Ультразвуковое шлифование древесины

Для термопрокатки существуют станки, напоминающие рейсмусовые, в которых плоская заготовка своей верхней пластью с помощью подающих вальцов подается не под ножевой вал, а под установленный на его место и соответствующий его габаритам быстровращающийся нагретый гладкий валец. Проходя под таким вальцом, поверхность заготовки принимает глянцевый вид при некотором благородном изменении цветности из-за механико-температурного воздействия прижатого к ней вращающегося вальца. Иногда для термопрокатки профильных деревянных изделий на четырехсторонних продольно-фрезерных станках, имеющих два рейсмусующих шпинделя, следом за шпинделем, формирующим профиль детали, на второй шпиндель устанавливается стальная головка, повторяющая контрпрофиль готового изделия, под которой деталь дополнительно обкатывается по профилю.

Известна в деревообработке и модифицированная древесина (ГОСТ 24329). Это уплотненная древесина, которую пропитывают под давлением различными химическими составами – аммиаком, мочевиной, – чтобы предупредить ее упругое восстановление после снятия давления прессования. Об экологичности такого продукта в жилых помещениях говорить не приходится, да и стоимость технологии достаточно высока при довольно узкой области применения. На Международной выставке «Лесдревмаш-2014» специалисты ООО «Ультранид» представили разработанную ими технологию «Кованая древесина» поверхностного упрочнения древесины, не имеющую аналогов в мировой практике, что и подтверждено несколькими патентами Российской Федерации. Технология создавалась при научно-производственной фирме «Инлаб-ультразвук», резиденте технопарка Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета (СПбГЭТУ).

Работа над ней продолжалась на протяжении почти десяти лет. Последние три года работы продолжались непосредственно при поддержке грантов государственного Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере по программам «Старт» и «Старт-2». Создать опытно-промышленную установку и обработать на ней деревянные заготовки из разных пород коллектив успел практически к открытию выставки «Лесдревмаш-2014», показав на стенде еще первые образцы «кованой древесины». Применение ультразвука в деревообработке не является чем-то принципиально новым. Известны исследовательские работы по резанию древесины с наложением ультразвуковых колебаний, значительно снижающих силы резания. Достаточно широко используются способы ультразвуковой сушки древесины как в сочетании с другими различными способами ее нагрева либо как самостоятельный способ сушки. Третье направление применения ультразвука в деревообработке – это пластификация древесины, то есть изменение структуры ее поверхностных слоев, что повышает их прочность. Этот способ называют также модификацией древесины. Предложенный ООО «Ультранид» способ обработки можно отнести одновременно к сочетанию первого и третьего направлений, так как достигнутый эффект обеспечивается одновременно, как за счет модификации, так и за счет высушивания поверхностного слоя. Принцип работы станка для «ковки» поверхности древесины заключается в воздействии на нее ультразвуковыми импульсами с одновременным обжимным усилием заготовки при движении проходным способом через станок.

При этом, как было установлено в серии экспериментов с разными породами древесины, наблюдается значительное повышение поверхностной твердости (в 1,5–3 раза в зависимости от породы). Причем чем выше плотность, тем меньше относительное увеличение плотности при прочих равных условиях. Статистически обработанные данные проведенных экспериментов о повышении твердости поверхности заготовок для различных наиболее часто встречающихся пород древесины приведены в таблице 1.

Обработанная поверхность древесины характеризуется меньшей шероховатостью за счет упругопластического деформирования и приобретает характерный блеск без изменения цвета и текстурного рисунка. При этом одновременно происходит заметное снижение проявления кинематической волны, этого врожденного дефекта при фрезеровании, когда на обработанной поверхности при боковом освещении наблюдаются чередующиеся гребешки волн большей или меньшей глубины. На станке обрабатывается одновременно как нижняя, так и верхняя пласть заготовки. При этом происходит ее равномерное уменьшение по толщине (усадка) на 2–3 мм, равномерно по 1–1,5 мм на каждую сторону в зависимости от породы древесины заготовки и режимных параметров обработки. Следовательно, на обработку должны поступать более толстые заготовки, имеющие соответствующий припуск на усадку, поскольку «ковка» древесины является финишной операцией, формирующей окончательный размер детали по толщине.

Предполагается, основываясь на теоретических предпосылках, что уплотненный слой толщиной от 1 до 3 мм будет равномерно твердым, а затем имеет место постепенное снижение параметров твердости и плотности по глубине. Для подтверждения этого тезиса планируется получить микрофотографии структуры древесины по срезам обработанных образцов. Предлагаемая технология рекомендуется разработчиками в первую очередь для производства изделий различных видов напольных покрытий из массивной древесины (шпунтованных досок, штучного паркета, палубной доски), отделочных строительных материалов (декоративных панелей, вагонки и т.д.), а также для деревянных деталей специальных технологий. Благодаря этой технологии появляется возможность использовать в качестве древесины для напольных покрытий дешевые сорта древесины, которые считаются сорными. Так, например, осина после обработки становится тверже необработанного дуба. Некоторые ценные породы древесины (вишня, платан и другие) обладают красивой текстурой, но из-за достаточно низкой твердости раньше не находили широкого применения в напольных покрытиях.

Теперь появляется возможность показать всю красоту природного рисунка этих пород при использовании их в качестве элементов художественного паркета. В то же время улучшаются эксплуатационные свойства пород древесины, традиционно используемых при изготовлении напольных покрытий, таких как дуб, бук, лиственница и ряд других. Дополнительным эффектом такой обработки является уменьшение разброса значений твердости поверхности, связанных с анизотропностью строения древесины, выравнивание механических свойств поверхности, например влажности, перераспределение напряжений по толщине за счет воздействия ультразвукового излучения большой мощности. Ультразвуковая излучающая система, принятая в качестве рабочего органа станка, выполнена на базе плоского волновода, что не позволяет обрабатывать фасонные изделия, а лишь только плоские детали. Поскольку ультразвуковой волновод является сложным техническим изделием, все его геометрические параметры должны быть согласованы с рабочей частотой излучателя.

В представленной конструкции станка вероятно допущение обработки деталей, имеющих небольшой профиль глубиной в 1–3 мм. Вполне возможно, что профильные изделия будут обрабатываться комбинацией нескольких более узких плоских волноводов, составляя их последовательно по профилю изделия, но это будет уже несколько иная технология, которая требует отдельной серьезной конструкторско-технологической проработки. Несущим элементом станка является сборная из стандартных стальных профилей станина. На ее верхней части расположена специализированная ультразвуковая излучающая система. На станке установлен механизм подачи с гидравлическим приводом, позволяющий плавно регулировать скорость движения заготовки через станок с вынесенной за пределы станины гидростанцией. Ультразвуковой волновод излучающей системы осуществляет непосредственный контакт с поверхностью обрабатываемой заготовки. На оборудовании установлены базирующие и направляющие заготовку элементы, а также защитные ограждения и экраны.

Станок имеет следующие технические характеристики: ультразвуковое воздействие излучающей системы на обрабатываемую заготовку осуществляется на частоте 22 кГц (+/- 10%); скорость подачи обрабатываемой заготовки составляет не менее 3 м/мин; электропитание станка осуществляется от промышленной сети трехфазного тока при установленной мощности 16 кВт. Несмотря на то что сама технология интересна и жизнеспособна, коллективу ООО предстоит еще серьезная работа по сертификации как самого технологического процесса, так и собственно станка по целому ряду параметров, в первую очередь – безопасности оборудования. Уже подготовлены материалы в лабораторию по сертификации продукции деревообработки для документального подтверждения заявленных эффектов – повышения твердости и плотности поверхности древесины. Сама же экспериментальная установка требует определенной доводки до опытно-промышленного образца.

Кроме того, необходимо понять, как изменяется усадка древесины в зависимости от распила заготовки (радиальный, тангентальный или промежуточный), чтобы обеспечить стабильность размеров заготовок по толщине, поскольку требования к разнотолщинности досок покрытия пола являются достаточно жесткими, а в штабеле, как правило, присутствуют доски различной структуры. Возможно, в этом случае потребуется дополнительная сортировка досок. Также необходимо ответить на вопрос: с какой максимальной шероховатости поверхности целесообразно начинать процесс «ковки»? Это позволит определить оптимальные технологические требования к обрабатываемым заготовкам деревообработчику. Нужно понять, какова фактическая шероховатость поверхности после обработки по ГОСТ 7016-82 «Древесина.Параметры шероховатости поверхности», значения которых потребуются при проведении сертификации технологии, ее описания для конечного потребителя. Следовало бы провести испытания обработанной поверхности на истираемость, также являющуюся одним из важных показателей качества покрытий пола: конкретно какую толщину имеет упрочненный слой для рекомендуемой породы древесины, сколько циклов циклевания он выдержит при ремонте.

Определенный интерес для потребителя представляют адгезионные свойства поверхности «кованой древесины» с различного вида отделочными лакокрасочными покрытиями. Перспективным видится и направление исследований в области пропитки «кованой древесины» с целью консервации ее свойств для использования в атмосферных условиях под открытым небом, а также для улучшения декоративных свойств обработанной поверхности. По расчетам, проведенным компаний «Ультранид», стоимость обработки 1 м3 поверхности на этом оборудовании не должна превышать 70 руб. Это при сроке окупаемости станка в два года, с учетом аренды 100 м2 производственных площадей в Санкт-Петербурге, при восьмичасовой загрузке оборудования и трех обслуживающих его операторах, ежемесячной замене ультразвуковых инструментов и других расходных материалов и электроэнергии. Также следует отметить такое дополнительное преимущество предлагаемой технологии, как уменьшение расхода лакокрасочных материалов (ЛКМ) при отделке готовых изделий, за счет увеличения плотности обработанной поверхности древесины и, как следствие, снижения ею впитывания ЛКМ.