較大尖削度原木旋切方式的改進(jìn)研究

李哲鋒,青龍

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院,呼和浩特 010018)

較大尖削度原木旋切方式的改進(jìn)研究

李哲鋒,青龍*

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院,呼和浩特 010018)

對(duì)較大尖削度原木或小徑材進(jìn)行旋切加工時(shí),不可避免地會(huì)發(fā)生在平行于切削方向且垂直于切削平面內(nèi)的單板切削方向與木材纖維方向形成夾角的現(xiàn)象,這在一定程度上會(huì)增大原材料的損耗,同時(shí)，木材纖維的走向也會(huì)影響制品的性能。為提高木材的利用率并保證所制產(chǎn)品的質(zhì)量,采用傾斜安裝旋切刀片的切削方式進(jìn)行單板旋切加工,并測(cè)定單板所制膠合板和單板層積材的靜曲強(qiáng)度和彈性模量。結(jié)果表明：邊材部位纖維錐角的變化范圍小于心材部位；旋切刀在平行安裝方式與傾斜安裝方式下進(jìn)行切削,纖維錐角的變化趨勢(shì)不變,但后者更小。旋切刀傾斜安裝的方式可以提高原木邊材部位切削單板的質(zhì)量,對(duì)單板的靜曲強(qiáng)度、單板層積材和薄單板所制膠合板的性能都有較好的改善效果。

相對(duì)尖削度；單板；旋切；靜曲強(qiáng)度；彈性模量

人造板生產(chǎn)是一種高效利用木材資源的有效途徑,而膠合板是人造板的重要組成部分。在我國(guó)，膠合板的主要品種為家具制造用膠合板和裝飾裝修用建材類膠合板，而以楊木和桉木為主要原料生產(chǎn)的單板層積材(LVL)比例也有所提升。目前，單板的主要加工方式是原木旋切，即切削方式是回轉(zhuǎn)卡軸和切削刀刃平行的形式。這會(huì)造成單板的紋路邊緣線和纖維方向不平行，由于在加工過(guò)程中切削錐角的變大，會(huì)導(dǎo)致在平行于切削方向且垂直于切削平面內(nèi)單板的切削方向與木材纖維方向形成一定的夾角。雖然這樣形成的山紋會(huì)增加單板的裝飾性，但對(duì)于單板強(qiáng)度或單板膠合而成的木質(zhì)建材，可能會(huì)成為品質(zhì)和力學(xué)性能降低的原因之一。

一般的樹木都帶有尖削度和彎曲度，特別是人工速生林木，其種植密度高、生長(zhǎng)速度快的特點(diǎn)也會(huì)造成原木的尖削度增大[1-3]。在人造板生產(chǎn)中，由于天然林大徑木的減少，使得利用小徑材和加工剩余物產(chǎn)品的產(chǎn)量增加[4]。目前，國(guó)內(nèi)外木材旋切及人造板的相關(guān)研究理論已趨成熟[5-6]，而有關(guān)速生材和小徑材的有效利用以及優(yōu)化加工等方面研究也日趨完善[7-11]，但針對(duì)大尖削度原木的旋切方式研究較少，且多集中在設(shè)備系統(tǒng)的改良[12-15]。

筆者以帶有一定尖削度木段的外輪廓邊緣水平投影為參照，采用傾斜安裝旋切刀片的方式對(duì)其進(jìn)行切削試驗(yàn)，使相對(duì)尖削度(Kr)較大的木材能夠更有效地被利用。然后以旋切單板制備膠合板和單板層積材，通過(guò)產(chǎn)品性能的檢測(cè)驗(yàn)證此旋切方式的有效性，以期達(dá)到提高木材利用率并保證加工制品性能的目的。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與取材方法

選用長(zhǎng)4 m左右，胸徑約33 cm的杉木(CryptomeriajaponicaD.Don)原木8根(編號(hào)A-H)，將每根原木截成長(zhǎng)36 cm的木段8個(gè)(順序編號(hào)1～8)，木段數(shù)量共計(jì)64個(gè)，相對(duì)尖削度(從根部往上在單位長(zhǎng)度內(nèi)，原木直徑縮小量與單位長(zhǎng)度的百分比)均在1.25%～1.50%范圍內(nèi)。采用1 mm間隔的同心圓圖在木段兩端橫截面上找圓，并確定合適的裝夾位置；之后根據(jù)相對(duì)尖削度，通過(guò)兩個(gè)端面圓的直徑差推導(dǎo)出對(duì)應(yīng)的切削錐角(刀具軸線和主切削刃在包含刀軸線和刀尖平面內(nèi)的投影夾角)。

1.2 切削方向與試件纖維方向間角度的確定

1)木段內(nèi)的纖維傾斜角。在試驗(yàn)材料中選取無(wú)亂紋的，將通過(guò)木段中心順紋剖解后兩端面的圓心連接線定義為0°基準(zhǔn)線，使用圖像計(jì)測(cè)軟件Photoshop 6.0對(duì)纖維傾斜角進(jìn)行測(cè)定。

2)單板內(nèi)的纖維交角。供試材的尺寸為300 mm(順紋方向L)×30 mm(弦向T)×1.5 mm(徑向R)，經(jīng)干燥后從樹皮側(cè)向髓心部位順序測(cè)量徑切面(LR面)內(nèi)的纖維交角(圖1)。

圖1 切削單板側(cè)面纖維交角示意圖Fig.1 Diagram of crossing angle of the fibers on side veneer

1.3 單板切削

選取相鄰木段中切削錐角相差較小的兩個(gè)木段用作切削方式的對(duì)比。切削機(jī)構(gòu)的整體布置圖見圖2，先將旋切刀片緩慢靠近回轉(zhuǎn)軸，再調(diào)整刀具的后刀面右端和另一側(cè)的磁石，使其位置固定；之后采用激光測(cè)微器計(jì)量磁石的端面和回轉(zhuǎn)主軸的間距，通過(guò)移動(dòng)此間距以及車床工作臺(tái)的前后傾斜角度來(lái)調(diào)整切削刀片的刃線傾角與切削錐角的大小。試驗(yàn)以原木的中心軸線和外側(cè)邊緣線形成的夾角作為參照，設(shè)置切削刀刃的刃線與其回轉(zhuǎn)軸的夾角保持一致且與邊緣線平行，稱之為“傾斜安裝的方式”，與其對(duì)應(yīng)的為“平行安裝的方式”，如圖3所示，其中，平行安裝時(shí)的A部分和傾斜安裝時(shí)的A′部分為旋切過(guò)程中材料的理論損失部分。

圖2 切削機(jī)構(gòu)的整體布置Fig.2 The overall layout of the peeling mechanism

圖3 刀具傾斜角的設(shè)定方法示意圖Fig.3 Diagram of peeling-tool inclination angle setting

圖4 刀具各角度參考圖Fig.4 The reference drawing of peeling-tool angles

單板切削過(guò)程中，旋切機(jī)(WR-480B型，日本檜山鐵工)參數(shù)設(shè)定為：楔角20°、刀尖角28°、后角45′、前刀面寬0.4 mm、旋切單板厚1.5 mm、旋刀安裝高度0.24 mm。其中，楔角是指在正交平面中測(cè)量的前刀面與后刀面的夾角，刀尖角為在工作基面內(nèi)測(cè)量的主切削平面與副切削平面間的夾角，后角是正交平面中測(cè)量的后刀面與切削平面間的夾角，前刀面指對(duì)被切木材層直接作用，使切屑沿其排出的刀具表面。刀具的各角度如圖4所示，通常為了提高刀具耐磨性、增強(qiáng)刀具強(qiáng)度以及更方便研磨，會(huì)在刀刃尖端部分進(jìn)行處理，刃尖部位由圖4c的Ⅰ狀加工成Ⅱ狀。

1.4 單板及其制品的性能測(cè)定

單板試驗(yàn)片尺寸為110 mm×40 mm×1.5 mm，使用小型力學(xué)試驗(yàn)機(jī)(EZ-Test 500N，島津制作所)，以20 mm/min的速度進(jìn)行3點(diǎn)荷載試驗(yàn)，測(cè)得單板的靜曲強(qiáng)度(MOR)和彈性模量(MOE)。

以單板和脲醛樹脂膠黏劑(Beetle 001型，森邦化工)為原料，分別制備3，5，7層膠合板和4，6層LVL。按照m(樹脂)∶m(小麥粉)∶m(水)∶m(尿素)∶m(氯化銨)=100∶15∶5∶3∶1配制膠黏劑。設(shè)置冷壓壓力為1.0 MPa，時(shí)間為30 min；熱壓壓力1.0 MPa，時(shí)間分別為 60(3層膠合板)，80(4層LVL)，100(5層膠合板)，120(6層LVL)和140 s(7層膠合板)。將上述膠合板和LVL試件制成40 mm(寬)×(1.5×層數(shù))mm(厚)×Lmm(長(zhǎng))的樣品，使用萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)(AGS-H型，島津制作所)測(cè)定單板以及層合板的MOR和MOE。

2 結(jié)果與分析

2.1 原木內(nèi)纖維傾斜角的確定

根據(jù)1.1節(jié)的取樣方法可求得原木段的切削錐角，如表1所示。將表1中方形框線標(biāo)示的木段作為纖維傾斜角的測(cè)定使用，表中同一行數(shù)據(jù)從左到右為原木從根部至梢部的順序。

表1 原木段的切削錐角Table 1 Taper lead angle of logs

原木木段A3內(nèi)的纖維傾斜角如圖5所示，橫軸為木段上的采點(diǎn)位置(0和80為樹皮側(cè)，40附近為髓心部位)。邊材部位纖維傾斜角的均值約為0.1°，而心材部位的均值約為0.6°，是邊材的5～6倍。由此可見，越接近髓心部位傾斜角越大。此外，對(duì)比表1中A3木段的切削錐角0.16°，與圖5所測(cè)得的邊材部位纖維傾斜角差值<0.1°，纖維傾斜角和切削錐角基本一致，而在本試驗(yàn)中切削錐角與相對(duì)尖削度相對(duì)應(yīng)。因此，在采用傾斜安裝旋切刀片的方式對(duì)木段進(jìn)行切削試驗(yàn)中，對(duì)有一定尖削度的原木以木段的外輪廓邊緣水平投影為參照，來(lái)確定切削刀刃的刃線與其回轉(zhuǎn)軸夾角的方法是可行的。

圖5 木段不同部位的纖維傾斜角Fig.5 Fiber inclination angle in different parts of the wood

2.2 單板纖維交角和切削方式的確定

為減少偏差和增加數(shù)據(jù)的有效性，依據(jù)隨機(jī)篩選木段的纖維傾斜角分布情況(表2),推斷因素效應(yīng)間是否有顯著性差異。由于本試驗(yàn)的數(shù)據(jù)比較不僅包括兩兩比較，還包括多個(gè)數(shù)據(jù)與對(duì)照組的比較，所以選用Scheffe多重比較法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。表2中的有意差P=0.05，因此，本試驗(yàn)選用表1中的部分木段(D5和D6、G2和G3、H1和H2)進(jìn)行單板旋切，制備膠合板和LVL并進(jìn)行試驗(yàn)與分析。

表2 部分木段內(nèi)的纖維傾斜角Table 2 Fiber inclination angle in some parts of logs

注：設(shè)定有意差P=0.05，判斷有無(wú)顯著性差異。

傾斜安裝方式下纖維交角的變化如圖6所示。由圖6可知，邊材部分的切削刃線傾斜角和纖維交角是可控的，在1°～2°范圍內(nèi)變化，而在心材部分其角度值的變化范圍大于6°，明顯高于邊材部分。這說(shuō)明傾斜安裝的切削方法在邊材部位可以更好地控制工件旋壓過(guò)程的移動(dòng)，從而提高切削質(zhì)量。

圖6 傾斜安裝方式下纖維交角的變化Fig.6 The change of fiber crossing angle in oblique installation mode for different parts of wood

圖7 測(cè)定位置與纖維交角的關(guān)系Fig.7 The relationship between fiber crossing angle and sampling location

纖維交角隨測(cè)定位置的變化如圖7所示，邊材部分平行安裝的角度數(shù)值都明顯大于傾斜安裝的數(shù)值。因此，利用傾斜安裝的方式進(jìn)行旋切加工時(shí)，由邊材部位產(chǎn)出的單板可以有效減小纖維交角。另一方面，在心材部位由傾斜安裝和平行安裝兩種方式加工后的角度變化較為接近，但心材部分的交角有變大的趨勢(shì)是在加工中無(wú)法改變的。因此，對(duì)于原木邊材部位，旋切刀傾斜安裝與平行安裝相比對(duì)減小纖維交角具有較明顯的效果。此外，由圖2可以看出，平行切削損失的正好是邊材部分，因此對(duì)于材料的利用和單板膠合制品的質(zhì)量都有一定的影響。

纖維交角與加工方式和加工位置的偏差分布見圖8。心材部位數(shù)據(jù)分布的分散程度較大，而邊材部位則較接近平均值，偏離比較小。說(shuō)明傾斜安裝的切削方式可以在一定程度上控制旋切過(guò)程中纖維交角的離散，對(duì)由邊材部位旋切得到的單板品質(zhì)產(chǎn)生較積極的影響。

圖8 切削方式和位置與纖維交角的關(guān)系圖Fig.8 Relationship between fiber crossing angle and peeling method and position

2.3 單板、膠合板和LVL的性能分析

切削方式與制品性能的關(guān)系見圖9。由圖9a可知，在傾斜安裝的切削方式下所得單板的靜曲強(qiáng)度相對(duì)較大，約為平行安裝的切削方式下所得單板的1.5倍。隨著單板層數(shù)的遞增，不同切削方式下單板所制層合板的靜曲強(qiáng)度變化也不一致。傾斜安裝的切削方式下單板所制3，5層膠合板的靜曲強(qiáng)度比平行方式高15%～20%，這可能是因?yàn)槭軉伟謇w維交角的影響所致。而兩種切削方式下7層結(jié)構(gòu)的膠合板靜曲強(qiáng)度差異較小，僅6%左右，這可能是由于膠合板中的單板相互垂直排列的結(jié)構(gòu)所致，層數(shù)的增加在一定程度上降低了纖維交角對(duì)制品性能的影響。此外，傾斜安裝切削方式下4，6層LVL的靜曲強(qiáng)度高于平行安裝切削方式約5%左右。因此，纖維交角對(duì)纖維平行排列的LVL的靜曲強(qiáng)度影響不大。由圖9b可知，不同切削方式下的彈性模量差異較小，但與靜曲強(qiáng)度有相似的變化趨勢(shì)。根據(jù)較為相近的偏差范圍，可以認(rèn)為單板纖維交角和切削刀片的安裝方式并不是影響層合板抗彈性變形能力的主要因素。

由圖9的力學(xué)性能分析可知，傾斜安裝的切削方法下旋切單板及層合板的彎曲強(qiáng)度都高于平行安裝的切削方式，而兩種切削方式下的彈性模量無(wú)明顯差異。因此，與現(xiàn)行的平行切削方式相比，傾斜切削的加工方式能夠提高單板、LVL及層數(shù)較少膠合板的靜曲強(qiáng)度。

圖9 切削方式與制品性能的關(guān)系Fig.9 Relationship between peeling method and product property

3 結(jié) 論

由傾斜安裝方式加工所得單板的靜曲強(qiáng)度比平行安裝方式加工所得單板能提高約1.5倍，傾斜安裝方式可以更充分利用原木的邊材部位。對(duì)切削加工后的單板所制層合板力學(xué)性能分析后顯示：傾斜安裝的加工方式可提高單板層積材靜曲強(qiáng)度約5%；當(dāng)膠合板層數(shù)≤7層時(shí)，傾斜安裝的加工方式可以提高膠合板靜曲強(qiáng)度6%～20%。因此，刀片傾斜安裝的旋切方式在一定程度上能夠改善工件旋切過(guò)程中產(chǎn)生的原木邊材部分的原料浪費(fèi)，提高LVL與層數(shù)較少膠合板的力學(xué)性能，該方法更適合于木質(zhì)建材及工程膠合原料的生產(chǎn)制作。

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Improvement of peeling method for large taper logs

LI Zhefeng,QING Long*

(College of Material Science and Art Design,Inner Mongolia Agricultural University,Hohhot 010018,China)

When peeing the logs with large taper or small diameter,an angle between the wood grain direction and tangential plane on the side surface of the peeling veneer was unavoidable,which could increase raw material waste and worsen the product properties due to the wood grain orientation.In order to improve the utilization of wood and the quality of veneers,this study used a method that the blade had an angle with the log axle in the veneer peeling process.The modulus of rupture (MOR) and modulus of elastic (MOE) of the plywood and laminated veneer lumber (LVL) made from these veneers were examined.The results showed that the variation range of fiber taper angle for sapwood was smaller than that of heartwood.For different peeling methods resulted from the paralleled and oblique installation of the cutters,the change trend of fiber taper angle was stable although the taper angle resulted from the later installation way was smaller.The results of mechanical analysis showed that the MOR of the plywood and the LVL that made from the veneers peeled by the oblique cutter were higher than those peeled by paralleled cutter.No significant difference in the MOE of the plywood and LVL was found between these two methods.It was concluded that the oblique installation method could improve the quality of peeling products made from sapwood and improve the MOR of the LVL and plywood that made of these veneers.

relative taper;veneer;rotary cutting;modulus of rupture;modulus of elasticity

TS643

A

2096-1359(2017)05-0020-05

2017-03-28

2017-06-06

國(guó)家自然科學(xué)基金(31460170)；內(nèi)蒙古自治區(qū)高等學(xué)?？茖W(xué)研究項(xiàng)目(NJZY13081)。

李哲鋒,男,博士,研究方向?yàn)槟静牟牧吓c加工技術(shù)。

青龍,男,副教授。huhelonm@163.com