Гребенюк М.В., канд.техн.наук Український НДІ
механічної обробки деревини м. Київ.

Підвищення ефективності деревообробного виробництва можливо при застосуванні нових способів ділення деревини) які забезпечують суттєве зниження втрат деревини, трудоємкості) підвищення якості продукції. До них відносяться термодинамічні способи ділення деревини) що відрізняються надвисокою онцентрацією енергії в зоні різання. Це приводить до того) що в об`ємі прорізу може відбуватися механічне руйнування структури деревини до рівня міцелярних волокон) зміна фізичних) хімічних і механічних властивостей частинок деревини) повний або частковий розклад молекул деревної речовини до атомарного стану. Перспективними способами такого ділення є різання з допомогою лазерного променя) водяною струминою високого тиску та інші) що отримали останнім часом помітний розвиток.

Перший лазер (оптичний квантовий генератор) з`явився в 1960 році. 3 того часу лазери знайшли саме широке застосування. Зараз в світі нараховується більше 2300 фірм і компаній по виробництву і збуту лазерів і Їх компонентів, а також організацій) що надають спеціальні послуги. Із цієї кількості біля 700 фірм займаються розробкою і випуском лазерів. Вперше пристрій для лазерного різання деревини був продемонстрований Фірмою Мс Milli and Harry /США/ в 1971 році. 3 тих пір почав розвиватися новий напрямок по лазерному різанню деревини і матеріалів на її основі.

Незвичність ріжучого інструменту - лазерного променя - привела до створення нового обладнання) яке відрізняється від традиційних деревообробних верстатів. До позитивних якостей лазерного променя можна віднести його гостронаправленість) велику питому потужність. Зараз розроблено велику кількість лазерних пристроїв, які відрізняються станом робочої речовини (тверде тіло, гази і т. д.), методом його збудження (потік світла) електричний розряд і конструктивними особливостями (поздовжнє або поперечне прокачування) Для умов різання деревини і деревних матеріалів найбільш перспективними є газові і газодинамічні лазери, що працюють в безперервному режимі випромінювання. В технологічному відношенні лазерний промінь, як інструмент, характеризують енергією випромінювання і геометричними параметрами: діаметром променя, кутом розходження променя і тривалістю імпульсу променя. Середній кут розходження променя складає 0,70) діаметр - в межах 1 мм. Сучасні лазери здатні генерувати світлові потоки до 1017 Вт/см2 густиною потужності і навіть вище. Для технологічної цілі в основному застосовують світлові потоки від 105 до 109 Вт/см2.

Проведені в ряді країн дослідження показали, що механічні властивості матеріалів (міцність, твердість тощо) не виявляють суттєвого впливу на процес різання лазером. Однак матеріали з кращою теплопровідністю і кращими віддзеркалювальними властивостями потребують більшої енергії, що випромінюється лазером. Поскільки теплопровідність деревини в 100-150 разів меньша сталі, то й питомі затрати на її лазерне різання менші.

Швидкість різання, точність і якість обробки підвищуються з використанням піддуву інертним газом. Це дозволяє використовувати лазер при розкрої заготовок складної форми із фанери, деревних плит та інших матеріалів із деревини без додаткової обробки для підвищення якості. Встановлені оптимальні режимні параметри лазерного різання деревини. Як оптимальна прийнята швидкість, при якій ширина пропилу на вході променя в матеріал на 0,1 мм. менш, ніж на виході. Якість пропилу променем лазера вища, ніж при механічному різанні. Пофарбування і обвуглювання деревини, що спостерігається при лазерному різанні, визначається потужністю лазерного випромінювання і тривалістю його дії на матеріали, поверхневою густиною і породою деревини. Інтенсивність їх зменшується по мірі збільшення швидкості різання.

Зараз вже маємо цілий ряд прикладів успішного застосування лазерів в деревообробці. Так, наприклад, фірма "Baker`s Mocksville" (США) на своїй меблевій фабриці впровадила лазерну систему вартістю 350 тис. дол. Лазер працює на газі С0₂ має потужність 700 Вт і призначений для нанесення декоративних рисунків на поверхні деталей, що облючковані натуральним шпоном. Спеціалісти із Гановера (Німеччина) для виготовлення сидінь і спинок стільців застосували лазерний різак з управлінням робочим процесом системою ЧПУ. В результаті досягнута велика економія часу, точне виготовлення деталей, мінімальна кількість відходів, виключено утворення деревного пилу і отримана висока ступінь економічності процесу.

Деякими фірмами, зокрема "Carter Products Co" (Великобританія) виробляється широка гама лазерів для розмітки, наприклад, при прямолінійному пилянні. Промінь лазеру утворює пряму лінію по якій проводиться розпилювання досок або інших деталей із деревини. Фірмами "Raute OY" (Фінляндія) і "Selecon" (Швеція) розроблене лазерне центрування чураків на лущильних верстатах, що підвищує вихід продукції на 5-15%.

В нашій країні потужні СО₂ лазери МТЛ-2, ТЛ-I,5, ТЛ-5, "Іглан", "Комета" та інші, що здатні працювати у виробничих умовах, були створені в кінці 80-х років.

Багаторічне практика показала, що позитивний ефект від примінення лазерних технологічних комплексів (ЛТК), які крім технологічного лазера мають в своєму складі програмований маніпулятор виробу та/або оптики, систему транспортування і фокусування лазерного випромінювання, а також пристрої допоміжної технологічної оснастки. Зараз в світі розроблено і впроваджено десятки різноманітних по своїм конструкціям автоматизованих лазерних технологічних комплексів для розкрою листових матеріалів. Вони є принципово новим обладнанням для обробки матеріалів, в тому числі і деревних.

Застосування ЛТК створює принципово нову, гнучку технологію,яка дає можливість з мінімальними затратами часу переходити на випуск нових видів виробів з ускладненою формою і конфігурацією. Застосування такої лазерної технології в деревообробці скорочує на 50% кількість операцій у порівнянні з традиційним виробництвом, економить матеріали.

Найбільш поширена класифікація ЛТК наступна:

- ЛТК на базі двохкоординатних столів-маніпуляторів,

- ЛТК з маніпуляторами оптики,

- ЛТК змішаного типу. Відносяться комплекси, в процесі роботи яких переміщується і вироб і оптика,

- Лазерні обробні центри, які мають в своєму складі пристрої для автоматичної заміни оптико-фокусуючих головок.

На Україні ЛТК розроблені в Українському НДІ технології суднобудування (УкрНДІТС). Створивши у свій час ЛТК "Лазурит-2,5" для розкрою металічних листів на суднобудівельних заводах, спеціалісти УкрНДУТС згодом розвернули на основі цієї базової моделі виробництво двох пристроїв для обробки деревини "Орнамент" і "Каскад", з допомогою яких можна проводити художню обробку заготовок деревини товщиною до 40 мм на площі 2500 х 300 мм.

Виготовлення ЛТК налагоджено на Одеському ВО "Мікрон".

Впровадження і успішна експлуатація ЛТК на Україні здійснені на ЗАТ "Фанплит" для профільного розкрою і обробки фанери і деревноволокнистих плит, СП "Апогей" для розкрою деревних матеріалів при виробництві високохудожніх паркетних виробів зі складним рисунком та інших виробів.

Наявний досвід застосування лазерного різання деревини і матеріалів на її основі показує, що при певних умовах його промислове використання виправдане з економічної точки зору. До переваг даної технології можна віднести:

Можливість виконання чистового розкрою листового деревного матеріалу з високою точністю обробки (дякуючи вузькому, менше міліметра, різу);

відсутність тирси, шуму і вібрації;

універсальність обладнання;

можливість високого рівня автоматизації процесу (за рахунок управління потужністю і переміщенням в просторі лазерного променя або робочого столу із заготовкою).

До одних із недоліків даної технології відносяться порівняно висока вартість такого обладнання і невелика продуктивність чистого різання. Однак прогрес в розвитку науки і техніки дає надію на вирішення і цих проблем.

До перспективних різновидів термодинамічних способів різання відноситься і ділення струминою води високого тиску. Таке різання відбувається в результаті руйнування зв`язків між частинками деревини за рахунок використання кінетичної енергії рухомої води. Вперше в нашій країні дослідження по використанню струмин високого тиску розпочаті в 1936 році на базі робіт по гідравлічному добуванню вугілля. З того часу проведено ряд досліджень по використанню рідинних струмин для ділення різних матеріалів як у нас в країні, так і за кордоном. Перші роботи по застосуванню струмин високого тиску для ділення деревини з`явились в 1960 році. Досліди проводились в ЦНДІМЕ на гідрокомпрессорному пристрої з тиском до 120 МПа і швидкістю витікання 500 м/с. Встановлено, що мінімальниЙ тиск, при якому для деревини розпочинається різання, складає 20 МПа. Ряд досліджень проведено також в США, Японії, Англії та інших країнах. Результати роботи свідчили про доцільність подальшого вивчення даного процесу. В Українському НДІ механічної обробки деревини для подальшого вивчення способу різання деревини водяною струминою на більш високому технічному рівні були проведені окремі експериментальні роботи. Дослідження проводили на пристрої "Гаскет-Джет" австрійської фірми "Економос". Вона складається із станції високого тиску, столу для різання, комп`ютерної системи, пульта управління, шумозахисної кабіни і очисної шафи.

Технічна характеристика пристрою

Тиск струмини води, МПа 100...300

Загальна споживана потужність, квт 12,5

Максимальні розміри деталей, що обробляються 1000х800

Точність позиціювання, мм 0,1

Витрата води, л/хв І

Абразив шліфувальне зерно із природного гранату зернистістю

16, 20, 25

Витрата абразиву, г/хв 50...500

Ширина різу водою, мм 0,1...0,2

Ширина різу водою з абразивом, мм 1...1,5

В дослідах різання проводили як чистою водою, так і сумішшю води з абразивом. При цьому застосовували сопла з діаметром відповідно 0,2 і 1,0 мм. Струминою чистої води розрізали шпон струганий, фанеру клеєну товщиною 4 мм, деревноволокнисту плиту товщиною 3,2 мм, облицювальний пластик товщиною 1,5 мм, При різанні зразків деревини і деревних матеріалів товщиною більше 4 мм застосовували водяну струмину з абразивним матеріалом. Проведені дослідження показали великі можливості водяної струмини при різанні різних деревних матеріалів, що дало б змогу в окремих випадках відмовитись від необхідності застосування дорогого інструменту для різання, сверління, фрезерування тощо і тим самим спростити технологічний процес, виключити з процесу різання температурну і механічну деформацію, вирізати із матеріалу вироби якої завгодно конфігурації, звільнитися від пилу та шкідливих газів при різанні.

Слід відмітити, що даний тип обладнання е універсальним, тобто його можна застосовувати для різання не тільки деревних а й ряду інших матеріалів. Так, наприклад, фірмою "Inger-Sol-Rand" пропонується 4 моделі верстатів, які здійснюють обробку водяною струминою тиском 350 н/мм2 . Різання здійснюється чистою водою або водою з абразивним порошком. Чистою водою обробляються деревні матеріали, пінопласти та інш. При додаванні абразивних порошків можливо

обробляти метали, скло, кераміку та інші матеріали. Верстати комплектуються одним, двома і вісьмома соплами для роботи з чистою водою або з сумішшю з абразивним порошком. Кожне сопло оснащується пристроєм для підвищення тиску води. Стіл верстату, площею 2-8 м2 і вантажопідйомністю 400 кг/м2, переміщується по двох координатах з допомогою ЧПУ.

Дана техніка у світі постійно удосконалюється, розробляються способи інтенсифікації даного процесу. Принципова можливість інтенсифікації гідрорізання заключається в прикладенні до матеріалу навантаження, характер і величина якого забезпечують найбільшу швидкість поширення тріщини при мінімальних затратах енергії в струмині і витраті робочої рідини. При цьому передбачаються максимальні швидкості різання і подачі та найменьший об`єм стружки. Вважається, що найбільший інтерес з точки зору ефективності і перспектив примінення, представляють наступні способи інтенсифікації гідрорізання:

- застосування в якості робочої рідини розчинів полімерів;

- рідинно-абразивне різання;

- застосування імпульсних і пульсуючих струмин;

Американськими дослідниками запропоновано використання при водноструменевій обробці замість абразиву частинок льоду, що суттєво спрощує технологію. Продемонстровано досить обнадійливі результати цього оригінального процесу обробки. В інституті високих температур (Росія) розроблено пароабразивний різак, де функцію різання виконує високошвидкісна струмина із водяного пару і абразиву.

В цілому слід відмітити, що відсутність вітчизняних пристроїв і досить високі ціни на зарубіжні робить використання даного способу різання в деревообробці поки що досить проблематичним. В майбутньому, по мірі розвитку вітчизняного машинобудування і покращення економічної ситуації, доцільно, очевидно, використання водяної струмини для виконання робіт по виготовленню унікальних високохудожніх виробів із деревини (меблів, сувенірних виробів тощо). Застосування даного способу змогло б дати можливість при художньому оздобленні меблів інтарсією вирізувати з шпону цінних порід деревини дуже складні рисунки, інкрустувати дані вироби цінними видами каменів та інших матеріалів.

Із інших термодинамічних способів різання деревних матеріалів деяка активність помітна в дослідженні різання розжареною проволокою.Принцип дії цього способу заснований на явищі піралізу деревини. Хоч ідея такого різання була висунута досить давно, останнім часом з`явилося ряд патентів по удосконаленню даного способу, наприклад патент № 685236 (Швейцарія), по якому пропонується здійснення пиляння в поздовжньому напрямі проволокою, що вібрує і має ріжуче навивання; патент № 2045394 (Росія) "Спосіб різання деревини розжареною проволокою і пристрій для його здійснення" та інші. Однак обвуглення деревини не поверхні різу знижує величину економії деревини при такому різанні. Помітного ж розвитку даного способу можливо, очевидно, чекати тільки в результаті розробки матеріалів проволоки з принципово новими властивостями.Більш сучасним зараз будуть, очевидно, термодинамічні способи різання, що використовують безконтактний нагрів зони різання, наприклад, світловими променями.

Газета "Деревообробник"