異葉南洋杉木材機(jī)械加工性能評(píng)價(jià)

韋鵬飛 劉衡 唐慶 符韻林

（1. 廣西壯族自治區(qū)南寧樹木園 廣西南寧 530031；2. 廣西大學(xué)林學(xué)院 廣西南寧 530004）

異葉南洋杉（Aracaria heterophylla），南洋杉科（Araucariaceae）南洋杉屬（Araucaria Juss）喬木，原產(chǎn)于大洋洲、南美洲等熱帶、亞熱帶地區(qū)，目前，我國(guó)廣東、廣西等地均有引種栽培[1-2]。異葉南洋杉樹高可達(dá)60～70 m，胸徑可達(dá)1 m 以上，其木材呈淺黃褐色，具有淡淡的杉木氣味，紋理通直，材性優(yōu)良，在澳洲和南非等原產(chǎn)地多用于建筑、家具、薄木貼面等領(lǐng)域，樹皮還可提取松脂[3]，但在我國(guó)主要作為庭院樹[4-5]。近年來(lái)，我國(guó)關(guān)于異葉南洋杉的研究主要集中于苗木培育[6]、引種繁殖[7-9]、木材材性[10-11]等方面，關(guān)于其木材機(jī)械加工性能的研究尚未見(jiàn)有報(bào)道。木材機(jī)械加工性能是衡量木材利用的重要參考依據(jù)，對(duì)木材的合理利用具有重要實(shí)際意義。因此，本文以異葉南洋杉人工林木材為研究對(duì)象，對(duì)其刨削、砂削、銑削、鉆削、開(kāi)榫等5 項(xiàng)機(jī)械加工性能展開(kāi)研究，并進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，為異葉南洋杉木材的合理高效利用提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 材料

異葉南洋杉取自廣西壯族自治區(qū)南寧樹木園，平均胸徑為31.6 cm，氣干密度為0.402 g/cm3，氣干狀態(tài)含水率為13.5%。樣木伐倒后取1.3～3.3、5.3～7.3 m 處木段用于試樣加工，尺寸和數(shù)量見(jiàn)表1。

表1 試件尺寸及數(shù)量

1.2 方法

1.2.1 刨削加工 采用MB504 型木工平刨床進(jìn)行刨削加工。依據(jù)LY/T 2054-2012《鋸材機(jī)械加工性能評(píng)價(jià)方法》，刨削設(shè)定3 個(gè)進(jìn)料速率，結(jié)合實(shí)際情況和設(shè)備條件，設(shè)置進(jìn)料速度分別為7、10、16 m/min，一次刨削深度為1.6 mm，主軸轉(zhuǎn)速為5 300 r/min，刀具數(shù)量為3，刨刀楔角為30°，一次刨削一個(gè)面，分別進(jìn)行3 次刨削。實(shí)驗(yàn)前對(duì)刀具進(jìn)行刃磨，以消除刀具磨損對(duì)刨削加工性能的影響。

1.2.2 砂削加工 采用SRRP6300 型寬帶砂光機(jī)進(jìn)行表面砂光處理。依據(jù)LYT 2054—2012《鋸材機(jī)械加工性能評(píng)價(jià)方法》，進(jìn)料速度為6 m/min，砂削厚度為0.6 mm，分別采用磨料粒度為120 目和80 目砂帶進(jìn)行砂光。隨機(jī)抽取3 塊砂光后試件，每塊試件隨機(jī)選取6 個(gè)點(diǎn)對(duì)砂光表面進(jìn)行表面粗糙度測(cè)試，取平均值。

1.2.3 銑削加工 采用MX5317 型立式雙軸木工銑床進(jìn)行成型銑削。依據(jù)LYT 2054—2012《鋸材機(jī)械加工性能評(píng)價(jià)方法》， 主軸轉(zhuǎn)速為6 000 r/min，銑削深度為1.6 mm，進(jìn)料速度適宜，采用新刃磨的銑刀進(jìn)行測(cè)試加工以避免撕裂木材。順紋理方向一次銑削成型。

1.2.4 鉆削加工 采用Z4013A 型臺(tái)式鉆床進(jìn)行開(kāi)鉆孔。依據(jù)LYT 2054—2012《鋸材機(jī)械加工性能評(píng)價(jià)方法》，采用直徑為25 mm 的單螺紋麻花鉆，主軸轉(zhuǎn)速為486 r/min，進(jìn)料速度適宜，每個(gè)試件上鉆2 個(gè)通孔，采用新刃磨的銳利刀具進(jìn)行加工以保證鉆頭正常切割試件避免撕裂木材。在鉆削過(guò)程中，應(yīng)在試件下方加置墊板，并保證試件與墊板接觸緊密，每鉆削一次應(yīng)移動(dòng)墊板位置，以保證能加工成通孔。

1.2.5 開(kāi)榫加工 采用MZ1610 型方眼機(jī)進(jìn)行開(kāi)榫處理。依據(jù)LYT 2054—2012《鋸材機(jī)械加工性能評(píng)價(jià)方法》，采用邊長(zhǎng)為12.5 mm 的空心鑿，主軸轉(zhuǎn)速為2 840 r/min，每個(gè)試件上進(jìn)行兩次榫眼加工，采用新刃磨的銳利刀具進(jìn)行開(kāi)榫測(cè)試加工。在開(kāi)榫加工時(shí)，應(yīng)在試件下方加置墊板，并保證試件與墊板接觸緊密。加工時(shí)盡可能使榫眼兩邊與木材紋理垂直，另外兩邊平行于木材紋理，加工貫通榫眼。

1.2.6 機(jī)械加工性能等級(jí)評(píng)價(jià) 記錄各項(xiàng)加工缺陷的主要類型及其程度，并對(duì)加工后的試件依據(jù)LYT 2054—2012《鋸材機(jī)械加工性能評(píng)價(jià)方法》將加工質(zhì)量按以下五級(jí)劃分方法進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 級(jí)：優(yōu)秀，無(wú)缺陷，記5 分；2 級(jí)：良好，輕微缺陷，記4 分；3 級(jí)：中等，較大面積的缺陷，記3 分；4 級(jí)：較差，深、大的缺陷，難以消除；記2 分；5 級(jí)：極差，出現(xiàn)試件報(bào)廢或嚴(yán)重的缺陷，記1 分。

1.2.7 綜合機(jī)械加工性能評(píng)價(jià) 參照LYT 2054—2012《鋸材機(jī)械加工性能評(píng)價(jià)方法》，計(jì)算分析異葉南洋杉的刨削、砂削、銑削、鉆削、開(kāi)榫等5 項(xiàng)機(jī)械加工性能。刨削和砂削等級(jí)1 為達(dá)標(biāo)，銑削、鉆削等級(jí)1 和2 為達(dá)標(biāo)，開(kāi)榫等級(jí)1、2、3 為達(dá)標(biāo)。并依據(jù)表2 劃分各項(xiàng)機(jī)械加工性能質(zhì)量等級(jí)。

表2 各項(xiàng)測(cè)試質(zhì)量等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)上述加工工序在木材機(jī)械加工中的重要性，刨削、砂削、銑削的加權(quán)數(shù)為2，鉆削和開(kāi)榫的加權(quán)數(shù)為1，每個(gè)機(jī)械加工項(xiàng)目質(zhì)量級(jí)別乘以其對(duì)應(yīng)的加權(quán)數(shù)，最后將各項(xiàng)結(jié)果相加即為總分。通過(guò)總分比較木材的機(jī)械加工綜合性能，此處5 項(xiàng)機(jī)械加工項(xiàng)目質(zhì)量總分為40。

2 結(jié)果與分析

異葉南洋杉的各項(xiàng)機(jī)械加工性能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 異葉南洋杉機(jī)械加工性能質(zhì)量等級(jí)值

2.1 刨削性能

由表4 可知，當(dāng)進(jìn)料速度為7 m/min 時(shí)（測(cè)試條件1），異葉南洋杉木材刨削1、2、3、4、5級(jí)試樣占比分別為30%、70%、0、0、0；當(dāng)進(jìn)料速度為10 m/min 時(shí)（測(cè)試條件2），異葉南洋杉木材刨削1、2、3、4、5 級(jí)試樣占比分別為10%、80%、10%、0、0；當(dāng)進(jìn)料速度為16 m/min 時(shí)（測(cè)試條件3），異葉南洋杉木材刨削1、2、3、4、5級(jí)試樣占比分別為0、50%、30%、20%、0。隨著進(jìn)料速度的增加，各試件刨削性能下降，在進(jìn)料速度為7 m/min 時(shí)，刨削性能最好。因此，異葉南洋杉木材進(jìn)行刨切加工時(shí)，進(jìn)料速度宜選用7 m/min。異葉南洋杉木材刨削的質(zhì)量等級(jí)為4.3，屬于優(yōu)等。

表4 刨削處理木材各等級(jí)占比 單位：%

異葉南洋杉木材在刨削加工時(shí)產(chǎn)生的缺陷主要是毛刺、毛刺溝痕和壓痕等，可能是因?yàn)榕俚垛g化導(dǎo)致的，故在刨削加工過(guò)程中要保持刨刀的鋒利。

2.2 砂削性能

由表5 知，當(dāng)砂帶目數(shù)為80 目時(shí)（測(cè)試條件1），異葉南洋杉木材砂削1、2、3、4、5 級(jí)試樣占比分別為40%、60%、0、0、0；當(dāng)砂帶目數(shù)為120 目時(shí)（測(cè)試條件2），異葉南洋杉木材砂削1、2、3、4、5 級(jí)試樣占比分別為47%、53%、0、0、0。表面粗糙度的測(cè)試結(jié)果表明，測(cè)試條件2 的表面粗糙度優(yōu)于測(cè)試條件1。隨著砂帶目數(shù)的增加，各試件砂削性能升高，在砂帶目數(shù)為120 目時(shí)，砂削性能最好。因此，異葉南洋杉木材進(jìn)行砂削加工時(shí)，砂帶目數(shù)宜選用120 目。異葉南洋杉木材砂削的質(zhì)量等級(jí)為4.5，屬于優(yōu)等。

表5 砂削處理木材各等級(jí)占比

砂削能有效消除上一道加工工序刨削所產(chǎn)生的加工缺陷，但是由于木材自身因素和加工參數(shù)影響，仍然會(huì)有加工缺陷產(chǎn)生。本次實(shí)驗(yàn)中，異葉南洋杉木材砂削加工質(zhì)量較好，產(chǎn)生缺陷類型為表面絨毛，這是因?yàn)槟静纳肮鈺r(shí)，木材纖維部分與表面分離所形成的。

2.3 銑削性能

異葉南洋杉木材試樣的銑削性能分為3 級(jí)：2級(jí)、3 級(jí)和4 級(jí)占比分別為19%、30%和51%；木材的質(zhì)量達(dá)標(biāo)率為19%，質(zhì)量等級(jí)值為2.7，屬于中等。異葉南洋杉的銑削性能不理想，是因?yàn)槠淠静牟馁|(zhì)輕，紋理直而結(jié)構(gòu)粗，強(qiáng)度弱，容易產(chǎn)生表面纖維未能完全分離現(xiàn)狀，造成加工表面不光滑，影響銑削質(zhì)量。

2.4 鉆削性能

鉆削是木材加工中一種常用的加工方法，是用鉆頭或者擴(kuò)孔鉆在鉆床上加工出孔，操作簡(jiǎn)便，應(yīng)用廣泛。異葉南洋杉木材試樣的鉆削性能分為3 級(jí)：3 級(jí)、4 級(jí)和5 級(jí)占比分別為7%、67%和26%；木材的質(zhì)量達(dá)標(biāo)率為0%，質(zhì)量等級(jí)值為1.8，屬于劣等。

異葉南洋杉的鉆削缺陷類型主要是毛刺和毛刺溝痕，并且缺陷集中在孔的下邊緣，在內(nèi)壁粗糙度上，其木材內(nèi)壁粗糙度相當(dāng)大，甚至可見(jiàn)木纖維撕裂，這也導(dǎo)致了其質(zhì)量分級(jí)多集中在4 級(jí)。缺陷產(chǎn)生的原因可能是因?yàn)椴捎昧寺榛ㄣ@，對(duì)于異葉南洋杉木材應(yīng)選擇圓形沉割刀中心鉆。

2.5 開(kāi)榫性能

榫卯結(jié)構(gòu)是我國(guó)古代家具中常用的接合方式，是我國(guó)古代的智慧結(jié)晶。開(kāi)榫是根據(jù)部件尺寸開(kāi)出榫頭和榫眼，以便進(jìn)行部件之間的接合，需要有一定的裝配精準(zhǔn)度。異葉南洋杉木材試樣的開(kāi)榫性能分為3 級(jí)：2 級(jí)、3 級(jí)和4 級(jí)占比分別為37%、62%和1%；木材的質(zhì)量達(dá)標(biāo)率為99%，質(zhì)量等級(jí)值為3.4，屬于中等。

異葉南洋杉木材開(kāi)榫加工的主要缺陷是毛刺、毛刺溝痕，且多發(fā)生在孔的下邊緣。刀具切削方向與木材紋理垂直時(shí)由于切削阻力大，容易造成缺陷產(chǎn)生，加工表面質(zhì)量較差，切削方面與木材紋理平行時(shí)可以得到較好的加工表面質(zhì)量。

2.6 機(jī)械加工綜合性能評(píng)價(jià)

參照LY/T 2054—2012《鋸材機(jī)械加工性能評(píng)價(jià)方法》標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合每個(gè)加工項(xiàng)目達(dá)標(biāo)率和對(duì)應(yīng)等級(jí)，通過(guò)加權(quán)計(jì)算得到各項(xiàng)目得分，并將其相加得到不同樹齡大花序桉木材機(jī)械加工性能總分（表6），其中刨削選取測(cè)試條件1 結(jié)果計(jì)，砂削選取測(cè)試條件2 結(jié)果計(jì)。在本試驗(yàn)條件下，異葉南洋杉木材的綜合機(jī)械加工性能評(píng)分為16 分，機(jī)械加工性能不夠理想，低于米老排（Mytilaria laosensis）、黑木相思（Acacia melanoxylon）、火力楠（Michelia macclurei）、香樟（Cinnamomum camphora）、核桃楸（Juglans mandshurica）、鵝掌楸（Liriodendron chinense）和銀杏（Ginkgo biloba）等樹種[12-16]，與楊木（Populus）和輻射松（Pinus radiata）的機(jī)械加工性能相近[17]，可能是因?yàn)楫惾~南洋杉、楊木和輻射松相較于闊葉材硬木，其密度較低，需采取特定的機(jī)械加工工藝，因此在異葉南洋杉加工時(shí)應(yīng)注意優(yōu)化加工工藝以提高機(jī)械加工性能。

表6 異葉南洋杉木材機(jī)械加工性能綜合評(píng)分

3 結(jié)論

隨著進(jìn)料速度的增加，異葉南洋杉木材的刨削性能下降，在進(jìn)料速度為7 m/min 時(shí)，刨削性能最好。因此，異葉南洋杉木材進(jìn)行刨切加工時(shí)，進(jìn)料速度宜選用7 m/min。隨著砂帶目數(shù)的增加，異葉南洋杉木材的砂削性能升高，在砂帶目數(shù)為120 目時(shí)，砂削性能最好。因此，異葉南洋杉木材進(jìn)行砂削加工時(shí)，砂帶目數(shù)宜選用120 目。

異葉南洋杉木材的刨削和砂削加工性能為優(yōu)等，銑削和開(kāi)榫加工性能為中等，鉆削加工性能為劣等。

異葉南洋杉木材的綜合機(jī)械加工性能等級(jí)值為3.3，屬中等，綜合機(jī)械加工性能評(píng)分16 分，機(jī)械加工性能不理想，后續(xù)研究應(yīng)著重于異葉南洋杉木材機(jī)械加工工藝的優(yōu)化，以提高其機(jī)械加工性能，使其木材得到更好、更合理的利用。