杉木含水率和纖維夾角對(duì)其鋸切表面粗糙度及與鋼材摩擦系數(shù)的影響

王豪清，童宏拓，馮 琛，錢(qián) 俊

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杉木含水率和纖維夾角對(duì)其鋸切表面粗糙度及與鋼材摩擦系數(shù)的影響

王豪清，童宏拓，馮 琛，錢(qián) 俊

（浙江農(nóng)林大學(xué)工程學(xué)院，浙江 杭州 311300）

通過(guò)控制杉木的含水率與纖維夾角，測(cè)試其鋸切表面粗糙度及其與鋼材摩擦系數(shù)的變化，研究其相互關(guān)系。結(jié)果表明：杉木的鋸切表面粗糙度及其與鋼板的摩擦系數(shù)隨著纖維夾角的變大而變大，在夾角從0°變化為15°時(shí)，杉木鋸切表面粗糙度變化最明顯，增大了11.1%；在夾角從60°變化為90°時(shí)，杉木與鋼板的摩擦系數(shù)變化最明顯，增大了47.4%；杉木的鋸切表面粗糙度和與鋼板的摩擦系數(shù)隨著杉木含水率的增加而上升，在含水率從9%變化為12%時(shí)，杉木鋸切表面粗糙度變化最明顯，增大了37%；在含水率從15%變化為30%時(shí)，杉木與鋼材摩擦系數(shù)變化最明顯，增大了34.7%；在含水率為9%，纖維夾角為0°時(shí)，杉木的鋸切表面粗糙度及與鋼材摩擦系數(shù)最小。

杉木；含水率；纖維夾角；表面粗糙度；摩擦系數(shù)

杉木是我國(guó)南方重要速生豐產(chǎn)林樹(shù)種[1]，是南方地區(qū)主要的商用木材，對(duì)杉木小徑木的利用方式主要是先將小徑木鋸剖成板材[2]，再加工成其他木制品。而在實(shí)際加工過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)工件表面起毛、纖維搓起、撕裂，甚至燒焦發(fā)黑等現(xiàn)象[3]，嚴(yán)重影響鋸剖質(zhì)量、效率和出材率，其主要原因有刀具的耐磨性太差和工件的表面粗糙度和摩擦系數(shù)太大等因素[4]。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)控制杉木的含水率與纖維夾角，測(cè)試其鋸切表面粗糙度及其與鋼材摩擦系數(shù)的變化，從而得出杉木最佳的鋸切含水率與纖維夾角。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

杉木試件：杉木，采自浙江省杭州市臨安區(qū)昌化鎮(zhèn)，共5株，樹(shù)齡8 ~ 12 a，平均胸徑152 mm；試件樣品從離地1.0 ~ 1.5 m處的木段中取14段近芯部的不同角度切面板，寬90 mm，長(zhǎng)220 mm，厚20 mm，樹(shù)中心對(duì)稱(chēng)的2段為1組，共7組，分別干燥至含水率為9%，12%，15%和30%，然后通過(guò)鋸切方式加工成所需規(guī)格的試件。為了試件性能穩(wěn)定，選取結(jié)疤少，年輪均勻的原材。

1.2 儀器與設(shè)備

費(fèi)斯托（FESTOOL）CS70EB木工專(zhuān)用臺(tái)鋸：圖特斯工具系統(tǒng)技術(shù)（上海）有限公司；SETH-EZ-040R高低交變濕熱試驗(yàn)箱：上海愛(ài)斯佩克環(huán)境設(shè)備有限公司；MXD-02摩擦系數(shù)儀：濟(jì)南蘭光機(jī)電技術(shù)有限公司；JB-5C表面粗糙度測(cè)定儀：上海泰明光學(xué)儀器有限公司；游標(biāo)卡尺。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

通過(guò)高低交變濕熱試驗(yàn)箱將杉木的含水率分別調(diào)整為9%（北方的含水率），12%（杭州的含水率），15%（長(zhǎng)江流域平衡含水率）和30%（纖維飽和點(diǎn)）；在相應(yīng)含水率下，通過(guò)鋸機(jī)切割的方式（新鋸片-德國(guó)Leitz225×2.6/1.8×30，鋸片轉(zhuǎn)速為：2 800 r·min-1，試件進(jìn)料速度為：6 m·min-1），分別加工出纖維方向與木材軸向呈0°，15°，30°，45°，60°，75°和90°夾角（以下簡(jiǎn)稱(chēng)纖維夾角）表面的試件；然后檢測(cè)試件的表面粗糙度和試件表面與鋼板之間的摩擦系數(shù)。

試件的尺寸參考中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T10610－2009《產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范（GPS）表面結(jié)構(gòu)輪廓法評(píng)定表面結(jié)構(gòu)的規(guī)則和方法》、GB10006－88《塑料薄膜和薄片摩擦系數(shù)測(cè)定法》和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO8295－1986《塑料、薄膜和薄板摩擦系數(shù)的測(cè)定》，試件測(cè)試表面制作成長(zhǎng)200 mm×寬80 mm×厚15 mm；為測(cè)得數(shù)據(jù)精確，需保證試件在測(cè)試范圍內(nèi)無(wú)結(jié)疤，4次重復(fù)。

試件表面粗糙度的測(cè)定根據(jù)中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T10610－2009《產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范（GPS）表面結(jié)構(gòu)輪廓法評(píng)定表面結(jié)構(gòu)的規(guī)則和方法》；試件摩擦系數(shù)的測(cè)定參考GB10006－88《塑料薄膜和薄片摩擦系數(shù)測(cè)定法》和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO8295－1986《塑料、薄膜和薄板摩擦系數(shù)的測(cè)定》，借鑒美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ASTM D1894《軟塑料薄膜片靜態(tài)和動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)》。

1.4 數(shù)據(jù)分析

使用Origin 8.0版本的繪圖軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 杉木含水率和纖維角度對(duì)鋸切表面粗糙度的影響

根據(jù)試驗(yàn)的結(jié)果得到在不同含水率條件下，杉木的鋸切表面粗糙度與纖維夾角關(guān)系，如圖1所示。

圖1 含水率和纖維角度對(duì)鋸切表面粗糙度的影響

Figure 1 Effect of moisture content and angle between fiber and wood axial directionon surface roughness

從圖1可以看出，在實(shí)驗(yàn)設(shè)定的各個(gè)含水率條件下，隨著纖維夾角的增加，杉木的鋸切表面粗糙度呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，在夾角從0°變化為15°時(shí)，杉木的鋸切表面粗糙度變化較明顯，平均增大了11.1%；在夾角從15°變化為75°時(shí)，杉木的鋸切表面粗糙度變化較平穩(wěn)，平均增大了12.2%；在夾角從75°變化為90°時(shí)，杉木的鋸切表面粗糙度變化較明顯，平均增大了8.3%。這是由于杉木具有較多的管胞和軸向薄壁組織，而這些管胞和軸向薄壁組織都是軸向的，因此，隨著纖維夾角的增大，在鋸切加工時(shí)木材的表面會(huì)產(chǎn)生許多毛刺[5]，增大了鋸切表面的粗糙度。

從圖1可知，杉木的鋸切表面粗糙度隨著含水量的增加而增大，在含水率從9%變化為12%時(shí)，杉木的鋸切表面粗糙度變化最明顯，平均增大了37%；在含水率從12%變化為15%時(shí)，杉木的鋸切表面粗糙度平均增大了2.4%；在含水率從15%變化為30%時(shí)，杉木的鋸切表面粗糙度平均增大了5.3%。這是由于杉木含水率增大時(shí)，其木坯較柔軟，細(xì)胞壁的彈性較大，杉木顆粒之間的結(jié)合強(qiáng)度以及自身的細(xì)胞壁強(qiáng)度較低，導(dǎo)致鋸切杉木時(shí)，其表面與刀帶摩擦更易起毛，增大其鋸切粗糙度[6]。

綜上，在含水率為9%，纖維夾角為0°時(shí)，鋸切杉木表面粗糙度最小。

2.2 杉木含水率及纖維夾角對(duì)其與鋼板的摩擦系數(shù)的影響

根據(jù)試驗(yàn)的結(jié)果得到在不同含水率條件下，杉木纖維夾角與鋼材的摩擦系數(shù)的關(guān)系（圖2）。

圖2 含水率和纖維角度對(duì)摩擦系數(shù)的影響

Figure 2 Effect of moisture content and angle between fiber and wood axial direction on friction coefficient

從圖2可以看出，在實(shí)驗(yàn)設(shè)定的各個(gè)含水率條件下，隨著纖維夾角的增加，杉木與鋼板的摩擦系數(shù)呈增大的趨勢(shì)；在夾角從0°變化為15°時(shí)，杉木與鋼板的摩擦系數(shù)變化較明顯，平均增大了22%；在夾角從15°變化為60°時(shí)，杉木與鋼板的摩擦系數(shù)變化較平穩(wěn)，平均增大了21.3%；在夾角從60°變化為90°時(shí)，杉木與鋼板的摩擦系數(shù)變化最明顯，平均增大了47.4%。由圖1可知，纖維夾角越大，其杉木表面的鋸切粗糙度越大，導(dǎo)致其與鋼板摩擦?xí)r的表面實(shí)際接觸面積越小，而單位面積壓強(qiáng)大，由此產(chǎn)生的粘附摩擦越大[7]，使其與鋼板摩擦力越大。

由圖2可知，杉木與鋼材摩擦系數(shù)隨著含水量的增加而增大；在含水率從9%變化為12%時(shí)，杉木與鋼材摩擦系數(shù)平均增大了8.4%；在含水率從12%變化為15%時(shí)，杉木與鋼材摩擦系數(shù)平均增大了6.6%；在含水率從15%變化為30%時(shí)，杉木與鋼材摩擦系數(shù)變化最明顯，平均增大了34.7%。這是由于隨著含水率的增加，杉木因吸水潤(rùn)脹作用增加了填充在杉木細(xì)胞內(nèi)外的水分子從而增大了杉木與鋼板真實(shí)接觸面積[8]，從而增大了摩擦系數(shù)；當(dāng)木材越接近纖維飽和點(diǎn)其體積變化越明顯，因此，在含水率15%到30%變化時(shí)，其與鋼材摩擦系數(shù)變化最大。

從圖1和圖2可以看出，在含水率為9%，纖維夾角為0°時(shí)，杉木與鋼材摩擦系數(shù)最小。

3 結(jié)論

通過(guò)以上分析可得：

（1）杉木的鋸切表面粗糙度及其與鋼板的摩擦系數(shù)隨著纖維夾角的變大而變大，在夾角從0°變化為15°時(shí)，杉木的鋸切表面粗糙度變化最明顯，平均增大了11.1%；在夾角從60°變化為90°時(shí)，杉木與鋼板的摩擦系數(shù)變化最明顯，平均增大了47.4%。

（2）杉木的表面粗糙度和與鋼板的摩擦系數(shù)隨著杉木含水率的增加而上升，在含水率從9%變化為12%時(shí)，杉木的鋸切表面粗糙度變化最明顯，平均增大了37%；在含水率從15%變化為30%時(shí)，杉木與鋼材摩擦系數(shù)變化最明顯，平均增大了34.7%。

（3）在含水率為9%，纖維夾角為0°時(shí)，杉木的鋸切表面粗糙度及與鋼材摩擦系數(shù)最小。

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Effect of Moisture Content and Angle between Fiber and Wood Axial Direction ofon Surface Roughness and Friction Coefficient

WANG Hao-qing，TONG Hong-tuo，F(xiàn)ENG Chen，QIAN Jun

（School of Engineering，Zhejiang A&F University，Hangzhou 311300，China）

Experiments were conducted on determination of surface roughness and friction coefficient ofwood under different moisture content and angles between fiber and wood axial direction. The results showed that surface roughness of wood and friction coefficient had positive relation with fiber angle. And it had the same relation with moisture content of the wood.

; moisture content; angle between fiber wood axial direction; surface roughness; friction coefficient

10.3969/j.issn.1001-3776.2018.04.010

TS611

A

1001-3776（2018）04-0061-04

2018-01-08；

2018-04-25

木門(mén)智能?chē)娖峒捌犰F回收再利用系統(tǒng)的研究與應(yīng)用（2011SY02）；浙江省智能一體化家具工程技術(shù)研究中心建設(shè)項(xiàng)目（2013E10032）；舒適性多功能坐具關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化（2013KC09）

王豪清，碩士研究生，從事木材科學(xué)與技術(shù)工作；E-mail：865311513@qq.com。

，錢(qián)俊，教授，從事木材科學(xué)與技術(shù)研究；E-mail：junqian@zafu.edu.cn。