Технологии шлифования древесины

В силу ряда особенностей (непостоянного большого количества зерен микрорезцов, неупорядоченности геометрии таких резцов и срезаемых стружек) шлифование следует рассматривать как специфический процесс резания, к описанию которого не могут быть непосредственно применены закономерности обычного, резцового резания. Абразивная обработка сопровождается рядом протекающих взаимосвязанных процессов – механических, тепловых, химических и рядом других. Механические явления сводятся к резанию древесины абразивными зернами с отделением тонких узких стружек и к трению, сопровождающемуся изнашиванием обработанной поверхности вследствие многократного ее деформирования. Соотношение между процессами резания и трения определяется свойствами обрабатываемого материала, геометрией и физико-механическими свойствами абразивных зерен, величиной рабочего давления и скоростью рабочего движения.

Тепловые явления – значительный нагрев материала в зоне обработки – могут проявляться в виде «прижога» на поверхности древесины, в размягчении и пластическом деформировании пленки лакового покрытия, деструкции клеевого слоя, несущего абразивные зерна, и ряде других. Они должны учитываться при назначении и контроле режимов шлифования. Химические явления абразивной обработки могут проявляться в быстропротекающих процессах образования окисных пленок и адсорбционных слоев, которые легко удаляются движущимися абразивными зернами. Как правило, при шлифовании древесных материалов и лаковых покрытий химические явления не играют существенной роли. Шлифование является абразивной обработкой, при которой режущий инструмент совершает главное движение резания (вращательное или поступательное), а заготовка – любое движение подачи. Для повышения производительности и улучшения качества шлифования абразивному инструменту и (или) заготовке придают осциллирующее (колебательное) движение в направлении, нормальном подаче.

Разновидности процесса шлифования классифицируются по геометрической форме контакта абразивного инструмента с обрабатываемой деталью. Выделяют три группы процессов шлифования: шлифование с плоской зоной контакта инструмента и обрабатываемой детали; шлифование с цилиндрической зоной контакта инструмента; шлифование с профильной зоной контакта инструмента. Внутри каждой группы выделяются подгруппы по виду главного движения: с поступательным или вращательным движением инструмента. В зависимости от вида инструмента различают ленточное, цилиндровое, дисковое и профильное шлифование. Оно может быть встречным и попутным. При встречном шлифовании векторы скоростей резания инструмента и подачи заготовки в точке касания направлены в противоположные стороны, а при попутном – эти вектора совпадают по направлению. Ленточное шлифование – это обработка детали закольцованной (бесконечной) шлифовальной шкуркой-лентой, натянутой на двух шкивах, которая совершает главное движение резания. Движение подачи, чаще всего поступательное, осуществляет заготовка.

Обработка детали может производиться прямолинейной рабочей частью ленты, шкивной рабочей частью ленты и лентой с контактной опорой (утюжком). Обработка детали прямолинейной рабочей частью ленты – наиболее распространенный вид шлифования, имеющий целый ряд разновидностей. В зависимости от конструкции прижима ленты к заготовке различают шлифование с плоским прижимом (утюжком) – для обработки плоских деталей, или с профильным утюжком – для шлифования профильных, в том числе и погонажных, изделий. Для обработки деталей типа бондарной клепки используют ленточное шлифование без контактной опоры, когда прижим шлифовальной ленты к детали осуществляется за счет натяжения ленты. Последнее время находит все большее распространение цилиндровое шлифование – обработка шкуркой со шкивным контактом шлифовальной ленты, установленной на двух шкивах-цилиндрах. Для обработки смежных поверхностей используют дисковое шлифование – шкуркой, закрепленной на торцовой части диска, который совершает вращательное движение процесса резания, а деталь при этом прижимается к диску с усилием прижима, базируясь на столе. В случае длины детали, большей радиуса диска, ей необходимо сообщить продольное движение подачи.

Профильное шлифование используют для промежуточной и финишной обработки профильных деталей и изделий. Для этого применяют пневматические (надувные) эластичные шлифовальные барабаны. При шлифовании профилей используются появившиеся сравнительно недавно шкурки с основой из эластичных тканей, которые при использовании контрпрофильного утюжка позволяют плотно охватывать деталь, обеспечивая высокопроизводительное и качественное шлифование. Для этих же целей широко применяют разнообразные лепестковые круги и головки, конструктивно выполненные из абразивных лент, лепестковых дисков, абразивно-щеточных сегментов, нетканых материалов с абразивными зернами. Используются и профилируемые абразивные круги различной зернистости природного и синтетического происхождения.

Абразивные материалы

Абразивные материалы – вещества естественного и искусственного происхождения, обладающие высокой твердостью, прочностью и износостойкостью, зерна и порошки которых способны обрабатывать поверхности других тел царапаньем, скоблением или истиранием. При производстве абразивных материалов используются различные виды электрокорунда, карбида кремния, последнее время – оксид циркония, специальные виды керамики в сочетании с охлаждающими добавками. Причем последние целесообразно применять для наиболее тяжелых условий шлифования, например древесно-стружечных плит. Различают различные виды абразивного инструмента: инструменты на гибкой основе (шлифовальные шкурки), круги, бруски, головки, пасты и т.п. Измельченный и рассортированный по размерам абразивный материал, предназначенный для обработки, называют шлифматериалом. В зависимости от размеров зерен его делят на четыре основных группы: шлифзерно (2000–160 мкм), шлифпорошки (125–40 мкм), микрошлифпорошки (63–14 мкм), тонкие микрошлифпорошки (10–3 мкм).

Размеры шлифматериала характеризуются зернистостью (условное обозначение шлифовального материала, соответствующее размеру абразивных зерен основной фракции). Номер зернистости по ГОСТ 3647 шлифзерен и шлифпорошков равен размеру ячейки сита (в сотых долях миллиметра), на котором задерживаются зерна основной фракции. Для сортировки зерен применяют сита с размером ячейки на свету от 2000 до 40 мкм (18 градаций размеров в порядке убывания по нормальному ряду чисел). Микрошлифпорошки и тонкие микрошлифпорошки обозначают буквой М и цифрой, обозначающей максимальный размер зерна в мкм. За рубежом зернистость (по ISO 8485-86) для твердых абразивов обозначается буквой F, а для гибких (шлифовальных шкурок) – буквой P. Для обеспечения соответствия по зернистости шлифовального отечественного и импортного инструмента необходимо пользоваться соответствующими переводными таблицами. В качестве режущего инструмента в деревообработке при выполнении технологического процесса абразивной обработки чаще всего используется шлифовальная лента (шкурка), являющаяся гибким режущим многолезвийным инструментом на бумажной основе. Шкурка представляет собой многолезвийный инструмент с большим числом режущих элементов – абразивных зерен.

В качестве абразива чаще всего используются электрокорунд, карбид кремния, некоторые природные абразивы. Все более широкое применение получают абразивные материалы нового поколения на основе оксида циркония с добавлением керамики в сочетании с охлаждающими добавками, что позволяет значительно повысить износостойкость режущего инструмента. Абразивные зерна наносятся на прочную крафт-бумагу, покрытую клеем на животной или синтетической основе, в электростатическом поле для равномерного распределения по всей поверхности ленты. Из-за многообразия форм и различия размеров (в определенном диапазоне зернистости) отдельных зерен, а также способов нанесения их на основу, режущие кромки (вершины) отдельных зерен располагаются в шкурке на разных уровнях. Это приводит к тому, что одновременно в резании участвует относительно немного зерен – не более 2% от их количества на рабочей поверхности шлифовальной шкурки.

Количество активных, то есть взаимодействующих с обрабатываемой поверхностью, зерен зависит от зернистости инструмента, степени его затупления, площади контакта с обрабатываемым изделием и от характеристик процесса шлифования. Этими же параметрами в основном определяется толщина срезаемой микростружки и, следовательно, качество обработанной поверхности, производительность процесса шлифования и стойкость шкурки. Основой шлифовальной ленты чаще всего служит бумага специальных сортов (в первую очередь по экономическим соображениям) или ткань, обладающие высокой прочностью. Иногда применяют комбинированную основу, когда на бумагу наклеивается упрочняющий слой из хлопчатобумажной ткани. Для шлифования профильных изделий, например, погонажа, используют шлифовальные ленты с эластичной основой из синтетических тканей, которые могут в процессе эксплуатации растягиваться, повторяя профиль детали. Первый слой связующего материала, удерживающего зерна на основе ленты, должен обладать хорошей адгезией к основе и зернам, требуемой теплопроводностью и эластичностью. При недостаточной прочности связующего зерна сильно осыпаются, а при завышенной прочности – лента теряет работоспособность вследствие засаливания.

Абразивные зерна крепятся на основе с помощью мездровых клеев (второй слой связующего), латекса или синтетических смол, причем зерна наносятся на основу чаще всего в электростатическом поле, что позволяет получить равномерную засыпку абразива и заданную ориентацию его зерен относительно поверхности основы. По структуре нанесенного абразивного слоя различают шкурки с плотной насыпкой абразивных зерен, когда зерна покрывают всю поверхность основы, и открытой структурой, когда зерна на основе размещаются на заданном расстоянии друг от друга. При этом абразивом покрывается 30–70% ее площади, где чередуются участки с абразивом и без него в виде полос, ромбов и т.д. В первом случае шкурка будет обладать низкой стойкостью вследствие быстрого ее засаливания, поскольку расстояние между зернами мало и недостаточно для размещения микростружек, которые образуются в ходе шлифования и уплотняются, забиваясь в пространство между зернами и не позволяя им срезать новые стружки. Во втором случае засаливание шкурки будет менее интенсивно, поскольку пространство между зернами позволяет разместиться стружке, а также способствует ее выносу из впадин между зернами. Еще более эффективный метод борьбы с засаливанием заключается в использовании шкурок с прерывистой насыпкой зерен по заданной программе (в виде простейшего периодического рисунка в форме наклонных чередующихся полос, шевронов, ромбов и т.д.).

Шкурки различаются и по характеру строения абразивного зерна. При применении шкурки с насыпкой в виде однородных по структуре зерен проявляется эффект самозатачивания шкурки, когда при выкрашивании зерна оно выбрасывается из клеевого слоя вместе с микростружками, давая при этом большую возможность работать смежным зернам. В последнее время появились самозатачивающиеся шкурки. Эффект самозатачивания достигается за счет того, что абразивное зерно выполняется не из единого зерна (осколка) абразива, а спекается из нескольких более мелких зерен, которые по мере эксплуатации ленты скалываются с зерна, освобождая его новые острые грани. Примерами изделий из шлифовальной шкурки являются бесконечные (закольцованные) склеенные шлифовальные ленты шириной до 2600 мм, ленты-заготовки для бобин, цилиндров, конусов, пневмобарабанов и дисков (в том числе для ручного электрифицированного инструмента и на «дисках-липучках»), а также кольца, лепестковые веерные и щеточные круги и головки радиального и торцового исполнения. В России существует ряд центров, занимающихся изготовлением дереворежущего шлифовального инструмента широкой номенклатуры, в том числе и закольцованных лент любых размеров для станков различного назначения – как узколенточных, так и широколенточных. Например, компания «Геофлекс» на качественном импортном оборудовании из отечественных и импортных абразивных материалов производит под заказ шлифовальный инструмент.

В деревообрабатывающей отрасли широко применяются шлифовальные электрокорундовые, карбидкремниевые круги на керамической связке, которые, однако, используются не для шлифования древесины, а для заточки дереворежущих инструментов. В семидесятых годах прошлого века в России проводились эксперименты по использованию таких кругов плоского профиля крупной зернистости при калибровании древесины, однако до промышленного использования дело так и не дошло.

Особенности ленточного шлифования

Шлифовальные станки находят широкое распространение в деревообрабатывающей отрасли, в первую очередь в мебельном и столярном производствах. Это оборудование используется чаще всего на заключительных этапах технологического процесса отделки изделий. Долгое время в технологии деревообработки считалось, что шлифование используется исключительно «в целях удаления с поверхности изделия неровностей и придания ей надлежащей гладкости», так называемое чистовое шлифование. Это объясняется тем, что предшествующая обработка пилением и фрезерованием не давала возможности получить необходимую шероховатость под склейку или отделку. В последние десятилетия с появлением новых типов шлифовальных лент и специальных станков широкое распространение получил процесс чернового шлифования крупнозернистыми абразивными материалами с целью обработки деталей как выравнивания поверхностей с доведением их до плоскостности (обработка «под плоскость»), так и в «размер» по толщине, когда деталь одновременно шлифуется с двух сторон.

По реализации вида технологического назначения шлифовальные станки различают: для чистового шлифования (выглаживания) плоских и криволинейных поверхностей при доведении их до заданной шероховатости без обеспечения требований по плоскостности; для выравнивания поверхностей при обеспечении их плоского состояния «под плоскость»; калибровальные, предназначенные для обработки в «размер» по толщине при калибровании плитных и щитовых деталей, например, из клееных заготовок; для шлифования рельефных поверхностей типа кухонных фасадов. В зависимости от вида используемого режущего инструмента, а это чаще всего шлифовальная лента, название групп станков говорит об их конструктивном исполнении: узкои широколенточные, цилиндровые, дисковые и лепестковые. В последнее время все более широко внедряется, особенно для профильного шлифования, абразивный инструмент на основе нетканых и пористых полиуретановых материалов с вкраплением абразивов разной зернистости и разной концентрации, а также некоторых природных минералов.

Как показывает производственная практика, из всей гаммы шлифовальных станков наиболее экономически эффективным решением для обработки плоских поверхностей высокого качества являются широколенточные шлифовальные станки. Оказались практически вытесненными из техпроцесса узколенточные (с шириной ленты 160–200 мм) шлифовальные станки, сравнительно недавно вошедшие в деревообработку, но не выдержавшие конкуренции со стороны широколенточных, несмотря на более высокую стоимость шлифовальных лент. Для повышения качества поверхности за счет исключения продольных полос на обработанной поверхности вследствие выкрашивания зерен шлифовальная лента на станке дополнительно получает осциллирующее движение, перемещаясь по нормали к подаче на 15–20 мм.

У многих шлифовальных станков для продления ресурса шлифовальной ленты контактный шлифовальный цилиндр выполнен с винтовыми канавками, что позволяет добиваться эффекта использования шкурок с прерывистой насыпкой зерен в виде косых полос, что заметно снижает засаливание шкурки. Аналогичного эффекта добиваются применением закольцованных протекторных лент с рисунком в виде шевронов, устанавливаемых на узколенточных станках между шлифовальной лентой и прижимом. Шлифовальные ленты весьма требовательны к условиям хранения. При их изготовлении температура в цехе не должна превышать 20°С, а влажность воздуха составляет 65%. В таких же условиях шкурка должна и храниться. Их изменение приводит к изменению формы шкурки, которая может прогибаться либо в сторону зернового слоя, либо в сторону основы. Ленты нельзя хранить в лежачем положении – в этом случае они будут по-разному впитывать влагу вследствие высокой гигроскопичности, что приводит к их деформации. Предпочтительно хранить ленты в заводской упаковке на деревянных поддонах при естественной вентиляции, в условиях, близких к условиям изготовления.

Нельзя хранить ленты непосредственно у источников тепла, влаги, на сквозняках, подвешивать на тонкие вбитые в стену штыри. За сутки до использования ленту рекомендуется извлечь из упаковки и вывесить для кондиционирования в помещении с близкими к требуемым температурно-влажностными условиями. При работе шлифовальных станков образуются отходы обработки – шлифовальная пыль: это частицы древесины и лакокрасочных покрытий размером от нескольких микрон до нескольких миллиметров. Среди них присутствуют и фрагменты абразива вследствие износа шлифовальных лент – вырывов и выкрашивания абразивных зерен. Для удаления этих отходов станки снабжаются мощными аспирационными устройствами, поскольку поверхность фракций отходов невелика. К эффективности работы таких устройств предъявляются повышенные требования. Недостаточное удаление отходов приводит к загрязнению производственного помещения и окружающего воздуха, отрицательно влияет на точность работы станка, его надежность и долговечность. Налипание пыли на внутренней стороне шлифовальной ленты может проявиться в виде полос на обработанной поверхности детали.

Шлифовальная пыль является взрывопожароопасной, поэтому запыленность станка как снаружи, так и внутри повышает опасность его воспламенения. Несмотря на срабатывание уловителей шлифовальной ленты при ее разрыве, контакт фрагментов ленты с металлическими узлами станка может вызвать образование искр. В производственных условиях аспирационные устройства шлифовальных станков стараются не объединять с такими же устройствами другого деревообрабатывающего оборудования. Современные станки снабжаются специальными системами обдува шлифовальной ленты на базе высоконапорных вентиляторов. В ряде станков используются системы с набором вращающихся сопел. Как правило, такие системы автоматически настраиваются на размеры обработки и очищают ленту, а иногда и все поверхности заготовок от пыли. Это позволяет наряду с очисткой ленты одновременно ее и охладить, повысив тем самым срок эксплуатации. С обработанной поверхности детали пыль дополнительно удаляется посредством выглаживающего (на базе нетканых абразивных материалов) и щеточного валиков, последовательно установленных друг за другом. Шлифование – специфический процесс, сопровождающийся значительным трением взаимодействующих между собой сухой деревянной заготовки, особенно с лакокрасочным покрытием, со шлифовальной лентой, многослойными по конструкции прижимами и другими элементами станка. В результате на поверхности заготовки формируется высокий электростатический потенциал, достигающий 30 тыс. вольт, что доставляет немало хлопот оператору. Для снятия заряда в некоторых конструкциях станков под кожухом на выходе из оборудования, над обрабатываемой поверхностью детали устанавливаются различные приспособления. На данный момент наиболее эффективно устройство для снятия статического электричества с помощью направленного потока заряженных ионов, смонтированное под экраном.