刨花切削參數(shù)對(duì)黃樺OSB刨花質(zhì)量的影響

鄭圣龍 李 園 何雨晨 解林坤 萬(wàn) 輝

（西南林業(yè)大學(xué)材料與化學(xué)工程學(xué)院，云南 昆明 650223）

定向刨花板（Oriented Strand Board, OSB）是一種以小徑材、間伐材、木芯等為原料，通過(guò)刨片、干燥、涂膠、定向鋪裝、熱壓成型等工藝制成的人造板材[1]。具有材料利用率高，高強(qiáng)度、尺寸穩(wěn)定性好、材質(zhì)均勻等優(yōu)點(diǎn)[2-3]。

OSB生產(chǎn)對(duì)刨花有嚴(yán)格的尺寸要求[4]。刨花形狀是影響OSB性能及其生產(chǎn)過(guò)程的主要質(zhì)量控制參數(shù)[5–8]。用于OSB的刨花要求為長(zhǎng)寬比大、長(zhǎng)度方向與木材纖維方向一致的薄長(zhǎng)條狀大刨花，因此木纖維的破壞程度低，制備的板材能基本保留木材的天然特性[8]。且隨著刨花長(zhǎng)度和寬度的增加，厚度減小，孔隙率下降，刨花之間的接觸更為緊密，因而OSB具有更好的穩(wěn)定性和強(qiáng)度[8]。但過(guò)長(zhǎng)的刨花極容易卷曲，在貯存時(shí)易出現(xiàn)搭橋現(xiàn)象，在拌膠時(shí)也易出現(xiàn)膠液分布不均等情況。為統(tǒng)一刨花的尺寸、形狀和質(zhì)量，并降低生產(chǎn)能耗，切削刨花前，需要對(duì)原木進(jìn)行軟化處理，以降低木材硬度，增加可塑性[9-10]。有研究表明，原木預(yù)處理溫度和圓盤(pán)刨片機(jī)飛刀后角對(duì)紅橡木刨花的質(zhì)量具有重要影響，其中預(yù)處理溫度的影響更為顯著[11]，較高的溫度可以充分軟化木材[12–15]，并且盤(pán)式刨片機(jī)切削功率小，切削性能優(yōu)越[4]，加工獲得的刨花質(zhì)量高。

原木的切削方向是控制刨花形態(tài)質(zhì)量的手段之一[16]。木材為各向異性材料，在不同切削方向上切屑的形成和木材的變形各不相同。研究表明，使用盤(pán)式刨片機(jī)切削刨花時(shí)，采取橫向或近似橫向的切削方式，即刀具垂直木材紋理方向切削，容易形成帶狀刨花[4]。而縱（徑）向切削，即沿著木材長(zhǎng)度方向切削，制得的刨花具有相似的尺寸和形狀，且長(zhǎng)度一致[4]。此外刨花形態(tài)還受其他多種因素的影響，如木材種類(lèi)、含水率[17]、切削參數(shù)等。其中，刨花切削參數(shù)的選擇和控制尤為重要，直接影響OSB的性能[18–23]。因此，針對(duì)不同的樹(shù)種，應(yīng)制定不同的切削參數(shù)，以保證OSB產(chǎn)品質(zhì)量，同時(shí)有效提高資源利用率[24]。

近年來(lái)，楊木資源的短缺及其價(jià)格的升高[25]，使其作為OSB生產(chǎn)原材料的優(yōu)勢(shì)逐漸消失。國(guó)內(nèi)外開(kāi)始使用原料相對(duì)豐富的硬木樹(shù)種，如樺木、軟楓木、硬楓木、水曲柳等，以及一些軟木間伐材（如松樹(shù)、云杉等）生產(chǎn)OSB[11]。

目前，關(guān)于刨花切削參數(shù)對(duì)黃樺OSB刨花性質(zhì)及其板材性能影響的研究鮮有報(bào)道。通過(guò)調(diào)研企業(yè)發(fā)現(xiàn)，黃樺OSB刨花易出現(xiàn)卷曲的問(wèn)題。鑒于此，本文以CAE式圓盤(pán)刨片機(jī)為例，研究圓盤(pán)刨片機(jī)的飛刀前角、后角、刀伸量、底刀刃角、木材溫度、切削方向、刨花切削長(zhǎng)度等刨花切削參數(shù)對(duì)黃樺刨花的形態(tài)分布、卷曲指數(shù)、抗拉強(qiáng)度和切削能量消耗的影響，以便于更好地優(yōu)化黃樺OSB的生產(chǎn)工藝。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用材選取加拿大魁北克的黃樺（Betula arneghaniensis britton）原木，胸徑35 cm，將其鋸成12.7 cm×12.7 cm×12.7 cm的木方，剔除有缺陷的試件，選擇邊材和芯材比例相近的樣品。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

CAE 6/36實(shí)驗(yàn)室型圓盤(pán)刨片機(jī)（加拿大，Kadant Carmanah, Inc）；F6002Q型鏈帶式刨花干燥爐（美國(guó)德州，Upgrade Technologies, Inc）；Instron 5566雙柱測(cè)試萬(wàn)能系統(tǒng)(美國(guó)，Instron, Inc）；Fluke 302 鉗形電流表（美國(guó)，F(xiàn)luke, Inc）。

1.3 刨花制備與質(zhì)量測(cè)定

1.3.1 刨花制備

分別參考GB/T 1933—2009《木材密度測(cè)定方法》和GB/T 1931—2009《木材含水率測(cè)定方法》，測(cè)定木材樣品的密度和含水率。將樣品置于恒溫恒濕箱中，控制其初始溫度分別為2、21 ℃和60 ℃。采用圓盤(pán)刨片機(jī)對(duì)木材進(jìn)行切削，切刀速度為1 770 r/min，進(jìn)料切削壓力為0.55 MPa。將切削制得的刨花置于鏈帶式刨花干燥爐中，在103 ℃下干燥24 h，然后在相對(duì)濕度為60%和溫度為20 ℃的房間內(nèi)陳放24 h，以平衡刨花含水率。

圖1所示為CAE圓盤(pán)式刨片機(jī)刀具的角度與裝配參數(shù)，橫向、縱向切削及飛刀切削面。

圖1 CAE盤(pán)式刨片機(jī)切削方向Fig.1 CAE disc flake setting

CAE盤(pán)式削片機(jī)刀具厚度為8 mm，材質(zhì)為A8鋼。飛刀前角為55°，刃角為32°，后角為3°，刀伸量為0.635 mm；底刀刃角為38°，底刀后縮距離為10 mm，耐磨板角度為78°。

圓形刀盤(pán)端面徑向?qū)ΨQ(chēng)式配置兩組飛刀和底刀，刀盤(pán)作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)對(duì)木材進(jìn)行刨削加工。盤(pán)式刨片機(jī)對(duì)木材的切削形式是飛刀的切削作用和木片對(duì)底刀的碰撞及剪切作用。刨花的厚度始終取決于飛刀的伸量。橫向切削時(shí)，刨花寬度尺寸由飛刀速度、飛刀切出木片對(duì)底刀的碰撞力、底刀角度、木片含水率、木片溫度及木材紋理決定[4]，刨花的長(zhǎng)度尺寸取決于割斷刀的間距?？v向切削時(shí)，刨花寬度尺寸由割斷刀的間距控制，刨花的長(zhǎng)度尺寸取決于原木切削高度。

1.3.2 刨花質(zhì)量測(cè)定

為評(píng)估刨花的卷曲狀況，隨機(jī)取切削后無(wú)缺陷的刨花100片，并經(jīng)105 ℃干燥。如圖2所示，采用半徑為1、2、4 cm和8 cm的圓盤(pán)判定刨花卷曲度。同時(shí)，自行建立一個(gè)評(píng)估函數(shù)(1)用于評(píng)估切削后刨花的卷曲指數(shù)（CI）:

圖2 刨花卷曲程度判定示意圖Fig.2 Schematic diagram for judging the curling of wood strand

式中：a為100片刨花中卷曲程度≤1 cm半徑圓盤(pán)的片數(shù)；b為100片刨花中卷曲程度大于1 cm但小于或等于2 cm半徑圓盤(pán)的片數(shù)；c為100片刨花中卷曲程度大于2 cm 但小于或等于4 cm半徑圓盤(pán)的片數(shù)；d為 100 片刨花中卷曲程度大于4 cm 但小于或等于 8 cm半徑圓盤(pán)的片數(shù)；e為100片刨花中卷曲程度大于8 cm半徑圓盤(pán)的片數(shù)。

如表1所示按長(zhǎng)度對(duì)刨花進(jìn)行分類(lèi)。

表1 刨花長(zhǎng)度等級(jí)表Tab.1 Strand length grade of wood strand

采用刨花卷曲指數(shù)（Curl index,CI）對(duì)刨花進(jìn)行評(píng)估。通過(guò)判斷刨花的卷曲程度分布，確立切削后各等級(jí)刨花的分布占比，分析刨花長(zhǎng)度分布。用公式(1)計(jì)算刨花的卷曲指數(shù)，并使用鉗形電流表記錄6次重復(fù)試驗(yàn)的平均電流，用以表示刨花的能量消耗。參考GB/T 1938-2009對(duì)刨花進(jìn)行抗拉強(qiáng)度測(cè)試，在刨花長(zhǎng)度等級(jí)為6的刨花中選取5片無(wú)裂縫、無(wú)缺陷、厚度均勻的木刨花，制備成如圖3所示的試樣，刨花厚度為試樣厚度t，試樣寬度b為10 mm，拉伸速度為 0.2 mm/min，刨花抗拉強(qiáng)度計(jì)算見(jiàn)公式（2）。數(shù)據(jù)分析采用Design Expert 12。

圖3 抗拉強(qiáng)度試樣尺寸Fig.3 Tensile strength sample dimensions

1.3.3 Design Expert 數(shù)據(jù)分析

對(duì)刨花質(zhì)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行響應(yīng)面法擬合模型與相關(guān)系數(shù)分析，采用軟件Design-Expert 12中的Response Surface的3-Level-Factorial進(jìn)行設(shè)計(jì)，每個(gè)因子均具有三個(gè)水平。將試驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)導(dǎo)入3-Level-Factorial生成設(shè)計(jì)表，通過(guò)Quadratic模型對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，并得出該模型對(duì)應(yīng)的ANOVA表，以及擬合模型的Coefficients Table（相關(guān)系數(shù)表），其中包括擬合方程的常數(shù)項(xiàng)、一次項(xiàng)A、B，交互項(xiàng)AB及其對(duì)應(yīng)平方項(xiàng)A2，B2的擬合方程系數(shù)及其所對(duì)應(yīng)的p值（p<0.05時(shí)，視為顯著影響）。

1.4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.4.1 木材溫度和底刀刃角對(duì)橫向切削刨花質(zhì)量的影響

影響刨花質(zhì)量的因素很多，本文首先對(duì)不同木材溫度和底刀刃角對(duì)刨花性質(zhì)的影響進(jìn)行研究。試驗(yàn)設(shè)計(jì)如表2中試驗(yàn)一所示，步驟如下：

表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及參數(shù)Tab.2 Experimental design and parameters

木材試樣準(zhǔn)備；按表2中試驗(yàn)一參數(shù)設(shè)置圓盤(pán)式刨花機(jī)對(duì)木材樣本進(jìn)行橫向切削；采用兩因子三水平進(jìn)行試驗(yàn)，將木材溫度分別設(shè)置為2、21 ℃和60 ℃，底刀刃角分別設(shè)置為38°、58°和78°，共9組，并重復(fù)6次；用萬(wàn)用表記錄切削過(guò)程中平均電流以確定能量消耗；在103 ℃烘箱中對(duì)切削后的刨花干燥24 h；然后將刨花置于室內(nèi)，在相對(duì)濕度為60%、溫度為20 ℃環(huán)境下進(jìn)行24 h平衡含水率。隨后進(jìn)行刨花質(zhì)量測(cè)定。

1.4.2 飛刀刀伸量/刨花厚度設(shè)定對(duì)橫向切削刨花質(zhì)量的影響

刨花厚度會(huì)影響定向刨花板的板面粗糙度，并且隨著刨花厚度的增加，刨花板厚度膨脹率增大，強(qiáng)度明顯下降。通過(guò)調(diào)整圓盤(pán)式刨花機(jī)中飛刀的刀伸量控制刨花厚度。刀伸量設(shè)定越大，刨花厚度也越大，反之亦然。為了進(jìn)一步探究不同刨花厚度設(shè)定對(duì)刨花性能的影響，進(jìn)行表2中試驗(yàn)二，飛刀的刀伸量分別設(shè)置為0.381、0.635 mm和0.889 mm，采用78°的底刀刃角橫向切削60 ℃的木材。最后進(jìn)行刨花質(zhì)量測(cè)定。

1.4.3 刨花干燥溫度及飛刀后角對(duì)橫向切削刨花質(zhì)量的影響

試驗(yàn)參數(shù)如表2中試驗(yàn)三所示，設(shè)置兩種不同的飛刀后角（3°和13°），飛刀刃角為32°，底刀刃角為58°，橫向切削21 ℃的木材。分別設(shè)置鏈帶式刨花干燥爐的干燥溫度為140、160 ℃和190 ℃，對(duì)刨花進(jìn)行干燥，隨后進(jìn)行刨花質(zhì)量測(cè)定。

1.4.4 縱向切削對(duì)刨花的影響

縱向切削可從根本上減少刨花卷曲。研究表明，飛刀的切削越接近于縱向切削，刨花表面木材纖維撕裂的情況越少。刨花沿飛刀的前刀面運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于刨花的纖維方向與切割方向保持一致，可減少刨花在纖維方向上的剪切，同時(shí)研究表明過(guò)長(zhǎng)的刨花極容易卷曲[26-28]。

因此在試驗(yàn)中，通過(guò)設(shè)置不同的初始刨花長(zhǎng)度和刀伸量、飛刀刃角、飛刀前角、飛刀微倒角切削刨花，并綜合評(píng)估縱向切削對(duì)刨花質(zhì)量的影響。試驗(yàn)參數(shù)如表2中試驗(yàn)四所示，采用縱向切削方式，原木切削高度分別設(shè)置為76.2、101.6 mm和127.0 mm用以控制刨花的長(zhǎng)度。并單獨(dú)設(shè)置具有65°前角和10°微倒角的飛刀作為對(duì)照。最后進(jìn)行刨花質(zhì)量測(cè)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 木材溫度和底刀刃角對(duì)橫向切削刨花的影響

2.1.1 對(duì)切削刨花尺寸的影響

木材溫度和底刀刃角對(duì)橫向切削刨花長(zhǎng)度分布的影響如圖4、5、6 所示。當(dāng)?shù)椎度薪菫?8°時(shí)（圖4），刨花的整體分布趨勢(shì)呈現(xiàn)1～5 級(jí)刨花占比緩慢升高，6 級(jí)刨花占比急劇升高。隨著木材溫度的增加，在1～4級(jí)小尺寸刨花的占比中，21 ℃占比最大；5 級(jí)刨花隨溫度升高占比降低；6 級(jí)大尺寸刨花分布占比總趨勢(shì)是隨木材溫度升高而增加，木材溫度可以提高切削后大尺寸刨花的占比。

定義5（訪(fǎng)問(wèn)請(qǐng)求（IR））用戶(hù)a和用戶(hù)b是好友，用戶(hù)b請(qǐng)求訪(fǎng)問(wèn)用戶(hù)a發(fā)布的消息，我們用如下三元組來(lái)表示：irba=（b，m，a）。

圖4 木材溫度對(duì)橫向切削刨花長(zhǎng)度分布的影響（38° 底刀刃角）Fig.4 The effect of wood temperature on tangential flaking wood strands length distribution(with a counter knife angle of 38°)

當(dāng)?shù)椎度薪菫?8°時(shí)（圖5），刨花的整體分布趨勢(shì)仍呈現(xiàn)1～5 級(jí)刨花占比緩慢升高，6 級(jí)刨花占比急速升高。隨著木材溫度從2 ℃增加到60 ℃，1～5 級(jí)的小尺寸刨花占比不斷降低，6 級(jí)大尺寸刨花隨溫度升高占比升高趨勢(shì)明顯。

圖5 木材溫度對(duì)橫向切削刨花長(zhǎng)度分布的影響（58° 底刀刃角）Fig.5 The effect of wood temperature on tangential flaking wood strands length distribution(with a counter knife angle of 58°)

由圖6 可知，當(dāng)?shù)椎度薪菫?8°時(shí)，隨著木材溫度從2 ℃增加到60 ℃，1～3 級(jí)的小尺寸刨花占比不斷降低，4～6 級(jí)刨花隨溫度升高而升高的趨勢(shì)明顯，特別是6 級(jí)刨花。

圖6 木材溫度對(duì)橫向切削刨花長(zhǎng)度分布的影響（78° 底刀刃角）Fig.6 The effect of wood temperature on tangential flaking wood strands length distribution(with a counter knife angle of 78°)

對(duì)比圖4～6 可以發(fā)現(xiàn)，底刀刃角是改變不同級(jí)別刨花占比的主要因素，特別是對(duì)降低6 級(jí)刨花占比具有顯著影響?？刂颇静臏囟纫部梢愿淖儾煌?jí)別刨花的占比。

對(duì)已有數(shù)據(jù)采用響應(yīng)面法進(jìn)行多元二次回歸擬合分析，結(jié)果如表3 所示。為便于討論，表中列出了各因素對(duì)各級(jí)刨花占比影響的顯著系數(shù)（p-值）。

表3 刨花等級(jí)分布響應(yīng)面回歸模型擬合相關(guān)系數(shù)表Tab.3 Response surface regression model fitting correlation coefficient table for the distribution of strand grades

從表3 中可以看出，在0.05 的顯著系數(shù)條件下，一次項(xiàng)底刀刃角（B）對(duì)得到的1～4 級(jí)和6 級(jí)刨花的占比影響顯著，B2對(duì)2、3、6 級(jí)刨花的占比也具有極顯著的影響，其他因素影響不顯著，說(shuō)明刨花的長(zhǎng)度分布占比主要受底刀刃角的影響。從各級(jí)刨花的擬合常數(shù)變化趨勢(shì)看，隨著刨花尺寸的增加，擬合常數(shù)逐漸增加，說(shuō)明越來(lái)越多的未被考慮到的因素決定著刨花尺寸的變化，對(duì)此有待進(jìn)一步的研究。

由表3 可知，底刀刃角（B）對(duì)1～5 級(jí)刨花占比的作用為正，而對(duì)6 級(jí)刨花占比的作用為負(fù)。說(shuō)明隨著底刀角度的加大，小尺寸刨花（1～5 級(jí)）會(huì)增加，最大等級(jí)的刨花（6 級(jí)）會(huì)減小。而溫度對(duì)于刨花的分布占比正好相反。

雖然在0.05 的顯著系數(shù)條件下，溫度（A）及其平方項(xiàng)（A2）對(duì)于各個(gè)等級(jí)刨花的占比分布影響均不顯著。此外，對(duì)試驗(yàn)一的切削參數(shù)進(jìn)行響應(yīng)面最佳條件計(jì)算。結(jié)果表明，當(dāng)木材溫度為53.47 ℃，底刀刃角為46.71°時(shí)，可獲得最少的1 級(jí)刨花占比以及最多的6 級(jí)刨花占比（91.02%）。

木材溫度和底刀刃角對(duì)橫向切削刨花抗拉強(qiáng)度的影響見(jiàn)圖7。由圖可見(jiàn)，整體上刨花的抗拉強(qiáng)度隨著木材溫度的升高而增加，隨底刀刃角的變化和木材加工溫度的變化而變化。在2 ℃和21 ℃時(shí)，使用58°底刀刃角可獲得抗拉強(qiáng)度最高的刨花；而在60 ℃時(shí)，78°底刀刃角獲得刨花的抗拉強(qiáng)度最高。

由表4 響應(yīng)面回歸模型擬合相關(guān)系數(shù)表可知，一次項(xiàng)A和二次項(xiàng)B2對(duì)刨花的抗拉強(qiáng)度影響顯著，并且A的影響作用大于二次項(xiàng)底刀刃角B2，而其他因素影響不顯著。例如，2 ℃的木材切削后獲得的刨花抗拉強(qiáng)度最低，60℃的木材產(chǎn)生的刨花抗拉強(qiáng)度最高。切削2 ℃和21 ℃的原木時(shí)，使用58°底刀刃角產(chǎn)生的刨花抗拉強(qiáng)度最高，與同溫度下38°底刀刃角相比，獲得刨花的強(qiáng)度提升了54.93%。此外，使用78°底刀刃角切削60 ℃原木獲得的刨花具有最高的抗拉強(qiáng)度，而在相同底刀刃角時(shí)，切削2 ℃的原木獲得的刨花強(qiáng)度最低。

表4 刨花抗拉強(qiáng)度、卷曲指數(shù)以及切削能耗響應(yīng)面回歸模型擬合相關(guān)系數(shù)表Tab.4 Correlation coefficient table of response surface regression model fitting for tensile strength, curl index and cutting energy consumption of flakes

如前所述，橫向切削時(shí)木材纖維不是平移剪切分離，而是邊剪切邊滾動(dòng)，形成“滾動(dòng)”剪切[4]，造成刨花表面的破壞。顯然低溫不利于各種應(yīng)力在木材中的分布，會(huì)導(dǎo)致“滾動(dòng)”剪切對(duì)刨花的破壞，從而降低刨花拉伸強(qiáng)度，而當(dāng)高溫時(shí)，情況則正好相反。

2.1.3 對(duì)切削刨花卷曲指數(shù)的影響

木材干燥溫度和底刀刃角對(duì)橫向切削刨花卷曲指數(shù)的影響如圖8 所示。由圖可知，整體而言，使用2 ℃的原木在切削時(shí)產(chǎn)生了最大的刨花卷曲指數(shù)。當(dāng)木材溫度升高，刨花卷曲指數(shù)降低。而當(dāng)溫度增至60 ℃時(shí)，刨花卷曲指數(shù)升高。使用78°的底刀角度產(chǎn)生的刨花卷曲指數(shù)在各個(gè)溫度均為最小。與圖2～4 對(duì)比不難發(fā)現(xiàn)，78°的底刀產(chǎn)生的刨花卷曲指數(shù)為最小。在木材溫度60 ℃時(shí)，刨花卷曲指數(shù)為5.05（圖8），1 級(jí)小刨花的長(zhǎng)度分布占比為3.75%（圖6），而此時(shí)的刨花抗拉強(qiáng)度為最高（圖5）。因此，提高木材溫度和使用大角度底刀刃角的刨花切削方法值得進(jìn)一步研究。

圖8 木材溫度和底刀刃角對(duì)橫向切削刨花卷曲指數(shù)的影響Fig.8 Effects of wood temperature and counter knife angleon tensile strength of tangential flaking wood strands

由表4 可知，對(duì)于刨花卷曲指數(shù)而言，一次項(xiàng)A（溫度）、B（底刀刃角）及二次項(xiàng)A2，B2均對(duì)刨花的卷曲指數(shù)影響顯著，而交互項(xiàng)AB則無(wú)顯著影響。這說(shuō)明溫度和底刀刃角對(duì)刨花卷曲指數(shù)影響相互獨(dú)立，木材溫度是影響刨花卷曲指數(shù)的主要因素。

2.1.4 對(duì)切削刨花能耗的影響

木材干燥溫度和底刀刃角對(duì)橫向切削刨花能耗的影響如圖9 所示。由圖可知，整體上切削能耗隨著木材溫度的增加而減小。底刀刃角對(duì)刨花切削能耗的影響在多數(shù)情況下是隨底刀刃角的增加而增加，但在2 ℃時(shí)例外。此時(shí)，58°底刀刃角的切削能耗最大，為4.48 A。

圖9 木材溫度和底刀刃角對(duì)橫向切削刨花能耗的影響Fig.9 The effects of wood temperature and counter knife angle on energy consumption of tangential flaking wood strands

由表4 可知，對(duì)于刨花切削能耗而言，一次項(xiàng)A，B，以及二次項(xiàng)A2，B2均對(duì)刨花切削能耗影響極顯著，而交互項(xiàng)AB則無(wú)顯著影響。這意味木材溫度是影響刨花切削能量消耗的主要因素，其中木材溫度和底刀刃角對(duì)刨花切削能量消耗的影響相互獨(dú)立。提高木材溫度可以有效降低刨花切削能量消耗，增加底刀刃角會(huì)增加刨花切削能量消耗。

通過(guò)響應(yīng)面法，對(duì)試驗(yàn)二的切削參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。在試驗(yàn)二的條件下，設(shè)置木材溫度為47.97 ℃，底刀刃角為63.17°，其切削能耗最?。?.03 A），獲得的刨花卷曲指數(shù)最小（10.45），同時(shí)刨花的抗拉強(qiáng)度最大（79.28 MPa）。

2.2 刀伸量對(duì)橫向切削刨花的影響

由圖10 可見(jiàn)，使用默認(rèn)切削參數(shù)的刀伸量0.635 mm和增大刀伸量為0.889 mm產(chǎn)生的刨花尺寸分布趨勢(shì)較為相似，刨花長(zhǎng)度等級(jí)在3 以上的總數(shù)在60%以上。刀伸量為0.889 mm時(shí)，產(chǎn)生的刨花長(zhǎng)度等級(jí)為6 的占比較使用默認(rèn)刀伸量降低了24.85%。減小刀伸量為0.381 mm時(shí)產(chǎn)生的刨花分布，1～5 級(jí)刨花占比呈緩慢升高，6 級(jí)刨花占比急速升高。其中，等級(jí)為1 的小尺寸刨花數(shù)量最少，為3%；等級(jí)為6 的長(zhǎng)刨花數(shù)量最多，較使用默認(rèn)刀伸量提升了160.94%。從降低小刨花占比而言，使用最小的刀伸量（0.381 mm）產(chǎn)生的刨花長(zhǎng)度分布最為理想。

圖10 刀伸量對(duì)橫向切削刨花長(zhǎng)度分布的影響Fig.10 The effect of knife projection on the strands length distribution of tangential flaking

刀伸量對(duì)橫向切削刨花的抗拉強(qiáng)度、卷曲指數(shù)和切削能耗的影響如圖11～13 所示。由圖11 可知，使用78°的底刀刃角，隨著刀伸量的增加，刨花的厚度增加，刨花抗拉強(qiáng)度先增大后減小。當(dāng)?shù)渡炝繛?.635 mm時(shí)，抗拉強(qiáng)度最大為80.2 MPa，而刀伸量為0.381 mm時(shí)的抗拉強(qiáng)度最小，為73.8 MPa。由圖12 可知，刀伸量最大時(shí)（0.889 mm），獲得的刨花卷曲指數(shù)最小。然而，刀伸量對(duì)切削刨花時(shí)的能量消耗也有明顯影響。由圖13可知，與其他兩個(gè)刀伸量相比，刀伸量為0.635 mm時(shí)切削能耗最低，為2.26 A。而此刀伸量下切削的刨花拉伸強(qiáng)度卻為最高（80.2 MPa）。

圖11 刀伸量對(duì)橫向切削刨花抗拉強(qiáng)度的影響Fig.11 The effect of knife projection on the strands tensile strength of tangential flaking

圖12 刀伸量對(duì)橫向切削刨花卷曲指數(shù)的影響Fig.12 The effect of knife projection on the strands curling index of tangential flaking

圖13 刀伸量對(duì)橫向切削刨花切削能耗的影響Fig.13 The effect of knife projection on the energy consumption of tangential flaking strands

2.3 刨花干燥溫度和飛刀后角對(duì)橫向切削的刨花卷曲指數(shù)的影響

如圖14所示，使用默認(rèn)的3°飛刀后角切削的刨花，隨著刨花干燥溫度的增加，其卷曲指數(shù)持續(xù)增加。103℃時(shí)，刨花卷曲指數(shù)最小，為24.89；190 ℃的刨花卷曲指數(shù)最大，為96.3，增幅達(dá)286.90%。使用13°飛刀后角切削時(shí)，隨著刨花干燥溫度的增加，刨花卷曲指數(shù)先增大后減小。114 ℃時(shí)，卷曲指數(shù)最小，為69；160 ℃時(shí)最大，為158.9。其原因可能在于切削層木材和切削平面以下的木材在刀具作用下發(fā)生彈塑性變形[10]，更大的飛刀后角，在增加切削刃鋒利性的同時(shí)，減小了后刀面的摩擦與磨損，從而降低了切削力[29]，這可能共同導(dǎo)致更為嚴(yán)重的刨花卷曲。整體上，隨著飛刀后角的增加，13°飛刀后角產(chǎn)生的刨花卷曲指數(shù)均高于3°。

2.4 原木切削高度對(duì)縱向切削刨花的影響

由圖15（圖中127 mm-H為橫向切削，且木材高度為127 mm）可見(jiàn)，縱向切削的刨花分布趨勢(shì)與橫向切削分布趨勢(shì)一致，仍為1～5級(jí)刨花占比緩慢升高，6級(jí)刨花占比急劇升高。隨著木材切削高度從127 mm減小至76.2 mm，3～5級(jí)刨花的占比隨之增加，6級(jí)大尺寸刨花的占比隨之減小，1～2級(jí)刨花的變化并不明顯（圖15）。這是因?yàn)楸P(pán)式刨花機(jī)縱向切削時(shí)通過(guò)割斷刀之間的距離控制刨花的寬度，因此刨花分布趨勢(shì)趨于一致。對(duì)比圖15中的127 mm與127 mm-H，橫向切削時(shí)，等級(jí)為1～5的刨花占比高于縱向切削，而6級(jí)刨花的占比低于縱向切削。因此，為保證一定量的6級(jí)長(zhǎng)刨花，可以考慮用縱向切削刨花。

圖15 原木切削高度對(duì)縱向切削刨花長(zhǎng)度分布等級(jí)的影響Fig.15 The effect of flaking height on the strands length distribution of longitudinal flaking

切削高度對(duì)縱向切削刨花的卷曲指數(shù)、抗拉強(qiáng)度、切削能耗的影響如圖16所示。其中，127 mm-H為橫向切削，而127* mm采用具有10°微倒角65°飛刀前角的飛刀。由圖16可知，在縱向切削時(shí)，隨著切削高度從127 mm降低至76.2 mm，刨花的切削能耗先增加后減小，而刨花的抗拉強(qiáng)度則先減小后增加，刨花的卷曲指數(shù)隨之減小。切削高度為101.6 mm時(shí)，切削能耗最高且刨花抗拉強(qiáng)度最低。此時(shí)的切削高度對(duì)于刨花的卷曲指數(shù)和抗拉強(qiáng)度具有明顯的影響。相比而言，127* mm的切削能耗高于127 mm，而刨花卷曲指數(shù)和刨花抗拉強(qiáng)度均小于127 mm。這是因?yàn)檩^原來(lái)0°的飛刀微倒角相比，微倒角的增加使得刀具與刨花之間的接觸面積增加，從而導(dǎo)致飛刀和刨花以及原木之間的摩擦增加，進(jìn)而增加了切削能量的消耗。

圖16 原木切削高度對(duì)刨花卷曲指數(shù)、抗拉強(qiáng)度以及切削能耗的影響Fig.16 The effect of flaking height on strands curling index, tensile strength and energy consumption

比較127 mm與127 mm-H可以看出，兩種切削方式的切削能耗變化不明顯，而縱向切削時(shí)的刨花卷曲指數(shù)明顯降低，并且刨花抗拉強(qiáng)度明顯增加，說(shuō)明縱向切削可獲得更高強(qiáng)度及更低卷曲的刨花。

3 結(jié)論

3.1 橫向切削

橫向切削時(shí)，刨花的切削能耗、刨花抗拉強(qiáng)度和刨花卷曲指數(shù)主要受木材溫度的影響，隨著木材溫度的增加，刨花的切削能耗、刨花卷曲指數(shù)顯著降低，刨花抗拉強(qiáng)度顯著增加。此外刨花的長(zhǎng)度分布受底刀刃角的影響，隨著底刀刃角的增加，刨花長(zhǎng)度等級(jí)為6 的占比相對(duì)減小。刨花的卷曲指數(shù)則隨著底刀刃角的增加隨之減小，隨著刨花干燥溫度和飛刀后角的增加而增加。

3.2 縱向切削

較橫向切削而言，縱向切削能以較低的切削能耗獲得較高的刨花抗拉強(qiáng)度，并且隨著刨花的切削高度的降低刨花的卷曲指數(shù)隨之降低?？v向切削時(shí)，刨花的長(zhǎng)度分布受飛刀刀伸量的影響，隨著刀伸量的增加，刨花長(zhǎng)度等級(jí)為1～5 的占比增加，等級(jí)為6 的占比減小。相比橫向切削，縱向切削具有較小的1～5 長(zhǎng)度等級(jí)占比和較高的6 長(zhǎng)度等級(jí)占比。改變切削時(shí)的飛刀刃角從55°增至65°，刨花卷曲指數(shù)有所降低，但會(huì)導(dǎo)致刨花抗拉強(qiáng)度的降低及切削能耗的增加。

綜上所述，使用圓盤(pán)式刨花機(jī)切削黃樺木刨花時(shí)，增大木材溫度，并使用縱向切削可獲得更好的刨花長(zhǎng)度分布，更少占比的1～5 級(jí)刨花和較大占比的6 級(jí)刨花，并且刨花的抗拉強(qiáng)度高于橫向切削，同時(shí)刨花的切削能耗和卷曲指數(shù)均小于橫向切削。