胡守恒，陳李璨，邵迎濤,3，張水珍，王新洲，李延軍,

（1. 南京林業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210037；2. 北京林業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京100083；3. 杭州大索科技有限公司，浙江 杭州 311251；4. 福建華宇集團(tuán)有限公司，福建 建甌 353003）

中國(guó)竹類資源十分豐富，自20世紀(jì)80年代初至今的幾十年時(shí)間內(nèi)，中國(guó)竹材加工產(chǎn)業(yè)從無(wú)到有得以迅速發(fā)展[1]。傳統(tǒng)的竹加工生產(chǎn)工藝由于利用率不高，會(huì)造成竹材資源的極大浪費(fèi)[2?3]。為了開展竹材的高效加工利用，竹材軟化展平，特別是竹筒無(wú)裂紋展平技術(shù)近年來(lái)發(fā)展壯大，它實(shí)現(xiàn)了以竹片和竹束為主的竹材加工構(gòu)成單元向展平竹板轉(zhuǎn)變，大大提高了竹材利用率[4]。目前，專家學(xué)者主要針對(duì)于竹材軟化展平工藝與設(shè)備、竹材軟化展平機(jī)理等方面進(jìn)行研究[5]。雖然竹材的軟化和展平是竹筒無(wú)裂紋展平的重中之重，但竹筒的預(yù)處理，即去青處理也極為關(guān)鍵。竹材的竹青主要由蠟質(zhì)層、硅脂層和維管束構(gòu)成，且竹青部位的纖維素、木質(zhì)素比竹黃和竹肉部位都高，因此竹青層質(zhì)地堅(jiān)韌，組織致密，難以壓縮、拉伸、變形和軟化[6?7]。因此，去青效果的優(yōu)劣將會(huì)影響到最終展平竹板的展平質(zhì)量。目前，學(xué)者主要研究重組竹的去青程度對(duì)物理力學(xué)強(qiáng)度的影響，以及去青設(shè)備的制造。而針對(duì)竹展平的去青研究鮮有報(bào)道，由于竹青的存在會(huì)對(duì)竹材展平加工產(chǎn)生不良影響，因此研究竹筒的去青工藝對(duì)實(shí)際生產(chǎn)具有積極意義。葉良明等[8]就是否去青，對(duì)重組竹板材的物理力學(xué)強(qiáng)度的影響進(jìn)行研究；李大勝[9]對(duì)整竹去青技術(shù)及裝備進(jìn)行研究；鄧健超等[10]研究了竹束去青程度對(duì)竹束單板層積材物理力學(xué)性能的影響。響應(yīng)面法(response surface method，RSM)是一種采用多元回歸方程擬合響應(yīng)值與因素之間函數(shù)關(guān)系的優(yōu)化統(tǒng)計(jì)方法，通過(guò)對(duì)響應(yīng)曲面及等高線的分析來(lái)獲得最優(yōu)的工藝參數(shù)[11]。其中的中心組合設(shè)計(jì)方法(Box-Behnken Design，BBD)是一種基于3水平的一階或多階試驗(yàn)設(shè)計(jì)建模方法，具有試驗(yàn)次數(shù)少，結(jié)果準(zhǔn)確性高的優(yōu)點(diǎn)[12]。車削工藝參數(shù)對(duì)毛竹Phyllostachys edulis竹筒去青效果存在潛在影響，本研究采用BBD響應(yīng)面法探討竹筒轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度和氣缸壓力對(duì)竹筒去青度的影響，從而獲得竹筒最佳車削去青工藝參數(shù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料 采伐于浙江麗水竹口鎮(zhèn)的5年生新鮮毛竹(靜置室外2周)，選取壁厚10～11 mm，外徑100～110 mm的竹筒截?cái)嘀?5 cm。

1.1.2 主要儀器 浙江莊誠(chéng)竹業(yè)有限公司自主研制的縱向展平機(jī)、車削去青機(jī)、去節(jié)機(jī)、圓鋸機(jī)(型號(hào)：MJ105A)、高溫壓力罐、游標(biāo)卡尺(精度0.02 mm)、皮尺等。

1.2 方法

1.2.1 竹筒去青 竹筒軟化展平的技術(shù)路線如下：備料、截?cái)?、去?jié)、車削去青、開槽、軟化、縱向展平、定型、刨削、銑邊、干燥[13]。截?cái)嗪玫闹裢餐ㄟ^(guò)去節(jié)機(jī)去除內(nèi)節(jié)，通過(guò)車削去青機(jī)(圖1)，按照規(guī)定的車削工藝參數(shù)去青處理。去青完畢后，測(cè)量竹筒破損個(gè)數(shù)(每組試驗(yàn)50個(gè)試樣)、去青厚度和去青度，作為去青效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)。其中，竹筒去青度的測(cè)量采用軟件Image J(圖2)，對(duì)軟化展平后的竹板圖片進(jìn)行處理分析，測(cè)量竹板上的帶青區(qū)域的面積占整個(gè)竹板面積的比例，記錄數(shù)據(jù)并計(jì)算。去青度S=(1-s1)×100%。其中：S為竹筒去青度；s1為展平竹板帶青區(qū)域的面積比例。

1.2.2 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn) 在前期單因素試驗(yàn)結(jié)果基礎(chǔ)上，采用BBD(Box-Behnken Design)響應(yīng)面法進(jìn)行3因素3水平的試驗(yàn)，以竹筒轉(zhuǎn)速、刀具的進(jìn)給速度、氣缸壓力為變量，以去青度為響應(yīng)值，應(yīng)用Design Expert 12 軟件，建立數(shù)學(xué)回歸模型，優(yōu)化竹筒的去青工藝。

1.2.3 響應(yīng)面最佳工藝的驗(yàn)證 根據(jù)響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果，得出較優(yōu)的去青工藝參數(shù)，再進(jìn)行竹筒的軟化展平并計(jì)算去青度，與響應(yīng)面模型預(yù)測(cè)值對(duì)比，驗(yàn)證其可靠性。

圖1 車削去青機(jī)及去青車刀Figure 1 Turing machine of removing bamboo green and turning tool

圖2 圖像處理前后展平竹板材試樣表面Figure 2 Surface of flat bamboo sample before and after image

2 結(jié)果與分析

2.1 車削參數(shù)的單因素試驗(yàn)

2.1.1 竹筒轉(zhuǎn)速對(duì)去青效果的影響 由表1可知：竹筒轉(zhuǎn)速對(duì)去青效果具有明顯影響。當(dāng)竹筒轉(zhuǎn)速過(guò)低時(shí)，轉(zhuǎn)速與進(jìn)給速度不匹配，竹筒表面會(huì)出現(xiàn)規(guī)律性的完全未吃刀的留青情況，導(dǎo)致去青質(zhì)量無(wú)法達(dá)到展平所需的要求。當(dāng)竹筒轉(zhuǎn)速過(guò)高時(shí)，在單位時(shí)間內(nèi)刀具與工件及切屑的摩擦頻率增大，導(dǎo)致竹青面重復(fù)吃刀，去青厚度增大，甚至有可能切削到竹肉。高轉(zhuǎn)速下竹筒的去青厚度達(dá)1.00 mm，大于竹筒本身竹青層的厚度，降低了出材率。因此在進(jìn)給速度和氣缸壓力一定的條件下，竹筒轉(zhuǎn)速以48～56 r·min-1為佳。

2.1.2 進(jìn)給速度對(duì)去青效果的影響 由表2可知：隨著進(jìn)給速度增大，竹筒的去青厚度和去青度總體呈下降趨勢(shì)，導(dǎo)致去青質(zhì)量無(wú)法達(dá)到展平所需的要求。若進(jìn)給速度過(guò)小時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)刀具相對(duì)于工件位移量小于工件每旋轉(zhuǎn)1周時(shí)，刀具切削所產(chǎn)生的切削寬度，導(dǎo)致重復(fù)切削，去青厚度增大，甚至有可能切削到竹肉。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)要求，在保證去青效果達(dá)到要求的前提下，應(yīng)盡可能的選用較大的進(jìn)給速度以獲得最大的生產(chǎn)效率。因此在竹筒轉(zhuǎn)速和氣缸壓力一定的條件下，進(jìn)給速度以0.25～0.35 m·min-1為佳。

2.1.3 氣缸壓力對(duì)去青效果的影響 氣缸壓力是指用于頂緊去青車刀的氣缸預(yù)先設(shè)置好的壓力大小。由表3可知：隨著氣缸壓力的增加，竹筒的去青厚度和去青度均有大幅度的增長(zhǎng)，但此時(shí)破裂率也大大增加。壓力的增加使得切削深度增加，進(jìn)而使車削力變大。當(dāng)車削力超出竹筒所能承受范圍時(shí)，竹筒撕裂。因此雖然較大的壓力可以提高竹筒的去青質(zhì)量，但破裂率也同時(shí)提高，不符合實(shí)際生產(chǎn)的要求。綜上所述，在竹筒轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度一定的條件下，氣缸壓力以0.10～0.20 MPa為佳。

表1 竹筒轉(zhuǎn)速的單因素試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Single factor experimental result of bamboo roration speed

表2 進(jìn)給速度的單因素試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Single factor experimental result of bamboo feed speed

表3 氣缸壓力的單因素試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Single factor experimental result of bamboo pressure

2.2 響應(yīng)面法對(duì)竹筒的去青工藝優(yōu)化

2.2.1 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果 BBD響應(yīng)面試驗(yàn)因素與水平見表4，試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見表5。經(jīng)Desigin-Expert 12 軟件對(duì)17個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的去青度進(jìn)行回歸統(tǒng)計(jì)分析，得到的去青度Y回歸方程Y=40.66+6.56A-2.96B+12.60C-0.5775AB-0.515AC-1.91BC-1.0.343A2+1.86B2。通過(guò)二次回歸方程計(jì)算模擬，當(dāng)A=60 r·min-1，B=0.25 m·min-1，C=0.20 MPa時(shí)，此時(shí)去青度Y的理論最佳值為66.97%。由表6可知：該模型的F=232.45，P＜0.000 1，達(dá)極顯著水平，說(shuō)明該模型有意義。失擬項(xiàng)P=0.391 9＞0.05，表明其影響不顯著，無(wú)失擬因素存在，且預(yù)測(cè)值與校正R2adj接近，說(shuō)明試驗(yàn)操作和理論預(yù)測(cè)可信，可用該回歸方程代替試驗(yàn)真實(shí)點(diǎn)對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。由回歸方程系數(shù)的顯著性檢驗(yàn)說(shuō)明可知：模型一次項(xiàng)(A、B、C)影響極顯著，交互項(xiàng)(BC)和二次項(xiàng)(B2)影響顯著，其余變量對(duì)去青度的影響不顯著。依據(jù)回歸方程Y內(nèi)的系數(shù)，A的系數(shù)為6.56、B的系數(shù)為-2.96、C的系數(shù)為12.60，可得出因素對(duì)去青度的主效應(yīng)順序?yàn)椋篊＞A＞B，即氣缸壓力＞竹筒轉(zhuǎn)速＞進(jìn)給速度。

表4 響應(yīng)面BBD試驗(yàn)因素及水平Table 4 Factors and levels of BBD test

表5 響應(yīng)面BBD試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 5 Design and results of BBD test

表6 回歸模型方差分析Table 6 Variance analysis of regression model

2.2.2 響應(yīng)面優(yōu)化分析 響應(yīng)面分析中等高線圖可以直觀反映各因素之間的相互作用。等高線圖中的線條呈圓形表示兩因素的交換作用不顯著，若呈橢圓形則表示交換作用顯著。如圖3所示：竹筒轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度交換作用較顯著，且進(jìn)給速度在軸向等高線變化較為密集，竹筒轉(zhuǎn)速在軸向等高線變化較為稀疏，因此竹筒轉(zhuǎn)速對(duì)去青度峰值影響較大；如圖4所示：竹筒轉(zhuǎn)速和氣缸壓力交換作用顯著，且壓力在軸向等高線變化較為稀疏，竹筒轉(zhuǎn)速在軸向等高線變化較為密集，因此壓力對(duì)去青度峰值影響較大；同理，如圖5所示：進(jìn)給速度和氣缸壓力交換作用顯著，且壓力在軸向等高線變化較為稀疏，進(jìn)給速度在軸向等高線變化較為密集，因此壓力對(duì)去青度峰值影響較大。

圖3 竹筒轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度對(duì)去青度相互影響的響應(yīng)面圖和等高線圖Figure 3 Contour and response surface plots of Y=f(A, B)

圖4 竹筒轉(zhuǎn)速和氣缸壓力對(duì)去青度相互影響的響應(yīng)面圖和等高線圖Figure 4 Contour and response surface plots of Y=f(A, C)

圖5 進(jìn)給速度和氣缸壓力對(duì)去青度相互影響的響應(yīng)面圖和等高線圖Figure 5 Contour and response surface plots of Y=f(B, C)

2.2.3 響應(yīng)面最優(yōu)工藝的驗(yàn)證 通過(guò)響應(yīng)面法優(yōu)化得到的最佳車削去青工藝：當(dāng)竹筒轉(zhuǎn)速為60 r·min-1，進(jìn)給速度為0.25 m·min-1，氣缸壓力為0.20 MPa時(shí)，得最大去青度為66.97%。采用上述的工藝條件進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證，得到的去青度為65.36%，與理論預(yù)測(cè)值的誤差為-2.37%，證明模型是合理的，可用于實(shí)際去青度的預(yù)測(cè)。

3 結(jié)論

本研究采用車削去青工工藝對(duì)竹筒進(jìn)行去青處理，通過(guò)單因素試驗(yàn)和BBD試驗(yàn)對(duì)工藝進(jìn)行優(yōu)化，得出最佳去青條件：竹筒轉(zhuǎn)速為60 r·min-1，進(jìn)給速度為0.25 m·min-1，氣缸壓力為0.20 MPa，竹筒的去青度為66.97%。同時(shí)，建立了竹筒去青度與各因素變量的二次回歸模型方程，該模型極顯著，且失擬項(xiàng)不顯著，表明該方程對(duì)試驗(yàn)擬合性好，可以應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)加工之中。