胡守恒，陳李璨，邵迎濤,3，張水珍，王新洲，李延軍,

（1. 南京林業(yè)大學 材料科學與工程學院，江蘇 南京 210037；2. 北京林業(yè)大學 材料科學與技術學院，北京100083；3. 杭州大索科技有限公司，浙江 杭州 311251；4. 福建華宇集團有限公司，福建 建甌 353003）

中國竹類資源十分豐富，自20世紀80年代初至今的幾十年時間內(nèi)，中國竹材加工產(chǎn)業(yè)從無到有得以迅速發(fā)展[1]。傳統(tǒng)的竹加工生產(chǎn)工藝由于利用率不高，會造成竹材資源的極大浪費[2?3]。為了開展竹材的高效加工利用，竹材軟化展平，特別是竹筒無裂紋展平技術近年來發(fā)展壯大，它實現(xiàn)了以竹片和竹束為主的竹材加工構成單元向展平竹板轉(zhuǎn)變，大大提高了竹材利用率[4]。目前，專家學者主要針對于竹材軟化展平工藝與設備、竹材軟化展平機理等方面進行研究[5]。雖然竹材的軟化和展平是竹筒無裂紋展平的重中之重，但竹筒的預處理，即去青處理也極為關鍵。竹材的竹青主要由蠟質(zhì)層、硅脂層和維管束構成，且竹青部位的纖維素、木質(zhì)素比竹黃和竹肉部位都高，因此竹青層質(zhì)地堅韌，組織致密，難以壓縮、拉伸、變形和軟化[6?7]。因此，去青效果的優(yōu)劣將會影響到最終展平竹板的展平質(zhì)量。目前，學者主要研究重組竹的去青程度對物理力學強度的影響，以及去青設備的制造。而針對竹展平的去青研究鮮有報道，由于竹青的存在會對竹材展平加工產(chǎn)生不良影響，因此研究竹筒的去青工藝對實際生產(chǎn)具有積極意義。葉良明等[8]就是否去青，對重組竹板材的物理力學強度的影響進行研究；李大勝[9]對整竹去青技術及裝備進行研究；鄧健超等[10]研究了竹束去青程度對竹束單板層積材物理力學性能的影響。響應面法(response surface method，RSM)是一種采用多元回歸方程擬合響應值與因素之間函數(shù)關系的優(yōu)化統(tǒng)計方法，通過對響應曲面及等高線的分析來獲得最優(yōu)的工藝參數(shù)[11]。其中的中心組合設計方法(Box-Behnken Design，BBD)是一種基于3水平的一階或多階試驗設計建模方法，具有試驗次數(shù)少，結(jié)果準確性高的優(yōu)點[12]。車削工藝參數(shù)對毛竹Phyllostachys edulis竹筒去青效果存在潛在影響，本研究采用BBD響應面法探討竹筒轉(zhuǎn)速、進給速度和氣缸壓力對竹筒去青度的影響，從而獲得竹筒最佳車削去青工藝參數(shù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料 采伐于浙江麗水竹口鎮(zhèn)的5年生新鮮毛竹(靜置室外2周)，選取壁厚10～11 mm，外徑100～110 mm的竹筒截斷至75 cm。

1.1.2 主要儀器 浙江莊誠竹業(yè)有限公司自主研制的縱向展平機、車削去青機、去節(jié)機、圓鋸機(型號：MJ105A)、高溫壓力罐、游標卡尺(精度0.02 mm)、皮尺等。

1.2 方法

1.2.1 竹筒去青 竹筒軟化展平的技術路線如下：備料、截斷、去節(jié)、車削去青、開槽、軟化、縱向展平、定型、刨削、銑邊、干燥[13]。截斷好的竹筒通過去節(jié)機去除內(nèi)節(jié)，通過車削去青機(圖1)，按照規(guī)定的車削工藝參數(shù)去青處理。去青完畢后，測量竹筒破損個數(shù)(每組試驗50個試樣)、去青厚度和去青度，作為去青效果的評價指標。其中，竹筒去青度的測量采用軟件Image J(圖2)，對軟化展平后的竹板圖片進行處理分析，測量竹板上的帶青區(qū)域的面積占整個竹板面積的比例，記錄數(shù)據(jù)并計算。去青度S=(1-s1)×100%。其中：S為竹筒去青度；s1為展平竹板帶青區(qū)域的面積比例。

1.2.2 響應面優(yōu)化試驗 在前期單因素試驗結(jié)果基礎上，采用BBD(Box-Behnken Design)響應面法進行3因素3水平的試驗，以竹筒轉(zhuǎn)速、刀具的進給速度、氣缸壓力為變量，以去青度為響應值，應用Design Expert 12 軟件，建立數(shù)學回歸模型，優(yōu)化竹筒的去青工藝。

1.2.3 響應面最佳工藝的驗證 根據(jù)響應面試驗結(jié)果，得出較優(yōu)的去青工藝參數(shù)，再進行竹筒的軟化展平并計算去青度，與響應面模型預測值對比，驗證其可靠性。

圖1 車削去青機及去青車刀Figure 1 Turing machine of removing bamboo green and turning tool

圖2 圖像處理前后展平竹板材試樣表面Figure 2 Surface of flat bamboo sample before and after image

2 結(jié)果與分析

2.1 車削參數(shù)的單因素試驗

2.1.1 竹筒轉(zhuǎn)速對去青效果的影響 由表1可知：竹筒轉(zhuǎn)速對去青效果具有明顯影響。當竹筒轉(zhuǎn)速過低時，轉(zhuǎn)速與進給速度不匹配，竹筒表面會出現(xiàn)規(guī)律性的完全未吃刀的留青情況，導致去青質(zhì)量無法達到展平所需的要求。當竹筒轉(zhuǎn)速過高時，在單位時間內(nèi)刀具與工件及切屑的摩擦頻率增大，導致竹青面重復吃刀，去青厚度增大，甚至有可能切削到竹肉。高轉(zhuǎn)速下竹筒的去青厚度達1.00 mm，大于竹筒本身竹青層的厚度，降低了出材率。因此在進給速度和氣缸壓力一定的條件下，竹筒轉(zhuǎn)速以48～56 r·min-1為佳。

2.1.2 進給速度對去青效果的影響 由表2可知：隨著進給速度增大，竹筒的去青厚度和去青度總體呈下降趨勢，導致去青質(zhì)量無法達到展平所需的要求。若進給速度過小時，單位時間內(nèi)刀具相對于工件位移量小于工件每旋轉(zhuǎn)1周時，刀具切削所產(chǎn)生的切削寬度，導致重復切削，去青厚度增大，甚至有可能切削到竹肉。根據(jù)實際生產(chǎn)要求，在保證去青效果達到要求的前提下，應盡可能的選用較大的進給速度以獲得最大的生產(chǎn)效率。因此在竹筒轉(zhuǎn)速和氣缸壓力一定的條件下，進給速度以0.25～0.35 m·min-1為佳。

2.1.3 氣缸壓力對去青效果的影響 氣缸壓力是指用于頂緊去青車刀的氣缸預先設置好的壓力大小。由表3可知：隨著氣缸壓力的增加，竹筒的去青厚度和去青度均有大幅度的增長，但此時破裂率也大大增加。壓力的增加使得切削深度增加，進而使車削力變大。當車削力超出竹筒所能承受范圍時，竹筒撕裂。因此雖然較大的壓力可以提高竹筒的去青質(zhì)量，但破裂率也同時提高，不符合實際生產(chǎn)的要求。綜上所述，在竹筒轉(zhuǎn)速和進給速度一定的條件下，氣缸壓力以0.10～0.20 MPa為佳。

表1 竹筒轉(zhuǎn)速的單因素試驗結(jié)果Table 1 Single factor experimental result of bamboo roration speed

表2 進給速度的單因素試驗結(jié)果Table 2 Single factor experimental result of bamboo feed speed

表3 氣缸壓力的單因素試驗結(jié)果Table 3 Single factor experimental result of bamboo pressure

2.2 響應面法對竹筒的去青工藝優(yōu)化

2.2.1 響應面試驗設計與結(jié)果 BBD響應面試驗因素與水平見表4，試驗設計及結(jié)果見表5。經(jīng)Desigin-Expert 12 軟件對17個試驗點的去青度進行回歸統(tǒng)計分析，得到的去青度Y回歸方程Y=40.66+6.56A-2.96B+12.60C-0.5775AB-0.515AC-1.91BC-1.0.343A2+1.86B2。通過二次回歸方程計算模擬，當A=60 r·min-1，B=0.25 m·min-1，C=0.20 MPa時，此時去青度Y的理論最佳值為66.97%。由表6可知：該模型的F=232.45，P＜0.000 1，達極顯著水平，說明該模型有意義。失擬項P=0.391 9＞0.05，表明其影響不顯著，無失擬因素存在，且預測值與校正R2adj接近，說明試驗操作和理論預測可信，可用該回歸方程代替試驗真實點對結(jié)果進行分析。由回歸方程系數(shù)的顯著性檢驗說明可知：模型一次項(A、B、C)影響極顯著，交互項(BC)和二次項(B2)影響顯著，其余變量對去青度的影響不顯著。依據(jù)回歸方程Y內(nèi)的系數(shù)，A的系數(shù)為6.56、B的系數(shù)為-2.96、C的系數(shù)為12.60，可得出因素對去青度的主效應順序為：C＞A＞B，即氣缸壓力＞竹筒轉(zhuǎn)速＞進給速度。

表4 響應面BBD試驗因素及水平Table 4 Factors and levels of BBD test

表5 響應面BBD試驗設計及結(jié)果Table 5 Design and results of BBD test

表6 回歸模型方差分析Table 6 Variance analysis of regression model

2.2.2 響應面優(yōu)化分析 響應面分析中等高線圖可以直觀反映各因素之間的相互作用。等高線圖中的線條呈圓形表示兩因素的交換作用不顯著，若呈橢圓形則表示交換作用顯著。如圖3所示：竹筒轉(zhuǎn)速和進給速度交換作用較顯著，且進給速度在軸向等高線變化較為密集，竹筒轉(zhuǎn)速在軸向等高線變化較為稀疏，因此竹筒轉(zhuǎn)速對去青度峰值影響較大；如圖4所示：竹筒轉(zhuǎn)速和氣缸壓力交換作用顯著，且壓力在軸向等高線變化較為稀疏，竹筒轉(zhuǎn)速在軸向等高線變化較為密集，因此壓力對去青度峰值影響較大；同理，如圖5所示：進給速度和氣缸壓力交換作用顯著，且壓力在軸向等高線變化較為稀疏，進給速度在軸向等高線變化較為密集，因此壓力對去青度峰值影響較大。

圖3 竹筒轉(zhuǎn)速和進給速度對去青度相互影響的響應面圖和等高線圖Figure 3 Contour and response surface plots of Y=f(A, B)

圖4 竹筒轉(zhuǎn)速和氣缸壓力對去青度相互影響的響應面圖和等高線圖Figure 4 Contour and response surface plots of Y=f(A, C)

圖5 進給速度和氣缸壓力對去青度相互影響的響應面圖和等高線圖Figure 5 Contour and response surface plots of Y=f(B, C)

2.2.3 響應面最優(yōu)工藝的驗證 通過響應面法優(yōu)化得到的最佳車削去青工藝：當竹筒轉(zhuǎn)速為60 r·min-1，進給速度為0.25 m·min-1，氣缸壓力為0.20 MPa時，得最大去青度為66.97%。采用上述的工藝條件進行實際驗證，得到的去青度為65.36%，與理論預測值的誤差為-2.37%，證明模型是合理的，可用于實際去青度的預測。

3 結(jié)論

本研究采用車削去青工工藝對竹筒進行去青處理，通過單因素試驗和BBD試驗對工藝進行優(yōu)化，得出最佳去青條件：竹筒轉(zhuǎn)速為60 r·min-1，進給速度為0.25 m·min-1，氣缸壓力為0.20 MPa，竹筒的去青度為66.97%。同時，建立了竹筒去青度與各因素變量的二次回歸模型方程，該模型極顯著，且失擬項不顯著，表明該方程對試驗擬合性好，可以應用于實際生產(chǎn)加工之中。