青 龍 邢 東 李哲鋒

（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與藝術(shù)設(shè)計學(xué)院,呼和浩特 010018）

木制品表面粗糙度是觸感及外觀性能的主要評價指標(biāo)之一。影響表面粗糙度值的因素很多，如木材性能、加工機械精度、加工參數(shù)、刀具材料和刀具參數(shù)[1-2]等。木材加工表面粗糙度由加工本身形成的表面粗糙度和木材細胞組織構(gòu)造引起的粗糙度兩部分組成，影響表面粗糙度的木材顯微構(gòu)造主要有導(dǎo)管（管孔）、木纖維、軸向薄壁組織、木射線及年輪[1-4]等。而木材加工表面粗糙度直接影響膠黏劑與涂料的消耗量及膠合與涂飾質(zhì)量等[5]。國內(nèi)外對于木材表面粗糙度進行很多相關(guān)研究[6-18]，基本涵蓋了影響木材加工表面粗糙度的各種因素。但目前對木材切削表面粗糙度的測定與評價沒有簡便而又理想的方法，仍采用觸針法等以均質(zhì)材料的標(biāo)準(zhǔn)化測定理論為基礎(chǔ)發(fā)展而來的方法測定木制件表面粗糙度[19-22]，相對籠統(tǒng)地評價木材加工表面粗糙度。本研究采用形狀測量激光三維顯微系統(tǒng)，測定分析不同樹種及部位、不同切削方式、放大倍數(shù)和測試模式對木材表面粗糙度的影響，并提出適合木材切削表面粗糙度的測定與評價方法。

1 材料與方法

1.1 材料

根據(jù)木材的性能特點，本試驗選用了榆木、楊木和樟子松。榆木（Ulmus Rubra）和楊木（PopulusXbeijingensisW.Y.Hsu）取自呼和浩特市玉泉區(qū)。榆木樹齡為45～48年生，邊材部年輪6個左右，心材部年輪41個左右，年輪寬度分布為0.35～7.90 mm，平均直徑303 mm。楊木樹齡為34～37年生，邊材部年輪13個左右，心材部年輪23個左右，年輪寬度分布為0.57～9.68 mm，平均直徑315 mm。樟子松（Pinus sylvestrisL.var.mongholicaLitv.）取自俄羅斯烏蘭烏德地區(qū)，樹齡為79～83年生。邊材部年輪44個左右，心材部年輪38個左右，年輪寬度分布為0.21～3.65 mm，平均直徑310 mm。

1.2 設(shè)備

形狀測量激光三維顯微系統(tǒng)（VK-X150型，基恩士公司），鋸切用精密推臺鋸（WA8T型，歐登多機械制造公司），磨削加工用帶式磨光機（1860型，青島旭升木工機械廠），旋切加工用改裝的車床（C630-1型，吳縣動力機械廠）。

1.3 試驗方法

1.3.1 試件制作

根據(jù)木材性能特點，每根原木截取兩頭后橫截鋸成圓盤木段，進一步參照GB/T 1929—2009《木材物理力學(xué)試材鋸解及試樣截取方法》制作試件。截取位置和試件尺寸如圖1所示。截取的磨削和鋸切用的試件干燥處理至含水率12%。

圖1 試件截取位置和尺寸示意圖Fig.1 Schematic diagram of specimen selection position and size

1.3.2 試件切削加工

木材是各向異性材料，其主要體現(xiàn)在三切面上。因此，對切削加工后的三切面粗糙度進行測定評價。根據(jù)研究條件切削加工選擇磨削、鋸切和旋切方式。磨削時用80目砂帶，加工后測定三切面年輪交接處不同部位的表面粗糙度；鋸切時把調(diào)制好的試件鋸切成30 mm×30 mm×40 mm的試樣供鋸切表面粗糙度的測定；旋切時用40 mm厚的圓盤濕材，加工出0.32 mm厚的切屑，干燥后供表面粗糙度的測定。

1.3.3 切削表面粗糙度測定

根據(jù)ISO4287:1997《幾何產(chǎn)品規(guī)范(GPS) - 表面結(jié)構(gòu)：輪廓法-術(shù)語，定義和表面結(jié)構(gòu)參數(shù)》的粗糙度測量參數(shù)及測試標(biāo)準(zhǔn)，采用形狀測量激光三維顯微系統(tǒng)對木材切削表面粗糙度進行測定分析。該方法無需對試樣進行蒸金等前期處理，也無需作切斷、拆卸等處理，可直接進行三維測量分析，完成線粗糙度和面粗糙度的測定評價。表面粗糙度測定選擇激光三維顯微系統(tǒng)的線粗糙度測量功能。分別用激光模式和觸針模式測得算術(shù)平均粗糙度值（Ra）來評價表面粗糙度。放大倍數(shù)直接關(guān)系到木材顯微構(gòu)造，因此選擇200、400和1 000的不同放大倍數(shù)測定分析表面粗糙度。

2 結(jié)果與分析

2.1 基于顯微系統(tǒng)的切削表面粗糙度檢測

用激光三維顯微系統(tǒng)可得到如圖2所示的激光掃描生成的主圖像（a）、顏色高度圖像（b）、3D形貌圖像（c）和測定位置對應(yīng)的粗糙度測定輪廓曲線示意圖（d）。圖2為榆木橫切面的磨削加工表面粗糙度測定示意圖。

圖2 榆木磨削橫切面的微觀形貌和粗糙度測定示意圖Fig.2 Micromorphology and roughness measurement of the Elm grinding cross-sectional surface

圖2（a）、（b）、（c）中清晰可見榆木管孔的大小、分布和磨屑粉末進入管孔的堵塞情況?？梢娒黠@凸凹不同的測試位置，通過圖像可直觀地分辨出管孔等木材顯微構(gòu)造，從而可以根據(jù)測定分析要求選擇合適的評價部位。以圖2（d）中所示為例，顯微構(gòu)造明顯部位的表面粗糙度測試值為17.23 μm，顯微構(gòu)造不明顯部位的測試值為5.74 μm。木材顯微構(gòu)造對表面粗糙度的影響顯著。

2.2 不同測試模式和不同部位的表面粗糙度變化

2.2.1 測試模式對表面粗糙度的影響

選定顯微系統(tǒng)的激光模式和觸針模式分別對榆木切削表面粗糙度進行測試，其三切面磨削表面粗糙度值如圖3所示。

圖3 測定模式與表面粗糙度變化關(guān)系Fig.3 Relationship between the measurement modes and surface roughness

由圖3可見，觸針模式下的粗糙度測定值基本小于激光模式測試的表面粗糙度值，兩者粗糙度值相差5%左右。這是由于觸針頭半徑影響了測定輪廓線，而激光掃描測到的更加微觀，因此，以下試驗均選用激光測試模式。

2.2.2 木材三切面表面粗糙度比較分析

圖4所示為榆木磨削加工三切面的表面粗糙度值，測定部位選定年輪交界處，兼顧早材部和晚材部。

圖4 榆木三切面磨削表面粗糙度的比較Fig.4 Grinding surface roughness comparison of the three-section surfaces of the Elm

由圖4可知，管孔等木材顯微構(gòu)造對表面粗糙度的影響非常顯著。因此測定木材表面粗糙度，須考慮木材本身的顯微構(gòu)造影響。磨削加工情況下，榆木三切面顯微構(gòu)造明顯部位的粗糙度為，徑切面＞弦切面＞橫切面。徑切面上導(dǎo)管和木射線等構(gòu)造影響更為突出，弦切面上導(dǎo)管和木射線影響相對較小，而橫切面上的管孔在一定程度上被磨屑粉末堵住，因而粗糙度較小。

木材顯微構(gòu)造不明顯部位的三切面粗糙度值相對接近，且弦切面＞橫切面＞徑切面。這是因為徑切面和橫切面的木材纖維方向一致，纖維傾角變化相對小。在弦切面上，因纖維傾角不同而產(chǎn)生逆紋磨削和順紋磨削影響表面粗糙度?？梢姡x擇不同切面部位會直接影響粗糙度值。

2.3 不同樹種對切削表面粗糙度的影響

圖5 3種木材鋸切橫切面掃描形貌和三維構(gòu)造比較Fig.5 Comparison of scans and 3D structures of three types of wood sawing cross-section

圖6 3種木材橫切面鋸切表面粗糙度比較Fig.6 Comparison of roughness of three types of sawn wood cross-section

對榆木、樟子松、楊木3種木材試件橫切面鋸切表面粗糙度進行測定（放大倍數(shù)為200倍），如圖5所示，測定時盡量選定年輪交界部位。從圖中可明顯看出3種樹種的微觀構(gòu)造存在很大區(qū)別，如榆木的管孔明顯，樟子松含有較多松脂，而楊木鋸切面相對平滑。

進一步測得上述3種木材顯微構(gòu)造明顯部位和不明顯部位的粗糙度值，如圖6所示。

由圖6中可見，木材顯微構(gòu)造影響顯著，顯微構(gòu)造明顯部位的粗糙度值為榆木＞松木＞楊木，而3種木材顯微構(gòu)造不明顯的情況下粗糙度趨于接近值，表明樹種影響不顯著。

2.4 切削方式對表面粗糙度的影響

對經(jīng)過磨削、旋切、鋸切的楊木試件進行檢測，其弦切面激光掃描形貌和三維形狀如圖7所示（放大倍數(shù)為200倍）。從圖中可觀察到，鋸切表面木毛刺明顯多，旋切表面相對較少，磨削加工表面則構(gòu)造不清晰，有被磨平的外觀特征。鋸切和旋切面上可清晰看到表面構(gòu)造凸凹不平的分布。

圖7 不同切削方式下楊木弦切面微觀形貌比較Fig.7 Comparison of the micromorphology of tangential section under the different cutting methods of Poplar

圖8 切削方式與表面粗糙度變化關(guān)系Fig.8 Relationship between the cut patterns and surface roughness

木材顯微構(gòu)造明顯部位和不明顯部位的粗糙度值如圖8所示。楊木弦切面鋸切表面和旋切表面粗糙度值相對接近，磨削表面粗糙度明顯較小。

可以看出木材顯微構(gòu)造對粗糙度的影響顯著，顯微構(gòu)造明顯部位粗糙度值是不明顯部位的2～3倍。粗糙度值為鋸切＞旋切＞磨削。結(jié)果表明：不同切削方式下表面粗糙度不同，且相差明顯。

2.5 放大倍數(shù)對表面粗糙度的影響

圖9為不同放大倍數(shù)下，旋切的楊木、榆木切屑弦切面微觀構(gòu)造比較。圖中清晰可見試件導(dǎo)管、木射線及紋孔等顯微構(gòu)造的大小及形狀。

圖9 楊木和榆木不同放大倍數(shù)時微觀構(gòu)造的比較Fig.9 Comparison of microstructures when Poplar and Elm are different magni fications

圖10為榆木、楊木和樟子松木材顯微構(gòu)造明顯部位和不明顯部位的表面粗糙度值，不同放大倍數(shù)情況下粗糙度值有明顯差異。放大倍數(shù)與木材顯微構(gòu)造直接有關(guān)，因此在測定評價木材表面粗糙度時，必須考慮采用合適的放大倍數(shù)。

圖10 放大倍數(shù)與表面粗糙度的變化關(guān)系Fig.10 Relationship between the magni fication and surface roughness

不同放大倍數(shù)時，楊木和榆木2種木材顯微構(gòu)造明顯部位的粗糙度值變化截然不同。放大倍數(shù)增大時，楊木材表面粗糙度值變小，而榆木顯微構(gòu)造明顯部位的粗糙度值隨著放大倍數(shù)的增大而增大而后趨于一定值，放大倍數(shù)大時很難評價其切削表面粗糙度。楊木和樟子松木材的旋切表面粗糙度在不同放大倍數(shù)時均比較接近。

3種木材顯微構(gòu)造不明顯部位的表面粗糙度變化趨勢和粗糙度值比較接近，樹種的影響較小。從試驗結(jié)果看，測定榆木表面粗糙度宜采用放大倍數(shù)200，楊木和松木則以放大倍數(shù)400為宜。

3 結(jié)論

1）在相同試驗條件下，分別使用激光模式和觸針模式測定分析切削表面粗糙度，兩種模式測定值相差5%左右,測定模式對粗糙度值有一定影響。本試驗采用激光測定模式。

2）表面粗糙度值因加工方式不同而不同，同樣的測定條件下，磨削加工表面粗糙度明顯低于鋸切和旋切表面粗糙度，鋸切和旋切表面粗糙度相對接近；木材顯微構(gòu)造明顯時，榆木磨削加工表面不同切面粗糙度值為徑切面＞弦切面＞橫切面，木材顯微構(gòu)造不明顯時弦切面＞橫切面＞徑切面。木材顯微構(gòu)造對粗糙度的影響顯著，評價木材加工表面粗糙度時必須考慮不同部位顯微構(gòu)造的影響。

3）放大倍數(shù)與木材顯微構(gòu)造有關(guān)，在木材顯微構(gòu)造不明顯時影響相對較小。在該試驗條件下，測定榆木表面粗糙度宜采用放大倍數(shù)200，楊木和松木則以放大倍數(shù)400為宜。

綜合考慮影響木材切削表面粗糙度因素，木材切削表面粗糙度測定評價宜采用兩步法：第一步，考慮樹種、不同切面和切削加工方式等選定木制品測定評價部位；第二步,考慮測定模式、放大倍數(shù)和測定設(shè)備精度，選定滿足測定要求的方法來完成木材切削表面粗糙度的測定與評價。