Древесина, являющаяся основным конструкционным материалом деревообрабатывающих производств, имеет ряд специфических свойств.

К достоинствам древесины следует отнести

• малый объемный вес при относительно высокой прочности;
• очень высокий коэффициент качества при растяжении, превосходящий коэффициент качества многих металлов и стоящий на одном уровне с коэффициентом качества профилированной стали.

Коэффициентом качества древесины называется отношение показателя ее прочности к объемному весу. Коэффициент качества на сжатие у древесины ниже, чем у стали и чугуна. Благодаря высокому коэффициенту качества древесина получила широкое распространение в различных производствах, обладая малой теплопроводностью. Она успешно используется для внутренней отделки помещений, вагонов, судов и пр. Древесина легко обрабатывается режущими инструментами и склеивается, очень хорошо окрашивается, лакируется, полируется; некоторые породы древесины высоко ценятся за красивую текстуру. Древесина упруга, противостойка в отношении кислот и солей.

Самым существенным недостатком, отличающим древесину от металла, является неоднородность физико-механических свойств (анизотропность) в зависимости от направления волокон, зоны в стволе (заболонь, сердцевина, спелая древесина), наличия пороков и их расположения, породы древесины, места произрастания, влажности и ряда других факторов. Вторым крупным недостатком древесины является размеро- и формоизменяемость под действием температуры и влажности воздуха.

Древесина усыхает, разбухает, коробится. Это осложняет конструирование. Изменение объема древесины в готовых изделиях под действием влажности воздуха довольно значительно. Например, влажность древесины наружных дверей в течение года изменяется от 10 до 26%, колебания влажности мебели, находящейся в отапливаемом помещении, в течение года составляют 3,5-4%. Отдельные части изделия в условиях эксплуатации претерпевают довольно значительные изменения в размерах (усушка, набухание) и в форме (коробление). Эти изменения весьма неравномерны, так как усушка вдоль волокон, даже при очень больших колебаниях влажности, ничтожна, тогда как в поперечном сечении, особенно в тангенциальном направлении, она значительна. Можно принять, что величина усушки или набухания древесины примерно пропорциональна изменению ее влажности в пределах изменения последней от 0 до точки насыщения волокна (30%).

В этой таблице приведены коэффициенты усушки или набухания распространенных пород при изменении влажности древесины на 1%. При конструировании и изготовлении изделий из древесины изменением размеров вдоль волокон можно пренебречь, а изменения поперек волокон необходимо учитывать, пользуясь данными приведенной таблицы.

Напряжения в древесине вследствие усушки, набухания и коробления могут превышать прочность самой древесины и достигать 100 кг/см2 и более. Следовательно, в эксплуатационных условиях изделие должно оставаться стабильным по форме и прочности, несмотря на то, что отдельные его части изменяются. Отсюда вытекают правила конструирования, сформулированные проф. В. Н. Михайловым.

Первое правило. Изделия из древесины нужно конструировать так, чтобы неизбежная деформация отдельных частей происходила свободно, без нарушения формы и прочности самого изделия.

В качестве иллюстрации к первому правилу конструирования приведен здесь. Филенка, вставленная в пазы обвязки, может свободно расширяться в случае набухания, причем ширина В всего изделия остается неизменной. Для расширения филенки в обвязке должны быть предусмотрены достаточные запасы глубины пазов. Филенку следует ставить в пазы настолько глубоко, чтобы при усыхании и уменьшении ширины она не выходила из пазов. Подобная конструкция предохраняет щиток (филенку) от коробления, так как толстая обвязка не позволяет ему выгибаться и в то же время сохраняет неизмененными размеры всего узла или изделия.

Второе правило. Детали изделий из древесины следует конструировать так, чтобы неизбежные изменения размеров и формы (коробление) были наименьшими.

Этого можно достигнуть путем изготовления деталей не из одного куска древесины, а из мелких частей, подобранных по направлению годичных слоев и соединенных клеем. Склеенные таким образом детали как бы взаимно уравновешивают друг друга при изменении размеров и формы (смотрите этот рисунок).

Широкие детали (щиты) рекомендуется изготовлять из нескольких слоев с перпендикулярным расположением волокон в соседних слоях. Линейные размеры в этом случае не изменятся, так как в каждом измерении (по ширине и длине) щита изменению будет препятствовать долевое расположение волокон. При правильном подборе делянок и высококачественном склеивании стабильность указанной конструкции гарантируется. Формо- и размероустойчивость щитов находится в прямой зависимости от количества слоев (число слоев должно быть нечетным), а также от количества мелких по сечению деталей, входящих в один слой. С этой точки зрения щиты выгодно клеить из большого числа тонких слоев, например из шпона.

Изделия из древесины в условиях эксплуатации подвергаются различного рода нагрузкам, действию которых они должны противостоять, поэтому очень важно обеспечить достаточную их прочность. При конструировании изделий все его элементы могут быть рассчитаны на прочность, но вследствие анизотропности древесины учесть все факты, влияющие на механические характеристики, без специального подбора деталей невозможно. Следовательно, рекомендуется так располагать детали в изделии, чтобы они работали в наиболее выгодных условиях.

Третье правило. Для прочности изделия из древесины необходимо конструировать его так, чтобы направление волокон в отдельных деталях совпадало с направлением действия сжимающих или растягивающих внешних сил или было перпендикулярным направлению изгибающих сил.

Несоблюдение этого правила может привести к быстрому разрушению части или всего изделия, несмотря даже на большие размеры сечения деталей. В технические условия на материалы для изделий вводят ограничения относительно наличия косослоя и величины отклонения волокон от направления действия внешних сил. Исследованиями установлено, что при отклонении волокон от направления действия внешних сил на угол 3° прочность детали уменьшается на 3%, при отклонении на 5° прочность уменьшается на 8%, при отклонении на 16° -на 15%, на 15° - на 28%, на 45° - на 50%.

Четвертое правило. При конструировании изделий из древесины нужно проектировать все детали, узлы, группы и соединения такими, чтобы их можно было выполнить на станках.

Другими словами, изделия должны удовлетворять требованиям технологичности. На современных деревообрабатывающих станках изготовление деталей любой сложности не вызывает особых затруднений. Механизированная обработка узлов, групп и изделии при конструировании требует продуманных решений. Кроме того, недостаточно предусматривать только возможность механизированной обработки. Следует создавать такую конструкцию, которая при высоком качестве изделия требовала бы наименьшего расхода основных материалов (древесины, клея и т. п.) и наименьшего объема трудовых затрат.

Пятое правило. Изделия необходимо конструировать так, чтобы они по формам, размерам были рациональны, вполне отвечали своему назначению, удовлетворяли техническим условиям, эстетическим и санитарно-гигиеническим требованиям.

Это правило включает вопросы нормализации, взаимозаменяемости деталей и стандартизации. Так, наружные двери должны быть малотеплопроводными, поэтому филенки их делают толстыми (наплавными), часто даже двойными, с воздушной прослойкой. Мебель для сидения должна соответствовать размерам человеческого тела, мебель для хранения - комплекту хранимых предметов и их размерам, а также размерам помещений и т. д.

Для вывоза за пределы района изготовления мебель нужно конструировать разборную. Для создания набора мебель следует конструировать секционную, чтобы одни и те же типоразмеры деталей или узлов могли входить в разные изделия. Внедрение секционности в производство моделей также дает значительный эффект. При выпуске набора мебели для комнаты или квартиры изделия должны быть выполнены в едином архитектурном оформлении.