Урок технологии на тему "Шиповое соединение столярных изделий"

Классификация соединений в мебельных изделиях

Соединение элементов в мебельное изделие осуществляют различными способами. Выбор вариантов соединений достаточно разнообразен. Конструктор, выбирая то или иное соединение, обязан помнить, что оно должно обеспечить надежность и долговечность изделия, его технологичность и эстетичность.

Все применяемые соединения подразделяются на два основных типа: неразъемные и разъемные.

Неразъемные соединения не предполагают разборки конструкции; соединения элементов в них осуществляют с помощью клея, гвоздей, скоб и бесшурупной фурнитуры. Разъемные соединения позволяют собрать и разобрать конструкцию.

Разъемные соединения подразделяются на стационарные и подвижные. Стационарные соединения обеспечивают постоянное взаимное расположение соединяемых частей мебельного изделия. К ним относятся соединения на стяжках, шурупах, шкантах без клея. Разъемные подвижные соединения обеспечивают перемещение элементов изделия относительно друг друга в заданном направлении. К подвижным соединениям относятся соединения на петлях, роликах, направляющих.

Прочность изделий зависит от прочности соединения деталей. В столярном производстве применяют разнообразные соединения:

шиповые соединения на клею;
соединения без шипов на клею;
соединения шурупами, скрепами, болтами, нагелями и т. п.

Соединения при помощи гвоздей и крепежных скоб

Гвоздевые соединения в производстве мебели применяются редко. Их используют для крепления деталей из тонких листовых материалов.

Гвозди относятся к стандартным изделиям. Они имеют различные размеры по длине и толщине. Форма сечения гвоздей бывает круглой, прямоугольной, с насечкой, с винтовой или кольцевой резьбой. В зависимости от материала различают стальные, медные, алюминиевые гвозди и т. д.

Прочность соединений на гвоздях характеризуется сопротивлением выдергиванию. Оно зависит от размеров гвоздя, формы сечения и материала соединяемых деталей.

Соединение скобами применяют при креплении деталей из тонких листовых материалов, тканей, некоторых полимерных деталей и пружин. Соединение скобами нетрудоемко, но не обладает большой прочностью. При креплении листовых материалов высота скобы должна быть выше толщины детали не менее чем в три раза.

Ящичные соединения

Ящичные столярные соединения относятся к категории угловых. Они широко применяются при производстве мебели и изготовлении столярных изделий. Такие соединения могут быть выполнены при помощи шипов прямых или косых. Их количество зависит от ширины и толщины деталей (щитов). На обоих концах соединяемых деталей делают шип. Та деталь, которая имеет на краю проушину, имеет на один больше выступ.

Соединения ящичного типа могут быть глухими, сквозными, на чистый ус или вполупотай. Выбор зависит от области применения изделий. Сквозные стыки используют для деталей, которые расположены внутри заготовки, а также на лицевых сторонах, если планируется последующее покрытие поверхностей фанерой.

Если деталь открыта только с одной стороны, заготовки соединяют вполупотай. Если же они открыты со всех сторон, применяется методика впотай. Могут применяться вставные шипы. Но такой тип стыковок наименее прочный.

Ящичные примыкания создаются при помощи прямых сквозных шипов, пазов с гребнем. Они могут быть прямоугольной, треугольной, трапециевидной формы. Пазы применяют в том случае, если с внешнего края выступающие торцы иметь нежелательно.

Угловые соединения

Существует и множество иных разновидностей соединений столярных изделий. В отдельную группу выделяются угловые стыковки.

Вязка в этом случае происходит под определенным углом. Такие соединения делятся на ящичные и рамочные виды. Самыми часто применяемыми стыками представленного типа являются:

Внакладку. Это простой, но при этом менее надежный тип совмещения деталей. В торце выбирают материал до половины толщины заготовки.
Рамочный прямой шип. Это основной тип угловых стыков. Шип входит в гнездо. Он может быть одиночным, двойным или тройным. Выбор делают в зависимости от требований к прочности детали. Гнездо может быть с одной стороны открытым. Оно называется глухим. Если гнездо открыто с двух сторон, его называют сквозным. Бывают отверстия, открытые с трех сторон. Их называют проушиной, которая располагается на конце. Гнездо также может быть в срединной части.
Косой шип «ласточкин хвост». Это прочное соединение, которое является более предпочтительным, чем прямой шип. Стык такой конфигурации запиливают не в параллельном направлении относительно кромкам. Основание шипа должно быть 1/3 от толщины бруска. Его конец должен быть 3/5.
На шкантах. Это вязка на дюбелях или круглых вставных шкантах. Соединение получается менее прочным, чем шиповое, но при этом оно более экономичное. В этом случае не требуется делать припуск.
На ус. Концы срезают наискосок. Этот стык применяется как для брусков одинаковой, так и разной ширины. Угол наклона среза может быть разным.

Сращивание и наращивание

На уроках о столярных шиповых соединениях большое внимание уделяется именно этой разновидности стыковки. Они имеют много общего. Сращивание представляет собой соединение двух деталей, расположенных горизонтально, по длине. Наращивание позволяет увеличить длину деталей, которые находятся по отношению друг к другу вертикально. Это, например, может быть стоемный брусок.

Сращивание и наращивание является одним из основных типов соединений в столярном деле. Их применяют с целью получения длинных брусьев, столбов. Обычно длинные детали не выпиливают из одной доски. Эта методика используется в процессе строительных работ. Также в ходе ремонта столярных изделий может потребоваться наращивание или сращивание.

При использовании представленной методики получают лестничные перила, обвязочный брус для здания, плинтусы и прочие подобные изделия.

Чаще для создания длинных деталей применяется древесина твердых лиственных пород. Из нее нарезают небольшие бруски, которые склеиваются по ширине и длине. Процесс создания таких заготовок предполагает применение даже деловых отходов деревообрабатывающей промышленности.

Вам будет интересно:Головачев Павел Яковлевич: биография, участие в сражениях, награды

Столярные соединения деталей представленного типа также применяются при создании дверных полотен, оконных переплетов. При этом чаще применяют хвойные породы древесины. Современные клеевые составы отличаются высокой прочностью. С их помощью удается создать практически незаметный шов.

Существует несколько основных способов наращивания и сращивания:

Впритык. В этом случае элементы соединяются на торцах. Их плоско обрезают под прямым или иным другим углом.
Накладка вполдерева. Деталь при этом чаще всего имеет квадратное или прямоугольное поперечное сечение.
Шипами. Это специальный выступ соответствующей формы. На второй детали есть углубление, которое соответствует по своей конфигурации выступу. Шип столярного соединения может быть круглым, плоским, или косым (например, соединение «ласточкин хвост» (в виде трапеции), которое является часто применяемым в ходе строительных работ).
Клиновидный замок.

Неразъемные соединения

Самой распространенной группой среди неразъемных соединений являются соединения с помощью клея. Благодаря им создают конструкции различных форм и назначения. Клеевые соединения имеют ряд положительных качеств: они достаточно технологичны, имеют высокую прочность, повышают формоустойчивость, снижают вероятность растрескивания.

Шиповые соединения достаточно широко используются в мебельных изделиях. Основные элементы шиповых соединений – шип, гнездо, проушина, шпунт, гребень.

Шип – выступ на конце детали, имеющий определенную форму и размеры. Шип входит в гнездо, проушину или шпунт.

Гнездо – это отверстие или углубление в детали.

Проушина – отверстие на конце детали, открытое с двух или трех сторон. Форма и размеры шипа соответствуют форме и размерам гнезда или проушины.

Шпунт (паз) – это углубление в детали на всю ее длину.

Гребень – выступающая часть детали, совпадающая по форме и размерам со шпунтом. Основные элементы шиповых соединений приведены на рисунке 1.

Рис. 1. Элементы шиповых соединений: 1 – шип плоский; 2 – гнездо; 3 – проушина; 4 – торцовая грань шипа; 5 – заплечики шипа; 6 – боковые грани шипа; 7 – гребень; 8 – паз; 9 – круглый вставной шип (шкант)

По форме шипы бывают плоскими, круглыми, трапециевидными («ласточкин хвост») и зубчатыми. Шипы могут быть цельными (выполненными непосредственно на конце детали) и вставными (являющимися самостоятельными деталями). Вставные круглые шипы называются шкантами. Плоскости боковых граней шипов называются щечками.

Уступы, образующие переход от бруска к телу шипа, называются заплечиками.

Длина шипа – это расстояние от торцевой его грани до заплечиков, его толщина – расстояние между щечками шипа, ширина – поперечный размер щечки.

С помощью шипов образуют соединения:

угловые концевые;
угловые серединные;
угловые ящичные;
по длине и по кромкам.

Шиповые соединения бывают:

сквозные (торец шипа выходит на видимую поверхность своей торцевой гранью);
открытые (после соединения поверхность верхней грани шипа становится видимой);
с потемком (после соединения все боковые грани шипа становятся невидимыми);
с полупотемком (после соединения видна лишь часть верхней грани шипа);
на прямой шип (грани элементов шипового соединения взаимно перпендикулярны);
на ус (торцевые грани соединяемых брусков срезаны под острым углом – чаще всего под углом 45°).

Основные виды шиповых соединений и их размерная взаимосвязь регламентируются ГОСТом 9330-76 (рис. 2, 3).

Рис. 2. Основные характеристики шиповых соединений: конструкция шипа: 1 – цельный; 4, 6 – вставной; количество шипов: 1 – одинарный; 2 – двойной; направление оси шипа: 1, 2 – прямой; 5 – косой; форма шипа: 1, 2, 5 – плоский; 3 – «ласточкин хвост»; 6 – круглый; угловое концевое соединение: 7 – с открытым шипом; 8 – с закрытым шипом; серединное соединение: 9 – сквозное; 10 – с несквозным шипом

Рис. 3. Основные виды шиповых соединений и их размерная взаимосвязь: S0 – толщина; В – ширина; для шканта l длина равна 20–30 мм; l1 = l + (2–3 мм); d = 0,4 S0; S1 = 0,4 S0; для шипа l = (0,5 – 0,8) В; h = 0,7 В1; S2 = 0,5 (S0 – S1); b ≥ 2 мм; l1 = (0,3 – 0,6) l; для шипа ящичного S1 = S3 6, 8, 10, 18 мм

Прочность шиповых соединений зависит от площади склеивания и плотности соприкосновения стыков. Угловые концевые, серединные и ящичные соединения служат для создания объемных конструкций (рамок, коробок, ящиков). Соединения на шип прямые открытые одинарные, двойные или тройные отличаются по прочности, и, следовательно, выбор соединения будет определяться величиной нагрузок при эксплуатации.

Соединения на шип с потемком и полупотемком (сквозные или несквозные) уступают по прочности открытым шиповым соединениям. Но они предохраняют бруски от выворачивания при сборке.

Во всех несквозных соединениях предусматривают зазор (не менее 2 мм) между торцом шипа и стенкой гнезда. Это делают для того, чтобы избежать разрушения конструкции в момент неизбежных деформаций, вызванных гигроскопичностью древесины.

Наиболее распространены в мебельных изделиях соединения на шкант. Это объясняется их положительными качествами:

минимальной трудоемкостью изготовления элементов соединения (выполнением отверстия и шканта) по сравнению с трудоемкостью изготовления иных типовых соединений;
применением шкантовых соединений в изделиях из древесины, позволяющим экономить до 10 % исходного материала;
необходимой прочностью соединения деталей из древесностружечной плиты на шкант.

Соединения на ус применяют в конструкциях, где необходимо скрыть торцы соединяемых деталей. Усовые соединения уступают по прочности и технологичности прямым угловым соединениям.

Из всех ящичных шиповых соединений наиболее прочным является соединения на шип «ласточкин хвост». Соединения по длине позволяют из маломерных отходов изготовлять полноценные детали. Это ведет к увеличению полезного выхода древесины. Из всех способов соединения по длине наиболее распространены зубчатые клеевые соединения (ГОСТ 19414-79). Это объясняется тем, что они обеспечивают высокие показатели прочности на растяжение и на изгиб, являются технологичными, так как для их создания существуют высокопроизводительные специализированные линии (рис. 4).

Зубчатые соединения в зависимости от выхода элементов шипов на пласть и кромку могут быть вертикальными (выход поверхности элементов шипов на пласть), горизонтальными (выход поверхности элементов шипов на кромку); диагональными (выход поверхности элементов шипов на пласть и кромку).

Прочность зубчатого соединения зависит от длины шипа и уклона его пластей. Уклон должен быть не менее 1 : 8, что обеспечивает оптимальные условия сборки.

Рис. 4. Область применения шпонки «ласточка» Hoffmann и ее габаритные размеры

Группа соединений по кромкам служит для увеличения размеров деталей по ширине. Наиболее технологично соединение на гладкую фугу. Соединение по кромкам на шкантах целесообразно применять для сопряжения нешироких деталей. Достаточно прочно и технологично соединение по кромкам на вставную рейку. Рейка может быть выполнена из фанеры или древесины с поперечным расположением волокон.

Соединения по длине на ус и клиновидное обладают высокой прочностью, но требуют значительного расхода материала и трудоемки. При применении шиповых соединений на прочность влияют качество древесины, точность обработки деталей, качество клея и условия склеивания, форма и размеры шипа. Чем больше площадь склеивания, чем меньше шероховатость склеиваемых поверхностей и тоньше клеевой шов, тем прочнее клеевое соединение.

Кроме древесины, в производстве, как известно, применяются материалы, получаемые прессованием из измельченной древесины: древесностружечные плиты, плиты МДФ, ОСБ и др. Они в силу своей структуры не могут служить основой для шипа, несущего механические нагрузки. В этом случае делается только проушина, а в роли шипа используются такие элементы соединения, как круглый и плоский шканты или различные стяжки.

Угловые соединения – это неотъемлемая составляющая почти всех столярных изделий. Как получить соединение, максимально технологичное и менее зависимое от условий эксплуатации? Очевидно, что такое соединение должно иметь ряд преимуществ.

Соединение на шип открытый сквозной – прочное и простое в изготовлении. Но шип виден с обеих сторон. Это существенно ухудшает вид изделия, так как дает потемнение торцов при отделке. Применяется только для древесины и имеет ограничения при малой толщине материала.

Соединение на шип открытый несквозной имеет меньшую площадь склеивания, поэтому менее прочное. Простое в изготовлении. Торец виден с одной стороны. При повышенных нагрузках, например в дверях, используется в комбинации с круглыми шкантами.

Соединение на круглый шкант – достаточно прочное и простое в изготовлении. Шканты изготовляют из древесины твердых пород. Диаметр шканта должен быть равным 0,4 толщины материала.

Соединение на ус несквозной со вставными круглыми шкантами – менее прочное и более сложное в изготовлении. Обеспечивает красивый вид изделия, эстетичность, однотонность при отделке, так как нет открытых торцов. Применяется для соединения профильных деталей.

Соединение на ус с плоским шипом несквозным – простое и достаточно прочное. Изделие имеет красивый вид. При сборке рамок возникают сложности при фиксации углов.

Соединение на ус с плоским шипом сквозным – прочное и простое в изготовлении. Декоративный вид портит шип, видимый с обеих сторон (кромок).

Соединение на ус без шипов на клею и скобах – простое в изготовлении, но непрочное. Применяется для простых и сложных профильных деталей в условиях эксплуатации изделия без нагрузок, например, декоративных рамок.

При малой длине шипа (до 20 мм) прочность соединения снижается, а при увеличении длины шипа свыше 49 мм прочность не повышается. Следовательно, длина шипа должна быть в пределах от 20 до 40 мм.

При одношиповом соединении рекомендуется принимать угол скоса α = (12 – 15)0. При многошиповом соединении угол скоса зависит от величины шага t. Для обеспечения стойкости режущего инструмента следует принимать шаг t шипа в пределах от 8 до 10 мм.

Соединение на «ласточку» Hoffmann – прочное и простое в изготовлении. Элемент соединения может быть со стороны пласти и со стороны угла. Нет открытых торцов. Применяется для любых профильных деталей толщиной от 8 мм (рис. 4, 5).

Шпонки «ласточка» Hoffmann можно эффективно и практически без проблем использовать как для создания отдельных соединений, так и для целых блоков.

«Ласточка» Hoffmann обладает комплексом уникальных свойств:

геометрическая форма тщательно продумана, в поперечном сечении она представляет собой сдвоенный клин. Угловые параметры клиньев таковы, что «ласточка» Hoffmann работает как струбцина, стягивая две соединяемые детали плотно и прочно;
материал, из которого изготовлена «ласточка», – синтетический полимер, который не усыхает, не разбухает, обладает высокой стойкостью к ударным нагрузкам. Он выдерживает как низкую, так и достаточно высокую температуру окружающей среды;
высокая точность изготовления «ласточки» Hoffmann и размеров паза под шпонку гарантирует идеальную прочность и плотность соединения.

Рис. 5. Варианты конструктивных решений со шпонкой «ласточка» Hoffmann

При выполнении столярных и плотничьих работ прибегают к сплачиванию, сращиванию, наращиванию и вязке (угловому соединению) деталей.

Сплачиванием называется соединение брусков и досок в щиты. Иначе такое соединение называется соединением по ширине. Доски и бруски, образующие щит, называют делянками (ламелями).

Сплачивание может производиться на гладкую фугу, в четверть, на рейку, в паз и прямоугольный гребень, в паз и треугольный гребень, в «ласточкин хвост» (рис. 6).

Сплачивание в четверть предполагает, что на каждой из делянок предварительно были выбраны четверти. Сплачивание в четверть очень неэкономично и приводит к излишнему перерасходу древесины.

Более экономично сплачивание на рейку. При сплачивании на рейку пазы выбираются в обеих делянках (ламелях), а их соединение осуществляется при помощи рейки, которая вставляется в смежные пазы на кромках. Шина паза и рейки должна составлять примерно 2/3 от толщины делянки.

Сплачивание в паз (шпунт) и прямоугольный, трапециевидный или треугольный гребень представляет собой близкие виды шипового соединения. Их различие в форме шипа. При таком сплачивании в одной кромке делянки выбирают шпунт, а на кромке другой делают гребень (шип). Паз должен составлять примерно треть толщины делянки, шип должен быть чуть-чуть тоньше.

Сплачивание в шпунт и гребень по прочности несколько уступают клеевому соединению на гладкую фугу. Причина этого кроется в том, что форма шпунта и гребня неизбежно обладает неточностями, вследствие чего нельзя обеспечить необходимую плотность соприкосновения сопрягаемых частей.

Рис. 6. Сплачивание: 1 – на гладкую фугу; 2 – в четверть; 3 – на вставную рейку; 4 – в прямоугольный паз и гребень; 5 – в треугольный паз и гребень; 6 – на шип «ласточкин хвост»

Соединение в паз и гребень применяют при изготовлении щитов, настилке полов и изготовлении столярных перегородок.

Сплачивание в «ласточкин хвост» представляет собой шиповое соединение, особенность которого состоит в том, что шип имеет форму, обратную трапециевидной.

Сплачивание выполняют на клее. При сплачивании щитов применяются и другие виды соединений. Используют шпонки, наконечники в паз и гребень, прямые и треугольные рейки, вклеенные в торец.

Шпонка (как и рейка) – это длинный плоский шип, проходящий по всей длине детали. Шпонка забивается в паз при помощи молотка. Предварительно для увеличения прочности на нее можно нанести клей, но это не является обязательным условием.

Наконечники в паз и гребень крепятся к нижней или верхней торцовой части щита. В самом наконечнике обычно изготовляют паз, а гребень выбирают на щите. Сплошные паз и гребень могут быть заменены шкантами.

Выбор между клеевыми соединениями и иными видами соединений следует делать на основании назначения щита, так как преимущество последних состоит в том, что они предохраняют щиты от коробления.

Сращивание – это соединение отрезков по длине. Применяется в тех случаях, когда из более мелких элементов необходимо сделать более длинную деталь или заготовку. Применяется несколько видов сращивания: впритык, на «ус», вполдерева, косым прирубом, в прямой и косой накладной замок, в прямой и натяжной замок и др. (рис. 7).

Рис. 7. Шиповые соединения по длине

Сращивание впритык – соединение деталей в длину по плоскости с формированием прямых углов. К такому способу сращивания желательно прибегать только в тех случаях, когда не нужно, чтобы изделие было достаточно прочным и было способно выдерживать большие нагрузки. В плотничьем деле сращивание впритык применяют только тогда, когда обе соединяемые части имеют под собой опору. Соединяют их, как правило, при помощи скоб.

Сращивание на ус – соединение, у которого сопрягаемые плоскости образуют с продольными плоскостями заготовок острый угол. Сращенная таким образом деталь крепится при помощи нагелей. Сращивание на «ус» может производиться с наличием выступа, в который упирается другая деталь, или без него, наличие выступа предохраняет от смещения деталей относительно друг друга.

Сращивание вполдерева напоминает сплачивание в четверть. Срез древесины по глубине должен составлять точно половину толщины сопрягаемых брусьев, а длина – превосходить толщину не менее чем в 2,5 раза. Соединение скрепляют нагелями. Такое соединение очень прочное, выдерживает достаточно большие нагрузки и наиболее часто применяется при сращивании гнутых заготовок. В зависимости от угла поверхности по отношению к торцу такое соединение называют сращиванием на прямой или косой накладной замок.

Наиболее прочный способ соединения при сращивании – клеевое зубчатое соединение. Желательно, чтобы при таком соединении длина шипа была больше шага (ширин у основания) примерно в четыре раза.