不同樹齡尾巨桉無性系木材機械加工性能研究

黃騰華，王軍鋒，宋戀環(huán)，雷福娟，欒 潔，馮沁雄

（廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院 廣西木材資源培育質(zhì)量控制工程技術(shù)研究中心，廣西南寧 530002）

尾巨桉（Eucalyptus urophylla×E. grandis）是尾葉桉（E. urophylla）和巨桉（E. grandis）雜交的無性系，是我國南方大面積種植的速生桉品種之一，具有生長快速、樹干勻稱通直和木材產(chǎn)量高等特點。尾巨桉木材在加工和使用過程中易變形開裂，目前，對其木材的利用主要為將其加工成小單元（纖維、刨花和單板等），用于人造板加工和造紙等方面；也可用于制作木門板芯和實木衣架等，有較高的經(jīng)濟價值[1-4]。尾巨桉無性系自引種以來,在其木材干燥、木材解剖構(gòu)造和木材材性等方面已有大量研究[5-8],但在機械加工方面的研究較少。木材機械加工性能的研究始于上世紀(jì)末，研究者已進行了部分樹種機械加工性能的研究[9-15]，并對尾葉桉、巨桉、赤桉（E. camaldulensis）、大花序桉（E. cloeziana）、細(xì)葉桉（E.teretcornis）和粗皮桉（E.pellits）等大徑級桉樹木材的機械加工性能進行了研究[16-17]。本研究以5年生和7年生尾巨桉無性系木材為對象，對其刨削、砂削、鉆削、銑削、開榫和車削6項機械加工性能進行全面測試、分析及評價，獲得了6項機械加工性能的參數(shù)。了解了尾巨桉不同樹齡木材的機械加工性能特點，可為尾巨桉無性系定向培育及其木材的高附加值加工利用提供參考。

1 材料與方法

1．1 試驗材料

試材采自廣西壯族自治區(qū)國有維都林場龍鳳山分場[4]。采集了5年生和7年生尾巨桉無性系試材，每個樹齡采集5株（表1）。試件的尺寸和數(shù)量見表2，樣品采用簡單隨機抽取。

表1 不同樹齡尾巨桉試材基本情況Tab.1 Basic situation of E.urophylla×E.grandis wood at different ages

表2 試件尺寸及數(shù)量Tab.2 Dimension and number of samples

1．2 試驗及評價方法

以5年生和7年生尾巨桉無性系木材為試材，參照LY/T 2054-2012[18]，分別對其機械加工性能（刨削、砂削、鉆削、銑削、開榫和車削）進行測試，并根據(jù)試驗標(biāo)準(zhǔn)進行等級評定，將加工質(zhì)量分為5個等級。根據(jù)各項目在木材機械加工生產(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；根據(jù)每個測試項目試樣的達標(biāo)率，確定其質(zhì)量級別（表3）；每個測試項目的質(zhì)量級別乘以其加權(quán)數(shù)得到每個測試項目的得分，將6 項得分相加得出總分，獲得綜合加工性能得分，滿分為50分。

表3 單項測試質(zhì)量級別的劃分標(biāo)準(zhǔn)Tab.3 Classification standard of single test quality level

1．3 試驗設(shè)備和條件

1．3．1 刨削

主要設(shè)備為MB106D 型自動進料單面木工壓刨床。使用新刃磨的銳利刀具，刀具數(shù)量為3，調(diào)整刨刀的楔角為30°，主軸轉(zhuǎn)速為5 000 r/min，刨削深度為1．6 mm，進料速度選取目前實木加工廠常用的6 m/min 和9 m/min。使用直刀，且1 次只刨削1 個面。根據(jù)刨削缺陷的主要類型（削片壓痕、凹凸紋、毛刺、毛刺溝痕和表面粗糙度）及其程度，將試樣分為5 個等級。一級為優(yōu)秀，沒有缺陷，記5分；二級為良好，存在輕微缺陷，可通過120 目砂紙輕磨消除，記4 分；三級為中等，存在面積較大的輕微缺陷，可通過120 目砂紙打磨消除，記3 分；四級為較差，存在較大和較深的刨削缺陷，不能或很難通過砂紙打磨消除，記2 分；五級為極差，存在嚴(yán)重刨削缺陷，記1 分。并將1 級試樣所占百分率作為刨削性能比較百分率。

1．3．2 砂削

采用R-RP630 雙砂架寬帶砂光機，使用紙質(zhì)砂帶。選擇經(jīng)4 次刨削加工處理后的試樣，采用磨料粒度為120 目的砂帶砂光兩次[10]，砂光的進料速度為6 m/min，砂削厚度為0．6 mm。砂光處理后，采用HANDYSURF E-35B 便攜式表面粗糙度測量儀，對試樣砂削后的表面粗糙度參數(shù)Ra、Rz 和RSm 進行測量。每個試件隨機選取5個無缺陷的位置進行測量，取平均值。粗糙度測量時，設(shè)備參數(shù)設(shè)置為評定長度（截止波長）2．50 mm，測量長度12．50 mm。根據(jù)砂削缺陷的主要類型（凹凸紋、毛刺溝痕和表面粗糙度）及其程度，將試樣分為5 個等級，并將1級（無缺陷試樣）所占百分率作為砂削試樣達標(biāo)率。

1．3．3 鉆削

采用Z4116型木工鉆床。手動進料，轉(zhuǎn)速可調(diào)。選擇鉆頭直徑為25 mm的麻花鉆（單螺紋實心鉆）和帶有沉割刀的圓形中心鉆。根據(jù)生產(chǎn)的實際情況，使用麻花鉆時，轉(zhuǎn)速為500 r/min；使用圓形沉割刀中心鉆時，轉(zhuǎn)速為2 600 r/min。勻速進料以保證鉆頭正常切削且不撕裂木材，對所有試樣均進行橫向鉆削，每個試樣用兩種鉆頭各加工1 個孔。根據(jù)鉆削缺陷的主要類型（毛刺、毛刺溝痕和表面粗糙度）及其程度，將試樣分為5個等級。確定1和2級鉆削試樣數(shù)量的百分比，并將其作為鉆削試樣達標(biāo)率。

1．3．4 銑削

采用MX5117B 型單軸立式木工銑床。手動進料，使用新刃磨的銳利刀具，主軸轉(zhuǎn)速為10 000 r/min。在銑削加工前，先采用細(xì)木工帶鋸初步加工出具有相同形狀的試樣，然后采用銑床按順紋理方向一次銑削成型。根據(jù)銑削缺陷的主要類型（削片壓痕、凹凸紋、毛刺和表面粗糙度）及其程度，將試樣分為5 個等級。確定1 和2 級銑削試樣數(shù)量的百分比，并將其作為銑削試樣達標(biāo)率。

1．3．5 開榫

采用MS362 型立式單軸榫槽機。手動進料，主軸轉(zhuǎn)速為2 860 r/min。采用規(guī)格為12．5 mm 的方形空心鑿加工方形貫通榫眼，并在加工時盡可能使榫眼兩邊垂直于木材紋理，另兩邊平行于木材紋理。每個試樣進行兩次榫眼加工，開榫加工時試樣下放置墊板，保證墊板與試樣緊密接觸。根據(jù)開榫缺陷的主要類型（毛刺、毛刺溝痕和表面粗糙度）及其程度，將試樣分為5個等級。確定1、2和3級開榫試樣數(shù)量的百分比，并將其作為開榫試樣達標(biāo)率。

1．3．6 車削

采用馬氏MC3022 仿形木工車床。手動進料，主軸轉(zhuǎn)速為2 800 r/min，刀具材料為硬質(zhì)合金。根據(jù)生產(chǎn)實際情況，采用直齒刀具和靠模定型的方法。最大車削量約8 mm。車削加工后，采用150 目砂紙對試樣進行手工打磨。根據(jù)車削缺陷的主要類型（毛刺、毛刺溝痕和表面粗糙度）及其程度，將試樣分為5 個等級。確定1、2 和3 級車削試樣數(shù)量的百分比，并將其作為車削試樣達標(biāo)率。

2 結(jié)果與分析

2．1 刨削

當(dāng)切削深度為1．6 mm、進料速度為6 m/min 時（處理1），5年生木材刨削加工1、2、3、4 和5 級試樣占比分別為20%、33%、23%、17%和7%，7年生木材占比分別為27%、11%、24%、38%和0%（表4）。當(dāng)切削深度為1．6 mm、進料速度為9 m/min（處理2）時，5年生木材刨削加工1、2、3、4 和5 級試樣占比分別為13%、37%、7%、23%和20%；7年生木材占比分別為8%、24%、22%、35%和11%，且節(jié)子附近和心邊材交界處易出現(xiàn)較嚴(yán)重的削片壓痕和毛刺溝痕等缺陷。進料速度對不同樹齡木材的刨削質(zhì)量有影響，進料速度從6 m/min升至9 m/min，刨削缺陷的嚴(yán)重程度增加，試樣的加工質(zhì)量下降。進料速度為6 m/min 時，7年生木材的刨削質(zhì)量較5年生好；進料速度為9 m/min 時，5年生木材的刨削質(zhì)量較7年生好。綜合考慮，5年生和7年生木材進行刨削加工時，進料速度宜采用6 m/min。

表4 不同刨削處理下試樣各等級占比Tab.4 Percentage of grade 1 to 5 samples after different planning treatments(%)

2．2 砂削

5年生木材砂削加工1、2、3、4 和5 級試樣占比分別為23%、47%、20%、10%和0%，達標(biāo)率為23%；7年生木材占比分別為57%、24%、11%、8%和0%，達標(biāo)率為57%（表5）。7年生木材砂削質(zhì)量較5年生好，試樣達標(biāo)率約為5年生的2．5倍。粗糙度測試結(jié)果顯示，5年生試樣的Ra、Rz 和Rsm 分別為6．5、44．4 和400．5，7年生分別為6．1、41．4 和392．9，7年生試樣的Ra、Rz和Rsm均較5年生小，表明7年生試材的表面質(zhì)量較5年生好。主要的砂削缺陷為絨毛。經(jīng)砂削后，大部分刨削缺陷被消除，節(jié)子周圍加工質(zhì)量的改善顯著。因此，砂削是木材刨削后必要的加工工序。

表5 砂削加工后試樣各等級占比Tab.5 Percentage of gradee 1 to 5 samples after sanding (%)

2．3 鉆削

采用圓形沉割刀中心鉆鉆孔時，鉆孔質(zhì)量高于麻花鉆，1 級試樣占比為100%；孔壁整潔且較光滑，孔上周緣無任何壓潰、毛刺和撕裂等缺陷；孔下周緣的加工質(zhì)量略差，部分試樣存在少量毛刺，可通過調(diào)整墊板與被加工試樣的接觸位置，進一步減少或消除（表6）。采用麻花鉆鉆孔時，7年生木材的1和2 級試樣占比較5年生高，達標(biāo)率分別為58%和33%。麻花鉆鉆孔的主要缺陷為毛刺、撕裂和孔壁粗糙等。從總體情況來看，采用兩種鉆頭進行加工時，孔的上周邊緣加工質(zhì)量均優(yōu)于下周，缺陷主要集中在孔的下周邊。因此，進行鉆削加工時，應(yīng)在試樣下方加墊板，且墊板與試樣應(yīng)緊密接觸，以減少下周邊緣缺陷的發(fā)生，提高加工質(zhì)量。

表6 鉆削加工后試樣各等級占比Tab.6 Percentage of grade 1 to 5 samples after boring (%)

2．4 銑削

5年生木材銑削加工1、2、3、4 和5 級試樣占比分別為0%、55%、38%、7%和0%，7年生木材占比分別為3%、65%、29%、3%和0%（表7）。5年生和7年生木材銑削質(zhì)量均較差，達標(biāo)率分別為55%和68%，7年生木材的銑削質(zhì)量總體上較5年生好。

表7 銑削加工后試樣各等級占比Tab.7 Percentage of gradee 1 to 5 sample after shaping (%)

2．5 開榫

5年生木材開榫加工1、2和3級試樣占比分別為30%、38%和23%，達標(biāo)率為91%；7年生木材占比分別為48%、40%和6%，達標(biāo)率為94%（表8）。開榫加工的主要缺陷為毛刺、毛刺溝痕和下緣撕裂等，缺陷的破壞程度較鉆孔時嚴(yán)重。孔壁毛刺及毛刺溝痕為發(fā)生率最高的缺陷。與鉆孔加工相似，榫眼上緣的加工質(zhì)量明顯比下緣好，毛刺和撕裂大部分發(fā)生在孔下緣。進行榫眼加工時，試樣在垂直紋理方向上受到的沖擊比鉆孔時大很多，導(dǎo)致榫眼孔緣周圍的木材纖維不能被正常切割，在榫眼下緣極易產(chǎn)生毛刺或撕裂。因此，加工不慣通的榫眼容易獲得較好的加工質(zhì)量。

表8 開榫加工后試件各等級占比Tab.8 Percentage of grade 1 to 5 samples after mortising (%)

2．6 車削

5年生木材車削加工1、2 和3 級試樣占比分別為0%、5%和15%，達標(biāo)率為20%；7年生木材占比分別為3%、40%和30%，達標(biāo)率為73%（表9）。7年生木材的車削質(zhì)量較5年生好。車削加工的主要缺陷為毛刺和毛刺溝痕，部分試樣出現(xiàn)崩角現(xiàn)象。5年生木材的車削加工缺陷較嚴(yán)重，大部分試樣經(jīng)過150 目砂紙打磨后仍有缺陷。7年生木材更適合用于需車削加工的部件。

表9 車削加工后試件各等級占比Tab.9 Percentage of grade 1 to 5 samples after turning (%)

2．7 機械加工性能綜合評定結(jié)果

參照LY/T 2054-2012[18]，結(jié)合每個加工項目的試樣達標(biāo)率，及每個項目對應(yīng)的級別，得出不同樹齡尾巨桉木材機械加工性能在各加工項目上的等級結(jié)果（表10）；再根據(jù)各項目的加權(quán)數(shù)及對應(yīng)的級別，得出各項目的得分（表11）；將6個項目的得分相加，得出不同樹齡尾巨桉無性系木材各機械加工性能的總分。刨削試驗以處理1 的結(jié)果進行評分；鉆孔試驗以圓形沉割刀中心鉆的結(jié)果進行評分。在本試驗條件下，5年生木材機械加工性能綜合得分為26．8，7年生木材綜合得分為36．6。7年生木材的綜合機械加工性能較5年生好，更適用于實木加工利用。

表10 不同樹齡木材機械加工性能在各試驗項目上的等級Tab.10 Grade of machining properties of woods at different ages for various test items

表11 不同樹齡木材機械加工性能得分Tab.11 Marks for machining properties of woods at different ages

3 結(jié)論

在刨削加工性能上，兩個樹齡尾巨桉無性系木材均表現(xiàn)為良，刨削深度為1．6 mm 時，進料速度宜采用6 m/min；在鉆削和開榫加工性能上，兩個樹齡木材均表現(xiàn)為優(yōu)；在砂削和車削加工性能上，5年生木材均表現(xiàn)為劣，7年生木材均表現(xiàn)為良；在銑削加工性能上，兩個樹齡木材均表現(xiàn)為良。

通過砂削，5年生和7年生尾巨桉無性系木材試樣的節(jié)子周圍和心邊材交界處的加工質(zhì)量得到明顯改善，同時可去除毛刺和毛刺溝痕等刨切缺陷，因此，砂削是尾巨桉木材刨削加工后必要的加工工序。

采用圓形沉割刀中心鉆鉆孔時，5年生和7年生尾巨桉無性系木材無缺陷試樣占比均為100%，其鉆孔質(zhì)量高于麻花鉆。因此，對尾巨桉木材進行鉆削時，應(yīng)優(yōu)先使用圓形沉割刀中心鉆。

總體上，7年生尾巨桉無性系木材的綜合機械加工性能較5年生好，表明7年生尾巨桉無性系木材更適用于實木加工利用。

本研究主要結(jié)合實際生產(chǎn)，從進料速度和加工質(zhì)量等方面對不同樹齡尾巨桉無性系木材的機械加工性能進行評價和分析，后續(xù)可對工作效率和動力消耗等進行綜合分析。