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中国的木材资源相对贫乏,天然珍贵木材、优质木材更是越来越少,利用小径级、低质材生产各种仿天然珍贵树种木材颜色和纹理的人造薄木已成为补充天然装饰薄木资源的途径之一,而木材加工工件表面粗糙度是评价其表面质量的重要指标之一。不少学者对刨切薄木(竹)表面粗糙度进行过很多相关研究。RICHTER等[1]用探针法测定了木材表面粗糙度对木材表面涂饰的影响;郝文弢等[2]研究发现,增加砂光次数,增大砂轮转速,减小进给速度,减小砂轮直径均可减小刨切薄木表面粗糙度;贺宏奎等[3]研究发现,在不同粒度砂带磨削加工竹材后,对试件进行胶合强度试验,砂带粒度过小和过大时,胶合强度均较低,竹材胶合加工表面磨削时选择100目的砂带较为合理;曹欢玲等[4]研究发现,分别用不同粒度砂带砂磨薄竹材,随着砂带目数增大,竹材砂磨表面粗糙度参数轮廓算术平均偏差Ra,轮廓最大高度Rz和轮廓微观不平度平均间距Rsm值均呈降低趋势,轮廓支承长度率Rmr呈递增趋势;孙媛等[5]研究发现,砂带粒度越大,磨削水曲柳Fraxinus mandschurica,红松Pinus koraiensis,落叶松Larix gmelinii和榆木Ulmus rubra后,磨削表面粗糙度不一定越好;李浩东等[6]研究发现,材种和表面组织构造影响表面粗糙度,砂带磨削木竹材表面的胶合强度在磨削砂带粒度为100~150目时达到最大值;江泽慧等[7]研究发现,竹材表面粗糙度随竹龄的增加而减小,竹青表面比竹黄更光滑,与水曲柳和水青冈Fagus longipetiolata相比,竹材外侧的表面粗糙度相对较小[7];杨永福等[8]研究发现,竹材不同切面切削质量有明显区别,纵向刨切表面质量优于横向刨切,竹材密度及含水率对刨切表面质量影响较为明显,密度越大,刨切表面质量越高,含水率与刨切表面粗糙度呈良好的二次曲线关系;武丽清等[9]研究发现,切削厚度越大,切削表面越粗糙,切削厚度与表面粗糙度基本呈线形关系;王明枝等[10]研究发现,树种、切削方式、切面和木材的表面组织构造会影响木材的表面粗糙度,表面粗糙度值因为加工方法不同而不同,随着加工精度的提高而降低;彭立民等[11]研究发现,集成薄木的表面粗糙度和木材材质有关,且集成木方的胶合面对薄木的表面粗糙度无明显影响。新伐材(生材)在指接后拼宽、拼厚制得集成木(竹)方材,再刨切制得薄木(竹),不仅能简化生产工艺,还能节约生产成本,提高经济效益。作者就高含水率木(竹)材集成后刨切薄木(竹)生产工艺及薄木(竹)表面粗糙度进行研究,检验该工艺是否满足后续加工工艺需求。
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由表 1~6中标准偏差分析可知:在3种不同含水率的条件下,相同材种刨切所获得的薄木(竹)表面粗糙度平均值,相同纹理方向上无明显差异。含水率在纤维饱和点(木材物理力学性质是否随含水率而发生变化的转折点)以上,木材的水分除吸附水达到饱和,且还有一定数量的自由水。此时,木材如受到干燥或受潮,只是自由水改变,不会引起湿胀干缩。
参数 部位及纹理 杉木集成木A不同刨切含水率下的参考变化 标准差 P值 49.5% 40.2% 35.2% Ra/μm 非指榫处 顺纹 12.648 0 13.553 0 13.970 0 0.552 0.03 横纹 19.601 0 19.868 0 19.006 0 0.360 0.04 指榫处 横纹 22.627 0 22.896 0 22.021 0 0.366 0.04 Rz/μm 非指榫处 顺纹 75.601 0 77.308 0 87.374 0 5.194 0.03 横纹 127.860 0 109.084 0 130.213 0 9.455 0.04 指榫处 横纹 128.428 0 115.322 0 135.004 0 8.181 0.04 Rsm/mm 非指榫处 顺纹 0.2174 0 0.217 4 0.263 2 0.022 0.02 横纹 0.3613 0 0.322 4 0.331 6 0.017 0.02 指榫处 横纹 0.374 2 0.404 1 0.375 8 0.014 0.02 Rq/μm 非指榫处 顺纹 15.850 0 16.665 0 17.202 0 0.556 0.03 横纹 23.785 0 23.880 0 24.054 0 0.111 0.02 指榫处 横纹 27.222 0 27.385 0 26.879 0 0.211 0.02 Table 1. Surface roughness of Cunninghamia lanceolata laminated cants sliced veneer
参数 部位 纹理 马尾松集成木B不同刨切含水率下的参考变化 标准差 P值 52.4% 42.1% 36.5% Ra/μm 非指榫处 顺纹 9.710 0 9.599 0 10.199 0 0.261 0.03 横纹 9.124 0 11.195 0 11.249 0 0.989 0.03 指榫处 横纹 11.754 0 13.847 0 14.021 0 1.030 0.04 Rz/μm 非指榫处 顺纹 70.820 0 85.984 0 58.275 0 11.329 0.03 横纹 63.268 0 78.373 0 90.168 0 11.010 0.03 指榫处 横纹 66.247 0 82.349 0 95.674 0 12.031 0.04 Rsm/mm 非指榫处 顺纹 0.285 2 0.247 1 0.256 3 0.016 0.02 横纹 0.242 9 0.231 6 0.242 9 0.005 0.02 指榫处 横纹 0.278 4 0.262 5 0.297 9 0.014 0.02 Rq/μm 非指榫处 顺纹 11.943 0 12.309 0 12.214 0 0.155 0.03 横纹 11.282 0 13.992 0 13.788 0 1.232 0.03 指榫处 横纹 16.284 0 17.208 0 17.321 0 0.465 0.04 Table 2. Surface roughness of Pinus massoniana laminated cants sliced veneer
参数 部位 纹理 马尾松樟树木复合集成木B+C不同刨切含水率下的参考变化 标准差 P值 51.5% 43.3% 34.8% 非指榫处 顺纹 14.586 0 14.572 0 14.457 0 0.058 0.02 Ra/μm 横纹 14.740 0 14.722 0 15.544 0 0.383 0.03 横纹 横纹 14.780 0 15.846 0 17.985 0 1.333 0.04 非指榫处 顺纹 97.717 0 97.843 0 95.652 0 1.004 0.04 Rz/μm 横纹 97.471 0 102.108 0 106.188 0 3.561 0.04 指榫处 横纹 110.581 0 108.784 0 115.643 0 2.904 0.04 非指榫处 顺纹 0.272 4 0.266 7 0.272 4 0.003 0.02 Rsm/mm 横纹 0.219 0 0.225 0 0.222 0 0.002 0.02 指榫处 横纹 0.287 9 0.309 4 0.293 9 0.009 0.02 非指榫处 顺纹 18.466 0 18.548 0 18.193 0 0.152 0.03 Rq/μm 横纹 18.202 0 18.082 0 19.420 0 0.604 0.03 指榫处 横纹 22.641 0 23.578 0 25.956 0 1.395 0.04 Table 3. Surface roughness of Pinus massoniana-Cinnamomum camphora composites laminated cants sliced veneer
参数 部位 纹理 毛竹集成竹D径向不同刨切含水率下的参考变化 标准差 P值 49.7% 41.3% 36.2% 节间 顺纹 10.958 0 12.079 0 12.780 0 0.750 0.06 Ra/μm 横纹 19.918 0 24.076 0 24.114 0 1.969 0.08 Rz/μm 节部 顺纹 10.635 0 12.885 0 13.543 0 1.245 0.12 横纹 21.817 0 22.056 0 23.286 0 0.644 0.07 Rsm/mm 节间 顺纹 80.182 0 73.998 0 72.717 0 3.259 0.09 横纹 150.161 0 164.903 0 164.233 0 6.797 0.08 节部 顺纹 67.271 0 81.224 0 79.778 0 6.265 0.09 横纹 144.744 0 147.427 0 140.192 0 2.986 Rq/μm 节间 顺纹 0.247 1 0.266 7 0.228 2 0.016 横纹 0.311 5 0.331 6 0.342 4 0.013 节部 顺纹 0.208 3 0.217 4 0.294 1 0.038 横纹 0.356 3 0.356 2 0.351 5 0.002 Ra/μm 节间 顺纹 13.573 0 14.816 0 15.246 0 0.709 横纹 25.526 0 30.359 0 30.749 0 2.376 节部 顺纹 13.332 0 16.494 0 17.333 0 1.723 横纹 27.545 0 27.796 0 28.380 0 0.350 Table 4. Surface roughness of Phyllostachys edulis laminated cants sliced veneer (radial direction)
参数 纹理 最大值 最小值 平均值 标准差 Ra/μm 顺纹 7.232 6.184 6.635 0.540 横纹 15.713 11.546 13.922 1.802 Rz/μm 顺纹 45.591 34.583 40.793 5.643 横纹 98.980 82.137 90.028 7.232 Table 5. Surface roughness of Triplochitin scleroxylon scientific wood sliced veneer
参数及纹理 最大值 最小值 平均值 标准差 Ra/μm 顺纹 7.872 7.075 7.494 0.343 横纹 20.741 20.577 20.673 0.091 Rz/μm 顺纹 48.203 37.964 44.331 4.585 横纹 120.730 115.683 118.475 2.274 Table 6. Surface roughness of Tilia amurensis scientific wood sliced veneer
相同材种刨切薄木(竹)在不同纹理方向上,表面粗糙度有明显差异。由于木材为非匀质材料,其胀缩变形各向不同,弦向最大,径向其次,纵向最小,故不同纹理方向上表面粗糙度差异明显。从微观构造分析,由于竹材维管束呈纵向排布,而基本薄壁组织主要分布在维管束系统之间,环绕维管束,其作用相当于填充物,与维管束性质不一,在刨切过程中,竹材维管束被轴向剖切,表面留下沟状轮廓,所以横纹方向测量时,粗糙度值包含了沟状轮廓,粗糙度值明显高于顺纹方向[8]。
由表 1~6数据分析可知:刨切薄木的指榫连接处的表面粗糙度相对非指榫连接处较高。在非指榫连接处顺纹方向上,表面粗糙度从小至大依次为白梧桐科技木、紫椴科技木、马尾松、杉木、马尾松樟树木复合材;在非指榫连接处横纹方向上,从小至大依次为白梧桐科技木、马尾松、紫椴科技木、马尾松樟树木复合材、杉木。这是由于不同材种的结构、密度等差异,在相同的刨切工艺条件下,产生的剪切应力及应力变化不同,所得薄木的表面粗糙度值亦有相应变化。