劉學鋒，黃騰華，陳少雄，林家純，蘭俊，馮沁雄

6種桉樹大徑材機械加工性能評價

劉學鋒1，黃騰華2，陳少雄1＊，林家純2，蘭俊3，馮沁雄2

(1.國家林業(yè)和草原局桉樹研究開發(fā)中心，廣東 湛江 524022；2.廣西林業(yè)科學研究院，廣西 南寧 530002；3.廣西國有東門林場，廣西 扶綏 532108)

為實現(xiàn)桉樹大徑材的高附加值利用，以廣西國有東門林場培育的6種桉樹大徑材為研究對象，以香椿為對照試材，參照美國材料試驗標準(ASTM D1666)，分別對其機械加工性能進行了全面測試。結果表明：6種桉樹大徑材和香椿木的綜合機械加工性能排序為尾葉桉>巨桉>香椿>赤桉>大花序桉>細葉桉>粗皮桉，在滿分為50分的機械加工性能綜合評價體系中，尾葉桉、巨桉、香椿、赤桉、大花序桉、細葉桉和粗皮桉得分分別為41.2、40.8、40.5、38.7、38.4、37.3和34.9分。

人工林；桉樹大徑材；機械加工性能；質量等級

桉樹()是一種優(yōu)良速生樹種，干形通直，木材產量高，輪伐期短，材質結構細而勻、質硬、強度高，花紋美觀[1]。長期以來，桉樹人工林木材利用以小徑材為主，主要作為紙漿、薪炭材和各類人造板的原材料，其木材利用率低，附加值不高。我國已引種和培育大量優(yōu)良桉樹大徑材，對提高桉樹木材的附加值具有現(xiàn)實意義。培育實木用材的主要樹種包括巨桉()、大花序桉()、粗皮桉()等[2-3]，發(fā)展桉樹大徑材用于實木加工是桉樹木材利用的新方向，可廣泛用于家具、地板、裝飾單板及耐久結構材料和建筑材[4]。

我國自引種桉樹以來，其生物學特性、遺傳育種、培育技術和木材干燥等已有較多的研究，但在加工利用方面的研究報道較少。木材的機械加工性能是其加工利用的主要性質，也是影響木材利用率的關鍵因素[5]。不同種類的木材在機械加工作用下存在明顯差異[6]。國內木材機械加工性能的研究始于20世紀末，主要對米老排()、紅椎()、西南樺(、核桃楸()和銀杏()等樹種的木材開展了機械加工性能研究[7-12]。本文對6種桉樹大徑材的機械加工性能開展了研究，以期為實現(xiàn)桉樹大徑材高附加值的加工利用提供科學的理論依據。

1　材料與方法

1.1　試驗材料

6種桉樹分別為細葉桉()、赤桉()、巨桉、尾葉桉()、粗皮桉和大花序桉，均采自廣西國有東門林場。采集6種桉樹基礎參數(shù)情況如表1所示，試件的尺寸和數(shù)量見表2，樣品采用簡單隨機抽取。

表1 6種桉樹基礎參數(shù)

表2　機械加工性能試驗試件尺寸與數(shù)量

1.2　試驗及評價方法

以細葉桉、赤桉、巨桉、尾葉桉、粗皮桉、大花序桉人工林木材為研究對象，以香椿()木材為對照試材，參照林業(yè)行業(yè)標準LY/T 2054-2012《鋸材機械加工性能評價方法》[13]和美國材料試驗標準(ASTM D1666)[14]，分別對其機械加工性能(刨削、砂光、鉆孔、銑削、開榫、車削)進行全面測試，根據試驗標準進行等級評定。將加工質量分為5個等級：A級，優(yōu)秀：不存在缺陷，記5分；B級，良好：存在其輕微缺陷，可通過砂紙輕磨消除，記4分；C級，中等：存在面積較大的輕微缺陷，還可通過砂紙打磨消除，記3分；D級，較差：較差，深、大缺陷，很難消除；記2分；E級，極差：出現(xiàn)可以導致試樣報廢或極端嚴重的缺陷，記1分。同時，根據各加工項對產品質量的影響程度確定加權數(shù)：刨削、砂光、車削和銑削為2，鉆孔和開榫為1。各項各等級的百分率乘以相應分即得該項得分，以此確定各項性能質量等級：優(yōu)(4 ~ 5)、良(3 ~ 4)、中(2 ~ 3)、差(1 ~ 2)和劣(0 ~ 1)。各項得分乘以權重后相加即得總分，以此比較不同樹種木材的機械加工性能。滿分為50分。

1.3　試驗設備和條件

1.3.1刨削

采用MB106D型自動進料單面壓刨床，切削前角為20°，刀片數(shù)量為4，刀具楔角為39°，刀具轉速為5 000 r·min-1[15]，進料速度有6 m·min-1和9 m·min-1兩個等級。ASTM技術標準要求在刨削時一次只能加工一個面。

試驗參數(shù)如表3所示，其中1.6 mm是ASTM技術標準推薦采用的切削厚度，2.5 mm是加拿大學者DEREK等[16]在研究木材加工性能時所選用的切削厚度。

表3 刨削加工的4組工藝參數(shù)

1.3.2砂光

采用WS265寬帶砂光機，砂架類型為壓墊式。試件從4次刨削加工處理后的試樣制得。采用120目的砂帶砂光兩次[9]，自動進料速度為6 m·min-1，砂光厚度為0.6 mm。砂光處理后，采用HANDYSURF E-35A便攜式表面粗糙度測量儀，對試樣的粗糙度參數(shù)進行測量。每個試件取6個不同位置進行測量取其平均值。粗糙度測量時設備參數(shù)設置為：評定長度(截止波長) 2.50 mm；測量長度12.50 mm。

1.3.3銑削

使用MX5117A型立式單軸木工銑床，手動進料。主軸轉速為10 000 r·min-1。試件在上銑床加工前，先在細木工帶鋸上初步鋸割試樣外輪廓，隨后在銑床上一次銑削成型，銑削時順著紋理方向加工。

1.3.4鉆孔

選用Z4116型木工鉆床，手動進料，轉速可調。采用圓形沉割刀中心鉆和麻花鉆進行試驗，鉆頭直徑均為25 mm。按ASTM技術標準及生產實際情況，使用圓形沉割刀中心鉆時，轉速為2 000 r·min-1；使用麻花鉆時，轉速為500 r·min-1。對所有試樣均進行橫向鉆削，每個試樣用兩種鉆頭各加工一個孔。

1.3.5開榫

使用國產MZ1610Y型立式木工榫槽機。ASTM技術標準推薦采用規(guī)格為13 mm的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，另外兩邊平行于木材紋理。每一個試樣加工兩個榫眼，加工時，試樣下襯有墊板，并盡可能使墊板與試樣緊密接觸。

1.3.6車削

使用馬氏MC3022仿形木工車床。ASTM技術標準要求使用一次成型銑刀，根據國內生產實際情況，本試驗采用直齒刀具和靠模的方法。主軸轉速為2 800 r·min-1，手動進給，刀具材料為硬質合金。最大車削量約8 mm。車削加工之后，采用150目砂紙對試樣進行手工打磨。

2　結果與討論

2.1　刨削

ASTM 在評價刨削優(yōu)劣性能時，只統(tǒng)計一級比例試樣，這樣很難真實的反應木材的刨削性能，因此在本試驗中將刨削性能評價按5個等級進行比較[13]。由表4可知：處理1、2所得結果明顯優(yōu)于處理3、4。進料速度對細葉桉、赤桉、巨桉、尾葉桉、粗皮桉、大花序桉和香椿木材的刨削質量都有著十分顯著的影響，隨著進料速度由6 m·min-1提高到9 m·min-1，刨削缺陷的嚴重程度顯著增加，試樣的加工質量明顯下降。以細葉桉為例，經過處理1和處理2，A級比率分別為41.7%和40.0%；經過處理3和處理4，A級比率分別為36.4%和30.0%；最多下降了11.7%；經過處理1和處理2，D級比率分別為8.3%和5.7%；經過處理3和處理4，D級比率分別為15.2%和20.0%；最多增加了14.3%。在6 m·min-1的進料速度下，對細葉桉、赤桉、巨桉、尾葉桉和大花序桉，刨削厚度較大的加工質量較好，而粗皮桉的加工質量隨刨削厚度增大有所降低。在9 m·min-1的進料速度下，細葉桉、巨桉、尾葉桉和大花序桉的加工質量隨刨削厚度增大而明顯降低，赤桉和粗皮桉的加工質量隨刨削厚度增大而有所上升。

2.2　砂光

砂光的質量決定了成品的最終質量，影響著涂飾成本的高低。此外，在許多涂飾工藝中，涂層變薄的趨勢要求更好地理解如何獲得和評估光滑、實心的木材表面[17]。ASTM技術標準規(guī)定，木材砂光性能的比較是基于A級試樣的比率?？紤]到通過統(tǒng)計A、B級比率更能反應兩種木材砂光性能，故本試驗統(tǒng)計了A、B級比率。A級表面光滑，無缺陷；B級試樣的表面有絨毛和S型缺陷，S型缺陷在試樣表面成片分布面積較大，其顏色為白色，與木材顏色顯著不同，盡管沒有對木材產生實質性的破壞，但其影響了木材表面的美觀，在一定程度上劣化了木材的表面性能，因此，對出現(xiàn)S型缺陷的試樣仍作降等處理。

從表5可知：巨桉和尾葉桉的砂光性能與香椿相當，比大花序桉、赤桉、細葉桉和粗皮桉要好，其A級試樣分別為63.4%、63.3%、66.7%、43.3%、32.3%、27.6%和6.3%。粗皮桉砂光性能最差的原因主要是由于砂光時，細小的磨料切削木纖維，導致木材出現(xiàn)大量的表面絨毛缺陷，并且大部分表面絨毛肉眼下可見。在實體顯微鏡下觀察可以發(fā)現(xiàn)，表面絨毛是大量的單根纖維束無規(guī)則的分布于板面。用120目砂紙進行打磨，可以去除大部分表面絨毛，但增加了附加工序，因此對發(fā)生表面絨毛的試樣按降等處理。試驗結果表明：通過砂光，細葉桉、赤桉、巨桉、尾葉桉、粗皮桉、大花序桉和香椿木節(jié)子附近加工質量的改善十分顯著，故砂光是這6種桉樹和香椿木刨削后必要的加工工序。

表4　不同刨削處理的試樣分級比率　　　　　　　　　　　%

表5　砂光處理試件等級比率 %

木材砂光處理后出現(xiàn)了不同類型的砂光缺陷，在本試驗確定的加工條件下，表面絨毛是最常見的砂光缺陷，S型缺陷較少。表面絨毛在所有樹種中均有發(fā)生，粗皮桉最為嚴重，達93.7%。6種桉木中僅有巨桉出現(xiàn)1塊明顯S型缺陷，細葉桉出現(xiàn)1塊不明顯S型缺陷，赤桉、尾葉桉、粗皮桉和大花序桉均未出現(xiàn)S型缺陷。香椿木試件中出現(xiàn)S型缺陷多且較明顯，10塊B級試件中有7塊出現(xiàn)S型缺陷。

2.3　銑削

銑削是評價加工性能最常用的方法，基于表面修整，包括目視評定或表面粗糙度測量[18]。試驗結果(表6)表明：巨桉的銑削性能最優(yōu)，其A級試樣比率達到92.5%，而粗皮桉的表現(xiàn)最差，其A級試樣比率僅為14.0%，赤桉、大花序桉、細葉桉、尾葉桉A級試樣比率分別為77.0%、70.2%、61.0%、31.0%。6種桉樹的A、B級試樣比率之和中，赤桉、巨桉和尾葉桉均為100%，細葉桉為95.1%，大花序桉為83.0%，粗皮桉表現(xiàn)最差，其A、B級試樣比率僅為58.2%。所以，細葉桉、赤桉、巨桉、尾葉桉和大花序桉均有優(yōu)良的銑削性能。

表6 銑削試驗試樣比率 %

2.4　鉆削

從表7可知，采用圓形沉割刀中心鉆鉆孔時，其鉆孔質量要遠好于麻花鉆所鉆的孔，其A級試樣的比率均高達100%。鉆孔質量優(yōu)良，孔壁整潔且較光滑；孔上周緣無任何壓潰、毛刺、撕裂等缺陷；孔下周緣的加工質量略差，部分試樣存在輕微的毛刺，可通過調整墊板與被加工試樣的緊密接觸位置來進一步減少和消除。采用麻花鉆鉆孔時，赤桉和細葉桉的A級試樣比率較高，分別為80.9%和75.6%。其余幾種桉樹的A級試樣比率均較低。巨桉的A級試樣比率最低，為27.5%。細葉桉、赤桉、巨桉、粗皮桉、大花序桉、尾葉桉的A、B級試樣比率之和分別為100%、100%、90%、88.4%、82.6%和66.6%。麻花鉆鉆孔的主要缺陷為毛刺、撕裂、孔壁粗糙等。

表7　鉆孔加工試件等級比率　　　　　　　　　　　　　　　　　%

從試驗的總體情況來看，孔的上周邊加工質量要遠好于下周邊，缺陷也主要集中發(fā)生在孔的下周邊，因此，建議合理使用下襯墊板，控制下周邊缺陷的發(fā)生，提高其加工質量。

2.5　開榫

從表8可以得知：6種桉樹木材的榫眼加工性能均較差，幾乎所有的試樣都有缺陷發(fā)生，赤桉、尾葉桉和巨桉的A級試樣比率分別為31.1%、14.3%、7.5%，細葉桉、粗皮桉和大花序桉的A級試樣比率均為零。A、B級試樣比率之和中，大花序桉表現(xiàn)最好，比率達到87.2%；尾葉桉、赤桉和粗皮桉的性質比較相近；細葉桉較差；巨桉表現(xiàn)最差，比率僅為47.5%。榫眼加工的主要缺陷為孔壁毛狀紋、毛刺、撕裂等，缺陷的破壞程度較鉆孔時嚴重?？妆诿珷罴y及毛刺是發(fā)生率最高的缺陷。與鉆孔性能相似，榫眼上緣的加工質量明顯比下緣好，毛刺和撕裂大部分發(fā)生在下緣。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，導致榫眼孔緣周圍的木材纖維沒有被正常切割，在榫眼下緣極易產生毛刺或撕裂。因此，對于這幾種桉樹木材，加工不慣通的榫眼容易獲得較好的加工質量。

表8　開榫試件等級比率　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　%

2.6　車削

從表9可知，除香椿木材外，6種桉樹人工林木材車削加工后，無缺陷試樣的比率均超過80%，其中粗皮桉、赤桉和巨桉試樣的比率超過90%，而香椿木材的這一比率為60%。香椿木材的車削性能最差，其A級試樣比率僅為60.0％，B級試樣比率為13.3％，C級試樣比率為26.7%，加工試樣為B、C級的比率高達73.3％。從車削質量來看，其主要缺陷表現(xiàn)為起毛和少數(shù)的溝痕；粗皮桉木材車削性能最好，其A級試樣比率高達97%，其主要缺陷表現(xiàn)為起毛刺和輕微刀痕，車削輪廓較光滑，但試樣車削棱角處毛刺較多，經手工打磨后毛刺可大部分消除；赤桉木材車削性能較好，其A級試樣比率為96.7%，其主要缺陷表現(xiàn)為少數(shù)起毛刺、崩角和輕微刀痕，車削輪廓較光滑，大部分試件幾乎不必打磨；巨桉木材車削性能較好，其A級試樣比率為93.3%，其主要缺陷表現(xiàn)為起毛刺和輕微刀痕，試樣車削棱角處毛刺較多，經手工打磨后毛刺可大部分消除；細葉桉木材車削性能較好，其A級試樣比率為87.1%，其主要缺陷表現(xiàn)為起毛刺、少數(shù)崩角和輕微刀痕，大部分試樣車削后輪廓較光滑，但車削棱角處毛刺非常多，經手工打磨后毛刺可大部分消除；大花序桉木材車削性能較好，其A級試樣比率為84.4%，其主要缺陷表現(xiàn)為少數(shù)起毛刺、崩角和輕微刀痕，車削輪廓較光滑，大部分試件幾乎可以不必打磨，部分試樣降等原因主要為崩角；尾葉桉木材車削性能較好，其A級試樣比率為80.0%，其主要缺陷表現(xiàn)為起毛刺、少數(shù)崩角和輕微刀痕，大部分試樣車削后棱角處毛刺非常多，經手工打磨后毛刺可大部分消除。

表9　車削處理試件等級比率　　　　　　　　　　　　　　　　　%

2.7　機械加工性能綜合評定結果

參照林業(yè)行業(yè)標準性能評價方法[13]，6種加工方法依其在木制品生產中的重要性，分別給出加權數(shù)。刨切、砂光、成型銑削、車削的加權數(shù)為2，鉆孔和榫眼的加權數(shù)為1。對每一個試驗項目，按規(guī)定考核試樣比率的高低，確定機械加工性質在此項目上的級別(表10)；項目級別乘以其加權數(shù)為該項目的得分；將各樹種6個項目的得分相加，得出各樹種的總分，滿分為50分。刨切測試以處理1的結果評分；鉆孔試驗以圓形沉割刀中心鉆的結果評分。七個樹種機械加工性能在各試驗項目上的等級見表11，綜合評定結果見表12。木材的機械加工性質，依其總分的高低依次為：尾葉桉、巨桉、赤桉、大花序桉、細葉桉、粗皮桉。在本試驗條件下，尾葉桉和巨桉較好，總分達到41.2和40.8，粗皮桉得分最少，為34.9。6種桉樹木材具有比較優(yōu)良的機械加工性質，可以用于高附加值實木制品(例如實木家具、實木地板等)的開發(fā)與利用。

表10　試驗項目級別的劃分標準　　%

表11　7個樹種機械加工性能在各試驗項目上的等級

表12 7個樹種機械加工性質的得分

3　結論與討論

(1) 在刨削加工性能上，粗皮桉和香椿表現(xiàn)為優(yōu)，細葉桉、赤桉、巨桉、尾葉桉和大花序桉均表現(xiàn)為良；在砂光性能上，巨桉、尾葉桉和香椿表現(xiàn)為良，大花序桉表現(xiàn)為中，細葉桉和赤桉表現(xiàn)為差，粗皮桉表現(xiàn)為劣；在鉆削性能上，細葉桉、赤桉、巨桉、尾葉桉、粗皮桉、大花序桉和香椿均表現(xiàn)為優(yōu)；在銑削性能上，粗皮桉表現(xiàn)為中，細葉桉、赤桉、巨桉、尾葉桉、大花序桉和香椿均表現(xiàn)為優(yōu)；在開榫性能上，赤桉、尾葉桉、粗皮桉、大花序桉和香椿均表現(xiàn)為優(yōu)，細葉桉表現(xiàn)為良，巨桉表現(xiàn)為中；在車削性能上，6種桉樹木材均表現(xiàn)為優(yōu)，香椿表現(xiàn)為良。

(2) 總體上，6種桉樹大徑材和香椿木材的綜合機械加工性能排序為尾葉桉、巨桉、赤桉、大花序桉、細葉桉和粗皮桉。在滿分為50分的機械加工性能綜合評價體系中，尾葉桉得分最高，為41.2分，高于香椿的40.5分；粗皮桉得分最低，為34.9分。這表明尾葉桉木材具有良好的機械加工性能，可用于高附加值實木制品的開發(fā)和利用。

(3) 砂光處理，細葉桉、赤桉、巨桉、尾葉桉、粗皮桉、大花序桉和香椿節(jié)子附近加工質量改善十分顯著，同時可顯著去除毛刺溝痕等刨切缺陷，故砂光是6種桉樹大徑材和香椿木材機械加工后必要的加工工序。

(4) 采用圓形沉割刀中心鉆鉆孔時，6種桉樹大徑材和香椿木材無缺陷試樣的比率均高達100%，其鉆孔質量要遠好于麻花鉆所鉆之孔。所以，對桉樹木材進行鉆削時，應優(yōu)先使用圓形沉割刀中心鉆鉆孔。

(5) 本研究主要結合生產實際對木材機械加工性能(如切削用量、進料速度等)進行了評價，后續(xù)會對加工質量、工作效率、動力消耗等做進一步的綜合分析。

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Evaluating Machining Properties of Timber from Six Species of

LIU Xuefeng1, HUANG Tenghua2, CHEN Shaoxiong1, LIN Jiachun2, LAN Jun3, FENG Qinxiong2

,,,;..,,,)

In this paper the machining properties of timber obtained from large-diameter logs of six plantationspecies grown in Guangxi Dongmen State-owned Forest Farm, along with timber fromwere tested. Wood properties were determined according standards specified in ASTM D 1666. Comprehensive assessment of mechanical properties of the six eucalypt species andplaced the species in the following order of merit:(best),,,,and(lowest ranked). For machining performance comprehensive evaluation scores, these species obtained the following values (out of a total of 50 points): 41.2, 40.8, 40.5, 38.7, 38.4, 37.3 and 34.9 respectively.

plantation；large-diameter timber; machining properties; quality grade

S784

A

10.13987/j.cnki.askj.2019.03.002

廣東省林業(yè)科技創(chuàng)新項目(2019KJCX005)；國家重點研發(fā)計劃課題(2016YFD0600502)

劉學鋒(1985— )，男，碩士，工程師，主要從事森林培育研究，E-mail: afayewong@foxmail.com

陳少雄(1965—)，男，博士，研究員，主要從事桉樹人工林培育研究，E-mail: sxchen01@163.com