обработка древесины. Курс лекций для студентов iii курса направления подготовки
 Скачать 0.89 Mb.
|
|
Приложение 3 МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования « Саратовский государственный аграрный университет имени Н . И . Вавилова » ОСНОВЫ ДЕРЕВООБРАБОТКИ краткий курс лекций для студентов 3 курса Направление подготовки 35.03.01 « Лесное дело » Саратов 2016 УДК 674(075.32) ББК 37.12я722 Ф 75 Рецензенты: доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Механика и инженерная графика» ФГБОУ ВО «Саратовский ГАУ» И.М. Павлов доктор технических наук, профессор кафедры «Техносферная безопасность и транспортно- технологические машины» ФГБОУ ВО «Саратовский ГАУ» А.И. Дементьев Ф 75 Основы деревообработки: краткий курс лекций для студентов III курса направления подготовки 35.03.01 Лесное дело / С.В.Фокин // ФГБОУ ВО «Саратовский ГАУ». – Саратов, 2013. – 69 с. ISBN 978-5-222-19635-9 Краткий курс лекций по дисциплине «Основы деревообработки» составлен в соответствии с программой дисциплины и предназначен для студентов направления подготовки 35.03.01 «Лесное дело». В кратком курсе лекций рассмотрены вопросы, связанные с механической обработкой древесины. В нем подробно описывается оборудование и инструмент, применяемый при деревообработке. Материал ориентирован на вопросы профессиональной компетенции будущих бакалавров лесного хозяйства. УДК 674(075.32) ББК 37.12я722 © Фокин С.В., 2016 ISBN 978-5-222-19635-9 © ФГБОУ ВО «Саратовский ГАУ», 2016 Лекция 1. «Физические свойства древесины» 1. Общие сведения Древесина благодаря своим свойствам используется для получения многообразных предметов и изделий. Нередко не одно, а несколько свойств важны для данного изделия. Иногда внешний вид древесины, т.е. текстура, слоистость или цвет, могут иметь более важное значение, чем обрабатываемость и биостойкость. На ряд показателей физических свойств оказывает влияние порода, а также переменное значение влажности. Внешний вид древесины характеризуется слоистостью и текстурой. Термин «слоистость» применяют для характеристики годичных слоев, используя выражение древесины «мелкослойное» и «крупнослойное». Этот же термин употребляют для указания направления волокон: древесина прямоволокнистая, с тангенциальным наклоном волокон. При отделке древесины различают древесные породы крупнопоритстые и мелкопористые в зависимости от относительных размеров породы. Этим определяют необходимость грунтов поверхности древесины. Термин «текстура» применяют как синоним термина «слоистость», но обычно под ним подразумевают более тонкое строение древесины, чем то, которое характеризуется наличием годичных слоев. 1.1 Пиломатериалы радиальной и тангенциальной распиловки Пиломатериалы могут быть выпилены из бревен двумя различными способами. Если бревно распиливается по касательной к годичным слоям, получаются пиломатериалы тангенциальной распиловки. Если бревна распиливаются по радиусам годичных слоев или параллельно сердцевинным лучам, получаются пиломатериалы радиальной распиловки. Для многих целей одинаково пригодны пиломатериалы как радиальной, так и тангенциальной распиловки. Каждый вид распиловки имеет свои преимущества. Преимущества пиломатериалов тангенциальной распиловки следующие: - текстура, обусловленная содержанием годичных слоев, выделяется отчетлиее; - круглые или овальные сучки влияют на внешний вид поверхности меньше, чем сучки продолговатой формы, получающиеся при радиальной распиловки; кроме кроме того, прочность доски с круглым или овальным сучком меньше снижена, чем у доски с продолговатым; - отлужные трещины и смоляные кармашки (если они есть) распространяются на меньшее число досок; - меньше подвержены сморщиванию во время сушки; - меньше усыхают и разбухают по толщине; - пиломатериалы дешевые, т.к. их легче получить. Преимущества пиломатериалов радиальной распиловки следующие: - меньше усыхают и разбухают по ширине; - меньше подвержены крыловатости и поперечному кораблению; - меньше поверхностных трещин и расколов во время сушки и эксплуатации; - бороздчатость, вызываемая неравномерной механической обработкой ранней и поздней древесины, не проявляется так отчетливо; - доски изнашиваются равномерно; - заметнее текстура, образуемая резко выраженными сердцевинными лучами, наклоном волокон и волнистостью; - пиломатериалы из древесины некоторых пород хуже поглащают и пропускают жидкость. 2. Основные физические свойства древесины Влажность. Она определяется как отношение массы содержащейся в ней влаги к массе абсолютно сухой древесины, выраженное в % т.е. где: М – масса образца до высушивания; М 0 – масса образца после высушивания. Такие физические свойства древесины как плотность, усушка, прочность напряжения зависят от содержания влаги в древесине. Влажность заболонной зоны обычно выше, чем влажность ядровой зоны. Наблюдаются значительные колебания влажности в различных зонах одного дерева и в различных деревьях одной породы. В растущих деревьях влажность изменяется от 30 до 100 % в зависимости от породы. - кедр кипарисовый 32/166 - пихта благородная 34/115 - секвоя 86/210 - американская 81/133 Предел насыщения клеточных стенок. Влага находится в древесине в виде воды или водяного пара в полостях клеток и в виде связанной влаги в клеточных стенках. У свежесрубленной древесины стенки клеток полностью насыщены влагой. Кроме того, в полостях ее клеток содержиться вода. Состояние, при котром клеточные стенки полностью насыщены связанной влагой, а свободной влаги в полостях клетки не имеется, называется пределом насыщения клеточных стенок [ПНКС]. ПНКС древесины соответствует в среднем 30% влажности. Равновесная влажность. Влажность древесины ниже ПНКС является функцией относительной влажности и температуры окружающего воздуха. Равновесная влажность характеризует состояние древесины, при котором она ни приобретает, ни теряет влагу. Древесина, находящаяся в эксплуатации обычно подвергается воздействию как долгосрочных (сезонных), так и краткосрочных (суточных) изменений относительной влажности и температуры окружающей среды. Таким образом, древесина фактически везде претерпевает по крайней мере незначительные изменения влажности. Изменение влажности древесины можно уменьшить, нанося защитные покрытия – олифы, лаки или краски. Цель всех способов сушки – это сведение до минимума изменения влажности древесины. Усушка. Древесина сохраняет стабильные размеры, если ее влажность выше предела насыщения клеточных стенок [ПНКС]. Древесина изменяет размеры, если изменяется ее влажность в области ниже этого предела. Она усыхает при увеличении в них влаги. Усушка и разбухание могут вызвать коробление, растрескивание и раскалывание или затруднения при обработке древесины. Древесина проявляет себя как анизотропный материал в отношении показаний усушки (свойства неодинаковые по различным направлениям). Наибольшая усушка древесины происходит в направлении годичных слоев (тангенциальном), в 2 раза меньше усушка поперек годичных слоев (в радиальном направлении). Усушка вдоль волокон незначительна. Совместное влияние радиальной и тангенциальной усушки из-за различия их величины вызывает коробление сортиментов. На усушку древесины оказывает влияние ряд факторов. Усушка тем больше, чем выше плотность древесины. Размер и форма образца древесины, а для некоторых пород t и υ сушки, влияют на усушку. Плотность. Основные причины изменения массы древесины – переменные влажность и плотность основной структуры древесины. Плотность абсолютно сухой древесины изменяется как в пределах одной породы, так и у разных пород. Плотность древесины большинства отечественных пород 320 – 720 кг/м 3 Древесина применяется в самых разнообразных условиях и имеет широкий диапазон колебания влажности. Т.к. влага составляет часть массы древесины, устанавливают значение плотности при определенной влажности. Плотность учитывается в расчетах, начиная от расчета нагрузок в строительных конструкциях, заканчивая определением приблизительной массы (веса) судов. Для стандартизации сравнительных характеристик древесины различных пород или разных лесоматериалов, а также для вычисления массы лесоматериалов вместо плотности чаще применяют относительную плотность. Она представляет собой отношение плотности древесины ρ д к плотности воды ρ в при t = 4 °С (при t = 4 °С плотность воды 1 г/см 3 ). Относительная плотность древесины в свежесрубленном состоянии определяется также по следующей формуле; в которой она соответствует условной плотности [г/см 3 ] где – масса древесины в абсолютно сухом состоянии; – максимальный объем древесины при влажности, равной или больше ПНКС. Атмосферостойкость. На открытом воздухе доски из свежесрубленной древесины, не подвергнутые обработке, заметно изменяют цвет. Другие изменения вследствии атмосферных воздействий выражаются в короблении, образовании шероховатости и растрескиванию поверхности. Атмосферное воздействие желательно или не желательно в зависимости от требований, предъявляемых к сортиментам. При продолжительном атмосферном воздействии поверхность или прилегающий к ней слой древесины всех пород становится серым. Серый слой состоит в основном из частично разрушенных целлюлозных волокон и микроорганизмов. Дальнейшее «обветривание» древесины связано с потерей ее массы, но этот процесс протекает очень медленно (100 лет – 6 мм в сечении). На химическую деградацию поверхности древесины сильно влияет длина волны света. Наибольшие изменения происходят под действием ультрафиолетового света. При циклическом увеличении и высыхании у пиломатериалов появляются заметные трещины. У пиломатериалов с умеренной и низкой плотностью меньше трещин, чем у пиломатериалов из пород с высокой плотностью древесины. Доски радиальной распиловки растрескиваются меньше, сем доски тангенциальной распиловки. При атмосферных воздействиях происходит коробление досок (чаще всего поперечное); они также перестают удерживать крепежные элементы. Склонность к поперечному короблению зависит от плотности, ширины и толщины доски. Чем больше плотность древесины и чем больше отношение ширины к толщине, тем больше склонность к поперечному короблению. Для наибольшей устойчивости к поперечному кораблению ширина доски В не должна превышать толщину Н больше чем в 8 раз. Биологическое повреждение поверхности древесины микроорганизмамми изменяет ее цвет. Такая древесина имеет непривлекательный внешний вид с хорактерной темно-серой пятнистой окраской из-за наличия на поверхности спор грибов и мицелия. Там, где рост микроорганизмов подавляется из-за теплого сухого климата или воздуха в прибрежных районах, обветренная древесина имеет чистую светло-серую окраску с серебристым блеском. Лекция 2. «Механические свойства древесины» 1. Общие сведения Показатели механических свойств, рассмотренные в этой лекции, получены при испытании образцов древесины, называемыми чистыми (отсутствие любых пороков) и прямоволокнистые, т.к. они не содержат таких пороков, как сучки, наклон волокон, трещины и расколы. В механике древесины чистые образцы считаются однородными. Изменчивость показателей свойств характерна для всех материлов. Т.к. древесина – природный материал и растущее дерево подвергается многочисленным постоянно меняющимся воздействиям, показатели свойств значительно изменяются даже в чистых образцах. Древесину можно рассматривать как ортотропный материал, обладающий разными механическими свойствами в направлении трех взаимно перпендикулярных осей – продольной, радиальной, тангенциальной. L – продольная ось вдоль волокон. R – радиальная ось – нормаль к годичным кольцам. T – тангенциальная ось расположена поперек волокон, но направлена по касательной к годичным слоям. 1.1 Упругие свойства чистой древесины Для описания упругих свойств древесины необходимы 12 постоянных велечин (9 из них - независимы) – три модуля упругости Е, три модуля сдвига G и шесть коэффициентов Пуассона µ. Модули упругости Е и коэффициенты Пуассона связаны следующими соотношениями: Модули упругости вдоль волокон, в радиальном и тангенциальном направлении поперек волокон – E L , E R , E T получают при испытаниях на сжатие. 1.2 Вибрационные свойства древесины Среди вибрационных свойств наибольшее значение для конструкционных материалов имеют скорость распространения звука и демпфирующие способности, или внутреннее трение. Скорость звука в материале определяется по формуле Е = 12,4 Гпа (гига 10 9 ) ρ = 480 кг/м 3 υ з = 5100 м/с Она сильно зависит от угла наклона волокон. Скорость звука поперек волокон равна от 1/5 до 1/3 скорости звука вдоль волокон. Скорость звука уменьшается с увеличением температруы или влажности соответственно этих факторов этих факторов на модуль упругости и плотность. Скорость звука слегка уменьшается с увеличением частоты и амплетуды колебаний, но их влияние крайне мало, и их не принимают во внимание. Не наблюдается заметного влияния породы на скорость звука. Изменчивость в в древесине непосредственно связана с изменением модуля упругости и плотности. Внутреннее трение – трение, обозначающее механизм, который вызывает рассеивание энергии. Он сложенным образом зависит от температуры и влажности. При нормальной t среды внутреннее трение обычно возрастает с увеличением влажности вплоть до приема насыщения клеточных стенок; при комнатной температуре она минимальна при влажности 6 – 8 %, при t ниже комнатной минимум наблюдается при более высокой влажности; при t выше комнатной минимум его находится при более низкой влажности. В трение древесины вдоль волокон в нормальных температурно-влажностных условиях измерено в 10 раз выше, чем у металлов. Этим частично объясняется, почему в древесных конструкциях вибрация частая значительно быстрее, чем в металлических. Плотность (к вибрационным свойствам не относится). Вещество, из которого состоит древесина, фактически тяжелее воды, и его относительная плотность для любых пород около 1,5. Однако сухая древесина большинства пород плавает по воде, т.к. часть ее объема занята полостями и порами. В зависимости от размеров полостей и толщины стенок содержание древесного вещества (сар. Руководство по древесине, Л.П. 1979) в ед. объема колеблется и, следовательно, изменяется плотность древесины. Относительная плотность характеризует количество сухого древесного вещества, содержащегося в древесине. Она также служит косвенным показателем механических свойств, если древесина чистая. Следует, однако, отметить, что величина относительной плотности отражает присутствие камеди, смолы и др. экстрактивных веществ, незначительно влияющих на механические свойства древесины. Зависимость между относительной плотностью и показателями других свойств выражается для чистой древесины степенными функциями. Эти уравнения основаны на средних результатах испытаний древесины более чем 160 пород и приводятся в справочной литературе. 2. Тепловые свойства древесины Эти свойства включают в себя теплопроводность, теплоемкость, температуропроводность и тепловое расширение. Коэффициент теплопроводности характеризует интенсивность распространения тепла через материалы при понижении градиента температуры. Теплопроводность древесных пород, применяемых в строительстве, значительно меньше, чем металлов, с которыми она часто сочетается в конструкции. Коэффициент теплопроводности древесины в 2 – 4 раза больше, чем у обычных изотропных материалов. Коэффициент теплопроводности равен количеству тепла, проходящему в еденицу времени через плоскую стенку площадью в 1 м 2 и толщиной 1 м при разности температур на противоположных сторонах стенки в 1 °С [Вт/м·°С] На теплопроводность древесины оказывает влияние ряд факторов: плотность; влажность; содержание экстрактивных веществ; направление волокон; структурные неоднородности (сучки и трещины). Она почти одинакова в радиальном и тангенциальном направлениях по отношению к годичным слоям, но в 2 – 8 раз больше вдоль, чем поперек волокон. Теплопроводность увеличивается с увеличением плотности, влажности и содержания экстрактивных веществ. влажность до 40 % k = S (1,39 + 0,028М) + 0,165, где k – коэффициент теплопроводности; S – относительная плотность древесины; М – влажность %. влажность больше 40 % k = S(1,39 + 0,038М) + 0,165 Удельная теплоемкость представляет собой отношение теплоемкости материала к теплоемкости воды. (удельная теплоемкость воды 4,19 кДж/кг·°С). Эта величина зависит от t и влажности древесины, но практически не зависит от плотности или породы. Приближенная зависимость удельной теплоемкости С 0 сухой древесины от t выражается уравнением С 0 = 0,25 + 0,0006t. Если древесина содержит влагу, удельная теплоемкость увеличивается, т.к. удельная теплоемкость воды больше, чем теплоемкость сухой ревесины. Приняв удельную теплоемкость воды за еденицу, удельная теплоемкость С сырой древесины определится по формуле где: М – влагосодержание древесины; С 0 – удельная теплоемкость сухой древесины; А – добавочная удельная теплоемкость. Увеличивается с повышением температуры. Коэффициент тмпературопроводности характеризует быстроту поглощения материалом тепла из окружающей среды [м 2 /с]. Этот показатель представляет собой отношение коэффициента теплопроводности к произведению плотности и удельной теплоемкости. Из-за небольшой теплопроводности, умеренной плотности и удельной теплоемкости древесины температуропроводность древесины значительно меньше, чем температуропроводность металла, кирпича, камня. 1,61·10 -7 м 2 /с – древесина; 1,29·10 -5 – сталь; 6,45·10 -7 – стекло Поэтому древесина не слишком горячая или холодная на ощупь, как это наблюдаетс у других материалов. Коэффициент температуропроводности уменьшается с увеличением относительной плотности и влажности древесины. Коэффициент теплового расширения характеризует изменение размера тела, вызванное изменением его температуры на 1 градус. Для сухой древесины он положителен для всех структурных направлений, т.е. древесина расширяется при нагревании и сжимается при охлаждении. Считают, что коэффициент линейного расширения относительно сухой древесины вдоль волокон не зависит от относительной плотности поперек волокон в радиальном и тангенциальном направлениях пропорциональных значению плотности древесины и в 5 – 10 раз больше коэффициентов расширения вдоль волокон. Поэтому они редко влияют практический интерес и определяют их следующими эмпирическими зависимостями: – радиальное направление. – тангенциальное направление. где – плотность, = 0,1 … 0,8. Коэффициенты теплового расширения можно рассматривать независимо от t в интервале его изменения от –16°С до +54°С. Древесина содержащая влагу, реагирует на изменение температуры иначе, чем сухая. |