木構(gòu)件鋸切功率的影響因素試驗(yàn)研究

王 芳 耿 冰 王國富 金 征 張 偉*

（1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018；2.中國林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所，北京 100091）

木結(jié)構(gòu)建筑具有輕質(zhì)高強(qiáng)、抗震舒適、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，木構(gòu)件是其主要組成單元，如立柱、橫梁、承重骨架等[1-4]。在實(shí)際建造中，木構(gòu)件需要加工成不同形狀的截面以適應(yīng)不同的連接結(jié)構(gòu)。鋸切是快速加工木材及木質(zhì)復(fù)合材料的重要方法，主要設(shè)備包括帶鋸機(jī)、圓鋸機(jī)、排鋸機(jī)等[5-7]。木構(gòu)件的柔性鋸切受到材料種類、加工設(shè)備及刀具條件、鋸切方法等諸多因素的影響[8-12]。在設(shè)計(jì)加工工藝時(shí)，應(yīng)考慮木構(gòu)件對柔性鋸切的要求[13]。

在木構(gòu)件的鋸切加工過程中，不同材料的最優(yōu)加工參數(shù)一般是不同的，而加工參數(shù)對木構(gòu)件加工質(zhì)量的影響程度也有所區(qū)別[14-18]。近年來，國內(nèi)外研究學(xué)者針對多種因素對鋸切性能的影響開展了大量研究。Nasir和Cool[19]由圓鋸片在進(jìn)行鋸切時(shí)產(chǎn)生的鋸片振動(dòng)入手，提出了木材鋸切機(jī)理。Hlásková等[20]研究了不同的木材材性、刀具條件、鋸切環(huán)境下的鋸切類型，并提出模型，分析了鋸切過程中的受力情況 。彭鑫榮等[21]分析了刀具材料、主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度對木材切削表面粗糙度的影響關(guān)系。張漢石等[22]搭建鋸切試驗(yàn)平臺，進(jìn)行蘋果枝條鋸切仿真分析，探究了鋸切速度、進(jìn)給速度、枝條直徑對鋸切力學(xué)的相關(guān)關(guān)系。

木結(jié)構(gòu)建筑廣泛應(yīng)用于世界各地，鋸切是木構(gòu)件模塊化設(shè)計(jì)與生產(chǎn)必不可少的過程[23-26]。目前，關(guān)于木構(gòu)件鋸切功率的研究，以及從鋸切功率角度探究木構(gòu)件材料鋸切加工的報(bào)道相對較少。鑒于此，本研究以云杉、纖維板和重組竹三種木構(gòu)件材料為試材，設(shè)計(jì)了專用于鋸切功率測試試驗(yàn)平臺，并應(yīng)用多因素正交試驗(yàn)對木構(gòu)件的鋸切性能進(jìn)行分析，以期為科學(xué)制定木構(gòu)件的鋸切方案提供參考。

1 試驗(yàn)原理

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 木構(gòu)件原材料

木構(gòu)件原料包括云杉試件、纖維板試件、重組竹試件。保證所選用的試樣光滑平整、無節(jié)子、斷裂等。試樣形狀為長方體，尺寸為150 mm × 38.5 mm × 16.5 mm，如圖1所示。采用接觸式濕度測量儀檢測木構(gòu)件的含水率，其含水率范圍為6.4%～11.7%。

1.1.2 試驗(yàn)刀具

木構(gòu)件質(zhì)地較軟，具有各向異性、非均質(zhì)的特點(diǎn)。木料具有一定的彈性模量，木料被切削后，彈性的恢復(fù)量一部分會(huì)擠壓鋸子平面，增加能耗；另一部分會(huì)被鋸齒再次切削。為了保證刀具的使用壽命，本研究選用硬質(zhì)合金圓鋸片作為刀具材料，直徑為300 mm，口徑為30 mm，鋸片厚度為3.2 mm。為探究刀具齒形對木構(gòu)件切削的影響，分別選取平齒、左右齒、梯平齒的鋸片，其齒形結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 齒形結(jié)構(gòu)Fig.2 Toothed structure

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在木構(gòu)件鋸切過程中，一般選用圓鋸片作為切割刀具。為適應(yīng)不同材料的密度、尺寸、鋸切效率、鋸切方向等，圓鋸片需采用不同的齒數(shù)和齒形。木構(gòu)件圓鋸片的鋸切最大功率是鋸機(jī)整機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、動(dòng)力匹配所依據(jù)的主要參數(shù)，且對刀具壽命、鋸切安全性具有重要影響。經(jīng)預(yù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，鋸切木材時(shí)，圓鋸片轉(zhuǎn)速過大會(huì)導(dǎo)致機(jī)床負(fù)載過大的現(xiàn)象。因此，本試驗(yàn)中的圓鋸片轉(zhuǎn)速分別設(shè)置為1 000、2 000 r/min和3 000 r/min。試驗(yàn)以鋸切最大功率消耗為評價(jià)指標(biāo)，以圓鋸片轉(zhuǎn)速、圓鋸片齒數(shù)、圓鋸片齒形、木構(gòu)件材料為試驗(yàn)因素。基于多因素正交試驗(yàn)法，選擇L9（43）表頭，試驗(yàn)因素水平如表1所示。

表1 試驗(yàn)因素水平表Tab.1 Table of test factor levels

2 試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)臺搭建與關(guān)鍵裝置設(shè)計(jì)

圖3為木構(gòu)件鋸切加工機(jī)床，總體尺寸為2 300 mm ×4 700 mm × 1 522 mm（長×寬×高），采用滑塊導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)空間位置的移動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)一次性木材雙側(cè)鋸切。

圖3 木構(gòu)件鋸切加工機(jī)床三維模型Fig.3 Three-dimensional model of sawing machine for wood components

總體布局采用對稱結(jié)構(gòu)，每側(cè)均布置4臺電機(jī)，電機(jī)采用兩種連接方案，分別為直接固聯(lián)電機(jī)底座和固聯(lián)在可旋轉(zhuǎn)的側(cè)板。電機(jī)1和鋸切輪安裝于側(cè)板上，皮帶傳遞扭矩給鋸切輪，側(cè)板采用可旋轉(zhuǎn)卡扣與電機(jī)底座相連，可在-90°～90°范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)，完成不同角度的斜面切削。電機(jī)底座滑動(dòng)實(shí)現(xiàn)短距離X軸方向的移動(dòng)；電機(jī)底座安裝有滑塊，通過導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)Y軸方向的移動(dòng)；底板通過滑塊滑軌機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)長距離X軸方向移動(dòng)，用以定位不同尺寸的板材，實(shí)現(xiàn)多種樣式的柔性化鋸切。

2.2 試驗(yàn)過程

如圖4所示，試驗(yàn)場地為山東茌平縣森強(qiáng)密度板有限公司，試驗(yàn)用鋸為青島展翔機(jī)械有限公司所生產(chǎn)的精密木工推臺鋸，最大鋸切長度為3 200 mm，最大鋸切寬度為1 250 mm，主鋸功率為5.5 kW，主軸轉(zhuǎn)速可達(dá)6 000 r/min。轉(zhuǎn)速測量儀、PC、變壓器等為Fluke公司所生產(chǎn)的NORMA 4000 Power Analyzer。采用LAN口的通信協(xié)議與PC相連接，誤差范圍在0.03%～0.3%，輸出周期為300 ms。功率分析儀采集的數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖4 測試現(xiàn)場圖Fig.4 Test site diagram

圖5 數(shù)據(jù)采集界面Fig.5 Data acquisition interface

3 結(jié)果與分析

正交試驗(yàn)主要用于分析因素與指標(biāo)的關(guān)系，分析影響因素的主次關(guān)系或選擇最佳方案。正交試驗(yàn)結(jié)果與極差分析如表2 所示，各考察因子的極差值越小，說明該因子對試驗(yàn)指標(biāo)的影響越大。

表2 極差分析Tab.2 Range analysis

由極差分析可知，各試驗(yàn)因素對鋸切過程最大功率消耗影響的主次順序依次是：圓鋸片轉(zhuǎn)速、試件材料、圓鋸片齒數(shù)、圓鋸片齒形。

各因素對鋸切過程最大功率消耗影響變化規(guī)律如圖6 所示。鋸切過程最大功率消耗隨著圓鋸片轉(zhuǎn)速的增大而增大，且增幅逐漸加快。這是因?yàn)檗D(zhuǎn)速的增大使鋸機(jī)初始的能量輸出增大，造成空載功率增大，但是過大的轉(zhuǎn)速會(huì)造成鋸片與木材接觸瞬時(shí)撞擊力激增。不同鋸切材料的密度和硬度是影響鋸切功率的主要因素。因此，重組竹的切削功耗最大。對于不同的圓鋸片齒數(shù)，最大功率消耗值隨著齒數(shù)的增大先增大后減小。這主要是因?yàn)樵阡徢袝r(shí)，單位時(shí)間內(nèi)鋸齒的切削次數(shù)隨齒數(shù)的增大而增大，因此功耗增加。但較多的齒數(shù)造成木料排屑能力加強(qiáng)，從而使得功耗降低。齒形影響切削功率的主要原因是切削阻力和排屑能力，其中梯形齒圓鋸片對木材切削阻力最小、排屑能力弱；左右齒圓鋸片對木材切削阻力最大、排屑能力強(qiáng)，而平齒介于二者中間，因此切削功率在兩種因素下（切削阻力、排屑能力）交互影響下呈現(xiàn)圖6 變化規(guī)律。

圖6 鋸切過程最大功率消耗影響變化規(guī)律Fig.6 The influence of maximum power consumption in the sawing process

云杉、纖維板、重組竹對最大鋸切功率的影響如圖7所示。由圖7可知，鋸切云杉的較優(yōu)工藝為轉(zhuǎn)速1 000 r/min、齒數(shù)60個(gè)、平齒形。鋸切纖維板的較優(yōu)工藝為轉(zhuǎn)速1 000 r/min、齒數(shù)96個(gè)、梯平齒形。鋸切重組竹的較優(yōu)工藝為轉(zhuǎn)速2 000 r/min、齒數(shù)60個(gè)、梯平齒形。

圖7 不同材料下各因素對最大鋸切功率的影響Fig.7 Influence of various factors on maximum sawing power under different materials

4 結(jié)論

本文探究了木構(gòu)件的鋸切轉(zhuǎn)速、圓鋸片齒形、齒數(shù)、木構(gòu)件材料對鋸切性能的影響規(guī)律，主要得出以下結(jié)果：

1）本文設(shè)計(jì)的柔性化鋸切平臺可實(shí)現(xiàn)鋸切運(yùn)動(dòng)參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)的調(diào)整，可應(yīng)用于多功能調(diào)節(jié)的試驗(yàn)和實(shí)際生產(chǎn)。

2）各試驗(yàn)因素對鋸切過程最大功率消耗影響的主次順序依次是：圓鋸片轉(zhuǎn)速、試件材料、圓鋸片齒數(shù)、圓鋸片齒形。

3）鋸切云杉的較優(yōu)優(yōu)工藝為轉(zhuǎn)速1 000 r/min、齒數(shù)60 個(gè)、平齒形。鋸切纖維板的較優(yōu)優(yōu)工藝為轉(zhuǎn)速1 000 r/min、齒數(shù)96 個(gè)、梯平齒形。鋸切重組竹的較優(yōu)優(yōu)工藝為轉(zhuǎn)速2 000 r/min、齒數(shù)60 個(gè)、梯平齒形。

通過上述結(jié)果得出：鋸切不同種類木構(gòu)件時(shí)，由于木材本身木質(zhì)纖維結(jié)構(gòu)的不同，鋸切方式需差異化對待。在多種影響因素下應(yīng)多方面考量，找出鋸切功率影響主次關(guān)系和各因素最佳匹配值，以減少在實(shí)際加工作業(yè)中鋸切功率的消耗，降低企業(yè)的加工能耗，提高整體效益，符合國家節(jié)能減排的倡導(dǎo)。