Производство деревянных стульев

Особое место в ряду мебельных изделий занимают стулья. В настоящее время стулья по конструктивным особенностям различают по следующим основным группам: столярные, гнутые, выклейные и смешанной конструкции. Последнее время появилось значительное число конструкций стульев из металла и композиционных материалов. У деревянных столярных стульев, наиболее распространенных в быту, основными элементами являются ножки, царги (проножки), изготавливаемые из древесины ценных твердолиственных пород, спинки (спинодержатели) и филенки сиденья из облицованной фанеры.

Столярные стулья в большинстве случаев изготавливают без рамки сиденья, а филенку закладывают в четверти, выбранные непосредственно в царгах. Часто царги накрывают филенкой со свесами 20–30 мм и закрепляют снизу на клею с помощью бобышек шурупами. Как правило, основная масса стульев собирается в единую конструкцию на шиповых соединениях. Особенностью конструктивного обеспечения надежности такого соединения в стульях, да и не только, является выбор направления волокон древесины на сопрягаемых деталях.

Соединение «шип–паз» обеспечивается формированием шипа на детали с поперечным направлением волокон, который затем вставляется в паз ответной формы тех же размеров, выполненный в детали с продольным направлением волокон. Форма шипа и соответственно паза может иметь в поперечном сечении прямоугольник, круг, овал или прямоугольник со скругленными углами. Если технолог грамотно назначил размеры шипа и паза, указал направление волокон деревянной детали, а станочник выполнил все эти требования, после сборки такой узел даже без клея будет обладать существенной прочностью по отношению к усилиям, действующим на сжатие, срез и раскачивание. В данном случае прочность древесины на сжатие, направленное поперек волокон, ограничивает взаимное перемещение элементов собранной конструкции.

Соединение «шип–паз» имеет механические ограничения на относительные перемещения элементов в любом направлении, кроме направленного на прямое выдергивание шипа из паза. На практике подобные соединения именно таким образом разрушаются, однако этому предшествует нанесение повреждений в первую очередь на горизонтальные поверхности контакта в соединении. Таким повреждениям способствует раскачивание соединения.

Традиционным способом повышения прочности соединения является склеивание деталей по наружным поверхностям шипа. Это позволяет придать дополнительную прочность соединению к срезу за счет склеивания поверхностей с продольным направлением волокон древесины обеих деталей для сопротивления эффекту вращения. Другим конструктивным способом является изготовление шипа с «заплечиками», что добавляет дополнительный упор шипу, создавая еще одну несущую поверхность, которая берет на себя сопротивление сжатию с внешней стороны шипа.

Увеличение высоты шипа также способствует уменьшению нагрузки, одновременно увеличивая площадь склеиваемых поверхностей. Аналогичного результата можно добиться и увеличением длины шипа и глубины паза. Естественно, повышению надежности соединения способствует и использование для элементов шипового соединения древесины более высокой плотности, как правило, твердолиственных пород – дуба, бука, березы и т.д., обладающих более высоким сопротивлением на смятие. Унифицированные размеры черновых мебельных заготовок для изготовления столярных стульев регламентированы ГОСТ 2695.

На сегодняшний день в России не так много мебельных предприятий, занимающихся изготовлением высококачественной продукции из массива древесины. Это можно частично объяснить отсутствием достаточных объемов качественной твердолиственной древесины, необходимой для подобного производства, в первую очередь – для выпуска столярных стульев, собираемых на шиповых соединениях. Основным поставщиком дуба и бука является Кавказ, Краснодарский край. Имеется дуб и в центральной полосе европейской части страны – в основном в Орловской, Брянской, Курской и Воронежской обл. Однако в последнее время и там его осталось сравнительно мало.

Дуб, произрастающий в средней полосе, имеет невысокое качество древесины, а порой содержит стальные осколки, очереди автоматных пуль, оставшиеся от Великой Отечественной войны. Ясень произрастает на Дальнем Востоке, ареалы его также ограничены, а при постоянно увеличивающихся железнодорожных тарифах использование его становится невыгодным. Самой распространенной твердолиственной породой в России является береза, которая заготавливается практически по всей территории страны. Однако из-за климатических условий она не всегда соответствует требованиям мебельщиков, и процент выхода продукции из нее невелик. Так, для выпуска готового мебельного щита допустимым считается выход продукции 14–17%.

Естественно, что качественная древесина стоит недешево. Следовательно, и технологии производства должны быть по минимуму материалоемкими, обеспечивающими получение качественной продукции с минимальными припусками на обработку. Это требование обуславливает наличие современного специализированного оборудования для производства мебели. В России даже в лучшие советские времена потребность в таком оборудовании обеспечивалась за счет импортных поставок. В основном оно закупалось у станкостроительных фирм Италии и Германии, специализирующихся на производстве оборудования, в том числе и для изготовления стульев.

На сегодняшний день вариантов комплектования оборудования достаточно много. Выбор его зависит от требуемой производительности производства, разновидностей конструкций предполагаемых к выпуску стульев, вида сырья, имеющихся производственных площадей, доступных энергоресурсов, уровня подготовки работников и еще целого ряда причин. Однако существует несколько наиболее востребованных видов специализированного оборудования для производства стульев.

Чтобы предприятие было конкурентоспособным и его изделия пользовались спросом на рынке, они должны иметь низкую цену при хорошем качестве. Это вынуждает производственников изготавливать их в больших количествах и с минимальными затратами. Что, в свою очередь, требует оснащения стульевого производства высокопроизводительным специализированным оборудованием для выпиливания криволинейных заготовок, их фрезерования и шлифования, сверления в них сквозных и глухих отверстий, формирования чаще всего глухих скругленных пазов, нарезки ответных шипов, окончательного шлифования готовых деталей, сборки, отделки и упаковки. Основная масса такого оборудования в России не производится. На международном рынке оборудования также не много фирм, специализирующихся на производстве подобных станков. В настоящее время большая часть стульевого оборудования производится в Италии.

Каждая группа конструкций стульев требует своей номенклатуры оборудования. Если в устройстве стульев предусмотрены прямоугольные брусковые детали прямолинейной формы, например, для передних ножек, проножек, то в технологической цепочке целесообразно использовать четырехсторонний продольно-фрезерный станок, на котором с высокой точностью будут формироваться боковые поверхности деталей. Однако чаще всего в производстве стульев востребованы детали криволинейной формы, например, задние ножки, элементы спинки сиденья и т.д. Такие детали изготавливать из заготовок прямолинейной формы нецелесообразно, поскольку значительная часть древесины будет уходить в срезки.

Для экономичного раскроя дорогой твердолиственной древесины стараются использовать широкие доски (клееный щит), из которых на специальных ленточнопильных станках с ЧПУ для выпиливания криволинейных деталей можно формировать схемы оптимального раскроя с максимальным процентом выхода деталей с учетом их формы. Существует целый ряд станков аналогичного назначения, отличающихся некоторыми конструктивными отличиями и программным обеспечением. Так, производителям стульев достаточно хорошо известен ленточнопильный станок Hopper 020, разработанный итальянской станкостроительной фирмой MZ Project. Он позволяет разворачивать ленточную пилу на угол ± 900 c автоматической подачей базового стола по осям Х и У.

На столе с помощью пневмоприжима могут базироваться заготовки как по одной штуке, так и пакетом. Для точного позиционирования заготовки может использоваться вакуумный подающий стол. Работа станка может осуществляться как по копиру, так и по программе, введенной в систему числового программного управления. Станок снабжен автоподатчиком заготовок, а также транспортером удаления деталей и обрезков. Точность выпиливания деталей достигает 0,1 мм при минимальном радиусе закругления 45 мм.

Аналогичное оборудование выпускают и другие станкостроительные фирмы: Veneta Macchine, Pade (Италия). На малых предприятиях выпиливание криволинейных заготовок для стульевых элементов может осуществляться на ленточнопильном столярном станке последовательно по одной штуке из широкой доски по предварительно нанесенной разметке нескольких заготовок. Этот способ достаточно экономичен, позволяет более полно расходовать ценную древесину. Однако он является малопроизводительным и трудоемким, поскольку подача доски осуществляется вручную.

Одновременный раскрой пачки заготовок вручную может выполняться на небольших ленточнопильных станках, у которых рабочий орган – механизм резания с узкой ленточной пилой – установлен на «сочлененной руке» (системе шарнирных кронштейнов, позволяющих поворачивать лезвие ленточной пилы в различных направлениях и под любым углом). Пачка протяженных заготовок фиксируется на узком длинном столе (максимальная длина заготовки – 2500 мм). Максимальная высота пакета в зависимости от марки станка и породы древесины может достигать 370 мм. Стол может наклоняться в горизонтальной плоскости -15/+45° c установкой по шкале.

Конструктивной особенностью станка является наличие трех шкивов, вулканизированных плотной резиной и качественно отшлифованных. Это позволяет использовать для пиления специальные узкие ленточные пилы шириной до 3 мм. Применение такого инструмента обеспечивает обработку заготовок с радиусами закругления, не превышающими 5–7 мм. Кроме того, при замене пилы на узкую шлифовальную ленту шириной до 40 мм можно получить вертикально-шлифовальный станок для кромок как криволинейных, так и плоских деталей. Существует разновидность этого станка с карусельной приставкой, позволяющей обрабатывать заготовки, в том числе и пакет, по шаблонам. Такой станок выпускает итальянская фирма Modelleria Dario (MD).

Дальнейшая обработка выпиленных заготовок продолжается на кромко-фрезерных станках с подачей детали карусельным столом или кареткой. Раньше обработка таких деталей осуществлялась на универсально-фрезерных станках с ручной подачей как с верхним, так и нижним расположением шпинделя. Заготовка для обработки устанавливалась в специальных копировальных приспособлениях – цулагах. Работа станочника в таких условиях достаточно опасна (особенно в зоне косослоя, сучков и т.д.), трудоемка и малопроизводительна.

Для повышения производительности и безопасности обработки по контуру или одностороннему профилю плоских деталей длиной 230–1200 мм широко используются карусельно-фрезерные станки. Примером может служить отечественный фрезерно-карусельный станок Ф1К-2, у которого сборная чугунная станина конструктивно выполнена в виде портала. Посредине нижней части станины установлен карусельный стол, в радиальных пазах которого выполнены Т-образные пазы для крепления копиров с заготовками, а также пневмоприжимов к ним. На одной из боковых стоек портала на кронштейне шарнирно установлен фрезерный суппорт, который с помощью пневмоцилиндра, обеспечивающего постоянное усилие, своим копировальным роликом прижимается к закрепленным на столе копирам с заготовками. На боковой цилиндрической поверхности карусельного стола выполнен еще один Т-образный паз – кольцевой, в который устанавливают передвижные кулачки, позволяющие задавать программу обработки, выдавая команды, например, на замедление подачи в точках экстремума профиля, чтобы исключить сколы на обрабатываемой поверхности детали, на включение/отключение пневмоприжимов.

В зависимости от производственных потребностей на столе станка может обрабатываться в шаблоне либо по контуру одна щитовая заготовка большой площади, либо одновременно несколько заготовок по одной из сторон (не обязательно одного профиля) в индивидуальных шаблонах. В первом случае соответствующий шаблон с заготовкой фиксируется на столе центральным прижимом, закрепленным на верхней траверсе портала и допускающим возможность вращения. Во втором случае шаблоны с заготовками устанавливаются в пазах по периферии стола и фиксируются каждый своим прижимом (или прижимами), также установленными в этих пазах.

Как правило, при обработке деталей в шаблонах на периферии стола на нем устанавливается не менее четырех шаблонов. Оператор загружает первый из них, и заготовка подается в зону обработки. За это время стол поворачивается на определенный угол и из зоны обработки на четвертом шаблоне выходит готовая деталь. Оператор, не останавливая стола, снимает деталь, устанавливает в шаблон на место детали заготовку, и процесс обработки повторяется. Частота вращения стола плавно регулируется в диапазоне от 0,3 до 5,5 об/мин. Зона обработки заготовок закрыта защитным ограждением.

На портале карусельного станка может устанавливаться последовательно несколько суппортов, например, два фрезерных и один шлифовальный, которые придают заготовке законченный вид под отделку. Если на таком станке обрабатывается заготовка сиденья стула в шаблоне с центральным прижимом, то этот процесс можно автоматизировать, оснастив станок питателем заготовок и разгрузчиком готовых деталей (например, станок Holitek LH-90, Тайвань). Другим примером фрезерно-карусельного станка могут служить станки FGR фирмы Co.mec SnC и оборудование GC1/1F фирмы Camam (Италия).

Обработка выпиленных заготовок может осуществляться и на кромко-фрезерных станках. Такие станки работают по циклопроходной схеме с использованием шаблонов, причем каретка станка совершает возвратно-поступательное движение. Для мелкосерийного производства криволинейных деталей наиболее целесообразны фрезерные станки, снабженные кареткой, аналогичной шипорезной, у которой стол с заготовкой может перемещаться как вдоль подачи, так и нормально ей. Траектория перемещения каретки по нормали к подаче задается с помощью копировального ролика, взаимодействующего с кромкой шаблона (или набора шаблонов), неподвижно закрепленного на столе или станине станка.

Перемещение каретки может выполняться как вручную, например, на отечественном станке ФФД-3, так и с помощью механического (пневматического) привода (станок LH-1000-AT итальянского производителя Bacci). Так, например, в последнем станке заготовка укладывается на каретку станка, базируется по переднему и боковому упорам и фиксируется прижимной балкой. Каретка имеет возможность перемещаться в горизонтальной плоскости по двум парам взаимно-перпенди кулярных призматических направляющих.

На каретке закреплен копировальный ролик, введенный во взаимодействие с одним из шаблонов, установленных на столе станка под кареткой. Прижим ролика к шаблону осуществляется с помощью пневмоцилиндра. Перемещение каретки с деталью в ходе обработки профиля также осуществляется с помощью пневмопривода. На шпинделе станка устанавливается набор фрезерного инструмента для обработки ряда профилей, что позволяет программным путем, перемещая шпиндель по высоте, вызвать нужную фрезу и быстро включить ее в работу. Перемещение по высоте копировального ролика на другой шаблон из имеющегося набора позволяет за короткое время перейти на обработку новой конфигурации детали.

Обработка выпиленных криволинейных заготовок может осуществляться и на двухсторонних кромко-фрезерных станках. На станине такого станка установлены цилиндрические или призматические направляющие, по которым чаще всего с помощью гидропривода перемещается подающая каретка, на которой закреплен двухсторонний шаблон, повторяющий форму готовой детали. Заготовка укладывается на шаблон по упорам и прижимается к нему сверху гидро- или пневмоприжимами, установленными на траверсе каретки. Каретка с заготовкой перемещается мимо фрезерных головок, расположенных по обеим сторонам от нее.

Суппорты фрезерных головок перемещаются по собственным направляющим, установленным перпендикулярно движению каретки. Надвигание и отвод суппорта обычно происходит за счет контакта копировального ролика с фигурной кромкой шаблона, обеспечиваемого усилием пневмоцилиндров. Таких суппортов с каждой стороны может быть несколько: одни фрезы снимают основной припуск, другие – обрабатывают калевку и т.д.

Формирование контура детали может осуществляться как по шаблону, так и перемещением по заданной траектории суппорта с инструментом программным путем. Кроме того, по ходу движения каретки заготовка, как правило, проходит еще каждой кромкой вдоль одной-двух шлифовальных головок, окончательно формирующих шероховатость кромки детали. Шлифование может осуществляться как барабанами, так и закольцованной лентой. Станки оснащены также механизмами осцилляции шлифовальной ленты. В таких станках для повышения качества обработанной поверхности используется попутное фрезерование. Кроме того, скорость подачи программируется в зависимости от глубины профиля детали, а также на участках перегиба профиля и примыкающих к ее концу.

В качестве примера такого оборудования можно назвать гамму станков Uinze итальянской фирмы Pade. Цифра после названия марки станка говорит о суммарном количестве установленных фрезерных и шлифовальных суппортов. Например, станок Uinze 6Т имеет шесть суппортов, по три с каждой стороны станины. Конструктивно станок выполнен следующим образом. На узкой протяженной станине установлена каретка с траверсой, несущей пневматические прижимы заготовки.

По обеим сторонам станины зеркально, симметрично к ней крепятся два сварных блока, несущих механизмы резания – фрезерные и шлифовальные суппорты. В зависимости от исполнения станка он может оснащаться либо только двумя или четырьмя фрезерными суппортами, двумя фрезерными и двумя шлифовальными суппортами и т.д. – до десяти суппортов в зависимости от технологических требований к детали и ее формы. Частота вращения инструмента фрезерных суппортов – 8500 об/мин, шлифовальных барабанов – 3500 об/мин. Все суппорты имеют возможность наклона на угол до 10° к плоскости стола станка.

Особенностью такого станка является возможность разворота на шарнирах левого блока станины с помощью механики (или гидравлики – как опция) для обеспечения удобного доступа к режущему инструменту при его замене. Станки этой гаммы могут быть оснащены загрузчиками заготовок, а также устройствами разгрузки готовых деталей. Зона загрузки станка и зона обработки закрываются защитными ограждениями, предохраняющими оператора от травматизма.

Станки подобного вида достаточно производительны: скорость подачи и скорость холостого хода заготовок может плавно регулироваться до 40 м/мин (скорость холостого хода – как опция – до 100 м/мин). Длина обрабатываемых деталей достигает 2500 мм и более, а максимальная высота обработки – 180 мм. Эти станки, как правило, оснащаются системами ЧПУ, в марке станка в этом случае присутствует соответствующая аббревиатура – CNC. Аналогичные станки выпускает и компания Greda (Италия).

После операций фрезерования и шлифования на специализированном станке выполняют обрезку криволинейных деталей в размер по длине, фрезерование и сверление различных элементов детали – пазов, отверстий. Примером такого станка является двухсторонний отрезной сверлильно-пазовальный станок марки NS21 (или NST) фирмы Pade. Следующей операцией технологического процесса является формирование на двухстороннем шипорезном станке скругленных шипов (иногда с рифлением), для повышения прочности последующего склеивания при сборке стула. Клей, попадая в рифли шипа, увеличивает адгезию клеевого шва. Подобные операции выполняются, например, на двухстороннем шипорезном станке Т90 той же фирмы Pade.

Одновременно на многошпиндельном сверлильно-пазовальном станке на деталях, которые будут сопряжены с полученными ранее шипами, формируются глухие пазы со скругленными торцами и отверстия под шканты. На станке может быть установлено несколько сверлильно-пазовальных головок, формирующих пазы и отверстия разных размеров и различного пространственного расположения относительно базовой горизонтальной плоскости станка. Подобное оборудование позволяет выполнять сверление и пазование во взаимно-перпендикулярных плоскостях, т.е. оно является двухсторонним горизонтально-вертикальным. Эти станки оснащаются загрузочно-разгрузочными устройствами и являются высокопроизводительным оборудованием, зачастую оснащенным системами ЧПУ. Примерами таких станков могут являться модели COM, COM CLASS компании Pade, аналогичные станки производят и фирмы Bacci, Co.mec SnC.

Последнее время все чаще для изготовления сложных 3D-деталей стульев (спинок, сидений и т.д.) используются специализированные обрабатывающие центры. Основным преимуществом такого оборудования является возможность высокоточной обработки детали сложной формы до полной готовности различными способами резания – пилением, фрезерованием, сверлением, пазованием, шлифованием за одну установку заготовки на столе без ее перебазирования. На рынке предлагаются различные модели таких центров, позволяющих обрабатывать детали чаще всего по трем или пяти осям, в зависимости от сложности их формы. Для условий производства элементов стульев, кресел фирмой Pade разработана гамма специализированных пятиосевых обрабатывающих центров – Velox, Chrono, Spin, Concept, способных удовлетворить требования любого дизайнера и технолога-деревообработчика.

После придания элементам стула определенной формы и размеров, нарезки шипов и формирования пазов и отверстий перед сборкой стула шлифуют его детали. Это одна из технологических операций, определяющих качество отделки стула, его внешний вид. В зависимости от формы детали (прямоугольная плоская, фасонная объемная 3D) применяются соответствующие шлифовальные станки – ленточно-шлифовальный или станок с надувными шлифовальными барабанами для прямых деталей, двухсторонний ленточный – для шлифования фасонных деталей. Так, фирма Co.mec SnC выпускает сравнительно недорогой станок модели UNICA, предназначенный для шлифования боковых поверхностей брусковых деталей прямоугольного, круглого или овального сечения – постоянного, переменного, прямых и изогнутых, – без каких-либо существенных переналадок станка.

Существуют и четырехсторонние шлифовальные станки (по аналогии с четырехсторонними продольно-фрезерными) для обработки за один проход деталей, близких по сечению к прямоугольным. Такие станки выпускает опять итальянская компания Camam. После шлифования заготовки подвергаются обеспыливанию и поступают на сборку. В зависимости от конструкции стула чаще всего на горизонтальных гидравлических ваймах происходит поэтапная сборка стула: сначала собираются в своих ваймах передняя и задняя часть стула, а затем в третьей вайме базируются передняя и задняя части стула, наживляются царги, проножки, элементы сиденья и производится окончательная сборка стула.

Для сборки стульев существуют специализированные гидравлические прессы. Так, фирма Camam предлагает работающие в единой связке от одной гидросистемы два гидравлических сборочных пресса модели SI/PM-T-TS. На первом прессе собирается передняя часть стула. На втором прессе происходит его окончательная сборка. Этот комбинированный пресс предназначен для сборки стула без выполнения предварительного монтажа его элементов вручную. Различные детали стула точно базируются в специальных опорах и по направляющим подаются в позицию сборки. Обжим конструкции осуществляется набором гидроцилиндров по упорам. Подобная технология наполовину сокращает время сборки стула по сравнению с традиционной. Однопозиционный сборочный стенд для столярных стульев марки FSA предлагается фирмой Co.mec SnC.

Последней операцией механической обработки стула является подрезка его ножек с целью выведения их в одну плоскость для обеспечения его устойчивости. Подрезка ножек происходит, как правило, на плоском горизонтальном столе станка дисковой пилой. Примером является станок для выравнивания ножек стульев модели US/1C фирмы Camam. Окраска, а чаще лакирование после тонирования элементов стула осуществляется в обеспыленных помещениях либо в кабинах с водяной завесой вручную. Последнее время для нанесения лакокрасочных покрытий на такие сложные по форме изделия, как стулья, все чаще используются окрасочные роботы.

Как правило, процесс отделки лакокрасочными материалами с помощью пневмопистолета сопровождается выделением целого ряда вредных веществ в виде смеси аэрозолей – растворителя, красителя, пленкообразователя, которые оказывают на здоровье человека негативные воздействия, несмотря на наличие вытяжной вентиляции, влажных стен и пола. Кроме того, долго держать в руках далеко не легкий пневмопистолет-распылитель (краскопульт) в течение смены весьма утомительно. Кроме того, эта процедура достаточно монотонна и снижает возможность самоконтроля оператора за качеством нанесения лакового покрытия, что приводит к нарушению требований техники безопасности и экологии. В свою очередь, утомление оператора зачастую приводит как к перерасходу лакокрасочных материалов, так и к неисправимому браку на одной из последних стадий технологического процесса. Поэтому недаром отделка изделий лакокрасочными материалами оказалась одной из первых технологических операций, подвергнувшихся роботизации.

Примером может служить оборудование фирмы CMA Robotics (Италия), которая специализируется на производстве автоматических программируемых манипуляторов, позволяющих производить операции окраски распылением без непосредственного участия человека в ходе технологического процесса. Так, модель GR-520 компании CMA Robotics имеет сварную станину, устанавливаемую на винтовых регулируемых опорах на полу цеха. Внутри нее установлен блок пневматики и привод вращения двухзвенной руки робота вокруг его вертикальной оси. На выходном валу привода вращения установлен кронштейн, несущий руку робота, которая заканчивается захватным устройством для крепления краскопульта. На верхней платформе станины смонтированы три консоли с платформами для установки окрашиваемых изделий. Аналогичные модели окрасочных роботов выпускает и другая итальянская фирма Robotic & electronic solutioms (RES).

Основными преимуществами внедрения окрасочных роботов в производство являются: высокая производительность процесса окраски (до 200% в сравнении с человеком); полная повторяемость сложных схем окрашивания от изделия к изделию; возможность работы с токсичными лакокрасочными материалами; максимальное использование рабочего времени (работа без перерывов); гибкость при отделке малых серий изделий; экономия лакокрасочных материалов вследствие стабильного расхода на каждое изделие, особенно при работе в электростатическом поле, когда экономия достигает 40%. Заключительным этапом производства стульев является контроль качества, маркировка и упаковка, способствующая защите от механических повреждений и потертостей при транспортировке.