К вопросу о склеивании древесины с повышенной шероховатостью поверхности

Склеивание представляет собой перспективное направление эффективного использования древесины. В отличии от цельной массивной древесины клееная древесина обладает улучшенными свойствами. В последнее время продукция из клееной древесины находит широкое применение в деревообработке, мебельной промышленности, строительстве, судостроении, и др.

Существующие технологии склеивания древесины предусматривают специальную подготовку поверхности древесины перед склеиванием. Цилиндрическое фрезерование обеспечивает, за счет снятия припусков на механическую обработку, высокую точность обработки заготовок из древесины и чистоту обрабатываемой поверхности не более 200 мкм. Припуски на фрезерование заготовок, увеличивают потери древесины, и составляют 20-30% от номинального размера заготовки. Припуски возрастают при увеличении длины, номинальной ширины и толщины деталей [1].

Заготовки из древесины, полученные распиловкой круглыми и рамными пилами, имеют высокую шероховатость поверхности древесины и невысокую точность обработки (отклонение линейных размеров от номинального размера заготовки). Шероховатость поверхности древесины, полученная после распиловки круглыми пилами составляет 40-800 мкм, после рамной распиловки шероховатость поверхности увеличивается до 500-1600 мкм для хвойных пород и 315-1000 мкм для лиственных пород [2].

Снижение припусков на механическую обработку заготовок может быть достигнуто при склеивании древесины с высокой шероховатостью поверхности, без предварительного фрезерования поверхности.

Имеющиеся сведения по результатам проведенных исследований в этой области не раскрывают всю суть процесса. Мнения авторов весьма разрознены, так например, одни авторы не рекомендует склеивать древесину после рамной распиловки с шероховатостью поверхности более 400 мкм из-за низкой прочности склеивания, увеличенного расхода клея, разнотолщин-ности клеевого шва, низкой адгезии клея к древесине, больших усадочных напряжений в клеевой прослойке. Другие авторы, наоборот, придерживаются противоположной точки зрения и полученные ими результаты исследований подтверждают целесообразность проведения операций по склеиванию древесины с высокой начальной шероховатостью поверхности [3].

В работе Э.Р.Янсона доказано, что одинаково высокая прочность склеивания может быть получена как при склеивании древесины с шероховатостью поверхности 34^84 мкм, что соответствует фрезерованной поверхности, так и с шероховатостью 400^600 мкм (рамная распиловка), для большинства пород древесины [4].

Эффективность склеивания древесины с повышенной шероховатостью поверхности не вызывает сомнения, но этот вопрос недостаточно изучен и требует проведения дополнительных исследований.

Одним из методов подготовки поверхности древесины к склеиванию с высокой шероховатостью, может быть деформирование неровностей, имеющихся на поверхности древесины, в процессе прессования. Величина деформации вершин неровностей поверхностного слоя древесины связана с величиной приложенной нагрузки, и основана на упруго-пластических свойствах материала.

Таким образом, рассматривая задачу о контактировании поверхностей древесины можно предположить, что в начальный момент прессования соединяемые поверхности древесины будут иметь небольшую фактическую площадь соприкосновения. По мере увеличения приложенной нагрузки будет увеличиваться и площадь контактирования, за счет деформации вершин выступов на поверхности древесины, пришедших в соприкосновение, в результате чего будет достигнуто полное контактирование сопрягаемых поверхностей древесины.

После деформации всех неровностей на поверхности древесины, площадь контакта достигнет своего максимального значения (100%) и при дальнейшем увеличении усилия запрессовки начнется процесс деструкции древесины.

Целью данной работы является обоснование целесообразности склеивания древесины с повышенной шероховатостью поверхности. Исследования проводились на образцах из древесины сосны и березы, влажность образцов не превышала 8%. Степень контактности сопрягаемых поверхностей древесины, в %, определялась по оттиску, оставленному копировальной бумагой на поверхности образца. Шероховатость пиленых поверхностей древесины у образцов после рамной распиловки составила 350-650 мкм, после распиловки круглыми пилами – не более 400 мкм. Прочность склеивания древесины оценивалась по пределу прочности на скалывание вдоль волокон, МПа. Для склеивания древесины использовали поливинилацетатный и эпоксидный клеи. Результаты исследований представлены в табл.1, 2.

Таблица 1

Характеристика поверхности (вид обработки)	Удельное давление прессования, МПа, в зависимости от степени контактности заготовок, % *
	50%	75%	95%
пиленая (рамная распиловка)	1,56/ 3,11	1,95/ 4,09	2,72/ 4,67
пиленая (распиловка круглой пилой с разводом зубьев)	1,56/ 2,72	1,95/ 3,7	2,33/ 4,47

Примечание.* - в числителе приведены значения для древесины сосны, в знаменателе – для березы.

Влияние удельного давления при запрессовке на прочность клеевого соединения тесно связано с чистотой обработки поверхности древесины перед склеиванием.

Таблица 2

Характеристика поверхности (вид обработки)	Клей	Предел прочности на скалывание вдоль волокон, МПа, в зависимости от степени контактности заготовок, % *
		50%	75%	95%
пиленая (рамная распиловка)	эпоксидный	6,48/ 10,6	7,04/ 8,47	6,81/ 13,71
	ПВА	6,15/ 7,58	6,9/ 7,57	7,17/ 7,61
пиленая (распиловка круглой пилой с разводом зубьев)	эпоксидный	7,97/ 8,54	8,24/ 10,84	8,52/ 10,96
	ПВА	7,16/ 9,59	7,6/ 9,65	8,02/ 8,96

Примечание.* Усредненные показатели предела прочности, МПа, в зависимости от поро- ды древесины: в числителе - для сосны, в знаменателе – для березы.

На прочность склеивания оказывает влияние не столько величина неровностей на поверхности древесины, сколько наличие на этой поверхности неровностей в виде перерезанных волокон, открытых пор и недеформиро-ванных клеток. Ворсистость значительно увеличивает поверхность склеивания древесины, за счет большого количества ворсинок, которые попутно выполняют роль армирующих элементов и волокнистого наполнителя в клеевом шве. Благодаря этому клеевой шов становится гофрированным, приобретает эластичность и способствует снижению внутренних напряжений.

Графически зависимость предела прочности древесины на скалывание вдоль волокон при разных степенях контактности склеиваемых поверхностей, представлена на рис.1. Оценка характера разрушения образцов древесины, представлена на рис.2.

Рис1 Предел прочности древесины на скалывание вдоль волокон

Рис. 2 Характер разрушения образцов древесины

• □    смешанный

• ■    по древесине

• □    по клею

На основании данных, полученных опытным путем, установлено, что прочность клеевого соединения древесины возрастает с увеличением площади склеивания, так как склеивание древесины с повышенной шероховатостью поверхности приводит к увеличению фактической площади склеивания.

Оценивая характер разрушения образцов можно сделать вывод, что независимо от характеристики поверхности склеивания древесины все образцы преимущественно разрушались по древесине (в 60% случаев), в 33 % случаев, носили смешанный характер разрушения (древесина-клей), и 7 % образцов разрушились по клеевому шву.

Показанная образцами прочность склеивания оказалась больше или равна прочности цельной древесины, что свидетельствует в целом о прочности клеевого соединения с первоначально высокой шероховатостью поверхности.