吳 哲，李 赫，馬 巖，楊春梅，劉 爍，宋明亮

(東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150040)

木材是一種具有各向異性的生物材料，在木材生產(chǎn)中，提高木制品的表面質(zhì)量是提高產(chǎn)品價值最經(jīng)濟(jì)、有效的方式之一，具有重要意義[1]。一般在研究木材的切削加工時多從3個不同的切面入手，即橫切面、徑切面和弦切面。而對于木材切削的破壞機(jī)制研究和木材表面質(zhì)量的評價通常需要從木材的宏觀結(jié)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)入手。宏觀結(jié)構(gòu)主要考察木材表面的一些特征：樹皮、邊材、心材髓心、年輪、管孔、樹脂道、波痕、氣味和光澤等；而微觀結(jié)構(gòu)則借助特殊儀器(光學(xué)顯微鏡、電子顯微鏡和透射電鏡等)將木材斷裂面放大幾百倍甚至上千萬倍對木材的細(xì)胞、細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)、管胞、木射線等特征進(jìn)行觀察，相對能更直觀準(zhǔn)確地判定破壞形式[2-3]。由于在不同的自然條件下，木材的細(xì)胞活動能力、分裂周期以及生長速度會有所不同，使得木材的木纖維長度、細(xì)胞壁厚、壁腔比和胞壁率都會有較大差異，導(dǎo)致木纖維比量、導(dǎo)管比量和木射線比量也有差異[4-6]。目前對木材細(xì)胞的研究主要集中在2個方面，一是通過納米壓痕試驗(yàn)評估和測量木材細(xì)胞壁的硬度和彈性模量，以此了解其機(jī)械性能；二是通過微壓縮試驗(yàn)研究木材細(xì)胞壁的強(qiáng)度和斷裂形式，以此來了解其力學(xué)性能[7-8]。

本研究選用的試驗(yàn)材種為黃柏木，其具有光澤好、紋理直、結(jié)構(gòu)粗，年輪明顯均勻、材質(zhì)松軟細(xì)膩，不易劈裂和耐腐性好等優(yōu)點(diǎn)，是中高檔實(shí)木家具的重要用材。但在現(xiàn)階段黃柏木的銑削加工中存在著加工后木材表面質(zhì)量參差不齊的問題，并且在該領(lǐng)域的研究中缺乏黃柏木微觀結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)理論數(shù)據(jù)支持。馬巖[9]在對木材切削理論的研究中指出，加工技術(shù)參數(shù)選擇非常重要，其中刀具的幾何參數(shù)、切削厚度、切削速度、進(jìn)給速度和摩擦系數(shù)都會影響最終的表面質(zhì)量，但紋理的影響最為重要。因此為了提高黃柏木加工后的表面質(zhì)量，對黃柏木的加工特性在微觀層次上進(jìn)行了研究試驗(yàn)。首先對黃柏木的不同切面進(jìn)行銑削加工，然后采用掃描電鏡(SEM)對加工后的表面進(jìn)行微觀形貌觀察，隨后分析木材在斷裂過程中木纖維的破壞機(jī)理，為提高黃柏木的加工質(zhì)量和進(jìn)一步研究木材特性奠定研究基礎(chǔ)。

1 材料與方法

選用黃柏木心材作為試材，未加工的試材尺寸是20 cm×15 cm×2 cm，所有試材均在工廠實(shí)際生產(chǎn)的干燥工藝下干燥到含水率6%～8%，且表面平整、光滑，無裂縫、瑕疵、節(jié)疤、腐朽等缺陷，經(jīng)長期室溫條件下保存后采取銑削方式加工。選擇木材的橫切面和徑切面進(jìn)行不同走刀方向的加工，分別加工出平面和與橫切面呈45°的坡面，在銑削徑切面時，銑刀分別在順紋和逆紋方向上走刀而加工出不同的平面，銑削完成后選取尺寸大小為10 mm×8 mm×1 mm的試樣面進(jìn)行觀察分析。

考慮到加工因素和木材含水率等條件對木材破壞的影響[10]，本研究在加工參數(shù)(切削力、切削速度、切削厚度)以及刀具的物理特性等一致的情況下完成對取材相同的黃柏木銑削加工。然后通過SEM觀察木材的加工表面，采用SEM能更微觀地了解木材結(jié)構(gòu)，為加工后木材表面木纖維的破壞形貌分析提供更準(zhǔn)確的指導(dǎo)。試驗(yàn)的全部式樣在經(jīng)加工、掃面后得到大量的木材表面原始圖像樣本，選取典型圖像作為研究對象。

2 結(jié)果與分析

2.1 橫切面銑削后微觀組織的觀察分析

2.1.1 橫切面銑削加工后的形貌 本試驗(yàn)中，黃柏木的橫斷面在經(jīng)過機(jī)械加工后，分別銑削其平行于橫切面方向的平面和與橫切面呈45°的坡面，將加工后的平面置于掃描電鏡下分別觀察斷面纖維的破壞情況。

圖1為平行于橫切面方向加工的平面電鏡圖，圖1a為放大200倍的電鏡圖像，可見視野中最長的毛刺長度在200 μm左右，圖片中除了可見的毛刺外還存在樹脂道斷裂孔和較為平整的片狀加工面。為進(jìn)一步觀察木纖維形貌并分析其斷裂機(jī)理，將圖1a的A區(qū)放大到500倍得到圖1b的圖像。圖中A1區(qū)(橢圓區(qū)域)是一平整區(qū)域，為理想的橫斷面加工結(jié)果，即所有管胞被橫向切斷，無纖維的拉斷或撕裂現(xiàn)象，形成端向平面斷裂紋孔，A2(矩形區(qū)域)為被截?cái)嗟臉渲罊M截面孔和管孔，其他大部分為被加工不徹底的撕裂狀破壞纖維，包括徑向管胞纖維和橫向木射線纖維。

注:a.200倍電鏡圖像；b.500倍電鏡圖像。

圖2為與橫切面呈45°方向加工后的平面電鏡圖像，在圖像中明顯可見由于銑削加工而留下的破壞溝槽，且圖中沒有斷裂橫紋孔和樹脂道截面孔，被破壞的木材表面除了撕裂的條狀纖維外多是呈現(xiàn)片狀或結(jié)狀的斷裂狀態(tài)。為進(jìn)一步觀察破壞纖維的微觀形態(tài)，將圖2中B區(qū)進(jìn)一步放大到1 000倍(圖2b所示)進(jìn)行觀察分析，圖像中斷裂的纖維多呈現(xiàn)片狀且排布較為整齊，產(chǎn)生了更大的形變拉伸。對比平面和坡面的電鏡圖像可知，在橫向銑削時加工平面得到的木材表面質(zhì)量更好。

注:a.200倍電鏡圖像；b.1 000倍電鏡圖像。

2.1.2 橫切面的形貌形成機(jī)理 銑削后的橫斷面有如此的形貌，其加工機(jī)理為：圖1和圖2中都存在著撕裂狀纖維，這些纖維在受力后，首先發(fā)生拉伸變形，隨著加工刀具的繼續(xù)推進(jìn)，纖維受力越來越大，發(fā)生塑性變形后繼續(xù)被拉直至在受力集中的點(diǎn)處被拉斷。由于細(xì)胞的含水率、細(xì)胞形態(tài)、細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)有所不同，使得在同等加工條件下會形成不同形態(tài)的斷裂情況，即圖1、圖2的各種形狀、大小和方向的斷裂纖維。以軸向纖維細(xì)胞為例，除了前面提到的由于橫向力的擠壓使之拉斷外，還由于橫向木射線和細(xì)胞間存在的聯(lián)系以及胞間質(zhì)作用使得在橫向切削過程中，撕裂也是纖維斷裂的原因，這種撕裂的情況在徑向加工中尤為明顯。

從2組圖的不同點(diǎn)分析：圖1中存在著斷裂紋孔平面和樹脂道橫截面，這些孔其實(shí)是細(xì)胞腔壁受到橫向剪切力而被直接切斷的結(jié)果。圖2中不存在像圖1中的那樣孔截?cái)嗥矫?，是因?yàn)檫@樣的孔在被銑削時存在銑削角度和加工面坡度，紋孔在一定角度上都被擠壓撕裂了，形成了片狀或條狀纖維形態(tài)。在加工坡面時纖維受力更多的是一種復(fù)合力，即軸向的拉伸力和橫向的剪切力，在刀具前進(jìn)過程中還可能有扭轉(zhuǎn)力存在(一般不考慮)。在復(fù)合力的作用下，木材纖維的受力情況體現(xiàn)為一種斜向的碾壓力，這種碾壓力不僅使纖維細(xì)胞被拉斷而且會在一定程度上破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)，使細(xì)胞內(nèi)容物、胞間質(zhì)以及樹脂被壓縮在一起，導(dǎo)致斷裂處的纖維形態(tài)多為片狀、條狀結(jié)構(gòu)。

2.2 徑切面銑削后微觀組織的觀察分析

2.2.1 徑切面銑削加工后的形貌 本試驗(yàn)中黃柏木的徑切面在經(jīng)過機(jī)械加工后進(jìn)行銑削，與加工橫切面相同，也需要加工出平面和坡面2種情況，不同的是，在徑向加工時要考慮到順、逆紋的進(jìn)給方向?qū)δ静谋砻尜|(zhì)量的影響。故而在加工出平面和坡面后，銑削的進(jìn)給方向要分為順、逆紋的加工方向進(jìn)給，以此得到的平面置于掃描電鏡下放大500倍的圖像(圖3，圖4)。2組圖片中，纖維的形態(tài)都為片狀或條狀，沒有出現(xiàn)紋孔截面或者樹脂道橫截面，對比橫切面所形成的纖維毛刺更長、更多，排列更有序。對比平面(坡面)的順紋和逆紋圖像，順紋加工得到的纖維毛刺排列更有序，方向一致、形態(tài)類似，逆紋加工得到的纖維毛刺排列更雜亂、方向各異，形態(tài)也有較大差異；對比順紋加工(逆紋加工)的平面和坡面圖像，平面的纖維毛刺排列更整齊有序，長度較坡面的短，而坡面的纖維毛刺排列較雜亂，存在階梯式的差異，片狀和絲狀的纖維形態(tài)更多?？傊樇y的加工方式要比逆紋的加工得到的平面質(zhì)量更好；平面的加工方式比坡面的加工方式得到的平面質(zhì)量效果更好。

2.2.2 徑切面的形貌形成機(jī)理 在徑向加工中除了很少的木纖維被橫向拉斷外，大多數(shù)纖維的斷裂情況都是被徑向撕裂的，如果將管胞理想為六邊形結(jié)構(gòu)，那么刀刃的切削情況可分為胞內(nèi)切削和胞外切削。胞內(nèi)切削就是將細(xì)胞內(nèi)部刨開將細(xì)胞質(zhì)等內(nèi)容物釋放，胞外切削則是不破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)將細(xì)胞相互間分割開，由于細(xì)胞在木材內(nèi)部的不規(guī)則排列，故在加工時2種切削方式都會存在。在微米木纖維加工刀具的設(shè)計(jì)中，保證加工質(zhì)量的前提下，刀尖圓弧半徑會盡量加大，但是不同木材的細(xì)胞直徑差別高達(dá)5～8倍，很難根據(jù)細(xì)胞的直徑來確定刀尖圓弧半徑的大小，就會出現(xiàn)對管胞的撕裂現(xiàn)象。又由于加工刀具相對走刀方向的不同，即順紋加工和逆紋加工的差異，導(dǎo)致加工表面的纖維形態(tài)表現(xiàn)出不同的條形撕裂狀纖維。順紋銑削時，由于是沿著木材紋理方向，超前劈裂空隙更容易產(chǎn)生，而逆紋的超前劈裂則需要消耗能量使逆紋纖維斷裂。順紋加工時纖維被拉斷或撕裂的過程一氣呵成，而逆紋加工時，木材紋理會阻礙刀具前進(jìn)，刀具反作用于纖維強(qiáng)行將纖維折斷、撕裂，由于這種相對暴力的走刀形式使得加工后的表面纖維排列參差不齊。而平面和坡面的不同則在于：銑削平面時，被銑削的面上纖維本身排列就比較整齊，又由于是平面且加工方向一致，各纖維所受的拉力、壓力和力矩等受力情況大致相同，導(dǎo)致被加工后的平面上纖維的破壞形式、撕裂狀態(tài)也都類似。當(dāng)銑削坡面時，由于加工坡度的存在，使得加工方式更多的是胞內(nèi)切削，即纖維細(xì)胞更多的是徑向被刨開了。在銑削木材時，纖維毛刺除了受到徑向的拉力外，還受到軸向壓力，壓力與坡面形成的力矩使得破壞后的纖維被壓縮成片狀，并在坡度上存在一定形貌差異。

注：a.順紋加工的徑向平面圖像；b.逆紋加工的徑向平面圖像。

注：a.順紋加工的徑向坡面圖像；b.逆紋加工的徑向坡面圖像。

2.3 橫切面與徑切面形貌形成機(jī)理的比較分析

木材在受到橫向作用力時，加工刀具(其刃口假定為圓弧且無缺陷)沿著切削的方向(端向)進(jìn)給，剛接觸時刀刃并不是直接切斷纖維而是擠壓表面層的纖維，此時越靠近髓心處的纖維所受的壓力越小，當(dāng)切刀繼續(xù)推進(jìn)時，表面層受到的壓力逐漸變大直到超過受力纖維的強(qiáng)度極限而使木材的表面層纖維被破壞而拉斷，靠近髓心處的纖維所受的壓力也會增大，隨著刀具的不斷推進(jìn)，壓力以此變?yōu)榧袅?，木材沿著切削方向不斷被破壞，最終形成了橫斷面。

木材在受到徑向作用力時，前刀尖半徑一般小于加工厚度且刀具前角為正值，這樣木材的管胞就會被從徑向破壞，纖維細(xì)胞被剖分開。前刀面擠壓木材的切削層使纖維細(xì)胞的管胞層之間產(chǎn)生剪切應(yīng)力，隨著刀具的不斷前進(jìn)，剪切應(yīng)力依次變?yōu)榕R界值，由于力的不斷增大使得已經(jīng)發(fā)生塑性變形的木纖維沿著前刀面向上劈裂。不斷形成的剪切應(yīng)力逐漸傳遞到未形成的木纖維上，導(dǎo)致木材在剪切應(yīng)力的作用下沿縱向不斷地劈裂、變形和破壞，形成光滑的條狀纖維。

綜上所述，在橫向加工時木材纖維的破壞過程是由擠壓到拉斷，徑向加工時木材纖維的破壞過程是由剪切到劈裂。雖然徑向加工所需的力小，但由試驗(yàn)中所得橫切面與徑切面的圖像對比可知，徑切面加工所得的平面質(zhì)量卻不如橫切面的好，即使同為徑向加工(對比圖3與圖4)，順紋加工要比逆紋加工所得的平面質(zhì)量好。

3 結(jié)論與討論

木材作為典型的各向異性材料，其抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗彎彈性模量和沖擊韌性在橫、徑向差距較大，又因?yàn)榈尚?yīng)以及木材細(xì)胞內(nèi)容物具有的流動性使得在加工過程中大部分能量被消耗，故在橫斷面切削時的阻力要比徑向切削時大得多[11-13]。在加工過程中選擇適當(dāng)?shù)募庸し较蚩梢源蟠蠊?jié)省能量消耗而且提高加工效率，因?yàn)槟静募?xì)胞在軸向上的連接力比橫向細(xì)胞間的相互作用力大得多，且同等當(dāng)量直徑的纖維較鋼絲的強(qiáng)度大，纖維的拉斷破壞比撕裂破壞所消耗能量大，故木材徑向劈裂所需要的力和木材其他方向的切力相比要小得多[14-15]。本研究在考慮這些力學(xué)因素的前提下，著重研究了加工方向和木材紋理對加工效果的影響，通過對黃柏木銑削試驗(yàn)結(jié)果的分析得出結(jié)論：在相同加工方向上加工平面時，同一個面上的纖維所受的拉力、壓力和剪力等大致相同，使得纖維的破壞形式很一致；加工坡面時，由于被加工面坡度的存在，坡面上的纖維受到的拉力、壓力和力矩不盡相同，導(dǎo)致各纖維受力不均使破壞形式存在階梯式差異；在徑向加工過程中，順紋加工時容易產(chǎn)生超前劈裂空隙，即纖維更易被拉斷或撕裂，而逆紋加工時由于木材紋理的方向性，會阻礙超前劈裂的產(chǎn)生，導(dǎo)致纖維不易被拉斷或撕裂，故順紋加工不僅比逆紋加工節(jié)省能耗而且纖維毛刺排列有序、形態(tài)類似，木材表面更光滑，質(zhì)量更好。

木材加工時為獲得較高的加工表面質(zhì)量，加工方向上要遵循“橫向優(yōu)先于徑向，平面優(yōu)先于坡面，順紋優(yōu)先于逆紋”的原則，這樣不僅加工后的表面平整光滑，而且為后續(xù)的進(jìn)一步加工創(chuàng)造合理?xiàng)l件。

木材切屑形成的破壞點(diǎn)一般分為兩種，一種是在最大應(yīng)力點(diǎn)處木材被破壞，另一種是在木材所受應(yīng)力和纖維的強(qiáng)度比率最大的點(diǎn)處發(fā)生木材破壞[16]。本研究依據(jù)這兩種破壞形式的形成原因分別從橫向和徑向研究了木材微觀形貌的形成機(jī)理，即木材加工的過程就是纖維斷裂的過程，不同的加工方向使木材纖維斷裂的情況也不同，而受力纖維的拉斷和撕裂情況會直接影響加工后的質(zhì)量。纖維的破壞形式是拉斷還是撕裂，除了與加工方向和受力情況有關(guān)外，還與所選用的試材本身的自然條件、加工方式等因素有關(guān)，本試驗(yàn)只選用了黃柏木一種木材作為試材，后續(xù)的研究可選用多種木材、多種加工方式進(jìn)一步研究木材特性。

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