Технология изготовления лущеного шпона. Оборудование

Сырьем для изготовления шпона и фанеры служат кряжи и их отрезки (чураки), отвечающие определенным размерным и качественным требованиям.

Для клееной фанеры применяются чураки длиной от 0,8 до 3,2 м, а для строганого шпона – от 1,5 м и выше.

Размеры поперечного сечения сырья принципиального значения не имеют. Минимально допустимый размер обуславливается экономической целесообразностью разработки сырья, а максимально допустимый – размерами оборудования. Принято использовать сырье диаметром от 18 см и выше, для строганого шпона – 22…26 см и выше.

Качественные требования сводятся к ограничению как пороков древесины (сучков, ненормальной окраски и гнилей, трещин, червоточин и т.д.), так и дефектов формы (в первую очередь кривизны).

Применяют следующие породы древесины:

– для изготовления клееной фанеры – березу, ольху, бук, липу, осину, сосну, ель, кедр, пихту, лиственницу;

– для изготовления древесных слоистых пластиков – березу;

– для изготовления строганого шпона – дуб, бук, орех, клен, ясень, карагач, каштан, чинар, бархат, яблоню, грушу, тополь, черешню, белую акацию, березу, ольху.

Заготовка, доставка и хранение сырья (кряжей) на фанерных предприятиях производятся способами, аналогичными уже рассмотренным. Подготовка сырья к производству шпона заключается в разделке кряжей на чураки, гидротермической обработке и окорке.

Разделка кряжей на чураки

Существует три способа разделки: по наибольшей массе, по наибольшему качественному выходу и комбинированный. Целью первого способа является получение из каждого кряжа чураков, имеющих наибольшую кубатуру, независимо от их качества. При разделке по второму способу задаются целью получить высокосортные чураки, не считаясь с объемным выходом. Оба эти способа в чистом виде не применяются. Целесообразным является комбинированный способ, в основу которого положено получение максимальной массы при сохранении наибольшего качественного выхода.

Поперечное распиливание сырья состоит из двух, обычно совмещенных на практике операций – разметки кряжей и распиловки их на чураки.

Разметка заключается в определении на кряже линий пропила с учетом вырезки дефектных мест, чтобы получить наибольшее количество лучших по качеству чураков при наименьших потерях древесины.

Распил должен производиться при строгом соблюдении перпендикулярности плоскости реза к оси ствола и правильности длины чурака.

Кряжи в зависимости от размеров распиливают на круглопильных балансирных (ЦПС-710 (Россия) (рис. 27)) и маятниковых станках (ЦМЗ, ЦМЭ-2, ЦМЭ-3К (Россия) (рис. 28)), поперечнопильных станках с возвратно-поступательным движением пил или цепными пилами.

Существует станок «лисий хвост» с возвратно-поступательным движением пилы, применяемый для разделки сырья диаметром от 70 до 150 см.

 

Рис. 27. Комбинированная балансирная циркульная пила ЦПС - 710

Рис. 28. Маятниковый круглопильный станок ЦМЭ-3К

 

Общие потери древесины при разделке кряжей на чураки составляют 1-3 % в зависимости от породы древесины.

Производительность круглопильных станков в чураках в смену (А, чур./см) определяется по формуле:

, (16)

где Т – продолжительность смены, мин;

U – скорость подачи пилы, м/мин;

К_M – коэффициент использования машинного времени;

К_Д – коэффициент использования рабочего времени;

Д_Ч – диаметр чурака, м;

n – среднее число пропилов на один чурак.

Кряжи разделываются на чураки с припуском по длине на обработку.

Для получения фанеры размером 1525х1525 мм заготавливают чурак длиной 1600 мм, то есть с припуском 75…80 мм.

Гидротермическая обработка древесины.

В процессе лущения и строгания шпона в нем возникают растягивающие напряжения поперек волокон, величина которых может определяться по формуле (, МПа):

, (17)

где Е – модуль упругости шпона поперек волокон древесины;

S – толщина шпона;

R – радиус чурака.

Технология резания рассматривается как процесс получения тонкого слоя древесины, который должен быть плотным и гладким (не иметь трещин).

В процессе резания снимаемый слой изгибается, изменяя первоначальную форму, в результате чего на левой растянутой стороне шпона возможны трещины.

Чтобы избежать трещин, искусственно усиливают деформативность древесины. Для этого чураки и ванчесы подвергают гидротермической обработке (увлажнение и нагрев).

Чем больше влажность древесины, тем больше ее пластичность. Сухая древесина обладает значительной хрупкостью.

Нагревание древесины (до определенного предела) придает волокнам хорошие пластические свойства. Высокие температуры действуют отрицательно на качество шпона, так как вследствие сильного размягчения волокон при резании возникает «ворсистость» поверхности.

Рекомендуемая температура для нагрева древесины перед лущением и строганием:

Береза, бук, ольха –	20…30 оС,
Липа, осина –	15…20 оС,
Красное дерево –	30…40 оС,
Ель –	20 оС,
Сосна –	40 оС,
Лиственница –	50 оС,
Ясень –	50 оС.

Гидротермическую обработку можно производить нагревом в воде: провариванием или пропариванием.

Проваривание производится в горячей или теплой воде в специальных бассейнах (открытых и закрытых), оборудованных механизмами для загрузки и выгрузки чураков (рис. 29). Этот способ прост и не требует больших затрат на его организацию, применяется главным образом для лущения.

 

Рис. 29. Бассейн с консольно-козловым краном для прогрева чураков: 1 – сбрасыватель; 2 - загрузочный конвейер; 3 – накопитель кряжей; 4 – крышка; 5 - грейферный захват; 6 – разделительная тумба; 7 – стена; 8 – кран; 9 – передвижной перегрузчик; 10 – разгрузочный конвейер

 

Пропаривание применяется в основном при изготовлении строганого шпона, когда варка недопустима из-за изменения цвета древесины. Пропаривание производят в автоклавах, парильных камерах и ямах.

Гидротермическую обработку перед лущением можно производить по мягкому и жесткому режимам.

Мягкий – температура 35…40 ^оС, продолжительность нагрева 2…3 суток, жесткий – температур 70…80 ^оС, продолжительность нагрева 2…15 часов.

Гидротермическую обработку перед строганием производят в течение более длительного времени: температура насыщенного пара 120…130 ^оС, продолжительность обработки 4…10 часов.

Продолжительность гидротермической обработки вообще зависит от диаметра чурака, породы древесины, температуры нагревающей среды, начальной и конечной температуры древесины.

Окаривание–снятие коры с чураков перед лущением предохраняет режущий инструмент от затупления и порчи, уменьшает его износ, а также повышает производительность лущильного станка.

Основными требованиями к процессу окаривания являются чистота и сохранение заболонной части древесины чурака (сниматься должна только кора и луб).

Сырье окаривают на окорочных станках различного типа (ОК63-1Ф, ОК80-1, 2ОК63-1 (Россия), Valon Kone VK-26 (Финляндия)) или на лущильных станках упрощенной конструкции.

Часовая производительность роторных окорочных станков (А, м³/час) определяется по формуле:

, (18)

где V – объем кряжа среднего d, м³;

K_з – коэффициент загрузки станка;

L – длина кряжа, м.

Для окорки древесины твердых пород и больших размеров наиболее пригоден ручной электрифицированный фрезерный инструмент. Частота вращения его ножевой головки 1500 мин^-1. Максимальная толщина снимаемого слоя 15 мм.

Окаривание на лущильных станках осуществляется при отведенной линейке, то есть без обжима. Оно производится на специально выделенном для этой цели лущильном станке, и дальше кряжи передают на другие лущильные станки для переработки.

По такому методу окаривание совмещают с обрезкой до цилиндра. Получаемые неполноформатные листы шпона разделываются на гильотинных ножницах непосредственно у станка. Достоинствами данного способа являются дополнительный отбор сырья в виде кусков, меньшая изнашиваемость (затупление) ножа, повышение производительности лущильных станков. Недостатком – увеличенный выход кусков при вторичной вставке чурака в лущильный станок.

Второй метод заключается в том, что операцию окаривания совмещают непосредственно с лущением на этом же станке, то есть окоренный чурак не вынимают. Для предупреждения быстрого затупления ножа чураки предварительно тщательно промывают.

Лущение шпона – это процесс резания древесины, когда чураку сообщаетя вращательное движение, а режущему инструменту – поступательное в направлении оси вращения чурака. Процесс получения тонкой ленты подобен разматыванию рулона бумаги (рис. 30).

 

 

Рис. 30. Схема лущения чурака

 

Скорость резания является величиной переменной, так как число оборотов чурака постоянно, а диаметр чурака в процессе лущения уменьшается. Чурак зажимают между шпинделями станка путем их осевого перемещения. Вращательное движение шпиндели получают от электродвигателя. Нож крепится на суппорте, движение которого осуществляется с помощью механизма подачи. Максимальная длина обрабатываемого чурака (ширина ленты шпона) зависит от расстояния между зажимными кулачками. У современных станков оно в пределах 500…5000 мм. Наибольший диаметр обрабатываемых чураков зависит от высоты центров шпинделей над станиной. В современных станках оно составляет 400…2000 мм.

После разлущивания чурака остается отход в виде цилиндра, называемый карандашом, диаметр которого зависит от диаметра зажимных кулачков. Для уменьшения диаметра карандаша кулачки делают телескопическими. В начале процесса лущения чурак зажимают наружными кулачками, имеющими диаметр 100…110 мм, а затем в конце процесса зажим осуществляют внутренними кулачками диаметром 55…65 мм.

Толщина шпона представляет собой величину подачи ножа на один оборот шпинделя. В последних моделях станков диапазон толщины может находиться в пределах 0,05…5 мм.

При свободном резании древесины на левой стороне шпона, обращенной к чураку, возникают трещины и неровности

Для их ликвидации применяют обжим шпона с помощью прижимной линейки, которая устанавливается так, чтобы создаваемое ей давление было направлено через режущую кромку ножа. При этом зазор между ножом и линейкой должен быть не меньше расчетной толщины шпона. Степень обжима (, %) можно определить по формуле:

, (19)

где S – расчетная толщина шпона, мм;

S₀ – расстояние между ножом и прижимной линейкой, мм.

Для обеспечения требуемого качества шпона степень обжима должна быть выдержана в пределах 10…30 % в зависимости от породы древесины, толщины шпона и температуры чурака.

При разлущивании чурака выделяют четыре зоны (рис. 31):

1 – зона рванины, являющаяся следствием неправильной формы чурака;

2 - зона длинных кусков, являющаяся следствием неправильной установки чурака между шпинделями станков;

3 – зона полноформатного шпона;

4 – зона карандаша.

Объем древесины в каждой зоне может быть охарактеризован следующими цифрами: зона рванины – 20…23 %; зона длинных кусков – 4…5 %; зона полноформатного шпона – 57…59 %; зона карандаша – 15…17 %.

Рис. 31. Зоны лущения чурака

 

В случае лущения чурака на станке, оборудованном центровочным устройством, полезный выход (q, м³), может быть определен по формуле:

, (20)

где d_ч – диаметр чурака, м;

d_к – диаметр карандаша, м;

l_ч – длина чурака, м;

К_в – коэффициент выхода сырого шпона из чурака.

Объем чурака, оставшегося после лущения (q_ч, м³), определяется по формуле:

. (21)

Объем рванины из одного чурака (Q, м³) определяется по формуле:

Q = q_ч-q_ш.п.-q_к, (22)

где q_ч – объем чурака, м³.

Выход шпона выражается в % от объема чурака:

. (23)

Кусковой шпон, образующийся в начальной стадии лущения, используется для изготовления малоформатной фанеры или серединок полноформатной. Минимальная длина отбираемых кусков 0,8 м, минимальная ширина – 0,13 м. Правильная организация отбора кусков увеличивает выход шпона на 4…4,5 %.

В настоящее время наиболее широко применяются лущильные станки марок ЛУ 17-4, ЛУ 17-10, СЛ-800, СЛ-1600 (Россия) (рис. 32); SF 2350 (Италия); Токио Плитвуд МК (Япония); MQW2314/35B2 (Китай).

 

Рис. 32. Лущильный станок СЛ-1600

 

Шпон, получаемый при разлущивании чурака, имеет вид ленты, ширина которой равна длине чурака, а длина зависит от диаметра чурака и толщины шпона.

На выходе из лущильного станка лента шпона разрезается на отдельные ленты, ширина которых определяется из выражения:

В=В_ф+D_о+D_у, (24)

где В_ф – ширина готового листа фанеры, мм;

D₀ – припуск на обрезку (75…80) мм;

D_у – припуск на усушку в зависимости от породы древесины и размера листа, мм.

Раскрой ленты шпона осуществляется на ножницах различных типов (НФ-18; НФ-1803, СЛ-1700, APL финской фирмы «Raute»), снабженных устройством для укладки листов шпона в стопу. Как правило, лущильный станок и ножницы встраиваются в полуавтоматическую поточную линию: лущение – рубка – укладка шпона (ЛУР 17-3 состоит из ЛУ 17-4 и НФ 18-3) (рис. 33).

 

Рис. 33. Схема линии лущения и раскроя шпона

 

Сушка шпона.

При склеивании шпон должен иметь влажность 6…12 %. Поэтому шпон подвергают сушке сразу же после выхода из лущильного отделения.

В связи с малой толщиной шпона, напряжения, возникающие в нем, незначительны. Значит, сушку можно осуществлять по более жестким режимам, чем пиломатериалы.

Существуют следующие способы подвода тепла к высушиваемому шпону: кондуктивный, конвективный, кондуктивно-конвективный и радиационный.

При кондуктивном способе тепло передается высушиваемому материалу в результате его соприкосновения с нагретым телом. Этот способ сушки применяется в так называемых «дыхательных» прессах. Они периодически размыкаются для выхода пара и в настоящее время практически не используются.

При конвективном способе передача тепла осуществляется посредством агента сушки: горячий воздух или топочный газ. Этот способ используется в ленточных сушилках (камера, в которой циркулирует воздух). Шпон перемещается по проволочным лентам специального плетения, которым сообщается движение от специального привода. Температура агента сушки 60…120 ^оС, скорость движения воздуха 0,9…1,1 м/с, продолжительность сушки 20…90 мин.

При кондуктивно-конвективном способе передача тепла осуществляется сразу двумя способами. По этому принципу работают роликовые сушилки – камеры, внутри которых в несколько рядов по высоте располагаются ролики.

При радиационном способе тепловая энергия распространяется в среде в виде электромагнитных колебаний в инфракрасном диапазоне. ИK-лучи способны нагревать поверхность древесины на 1-2 мм в глубину. На практике используют излучатели с температурой 130-250°С.

Наиболее распространенными сегодня являются агрегаты комбинированной сушки, где основной тип теплопереноса - конвекционный с долей контактного нагрева. Это роликовые сушилки с паровым или газовым обогревом. Это сушилки непрерывного действия, в которых листы шпона перемещаются от сырого к сухому концу системой приводных парных роликов. По принципу циркуляции агента сушки сушилки бывают с продольной, поперечной циркуляцией и с сопловым дутьем перпендикулярно плоскости листов шпона.

Паровые роликовые сушилки типа СУР (СУР-4, СУР-5 (Россия) (рис. 35), «Raute» (Финляндия)) состоят из загрузочной этажерки с приводными роликами, восьми секций сушки, одной секции охлаждения и разгрузочной этажерки из пяти плоских полок. Подачи шпона образована при помощи рядов парных роликов, вращающихся в противоположных направлениях (рис. 34).

 

Рис. 34. Схема механизма подачи шпона в роликовой паровой сушке типа СУР: 1 – листы шпона; 2 – верхние ведомые ролики; 3 – нижние приводные ролики; 4 – калориферы

 

 

Рис. 35. Паровая роликовая сушилка СУР-4

 

Паровые сушилки с сопловым дутьем (СУР-8 (Россия), VMS«Raute» (Финляндия)) являются разновидностью паровых сушилок. Они отличаются тем, что тепло шпону передается не только от внешних калориферов, но и от поверхности труб, вмонтированных в сопловые короба. Интенсивность сушки в таких сушилках при прочих равных условиях возрастает в 2-3 раза по сравнению с интенсивностью сушки в сушилках с продольной и поперечной циркуляцией воздуха.

Газовые роликовые сушилки (СРГ-25, СРГ-25М, СРГ-50 (Россия), YST-480 «Raute» (Финляндия)) отличаются от паровых более высокой температурой агента сушки (250…300 ^оС) благодаря применению смеси топочных газов с воздухом. Для этого сушилки снабжаются топками, где сжигается твердое, жидкое или газовое топливо, а топочные газы в смеси с атмосферным воздухом непосредственно подаются в зону сушки. Поэтому в газовых сушилках отсутствуют калориферы, и при том же каркасе становится возможным сделать вместо пяти восемь этажей.

Ленточные (сетчатые) сушилки (паровая роликовая сушилка СуШЛ) используются в основном для сушки шпона в виде непрерывной ленты и устанавливаются в линии лущения-сушки-рубки-сортировки шпона. Преимущество этого способа в том, что снижаются потери шпона при его рубке и транспортировке в сухом виде на 3…5 %, а трудозатраты сокращаются в 2…2,5 раза.

Контактные сушилки основаны на принципе передачи тепла шпону соприкосновением с нагретыми плитами. К сушилкам такого типа относится в первую очередь дыхательный пресс (СУД-4, СУД-7 (Россия)).

Сушилка с шахматным расположением роликов занимает меньшую производственную площадь и позволяет сохранить производительность при меньших трудозатратах.

Продолжительность сушки зависит от температуры агента сушки, скорости циркуляции, толщины шпона, породы древесины, начальной и конечной влажности шпона. Обычно температура агента сушки у паровых сушилок 80…150, у газовых – 160…300 ^оС; скорость движения воздуха 1,7…2,5 м/с; продолжительность сушки 3…15 мин.

Производительность роликовых и ленточных сушилок (А, м³/смену) определяется по формуле:

, (25)

где m – число листов шпона на 1 этаж;

n – число этажей;

L – полная рабочая длина сушилки, м;

b – ширина сухого листа шпона;

S – толщина шпона, мм;

T – время работы сушилки в мин;

К_п – коэффициент, учитывающий переход от сушки шпона одного вида к другому (К_п = 0,9 – 1,0);

К_з – коэффициент заполнения сушилки по длине, (К_з = 0,96 – 0,98);

К_в – коэффициент использования рабочего времени;

Z₁ – продолжительность прохождения шпона через сушилку, мин.

После сушки шпон сортируется.

Сортировка шпона может осуществляться непосредственно у сушилок, на транспортерах, перемещающих шпон к подстопным местам, а также на специально отведенных площадках. Для механизации операции рассортировки стоп шпона, поступающих из сушилок разработан сортировщик сухого шпона СШ – 3. Применяются линии сортирования с автоматической оценкой качества шпона с использованием фотодатчиков и встроенной ЭВМ. Система улавливает темные места на листе шпона, определяет их количество, размеры, площадь и сравнивает результат с эталонами, имеющимися в ее памяти, на основании чего выносит решение о присвоении того или иного сорта.

Сортность шпона может быть повышена за счет починки. Операция выполняется на шпонопочиночных станках марки ПШ, ПШ – 2А, ПШ-2АМ (рис. 36) и др. Починка заключается в вырубке из листа дефектов и вставки на их место заплаток из здоровой древесины. Заплатка должна входить с натягом в 0,1…0,2 мм.

 

Рис. 36. Шпонопочиночный станок ПШ-2АМ

 

Образующиеся в начале лущения куски шпона целесообразно соединять в полноформатные листы методом сращивания (гуммированной лентой, клеевой нитью). Для соединение полос шпона используются ребросклеивающие станки РС-5, РС-7, РС-9, РСП-2 (Россия) и др.