КОНСТРУЮВАННЯ МЕБЛІВ

Вимоги до конструювання виробів з деревини

Деревина - це основна сировина, яка в натуральному і модифікованому виг­ляді використовується для виготовлення меблів. Розвиток науки про властиво­сті деревини дає можливість виявити шляхи найбільш ефективного і повного її використання, удосконалення й створення нових технологічних (механічних, хімічних і хіміко-механічних) процесів її перероблення. Таким чином, натураль­на деревина в конструкціях меблів тепер поступається місцем таким матеріалам, як фанера, деревностружкові, деревноволокнисті плити тощо, а також різним видам і профілям металу, пластмас і полімерним конструкційним матеріалам. Використання цих матеріалів, що мають переклеєну або ізотропну конструкцію, спрощує конструктивне рішення меблевих вузлів і виробів. Такі матеріали прак­тично не змінюють своїх розмірів у процесі експлуатації меблів, тобто в межах зміни температури і вологості експлуатаційних умов. Отже, в конструкціях меб­лів, де це можливо і доцільно, замість натуральної деревини можна використо­вувати зазначені матеріали.

'Гака постановка питання передбачає економне використання натуральної деревини як цінної природної сировини, запаси якої не безмежні.

Незважаючи на наявність багатьох інших конструкційних недеревинних ма­теріалів, натуральна деревина в конструюванні меблів застосовується широко завдяки своїй високій якості й естетичним властивостям, а в деяких випадках натуральна деревина є незамінною. Деревина як конструкційний матеріал має свої переваги і недоліки, про що йдеться в попередньому розділі. Конструктор має добре знати деревину, щоб правильно опрацювати конструкцію виробу. В іншому випадку опрацьована конструкція в процесі експлуатації може пост­раждати формою та міцністю. Таким чином, вимоги до конструювання виробів з деревини зумовлені її фізико-механічними властивостями.

При використанні деревини як конструкційного матеріалу проявляються ме­ханічні властивості, що характеризують її здатність чинити опір зовнішнім зу­силлям. Міцність оцінюється величиною зусиль (напруг) або роботою, що її може витримати матеріал при навантаженні до руйнування або до заданої вели­чини деформації. Отже, до цієї групи властивостей можна віднести такі:

міцність - здатність деревини чинити опір руйнуванню від прикладених зов­нішніх механічних зусиль;

твердість - здатність чинити опір входженню в деревину другого твердого тіла (обмежене руйнування);

ударна в'язкість - здатність поглинати роботу без руйнування при практич­но миттєвому прикладанні навантаження;

пружність - здатність деформуватися при прикладанні зовнішнього наван­таження і повністю відновлювати свою форму після зняття цього навантаження. У деревини пружність спостерігається при короткочасних навантаженнях до ве­личини, що відповідає межі пропорційності. ГІри цьому можна вважати, що де­ревина підпорядковується закону Гука.

При визначенні показника міцності визначають максимальні напруги, що до­сягнуті до моменту руйнування взірця - межа міцності. Цей показник визнача­ють при випробуванні на стиснення, розтягування, статичний згин і зсув. Ці сили можуть бути прикладені в різних напрямках по відношенню до напряму волокон деревини. У конструкціях меблів мають місце як статичні (корпусні ви­роби), так і динамічні навантаження (меблі для сидіння). Розтягування і стискан­ня спостерігається в роботі стінок і опор корпусних меблів і ґратчастих меблів. Згин простежується при роботі полиць, у шипових з’єднаннях, каркасах м’яких меблів і т. її. Зведені дані властивостей окремих порід деревини при вологості 15 % наведені в табл. 2.3. Вказані в таблиці навантаження деревина може витри­мувати протягом короткого часу, тоді як у виробах иона перебувае під наванта­женням тривалий час.

Здатність деревини чинити опір руйнуванню при вібраційних і тривалих на­вантаженнях характеризується втомою і тривалим опором. Оскільки ці власти­вості залежать від фактора часу, їх можна вважати реологічними. Міцність дере­вини при тривалих навантаженнях характеризується граничною тривалістю опо­ру, під яким розуміють максимальну напругу, що не викликає руйнування при необмеженій тривалості навантаження. Розглянутий вид міцності є в усіх мебле­вих виробах, наприклад, опори корпусних меблів, полиці. Експерименти показа­ли, що деревина дає залишкові деформації або руйнується при тривалих наванта­женнях при напругах значно менших порівняно із статичним короткочасним на­вантаженням. Існує така напруга, яка може бути безпечно прикладена на трипалий період і характеризується граничною витривалістю, або втомою. Наприклад, цей фактор проявляється в полицях книжкових шаф. Практика показала, що книж­кові полиці товщиною 16-19 мм і довжиною близько 1000 мм дають незначну стрілу прогину - 1+3 мм. При збільшенні ж довжини цих полиць до 1400 мм про­гин значно збільшується - 6+10 мм. У зв’язку з цим у книжкових секціях шири­ною 1000 мм бажано ставити підпірки, які б запобігали їх прогину.

Окрім цього, властивості деревини залежать від низки факторів і, насампе­ред, від вологості, яка змінюється при зміні температури і вологості навколиш­нього середовища. Через це наведені в табл. 2.3 величини не можуть бути безпо­середньо використані для розрахунків дерев’яних виробів. Залежно від багатьох факторів ці величини при розрахунках мають бути значно занижені. Такі зани­жені фізико-механічні властивості деревини характеризуються величиною до­пустимих напруг.

Відношення величини граничної міцності до величини допустимої напруги ха­рактеризується коефіцієнтом запасу. У розрахунку виробів на міцність, у яких ха­рактер сил, що діють, більш постійний, коефіцієнт запасу приймають 3+4 при стисненні та сколюванні, і 8+10 при розтягуванні вздовж волокон. У табл. 2.4 наве­дені основні допустимі напруги для сосни і ялини при сухому стані повітря.

Для деревини дуба, ясена і клена допустима напруга, наведена в табл. 2.4, має бути помножена: при згині, розтягуванні та стисненні поперек волокон - на 2, а при сколюванні - на 1,6. Модуль пружності незалежно від породи приймається 10 200, а для деталей, що тривалий час перебувають в умовах підвищеної воло­гості, - 7140 МПа.

Як згадувалося вище, властивості деревини мають великий вплив на утриман­ня шурупів і цвяхів, що впливає на міцність з’єднання. Критеріями оцінки таких властивостей є опір витягуванню шурупів і цвяхів з деревини. Міцність з'єднання на шурупах, цвяхах і скобах залежить від сили тертя між ними і деревиною. Сила тертя, в свою чергу, залежить від породи деревини, тобто від механічних власти­востей, і того, в якому напрямку по відношенню до волокон вбито цвях або вкру­чено шуруп. Чим більша поверхня контакту цвяха або шурупа з деревиною, тим міцніше він утримується в ній. Таким чином, міцність таких з'єднань залежить для цвяхів від: глибини вбивання, діаметра або форми перетину {круглі, квадрат­ні, зіркові), а для шурупів від: глибини закручування, діаметра І параметрів наріз­ки. На міцність з’єднання також впливає шорсткість робочої поверхні цих мета­левих виробів. Чим більша щільність деревини, тим більше зусилля потрібно для забивання цвяха або вкручування шурупа, і це може викликати розколювання де­ревини. Через це виникає потреба попереднього свердління отворів під цвяхи і

шурупи. Міцність з’єднання на цвяхах і шурупах залежить від умов експлуатації

виробу. Так, при підвищенні вологості деревини з’являється іржа, якщо поверхня метвиробів не захищена, вона роз'їдає поверхню шурупів і цвяхів, міцність з’єднання знижується. Враховуючи це у конструюванні. меблів, призначених для експлуатації на відкритому повітрі, наприклад, садово-паркові, або в періодично опалюваних приміщеннях, де можлива значна зміна вологості деревини, необхід­но брати металеві вироби з антикорозійним покриттям.

Питомий опір витягування шурупів і цвяхів наведено в табл. 2.5. Питомий опір витягування визначається за формулою:

для шурупів: спт = ^’п'3у{ ■> кгс/мм (2.13)

для цвяхів: 0 =jPmax/ кгс/мм (2.14)

ППІ / F S

де Ртю - максимальне навантаження, кгс; І - глибина закручування нарізки шу­рупів у матеріал, mm;F~ площа розгорнутої поверхні забитої частини цвяха F = nDl, mmj; D - діаметр цвяха, і - довжина забитої частини цвяха), см.

Дані табл. 2,5 показують, що величина питомого опору витягування шурупів і цвяхів, відповідно закручених і вбитих в площину деревностружкових плит, за­лежить від їх щільності.

У табл. 2.6 наведені дані питомого опору витягування шурупів залежно від способу виробництва деревностружкових плит і напряму закручування (вгвин­чування).

Величина питомого опору витягування закручених шурупів або забитих цвяхів з деревини різних порід залежить від спрямування їх осі. Так, витягуван - ня шурупів і цвяхів у тангенціальній площині з деревини осики, сосни і ялиці більша, ніж у радіальній площині, на 4ч-6 %.

Для інших листяних порід цей опір, навпаки, більший у радіальній площині, ніж у тангенціальній, на 1+5%, (зростає зі збільшенням щільності). У табл. 2.5 опір витягування шурупів і цвяхів з натуральної деревини дано як середню вели­чину між тангенціальним і радіальним напрямками (площинами опору). Цей опір на 30-^40 % нижчий при спрямуванні осей шурупів і цвяхів у торець.

Опір витягування шурупів і цвяхів також залежить від умов експлуатації цих з’єднань. Так, при тривалій вібрації таких з’єднань (вагони поїздів та інших видів транспорту) проявляється так зване «самовитягування» цих металевих виробів, тобто шурупи з часом частково викручуються, а цвяхи виймаються. На питання, як уникнути негативного явища сьогодні немає однозначної відповіді, хоча рекомендуються різні заходи, наприклад: збільшення спрямованої шорсткості витягування і вигвинчування, зміна форми різьби стержня шурупа (рис. 5.19), збільшення довжини шурупів і цвяхів, нанесення на їхню поверхню клею.

При конструюванні меблів важливо враховувати необхідність зберігання форми і розмірів майбутніх виробів і їх складальних одиниць. Ця вимога пов’язана з тим, що деревині властива зміна розмірів при зміні її вологості, яка, в свою чергу, залежить від параметрів повітря.

Зміна лінійних розмірів унаслідок усихання або набухання деревини проходить у межах від границі гігроскопічності волокон (точки насичення) 23+30 % до абсо­лютно сухого стану. Найбільш повне лінійне всихання 6+10% спостерігається в тангенціальному напрямку, повне всихання становить 3-5%, а вздовж волокон вси­хання зовсім незначне - 0,1+0,3 %, і об’ємне усихання в цілому становить 12+15 %.

Для обчислення деформації від дії вологи зручно користуватися значеннями коефіцієнтів усихання, що визначають величину всихання (зменшення розмірів) при зниженні зв’язаної наявної вологи в деревині на один відсоток табл. 2.7. З достатнім ступенем точності можна сказати, що між усиханням і втратою зв’язаної вологості існує лінійна залежність. При набуханні спостерігається про­тилежне явище. Деревина збільшує свої розміри приблизно в тих же межах, у яких зменшувала мри сушінні. Листяні породи, такі як бук, ясен, береза; шпиль­кові, такі як модрина, сосна, ялиця і ялина, більше змінюють свою форму порів­няно з іншими породами дерев. Модрина і бук найбільше змінюють свою форму, на що особливо слід зважати.

При експлуатації виробів з деревини їх вологість змінюється залежно від змі­ни вологості і температури повітря, дії капельно-рідинної вологи і прийнятих засобів захисту деревини від вологості. Орі+нтовно вологість деревини в виро­бах, що експлуатуються в умовах середньої смуги, тобто в умовах України, стано­вить у %:

- W = 10-26 % (у середньому W = 18 ± 8 %) для виробів, що експлуатуються на відкритому повітрі (садово-паркові меблі) і на них діє крапельно-рідинна во­лога;

- W = 10-16 % (у середньому 13 + 3 %) для виробів, що експлуатуються в умо­вах відкритого повітря без прямої дії рідкої вологи (під дахом);

- W = 7-13% (у середньому W = 10 ± 3 %) для виробів, що експлуатуються в опалюваних приміщеннях. Користуючись табл. 2.7, можна визначити зміну розмірів елементів, що експлуатуються в різних умовах. Так, зміна стільниці дачного стола, ізольованого від дощу і снігу, шириною 600 мм із соснової до­шки радіального розпилу з літа на зиму становитиме:

а» 600 0,18 М1ГЧ

АИ =--------------- 16 = 17,28 мм, (2.15)

100

де: 0,18/100 - зміна ширини стільниці при підвищенні вологості 1 %; 16(+8) - максимальний процент зволоження стільниці на зиму відносно теплого сухого літа.

Для опалюваного приміщення:

600-0,18.6 = 6>48 мм (2.16)

Така велика зміна ширини стільниці спостерігатиметься, якщо волога матиме вільний доступ до поверхні деревини. Щоб такого доступу вологи до поверхні деревину не було, потрібно покрити відповідними лакофарбовими матеріалами, що ізолюють вологу. Тоді В для відкритого повітря зменшиться наполовину, а для опалюваних приміщень становитиме 0,25^-0,35 розрахункової величини.

Таблиця 2.7

Практично при конструюванні і виготовленні меблів зміною розмірів уздовж волокон можна нехтувати. Користуючись табл. 2.7, усихання і розбухання можна розраховувати за формулою:

у-.тгЗКк (2.17)

іоо

де: У - величина зміни розміру деталі по ширині або по товщині при усиханні чи розбуханні, мм;

В - номінальні розміри деталі, мм;

W2 - експлуатаційна вологість деревини у виробі, %;

- технологічна (початкова) вологість деревини у виробі (за технічними умовами виготовлення), %;

Кл, - відповідно коефіцієнти за табл. 2.7.

Наприклад, фігарейна тахля соснових дверей серванта шириною 350 мм склеєна з ділянок радіального розкрою і виготовлена при вологості 7 %. При зберіганні виробу на складі рівноважна вологість тахлі встановилась 10 %, тобто збільшилась на 3 %, отже:

у = ^50П0-7)х0(зі = 5>4 мм, (2.18)

100

Таким чином, номінальний розмір тахлі став 350 + 5,4 = 355,4 мм. Далі сер­вант потрапляє до споживача, де в житловому приміщенні встановилась рівно­важна вологість деревини 9 %. Тоді:

У _ 350(9-10) х0 31 _ _і 08 мм, (2.19)

100

Розмір тахлі в споживача став: 335,4 - 1,08 = 354,32 мм, тобто пройшло уси­хання, (зменшення розміру тахлі). Зміна лінійних розмірів деревини внаслідок

усихання і набухання викликає напруження, які можуть перевищити міцність са­мої деревини. Отже, особливості конструювання вузлів і виробів з деревини по­лягають у тому, щоб у процесі експлуатації форма і міцність конструкції була стабільною, незважаючи на те, що окремі елементи зазнають неминучих змін розмірів. Для цього прикладу конструктор повинен передбачити достатній люз для вільного руху тахлі, запобігаючи руйнуванню рамки обв'язки.

Внаслідок усихання або набухання змінюються не тільки лінійні розміри де­ревини, а й форма. Зміна форми конструктивного елемента - це жолоблення. Розрізняють поздовжнє і поперечне жолоблення. Поперечне жолоблення прояв­ляється в зміні форми перерізу елемента. Наприклад, квадратна форма перерізу бруска після висихання стає прямокутною і напівромбічною, прямокутні стінки стають жолобоподібними (див. рис. 2.2). Поперечне жолоблення викликане різ­ницею між тангенціальним і радіальним усиханням.

Поздовжнє жолоблення спостерігається у формі вигинання по довжині, коли пряма ділянка після усихання стає дугоподібною, і у формі перекручування, коли плоска пласть набирає гвинтової поверхні. Перший вид жолоблення зумовлений різницею усихання вздовж волокон між двома зонами деревини (якщо, напри­клад, у бруску одночасно є заболонь і ядро, або стовбурна і коренева деревина), другий проявляється внаслідок нахилу волокон (косошару). Додаткове жолоб­лення викликають і інші вади деревини, особливо зарослі сучки. Жолоблення як наслідок нерівномірної зміни лінійних розмірів при усиханні і розбуханні викли­кає зміну форми конструкції і веде до виникнення напруг. Таким чином, у кон­струюванні меблевих виробів з масивної деревини необхідно враховувати фор­мозмінність окремих елементів конструкції.

На основі вищевикладеного сформулюємо вимоги до конструювання ви­робів з деревини.

По-перше: конструювати вироби з деревини необхідно так, щоб дефор­мації, які виникають в окремих елементах, проходили вільно, без порушен­ня форм і міцності самого виробу. Цю вимогу ілюструє рис. 2.11л, де зображе­но розріз рамкової конструкції з фігарейною тахлею, яка виготовлена з ділянок з масивної деревини. Вставлена в пази брусків обв'язки, тахля може вільно розши­рюватися у випадку розбухання за рахунок люзу є, але ширина рамки залишаєть­ся незмінною і вона не буде руйнуватися. Тахля має бути вставлена в пази на таку глибину, щоби при усиханні, тобто при зменшенні ширини, вона не виходила з пазів. До того ж така конструкція запобігає жолобленню тахлі, тому що бруски обв’язки не дають змоги тахлі вигинатися і водночас залишаються незмінними розміри всього вузла. Інший приклад (рис. 2.116) зображує переріз дощатого щита, наприклад креслярської дошки. У поперечному напрямку до волокон ді­лянок вибрано пази трапецієвидної форми, в які вставлено шпонки (бруски жорсткості), що запобігають жолобленню щита вздовж їх осі. При зволоженні або всиханні такого щита, він буде розширюватись або звужуватися, при цьому шпонка ковзатиме в пазах, тобто деформація проходитиме вільно, без порушен­ня форм і міцності конструкції. На рис. 2.11s показано кріплення дощатого сидіння табурета до його каркасу. Щоб сидіння при зміні його ширини не зруй­
нувало цей каркас, воно з правого боку закріплене шурупами, а з лівого - за до­помогою спеціального дерев’яного брусочка з чвертю або металічного кутника, які мають люз е.

По-друге: виготовляти елементи виробів з деревини необхідно так, щоб можливі зміни форм і розмірів були найменшими. Цього можна досягнути, якщо брусок виготовляти переклеєним з декількох частин. Найменше жолоб - лення переклеених брусків досягається шляхом відповідного взаємного роз­міщення річних кілець у складових частинах (брусках). Щоб досягнути цього, необхідно дотримуватися таких рекомендацій (див. рис. 2.3):

а) при склеюванні деталей по ширині однойменні пласті ділянок, що з’єднуються,

наприклад, заболонні, мають бути обернені в протилежні боки, а однойменні

крайки - одна до одної;

б) при склеюванні деталей по товщині однойменні пласті, що склеюються, мають

бути обернені одна до одної, а однойменні крайки - в різні боки.

На рис. 2.3 показано розміщення ділянок при склеюванні одночасно по тов­щині і ширині, а також при склеюванні декількох ділянок по товщині. Пунктир­ними лініями показано вільне жолоблення окремих ділянок (за відсутності надійного склеювання). Зусилля жолоблення будуть зрівноважені міцністю клейового шва.

Таким чином, запропоновані рекомендації розміщення складових елементів при склеюванні дають можливість досягнути взаємного зрівноважування сили жолоблення, що забезпечує стабілізацію форми переклеєної конструкції. Дуже широкі щити необхідно виготовляти з декількох шарів із взаємно-перпендику­лярним напрямом волокон у сусідніх шарах, прикладом може слугувати фанера, фанерні плити - а, столярна плита - б, рис. 2.12.

При цьому лінійні розміри не будуть змінюватися, тому що в кожному на­прямку (по ширині і довжині) такої плити волокна будуть розміщуватися вздовж, а нам відомо, що зміна розмірів у цьому напрямку настільки мала, що нею можнз нехтувати. Якщо столярну плиту личкувати, то ми отримаємо п’ятишарову кон­струкцію по товщині, таким чином, її форма буде додатково стабілізована.

Інколи ширина складових одиниць, наприклад, висувна стільниця серванта, може мати значну ширину, що вимагає виготовлення її з декількох ділянок. З погляду стабільності форми ділянки для такого вузла було б добре виготовля­ти з дощок радіального розкроювання, але це помітно збільшило б її вартість, тому що вихід таких дошок з колоди невеликий. Практично, маючи ділянки з довільним розміщенням річних кілець відносно їх пласті, при набиранні щитка необхідно керуватися рекомендаціями, поданими вище. Матеріал спеціального розпилювання використовують при виготовленні музичних клавішних інстру­ментів, де до окремих елементів ставиться вимога високої пружності (резонанс­ний щит), до інших - формостійкості (клавіатурний щит).

Для забезпечення формостійкості щита його складові ділянки повинні від­повідати максимально допустимому відношенню ширини до товщини - 3:1, а для підвищених вимог -1,5 :1, тобто їх ширина має бути в два рази меншою. У меблевому виробництві масивні стінки (ділянки) рекомендується використо­вувати шириною до 90 мм, а за більшої висоти їх обов’язково склеюють з двох - трьох частин.

І останнє. Тривала формостійкість щита великою мірою також залежить від вологості деревини, і насамперед від вологості двох суміжних ділянок. Чим мен­ша ця різниця, тим краще для формостійкості щита. З цієї причини не бажано поєднувати ділянки з заболонної і ядрової деревини в одній конструкції. І, звичайно, вологість деревини має відповідати умовам, в яких конструкція ви­готовляється.

По-третє: елементи виробів необхідно конструювати так, щоби стискуваль­ні і розтягувальні зусилля на деталі збігалися з напрямом волокон, а моменти згинання були їм перпендикулярні. Звичайно, коли на деталь діють зусилля стис­кання і згину, треба запобігати косошару, про вплив якого вже йшлося.

По-четверте: конструювати вироби і з'єднання в них окремих елементів необхідно так, щоби за формою і конструктивним вирішенням вони були технологічними, тобто матеріалоощадними, відповідали мінімальним тру - довитратам на виготовлення у енергозберігаючих технологічних процесах. Іншими словами, вироби та їхні складові частини повинні виготовлятися на ти - новому обладнанні. Це дасть змогу без додаткових витрат на сучасному техно­логічному обладнанні виготовляти деталі високої якості без особливих трудно­щів.

По-п’яте: конструювати вироби необхідно так, щоби їх зовнішній вигляд відповідав задуму дизайнера, узгоджувався із поточними естетичними ви­могами.

Інколи у конструктивному опрацюванні проектів меблевих виробів дово­диться застосовувати такі рішення, коли окремі операції можуть бути виконані тільки на спеціальному обладнанні або за допомогою ручних електрифікованих чи столярних ручних інструментів. Такі випадки часто трапляються у виготов­ленні високохудожніх меблів у стилі ретро або меблів на замовлення. При пере­ході на серійний випуск таких меблів необхідно придбати спеціальне обладнан­ня. Дизайнери можуть запропонувати такі проекти меблів, що вимагають ство­рення нових технологічних процесів і обладнання для їх виготовлення. Якщо такі проекти характеризуються естетичною новизною і є широко визнаними, тоді ця мета виправдовує витрати на придбання чи створення нового обладнан­ня. Таким чином, між дизайн-проектом, конструкцією, технологією і обладнан­ням існує тісний прямий і обернений зв’язок і тільки при правильному погод­женні ланок цього ланцюга можна отримати нові, прогресивні, естетичні, високо комфортні та якісні меблеві вироби.

Отже, для створення меблів, що відповідали б сучасним вимогам освіченого споживача, мало чисто образотворчо-мистецьких знань, адже дизайнерський проект вимагає продуманих конструктивних рішень, які базуються на техніці і технології сучасного меблевого виробництва. Докладно ці питання розглянуто в наступному розділі.