Testutrustning för böjning av massiva ämnen av bok och björk Dick Sandberg Växjö University, School of Technology & Design Working paper no. 2007:23 i
Sammanfattning Syftet med denna undersökning var att testa möjligheten att massivböja ämnen av bok och björk avsedda för Arcus armstöd till en radie av 250 respektive 130 mm, under för böjning gynnsamma förhållanden. Basningen av ämnena genomfördes i vattenånga (100 C). Ämnenas dimension var 35 x 52 x 452 mm 3. Resultaten visar att det är fullt möjligt att böja bok till radie 130 mm under förutsättning att basningen är tillräcklig och att verktyget är korrekt utfört, det vill säga begränsar töjningen på ämnets dragbelastade del till ca 1 %. Björk kunde inte böjas till radien 130 mm utan betydande skador. Skadorna bestod huvudsak i att ämnet knäcktes som en följd av att fibrerna kollapsade på den tryckta sidan. Vid försök att böja björkämnen till radien 250 mm minskade ovanstående problem, men det fanns fortfarande tydliga skador i fiberstrukturen. ii
Innehåll 1. Inledning... 1 1.1 Bakgrund till försöken... 1 1.2 Syfte och mål... 1 2. Material och metod... 1 2.1 Material... 1 2.2 Metod för böjningsförsök... 2 3. Resultat... 5 3.1 Böjning av bok... 5 3.2 Böjning av björk... 6 4. Slutsatser... 8 Bilaga 1: Försöksprotokoll... i iii
1. Inledning 1.1 Bakgrund till försöken För att kunna böja ett massivt trästycke med den metod som tillämpas vid Kinnarps i Skillingaryd krävs att trämaterialet är rätt basat när böjningen inleds. Basningen bestäms förutom av ämnenas utgångsfuktkvot av hur väl HF-processen kan styras för att uppnå en för böjningen lämplig temperatur och fuktkvot i ämnet (ca. 100 C och 20 25 %). Det tidsintervall inom vilket ämnets temperatur och fuktkvot i kombination är i rätt nivå för att böja materialet har visat sig vara i storleksordningen 30 sekunder. Ytterligare en mycket viktig parameter att ta hänsyn till för att böjningen skall bli lyckosam är hur töjningarna fördelas i ämnet vid böjningen, vilket bland annat beror på utformningen av verktyget. Vid försök hos Kinnarps har det varit svårt att bedöma vad som orsakat skador i de ämnen som böjts. Det vill säga om det har varit felaktig basning (fuktkvot och/eller värme) vid böjningen, olämpliga pressparametrar eller om utformningen av verktyget orsakat skador. Förmodligen har det i många fall varit en kombination av dessa faktorer. För att begränsa antalet variabler vid försöken att optimera böjprocessen, genomfördes de nu redovisade testerna i en experimentutrustning vid Växjö universitet. 1.2 Syfte och mål Syftet med denna undersökning var att testa möjligheten att massivböja ämnen till Arcus armstöd av bok och björk till en radie av 250 respektive 130 mm, under för böjning gynnsamma förhållanden. Målet är fastställa om det är möjligt att böja Arcusämnen av bok respektive björk utan synliga skador i form av översträckning eller buckling av ämnet till radie 250 och 130 mm, under förutsättning att ämnet har en för böjningen lämpligt basning (fukt- och temperaturtillstånd). 2. Material och metod 2.1 Material Ämnen för tillverkning av armstöd Arcus av bok och björk användes för försöken. Totalt omfattade försöket 34 ämnen, hälften av vartdera träslaget. Samtliga ämnen var tagna från Kinnarps ordinarie leveranser från Öveds Slöjdfabrik och höll en fuktkvot kring 25 %. Ämnenas dimension var 452 x 52 x 34 mm 3. Böjning genomfördes till radien 250 mm eller 130 mm, med antal prov enligt tabell 1. Tabell 1. Antal prov av bok respektive björk för test med olika böjningsradier. Träslag Antal prover Radie 250 mm Radie 130 mm Bok 8 9 Björk 10 7 1
2.2 Metod för böjningsförsök Försöken genomfördes i en experimentutrustning för böjning, där ett ämne Arcus kan böjas åt gången, figur 1. Figur 1. Böjningsapparat för böjning av ett ämne Arcus åt gången. Dragplåten som användes var tillverkad av fjäderstål med tjockleken 2 mm och bredden 120 mm, figur 2. Ändstopparna täckte ämnets hela ändträyta. För att säkerställa god passning mellan ändstoppar och trä kunde ändstopparnas lägen justeras så att en viss axiell förspänning erhölls, figur 3. För att erhålla en jämnare böjning var dragplåtens baksida (konvex sida i böjt läge) försedd med två, vid vardera ändstopp fastmonterad, stödplåt med tjockleken 10 mm, figur 4. Figur 2. Dragplåt för böjning av massivträ. Figur 3. Justerbart ändstopp på dragplåt för böjning av massivträ. Pilen markerar ögla för fixering av ämne och dragplåt i böjt tillstånd. 2
Figur 4. Stödplåtar på dragplåt för böjning av massivträ. Böjningen genomfördes över ett fast halvcirkulärt mothåll (form) av stål med radien 250 mm eller 130 mm, figur 5. En anordning för fasthållning av ämnet vid böjningen applicerade en kraft tvärs ämnets längdriktning vid ämnets halva längd, figur 5. För att få fullständig basning (vilket har varit ett problem vid uppvärmning med hjälp av HF-fältet) genomfördes basningen i vattenånga (100 C). Ämnena lufttorkades under två veckor i inspänt läge, vilket var tillräckligt för sänka fuktkvoten så pass att ämnets återfjädring begränsades då det lossades från inspänningen. Figur 5. Träämne böjt över fast mothåll (radie 130 mm) och med utanpåliggande dragplåt. Pilen markerar en under böjningen applicerade kraft för att hålla ämnet på plats. 3
Följande arbetsordning tillämpades vid försöken. 1) Försöksmaterialet utgjordes av ämnen av Arcus bok och björk med en fuktkvot på ca. 25 % som var inplastade för att undvika snabb uttorkning. 2) Basning i ånga/vattenbad i minst 2 timmar, varvid temperaturen kom upp till 97 98 C vid bestämning med stickmätare i borrat hål mitt på biten. Bitarna basades i max 8 timmar. 3) Ämnena spändes in i dragplåten och ändtryck applicerades genom att ändstopparna skruvades åt vad som för hand var möjligt. 4) Dragplåt med ämnen placerades i böjutrustningen. 5) Böjning av ämnet, genom handvevning. Böjningen tog 1 2 minuter. 6) Den böjda formen fixerades med hjälp av en kedja med vantskruv som fästes om spändes mellan dragplåtens ändstoppar, se pil i figur 3. 7) Torkning i rumstemperatur minst 2 veckor innan ämnena lossades från spännbanden. 4
3. Resultat I bilaga 1 ges en sammanställning av noteringar för genomförande och resultat. 3.1 Böjning av bok Figur 6 visar exempel på böjda bokämnen. Vid böjning av bok till radien 250 mm uppstod inga synliga skador på något av de 8 ämnen som testades. Vid böjning av bok till radien 130 mm uppstod inga synliga skador, som inte kunde bearbetas bort i efterföljande bearbetningssteg för Arcus armstöd, på något av de 9 ämnen som testades. 3 av ämnena fick en svagt vågig yta på ämnets kantsidor. Viss olikformig böj förekom hos de torkade ämnena. Detta anses i huvudsak bero på olika handhavande vid inspänning av ämnena inför torkningen, det vill säga hur hårt spänd och hur väl centrerad kejdan för fixeringen blev. Figur 6. Bokämnen som är böjda till 250 mm respektive 130 mm radie. Missfärgningen av ämnet beror på föroreningar i det vattenbad där basningen utfördes. En viss ojämn form uppstod i ämnets ändar på grund av att ändstoppen tog mot formen, figur 7. Detta problem förekom i samtliga försök, men anses inte påverka frågeställningens resultat i detta försök. Figur 7. Ändstoppen tog i mothållet vid böjningen, vilket medförde att ämnet fick något tjockare dimension i ändarna. 5
3.2 Böjning av björk Figur 8 visar exempel på björkämnen böjda till 250 respektive 130 mm radie. Inget av de 17 proverna klarade sig helt utan synliga skador. Vid böjning till radie 250 mm uppstod dragbrott hos ett prov. Detta förorsakades av att ändstoppen inte drogs åt, vilket resulterade i att när böjningen påbörjades fanns ett glapp mellan ämne och ändstopp på hela 3 mm. Frånsett detta förekom inga dragbrott på något av björkproverna, vilket visar att dragplåten har haft avsedd verkan. Figur 8. Björkämnen som är böjda till 250 mm respektive 130 mm radie. Efter böjning av björk till 250 mm radie förekom följande synliga skador på ämnena: Kantsidorna uppvisade i samtliga fall komprimeringsskador, det vill säga fibrerna har blivit stukade och en skarp fördjupning tvärs fiberriktningen uppkommer, figur 9. På den konkava sidan förekom samma typ av komprimeringsskador som återfanns på kantsidorna enligt ovan. Detta förekom på hälften av proverna. På resterande prover var den konkava ytan vågig, figur 10. Hos några få prover var skadorna så lindriga att ämnena skulle kunna användas för tillverkning av armstöd, det vill säga de synliga skadorna skulle försvinna vid den fortsatta bearbetningen. Figur 9. Komprimeringsskador på kantsida efter torkning hos björkprov böjt till 250 mm radie. Samma typ av skador förekom även på den konkava sidan. 6
Figur 10. Vågighet hos björkprover böjda till 250 mm radie. Vid böjning av björk till radien 130 mm uppstod, som tidigare nämnts, inga skador på den dragna (konvexa) sidan, men de blev ändå så skadade att de inte skulle kunna användas i produkter. I fyra av sju fall knäcktes ämnet vid böjningen, det vill säga ett kraftigt knä medförde att ämnets form avvek från den halvcirkulära formen som var eftersträvad, se prov nummer 8 och 9 i figur 8. Runt det område där knäckningen skett uppstod sprickor, figur 11. Figur 11. Sprickor kring knäck på björkämne som böjts till radien 130 mm. Det övriga tre proverna som inte knäcktes hade kraftiga komprimeringsskador och vågighet både på den konkava ytan och på kantsidorna, se till exempel nr 7 i figur 8. Vid klyvning av några prover kunde inre sprickor upptäckas nära provernas ändar, figur 12. 7
Figur 12. Inre sprickor efter torkning i björkämne som har böjts till 130 mm radie. 4. Slutsatser Praktiska försök visar att med fullt basat trä är det möjligt att böja massiv bok (tjocklek 35 mm) till en radie av 130 mm utan synliga skador. Detta stöds även av teorin. Björk har i detta försök inte varit möjlig att böja till radie 130 mm. Skadorna blev då omfattande. Böjning av björk till radie 250 mm kan vara möjlig utan skador vid en mer förfinad process än vad som använts i detta försök. Hos björk som böjts till radie 250 mm uppkom även komprimeringsskador som kräver omfattande efterbearbetning av ämnet för att det skall kunna användas i produkter av typen armstöd för Arcus. 8
Bilaga 1: Försöksprotokoll Material och metod Böjförsöken genomfördes i testriggen för böjning vid VXU, 4 maj 2004 med fler dagar. Två olika mallar med böjradier 130 och 250 mm användes. Träslag björk och bok. 1) Råa träbitar av Arcus björk. Dimension 452 x 35 x 52 mm 3 2) Basning i ånga/vattenbad i minst 2 timmar, så att temperaturen kom upp till 97 98 C vid bestämning med stickmätare i borrat hål mitt på biten. Bitarna var basade i max 8 timmar. 3) Böjning i experimentfixturen. 4) Ändtryck i allmänhet 5) Torkning i rumstemperatur under mer än 2 veckor, eller i torkskåp 103 C under ca. 1 dygn. Tabell 1. Björkprover (nr. 1 17) Prov nr Radie (mm) Basing Mothåll Vevhastighet 1 250 2 tim. 0 mm glapp Normal 2 250 2 tim. 1 mm glapp Normal 3 250 2,5 tim. 3 mm glapp Normal 4 250 8 tim. Snabb 5 250 8 tim. Snabb 6 250 8 tim. Hårt förspänd Långsam 7 130 8 tim. Snabb 8 130 8 tim. Snabb 9 130 8 tim. Förspänd Långsam 10 250 8 tim. Förspänd? Långsam? 11 130 97 98 C Förspänd Långsam 12 130 97 98 C Fram & tillbaka Långsam 13 130 97 98 C Förspänd Långsam 14 130 Omkörning 15 250 97 98 C Förspänd Snabb 16 250 97 98 C Förspänd Långsam 17 250 97 98 C Förspänd Långsam Tabell 2. Bokprover (nr. 18 24) Prov nr Radie (mm) Basning Mothåll Vevhastighet 18 130 97 98 C Förspänd Normal 19 130 97 98 C Förspänd Normal 20 130 97 98 C Förspänd Normal 21 250 97 98 C Förspänd Normal 22 250 97 98 C Förspänd Normal 23 250 97 98 C Förspänd Normal 24 250 97 98 C Förspänd Normal i
Resultat Nedan ges en sammanställning av för blotta ögat synliga skador efter torkning hos de ämnen som böjts. Prov nr Radie (mm) Dragsida Trycksida Kantsidor 1 250 Inga skador Viss komp.sk. Viss komp.sk. 2 250 Inga skador Viss komp.sk. Viss komp.sk. 3 250 Dragbrott Svag vågighet Ojämn yta 4 250 Inga skador Viss komp.sk. Viss komp.sk. 5 250 Inga skador Viss komp.sk. Viss komp.sk. 6 250 Inga skador Svag vågighet Viss komp.sk. 7 130 Inga skador Stark vågighet Komp.sk., Våg 8 130 Inga skador Knäckning Knäckning 9 130 Inga skador Knäckning Knäckning 10 250 Inga skador Komp.sk. Komp.sk. 11 130 Inga skador Stark vågighet Komp.sk., Våg 12 130 Inga skador Knäckning Knäckning 13 130 Inga skador Komp.sk. Komp.sk. 14 130 Inga skador Knäckning Knäckning 15 250 Inga skador Svag vågighet Viss komp.sk. 16 250 Inga skador Svag vågighet Komp.sk. 17 250 Inga skador Svag vågighet Komp.sk. 18 130 Inga skador Inga skador Inga skador 19 130 Inga skador Inga skador Inga skador 20 130 Inga skador Inga skador Svag vågighet 21 250 Inga skador Inga skador Inga skador 22 250 Inga skador Inga skador Inga skador 23 250 Inga skador Inga skador Inga skador 24 250 Inga skador Inga skador Inga skador ii