软化处理对桉木刨切单板质量的影响1)

徐煜智 王宝金

(南京林业大学，南京，210037)

沈毅

(镇江中福马机械有限公司)

吴进 冯磊 于浩

(南京林业大学)

软化处理对桉木刨切单板质量的影响1)

徐煜智 王宝金

(南京林业大学，南京，210037)

沈毅

(镇江中福马机械有限公司)

吴进 冯磊 于浩

(南京林业大学)

为改善刨切厚单板质量，减少水热处理时间，采用带实时喷蒸加热功能的刨切试验装置，在冷水浸泡、冷水浸泡再喷蒸加热、水煮软化和水煮软化再喷蒸加热4种条件下对桉木进行刨切试验，刨切厚度为1～6 mm。结果表明：单板表面粗糙度为4.29～14.30 μm，随刨切厚度的增加而增加，其中横纹方向表面粗糙度大于顺纹方向，但都能满足GB/T 13010—2006的要求；单板背面裂隙度在刨切厚度为2～6 mm时变化幅度不大。相对于未喷蒸加热的情况，采用实时喷蒸加热刨切的单板横纹表面粗糙度、顺纹表面粗糙度和背面裂隙度的最大降低百分率分别为11.55%、23.12%和28.06%，表明采用实时喷蒸加热处理对改善单板质量效果明显；其中，在水煮软化再喷蒸加热的条件下，刨切单板表面粗糙度和背面裂隙度最小。

桉木；软化处理；喷蒸加热；刨切质量

现阶段我国实木家具需求量增加而森林资源匮乏，为了解决这种供需矛盾，实木贴面工艺开始兴起。实木贴面是在板材表面贴上一层从木材上刨切或锯切下来的薄单板，使其表面看起来和真正的实木无明显差别，制作方法简单且成本较低。其中刨切加工属无屑切削，木材利用率高，目前已被广泛应用于单板的制备。然而现有的刨切机在刨切2 mm以上单板时，存在厚薄、均匀度差、背面裂隙过大的缺陷，严重影响后续加工产品的质量。因此，很多企业采用锯切的方式生产单板，这虽然避免了表面裂隙及变形等缺陷，但加剧了木材损耗，增加了生产成本[1-2]。为解决刨切单板背面裂纹严重的问题，通常需对木材进行各种软化处理来增加木材塑性，降低切削过程中的切削力，改善单板质量[3]。目前，木材行业主要采用水煮软化的预处理方式，处理结果不尽人意。针对这种情况，国内外学者开始探索将加热切削技术用于木材刨切，改进切削质量。美国学者在上世纪70年代开始尝试在旋切加工中采用热蒸汽喷射刀刃，提高刀片温度，加热切削区，改善切削质量[4-5]，为喷蒸加热刨切提供了参考。曾春雷等人提出在刨刀切削过程中对山杨木进行短暂间隙性的高温加热软化处理，结果显示刨切表面光洁度有所提高[6]，之后作者对该方法的理论基础、应用条件等做了进一步阐述[7]。Olufemi控制蒸汽温度和蒸汽作用时间进行了刨切试验，通过分析单板产量和抗拉强度，得出最佳条件[8]。以上研究或通过蒸汽提高刀片温度，或研究水热软化木材的最佳条件，都能够在一定程度上改进刨切单板质量。

在此基础上，笔者采用自主研制的带实时喷蒸加热的刨切试验装置，对桉木进行喷蒸加热刨切试验，该装置设有蒸汽喷口向刨刀及切削区木材表面喷射热蒸汽，加热效果明显；并设置冷水浸泡、冷水浸泡再喷蒸加热、水煮软化和水煮软化再喷蒸加热4种软化条件，对比各条件下刨切单板的表面质量，验证实时喷蒸加热的软化效果，达到提高单板质量并减少刨切木方软化处理时间的目的。

1 材料与方法

1.1 材料

桉木(EucalyptusrobustaSmith)生长快速、适应性强、用途广泛，是世界人工林重要的优质树种之一，现已有120多个国家和地区引种栽培，栽培面积占世界人工林总面积的13%[9-10]。本试验以桉木为例，研究实时喷蒸加热对刨切单板质量的影响。

试验用桉木产自澳大利亚，含水率105%～135%，径级22 cm，将其制成240 mm(长)×160 mm(宽)×160 mm(厚)的刨切试验用木方。试验设置4种软化条件，冷水浸泡条件下，木方在冷水中浸泡7 d后直接刨切；冷水浸泡再喷蒸加热条件下，木方在冷水中浸泡7 d后进行喷蒸加热刨切；水煮软化条件下，木方置于60 ℃的恒温水箱中水煮7 d后直接刨切；水煮软化再喷蒸加热条件下，木方在60 ℃的恒温水箱中水煮7 d后进行喷蒸加热刨切。冷水温度与试验地点的气候相对应，平均温度为5～14 ℃，进行喷蒸加热刨切时的饱和蒸汽压力为0.4 MPa，对应的蒸汽温度为140 ℃。

1.2 试验装置

1.2.1 喷蒸加热刨切试验装置

试验装置主要由刨切机构4、木方夹持机构5、机架2、升降进给机构1和油缸3组成，外形见图1，此外还包括外购的液压站和蒸汽发生器。机架2是整个装置的基础和支承。升降进给机构1在步进电机的驱动下带动木方沿垂直方向上下进给，装有刨刀的刨切机构4沿水平方向往返切削，调整刨切机构中的压尺升降可调整压缩量，从而控制刨切厚度。刨切机构完成一次单板切削后返程，升降进给机构带动刨切木方下降一定高度，该高度等于下一次刨切单板的厚度[11]。木方夹持机构5可在水平面内旋转，从而调整刨刀刃倾角，使刨刀能够缓慢切入，减小冲击。刨切机构中的刨切垫板和压尺垫板上设有蒸汽通道，与蒸汽发生器相连，为刨切过程提供用于加热软化木材的蒸汽。油缸3与液压站相连，通过伸缩带动刨切机构做往返运动，为整个刨切机构提供切削动力。

该试验装置可刨切木方的最大尺寸为250 mm(长)×160 mm(宽)×200 mm(厚)，最大刨切厚度6 mm，蒸汽温度140 ℃；选用的蒸汽发生器型号为A-3kW，瑞城服装机械有限公司生产，额定蒸汽压力0.4 MPa，额定蒸发量4 kg/h；油缸型号为MOB+CA63×400，活塞直径63 mm，活塞杆直径30 mm，行程400 mm，液压站额定油压4 MPa，最大流量16 L/min，油缸能提供的推力为12 kN，最大刨切速度5 m/min；刨刀楔角18°，安装后的切削后角为1°，压尺楔角30°。

图1 试验装置总体结构三维图

1.2.2 喷蒸加热刨切原理

喷蒸加热刨切即向刨切过程中的木材喷射饱和蒸汽，其工作原理如图2所示。在刨刀垫板3和压尺垫板5表面沿长度方向开设蒸汽通道槽，同时沿宽度方向开设一系列的蒸汽喷口槽，两者相互垂直。刨刀垫板与压尺垫板分别和装配后的刨刀2及压尺4形成蒸汽通道和蒸汽喷口，蒸汽通道一端连接蒸汽发生器。饱和蒸汽由蒸汽发生器提供，流经蒸汽通道，再由蒸汽喷口分别沿着刨刀的前刀面和压尺的前面喷向刀尖及切削区的木材表面，提高了刀尖温度，并通过加热润湿使切削区木材软化，从而改善切削质量。

1.3 试验方法

试验在喷蒸加热刨切试验装置上进行。横向刨切相对纵向刨切用时更短，但由于抗拉应力大而更易出现木材撕裂等缺陷，因此研究横纹刨切工艺对提高刨切效率更具意义[12-13]。故安装试件时，使切削方向垂直于木纤维方向，即横向刨切。取刨切速度2.5 m/min，压尺压缩量10%，刨刀刃倾角5°，刨切厚度分别取1、2、3、4、5、6 mm。为减小误差，测量评估从切得的第二张单板开始，每种厚度的单板重复刨切5片。每次刨切前采用磨刀石磨刨刀，保证切削质量。

1.4 单板质量检测方法

通常情况下，用表面粗糙度和背面裂隙度来表示单板质量。表面粗糙度的检测参考刨切单板标准(GB/T 13010—2006)[14]，测量参数取轮廓算数平均偏差，取样长度2.5 mm，采用TR240型表面粗糙度测量仪，方法见图3。在每张单板背面选取5个点，每个点在横纹和顺纹方向各测1次，按方向取均值，分别记为横纹表面粗糙度和顺纹表面粗糙度[15]。

单板背面裂隙度的测量暂无相关标准，赵立在1980年首次提出用渗透检测法来量化单板的背面裂隙度，此方法沿用至今，被广泛采用[16-18]，所以本研究采用这种方法测量刨切单板的背面裂隙度。如图4所示，在单板背面涂以墨水，墨水干后，沿横纤维方向切开单板，用圆筒刻度放大镜(×10倍)观测单板背面裂隙深度，每张单板读取12个值，计算背面平均裂隙度：平均裂隙度=(裂隙高度总和/(裂缝条数总和×单板厚度))×100%。

2 结果与分析

经过测试，桉木刨切单板表面粗糙度和背面裂隙度值见表1。

2.1 不同软化条件下桉木刨切单板表面粗糙度比较

GB/T 13010—2006规定，刨切单板的表面粗糙度应低于20 μm，表1中所有粗糙度值均能满足标准要求，表明软化处理能够有效降低单板表面粗糙度，使其满足实际生产需求。其中，水煮软化再喷蒸加热条件下刨切的单板表面粗糙度相对最小，横纹和顺纹表面粗糙度分别为9.88～11.37 μm和4.92～7.21 μm，远低于国标要求。这是因为长时间的水煮和实时喷蒸加热使桉木充分软化，所以刨切的单板表面光滑平整，质量较高。根据表1可看出，总体而言，无论何种软化条件，单板表面粗糙度随刨切厚度的增加而增加，横纹表面粗糙度大于顺纹表面粗糙度。冷水浸泡、冷水浸泡再喷蒸加热、水煮软化和水煮软化再喷蒸加热4种情况下，粗糙度依次降低，说明采用实时喷蒸加热处理可有效减少木方的水热处理时间，但因桉木材性较硬，需配合水煮处理，才能达到最佳的软化效果。

表1 各软化条件下桉木刨切单板表面粗糙度、背面平均裂隙度

软化条件厚度/mm横纹表面粗糙度/μm顺纹表面粗糙度/μm背面裂隙度/%冷水浸泡111.696.1767212.426.8286313.717.4393413.567.5893514.307.6382614.307.8684冷水浸泡再喷蒸加热112.054.9148212.035.9578312.246.6083412.716.5283512.426.7478613.047.5379水煮软化111.175.5844211.115.5473311.305.9674411.706.0278511.836.6774612.667.4371水煮软化再喷蒸加热19.884.294029.894.5071310.224.9567411.345.8467510.765.7870611.377.2171

此外，就冷水浸泡再喷蒸加热与冷水浸泡和水煮软化再喷蒸加热与水煮软化两种情况作对比分析，分别计算出横纹和顺纹方向的单板表面粗糙度降低率，结果见表2。厚度为1 mm时，冷水浸泡再喷蒸加热刨切的单板横纹粗糙度降低率为负值，属于特例，在分析时作为误差舍去。除此以外，横纹表面粗糙度降低率为3.08%～13.15%，顺纹粗糙度降低率为2.96%～23.12%，验证采用实时喷蒸加热处理能够有效降低单板的表面粗糙度，且对顺纹粗糙度的改善更为明显。

表2 桉木单板表面粗糙度降低率

注：单板表面粗糙度降低率=((a-b)/a)×100%；其中a为未喷蒸加热条件下刨切单板的表面粗糙度，b为增加了实时喷蒸加热时的刨切单板表面粗糙度；负值属于例处，在分析时作为误差舍去。

2.2 不同软化条件下桉木刨切单板背面裂隙度比较

由表1可看出，冷水浸泡条件下刨切单板的背面裂隙度为67%～93%，水煮软化条件下背面裂隙度为44%～78%，说明水煮软化降低单板背面裂隙度的效果优于冷水浸泡。此外，水煮软化再喷蒸加热条件下刨切单板的背面裂隙度相对最小，为40%～71%。刨切单板厚度在1～2 mm时，背面裂隙度随厚度的增加而大幅增加，裂隙度在单板厚2～6 mm间变化平稳，且时有下降。这是因为随刨切厚度的增加，弯曲程度加重，对单板产生的拉应力增加，更易发生超前裂缝，导致单板背面裂纹深度加大，但背面裂隙度变化不大。冷水浸泡、冷水浸泡再喷蒸加热、水煮软化和水煮软化再喷蒸加热4种情况下，单板背面裂隙度依次变小，证明实时喷蒸加热对木材的软化效果明显，能够降低单板的背面裂隙度。

此外，就冷水浸泡再喷蒸加热与冷水浸泡和水煮软化再喷蒸加热与水煮软化两种情况作对比分析，分别计算单板背面裂隙度降低率，结果见表3。刨切厚度1 mm时，冷水浸泡再喷蒸加热相对单一的冷水浸泡处理，刨切单板的背面裂隙度降低率最高，达到28.36%；刨切厚度为3～4 mm时，采用实时喷蒸加热处理的刨切单板背面裂隙度降低率为9.46%～14.10%，说明此刨切厚度下，喷蒸加热处理对背面裂隙度的降低效果比较稳定；而在刨切5～6 mm厚单板时，裂隙度降低率为0～5.95%，因为厚单板在被切割时，喷射的蒸汽只能在一定程度上软化切削区表层木材，而无法深入单板内部，因此软化效果不太明显。

表3 桉木单板背面裂隙度降低率

注：单板背面裂隙度降低率=((c-d)/c)×100%；其中c为未喷蒸加热条件下刨切单板背面裂隙度，d为增加了实时喷蒸加热时的刨切单板背面裂隙度。

3 结论

冷水浸泡、冷水浸泡再喷蒸加热、水煮软化和水煮软化再喷蒸加热4种软化条件下刨切桉木，所得单板的表面粗糙度为4.29～14.30 μm，随刨切厚度的增加而增加，其中横纹方向表面粗糙度大于顺纹方向，但均能满足GB/T 13010—2006的要求。相对于未喷蒸加热时的情况，采用实时喷蒸加热刨切的单板横纹表面粗糙度降低了3.08%～13.15%，顺纹粗糙度降低了2.96%～23.12%，说明实时喷蒸加热对顺纹粗糙度的改善更为明显。

冷水浸泡、冷水浸泡再喷蒸加热、水煮软化和水煮软化再喷蒸加热4种情况下，单板背面裂隙度依次变小，分别为67%～93%、48%～83%、44%～78%、40%～71%，且背面裂隙度在刨切厚度为1～2 mm时增加明显，在厚度为3～6 mm时变化幅度不大。相对于未喷蒸加热时的情况，采用实时喷蒸加热刨切的单板背面裂隙度降低率最高可达28.36%，且在刨切厚度为3～4 mm时，喷蒸加热对背面裂隙度的降低效果比较稳定，裂隙度降低率为9.46%～14.10%。

综上所述，实时喷蒸加热能够有效降低单板的表面粗糙度和背面裂隙度，改善刨切单板质量。

[1] 李德清.薄木饰面与刨切机[J].木工机床,1998(1):16-21.

[2] 陆肖宝.刨切方向对刨切薄木的影响[J].林产工业,1983(4):6-8.

[3] 李伟光,曹平祥,王宝金,等.单板纵向刨切背面裂隙形成及影响因素[J].木材工业,2010,24(2):8-10.

[4] WALSER D C. Veneer peeling with fluid injection: U.S.Patent 3,866,642[P].1975-02-18.

[5] WALSER D C, MCLAUCHLAN T A. Pressure bar for veneer cutting: U.S.Patent 4,222,421[P].1980.

[6] 曾春雷,王庆凯.木方短时加热对刨切薄木表面粗糙度的影响[J].建筑人造板,2001(1):34-36.

[7] 曾春雷,王庆凯.实时快速加热软化木方制造刨切薄木技术的探讨[J].建筑人造板,2002(1):34-35.

[8] OLUFEMI B. Yield and mechanical properties of veneer from Brachystegia nigerica[J]. Journal of Forestry Research，2012，23(2):295-298.

[9] 黄如楚.桉树木材加工利用研究现状[J].桉树科技,2010,27(1):68-74.

[10] COOK R L, DAN B, STAPE J L. Eucalyptus, plantation effects on soil carbon after 20 years and three rotations in Brazil[J]. Forest Ecology & Management,2016,359:92-98.

[11] 许伟才,宋修财,孙义刚,等.刨切机的结构与使用[J].中国人造板,2014(7):23-28.

[12] 李伟光,曹平祥,王宝金,等.单板纵向刨切背面裂隙形成及影响因素[J].木材工业,2010,24(2):8-10.

[13] PFRIEM A, BUCHELT B. Influence of the slicing technique on mechanical properties of the produced veneer[J]. European Journal of Wood and Wood Products,2011,69(1):93-99.

[14] 中国国家标准化管理委员会.刨切单板标准：GB/T 13010—2006[S].北京：中国标准出版社,2006.

[15] 李晓增.单板表面粗糙度对胶合性能的影响[J].广东建材,2009,25(9):109-112.

[16] 赵立.影响厚单板旋切质量的研究[J].北京林学院学报,1980:68-78.

[17] 杨霞,杨雅铃,高爽.人工林杨木旋切单板背面裂隙率的研究[J].吉林林业科技,2005,34(3):34-36.

[18] 曹平祥,王宝金,李伟光,等.刨刀加热对纵向刨切厚单板表面质量的影响[J].南京林业大学学报(自然科学版),2010,34(4):45-48.

Effect of Softening Treatment on the Quality of Eucalyptus Sliced Veneer//

Xu Yuzhi, Wang Baojin

(Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, P. R. China);

Shen Yi

(Zhenjiang Zhongfuma Machinery CO. Ltd);

Wu Jin, Feng Lei, Yu Hao

(Nanjing Forestry University)

//Journal of Northeast Forestry University，2017,45(8)：61-65.

In order to improve the quality of sliced thick veneers and to reduce the hydrothermal treatment time, a veneer slicer with the function of real-time steam injection heating was used for slicing experiment of eucalyptus. This experiment was conducted under the four kinds of softening conditions, namely, soaking in cold water, steam heating after soaking in cold water, water-boiling and steam heating after water-boiling. The surface roughness of veneers were 4.29-14.30 μm, and increased gradually with the increase of slicing thickness, the surface roughness perpendicular to grain was larger than that parallel to grain, but all of them could meet GB/T 13010-2006. The change of back clearances tended to be smooth when the slicing thicknesses were 5-6 mm. Compared with the condition of non-steam heating, the quality of veneers sliced with real-time steam heating could be improved obviously, and the maximum reducing percentage of surface roughness perpendicular to and parallel to grain and back clearance were 11.55%, 23.12% and 28.06%, respectively. The surface roughness and the back clearance of veneers were both the smallest under steam heating after water-boiling.

Eucalyptus; Softening treatment; Steam heating; Slicing quality

1)“十二五”国家科技支撑计划课题研究任务(2012BAD24B010202)；江苏省企业研究生工作站研究课题；江苏高校优势学科建设工程资助项日(PAPD)。

徐煜智，女，1992年3月生，南京林业大学材料科学与工程学院，硕士研究生。E-mail:252115529@qq.com.cn。

王宝金，南京林业大学材料科学与工程学院，教授。E-mail：wbj@njfu.com.cn。

2017年5月12日。

S784

责任编辑：戴芳天。