膠合彎曲與實(shí)木構(gòu)件圓榫接合最佳配合量研究

■王笑輝 關(guān)惠元 黃瓊濤 Wang Xiaohui & Guan Huiyuan & Huang Qiongtao

(1.2.南京林業(yè)大學(xué)，江蘇南京 210037；3. 宜華生活科技股份有限公司，廣東汕頭 515834）

家具設(shè)計(jì)就是為了滿足人們對家具產(chǎn)品使用和審美的需要而進(jìn)行的構(gòu)思與規(guī)劃，圍繞材料、結(jié)構(gòu)、形態(tài)、色彩、表面加工、裝飾等而賦予家具產(chǎn)品新的形式、品質(zhì)和意義[1]。近幾年來，家具業(yè)大量采用新材料、新配件，使家具結(jié)構(gòu)朝著更加簡潔、堅(jiān)固、更符合現(xiàn)代生產(chǎn)和快速物流的方向轉(zhuǎn)變[2]。膠合彎曲家具具有外形輕巧、曲線流暢；結(jié)構(gòu)簡潔、牢固、穩(wěn)定；生產(chǎn)工藝簡化等優(yōu)點(diǎn)，深受制造商和市場的青睞[3-7]。材料是構(gòu)成家具的物質(zhì)基礎(chǔ)[8]，多種材料相輔相成設(shè)計(jì)而成的家具已成為當(dāng)下家具行業(yè)一種新的設(shè)計(jì)趨勢[9]。由膠合彎曲構(gòu)件與實(shí)木構(gòu)成的家具，在繼承了膠合彎曲家具優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，彰顯了實(shí)木的魅力。在至今為止的榫接合力學(xué)性能研究中，大多是研究實(shí)木與實(shí)木之間的接合配合參數(shù)，膠合彎曲構(gòu)件與實(shí)木零件之間的圓榫接合配合參數(shù)研究十分鮮見。因此，本文就膠合彎曲構(gòu)件與實(shí)木零件之間的圓榫接合最佳配合參數(shù)展開研究，為膠合彎曲與實(shí)木接合家具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與試件制備

1.1 材料

實(shí)驗(yàn)用的試件材料由膠合彎曲構(gòu)件和實(shí)木構(gòu)件材料及膠黏劑組成。

膠合彎曲構(gòu)件大多數(shù)情況下是采用同紋理方向的單板，通過模具加壓成型膠合而成[10-11]，它與實(shí)木零件搭配構(gòu)成家具時(shí)，接合部位的實(shí)質(zhì)特征是實(shí)木與LVL的連接，因此，本實(shí)驗(yàn)選用楊木單板層積材（Poplar LVL）作為膠合彎曲構(gòu)件的材料。楊木單板層積材的厚度為20mm, 平均含水率為9.9%，氣干密度為0.59g/cm3。選取櫸木（Fagus sp.）作為實(shí)木構(gòu)件材料。櫸木的平均含水率為12%，氣干密度為0.71g/cm3。膠黏劑為熊貓牌聚醋酸乙烯乳液膠，固含量為44%。

1.2 試件制備

采用縱解圓鋸和萬能橫截圓鋸將楊木單板層積材精密裁解成長（纖維方向）×寬為200mm×70mm的待加工試件。采用縱解圓鋸和木工車床及萬能橫截圓鋸將櫸木加工成長度（纖維方向）為130mm、直徑為40mm的待加工試件。圓形榫頭和榫孔采用原力WPC數(shù)控機(jī)床加工。如圖1所示，在楊木單板層積材試件的正中央部位，加工一個(gè)直徑為D、深度為16mm的榫孔。如圖2所示，在櫸木試件的一端加工一個(gè)直徑為30mm、長度為15mm的圓形榫頭。圓形榫頭與榫孔的加工精度為0.01mm。在櫸木試件的另一端的兩側(cè)各切除一部分材料，中間留下20mm厚的材料，供抗拉試驗(yàn)時(shí)加載頭夾持試件。如圖3所示，在圓形榫頭表面與榫孔內(nèi)壁上均勻涂布一層聚醋酸乙烯乳液膠，涂布量約在150-220g/m2[12]，接著將兩個(gè)試驗(yàn)體裝配成T型，陳放7天待膠固化后作為待測試件。

■圖1 楊木單板層積材試件

■圖3 T型試件

■圖4 T型試件抗拉試驗(yàn)示意圖

■圖5 拉伸載荷與位移關(guān)系圖

■圖6 試件破壞形式

表1 圓榫接合配合參數(shù)A與榫孔直徑D

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 圓榫接合配合參數(shù)的確定

楊木單板層積材與櫸木之間的圓榫接合采用基軸制，即圓形榫頭直徑為定值30mm，通過變化榫孔直徑D來實(shí)現(xiàn)不同的配合。圓榫接合配合參數(shù)用A來表達(dá)，A=30-D。如表1所示，A分別取0mm、0.2mm、0.4mm、0.6mm四個(gè)值，對應(yīng)的榫孔直徑D分別為30mm、29.8mm、29.6mm、29.4mm。

2.2 抗拉試驗(yàn)方法

圖4是T型試件抗拉試驗(yàn)示意圖。如圖4所示，利用自制的夾具，在日本島津AG-X50KN精密電子萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上，對T型試件進(jìn)行極限抗拉試驗(yàn)。設(shè)定萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)的加載速度為10mm/min，載荷測定精度為0.01N，位移精度為0.002mm。每種測試條件重復(fù)測試6次，試驗(yàn)結(jié)束后，記錄極限抗拉值。

3 結(jié)果與分析

3.1 力學(xué)行為特征

圖5是T型試件抗拉試驗(yàn)的拉伸載荷與位移之間的典型關(guān)系圖。如圖5所示，隨著拉伸載荷的逐漸加大，拉伸載荷與位移之間幾乎呈線性關(guān)系，當(dāng)拉伸載荷達(dá)到一定值時(shí)，載荷呈陡坡狀急速下降至很小的值。實(shí)驗(yàn)過程中觀察到，當(dāng)拉伸載荷達(dá)到一定值時(shí)，伴隨著一聲較大的“嘣”的聲音后，載荷呈陡坡狀急速下降，隨之試件被完全破壞。從拉伸載荷與位移之間的關(guān)系圖可看出，實(shí)木與膠合彎曲構(gòu)件圓榫接合的力學(xué)特征，在加載的前階段中為線性彈性行為，載荷達(dá)到最大值后為脆性行為，說明這種結(jié)構(gòu)在發(fā)生破壞前缺少預(yù)警性。

3.2 試件破壞形式

圖6是T型試件抗拉試驗(yàn)后的破壞形式。如圖6（①）所示，榫頭表面觀察到極低的木破率，幾乎全是膠層破壞。如圖6（②）所示，單板層積試件中間層的膠層出現(xiàn)開膠現(xiàn)象。如圖6（③）所示，榫眼周圍的表層產(chǎn)生劈裂式破壞，也是單板層的膠層出現(xiàn)開膠。從圖6（②、③）觀察到的破壞特征可知，提高單板層積材試件的膠合質(zhì)量，對增強(qiáng)圓榫接合的強(qiáng)度存在可能性。

3.3 配合量對極限抗拉強(qiáng)度的影響

圖7是T型試件抗拉試驗(yàn)的極限抗拉強(qiáng)度與配合量的關(guān)系圖。從圖中可看出，各測試點(diǎn)數(shù)值的正負(fù)偏差不太大，在允許范圍內(nèi)，測試數(shù)據(jù)可靠性較好。極限抗拉強(qiáng)度隨著配合量的加大而漸漸提高，當(dāng)提高一定值后又有下降的趨勢,極限抗拉強(qiáng)度與配合量的關(guān)系可用如下多項(xiàng)式表達(dá)：y = -4.25x2+3.93x+2.52。式中，y表示極限抗拉強(qiáng)度（KN），x表示配合量（mm），擬合出的極限抗拉強(qiáng)度與配合量關(guān)系多項(xiàng)式，其擬合度R2為0.83，能較好地反映極限抗拉強(qiáng)度與配合量的關(guān)系。由圖7可以看出，在本試驗(yàn)條件下，用整體圓榫實(shí)現(xiàn)櫸木與楊木單板層積材接合時(shí)，最佳配合量約為0.4-0.5mm。

4 結(jié)語

以圓榫接合的榫頭與榫眼配合量為變量，通過測試T型試件極限抗拉強(qiáng)度，考察櫸木與楊木單板層積材間圓榫接合的最佳配合量，得到以下結(jié)果：

①櫸木與楊木單板層積材間圓榫接合的力學(xué)特征，在加載的前階段中為線性彈性行為，載荷達(dá)到最大值后為脆性行為，表明這種結(jié)構(gòu)在發(fā)生破壞前缺少預(yù)警性。②極限抗拉的主要破壞形式為榫頭與榫眼間的膠層破壞，并伴隨產(chǎn)生單板層積材試件中間層的膠層開膠。根據(jù)這一破壞特征可推測，提高單板層積材試件的膠合質(zhì)量，對增強(qiáng)圓榫接合的強(qiáng)度存在可能性。③極限抗拉強(qiáng)度y與配合量x的關(guān)系可用y=-4.25x2+3.93x+2.52多項(xiàng)式表達(dá)，最佳配合量約為0.4-0.5mm。

（責(zé)任編輯：肖 佳）

[1]楊明潔,張健偉,徐倩.軟木材料在家具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].家具與室內(nèi)裝飾,2017,(01):76-77.

[2]關(guān)惠元.現(xiàn)代家具結(jié)構(gòu)講座,第一講:現(xiàn)代實(shí)木家具結(jié)構(gòu)——接合方法與技術(shù)要求[J].家具,2007,(01):54-59.

[3]許婷婷.ZAKKA風(fēng)格影響下的現(xiàn)代曲木家具設(shè)計(jì)應(yīng)用研究[D].開封:河南大學(xué),2016.

[4]陳煜.技術(shù)與藝術(shù)的完美結(jié)合[D].南京:南京林業(yè)大學(xué),2008.

[5]徐其文.彎曲木成型技術(shù)及其在家具制作中的應(yīng)用研究[J].南通工學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2002,(03):94-96.

[6]王棟.北歐椅類家具的人體工程學(xué)研究[D].哈爾濱:東北林業(yè)大學(xué),2013.

[7]張杰,袁偉靜.單板層積彎曲木家具的設(shè)計(jì)研究[J].科技風(fēng),2014,(13):38+40.

[8]楊明潔,張健偉,徐倩.軟木材料在家具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].家具與室內(nèi)裝飾,2017,(01):76-77.

[9]李慧,張仲鳳,戴向東.基于不同材料特性的竹坐具設(shè)計(jì)研究[J].家具與室內(nèi)裝飾,2016,(02):66-67.

[10]傅元宏.多層膠合彎曲木家具的工藝技術(shù)[J].家具,1987,(02):10-12.

[11]徐其文.彎曲木成型技術(shù)及其在家具制作中的應(yīng)用研究[J].南通工學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2002,(03):94-96.

[12]鐘世祿,關(guān)惠元.橢圓榫過盈配合量與木材密度的關(guān)系[J].林業(yè)科技開發(fā),2007,(02):57-59.