5.10. Puidu painutamine

Täispuidust kõverad detailid võib teha kahel viisil. Kõverajooneliste toorikute väljasaagimisega või sirgjoonelisele prussikule kõvera kuju andmisega - neid šabloonil painutades. Praktikas on mõlemad kasutusel. Kõverjooneliste toorikute väljasaagimine on lihtne ja ei vaja spetsiaalseid seadmeid, kuid saagimisega lõigatakse läbi puidu kiud, mis vähendab tema tugevust sedavõrd, et suure kõverusega detailid ja suletud kontuurid tuleb koostada mitme elemendi kokkuliimimise teel. Kõverjoonelistel pindadel saadakse pooltorts- ja tortspinnalisi lõikeid ning sellega halvenevad töötlemise tingimused freespingil ja viimistlemisel. Peale selle saadakse juurdelõikamisel palju jäätmeid.

Kõverjooneliste detailide valmistamine painutamisega nõuab võrreldes saagimisega keerulisemat tehnoloogilist protsessi ja sisseseadet. Painutamisel säilitatakse täielikult ja mõnel juhul isegi suurendatakse detaili tugevust, nende tahkudel ei moodusta tortspindu. Edaspidine töötlemise režiim painutatud detailidel ei erine sirgjoonelise detaili töötlemisest.

Nähtuste olemus, mis tekib puidu painutamisel, lähtub põhiliselt järgnevast. Materjalide tugevusõpetusest on teada, et iga keha paindel elastsusdeformatsiooni piirides kerkivad esile ristlõikes normaalpinged: tõmbepinged kumeral poolel ja survepinged nõgusal poolel. Venituse ja surve tsooni vahel on neutraalne kiht nullilähedaste normaalpingetega. Kuna normaalpinge suurus muutub ristlõikes, tekivad lõhestumise pinged, mis nagu püüaksid venitada kihte üksteise suhtes. Kuna see on võimatu, siis paine paratamatult tekitab venituse kumeral küljel ja surve nõgusal poolel.

Deformatsiooni suurus venitusel ja kokkusurumisel sõltub prussi paksusest ja painde raadiusest. Oletagem, et prussik täisnurkse ristlõikega on painutatud ringikujulisele alusele ja deformatsioon prussis on proportsionaalne pingetega ning neutraalne tsoon on prussi keskel. Tähistame prussi paksuse (h), esialgse pikkuse (l₀) ja painderaadiuse mööda neutraaljoont (R). Prussi pikkus mööda neutraaljoont paindel jääb muutumatuks ja on võrdne l_o= R(/180), kus -painderaadius kraadides. Välimine venitatud kiht saab pikenemise l. Üldine pikkus prussi venitatud osal määratakse valemist

l_o + l = (R+h/2)/180

Tuues sellest välja eelmise, saame absoluutse pikenemise

l = (h / 2)( / 180)

Suhteline pikenemine (E_pik) on võrdne l /l₀ =h / 2R, st. suhteline pikenemine paindel l / l₀ sõltub prussi paksuse suhtest painderaadiusega; see on seda suurem, mida paksem on pruss (h) ja mida väiksem painderaadius (R). Samasuguse suhte suhtelisest kokkusurumisest painutamisel võib leida analoogsel viisil.

Eeldame, et ümber šablooni R on painutatud prussik algpikkusega l₀ ja seejuures on saavutatud maksimaalne kokkusurumise deformatsioon ja venitus. Tähistades lubatud kokkusurumise suuruse (E_surum) puidul pikikiudu ja E_pik kaudu lubatud pikenemise deformatsiooni suuruse pikikiudu, võib kirjutada suhte väljavenitatud poolele

l₁ = l_o (1+ E_pik) = (R+h) / 180

siit R+h = l_o(1+ E_pik) / [( / 180)].

Vastaspoole surumine l₂ = l_o(1-E_surum ) = R(/180)

või R = l_o(1- E_surum) / [( / 180)].

Arvutades välja esimesest võrrandist teise, saame

h = l_o(E_pik+E_surum) / [( / 180)].

Võttes suhte h / R, mis iseloomustab puidu elastsuspiire antud juhul, saame:

h / R = (E_pik+E_surum) / (1-E_surum).

Asendades saadud võrrandis lubatud deformatsiooni väärtused tõmbel ja kokkusurumisel, võib määrata maksimaalse võimaliku h/R väärtuse mitmesugustele puuliikidele. Need võimalikud piirid on määratud järgmised:

Puuliik	Pöök	Tamm	Kask	Kuusk	Mänd
h/R	1/2,5	1/4	1/5,7	1/10	1/11

Praktikas sagedamini nõutakse puidu painutamist suhtega 1/3. Okaspuud ja mõned pehmelehtpuud, isegi võimaliku tõmbe ja kokkusurumise deformatsiooni täielikul kasutamisel, ei ole kõlbulikud väikeste kõverusraadiustega painutamiseks. Seejuures okaspuude ja kõvalehtpuude painutamise praak on tingitud kortsude tekkimisest nõgusal poolel, ebaühtlasest kokkusurumisest pikikiudu ja kiudude madalast vastupanust survele pikikiudu. Seda saab vähendada piirates puidu survedeformatsiooni sälgulise šablooniga, mis eelpressib puitu painutamise protsessis. Välimise külje kihid rulliga šabloonile painutamisel pressitakse kokku (joon. 49). Prussi paksus väheneb ja samaaegselt suureneb prussi pealmise osa vastupanu tõmbele. Puidu kihid vastu šablooni surutakse kokku, puit surutakse sisse sisselõigete nõgudesse ja võtab ühtlaselt normeeritud sisselõigete lainelise kuju painutatud materjali sisepinnal, mis välistab voltide tekkimise.

Painutamise käigus tõmbe ja kokkusurumise deformatsioonid toimuvad üheaegselt, kuid mitte kogu prussi ristlõike ulatuses, vaid vahetult šabloonile painutatud punkti ja surverulliku vahelisel joonel. Kaasnevad kihtide nihkeprotsessid. Defektivaba prussi painutus on võimalik ainult piirides, kus pikenemise suhteline suurus või kokkusurumine ei ületa antud materjali tugevuse piirsuurusi. Kui materjali vastupanu surumisele on suurem kui venitamisele, siis painde neutraaljoon paikneb ümber nõgusale poolele. Vabal painutamisel purunevad tõmmatud pindmised kihid, sest tõmbedeformatsiooni piirväärtus on puidul kõigest 1-2%, samal ajal kui kokkusurumise deformatsiooni piirväärtus on 15-25%.

Puidu painutamise hõlbustamiseks töödeldakse teda hüdrotermiliselt - keedetakse kuumas vees või aurutatakse. Sellega puit muutub plastilisemaks. Läbikeetmine alandab oluliselt survetugevust ja suurendab kokkukuivamist. Puidu vastupanu venitamisele ja deformatsioonivõimele muutub vähe. Painutamisele minevale toorikule esitatakse järgmisi nõudeid: puit tükeldada ratsionaalselt ettemärkimise järgi, mitte lubada defekte, mis kutsuvad esile painutamise praagi; toorikud saagida välja ainult tervest puidust; kiudude kõrvalekalde suund prussi teljest ei tohi ületada 5-10%. Juurdelõikamisel jälgida, et pikutilõiked läheksid võimalikult kiudude suunas.

Tavalisel viisil painutamiseks ei lubata oksi. Painutamisel koos samaaegse pressimisega lubatakse oksi küllalt suurtes piirides. Toorik tuleb lõigata töötlemise varuga järgnevaks töötlemiseks. Painutamisel koos samaaegse pressimisega peale mehhaanilise töötlemise varu, peab arvestama kokkusurumist ristikiudu. Pressimise varu sõltub puuliigist ja moodustab esialgsest mõõdust männil ja kuusel 30-35%, nulul 50%, lehisel 20%, kasel 25%. Peale selle tuleb anda suurem varu pikkuses.

Puidu plastilisus oluliselt suureneb niiskelt kuumutamisel. Osa raku koostises olevaid aineid kuumutamisel lähevad üle kolloidseks lahuseks, mille tulemusel alaneb rakkude jäikus ja järelikult ka kogu puidumassi jäikus. Kui puit deformeerituna kuivatada, siis lahustatud olekus kolloidsed ained kõvastuvad ja toorik säilitab temale antud kuju. Parimad tulemused saadakse painutamisel puiduniiskusel 25-30% sõltuvalt puuliigist. Madalam ja kõrgem niiskus on ebasobiv. Väiksemal niiskusel on puit vähem plastiline. Niiskus üle 25-30% ei paranda painutamistingimusi, kuid pikeneb kuivatamise aeg ja on seega ebaökonoomne. Pealegi võib liigne vesi paindel ja kokkusurumisel rakuseina purustada.

Hüdrotermiline töötlemine enne painutamist seisneb peamiselt läbiaurutamises või kuumas vees läbikeetmises. Läbikeetmise puuduseks on see, et viib puidu niiskuse ebaühtlaseks ja toimub pealmiste puidukiudude veega üleküllastamine. Keetmisega ühtlase niiskuse ja temperatuuri saavutamine kogu puidu ristlõikes on väga raske. Seepärast läbikeetmist kuumas vees võib soovitada kui läbiaurutamine on tehniliselt võimatu. Näiteks pole tarvis töödelda kogu detaili või kui nõutakse algniiskuse olulist suurendamist kuivadel toorikutel. Keetmisnõusid kuumutatakse tavaliselt auruga. Vee temperatuur hoitakse 90-95 C piires, et mitte tekitada liigset auru.

Keetmise kestvus sellisel temperatuuril sõltub puidu algniiskusest, mõõtmetest ja puuliigist. Pöögile paksusega 40 mm, algniiskusel 15-20% peab kulutama aega keetmiseks 1,5 tundi. Läbikeetmist tehakse suurtes tamme või lehisepuidust anumates. Kasutatakse ka raudanumaid, mis on tsingitud või tinatatud.

Küllastatud auruga läbiaurutamine on rohkem kasutusel. See muudab vähe puidu niiskust, seejuures puit algniiskusega küllastustäpist madalamal suurendab oma niiskust, aga 50-60% niiskusega puit isegi kuiveneb.

Aurutamisel sagedamini kasutatakse madala rõhuga küllastunud auru 0,02-0,05 Mpa, mis vastab auru temperatuurile 102-105^o (0,3-0,5 at.). Kõrgema survega auru kasutamine läbiaurutamise aega lühendab, kuid sisseseade on keerulisem ja töötamine ohtlikum. Aurutatakse spetsiaalsetes horisontaalsetes väikese mahuga teraskateldes. Trumli läbimõõt on 0,3-0,4 m, millesse laotakse väike kogus prusse ja töödeldakse 30-40 min. Toorikute aurutamise kestvus sõltub nende mõõtudest ja niiskusest. Toorikute niiskusel 7-10% olulist mõju avaldab ka puuliik. Kiudude küllastusastme lähedasel niiskusel läbiaurutamise kestvus on kõigil puuliikidel peaaegu ühesugune. Tammest toorikuid 35 x 50 x 100 peab aurutama 35-136 min. Sõltuvalt paksusest ja algniiskusest ja puuliigist on vastavates tabelites antud aurutamise kestvus [26].

Prussikute kambrisse asetamisel tuleb jälgida, et hästi saaksid läbiaurutatud aktiivsed pinnad, kus esineb venitus ja kokkusurumine. Külgmised pinnad võivad olla üksteise vastu. Praktikas on kindlaks tehtud, et on võimalik painutada toortükke ilma rehvita kui suhe h/R  1/30. Kui aga h/R  1/30 painutamine toimub metallrehvi abil. Rehvide paksus võetakse 0,9-3,5 mm ja laius võrdne tooriku laiusega.

Suurt tähtsust omab painutamise kiirus. Suurel kiirusel puit paindub halvasti. Painutuspinkides nurkkiirus moodustab 40-50^o /sek. Toorikuid enne painutamist võib kuumutada mõni minut kõrgsagedusvoolu väljas. Puidu plastilisuse suurendamiseks võib immutada ammoniaagi lahustega, parkainetega, fenoolide ja aldehüüdidega. Alumiiniumi- ja rauamaarjase lahused, kloormagneesium jt. suurendavad hüdroskoopsust. Vajadusel painutada prusse suhtega h/R > 1/6 tuleb eelnevalt immutada 40% karbamiidi lahusega ja kuivatada niiskuseni 15%, pärast seda painutada temperatuuril 100 ⁰C järgneva jahutamisega paindunud olekus kuni 25^o-ni vormi fikseerimiseks. Sellisel viisil saadud kõverad detailid temperatuuril 60-70 ⁰C pehmenevad ja kaotavad oma kuju. Selle puuduse kõrvaldamiseks puitu immutatakse enne painutamist lahuste segus (karbamiid, formaliin, seebikivi ja booraks). Painutamisel immutatud puitu samuti kuumutatakse 100 kraadini. Sellega lahusekomponendid rakuseintes moodustavad karbamiidformaldehüüdvaigu, mis kivistub lõplikult, fikseerides toorikule antud kuju. Puuduseks sellisel puidu ettevalmistamisel on pikk immutusaeg (3 tundi ühe mm paksuse kohta) ja järgnev kuivatamine enne painutamist pehme režiimiga, mis väldib karbamiidformaldehüüdvaigu kivistumist rakkudes.

Puitmaterjalide painutamise viisid ja sisseseaded on mitmesugused. Kõigil juhtudel on vaja šablooni, mille ümber toorik paindub ja mille profiil määrab painde kuju. Ainult täpse šablooni kasutamisel on võimalik saada vajaliku kujuga detaili.

Massiivprussikute painutamiseks kasutatavaid pinke võib jagada kaheks tüübiks: pingid rõngaste (kinniste kontuuri) painutamiseks ja lahtise kontuuri (ringi) painutamiseks. Mittetäieliku ringi painutamise pinkides toorik välispinnaga asetatakse terasest vitsale, painutatakse ümber liikumatu šablooni, avaldades jõudu mõlemale prussi otsale või ühele, kui teine ots on jäigalt kinnitatud. Sellist tüüpi pingid on mahavõetavate või liikumatult kinnitatud kuumutatavate šabloonidega. Esimesel juhul pärast painutamist prussik vits ümber šablooni otstest kinnitatakse šabloonile klambrite abil. Šabloon temale kinnitatud prussikuga võetakse pingilt maha ja suunatakse kuivatuskambrisse. Täisringi painutamise pingis prussik kinnitatakse samuti kuumale šabloonile vitsa abil ja jäetakse sellele kuivama, kuni kinnistub temale antud vorm. Erinevusest mahavõetava šablooniga pinkidega need pingid said nimetuse painutus-kuivatuspingid. Need võivad olla ühe ja kahepoolse kuumutamisega.

Puuduseks on ebaühtlane kuivamine ja vajadus hoida nendes toorikut mitmeid tunde. See vähendab tootlikkust. Nendel pinkidel töötades on otstarbekas enne painutamist toorikut kuivatada kuni 20%, pingis kuivatada 12-15%-ni, aga lõplikult kuivatada pingist vabastatud detailid kuivatuskambris. Kõigil juhtudel on vajalik keedu- või aurutamise paagist tulnud prussik kohe painutada, sest esmalt jahtuvad pealmised kihid, mis allutatakse suurematele pingetele.

Toorikud, mis on kuivatatud (tavaliselt alla 12%) püsiva normini, tuleb jahutada mitu tundi. Seejärel vabastatakse vitsast ja šabloonist ja suunatakse mehaanilisele töötlemisele. Ohutustehnika seisukohalt tuleb jälgida katelde kaante kinnitust, manomeetrite tööd, enne kaane avamist avada väljalaske ventiil, toorikud võtta tangidega, kasutada kindaid. Šabloonid ja vitsad peavad olema kontrollitud. Lahtisel painutamisel hoiduda kummardumast painutatud detaili kohale.