軟化處理對桉木刨切單板質(zhì)量的影響1)

徐煜智 王寶金

(南京林業(yè)大學(xué)，南京，210037)

沈毅

(鎮(zhèn)江中福馬機(jī)械有限公司)

吳進(jìn) 馮磊 于浩

(南京林業(yè)大學(xué))

軟化處理對桉木刨切單板質(zhì)量的影響1)

徐煜智 王寶金

(南京林業(yè)大學(xué)，南京，210037)

沈毅

(鎮(zhèn)江中福馬機(jī)械有限公司)

吳進(jìn) 馮磊 于浩

(南京林業(yè)大學(xué))

為改善刨切厚單板質(zhì)量，減少水熱處理時(shí)間，采用帶實(shí)時(shí)噴蒸加熱功能的刨切試驗(yàn)裝置，在冷水浸泡、冷水浸泡再噴蒸加熱、水煮軟化和水煮軟化再噴蒸加熱4種條件下對桉木進(jìn)行刨切試驗(yàn)，刨切厚度為1～6 mm。結(jié)果表明：單板表面粗糙度為4.29～14.30 μm，隨刨切厚度的增加而增加，其中橫紋方向表面粗糙度大于順紋方向，但都能滿足GB/T 13010—2006的要求；單板背面裂隙度在刨切厚度為2～6 mm時(shí)變化幅度不大。相對于未噴蒸加熱的情況，采用實(shí)時(shí)噴蒸加熱刨切的單板橫紋表面粗糙度、順紋表面粗糙度和背面裂隙度的最大降低百分率分別為11.55%、23.12%和28.06%，表明采用實(shí)時(shí)噴蒸加熱處理對改善單板質(zhì)量效果明顯；其中，在水煮軟化再噴蒸加熱的條件下，刨切單板表面粗糙度和背面裂隙度最小。

桉木；軟化處理；噴蒸加熱；刨切質(zhì)量

現(xiàn)階段我國實(shí)木家具需求量增加而森林資源匱乏，為了解決這種供需矛盾，實(shí)木貼面工藝開始興起。實(shí)木貼面是在板材表面貼上一層從木材上刨切或鋸切下來的薄單板，使其表面看起來和真正的實(shí)木無明顯差別，制作方法簡單且成本較低。其中刨切加工屬無屑切削，木材利用率高，目前已被廣泛應(yīng)用于單板的制備。然而現(xiàn)有的刨切機(jī)在刨切2 mm以上單板時(shí)，存在厚薄、均勻度差、背面裂隙過大的缺陷，嚴(yán)重影響后續(xù)加工產(chǎn)品的質(zhì)量。因此，很多企業(yè)采用鋸切的方式生產(chǎn)單板，這雖然避免了表面裂隙及變形等缺陷，但加劇了木材損耗，增加了生產(chǎn)成本[1-2]。為解決刨切單板背面裂紋嚴(yán)重的問題，通常需對木材進(jìn)行各種軟化處理來增加木材塑性，降低切削過程中的切削力，改善單板質(zhì)量[3]。目前，木材行業(yè)主要采用水煮軟化的預(yù)處理方式，處理結(jié)果不盡人意。針對這種情況，國內(nèi)外學(xué)者開始探索將加熱切削技術(shù)用于木材刨切，改進(jìn)切削質(zhì)量。美國學(xué)者在上世紀(jì)70年代開始嘗試在旋切加工中采用熱蒸汽噴射刀刃，提高刀片溫度，加熱切削區(qū)，改善切削質(zhì)量[4-5]，為噴蒸加熱刨切提供了參考。曾春雷等人提出在刨刀切削過程中對山楊木進(jìn)行短暫間隙性的高溫加熱軟化處理，結(jié)果顯示刨切表面光潔度有所提高[6]，之后作者對該方法的理論基礎(chǔ)、應(yīng)用條件等做了進(jìn)一步闡述[7]。Olufemi控制蒸汽溫度和蒸汽作用時(shí)間進(jìn)行了刨切試驗(yàn)，通過分析單板產(chǎn)量和抗拉強(qiáng)度，得出最佳條件[8]。以上研究或通過蒸汽提高刀片溫度，或研究水熱軟化木材的最佳條件，都能夠在一定程度上改進(jìn)刨切單板質(zhì)量。

在此基礎(chǔ)上，筆者采用自主研制的帶實(shí)時(shí)噴蒸加熱的刨切試驗(yàn)裝置，對桉木進(jìn)行噴蒸加熱刨切試驗(yàn)，該裝置設(shè)有蒸汽噴口向刨刀及切削區(qū)木材表面噴射熱蒸汽，加熱效果明顯；并設(shè)置冷水浸泡、冷水浸泡再噴蒸加熱、水煮軟化和水煮軟化再噴蒸加熱4種軟化條件，對比各條件下刨切單板的表面質(zhì)量，驗(yàn)證實(shí)時(shí)噴蒸加熱的軟化效果，達(dá)到提高單板質(zhì)量并減少刨切木方軟化處理時(shí)間的目的。

1 材料與方法

1.1 材料

桉木(EucalyptusrobustaSmith)生長快速、適應(yīng)性強(qiáng)、用途廣泛，是世界人工林重要的優(yōu)質(zhì)樹種之一，現(xiàn)已有120多個(gè)國家和地區(qū)引種栽培，栽培面積占世界人工林總面積的13%[9-10]。本試驗(yàn)以桉木為例，研究實(shí)時(shí)噴蒸加熱對刨切單板質(zhì)量的影響。

試驗(yàn)用桉木產(chǎn)自澳大利亞，含水率105%～135%，徑級22 cm，將其制成240 mm(長)×160 mm(寬)×160 mm(厚)的刨切試驗(yàn)用木方。試驗(yàn)設(shè)置4種軟化條件，冷水浸泡條件下，木方在冷水中浸泡7 d后直接刨切；冷水浸泡再噴蒸加熱條件下，木方在冷水中浸泡7 d后進(jìn)行噴蒸加熱刨切；水煮軟化條件下，木方置于60 ℃的恒溫水箱中水煮7 d后直接刨切；水煮軟化再噴蒸加熱條件下，木方在60 ℃的恒溫水箱中水煮7 d后進(jìn)行噴蒸加熱刨切。冷水溫度與試驗(yàn)地點(diǎn)的氣候相對應(yīng)，平均溫度為5～14 ℃，進(jìn)行噴蒸加熱刨切時(shí)的飽和蒸汽壓力為0.4 MPa，對應(yīng)的蒸汽溫度為140 ℃。

1.2 試驗(yàn)裝置

1.2.1 噴蒸加熱刨切試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置主要由刨切機(jī)構(gòu)4、木方夾持機(jī)構(gòu)5、機(jī)架2、升降進(jìn)給機(jī)構(gòu)1和油缸3組成，外形見圖1，此外還包括外購的液壓站和蒸汽發(fā)生器。機(jī)架2是整個(gè)裝置的基礎(chǔ)和支承。升降進(jìn)給機(jī)構(gòu)1在步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動下帶動木方沿垂直方向上下進(jìn)給，裝有刨刀的刨切機(jī)構(gòu)4沿水平方向往返切削，調(diào)整刨切機(jī)構(gòu)中的壓尺升降可調(diào)整壓縮量，從而控制刨切厚度。刨切機(jī)構(gòu)完成一次單板切削后返程，升降進(jìn)給機(jī)構(gòu)帶動刨切木方下降一定高度，該高度等于下一次刨切單板的厚度[11]。木方夾持機(jī)構(gòu)5可在水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，從而調(diào)整刨刀刃傾角，使刨刀能夠緩慢切入，減小沖擊。刨切機(jī)構(gòu)中的刨切墊板和壓尺墊板上設(shè)有蒸汽通道，與蒸汽發(fā)生器相連，為刨切過程提供用于加熱軟化木材的蒸汽。油缸3與液壓站相連，通過伸縮帶動刨切機(jī)構(gòu)做往返運(yùn)動，為整個(gè)刨切機(jī)構(gòu)提供切削動力。

該試驗(yàn)裝置可刨切木方的最大尺寸為250 mm(長)×160 mm(寬)×200 mm(厚)，最大刨切厚度6 mm，蒸汽溫度140 ℃；選用的蒸汽發(fā)生器型號為A-3kW，瑞城服裝機(jī)械有限公司生產(chǎn)，額定蒸汽壓力0.4 MPa，額定蒸發(fā)量4 kg/h；油缸型號為MOB+CA63×400，活塞直徑63 mm，活塞桿直徑30 mm，行程400 mm，液壓站額定油壓4 MPa，最大流量16 L/min，油缸能提供的推力為12 kN，最大刨切速度5 m/min；刨刀楔角18°，安裝后的切削后角為1°，壓尺楔角30°。

圖1 試驗(yàn)裝置總體結(jié)構(gòu)三維圖

1.2.2 噴蒸加熱刨切原理

噴蒸加熱刨切即向刨切過程中的木材噴射飽和蒸汽，其工作原理如圖2所示。在刨刀墊板3和壓尺墊板5表面沿長度方向開設(shè)蒸汽通道槽，同時(shí)沿寬度方向開設(shè)一系列的蒸汽噴口槽，兩者相互垂直。刨刀墊板與壓尺墊板分別和裝配后的刨刀2及壓尺4形成蒸汽通道和蒸汽噴口，蒸汽通道一端連接蒸汽發(fā)生器。飽和蒸汽由蒸汽發(fā)生器提供，流經(jīng)蒸汽通道，再由蒸汽噴口分別沿著刨刀的前刀面和壓尺的前面噴向刀尖及切削區(qū)的木材表面，提高了刀尖溫度，并通過加熱潤濕使切削區(qū)木材軟化，從而改善切削質(zhì)量。

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在噴蒸加熱刨切試驗(yàn)裝置上進(jìn)行。橫向刨切相對縱向刨切用時(shí)更短，但由于抗拉應(yīng)力大而更易出現(xiàn)木材撕裂等缺陷，因此研究橫紋刨切工藝對提高刨切效率更具意義[12-13]。故安裝試件時(shí)，使切削方向垂直于木纖維方向，即橫向刨切。取刨切速度2.5 m/min，壓尺壓縮量10%，刨刀刃傾角5°，刨切厚度分別取1、2、3、4、5、6 mm。為減小誤差，測量評估從切得的第二張單板開始，每種厚度的單板重復(fù)刨切5片。每次刨切前采用磨刀石磨刨刀，保證切削質(zhì)量。

1.4 單板質(zhì)量檢測方法

通常情況下，用表面粗糙度和背面裂隙度來表示單板質(zhì)量。表面粗糙度的檢測參考刨切單板標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 13010—2006)[14]，測量參數(shù)取輪廓算數(shù)平均偏差，取樣長度2.5 mm，采用TR240型表面粗糙度測量儀，方法見圖3。在每張單板背面選取5個(gè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)在橫紋和順紋方向各測1次，按方向取均值，分別記為橫紋表面粗糙度和順紋表面粗糙度[15]。

單板背面裂隙度的測量暫無相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，趙立在1980年首次提出用滲透檢測法來量化單板的背面裂隙度，此方法沿用至今，被廣泛采用[16-18]，所以本研究采用這種方法測量刨切單板的背面裂隙度。如圖4所示，在單板背面涂以墨水，墨水干后，沿橫纖維方向切開單板，用圓筒刻度放大鏡(×10倍)觀測單板背面裂隙深度，每張單板讀取12個(gè)值，計(jì)算背面平均裂隙度：平均裂隙度=(裂隙高度總和/(裂縫條數(shù)總和×單板厚度))×100%。

2 結(jié)果與分析

經(jīng)過測試，桉木刨切單板表面粗糙度和背面裂隙度值見表1。

2.1 不同軟化條件下桉木刨切單板表面粗糙度比較

GB/T 13010—2006規(guī)定，刨切單板的表面粗糙度應(yīng)低于20 μm，表1中所有粗糙度值均能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，表明軟化處理能夠有效降低單板表面粗糙度，使其滿足實(shí)際生產(chǎn)需求。其中，水煮軟化再噴蒸加熱條件下刨切的單板表面粗糙度相對最小，橫紋和順紋表面粗糙度分別為9.88～11.37 μm和4.92～7.21 μm，遠(yuǎn)低于國標(biāo)要求。這是因?yàn)殚L時(shí)間的水煮和實(shí)時(shí)噴蒸加熱使桉木充分軟化，所以刨切的單板表面光滑平整，質(zhì)量較高。根據(jù)表1可看出，總體而言，無論何種軟化條件，單板表面粗糙度隨刨切厚度的增加而增加，橫紋表面粗糙度大于順紋表面粗糙度。冷水浸泡、冷水浸泡再噴蒸加熱、水煮軟化和水煮軟化再噴蒸加熱4種情況下，粗糙度依次降低，說明采用實(shí)時(shí)噴蒸加熱處理可有效減少木方的水熱處理時(shí)間，但因桉木材性較硬，需配合水煮處理，才能達(dá)到最佳的軟化效果。

表1 各軟化條件下桉木刨切單板表面粗糙度、背面平均裂隙度

軟化條件厚度/mm橫紋表面粗糙度/μm順紋表面粗糙度/μm背面裂隙度/%冷水浸泡111.696.1767212.426.8286313.717.4393413.567.5893514.307.6382614.307.8684冷水浸泡再噴蒸加熱112.054.9148212.035.9578312.246.6083412.716.5283512.426.7478613.047.5379水煮軟化111.175.5844211.115.5473311.305.9674411.706.0278511.836.6774612.667.4371水煮軟化再噴蒸加熱19.884.294029.894.5071310.224.9567411.345.8467510.765.7870611.377.2171

此外，就冷水浸泡再噴蒸加熱與冷水浸泡和水煮軟化再噴蒸加熱與水煮軟化兩種情況作對比分析，分別計(jì)算出橫紋和順紋方向的單板表面粗糙度降低率，結(jié)果見表2。厚度為1 mm時(shí)，冷水浸泡再噴蒸加熱刨切的單板橫紋粗糙度降低率為負(fù)值，屬于特例，在分析時(shí)作為誤差舍去。除此以外，橫紋表面粗糙度降低率為3.08%～13.15%，順紋粗糙度降低率為2.96%～23.12%，驗(yàn)證采用實(shí)時(shí)噴蒸加熱處理能夠有效降低單板的表面粗糙度，且對順紋粗糙度的改善更為明顯。

表2 桉木單板表面粗糙度降低率

注：單板表面粗糙度降低率=((a-b)/a)×100%；其中a為未噴蒸加熱條件下刨切單板的表面粗糙度，b為增加了實(shí)時(shí)噴蒸加熱時(shí)的刨切單板表面粗糙度；負(fù)值屬于例處，在分析時(shí)作為誤差舍去。

2.2 不同軟化條件下桉木刨切單板背面裂隙度比較

由表1可看出，冷水浸泡條件下刨切單板的背面裂隙度為67%～93%，水煮軟化條件下背面裂隙度為44%～78%，說明水煮軟化降低單板背面裂隙度的效果優(yōu)于冷水浸泡。此外，水煮軟化再噴蒸加熱條件下刨切單板的背面裂隙度相對最小，為40%～71%。刨切單板厚度在1～2 mm時(shí)，背面裂隙度隨厚度的增加而大幅增加，裂隙度在單板厚2～6 mm間變化平穩(wěn)，且時(shí)有下降。這是因?yàn)殡S刨切厚度的增加，彎曲程度加重，對單板產(chǎn)生的拉應(yīng)力增加，更易發(fā)生超前裂縫，導(dǎo)致單板背面裂紋深度加大，但背面裂隙度變化不大。冷水浸泡、冷水浸泡再噴蒸加熱、水煮軟化和水煮軟化再噴蒸加熱4種情況下，單板背面裂隙度依次變小，證明實(shí)時(shí)噴蒸加熱對木材的軟化效果明顯，能夠降低單板的背面裂隙度。

此外，就冷水浸泡再噴蒸加熱與冷水浸泡和水煮軟化再噴蒸加熱與水煮軟化兩種情況作對比分析，分別計(jì)算單板背面裂隙度降低率，結(jié)果見表3。刨切厚度1 mm時(shí)，冷水浸泡再噴蒸加熱相對單一的冷水浸泡處理，刨切單板的背面裂隙度降低率最高，達(dá)到28.36%；刨切厚度為3～4 mm時(shí)，采用實(shí)時(shí)噴蒸加熱處理的刨切單板背面裂隙度降低率為9.46%～14.10%，說明此刨切厚度下，噴蒸加熱處理對背面裂隙度的降低效果比較穩(wěn)定；而在刨切5～6 mm厚單板時(shí)，裂隙度降低率為0～5.95%，因?yàn)楹駟伟逶诒磺懈顣r(shí)，噴射的蒸汽只能在一定程度上軟化切削區(qū)表層木材，而無法深入單板內(nèi)部，因此軟化效果不太明顯。

表3 桉木單板背面裂隙度降低率

注：單板背面裂隙度降低率=((c-d)/c)×100%；其中c為未噴蒸加熱條件下刨切單板背面裂隙度，d為增加了實(shí)時(shí)噴蒸加熱時(shí)的刨切單板背面裂隙度。

3 結(jié)論

冷水浸泡、冷水浸泡再噴蒸加熱、水煮軟化和水煮軟化再噴蒸加熱4種軟化條件下刨切桉木，所得單板的表面粗糙度為4.29～14.30 μm，隨刨切厚度的增加而增加，其中橫紋方向表面粗糙度大于順紋方向，但均能滿足GB/T 13010—2006的要求。相對于未噴蒸加熱時(shí)的情況，采用實(shí)時(shí)噴蒸加熱刨切的單板橫紋表面粗糙度降低了3.08%～13.15%，順紋粗糙度降低了2.96%～23.12%，說明實(shí)時(shí)噴蒸加熱對順紋粗糙度的改善更為明顯。

冷水浸泡、冷水浸泡再噴蒸加熱、水煮軟化和水煮軟化再噴蒸加熱4種情況下，單板背面裂隙度依次變小，分別為67%～93%、48%～83%、44%～78%、40%～71%，且背面裂隙度在刨切厚度為1～2 mm時(shí)增加明顯，在厚度為3～6 mm時(shí)變化幅度不大。相對于未噴蒸加熱時(shí)的情況，采用實(shí)時(shí)噴蒸加熱刨切的單板背面裂隙度降低率最高可達(dá)28.36%，且在刨切厚度為3～4 mm時(shí)，噴蒸加熱對背面裂隙度的降低效果比較穩(wěn)定，裂隙度降低率為9.46%～14.10%。

綜上所述，實(shí)時(shí)噴蒸加熱能夠有效降低單板的表面粗糙度和背面裂隙度，改善刨切單板質(zhì)量。

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Effect of Softening Treatment on the Quality of Eucalyptus Sliced Veneer//

Xu Yuzhi, Wang Baojin

(Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, P. R. China);

Shen Yi

(Zhenjiang Zhongfuma Machinery CO. Ltd);

Wu Jin, Feng Lei, Yu Hao

(Nanjing Forestry University)

//Journal of Northeast Forestry University，2017,45(8)：61-65.

In order to improve the quality of sliced thick veneers and to reduce the hydrothermal treatment time, a veneer slicer with the function of real-time steam injection heating was used for slicing experiment of eucalyptus. This experiment was conducted under the four kinds of softening conditions, namely, soaking in cold water, steam heating after soaking in cold water, water-boiling and steam heating after water-boiling. The surface roughness of veneers were 4.29-14.30 μm, and increased gradually with the increase of slicing thickness, the surface roughness perpendicular to grain was larger than that parallel to grain, but all of them could meet GB/T 13010-2006. The change of back clearances tended to be smooth when the slicing thicknesses were 5-6 mm. Compared with the condition of non-steam heating, the quality of veneers sliced with real-time steam heating could be improved obviously, and the maximum reducing percentage of surface roughness perpendicular to and parallel to grain and back clearance were 11.55%, 23.12% and 28.06%, respectively. The surface roughness and the back clearance of veneers were both the smallest under steam heating after water-boiling.

Eucalyptus; Softening treatment; Steam heating; Slicing quality

1)“十二五”國家科技支撐計(jì)劃課題研究任務(wù)(2012BAD24B010202)；江蘇省企業(yè)研究生工作站研究課題；江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)日(PAPD)。

徐煜智，女，1992年3月生，南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，碩士研究生。E-mail:252115529@qq.com.cn。

王寶金，南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，教授。E-mail：wbj@njfu.com.cn。

2017年5月12日。

S784

責(zé)任編輯：戴芳天。