竹材四面銑削三面剖分加工方式的出材率分析

楊春梅，包玉瑩，馬 巖，任洪娥

（東北林業(yè)大學(xué) 林業(yè)與木工機(jī)械工程技術(shù)中心，黑龍江 哈爾濱150040）

竹材是世界認(rèn)可的可持續(xù)發(fā)展的綠色材料［1-2］。竹材不僅能制造各種高檔竹板材、工藝品，還可用作建筑模板、家具面板等。竹材的開發(fā)加工有利于彌補(bǔ)我國木材資源的缺乏［3］。

竹加工機(jī)械發(fā)展至今也種類繁多［4］，主要利用與發(fā)展在南方各省，且竹材加工機(jī)械企業(yè)的分布又有地域性差異［5］。其竹材加工方式主要有：剖分竹條法、竹材碎料法和復(fù)合法。剖分竹條法是先使用剖竹機(jī)器將竹子剖分成等份的竹片，進(jìn)一步加工成竹條，可用來制作竹集成材制品、牙簽、竹簾等；竹材碎料法是使用削片、刨片、熱磨等方法將竹材制成竹刨花或竹纖維，再經(jīng)機(jī)械加工，制作成竹刨花板或竹纖維板［6］；復(fù)合法是將竹材與其他材料進(jìn)行重組，制成新的材料，該方法有利于發(fā)揮竹材與其他材料的綜合特性。后2種方式屬于比較新的加工方式，還存在諸多問題，需要持續(xù)的研究開發(fā)，因此常用于工業(yè)機(jī)械化生產(chǎn)的是剖分竹條法。

1 材料與方法

1.1 材料

竹材不同于木材，它直徑小、壁薄中空、中間有節(jié)、表面含有蠟質(zhì)和有機(jī)硅［7］，易劈裂致竹材利用率低［8-9］，因此竹材不能像木材那樣直接通過鋸切加工制成板件、方材，再加工成木制品，竹材一般需要先經(jīng)過剖分加工，進(jìn)行進(jìn)一步的刨削加工，獲得竹條，才能用來制作其他竹制品［10］。引用剖分竹條法所獲得的竹條，在其刨削加工的過程中，由于產(chǎn)品品種單一，生產(chǎn)規(guī)模下導(dǎo)致竹材的原料利用率低，常常產(chǎn)生廢料。在如今我國森林資源緊缺的形勢下，如何減少竹材廢料，及充分有效地利用這些廢料［11］，已成為竹材綜合利用的一個(gè)急需解決的問題，而基于此對竹材加工機(jī)械的研究和廢料的充分利用也具有廣闊的市場前景［12］。

1.2 方法

1.2.1 竹片加工方式 剖分后的竹片常規(guī)的加工方式是四面平整銑削加工，即是使用正常平整的銑刀將竹片四面銑掉，只留下中間的竹條，再將之加工成竹篾［13］、竹絲［14］、竹集成材等，最后加工成竹席、牙簽、竹地板、竹家具等產(chǎn)品，而將竹片的竹青、竹黃刨切掉，廢棄不用，造成竹材的極大浪費(fèi)。

針對竹材常規(guī)的加工方式，重新提出一種新的加工方式，即四面銑削三面剖分加工方式（圖1、圖2），具體工藝流程如圖3所示。相比竹片常規(guī)的四面平整銑削加工，用四面銑削三面剖分加工方法所得的竹片的各部分都可用于不一樣的用途：劈刀切下來的竹青，因其背面的青色十分漂亮，在經(jīng)過處理后，可用來制作竹簾或其他飾品；左右兩側(cè)劈出來的細(xì)竹條，可用于制作牙簽；將竹材刨切去青，銑削去黃后齊邊，加工成的竹條，用于制作竹集成材。

圖1 竹片橫截面Fig.1 Cross-section view of bamboo

圖2 竹片四面銑削三面剖分加工方式Fig.2 Bamboo processing way of all side milling and on three sides spliting

圖3 竹片四面銑削三面剖分加工流程Fig.3 Bamboo processing flow chart of all side milling and three sides spliting

1.2.2 竹材四面銑削三面剖分加工后竹片的截面計(jì)算 竹材大多是近似圓柱形的有節(jié)殼體［15-16］，在理想狀態(tài)下，將某一段竹材看成橫截面為圓環(huán)狀，具有一定尖削度的圓臺體［17］。設(shè)竹材最小橫截面的圓環(huán)外徑為R，內(nèi)徑為r，用剖分竹條的方法將竹材剖分成n等份，根據(jù)現(xiàn)在市場上現(xiàn)有的刀具的規(guī)格要求［18］，6≤n≤16。四面銑削三面剖分加工的竹片橫截面扇面圖如圖4所示。

則剖成n分的竹片扇面的角度2°為：

扇面的面積S0：

設(shè)竹片加工后的竹條的長為a，寬為b，則：

將式（3）代入式（4）得：

則竹條的面積S2為：

切去竹黃面積S4為：

將式（3）代入式（7）得：

切去竹青的面積S1

由圖4可知，

將式（3）、式（5）、式（10）代入式（9）得：

細(xì)竹條的面積S3：

將式（2）、式（6）、式（8）、式（11）代入式（12）得：

利用常規(guī)四面銑削方式加工出來的竹材的出材面積

利用四面銑削三面刨削方式加工出來的竹材的出材面積為：

1.2.3 竹材出材率（出板率）計(jì)算分析 竹材的出材率指的是竹材經(jīng)過剖分，在進(jìn)行再加工過程中對竹材的利用程度，或者說是竹制品凈重與生產(chǎn)竹制品所消耗的竹材的總重量的比重，即：

竹材綜合出材率（出板率）：

傳統(tǒng)銑削加工竹材出材率（出板率）：

從上述兩個(gè)公式中可見，四面銑削三面剖分的加工方式能有效的收集利用細(xì)竹條和竹青部分材料，顯然其出材率（出板率）高于普通銑削加工。

圖4 四面銑削三面剖分加工的竹片橫截面扇面Fig.4 Circle graph of bamboo's cross-section view by all side milling and three sides spliting

在理想狀態(tài)下，將剖分前的竹子看作是具有一定尖削度的圓臺體。選擇符合加工需求的一段竹材的長度為L，沿著縱向方向剖切竹材，可得竹材剖面圖，如圖5所示，竹材的大端外徑為R1，內(nèi)徑為r1；小端外徑為R，內(nèi)徑為r。

圖5 理想狀態(tài)竹材的剖面Fig.5 Bamboo section under the ideal state

已知圓臺體積公式為：

式中：V臺：圓臺體積；h：圓臺高度；R：圓臺大端半徑；r：圓臺小端半徑。

由式（16）可算得理想狀態(tài)下竹材的體積V為：

通過四面銑削三面剖分的方法，可以得到竹材的竹條、竹青、細(xì)竹條三部分有效產(chǎn)物，如圖6、圖7以竹材剖分時(shí)n=6為例竹材橫截面圖，其中陰影部分分別表示大小頭橫截面的有效面積，相關(guān)參數(shù)如圖中所示。由此可知竹材外圓臺體積減去內(nèi)多邊形棱臺的體積就是竹材經(jīng)過剖分后的有效體積（圖8）。通過有效體積除以竹材總體積就可以得到相應(yīng)的出材率（出板率）。

圖6 小頭橫截面Fig.6 Cross-section of little head

圖7 大頭橫截面Fig.7 Cross-section of big head

圖8 竹材四面銑削三面剖分后的有效體積Fig.8 Bamboo's effective volume after all side milling and three sides spliting

已知棱臺的體積計(jì)算公式為：

式中：V棱臺：內(nèi)多邊形棱臺體積；h：棱臺的高度；S上：小頭橫截面多邊形面積；S下：大頭橫截面多邊形面積。

由圖6和圖7可知，

將式（3）代入式（19）、式（20）可得：

將式（21）、式（22）代入式（18）可得：

由式（16）可得大小頭外徑圓臺的體積為：

由式（23）、式（24）可知竹材經(jīng)過西面銑削三面剖分后的有效體積為：

竹材的出材率（出板率）為：

將式（17）、式（25）代入式（26）可得：

利用式（27）即可對每段的竹材的出材率進(jìn)行估算，根據(jù)自己所需的竹材的半產(chǎn)品量，計(jì)算好所投入的竹片量，進(jìn)一步避免竹資源的浪費(fèi)。

2 結(jié)果與分析

通過對竹材的實(shí)際測量，獲得相應(yīng)參數(shù)，從而計(jì)算出通過四面銑削三面剖分加工后竹材的出材率（出板率）。為更充分地利用竹材提供實(shí)際依據(jù)，節(jié)約資源。下面是選取了5根竹子作為測量對象，相關(guān)參數(shù)如表1所示。

根據(jù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，竹材橫截面為橢圓形，將其轉(zhuǎn)化為理想狀態(tài)下的圓形，可求得相應(yīng)的大小端外圓半徑。大小端壁厚取平均壁厚計(jì)算出大小端內(nèi)圓半徑。所劈掰數(shù)計(jì)算出相應(yīng)的θ。將這些數(shù)據(jù)代入式（27）可求得每根竹子經(jīng)過四面銑削三面剖分加工后的出材率（出板率）。計(jì)算結(jié)果分別為84.57%、86.99%、95.15%、97.13%、98.30%?？梢?，經(jīng)過四面銑削三面剖分加工后的平均出材率（出板率）高達(dá)92.43%，有效地提高了竹材的利用率。

表1 試驗(yàn)測得5根竹子的相關(guān)參數(shù)Table 1 Experiment measured the related parameters of five bamboo logs mm

3 結(jié)論

通過竹材的性能特點(diǎn)及應(yīng)用范圍的了解，通過研究竹材的加工方式，找出可以提高竹材的出材率（出板率）的方法，與常規(guī)的四面銑削的竹材加工方式相比，四面銑削三面剖分的加工方式，對竹材的利用率更高，可實(shí)現(xiàn)竹材刨削去青齊邊銑削去黃的提質(zhì)增效的效果；利用竹材的出材率公式，可根據(jù)實(shí)測竹材相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算出出材率（出板率）平均高達(dá)92.43%?？梢?，通過四面銑削三面剖分的加工方式的竹材出材率（出板率）比較高，有效地提高了竹材的利用率。同時(shí)通過出材率可預(yù)估竹材的投入與產(chǎn)出，解決竹材領(lǐng)域竹資源的浪費(fèi)問題。

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