孫照斌 王浩然 楊麗虎 元海廣 余 珊

（1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，保定 071000； 2.江蘇愛美森木業(yè)有限公司，淮安 223001；3.河北愛美森木材加工有限公司,邯鄲 056800； 4.國家林業(yè)和草原局林產(chǎn)工業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)院，北京 100010）

速生楊木（PopulusL.）是我國大規(guī)模工業(yè)化加工利用材種，輻射松（Pinus radiata）近幾年已成為我國進(jìn)口木材的主要樹種之一。速生楊木和輻射松均存在密度低、材質(zhì)軟、強(qiáng)度低等缺點(diǎn)，研發(fā)速生楊木和輻射松木材的高附加值加工利用技術(shù)，對(duì)其高效利用具有重要意義。

木材改性技術(shù)主要包括木材浸漬、熱處理、壓縮、木材乙?；?、木材塑合及浸漬-熱處理聯(lián)合改性等。國內(nèi)學(xué)者對(duì)楊木[1]、杉木[2]、輻射松[3]等進(jìn)行浸漬增強(qiáng)-熱處理改性研究，結(jié)果表明：樹脂浸漬增強(qiáng)與熱處理聯(lián)合改性可有效改善速生材的各項(xiàng)性能。

機(jī)械加工性能是木材的重要性質(zhì)，對(duì)其展開研究評(píng)估，對(duì)于開發(fā)木材的利用潛能及擴(kuò)大適用范圍均具有重要意義。目前對(duì)不同樹種木材的機(jī)械加工性能測試和評(píng)價(jià)較多[4-7]，但對(duì)改性木材的機(jī)械加工性能測試和評(píng)價(jià)研究相對(duì)較少。本研究依據(jù)LY/T 2054—2012《鋸材機(jī)械加工性能評(píng)價(jià)方法》，分別考察了楊木和輻射松素材、脲醛樹脂浸漬材、經(jīng)真空熱處理的脲醛樹脂浸漬材的機(jī)械加工性能，旨在為楊木和輻射松樹脂浸漬材及其真空熱處理樹脂材的實(shí)木化加工利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

楊木：河北愛美森木材加工有限公司提供。鋸材尺寸為2 600 mm×（100～300）mm×（25～45）mm。

楊木樹脂浸漬材：使用單體15～20 m3工業(yè)化處理罐對(duì)木材進(jìn)行真空加壓浸漬處理，浸漬壓力2.5～3.0 MPa，浸漬時(shí)間3 h左右。浸漬處理液采用脲醛樹脂，濃度約22%～25%。浸漬處理后對(duì)木材進(jìn)行常規(guī)二次干燥，得到楊木樹脂浸漬材，其含水率均值約8%。

楊木真空熱處理樹脂浸漬材：對(duì)楊木樹脂浸漬材進(jìn)行真空熱處理。處理工藝分為預(yù)熱階段、升溫階段、熱處理（保溫）階段和降溫階段。熱處理時(shí)，壓力保持在20 kPa，在70 ℃以前，升溫速度為5 ℃/h；當(dāng)溫度升至70～80 ℃時(shí)，升溫速度為5 ℃/2 h；溫度升至85～100 ℃時(shí)，升溫速度為5 ℃/3 h；至180 ℃時(shí)，保持10 h后以5～8 ℃/h的速度緩慢降溫；溫度低于50 ℃后開窯出材。

楊木素材、楊木樹脂浸漬材和楊木真空熱處理浸漬材編號(hào)分別為SY、JY和 RJY。

輻射松：河北愛美森木材加工有限公司提供，輻射松素材、輻射松樹脂浸漬材、輻射松真空熱處理樹脂浸漬材，編號(hào)分別為SF、JF、RJF。輻射松樹脂浸漬和真空熱處理樹脂浸漬材鋸材尺寸及處理工藝與上述楊木的尺寸及處理工藝基本相同。

待測試素材、樹脂浸漬材和熱處理樹脂浸漬材均為刨光鋸材，紋理通直，表面無缺陷。試材氣干密度、含水率和硬度測試結(jié)果見表1，各測試的重復(fù)試件數(shù)均為15個(gè)。由于受到板材本身厚度的限制，其硬度試件尺寸為30 mm(L)×20 mm(R)×20 mm(T)，為非標(biāo)準(zhǔn)試件，參照GB/T 1941—2009《木材硬度試驗(yàn)方法》中硬度計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算，試驗(yàn)結(jié)果僅用于本試驗(yàn)范圍內(nèi)相互比較。

表1 試件氣干密度、含水率和硬度Tab.1 Air-dry density, moisture content and hardness of test specimens

1.2 設(shè)備

單面木工壓刨床（廣東順德新馬木工機(jī)械設(shè)備有限公司，MB104A），最大加工寬度400 mm，主軸轉(zhuǎn)速6 000 r/min，最大切削深度4 mm。臺(tái)式銑機(jī)（德國FESTOOL公司，TF1400），手動(dòng)進(jìn)料，進(jìn)料速度適宜。臺(tái)式多用鉆床（杭州三重五金機(jī)電設(shè)備有限公司，Z516-1A），手動(dòng)進(jìn)給加工通孔。立式單軸榫槽機(jī)（廣東順德新馬木工機(jī)械設(shè)備有限公司，MS362），最大榫槽深度80 mm。仿形木工車床（廣東順德新馬木工機(jī)械設(shè)備有限公司，JWL-1018），用于一次成型的車削加工，主軸轉(zhuǎn)速略低于LY/T 2054—2012中規(guī)定的 3 200 r/min。

1.3 試驗(yàn)方法

參照LY/T 2054—2012標(biāo)準(zhǔn)對(duì)刨削、銑削、鉆削、開榫和車削5項(xiàng)機(jī)械加工性能進(jìn)行測試和等級(jí)評(píng)定。所用試材大部分為半徑半弦板材。

試件制備與測定：6種木材，每種數(shù)量5塊，同一試件可重復(fù)多次測試。刨削試件尺寸為24 mm×86 mm×600 mm，達(dá)標(biāo)等級(jí)為1級(jí)，刨削深度選擇0.8 mm,進(jìn)料速度8 m/min。銑削試件尺寸為20 mm×80 mm×600 mm，達(dá)標(biāo)等級(jí)為1、2級(jí)，順紋理銑削單面；鉆削試件尺寸為20 mm ×70 mm×305 mm，達(dá)標(biāo)等級(jí)為1、2級(jí)，每個(gè)試件上加工2個(gè)通孔，孔直徑15 mm，加工時(shí)始終保持鉆頭鋒利狀態(tài)，并在試件下放置墊板保證試件和墊板緊密接觸；開榫試件尺寸為20 mm×70 mm×305 mm，達(dá)標(biāo)等級(jí)為1、 2、3級(jí)，每個(gè)試件上加工2個(gè)方榫；車削試件尺寸為20 mm ×20 mm×300 mm，達(dá)標(biāo)等級(jí)為1、 2、3級(jí)。各項(xiàng)加工性能測試盡力保證在加工條件一致的情況下進(jìn)行，銑削、鉆削和開榫加工在同一試件上進(jìn)行。

等級(jí)評(píng)定：加工后的試件分為5個(gè)等級(jí):1級(jí)：優(yōu)秀，無缺陷，5分；2級(jí)：良好，4分；3級(jí)：中等，3分；4級(jí)：較差，2分；5級(jí)：很差，1分。然后采用加權(quán)積分，每個(gè)等級(jí)的分值分別乘以各自的百分比，得到的和為該項(xiàng)加工性能的最終質(zhì)量等級(jí)值。將最終質(zhì)量等級(jí)值劃分為5 等，即優(yōu)(4-5)、良(3-4)、中(2-3)、差(1-2)、劣(0-1)，用于評(píng)價(jià)各項(xiàng)加工性能最終的加工質(zhì)量。單項(xiàng)測試質(zhì)量級(jí)別的劃分標(biāo)準(zhǔn)如表2。

表2 單項(xiàng)測試質(zhì)量級(jí)別的劃分標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 Classification grades for single test quality level

LY/T 2054—2012標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)砂削、刨削、銑削、鉆削、開榫和車削6種工序在機(jī)械加工生產(chǎn)中的重要性，將刨削、砂削、銑削和車削的加權(quán)數(shù)定為2，鉆削和開榫的加權(quán)數(shù)定為1。每個(gè)機(jī)械加工項(xiàng)目按表2規(guī)定的質(zhì)量級(jí)別乘以其加權(quán)數(shù)，最后將每項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果得分相加，再求和統(tǒng)計(jì)總分，以總分高低比較各種木材的綜合機(jī)械加工性能。每項(xiàng)加工項(xiàng)目的最高質(zhì)量級(jí)別，分別乘以各項(xiàng)目權(quán)重，得出綜合評(píng)分總分為50分。由于試驗(yàn)設(shè)備和條件限制，本研究未對(duì)砂削性能進(jìn)行測試和評(píng)級(jí)，其權(quán)重為2，因此本研究項(xiàng)目總分為40分。

2 結(jié)果與分析

2.1 刨削性能

楊木、輻射松素材和處理材的刨削性能等級(jí)占比率如圖1所示。

圖1 楊木和輻射松刨削性能等級(jí)占比率Fig.1 Percentage of planning performance levels of poplar and radiata pine lumbers

由圖1可知，楊木素材試件的刨削性能為1、2和3等級(jí)，其余試件為1等級(jí)和2等級(jí)。楊木和輻射松的素材、樹脂浸漬材、熱處理樹脂浸漬材的1等級(jí)達(dá)標(biāo)率分別為20%、40%、20%和30%、40%、30%。

參照LY/T 2054—2012標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算方法，楊木和輻射松的素材、樹脂浸漬材和真空熱處理樹脂浸漬材刨削性能等級(jí)值分別為4、4.4、4.2和4.3、4.4、4.3。整體上6種試材的刨削性能均為優(yōu)秀。

同材種木材、不同改性方式下，樹脂浸漬材刨削性能最優(yōu)，熱處理樹脂浸漬材次之。同種改性方式下，楊木和輻射松的樹脂浸漬材及其熱處理樹脂浸漬材的刨削性能均為優(yōu)秀。

在刨削過程中，楊木素材和輻射松素材易產(chǎn)生毛刺、毛刺溝痕和凹凸紋。從表1可知，楊木素材和輻射松素材的密度和硬度較低，加工時(shí)其表面纖維容易被撕裂。楊木和輻射松真空熱處理浸漬樹脂材密度低于樹脂浸漬材，因而易產(chǎn)生毛刺溝痕，易被撕裂；而木材經(jīng)過樹脂浸漬處理后，木材密度和表面硬度增加，刨削性能明顯提高，刨削表面光滑平整，因此楊木和輻射松的樹脂浸漬材1等級(jí)占比率高。

2.2 銑削性能

楊木、輻射松素材和處理材的銑削性能等級(jí)占比率如圖2所示。

圖2 楊木和輻射松銑削性能等級(jí)占比率Fig.2 Percentage of milling performance levels of poplar and radiata pine lumbers

圖2可知，楊木和輻射松素材試件的銑削性能等級(jí)分別為1、2和3等級(jí)，其余試件均為1、2等級(jí)。

確定1級(jí)和2級(jí)銑削試件數(shù)量的百分比作為銑削達(dá)標(biāo)百分率。楊木素材、樹脂浸漬材、熱處理樹脂浸漬材的銑削性能達(dá)標(biāo)百分率分別為50%、100%、100%；輻射松素材、樹脂浸漬材、熱處理樹脂浸漬材達(dá)標(biāo)百分率分別為60%、100%、100%。

楊木素材、樹脂浸漬材和真空熱處理樹脂浸漬材銑削性能質(zhì)量等級(jí)值分別為3.7、4.4、4.4，輻射松分別為3.8、4.5、4.5。兩種木材改性后試材的銑削性能均為優(yōu)秀，而素材為良好。

從銑削性能等級(jí)值看，同樹種木材、不同改性方式下，樹脂浸漬材和真空熱處理樹脂浸漬材銑削性能基本相同，均優(yōu)于對(duì)照素材。同種改性方式，輻射松樹脂浸漬材和熱處理樹脂浸漬材銑削性能均比楊木好。

銑削加工過程中產(chǎn)生的缺陷主要有毛刺、削片壓痕、毛刺溝痕。毛刺多發(fā)生在楊木和輻射松素材中，楊木和輻射松的樹脂浸漬材中產(chǎn)生較少。削片壓痕易出現(xiàn)在輻射松素材銑削加工表面，輻射松年輪較寬，晚材率較低，早材部分易出現(xiàn)加工缺陷。楊木素材和輻射松素材易產(chǎn)生毛刺，其原因與刨削類似，也主要是密度和硬度不同所致。樹脂浸漬材的密度和硬度最大，銑削性能較好；而熱處理樹脂浸漬材的脆性較大韌性較低，導(dǎo)致熱處理樹脂浸漬材銑削時(shí)蹦茬，但整體蹦茬程度低。總體綜合判定熱處理樹脂浸漬材銑削加工性能與樹脂浸漬材相同。為減小銑削加工缺陷，一般應(yīng)采取減小進(jìn)給速度，增大刀具轉(zhuǎn)速、減小加工深度等有效措施。

2.3 鉆削性能

楊木、輻射松素材和處理材的鉆削性能各等級(jí)占比率如圖3所示。

圖3 楊木和輻射松鉆削性能各等級(jí)占比率Fig.3 Percentage of drilling performance of poplar and radiata pine lumbers

由圖3可知，楊木素材和楊木真空熱處理樹脂浸漬材試件的鉆削性能等級(jí)在1～5級(jí)內(nèi)，其余試件分別在1～4級(jí)內(nèi)。

以1級(jí)和2級(jí)銑削試件數(shù)量的百分比作為鉆削達(dá)標(biāo)百分率。楊木素材、樹脂浸漬材、熱處理樹脂浸漬材的鉆削性能達(dá)標(biāo)百分率分別為50%、70%、30%，輻射松分別為60%、80%、50%。

參照LY/T 2054—2012計(jì)算，楊木素材、樹脂浸漬材和真空熱處理樹脂浸漬材的鉆削性能質(zhì)量等級(jí)值分別為3.4、3.8、2.7，輻射松分別為3.6、4.1、3.5。只有輻射松樹脂浸漬材的鉆削性能為優(yōu)秀，楊木真空熱處理樹脂浸漬材為中等，其他均為良好。

從鉆削性能等級(jí)值看，同樹種木材、不同改性方式下，樹脂浸漬材鉆削性能最優(yōu)。同種改性方式，輻射松兩種改性材的鉆削性能均優(yōu)于對(duì)應(yīng)改性方式的楊木。

鉆削加工缺陷種類主要有毛刺、毛刺溝痕、纖維撕裂。缺陷多位于孔下邊緣。楊木和輻射松素材試件80%都有毛刺缺陷，其中30%程度較重；樹脂浸漬材大部分也有毛刺缺陷，但其程度比素材輕；熱處理樹脂浸漬材多產(chǎn)生毛刺溝痕，其中楊木熱處理樹脂浸漬材產(chǎn)生毛刺溝痕最多，破壞程度也較重，其原因在于密度和硬度較小的木材，加工時(shí)表面纖維容易被撕裂。

2.4 開榫性能

楊木、輻射松素材和改性處理材的開榫性能等級(jí)占比率如圖4。

圖4 楊木和輻射松開榫性能測試等級(jí)占比率Fig.4 Percentage of tenoning performance test grades for poplar and radiant lumbers

由圖4可知，只有輻射松樹脂浸漬材和輻射松熱處理樹脂浸漬材試件的開榫加工性能等級(jí)在1～4級(jí)內(nèi)，其余試件的開榫加工性能等級(jí)在1～5級(jí)內(nèi)。

素材和楊木真空熱處理樹脂浸漬材外，其余4種木材試件開榫性能均為良好。

從開榫性能等級(jí)值看，同樹種木材、不同改性方式下，開榫性能比較結(jié)果為：樹脂浸漬材＞真空熱處理樹脂浸漬材＞素材。同種改性方式，輻射松兩種改性材的開榫性能均優(yōu)于對(duì)應(yīng)楊木改性材。

開榫加工過程產(chǎn)生的缺陷類型主要為毛刺、毛刺溝痕和撕裂。楊木素材、輻射松素材容易產(chǎn)生毛刺缺陷。與素材相比，樹脂浸漬材在開榫加工過程中產(chǎn)生毛刺溝痕缺陷較少；而輻射松樹脂浸漬材的缺陷程度也比楊木樹脂浸漬材輕很多；真空熱處理材產(chǎn)生較多毛刺溝痕，同時(shí)伴有輕微程度的撕裂缺陷。開榫加工類似于鉆削加工，加工缺陷主要產(chǎn)生于榫眼的邊緣，但缺陷破壞程度較鉆削加工更嚴(yán)重。開榫性能差異原因如前所述。

2.5 車削性能

楊木、輻射松素材和改性處理材的車削性能測試等級(jí)占比率如圖5所示。

圖5 楊木和輻射松車削性能測試等級(jí)占比率Fig.5 Percentage of turning performance test grades for poplar and radiata pine lumbers

由圖5可知，車削加工性能測試中兩材種6種試件均產(chǎn)生了4個(gè)等級(jí)。

以1、2和3級(jí)開榫試件數(shù)量的百分比作為車削性能達(dá)標(biāo)百分率，楊木素材、樹脂浸漬材、熱處理樹脂浸漬材的車削性能達(dá)標(biāo)百分率分別為50%、70%、70%，輻射松分別為80%、90%、80%。

楊木素材、樹脂浸漬材和真空熱處理樹脂浸漬材的車削性能質(zhì)量等級(jí)值分別為2.8、3.3、3.0，輻射松分別為3.4、3.6、3.4。除楊木素材外，其他5種木材試件的車削性能良好。

從車削性能等級(jí)值看，同樹種木材、不同改性方式下，車削性能優(yōu)劣順序?yàn)椋簶渲n材＞真空熱處理樹脂浸漬材＞素材。同種改性方式下，輻射松兩種改性材的車削性能均優(yōu)于楊木改性材。

車削加工產(chǎn)生主要缺陷為毛刺溝痕，約有75%均為表面毛刺溝痕。楊木素材試件中存在表面毛刺等輕微缺陷；熱處理?xiàng)钅緲渲n材車削時(shí)碎屑為顆粒狀，車削木材表面大多是小坑穴狀毛刺溝痕。上述楊木缺陷，輻射松3種木材試件也對(duì)應(yīng)出現(xiàn)，但缺陷輕微。毛刺溝痕缺陷是由刀具與試件旋轉(zhuǎn)逆行切割所致，尤其是楊木素材和真空熱處理樹脂浸漬材密度較低，車削加工更易產(chǎn)生坑穴狀的毛刺撕裂。

2.6 綜合性能評(píng)價(jià)

參考 LY/T 2054—2012標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算分析各材種的單項(xiàng)機(jī)械加工性能質(zhì)量，將刨削加工的1等級(jí)所占百分率作為達(dá)標(biāo)率，鉆削、銑削的1、2等級(jí)所占的總百分率作為達(dá)標(biāo)率，開榫和車削的1、2、3等級(jí)所占總百分率作為達(dá)標(biāo)率，依據(jù)表2單項(xiàng)測試質(zhì)量級(jí)別的劃分標(biāo)準(zhǔn)得到6種木材試件各項(xiàng)機(jī)械加工項(xiàng)目測試對(duì)應(yīng)級(jí)別如表3。結(jié)合表3數(shù)據(jù)，計(jì)算6種木材試件的機(jī)械加工性能綜合評(píng)分結(jié)果，如表4所示。

表3 6種木材試件各項(xiàng)機(jī)械加工項(xiàng)目測試對(duì)應(yīng)級(jí)別Tab.3 Test corresponding levels of 6 types of wood machining processing items

表4 6種試件木材機(jī)械加工性能綜合評(píng)分結(jié)果Tab.4 Comprehensive scoring results of 6 types of wood machining performance

由表4可知，在滿分40分情況下，楊木素材、樹脂浸漬材和真空熱處理樹脂浸漬材的質(zhì)量總評(píng)分分別為20分、30分、25分，輻射松分別為24分、33分、29分。只有輻射松樹脂浸漬材的機(jī)械加工性能綜合評(píng)價(jià)值高于30分。在各種單項(xiàng)測試中，樹脂浸漬材的表現(xiàn)也優(yōu)于其他種類試件。熱處理樹脂浸漬材綜合機(jī)械加工性能略低于樹脂浸漬材，樹脂浸漬材各項(xiàng)機(jī)械加工性能較好，適用于各類實(shí)木制品的生產(chǎn)及其各種機(jī)械加工方式。

3 結(jié)論

對(duì)楊木和輻射松的素材、脲醛樹脂浸漬材、經(jīng)真空熱處理的脲醛樹脂浸漬材的機(jī)械加工性能進(jìn)行測試評(píng)價(jià)，結(jié)論如下：1）楊木和輻射松的樹脂浸漬材綜合機(jī)械加工性能最佳，熱處理樹脂浸漬材次之，楊木素材最低，其中輻射松樹脂浸漬材綜合機(jī)械加工性能優(yōu)于楊木。在生產(chǎn)實(shí)踐中可根據(jù)木制產(chǎn)品特點(diǎn)與用途，選擇合適的木材種類和加工方式。2）6種木材機(jī)械加工缺陷主要為毛刺、毛刺溝痕、凹凸紋、撕裂、削片壓痕等，且各種木材在相同的加工方式下缺陷程度不同，主要因木材密度和硬度等材性差異所致。在實(shí)際生產(chǎn)中需考慮木材特性、設(shè)備條件、加工效率、生產(chǎn)成本等諸多因素，持續(xù)調(diào)整和改善加工工藝以獲得高質(zhì)量的木制產(chǎn)品。

由于受條件限制，本研究對(duì)6種木材的砂削性能未進(jìn)行測試評(píng)價(jià)；有關(guān)加工進(jìn)料速度、刀具種類、切削刀具角度、刀軸轉(zhuǎn)速、切削工具的鈍化等工藝參數(shù)，有待進(jìn)一步研究；同時(shí)后續(xù)還將對(duì)楊木和輻射松改性木材的構(gòu)造特性、材性與其機(jī)械加工性能的相關(guān)性及影響機(jī)理進(jìn)行深入研究。