способ уплотнения и формообразования изделий из цельной древесины и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ уплотнения и формообразования изделий из цельной древесины, включающий воздействие на заготовку в пресс-форме внешних статической и пульсирующей нагрузок, отличающийся тем, что воздействие статической и пульсирующей нагрузок осуществляют одновременно, при этом пульсирующую нагрузку создают путем сообщения пресс-форме продольно-поперечных акустических колебаний.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что поперечные акустические колебания осуществляют на частоте, большей, чем частота продольных акустических колебаний.

3. Устройство для уплотнения и формообразования изделий из цельной древесины, включающее систему создания внешнего статического давления, пресс-форму для заготовки, источник пульсирующей нагрузки, отличающееся тем, что пресс-форма выполнена в виде полой трубы и имеет на верхнем конце заходную часть со сквозной рабочей полостью в виде обратного усеченного конуса, источник пульсирующей нагрузки выполнен в виде акустического вибратора с концентратором, который сопряжен с пресс-формой, при этом концентратор расположен под углом к образующей сквозной рабочей полости заходной части пресс-формы.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к деревообработке, в частности к технологии уплотнения и формообразования изделий из цельной древесины.

Известны способы и устройства для изготовления изделий из цельной древесины, в которых уплотнение и формообразование достигаются путем внешнего статического силового воздействия в направлении, перпендикулярном продольной оси заготовки, размещенной в одиночной разъемной пресс-форме [1,2]

Применение в указанных способах и устройствах однонаправленного статического силового воздействия не обеспечивает равномерного уплотнения материала изделий, так как в них уплотнение и формообразование происходят в несимметричном силовом поле, что и приводит к неравномерной плотности материала древесины.

Наиболее близкими по технической сущности к заявляемым являются способ и устройство, в основу которых положено воздействие внешних статической и пульсирующей нагрузок на заготовки из древесины [3]

Способ включает обработку древесины мочевиной, размещенные высушенной заготовки в пресс-форме и последовательное воздействие сначала пульсирующей нагрузки в аксиальном направлении, затем статической нагрузки в радиальном направлении, а затем статической нагрузки в тангенциальном направлении.

Устройство включает пуансон, связанный с источником колебаний, и пресс-форму последовательного трехстороннего сжатия.

При использовании пульсирующей нагрузки для сжатия в аксиальном направлении усилия распределяются во всем объеме заготовки вдоль волокон и не происходит смятия волокон в местах контакта древесины с пуансоном. Дальнейшее статическое сжатие в радиальном и тангенциальном направлениях обеспечивает качественное уплотнение древесины без значительных микроразрушений материала.

Однако способ является многостадийным и требует строго дозированной величины внешних воздействий по различным направлениям, что усложняет технологический процесс обработки древесины.

Кроме того, указанные способ и устройство не позволяют достичь равноплотности материала во всем объеме изделия, особенно в случае обработки длинномерных заготовок.

Задачей предлагаемых способа и устройства является как упрощение технологии уплотнения и формообразования изделий из цельной древесины, преимущественно длинномерных, при обеспечении равноплотности материала изделий, так и создание материала повышенной плотности из древесины.

Сущность способа состоит в том, что уплотнение и формообразование изделий осуществляют путем воздействия внешних статической и пульсирующей нагрузок на заготовку в пресс-форме, воздействие статической и пульсирующей нагрузок осуществляют одновременно, при этом пресс-форме сообщают продольно-поперечные акустические колебания.

Кроме того, поперечные акустические колебания осуществляют на частоте, большей, чем частота продольных акустических колебаний.

Сущность предлагаемого устройства состоит в том, что оно включает систему создания внешнего статического давления, пресс-форму для заготовки и источник пульсирующей нагрузки, пресс-форма имеет заходную часть со сквозной рабочей полостью в виде обратного усеченного конуса, в качестве источника пульсирующей нагрузки применен акустический вибратор с концентратором, концентратор контактирует с пресс-формой, при этом концентратор направлен под углом к образующей сквозной рабочей полости заходной части пресс-формы.

Новым в способе является осуществление воздействия статической и пульсирующей нагрузок одновременно, а также сообщение пресс-форме продольно-поперечных акустических колебаний. Кроме того, поперечные акустические колебания осуществляют на частоте, большей, чем частота продольных акустических колебаний.

Новым в устройстве является также то, что пресс-форма имеет заходную часть со сквозной рабочей полостью в виде обратного усеченного конуса, в качестве источника пульсирующей нагрузки применен акустический вибратор с концентратором, концентратор контактирует с пресс-формой, при этом концентратор направлен под углом к образующей сквозной рабочей полости заходной части пресс-формы.

Одновременное воздействие статической и пульсирующей внешних нагрузок на заготовку в пресс-форме обеспечивает обжатие и формообразование изделия в пресс-форме и одновременное уплотнение материала древесины во всем объеме заготовки.

Сообщение пресс-форме продольно-поперечных акустических колебаний обеспечивает создание в системе пресс-форма заготовка двухмерного поля упругих акустических волн, под действием которого частицы древесинного вещества осуществляют продольно-поперечные смещения, преодолевая силы упругости сжатой древесины. Это способствует равномерному уплотнению древесины во всем объеме заготовки. Кроме того, под действием поперечной составляющей упругих волн происходит отжатие заготовки от стенок пресс-формы, что снижает силы трения, а действие продольной составляющей упругих волн способствует транспортированию заготовки внутри пресс-формы. Это позволяет снизить требуемое статическое давление прессования.

Комплексное воздействие на заготовку в пресс-форме статической нагрузки и продольно-поперечного акустического поля приводит к значительному (в два раза или более) повышению плотности древесины без разрушения структуры материала и смятия волокон.

Обычно материал древесины рассматривают как двухкомпонентный: древесное вещество в клеточный сок. Плотность древесного вещества выше плотности клеточного сока. Клеточный сок частично заполняет капиллярно-поровое пространство древесины. Капиллярно-поровая структура водопроводящих путей древесины носит четко выраженную анизотропию. Это приводит к пространственной неравноплотности самого древесинного материала. Совместное воздействие статических нагрузок и акустического поля сужает капиллярно-поровое пространство (в предельном случае может ликвидировать его), вытесняя клеточный сок, что и приводит к созданию равноуплотненного материала из древесного материала повышенной плотности.

Для существенного снижения трения заготовки о стенки пресс-формы, особенно в случае обработки длинномерных заготовок, следует осуществлять поперечные акустические колебания пресс-формы на частоте, большей, чем частота продольных колебаний.

Наличие в предлагаемом устройстве источников статической и пульсирующей нагрузок обеспечивает комплексное силовое внешнее воздействие на заготовку в пресс-форме.

Применение в качестве источника пульсирующей нагрузки акустического вибратора с концентратором, а также контактирование концентратора с пресс-формой обеспечивают создание в системе пресс-форма заготовка акустического поля.

Наличие у пресс-формы заходной части со сквозной рабочей полостью в виде обратного усеченного конуса и направление концентратора под углом к образующей рабочей полости заходной части пресс-формы обеспечивает распространение колебаний от источника под углом к продольной оси пресс-формы. В результате в системе пресс-форма заготовка образуется двухмерное продольно-поперечное поле упругих акустических волн, которые распространяются по всему объему указанной системы. Выбранная зона возбуждения колебаний обеспечивает максимальную концентрацию акустического поля в месте входа заготовки в пресс-форму. При этом достигается наиболее экономичный режим создания волнового поля, а также обеспечивается наибольшая эффективность его воздействия на заготовку. Кроме того, конусная форма рабочей полости заходной части пресс-формы способствует лучшему формообразованию.

Угол, который образующая рабочей полости заходной части пресс-формы составляет с продольной осью пресс-формы, а также угол, под которым концентратор колебаний направлен к образующей рабочей полости заходной части пресс-формы, определяют соотношением между продольной и поперечной составляющими акустического поля в системе пресс-форма заготовка. Направляя концентратор под определенным углом к заходной части пресс-формы, а также применяя пресс-форму с определенной конусностью заходной части, можно создавать оптимальные характеристики акустических колебаний для заготовок с различными геометрическими параметрами из древесины различных пород.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом. На заготовку из цельной древесины воздействуют внешним статическим давлением, создаваемым с помощью пуансона, в аксиальном направлении. Одновременно пресс-форме, в которой производится уплотнение и формообразование изделия, сообщают акустические колебания с помощью внешнего источника. Запрессованную в пресс-форму древесину с естественной влажностью подвергают сушке, после чего извлекают готовое изделие из пресс-формы.

Пример 1. Брали цилиндрическую заготовку из осины диаметром 65 мм и длиной 350 мм с исходной плотностью в сухом виде 0,42 г/см³. Осуществляли статическую нагрузку на заготовку величиной 4000 кг с помощью пуансона, движущегося со скоростью 5 мм/с. Одновременно сообщали пресс-форме, выполненной в виде трубы с внутренним диаметром 50 мм, акустические продольно-поперечные колебания с помощью внешнего источника. По окончании процесса запрессовки снимали внешнее силовое воздействие и осуществляли сушку изделия в пресс-форме, после чего извлекали изделие из пресс-формы. Плотность полученного изделия увеличилась почти в два раза и составила 0,8 г/см³, при этом диаметр изделия составил 49,5 мм.

Пример 2. Брали заготовку из осины диаметром 68 мм и длиной 165 мм с той же исходной плотностью, что и в примере 1. Осуществляли обработку изделия по примеру 1, прикладывая статическую нагрузку величиной 6000 кг. В результате получили изделие, плотность которого после сушки возросла более чем в два раза по сравнению с исходной и составила 0,88 г/см³.

Пример 3. Брали заготовку из клена диаметром 65 мм и длиной 90 мм с исходной плотностью 0,64 г/см³. Осуществляли обработку изделия по примеру 2. В результате получили изделие, плотность которого после сушки составила 0,91 г/см³, которая близка по величине к плотности воды.

По результатам специально проведенных измерений установлена высокая равноплотность изделий, представленных в примерах 1-3.

На чертеже представлено предлагаемое устройство.

Устройство содержит пуансон 1, пресс-форму 2 с размещаемой в ней заготовкой 3. Пресс-форма 2 выполнена в виде полой трубы и имеет на верхнем конце заходную часть 4, выполненную в виде втулки 5 со сквозной рабочей полостью в виде обратного усеченного конуса. Устройство также содержит акустический вибратор 6 с концентратором колебаний 7. Втулка 5 имеет боковой выступ 8, торцевая поверхность которого расположена параллельно продольной оси пресс-формы 2. Излучающая поверхность концентратора 7 контактирует с торцевой поверхностью выступа 8, при этом концентратор 7 оказывается направленным под углом к образующей конической сквозной рабочей полости заходной части 4. Для осуществления акустического контакта концентратора 7 и выступа 8 служит накидная гайка 9.

Вибратор 6 крепится на стойке 10, расположенной на основании 11. На основании 11 коаксиально пресс-форме 2 расположен сокосборник 12.

Устройство работает следующим образом. Заготовку 3 размещают в заходной части 4 пресс-формы 2. С помощью привода (не показан) осуществляют перемещение пуансона 1 и одновременно возбуждают вибратор 6. Колебания от вибратора 6 через концентратор 7 сообщаются пресс-форме 2, при этом колебания оказываются направленными под углом к продольной оси пресс-формы 2, и в системе пресс-форма 2 заготовка 3 создается продольно-поперечное акустическое поле. Заготовка 3 запрессовывается в пресс-форму 2, при этом осуществляется равномерное уплотнение и формообразование изделия.

При движении заготовки 3 вдоль пресс-формы 2 находящийся в материале древесины клеточный сок выдавливается в сокосборник 12. По окончании обработки заготовки 3 осуществляют ее сушку в пресс-форме 2, после чего готовое изделие извлекают из пресс-формы 2.

Таким образом, предлагаемые способ и устройство позволяют упростить технологический процесс уплотнения и формообразования изделий из цельной древесины. При этом достигается значительное увеличение плотности материала древесины при обеспечении равноплотности во всем объеме изделий.