Древесные материалы, классификация, свойства и область применения

Древесина [79] – ткань растений, состоящая из клеток с одревесневшими стенками, проводящая воду и растворенные в ней соли. Структура древесины состоит из большого числа плотных, длинных, трубчатых клеток, наполненных растительным соком. Длина клеток обычно составляет 2…4 мм, а размер в поперечнике – 20…40 мкм. В древесине на долю оболочек клеток приходится ~ 95 % массы; оболочки состоят главным образом из целлюлозы (43…56 %) и лигнина (19…30 %)[80]. Около 25…30 % воды содержится в древесине в связанном виде и очень трудно поддается удалению. Остальная влага, заполняющая межклеточное пространство, легко выпаривается во время сушки.

Древесина обладает малой плотностью, сравнительно высокой удельной прочностью, хорошим сопротивлением ударным и вибрационным нагрузкам, низким коэффициентом теплового расширения (в 2…3 раза ниже, чем у стали), высокой стойкостью к ряду кислот, солей и масел, хорошими технологическими свойствами (хорошо обрабатывается на станках, склеивается, соединяется гвоздями и шурупами). К недостаткам древесины следует отнести ее высокую водопоглощаемость, приводящую к изменению размеров, формы и прочности древесных изделий, а также склонность к загниванию и отсутствие огнестойкости. Для защиты древесины от загнивания изделия покрывают лакокрасочными или пластмассовыми покрытиями. Из химических способов защиты применяют пропитку растворами солей NaF, ZnCl ₂, CuSO ₄ и др. Для снижения воспламеняемости используют огнезащитные лаки и краски.

Важной характеристикой древесины является ее плотность. К легким поделочным породам древесины относят сосну, ель, липу, осину, ольху; к тяжелым – дуб, граб, грушу, самшит. К редким и наиболее легким сортам древесины относится бальса, имеющая плотность около 200 кг/м³ (в 2 раза легче бамбука), а к наиболее тяжелым (1100…1400 кг/м³) – железное дерево (бакаут), которое тонет в воде. Обрабатываемость и износостойкость древесины зависят от ее структуры и твердости. Некоторые свойства наиболее распространенных пород древесины приведены в таблице:

Свойства разных пород древесины	Порода древесины
сосна	липа	осина	дуб	граб	береза	пихта
Плотность, кг/м3
Объемная усушка в %
Прочность при растяжении вдоль волокна, МПа

Пиломатериалы – материалы из древесины, получаемые путём распиловки брёвен вдоль волокон. Основные виды пиломатериалов показаны на рис. 63. Пиломатериалы с опиленными кромками называются обрезными, с неопиленными – необрезными. Материалы, подвергшиеся после пиления дальнейшей обработке (для сглаживания поверхностей или фасонной профилировки), называются строгаными. Пиломатериалы делят на строительные, столярные, тарные, экспортные, специальные.

Рис. 63. Виды пиломатериалов: а – пластина; б – четвертина; в, г, д – брусья; е – брусок; ж – доска; з, и – шпалы; к – горбыль

Древесину успешно используют в машиностроении (борта и пол автомобилей, некоторые конструкции в вагонах и др.). В литейном производстве из древесины изготавливают модели отливок. Во всех отраслях промышленности пиломатериалы широко используют при изготовлении тары (ящики, поддоны и т. п.).

Прессованная древесина получается прессованием нагретых в пресс-формах древесных заготовок. Прочность прессованных материалов возрастает примерно в 2 раза при растяжении, а при изгибе и сжатии – в 3 раза. Их ударная вязкость составляет 60…80 кДж/м². Такую древесину используют как заменитель металла, из нее изготавливают вкладыши подшипников трения, втулки, ткацкие челноки и др. ответственные детали машин.

Шпон [81] – тонкие листы древесины (натуральный шпон) или иного текстурного материала (синтетический шпон). Натуральный шпон изготовляют лущением или строганием отрезков ствола дерева – чураков и кряжей. Синтетический шпон делают из текстурной бумаги с применением специальных смол. Текстурный рисунок наносит на бумагу способом многокрасочной печати. Фанерование – оклеивание деревянных изделий шпоном для упрочнения и улучшения их внешнего вида.

Фанера [82]– листовой древесный материал, получаемый склеиванием трёх или более слоев преимущественно лущёного шпона (с перекрёстным расположением листов шпона относительно волокон древесины). Фанеру изготовляют из берёзы, ольхи, сосны, ясеня, бука и т. д. Разновидности фанеры: металлизированная, армированная, огнестойкая. В зависимости от сопротивления действию влаги различают фанеру водостойкую, средней и ограниченной водостойкости. Водостойкость фанеры зависит от применяемого клея – фанера ФСФ на фенолоформальдегидном клее обладает повышенной водостойкостью, фанера ФК (на карбамидном) и ФБА (на альбумино-казеиновом) обладают средней водостойкостью, ФБ – на белковых клеях – ограниченной водостойкостью. Фанеру выпускают в виде листов толщиной 1…12 мм, листы толще 12 мм называют фанерными плитами. Фанеру применяют в строительстве и судостроении, в мебельном производстве и т. п.

Древесно-стружечные (ДСП) и древесно-волокнистые плиты (ДВП) изготавливают из отходов древесины:

- ДСП получают горячим прессованием стружки со связующим, например, мочевино- и фенолоформальдегидными смолами. Плиты имеют плотность от 350 до 1100 кг/м³, свойства их более изотропны, чем у натуральной древесины, и обладают высокими теплоизоляционными характеристиками. ДСП бывают однослойными и многослойными, в том числе, облицованными шпоном, фанерой, бумагой и пластиком. Такие плиты широко применяются в транспортном машиностроении, строительстве и производстве мебели.

- ДВП вырабатывают путем отлива на сетке (аналогично отливу картона) из древесной массы, состоящей из волокон размельченной древесины (иногда с добавками связующего). Применяют как облицовочный и тарный материал, а также в качестве звукопоглощающих покрытий.

К вспомогательным материалам относят смазочные материалы, смазывающе-охлаждающие жидкости, асбест, кожу, бумажные, текстильные и др. материалы.

1. Смазочные материалы применяют для увеличения срока службы трущихся частей машин и понижения коэффициента трения. Смазочные материалы подразделяют на смазочные масла, пластичные смазки и твердые смазочные материалы.

Смазочные масла являются продуктами минерального, растительного и животного происхождения. Минеральные масла – продукты переработки нефти, применяют в качестве основных смазочных материалов для трущихся деталей. Наиболее широко применяемыми в станкостроении являются веретенное масло, машинное, цилиндровое, вазелиновое и велосипедное (для смазки горизонтальных направляющих станков). При больших скоростях и малых нагрузках применяют веретенное масло, а при малых скоростях, характерных для коробок скоростей, – машинное. Кроме того, в машиностроении применяют смазочные смеси, состоящие из 75…95 % масла и 25…5 % мыла. Ими смазывают узлы, работающие при малых скоростях и больших нагрузках, когда подвод обычной жидкой смазки затруднен и неэкономичен. Для смазывания деталей подшипников, работающих в зимних условиях со скоростями до 1000 об/мин, применяют автол и др. низкотемпературные масла.

Пластичные смазки (солидол, ЦИАТИМ-201, Литол-24 и др.)изготавливаются из натуральных животных и растительных жиров или жирных синтетических кислот с использованием различных загустителей. Смазки по сравнению с маслами обеспечивают лучшую работоспособность узлов при малых скоростях и высоких давлениях, а также при действии ударных и знакопеременных нагрузок.

Твердые смазочные материалы (графит; нитрид бора; хлориды, фториды и иодиды металлов; мягкие металлы и их сплавы; политетрафторэтилен; полиамиды и др.) применяются в особых случаях: когда эксплуатация узлов трения ведется ниже температур застывания масел и смазок; при очень высоких температурах; невозможности периодического подвода смазочного материала к поверхностям трения и др.

2. Смазочно-охлаждающе жидкости (СОЖ) используют для облегчения обработки металлов резанием, что позволяет увеличить скорость резания, а, следовательно, производительность, и уменьшить износ инструмента. Их подразделяют на охлаждающие, охлаждающие и смазывающие, а также смазывающие и частично охлаждающие. Охлаждающие жидкости – это водные растворы электролитов с антикоррозионными добавками (углекислый натрий, силикаты натрия и калия). Охлаждающими и смазывающими жидкостями являются водные растворы поверхностно-активных веществ (мыла, олеиновые кислоты и др. вещества). К смазывающим и частично охлаждающим относятся активированные эмульсии, состоящие из воды, поверхностно-активных веществ и эмульгированного масла. Выбор и применение охлаждающих и смазывающих жидкостей зависит от обрабатываемого материала, инструмента и заданного качества поверхности. На станках-автоматах охлаждающие эмульсии, как правило, не применяют, т. к., попадая в подшипники, они нарушают их смазку, и здесь для охлаждения используют машинные масла или специальные осерненные масла – сульфофрезолы.

3. Асбест [83] – это минерал волокнистого строения, волокна которого представляют агрегаты тончайших кристаллитов; обладает огнестойкостью до 450…700 ^оС, хорошей прочностью на разрыв, малой электро- и теплопроводностью, кислото- и щелочеустойчивостью, эластичностью. Асбест используют для изготовления теплоизоляциии, тормозных колодок, тканей для костюмов рабочих горячих цехов. Асбестовые материалы выпускают в виде волокон и шнуров; листов бумаги и картона; асбоцементных листов, труб, шифера и т. п.

4. Бумажныематериалы и картон применяют для электроизоляции, в качестве прокладок, основы шлифовальной бумаги, фильтровальных, упаковочных материалов и т. п.

5. Кожа используется для различного рода прокладок, уплотнительных колец, тормозных муфт и приводных ремней. Особенностью натуральных кож является механическая прочность при высокой пористости. Вследствие этого они обладают высокой воздухо-, паро- и водопроницаемостью, сочетающимися с низкой теплопроводностью. Кожа хорошо работает в условиях многократных изгибов. В последнее время для изготовления технических изделий применяют полимерные заменители кожи.

6. Текстильныематериалы – пряжу, вату, ленты, шнуры, веревки, войлок и т. п. материалы используют во многих отраслях промышленности. Бельтинг [84] – тяжелая, очень плотная и прочная техническая ткань применяется для изготовления конвейерных лент и прорезиненных многослойных приводных ремней. Вату с переплетениями из силикатного стекла применяют в качестве тепло- и звукоизоляции, амортизирующих подушек и т. п. Войлок используют в качестве уплотнительных прокладок, сальников, фильтров, амортизаторов и др. изделий.

Во многих случаях литье – единственно возможный способ получения заготовок сложной формы. Сравнивая метод получения фасонных заготовок деталей машин путем отливки с другими методами получения фасонных за- готовок – ковкой или штамповкой и сваркой, необходимо отметить следую- щие преимущества метода отливки:

1. С помощью отливки можно получить заготовки практически любой сложности по конфигурации. Ни путем ковки и штамповки, ни путем сварки нельзя изготовлять сложных фасонных заготовок, столько максимально при- ближающихся к форме готовой чистовой детали.

2. Припуски на механическую обработку в отливках могут быть весьма

небольшими. Это преимущество литых заготовок имеет весьма большое тех- нико-экономическое значение, так как механическая обработка деталей явля- ется наиболее дорогостоящим процессом во всем цикле машиностроительно- го производства.

3. Утилизация отходов металла в литейном производстве (литник и брак) не требует значительных затрат средств и времени. Указанные отходы нуждаются лишь в переплавке, и полученный из них жидкий металл снова используется непосредственно для заливки новых деталей. В ковочно- штамповочном же и сварочном производствах для превращения отходов ме- талла снова в листы, профили и болванки, годные к повторному непосредст- венному использованию, нужна целая цепь дорогостоящих переделов: плавка, нагрев для прокатки, сама прокатка, резка и новый нагрев для ковки или рас- крой для сварки.

4. В литейном производстве не требуется столь дорогостоящего и тяже- лого оборудования, как в ковочно-штамповочном (прессы, молоты). Поэтому постройка, монтаж и запуск литейного цеха не требуют столь больших капи- таловложений и по срокам осуществляются значительно быстрее по сравне- нию с постройкой кузнечно-прессового цеха. Это преимущество литья пред- ставляет особую ценность в условиях, когда требуется максимальная быстро- та перестройки или запуска производства на новый вид продукции, например в военное время.

5. Сравнивая полученные различными методами заготовки в отношении качества металла (прочности и надежности), необходимо отметить, что еще

основоположник современной науки о металле русский ученый и металлург Д.К. Чернов в 1868 г. писал: «…прочность литой непрокованной стали нис- колько не меньше прочности прокованной, если обе имеют одинаковое сло- жение…». Однако наличие в отливках скрытых раковин, неметаллических включений, более крупнозернистого строения и остаточных внутренних на- пряжений приводит к тому, что в отношении прочности и надежности литые заготовки в большинстве случаев (но не всегда) уступают кованым и штампо- ванным. При правильно выполненной горячей обработке давлением металл приобретает мелкозернистое и плотное строение. Кроме того, кованая деталь получает в известной мере волокнистое строение, что при надлежащем рас- положении волокон значительно ее упрочняет.

Однако благодаря углубленному научному изучению литых сплавов за последние десятилетия качество литых изделий также значительно возросло. Об этом свидетельствует непрерывный рост гарантированных норм прочно- сти металла в отливке, расширение номенклатуры сплавов, обладающих спе- циальными свойствами, и замена кованых и штампованных заготовок для ря- да ответственных деталей литыми.

Эффективность литейного производства может характеризовать коэф- фициент использования металла (КИМ) – отношение масс детали и заготовки (табл. 1).

Ориентировочные значения КИМ различных заготовок

Таблица 1

Вид заготовки	КИМ
Литье под давлением	0,95
Литье по выплавляемым моделям	0,90
Литье в оболочковые формы	0,80
Литье в кокиль	0,75
Литье в песчаные формы	0,70
Профильный прокат	0,60
Штамповка (горячая)	0,40
Прутки катаные	0,35
Ковка свободная	0,30

Суть литейного производства состоит в том, что фасонные детали (за-

готовки) получают заливкой жидкого металла в литейную форму, полость ко- торой соответствует их размерам и форме. После кристаллизации металла ли- тую деталь (заготовку), называемую отливкой, удаляют из литейной формы и в случае необходимости отправляют в механический цех для последующей обработки.

Общая схема технологического процесса изготовления отливки приве- дена на рис. 5. Технология изготовления отливки начинается с разработки ее чертежа и рабочих чертежей модельного комплекта (модели и стержневого ящика).

В состав литейного цеха входят отделения: модельное, смесеприготови- тельное, стержневое, формовочное, плавильное, выбивное, обрубное, очист- ное. В модельном отделении по рабочим чертежам изготавливают модельный комплект; в смесеприготовительном – формовочную и стержневую смеси; в формовочном – литейную форму; в стержневом – стержни; в плавильном по- лучают жидкий металл. Готовую литейную форму заливают жидким метал- лом и после его затвердевания в отделении выбивки отливку удаляют из фор- мы, обрубают литниковую систему и очищают от пригара в очистном отделе- нии. Заключительной операцией является контроль качества отливки.

Конструирова-

ние детали

Проектирование изделия

Технологическая проработка

Разработка технологии изготовления отливки

Проектирование

и изготовление оснастки

Подготовка

формовочных материалов

Подготовка

шихтовых ма-

териалов

Изготовление литейной формы Плавка металла

Заливка литейной формы

Охлаждение, выбивка, об-

рубка, очистка, термообра-

ботка, контроль

Рис. 5. Схема технологического процесса изготовления отливки

Выбор технологического процесса формовки. Выбор технологического процесса для конкретного отделения тесно связан с общими и специальными требованиями, которые предъявляются к готовым отливкам по геометриче- ской точности, эксплуатационной надежности и шероховатости поверхности, герметичности, коррозионной стойкости и др.

В настоящее время имеется большое разнообразие технологических процессов изготовления литейных форм, число которых превысило 50. В

табл. 2 приведены характеристики способов получения отливок в разовой форме и специальными способами.

Каждый из способов имеет свои достоинства, недостатки и определен- ные области применения в зависимости от вида сплава, габаритов и массы от- ливки, серийности производства. Этому вопросу посвящены многие литера- турные источники, а выбор для проектируемого цеха одного или нескольких процессов будет определяться в зависимости от производственной програм- мы. При этом важным обстоятельством при выборе процесса должна быть производительность оборудования отделения и качество литья [2, 3].

Таблица 2

Классификация и область применения различных способов производства литья

Способ производства отливок	Область применения	Характеристика литья
Литье в песчаные формы	машинная формовка	Индивидуальное, серийное и массовое производство отливок любых сплавов	Механическая обработка без разметки с гарантий- ными припусками на меха- ническую обработку
прессовые машины	Для мелких и средних отливок не- большой высоты
встряхивающие машины	Для крупных отливок, различных по весу и габаритам
пескометы	Для крупных и средних по весу и габа- ритам отливок
пескодувно-прес- совые машины	Для мелких и средних по весу и габа- ритам отливок
Литье в кокиль	Массовое и серийное производство мелких и средних по весу и габаритам отливок простой и средней сложности из любых сплавов	Высокое качество поверх- ности, малые припуски на обработку
Центробежное литье на машинах	Индивидуальное, серийное и массовое производство отливок из любых спла- вов, имеющих форму тел вращения со свободной поверхностью	Высокое качество поверх- ности, малые припуски на обработку
Литье под давлением	Крупносерийное и массовое производ- ство отливок из цветных сплавов, мел- ких и средних по весу и габаритам	Высокий класс точности размеров и чистоты по- верхности, не требующей механической обработки
Литье по выплавляе- мым моделям	Мелкосерийное, серийное и массовое производство отливок, требующих сложной механической обработки при обычных методах, а также для деталей из материалов, трудно поддающихся механической обработке	Высокий класс точности размеров и чистоты по- верхности, не требующей механической обработки

Типы литейного производства. Различают следующие основные типы

литейного производства: единичное, серийное и массовое (табл. 3).

Единичное производство характерно выпуском в небольших количест-

вах самых разнообразных отливок. При этом выпуск отдельных отливок мо-

жет периодически повторяться. Примером единичного производства может служить выпуск отливок для ремонтных целей в литейных мастерских не- большой мощности или производство очень крупных единичных так назы- ваемых уникальных отливок массой в несколько десятков и сотен тонн (для мощных экскаваторов, корпусов крупных турбин и т.п.).

Серийное производство отличается периодическим выпуском отливок ограниченной или широкой номенклатуры значительными или небольшими партиями. Примером серийного производства является выпуск отливок для деталей различных типов металлорежущих станков в литейных цехах станко- строительных заводов. Серийное производство в машиностроении занимает среднее положение между массовым производством, к которому приближает- ся крупносерийное, и единичным, к которому приближается мелкосерийное (табл. 3).

Таблица 3

Нормы определения серийности производства отливок из чугуна и стали

Распределение отливок по массе, кг	Годовой выпуск отливок одного наименование (номенклатуры), шт.
единичное, не более	мелкосе- рийное	серийное	крупносе- рийное	массовое
до 20		300-3000	3000-	35000-	свыше
20-100		150-2000	2000-	15000-	свыше
100-500		75-1000	1000-	6000-	свыше
500-1000		50-600	600-	3000-	свыше
1000-5000		20-100	100-	300-	свыше
5000-10000		10-50	50-	150-	свыше
свыше 10000		5-25	25-75	свыше 75	-

Массовое производство характерно выпуском в течение более или ме-

нее длительного времени отливок определенной номенклатуры в больших количествах. Примером массового производства может служить выпуск од- нообразных отливок литейными цехами автомобильных и тракторных заво- дов.

Тип производства оказывает большое влияние на выбор методов литья

и технологию изготовления отливок. На характер применяемого оборудова- ния и организацию труда в литейном цехе. Если единичное производство ха- рактерно применением ручного труда, частичной механизацией производст- венных процессов, то в серийном и особенно в массовом производствах ра- ционально использовать технически совершенное и высокопроизводительное оборудование, специальные приспособления и аппаратуру, обеспечивающие

высокую производительность и качественное выполнение операций.

Наибольшее распространение в практике получили технологии изго- товления литейных форм из песчано-глинистых смесей. Типовые разновид- ности технологических процессов представлены на рис. 6.

Специальные способы литья. Принято выделять специальные способы литья. В разное время различные специалисты относили к специальным спо- собам: новые технологические процессы, перспективные, но не получившие еще распространения; литье из новых литейных сплавов; различные виды ли- тья в металлические формы; технологические процессы специфических одно- типных отливок, изготовляемых в больших масштабах (изложницы, трубы, поршневые кольца, ювелирные изделия и др.); литье в песчаные формы, изго- товленные «необычными» методами (по выплавляемым моделям, оболочко- вое, наливное и др.); виды литья, которые на данном этапе развития техноло- гии обеспечивали повышение точности размеров, качества поверхности, воз- можности механизации по сравнению с распространенными способами.

Стандарт по терминологии содержит понятие «способ литья» [2, 3], но не дает его определения. Технологические процессы, отнесенные к этому по- нятию, различаются по способам заливки, материалам форм, типу оснастки, способам изготовления литейных форм. По-видимому, способ литья должен включать совокупность основных материалов и процессов, участвующих в изготовлении литейной формы и получении отливки. Параметры указанных материалов и процессов можно разбить на следующие категории: разновид- ности основ формовочных материалов и разновидности связующих добавок к дисперсным основам формовочных смесей; типы модельно-опочной оснаст- ки, применяемой для изготовления элементов литейных форм из дисперсных материалов; способы уплотнения дисперсных формовочных смесей и сборка литейных форм; способы заполнения литейных форм жидким расплавом.

Каждый самостоятельный способ литья отличается от другого хотя бы по одной из пяти перечисленных позиций; отличие возможно не только по одной, но и по двум-трем позициям.