Соединение деталей
Изделия из древесины имеют различные конструктивные формы и образуются соединением между собой отдельных деталей и сборочных единиц. В зависимости от исходной формы детали соединения различают по основным исходным конструктивным элементам брусков и щитов.
До изобретения гвоздей, клея и других средств современных соединений детали из древесины связывались между собой таким образом, что часть одной детали плотно входила в углубление другой, образуя замок - столярную вязку. Такие соединения широко использовались в деревянном домостроении. Преображенский собор в Кижах сооружен в 1714 г. без применения металлических и клеевых средств соединения деталей. Все детали собора связаны между собой столярными вязками таким образом, что снеговые и ветровые нагрузки, колебания температуры и влажности до сих пор не нарушили целостность сложной конструкции.
С развитием техники и технологии соединения деталей совершенствуются. В настоящее время в производстве изделий используется большое разнообразие сравнительно новых соединений. Приводится классификация соединений, применяемых в производстве изделий. Наиболее широкий круг соединений используется в мебельном производстве. Другие производства используют ограниченное число разновидностей этих соединений. Типы и размеры соединений стандартизованы, имеются соответствующие стандарты. Характеристика элементов шиповых соединений включает основные понятия. Шиповые соединения брусков различают по основным признакам. Для описания однозначной характеристики шипового соединения необходимо указать все эти шесть основных признаков. Для осуществления соединений с помощью шипов требуются сложные специализированные станки, формирующие шип и отверстие. Операции по формированию шипов трудоемки и требуют относительно квалифицированных рабочих, способных обеспечить необходимую точность изготовления шипов и гнезд. Кроме этого, при изготовлении соединений на цельных шипах теряется до 10% древесины. По этой причине в настоящее время широко используются соединения только на круглых вставных шипах. Круглые вставные шипы изготавливают из отходов древесины основного производства или из пластмассы. Все неразъемные шиповые соединения осуществляются с клеем. Прочность шиповых соединений является основным фактором, определяющим их качество. Она зависит от размеров шипов и соотношения их с размерами гнезда, прочности склеивания, условий работы шипового соединения. Соединения брусков на круглых вставных шипах слабее, чем достижимая прочность на цельных плоских, но достаточны для нагрузок, которые испытывают мебельные изделия. Принципы расчетов прочности шиповых Соединений приводятся ниже. Соединения с Помощью шипов в современном производстве изделий заменяются склеиванием, обеспечивающим достаточную прочность и способствующим получению более формоустойчивых конструкций. Процесс склеивания может быть механизирован. Наличие большого разнообразия клеевых веществ дает возможность использовать процесс склеивания в любых условиях.
Открытия и возможности практического использования новых методов интенсификации процессов склеивания путем модификации клея, токами высокой частоты, ультразвуком и другими методами позволяют создавать поточные линии склеивания заготовок и деталей. Применяя склеивание, можно использовать древесину для изготовления сложных изделий любых размеров. Это является реальной основой для организации безотходного производства в деревообработке. Оно дает возможность эффективно использовать ценные и дефицитные породы древесины для облицовывания поверхностей деталей из дешевых и малоценных пород. Для автоматизации процесса склеивания в настоящее время разработаны клеевые пенопластовые пленки, позволяющие легко и прочно соединять детали при сборке в потоке. Имеются составы, которые впрыскиваются в пазы и проемы соединяемых деталей, где затвердевают, обеспечивая прочное угловое соединение щитов, формирующих корпус изделия (метод Фольдинг). Показаны виды клеевых соединений, широко применяемых в производстве изделий. Прочность клеевых соединений должна отвечать установленным нормам по соответствующим ГОСТам в зависимости от требований, предъявляемых к изделиям из склеиваемых материалов. Качество склеивания предопределяет прочность и надежность готового изделия. Соединения на гвоздях широко применяются при изготовлении тары, строительных конструкций, в производстве домов. В производстве мебели, музыкальных инструментов и строительных деталей гвозди используют редко, только как вспомогательное соединение при склеивании.
Гвозди изготовляют различных размеров по длине и толщине и форме сечений в соответствии с имеющимися ГОСТами. Соединение на гвоздях способно сопротивляться нагрузкам, действующим в направлении выдергивания гвоздя и сдвигающимся под углом к оси гвоздя.
Прочность соединений на гвоздях зависит от размеров гвоздя, его длины, диаметра и плотности древесины. Изменение формы сечения гвоздей (прямоугольные, с винтовой резьбой, с кольцевой резьбой, с насечкой и т. п.) повышает их способность сопротивляться выдергиванию, которая зависит также от состояния острия. Размеры гвоздя и соединяемых им деталей должны быть увязаны так, чтобы при забивке гвоздя не произошло раскалывания древесины. Более плотные породы древесины (особенно лиственница) больше расположены к раскалыванию. Для снижения вероятности раскалывания перед забивкой гвозди затупляют.
Влажность древесины также влияет на прочность гвоздевого соединения. Очень большое влияние на сопротивление гвоздя к выдергиванию оказывает направление его оси относительно волокон древесины. Минимальную прочность (примерно 50%) на выдергивание имеет гвоздь, забитый в торец влажной древесины. Для продления сроков службы гвоздевых соединений гвозди покрывают нейлоном, цинком или цементируют. Кроме размеров и формы гвозди различают по материалу: стальные, медные, алюминиевые, закаленные и т. д. По форме шляпки гвозди бывают с плоской, овальной и потайной шляпкой и др.
При изготовлении тары длину гвоздя при сквозной забивке выбирают исходя из толщины соединяемых дощечек. Длина гвоздя должна быть более суммы толщин соединяемых деталей тары на 10-15 мм для загиба, который повышает сопротивление выдергиванию гвоздя на 60-70%. Диаметр гвоздя не должен превышать 0,25 толщины прибиваемой детали. Длина гвоздя при глубокой забивке должна быть не менее трех толщин прибиваемой детали. Длина части гвоздя в удерживающей его детали должна быть не менее 10 диаметров. Гвозди больших диаметров (свыше 6 мм) забивают сквозь просверленное отверстие диаметром 0,9 диаметра гвоздя. На пробиваемой детали гвозди должны располагаться не ближе 15 диаметров от торца и от кромки с забивкой их под небольшим углом друг к другу и размещением в шахматном порядке с шагом не менее 5 диаметров по длине прибиваемой детали или косыми рядами.
Плохо забиваются гвозди в слоистые и клееные материалы. Прочность соединений на гвоздях клееных материалов примерно на 50% ниже, чем у цельной древесины. Это объясняется тем, что клееные материалы менее эластичны. Коэффициент трения и напряжения зажатия гвоздя у этих материалов ниже, чем у цельной древесины. Для повышения прочности гвозди перед забивкой иногда смазывают синтетическим клеем с последующим прогревом их. Это увеличивает сопротивление гвоздя выдергиванию в 10 раз.
Соединения на скобах применяют аналогично гвоздевым. Прикрепление тонких листовых материалов, тканей с помощью скоб более технологично, чем гвоздями. Соединение скобами легко автоматизируется с применением специальных скобосшивательных автоматов, предназначенных для производства тары. Легкие ручные пневматические скобозабивные устройства широко используют при сборке мебели.
В производстве строительных конструкций для соединения деталей используют зубчатые пластины размером до 120Х 240 мм толщиной 1,2-1,5 м. Пластины изготавливают из листовой стали штампованием зубьев высотой 15-20 мм в одну или обе стороны. Пластины с двухсторонним отгибом зубьев используют для увеличения жесткости соединения деталей. Они располагаются между соединяемыми деталями.. Пластины с односторонним отгибом устанавливают снаружи с двух или с одной стороны. Применение зубчатых пластин для соединения деталей в строительных фермах небольших размеров упрощает технологию, способствует механизации процесса сборки строительных конструкций.
Разъемные соединения широко используют в производстве мебели, жесткие - применяют при формировании корпусов сборно-разборных соединений. Подвижные соединения используют для крепления деталей и сборочных единиц изделия, которые в соответствии с назначением изделия в процессе эксплуатации меняют свое положение: двери, оконные створки, ящики, раздвижные стекла и т. п. Жесткие соединения на шурупах и винтах применяются в редко разбираемых узлах изделия, подвергающихся воздействию атмосферных условий и значительным нагрузкам. При завинчивании шурупа в древесину образуется резьбовое соединение, обладающее высокой прочностью и позволяющее создать значительные внутренние напряжения в местах сопряжения деталей, благодаря которым соединение приобретает высокую жесткость и плотность. Шурупы широко применяют для крепления комплектующих изделий. Если соединение на шурупах многократно разбирать и собирать: прочность его каждый раз снижается на 10% - Соединение на винтах и болтах с гайками используют для формирования разборных изделий из сборочных единиц (крепление ножек, локотников и спинок мягкой мебели).
В изделиях, которые подвергаются неблагоприятным динамическим и атмосферным воздействиям, все клеевые соединения дополнительно усиливают шурупами или винтами. Такие дополнительные меры необходимы в судостроении, вагоно- и автостроении. При соединении деталей шурупами диаметром более 3 мм необходимо сверление отверстий в присоединяемой детали диаметром, соответствующим диаметру шурупа в ненарезанной части, а в детали, в которую ввинчивается шуруп, диаметром тела шрупа в нарезанной части. Длина нарезанной части шурупа обычно должна быть не более 5 диаметров, чтобы не произошел разрыв шурупа при его завинчивании. Размеры всех крепежных изделий нормированы соответствующими ГОСТами. Соединения с помощью шурупов и винтов являются трудоемкими. Применяемые шуруповерты несовершенны. Имеются предложения заменить шурупы более технологичными способами крепления с помощью металлических заклепок, термопластичных стержней и мастик или самозаклинивающихся устройств, которые впрессовываются в отверстия и автоматически расклиниваются в древесине. Такой принцип используют при установке бесшурупной фурнитуры.
В сборно-разборных изделиях широко используют всевозможные стяжки. В зависимости от принципа действия стяжки различают на винтовые, эксцентриковые, клиновые, крючковые и рычажные. Имеется большое разнообразие конструктивных решений и оформления стяжек.
Основные требования к стяжкам заключаются в обеспечении требуемой прочности и плотности сопряжения при минимальных затратах труда, времени и усилий на их установку. В зависимости от конструкции и размеров стяжки способны обеспечить усилие сжатия соединяемых деталей в пределах 1000-5000 Н. Такого усилия достаточно для достижения необходимой плотности соединения в изделиях мебели на расстоянии до 300 мм по обе стороны от стяжки. Жесткость соединения обеспечивается силами трения в плоскости сопряжения деталей. Силы трения зависят от коэффициента трения и нормального давления, развиваемого стяжкой. При соединении плотных материалов с малым коэффициентом трения жесткость получаемого на стяжках соединения иногда недостаточна. В таких случаях, чтобы не увеличивать количество стяжек, в дополнение к стяжке ставят два шканта или сопрягаемые поверхности у деталей делают с совмещаемыми профилями, Например в пай и гребень. Подвижные соединения используют при установке дверок, раздвижных и выдвижных элементов. По принципу осуществления подвижности эти соединения могут быть трех видов: обеспечивающих свободу перемещения в одной плоскости, вокруг оси или то и другое. В одной плоскости перемещение обеспечивается применением направляющих устройств в виде паза или рейки, по которым перемещается подвижная деталь, имеющая также паз или гребень. Перемещение вокруг оси обеспечивается использованием принципа шарнирного крепления, которому придают различные конструктивные формы под общим названием петли. В производстве изделий из древесины петли различают по конструкции на карточные, пятниковые, стержневые, комбинированные и по количеству шарниров - одношарнирные, двух-, трех и четырехшарнирные. Формы, размеры петель и их конструкция нормируются отраслевой нормативной документацией и ГОСТами. Варианты осуществления подвижных соединений, допускающих перемещение сборочных единиц изделия в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Отдельные детали таких соединений (направляющие, ролики и др.) изготавливают из пластических масс литьем, экструзией или штампованием. Применение пластмасс обеспечивает высокую Технологичность таких соединений. Подвижные соединения, обеспечивающие поворот и перемещение детали в плоскости, осуществляются применением шарниров и направляющих, в которых шарниры могут перемещаться в определенном направлении. Такие соединения используют при установке встроенного оборудования, которое убирается в емкость после пользования (хлеборезки, складные двери и т. п.).
