заготовка не приобретет нужную толщину. Доски скрепляются вместе. После того как клей полностью высохнет, следует укоротить ее до нужной длины.
Пропил, как метод
Подготовленный деревянный отрезок нужно пропилить. Пропилы делаются на 2/3 от толщины заготовки. Они должны находиться с внутренней стороны изгиба. Следует быть предельно внимательным, ведь грубые пропилы могут сломать дерево.
Ключ к успеху при резке пропилов заключается в том, чтобы расстояние между надрезами было максимально ровным. В идеале 1,25 см.
Надрезы делаются поперек узора дерева. Далее следует сжать края заготовки так, чтобы соединить получившиеся зазоры вместе. Такую форму и приобретет изгиб по окончании работы. Затем изгиб исправляют. Чаще всего внешнюю сторону обрабатывают шпоном, в некоторых случаях ламинатом. Это действие позволяет исправить изгиб и скрыть любые допущенные в процессе производства дефекты. Пробелы между согнутым деревом скрываются элементарно – для этого смешивается клей и опилки, а после этой смесью заполняются пробелы.
В независимости от метода сгиба, после того как дерево будет вынуто из формы, изгиб слегка расслабится. Ввиду этого его нужно сделать чуть больше, чтобы впоследствии компенсировать этот эффект. Метод пропиливания можно применить при сгибе части коробки или металлического уголка.
В деревообрабатывающем производстве в больших количествах изготовляют криволинейные детали. Изготовление криволинейных деталей производится двумя способами: выпиливанием из досок или плит и гнутьем прямолинейных брусков (цельногнутые детали) или слоев древесины с одновременным склеиванием (гнутоклееные детали).
Технологический процесс гнутья древесины. Технологический процесс гнутья брусков из массивной древесины включает в себя следующие операции: заготовку материала для гнутья, гидротермическую обработку, гнутье и сушку.
Заготовка материала для гнутья. Заготовки для гнутья получают из необрезных досок путем их раскроя на круглопильных станках. К заготовкам для гнутья предъявляются следующие требования.
Косослой не должен превышать 10°. При обычных методах гнутья в заготовках совершенно не допускаются сучки. В заготовках с одновременным прессованием сучки допускаются в больших пределах, что резко увеличивает выход заготовок. Выкраивать заготовки следует с учетом припусков на последующую обработку деталей. При гнутье с одновременным прессованием, кроме припуска на обработку, должен предусматриваться припуск на упрессовку древесины поперек волокон и повышенный припуск по длине заготовки. В целях повышения выхода заготовок для гнутья раскраивать доски рекомендуется после предварительной разметки.
На небольших предприятиях сохранился способ получения заготовок для гнутья путем раскалывания чураков. Колотая заготовка не имеет косослоя, поэтому при изгибании дает меньший процент брака. Однако этот способ весьма трудоемок, так как выполняется вручную и дает на 20-25% ниже выход заготовок из кряжа, чем при его распиловке.
После раскроя (или раскалывания) заготовки для деталей круглого сечения обрабатываются на токарно-копировальных или круглопалочных станках, а заготовки для деталей прямоугольного сечения - на продольно-фрезерных станках. Можно загибать и нестроганые заготовки, но в этом случае доски раскраивают строгальными пилами, дающими чистый и точный пропил.
Гидротермическая обработка. Гидротермическая обработка древесины перед гнутьем производится для того, чтобы повысить пластичность древесины. Оптимальная пластичность древесины достигается при ее нагреве во влажном состоянии. Это объясняется тем, что при нагревании часть веществ, входящих в состав клеток, переходит в коллоидное состояние.
В результате этого повышается способность клеток и всей древесины к деформации. При сушке деформированной (гнутой) древесины коллоидные вещества затвердевают и сохраняют приданную заготовке форму.
Гидротермическая обработка древесины перед гнутьем осуществляется провариванием в горячей воде или пропариванием. Для проваривания применяют деревянные чаны или металлические ванны и баки. Вода в ваннах и чанах нагревается паром.
Температуру воды поддерживают на уровне 90-95°С, не доводя ее до кипения. Продолжительность проваривания зависит от начальной влажности, размеров и породы древесины.
При проваривании сложно получить равномерную температуру и влажность всей заготовки, наружные слои перенасыщаются водой. Поэтому проваривание в горячей воде применяют только в тех случаях, когда пропаривание технически затруднено.
Наиболее широкое применение в производстве получило пропаривание древесины в атмосфере насыщенного пара. Пропаривание позволяет нагревать древесину до нужной температуры (70-80°С), регулировать влажность древесины и получать ее всегда близкой к оптимальной для гнутья, т.е. около 25-30%.
Для пропаривания пользуются насыщенным паром низкого давления (0,02-0,05 МПа), что соответствует температуре 102-105°С. Пропаривание древесины осуществляется в герметически закрывающихся металлических котлах-барабанах или бетонных камерах. Емкость котлов и камер небольшая, рассчитана на закладку брусков в количестве 30-40 шт.
Котлы располагаются у каждого гнутарного станка и соединяются паропроводом между собой в батарею. Бруски в котлы и камеры укладывают на прокладках для того, чтобы обеспечивалось лучшее омывание их паром.
Продолжительность пропаривания зависит от начальной влажности и температуры древесины, размеров брусков и давления пара в котле. Время пропаривания определяется по специальной диаграмме. Например, для заготовок толщиной 40 мм при начальной влажности 30% и давлении пара в пропарочном котле 0,03- 0,05 МПа продолжительность пропаривания составляет 12-13 мин, а для заготовок толщиной 80 мм - 65 мин.
Фанеру в случае гнутья на малые радиусы кривизны также можно подвергать гидротермической обработке. Фанеру, склеенную синтетическими клеями, проваривают, а склеенную казеиновым или альбуминовым клеем, только пропаривают.
Вынутые из пропарочного котла или варочного бака заготовки должны подвергаться гнутью немедленно. Нельзя допускать остывания наружных слоев древесины, которые испытывают наибольшие напряжения при гнутье.
Гнутье древесины и оборудование. Станки для гнутья древесины делятся на два типа: с холодными и горячими формами.
Станки первого типа (рис. 4.13) применяют для гнутья на замкнутый контур. Бруски изгибаются вокруг съемного необогревае-мого вращающегося шаблона 6. Шаблон вместе с шиной 2 надевается на вертикальный вал 8, который приводится во вращательное движение от электродвигателя через редуктор 7.
Свободный конец шины закрепляется в каретке 4, скользящей по направляющим 3. Брусок 5 закладывается между шаблоном 6 и шиной 2 и закрепляется подвижным упором. Затем включается электродвигатель, при этом поворачивается вал 8 с надетым на него шаблоном и изгибается брусок вместе с шиной.
В месте загиба установлен ролик /, плотно прижимающий брусок к шаблону. Задний конец шины закрепляется с помощью скобы на шаблоне. Шаблон с бруском и шиной снимаются со станка и направляются в сушку, а на станок надевают новый шаблон, и операция повторяется.
Рис. 4.13.
7 - прижимный ролик; 2 - шина; 3 - направляющая; 4 - брусок; 5 - заготовка;
б -шаблон; 7 - редуктор; 8 - вал
Рис. 4.14.
7 - крючок; 2 - шаблон; 3 - упор; 4 - шина; 5 - заготовка
Гнутарные станки с горячими формами называются гнутарно-сушильными, они могут быть с двух- и односторонним обогревом. Станки с двухсторонним обогревом представляют собой гидравлический или пневматический пресс с обогреваемыми профильными плитами-шаблонами, между которыми зажимаются изгибаемые бруски. В этих станках бруски выдерживаются в зажатом состянии до полного закрепления формы и сушки заготовок.
В станках с односторонним обогревом (рис. 4.14) заготовки 5 закладываются между горячим шаблоном 2, обогреваемым паром, и шиной 4 и крепятся упором 3. Изогнутые заготовки 5 вместе с шинами закрепляют на шаблоне специальными крючками /. Заготовки остаются в станке до закрепления приданной им формы.
Это достигается высушиванием древесины примерно до 15%-й влажности, на что затрачивается 90-180 мин. Для увеличения производительности гнутарно-сушильных станков заготовки перед гнутьем рекомендуется подсушивать до 20%-й влажности, выдерживать в станке до влажности 12-15%, а окончательную досушку до производственной влажности снятых со станка заготовок производить в сушильных камерах.
Гнутье фанеры осуществляют в шаблонах, состоящих из двух частей: матрицы и пуансона, между которыми закладывают и выгибают фанеру. При этом используются специальные приспособления, винты, пневматические и гидравлические прессы.
Гнутье с одновременным прессованием заключается в том, что древесину изгибают вокруг шаблона, снабженного насечкой, и в процессе гнутья с внешней стороны заготовки прижимают ее к шаблону через шину прессующим роликом.
Происходит прокатка заготовки. Толщина заготовки уменьшается, слои древесины на вогнутой стороне заготовки принимают волнообразную форму от вдавливания насечки шаблона, наружные слои уплотняются. Это способствует повышению сопротивления сжатия вогнутых слоев в древесине и растяжению наружных.
Гнутье с одновременным прессованием значительно улучшает способность древесины к гнутью, позволяет изгибать древесину с крупными сучками, расположенными на наружной стороне заготовки. Оно применяется для гнутья древесины хвойных и мягких лиственных пород.
Сушка заготовок после гнутья. Изогнутые заготовки сушат в сушильных камерах до эксплуатационной влажности, причем заготовки помещают в камеру вместе с шаблонами и охватывающими их шинами. Конструкция сушильных камер подобна тем, которые применяют для сушки пиломатериалов.
Высушенные заготовки выгружают из камер и направляют в остывочное отделение, где выдерживают не менее 48 ч для выравнивания внутренних напряжений. Только после этого заготовки освобождают от шаблонов и шин и направляют в цех механической обработки.
Последовательность и принципы механической обработки гнутых заготовок на станках, т.е. придание им окончательных размеров и чистой поверхности, принципиально не отличаются от обработки прямолинейных заготовок.
Изготовление гнутоклееных деталей. Для получения гнутоклееных деталей гидротермическая обработка древесины перед гнутьем и сушка после гнутья не требуются. Гнутоклееные детали изготовляют из лущеного шпона или фанеры. Технологический процесс получения гнутоклееных деталей состоит из подготовки сырья (шпона, фанеры или тонких планок), нанесения на склеиваемые поверхности клеевого раствора, склеивания заготовок с одновременным гнутьем в пресс-формах или в шаблонах и выдержки деталей после запрессовки для выравнивания влажности и напряжений.
Склеивание производится либо в блоках, либо отдельными деталями. Прессование ведут в гидравлических прессах с пресс-формами или шаблонами. Используют один из трех видов нагрева прессуемого пакета: электроконтактный, паровой или токами высокой частоты (ТВЧ). Наиболее прогрессивен нагрев ТВЧ. При этом способе требуется меньшее время прессования и более равномерно распределяется температура по сечению пакета.
В качестве связующего при изготовлении гнутоклееных деталей используются клеи на основе карбамидных смол большой концентрации и повышенной скорости отверждения. Расход таких клеев на 1 м 2 намазываемой поверхности составляет 110-120 г.
Если вы решили отделать помещение деревом или заняться созданием красивой мебели в классическом стиле - то вам необходимо будет изготавливать криволинейные детали. К счастью, древесина является уникальной субстанцией, ведь она позволяет опытному мастеру немного поиграться с формой. Это не так сложно, как кажется, но и не так легко, как хотелось бы.
Ранее на сайте уже была публикация по изгибанию фанеры . В этой статье мы разберёмся в принципах гнутья массивной доски и бруса, узнаем, как это делают на производстве. А также приведём полезные советы от профессионалов, которые будут полезны домашнему умельцу.
Почему гнутьё лучше выпиливания
Криволинейную деревянную деталь можно получить двумя методами: изогнув ровную заготовку, либо вырезав необходимую пространственную форму. Так называемый способ «выпиливания» привлекает пользователей своей простотой. Для такого изготовления деталей и конструкций не нужно использовать сложные приспособления, не приходится тратить много времени и сил. Однако, чтобы выпилить криволинейное деревянное изделие, приходится применять заведомо слишком крупную заготовку, причём очень много ценного материала будет безвозвратно теряться в качестве отходов.
Но главной проблемой являются рабочие характеристики полученных деталей. При раскрое криволинейной детали из обычного обрезного пиломатериала, волокна древесины не меняют своего направления.
Как результат, в зону радиусов попадают поперечные срезы, которые не только ухудшают внешний вид, но и заметно усложняют последующую доводку изделия, например, его фрезерование или чистовое шлифование. Кроме того, на самых уязвимых для механического воздействия скруглённых участках волокна идут поперёк сечения, что делает деталь склонной к разлому в этом месте.
Тогда как при гнутье обычно наблюдается противоположная картина, когда древесина становится только прочнее. На кромки изогнутого бруса или доски не выходят «торцевые» срезы волокон, поэтому впоследствии можно без ограничений обрабатывать такие заготовки, с использованием всех стандартных операций.
Что происходит в древесине при изгибании
Технология гнутья основана на способности древесины, сохраняя целостность, в некоторых пределах менять свою форму по мере приложения силы, а затем сохранять её после снятия механического воздействия. Однако все мы знаем, что без подготовительных мероприятий пиломатериал является упругим - то есть он возвращается в исходное состояние. А если приложенные силы слишком велики, то брус или доска попросту ломается.
Слои деревянной заготовки при изгибании работают неодинаково. Снаружи радиуса материал растягивается, внутри - сжимается, а в середине массива волокна практически не испытывают существенных нагрузок и мало сопротивляются действующим на заготовку силам (этот внутренний слой называют «нейтральным»). При критичной деформации волокна на внешнем радиусе разрываются, а на внутреннем радиусе обычно образуются «складки», которые являются довольно распространённым дефектом при изгибании мягкой древесины. Сжиматься волокна пластичных лиственных или хвойных пород могут на 20 и более процентов, тогда как предел растягивания составляет около одного-полутора процентов.
То есть для определения возможности для изгибания (без разрушения) более важным показателем будет предел относительного удлинения растянутого слоя. Он напрямую зависит от толщины детали и определяет радиус, который нужно получить. Чем толще заготовка и чем меньше радиус - тем больше будет относительное удлинение вдоль волокон. Имея данные о физических свойствах популярных пород древесины , можно для каждой из них сформулировать максимально возможное соотношение толщины и радиуса деталей. В цифрах это будет выглядеть так:
Изгиб с использованием стальной шины
Изгиб без использования шины
Эти данные говорят о том, что хвойный пиломатериал, по сравнению, с плотными лиственными породами, хуже приспособлен к свободному изгибанию. Для работы с пиломатериалами на агрессивных радиусах нужно обязательно использовать комбинированные методы предварительной подготовки деталей и механической защиты.
Шина как действенный способ избежать разрушения древесины при изгибании
Так как основной проблемой является разрыв волокон со стороны наружного радиуса, именно эту поверхность заготовки нужно как-то стабилизировать. Одним из самых распространённых методов является использование накладной шины. Шина представляет собой стальную полосу толщиной от полмиллиметра до двух миллиметров, которая охватывает брус или доску по наружному радиусу и изгибается на шаблоне вместе с древесиной. Упругая полоса поглощает часть энергии при растягивании и одновременно с этим перераспределяет разрушающую нагрузку по длине заготовки. Благодаря такому подходу в купе с увлажнением и нагревом, допустимый радиус изгиба уменьшается в разы.
Параллельно с использованием стальной шины в гибочных приспособлениях и станках добиваются механического уплотнения древесины. Делается это при помощи прессующего ролика, который давит на заготовку по наружному радиусу изгиба. Кроме того, форма-шаблон в таком приспособлении часто наделена 3-миллиметровыми зубьями (с шагом около 0,5 см), ориентированными навстречу ходу заготовки.
Задача зубчатой поверхности шаблона - не дать заготовке проскользнуть, предотвратить взаимный сдвиг волокон в деревянном массиве, а также создать мелкую вдавленную гофру в вогнутом радиусе детали (волокна тут запрессовываются вовнутрь массива, следовательно, решаются проблемы со складками).
Прессование с шиной позволяет с минимальным процентом брака изгибать бруски и доски из хвойной и мягкой лиственной древесины. Обратите внимание, что детали из относительно твёрдых пород при гнутье с прессованием становятся примерно на десять-двенадцать процентов тоньше, а сосновые и еловые заготовки - на 20-30% тоньше. Но к положительным моментам этого метода нужно отнести значительное увеличение прочностных характеристик готового изделия, а также существенное снижение требований к наличию пороков и дефектов в заготовках из древесины.
Как улучшают пластичность древесины
В нормальном состоянии пиломатериалы обладают упругостью, существенной пространственной жёсткостью и стойкостью к сжатию. Эти ценные свойства древесина получает от лигнина - природного «сетчатого» полимера, который придаёт растениям стабильную форму и прочность. Располагается лигнин в межклеточном пространстве и в клеточных стенках, соединяя целлюлозные волокна. В древесине хвойных пород его содержится порядка 23-38 процентов, в лиственных породах - до 25 процентов.
По сути, лигнин является своего рода клеем. Мы можем его размягчить и превратить в «коллоидный раствор», если нагреть пиломатериал путём пропаривания, проваривания, обработки током высокой частоты (для мелких деталей применима также бытовая микроволновка). После расплавления лигнина заготовку изгибают и фиксируют - остывая, расплавленный лигнин отвердевает и не даёт древесине вернуться в исходную форму.
Практика показывает, что оптимальной температурой для гнутья цельной древесины (брусок , рейка , доска) будет 100 градусов Цельсия. Эту температуру нужно получить не на поверхности, а внутри заготовки. Поэтому во многом от того, насколько массивной является деталь, будет зависеть время температурного воздействия. Чем толще деталь - тем дольше её придётся нагревать. К примеру, если использовать пропаривание для подготовки к изгибанию рейки толщиной 25 мм (с влажностью около 28-32%), то в среднем на это уходит около 60 минут. Примечательно, что время выдержки под паром аналогичных по габаритам деталей для любых пород примерно одинаковое.
Кстати, считается, что перегревать деталь тоже нельзя, так как лигнин после отвердевания может потерять упругость и стать слишком хрупким.
Метод проваривания используется не часто, так как заготовка сильно и неравномерно увлажняется, а такие водонасыщенные волокна и клетки при гнутье могут рваться, как минимум, с образованием ворса. Детали после варки приходится потом слишком долго сушить. Но этот способ хорошо показывает себя, если нужно обработать для гнутья только часть заготовки.
Пропаривание позволяет прогревать заготовку равномерно, причём влажность её на выходе стремится приблизиться к оптимальной. Наиболее подходящая влажность для достижения максимальной пластичности пиломатериалов считается диапазон в 26-35 процентов (момент насыщения волокон древесины).
Чтобы пропарить древесину для гнутья в домашних условиях, используют самодельные цилиндрические камеры из металлических/полимерных труб или прямоугольные короба из дерева. В качестве источника пара выступают нагревающиеся баки, электрические чайники и прочие подобные приспособления, которые могут обеспечить температуру порядка 105 градусов и небольшое давление. Далее всегда следует этап просушивания детали (+ выдержки зафиксированной формы) примерно до пятнадцати процентов и её финишной обработки.
Химические методы пластификации древесины
Известно также, что можно сделать пиломатериал более податливым, используя пропитку различными составами. Есть готовые пропитки, которые делают клетки древесины пластичнее, например, «Super-Soft 2». Некоторые практикующие мастера замачивают дерево в так называемых кондиционерах для текстиля, получая схожий результат.
Но могут использоваться также довольно примитивные «рецепты» с содержанием нашатырного и этилового спирта, глицерина, щелочей, перекиси водорода, растворённых квасцов... Многие из них действуют предельно просто - повышают способность заготовки поглощать воду и помогают удерживать влагу в волокнах.
Тонкие изделия типа шпона обрабатываются распылением, но подготовительная пропитка химией нормальных пиломатериалов, как правило, выполняется методом полного погружения. Чтобы рабочие вещества попали вовнутрь бруска или рейки, нужно время, обычно требуется от 3-5 часов до нескольких суток (правда, нагревание помогает сократить ожидание).
Во многом именно из-за длительности процессов химическую пластификацию применяют не часто, хотя есть и другие проблемы: цена химии, изменение окрасов, необходимость обеспечить защиту от вредных испарений, увеличенная склонность таких изогнутых деталей к распрямлению…
Советы по изгибанию пиломатериалов с использованием гидротермической подготовки
- Очень тщательно подбирайте по качеству заготовки для гнутья. Лучше не использовать материал с трещинами, сучками (даже живыми и сросшимися), наклоном волокон. Если вариантов для этого нет, то ориентируйте деталь в гнутарном приспособлении (станок или шаблон) так, чтобы дефекты попадали в зону вогнутого радиуса, а не в зону растяжения на наружном радиусе. Отдайте предпочтение методу изгибания с шиной.
- При подборе заготовки обязательно нужно предусмотреть изменение размера детали после формования. Например, на 30 процентов уменьшаться может толщина хвойного бруска, если выполняется гнутьё с прессованием.
- Даже если вы планируете обширную финишную обработку - не оставляйте слишком много материала. Чем тоньше заготовка, тем легче она гнётся без разрушения.
- Если объём работ небольшой, то лучше не выпиливать заготовки, а накалывать их из чурок. Так удаётся избежать среза волокон и, как следствие - брака при изгибании.
- Для гнутья желательно использовать пиломатериал с естественной влажностью . Если применять сухие заготовки, то предпочтение стоит отдать тем, что не обрабатывались в сушильной камере, а вялились под навесом - атмосферным способом .
- После пропаривания работайте с размягчённой древесиной очень быстро, так как лигнин начинает отвердевать практически сразу, особенно в самых уязвимых наружных слоях массива древесины. Обычно нужно ориентироваться на запас времени от получаса до 40 минут, поэтому нет смысла делать крупные камеры, если весь материал из которых вы попросту не успеете установить в шаблоны.
- Располагайте материал в пропарочной камере так, чтобы именно поверхности, обращённые к внешнему радиусу, беспрепятственно попадали под струи пара.
- Чтобы сэкономить время, многие столяры отказываются от применения шаблонов со струбцинами. Вместо этого они используют на шаблонах металлические скобы и клинья, либо столбики-ограничители.
- Имейте ввиду, что изогнутый брусок или рейка всё-равно стремиться к распрямлению. И это распрямление всегда происходит на несколько процентов. Поэтому когда требуется высокая точность в изготовлении детали, необходимо провести испытания и на основе полученных результатов подкорректировать форму шаблона (уменьшить радиус).
- После остывания детали в форме дайте ей ещё постоять. Некоторые опытные мебельщики предпочитают сделать выдержку в 5-7 дней. Шину, как правило, на всё это время оставляют закреплённой на детали.
При изготовлении мебели не обойтись без криволинейных деталей. Получить их можно двумя способами - выпиливанием и гнутьем. Технологически, казалось бы, легче выпилить криволинейную деталь, чем отпаривать, гнуть а затем в течении определенного времени выдерживать ее до полной готовности. Но у выпиливания есть ряд негативных последствий.
Первое - существует большая вероятность перерезания волокон при работе с выкружной пилой (именно она применяется при такой технологии). Следствием перерезания волокон будет потеря прочности детали, и, как следствие, всего изделия в целом. Второе - технология выпиливания предполагает больший расход материала, чем технология гнутья. Это очевидно и комментариев не требуется. Третье - все криволинейные поверхности выпиленных деталей имеют торцовые и полуторцовые поверхности срезов. Это существенно влияет на условия дальнейшей их обработки и отделки.
Гнутье позволяет избежать всех этих недостатков. Конечно, гнутье предполагает наличие специального оборудования и приспособлений, а это не всегда возможно. Тем не менее, гнутье возможно и в домашней мастерской. Итак, какова же технология процесса гнутья?
Технологический процесс изготовления гнутых деталей включает в себя гидротермическую обработку, гнутье заготовок и их сушку после гнутья.
Гидротермической обработкой достигается улучшение пластических свойств древесины. Под пластичностью понимают свойства материала изменять свою форму без разрушения под действием внешних сил и сохранять ее после того, как действие сил будет устранено. Наилучшие пластические свойства древесина приобретает при влажности 25 - 30% и температуре в центре заготовки к моменту гнутья примерно 100°С.
Гидротермическую обработку древесины выполняют пропариванием в котлах насыщенным паром низкого давления 0,02 - 0,05 МПа при температуре 102 - 105°С.
Так как продолжительность пропаривания определяется временем достижения заданной температуры в центре пропариваемой заготовки, то время пропаривания увеличивается с увеличением толщины заготовки. Например, для пропаривания заготовки (с начальной влажностью 30% и начальной температурой 25°С) толщиной 25 мм с достижением температуры в центре заготовки 100°С необходим 1 ч., толщиной 35 мм - 1 ч.50 мин.
При гнутье заготовку кладут на шину с упорами (рис.1), затем в механическом или гидравлическом прессе заготовку вместе с шиной изгибают на заданный контур, в прессах, как правило, изгибают одновременно несколько заготовок. По окончании гнутья концы шин стягивают стяжкой. Согнутые заготовки поступают на сушку вместе с шинами.
Сушат заготовки 6 - 8 ч. Во время сушки стабилизируется форма заготовок. После сушки заготовки освобождают от шаблонов и шин и выдерживают не менее 24 ч. После выдержки отклонение размеров гнутых заготовок от первоначальных обычно составляет ±3 мм. Далее заготовки обрабатывают.
Для гнутых заготовок применяются лущеный шпон, карбамидоформальдегидные смолы КФ-БЖ, КФ-Ж, КФ-МГ, М-70, древесностружечные плиты П-1 и П-2. Толщина заготовки может быть от 4 до 30 мм. Заготовки могут иметь самые разнообразные профили: уголковые, дугообразные, сферические, П-образные, трапециевидные и корытообразные (см. рис.2). Такие заготовки получаются путем одновременного сгиба и склеивания между собой смазанных клеем листов шпона, которые сформированы в пакеты (рис. 3). Такая технология позволяет получить изделия самых разнообразных архитектурных форм. К тому же изготовление гнутоклееных деталей из шпона экономически целесообразно из-за малого расхода лесоматериалов и сравнительно небольших трудозатрат.
Пласты делянок намазывают клеем, закладывают в шаблон и запрессовывают (рис. 4). После выдержки под пресом до полного схватывания клея узел сохраняет приданную ему форму. Гнутоклееные узлы изготовляют из шпона, из пластин лиственных и хвойных пород, из фанеры. В гнутоклееных элементах из шпона направление волокон в слоях шпона может быть как взаимно перпендикулярным, так и одинаковым. Изгиб шпона, при котором волокна древесины остаются прямолинейными, называется изгибом поперек волокон, а при котором волокна изгибаются - изгибом вдоль волокон.
При конструировании гнутоклееных узлов из шпона, несущих при эксплуатации значительные нагрузки (ножки стульев, корпусных изделий), наиболее рациональны конструкции с изгибом вдоль волокон во всех слоях. Жесткость таких узлов значительно выше, чем узлов с взаимно перпендикулярным направлением волокон древесины. Со взаимно перпендикулярным направлением волокон шпона в слоях конструируют гнутоклееные узлы толщиной до 10 мм, не несущие больших нагрузок при эксплуатации (стенки ящиков и т. п.). В этом случае они меньше подвержены формоизменяемости. Наружный слой таких узлов должен иметь долевое направление волокон (изгиб вдоль волокон), так как при изгибе поперек волокон в местах изгиба появляются мелкие долевые трещины, которые исключают хорошую отделку изделия.
Допустимые (радиусы кривизны гнутоклееных элементов из шпона зависят от следующих конструктивных параметров: толщины шпона, количества слоев шпона в пакете, конструкции пакета, угла изгиба заготовки, конструкции пресс-формы.
При изготовлении гнутопрофильных узлов с продольными пропилами необходимо учитывать зависимость толщины изгибаемых элементов от породы древесины и толщины изгибаемой детали.
В таблицах оставшиеся после пропилов элементы названы крайними, остальные - промежуточными. Минимальное расстояние между пропилами, которое можно получить, составляет около 1,5 мм.
С увеличением радиуса изгиба плиты расстояние между пропилами уменьшается (рис. 5). Ширина пропила зависит от радиуса изгиба плиты и количества пропилов. Для получения закругленных узлов, в плите после ее фанерования и шлифования выбирают паз в том месте, где будет изгиб. Паз может быть прямоугольным или типа «ласточкин хвост». Толщина оставшейся фанерной перемычки (дна паза) должна быть равна толщине облицовочной фанеры с припуском 1-1,5 мм. В прямоугольный паз вставляют на клею закругленный брусок, а в паз «ласточкин хвост» - полосу шпона. Затем плиту изгибают и выдерживают в шаблоне до схватывания клея. Для придания углу большей прочности в него с внутренней стороны можно поставить деревянный угольник.
