基于三維顯微系統(tǒng)的木材切削表面粗糙度分析*

青 龍 邢 東 李哲鋒

（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）

木制品表面粗糙度是觸感及外觀性能的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)之一。影響表面粗糙度值的因素很多，如木材性能、加工機(jī)械精度、加工參數(shù)、刀具材料和刀具參數(shù)[1-2]等。木材加工表面粗糙度由加工本身形成的表面粗糙度和木材細(xì)胞組織構(gòu)造引起的粗糙度兩部分組成，影響表面粗糙度的木材顯微構(gòu)造主要有導(dǎo)管（管孔）、木纖維、軸向薄壁組織、木射線及年輪[1-4]等。而木材加工表面粗糙度直接影響膠黏劑與涂料的消耗量及膠合與涂飾質(zhì)量等[5]。國(guó)內(nèi)外對(duì)于木材表面粗糙度進(jìn)行很多相關(guān)研究[6-18]，基本涵蓋了影響木材加工表面粗糙度的各種因素。但目前對(duì)木材切削表面粗糙度的測(cè)定與評(píng)價(jià)沒有簡(jiǎn)便而又理想的方法，仍采用觸針?lè)ǖ纫跃|(zhì)材料的標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)定理論為基礎(chǔ)發(fā)展而來(lái)的方法測(cè)定木制件表面粗糙度[19-22]，相對(duì)籠統(tǒng)地評(píng)價(jià)木材加工表面粗糙度。本研究采用形狀測(cè)量激光三維顯微系統(tǒng)，測(cè)定分析不同樹種及部位、不同切削方式、放大倍數(shù)和測(cè)試模式對(duì)木材表面粗糙度的影響，并提出適合木材切削表面粗糙度的測(cè)定與評(píng)價(jià)方法。

1 材料與方法

1.1 材料

根據(jù)木材的性能特點(diǎn)，本試驗(yàn)選用了榆木、楊木和樟子松。榆木（Ulmus Rubra）和楊木（PopulusXbeijingensisW.Y.Hsu）取自呼和浩特市玉泉區(qū)。榆木樹齡為45～48年生，邊材部年輪6個(gè)左右，心材部年輪41個(gè)左右，年輪寬度分布為0.35～7.90 mm，平均直徑303 mm。楊木樹齡為34～37年生，邊材部年輪13個(gè)左右，心材部年輪23個(gè)左右，年輪寬度分布為0.57～9.68 mm，平均直徑315 mm。樟子松（Pinus sylvestrisL.var.mongholicaLitv.）取自俄羅斯烏蘭烏德地區(qū)，樹齡為79～83年生。邊材部年輪44個(gè)左右，心材部年輪38個(gè)左右，年輪寬度分布為0.21～3.65 mm，平均直徑310 mm。

1.2 設(shè)備

形狀測(cè)量激光三維顯微系統(tǒng)（VK-X150型，基恩士公司），鋸切用精密推臺(tái)鋸（WA8T型，歐登多機(jī)械制造公司），磨削加工用帶式磨光機(jī)（1860型，青島旭升木工機(jī)械廠），旋切加工用改裝的車床（C630-1型，吳縣動(dòng)力機(jī)械廠）。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 試件制作

根據(jù)木材性能特點(diǎn)，每根原木截取兩頭后橫截鋸成圓盤木段，進(jìn)一步參照GB/T 1929—2009《木材物理力學(xué)試材鋸解及試樣截取方法》制作試件。截取位置和試件尺寸如圖1所示。截取的磨削和鋸切用的試件干燥處理至含水率12%。

圖1 試件截取位置和尺寸示意圖Fig.1 Schematic diagram of specimen selection position and size

1.3.2 試件切削加工

木材是各向異性材料，其主要體現(xiàn)在三切面上。因此，對(duì)切削加工后的三切面粗糙度進(jìn)行測(cè)定評(píng)價(jià)。根據(jù)研究條件切削加工選擇磨削、鋸切和旋切方式。磨削時(shí)用80目砂帶，加工后測(cè)定三切面年輪交接處不同部位的表面粗糙度；鋸切時(shí)把調(diào)制好的試件鋸切成30 mm×30 mm×40 mm的試樣供鋸切表面粗糙度的測(cè)定；旋切時(shí)用40 mm厚的圓盤濕材，加工出0.32 mm厚的切屑，干燥后供表面粗糙度的測(cè)定。

1.3.3 切削表面粗糙度測(cè)定

根據(jù)ISO4287:1997《幾何產(chǎn)品規(guī)范(GPS) - 表面結(jié)構(gòu)：輪廓法-術(shù)語(yǔ)，定義和表面結(jié)構(gòu)參數(shù)》的粗糙度測(cè)量參數(shù)及測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，采用形狀測(cè)量激光三維顯微系統(tǒng)對(duì)木材切削表面粗糙度進(jìn)行測(cè)定分析。該方法無(wú)需對(duì)試樣進(jìn)行蒸金等前期處理，也無(wú)需作切斷、拆卸等處理，可直接進(jìn)行三維測(cè)量分析，完成線粗糙度和面粗糙度的測(cè)定評(píng)價(jià)。表面粗糙度測(cè)定選擇激光三維顯微系統(tǒng)的線粗糙度測(cè)量功能。分別用激光模式和觸針模式測(cè)得算術(shù)平均粗糙度值（Ra）來(lái)評(píng)價(jià)表面粗糙度。放大倍數(shù)直接關(guān)系到木材顯微構(gòu)造，因此選擇200、400和1 000的不同放大倍數(shù)測(cè)定分析表面粗糙度。

2 結(jié)果與分析

2.1 基于顯微系統(tǒng)的切削表面粗糙度檢測(cè)

用激光三維顯微系統(tǒng)可得到如圖2所示的激光掃描生成的主圖像（a）、顏色高度圖像（b）、3D形貌圖像（c）和測(cè)定位置對(duì)應(yīng)的粗糙度測(cè)定輪廓曲線示意圖（d）。圖2為榆木橫切面的磨削加工表面粗糙度測(cè)定示意圖。

圖2 榆木磨削橫切面的微觀形貌和粗糙度測(cè)定示意圖Fig.2 Micromorphology and roughness measurement of the Elm grinding cross-sectional surface

圖2（a）、（b）、（c）中清晰可見榆木管孔的大小、分布和磨屑粉末進(jìn)入管孔的堵塞情況?？梢娒黠@凸凹不同的測(cè)試位置，通過(guò)圖像可直觀地分辨出管孔等木材顯微構(gòu)造，從而可以根據(jù)測(cè)定分析要求選擇合適的評(píng)價(jià)部位。以圖2（d）中所示為例，顯微構(gòu)造明顯部位的表面粗糙度測(cè)試值為17.23 μm，顯微構(gòu)造不明顯部位的測(cè)試值為5.74 μm。木材顯微構(gòu)造對(duì)表面粗糙度的影響顯著。

2.2 不同測(cè)試模式和不同部位的表面粗糙度變化

2.2.1 測(cè)試模式對(duì)表面粗糙度的影響

選定顯微系統(tǒng)的激光模式和觸針模式分別對(duì)榆木切削表面粗糙度進(jìn)行測(cè)試，其三切面磨削表面粗糙度值如圖3所示。

圖3 測(cè)定模式與表面粗糙度變化關(guān)系Fig.3 Relationship between the measurement modes and surface roughness

由圖3可見，觸針模式下的粗糙度測(cè)定值基本小于激光模式測(cè)試的表面粗糙度值，兩者粗糙度值相差5%左右。這是由于觸針頭半徑影響了測(cè)定輪廓線，而激光掃描測(cè)到的更加微觀，因此，以下試驗(yàn)均選用激光測(cè)試模式。

2.2.2 木材三切面表面粗糙度比較分析

圖4所示為榆木磨削加工三切面的表面粗糙度值，測(cè)定部位選定年輪交界處，兼顧早材部和晚材部。

圖4 榆木三切面磨削表面粗糙度的比較Fig.4 Grinding surface roughness comparison of the three-section surfaces of the Elm

由圖4可知，管孔等木材顯微構(gòu)造對(duì)表面粗糙度的影響非常顯著。因此測(cè)定木材表面粗糙度，須考慮木材本身的顯微構(gòu)造影響。磨削加工情況下，榆木三切面顯微構(gòu)造明顯部位的粗糙度為，徑切面＞弦切面＞橫切面。徑切面上導(dǎo)管和木射線等構(gòu)造影響更為突出，弦切面上導(dǎo)管和木射線影響相對(duì)較小，而橫切面上的管孔在一定程度上被磨屑粉末堵住，因而粗糙度較小。

木材顯微構(gòu)造不明顯部位的三切面粗糙度值相對(duì)接近，且弦切面＞橫切面＞徑切面。這是因?yàn)閺角忻婧蜋M切面的木材纖維方向一致，纖維傾角變化相對(duì)小。在弦切面上，因纖維傾角不同而產(chǎn)生逆紋磨削和順紋磨削影響表面粗糙度?？梢姡x擇不同切面部位會(huì)直接影響粗糙度值。

2.3 不同樹種對(duì)切削表面粗糙度的影響

圖5 3種木材鋸切橫切面掃描形貌和三維構(gòu)造比較Fig.5 Comparison of scans and 3D structures of three types of wood sawing cross-section

圖6 3種木材橫切面鋸切表面粗糙度比較Fig.6 Comparison of roughness of three types of sawn wood cross-section

對(duì)榆木、樟子松、楊木3種木材試件橫切面鋸切表面粗糙度進(jìn)行測(cè)定（放大倍數(shù)為200倍），如圖5所示，測(cè)定時(shí)盡量選定年輪交界部位。從圖中可明顯看出3種樹種的微觀構(gòu)造存在很大區(qū)別，如榆木的管孔明顯，樟子松含有較多松脂，而楊木鋸切面相對(duì)平滑。

進(jìn)一步測(cè)得上述3種木材顯微構(gòu)造明顯部位和不明顯部位的粗糙度值，如圖6所示。

由圖6中可見，木材顯微構(gòu)造影響顯著，顯微構(gòu)造明顯部位的粗糙度值為榆木＞松木＞楊木，而3種木材顯微構(gòu)造不明顯的情況下粗糙度趨于接近值，表明樹種影響不顯著。

2.4 切削方式對(duì)表面粗糙度的影響

對(duì)經(jīng)過(guò)磨削、旋切、鋸切的楊木試件進(jìn)行檢測(cè)，其弦切面激光掃描形貌和三維形狀如圖7所示（放大倍數(shù)為200倍）。從圖中可觀察到，鋸切表面木毛刺明顯多，旋切表面相對(duì)較少，磨削加工表面則構(gòu)造不清晰，有被磨平的外觀特征。鋸切和旋切面上可清晰看到表面構(gòu)造凸凹不平的分布。

圖7 不同切削方式下楊木弦切面微觀形貌比較Fig.7 Comparison of the micromorphology of tangential section under the different cutting methods of Poplar

圖8 切削方式與表面粗糙度變化關(guān)系Fig.8 Relationship between the cut patterns and surface roughness

木材顯微構(gòu)造明顯部位和不明顯部位的粗糙度值如圖8所示。楊木弦切面鋸切表面和旋切表面粗糙度值相對(duì)接近，磨削表面粗糙度明顯較小。

可以看出木材顯微構(gòu)造對(duì)粗糙度的影響顯著，顯微構(gòu)造明顯部位粗糙度值是不明顯部位的2～3倍。粗糙度值為鋸切＞旋切＞磨削。結(jié)果表明：不同切削方式下表面粗糙度不同，且相差明顯。

2.5 放大倍數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響

圖9為不同放大倍數(shù)下，旋切的楊木、榆木切屑弦切面微觀構(gòu)造比較。圖中清晰可見試件導(dǎo)管、木射線及紋孔等顯微構(gòu)造的大小及形狀。

圖9 楊木和榆木不同放大倍數(shù)時(shí)微觀構(gòu)造的比較Fig.9 Comparison of microstructures when Poplar and Elm are different magni fications

圖10為榆木、楊木和樟子松木材顯微構(gòu)造明顯部位和不明顯部位的表面粗糙度值，不同放大倍數(shù)情況下粗糙度值有明顯差異。放大倍數(shù)與木材顯微構(gòu)造直接有關(guān)，因此在測(cè)定評(píng)價(jià)木材表面粗糙度時(shí)，必須考慮采用合適的放大倍數(shù)。

圖10 放大倍數(shù)與表面粗糙度的變化關(guān)系Fig.10 Relationship between the magni fication and surface roughness

不同放大倍數(shù)時(shí)，楊木和榆木2種木材顯微構(gòu)造明顯部位的粗糙度值變化截然不同。放大倍數(shù)增大時(shí)，楊木材表面粗糙度值變小，而榆木顯微構(gòu)造明顯部位的粗糙度值隨著放大倍數(shù)的增大而增大而后趨于一定值，放大倍數(shù)大時(shí)很難評(píng)價(jià)其切削表面粗糙度。楊木和樟子松木材的旋切表面粗糙度在不同放大倍數(shù)時(shí)均比較接近。

3種木材顯微構(gòu)造不明顯部位的表面粗糙度變化趨勢(shì)和粗糙度值比較接近，樹種的影響較小。從試驗(yàn)結(jié)果看，測(cè)定榆木表面粗糙度宜采用放大倍數(shù)200，楊木和松木則以放大倍數(shù)400為宜。

3 結(jié)論

1）在相同試驗(yàn)條件下，分別使用激光模式和觸針模式測(cè)定分析切削表面粗糙度，兩種模式測(cè)定值相差5%左右,測(cè)定模式對(duì)粗糙度值有一定影響。本試驗(yàn)采用激光測(cè)定模式。

2）表面粗糙度值因加工方式不同而不同，同樣的測(cè)定條件下，磨削加工表面粗糙度明顯低于鋸切和旋切表面粗糙度，鋸切和旋切表面粗糙度相對(duì)接近；木材顯微構(gòu)造明顯時(shí)，榆木磨削加工表面不同切面粗糙度值為徑切面＞弦切面＞橫切面，木材顯微構(gòu)造不明顯時(shí)弦切面＞橫切面＞徑切面。木材顯微構(gòu)造對(duì)粗糙度的影響顯著，評(píng)價(jià)木材加工表面粗糙度時(shí)必須考慮不同部位顯微構(gòu)造的影響。

3）放大倍數(shù)與木材顯微構(gòu)造有關(guān)，在木材顯微構(gòu)造不明顯時(shí)影響相對(duì)較小。在該試驗(yàn)條件下，測(cè)定榆木表面粗糙度宜采用放大倍數(shù)200，楊木和松木則以放大倍數(shù)400為宜。

綜合考慮影響木材切削表面粗糙度因素，木材切削表面粗糙度測(cè)定評(píng)價(jià)宜采用兩步法：第一步，考慮樹種、不同切面和切削加工方式等選定木制品測(cè)定評(píng)價(jià)部位；第二步,考慮測(cè)定模式、放大倍數(shù)和測(cè)定設(shè)備精度，選定滿足測(cè)定要求的方法來(lái)完成木材切削表面粗糙度的測(cè)定與評(píng)價(jià)。