黃騰華，王軍鋒，宋戀環(huán)，雷福娟，欒 潔，馮沁雄

（廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院 廣西木材資源培育質(zhì)量控制工程技術(shù)研究中心，廣西南寧 530002）

尾巨桉（Eucalyptus urophylla×E. grandis）是尾葉桉（E. urophylla）和巨桉（E. grandis）雜交的無性系，是我國(guó)南方大面積種植的速生桉品種之一，具有生長(zhǎng)快速、樹干勻稱通直和木材產(chǎn)量高等特點(diǎn)。尾巨桉木材在加工和使用過程中易變形開裂，目前，對(duì)其木材的利用主要為將其加工成小單元（纖維、刨花和單板等），用于人造板加工和造紙等方面；也可用于制作木門板芯和實(shí)木衣架等，有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值[1-4]。尾巨桉無性系自引種以來,在其木材干燥、木材解剖構(gòu)造和木材材性等方面已有大量研究[5-8],但在機(jī)械加工方面的研究較少。木材機(jī)械加工性能的研究始于上世紀(jì)末，研究者已進(jìn)行了部分樹種機(jī)械加工性能的研究[9-15]，并對(duì)尾葉桉、巨桉、赤桉（E. camaldulensis）、大花序桉（E. cloeziana）、細(xì)葉桉（E.teretcornis）和粗皮桉（E.pellits）等大徑級(jí)桉樹木材的機(jī)械加工性能進(jìn)行了研究[16-17]。本研究以5年生和7年生尾巨桉無性系木材為對(duì)象，對(duì)其刨削、砂削、鉆削、銑削、開榫和車削6項(xiàng)機(jī)械加工性能進(jìn)行全面測(cè)試、分析及評(píng)價(jià)，獲得了6項(xiàng)機(jī)械加工性能的參數(shù)。了解了尾巨桉不同樹齡木材的機(jī)械加工性能特點(diǎn)，可為尾巨桉無性系定向培育及其木材的高附加值加工利用提供參考。

1 材料與方法

1．1 試驗(yàn)材料

試材采自廣西壯族自治區(qū)國(guó)有維都林場(chǎng)龍鳳山分場(chǎng)[4]。采集了5年生和7年生尾巨桉無性系試材，每個(gè)樹齡采集5株（表1）。試件的尺寸和數(shù)量見表2，樣品采用簡(jiǎn)單隨機(jī)抽取。

表1 不同樹齡尾巨桉試材基本情況Tab.1 Basic situation of E.urophylla×E.grandis wood at different ages

表2 試件尺寸及數(shù)量Tab.2 Dimension and number of samples

1．2 試驗(yàn)及評(píng)價(jià)方法

以5年生和7年生尾巨桉無性系木材為試材，參照LY/T 2054-2012[18]，分別對(duì)其機(jī)械加工性能（刨削、砂削、鉆削、銑削、開榫和車削）進(jìn)行測(cè)試，并根據(jù)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行等級(jí)評(píng)定，將加工質(zhì)量分為5個(gè)等級(jí)。根據(jù)各項(xiàng)目在木材機(jī)械加工生產(chǎn)中的重要性，將刨削、砂削、銑削和車削的加權(quán)數(shù)定為2，鉆削和開榫的加權(quán)數(shù)定為1；根據(jù)每個(gè)測(cè)試項(xiàng)目試樣的達(dá)標(biāo)率，確定其質(zhì)量級(jí)別（表3）；每個(gè)測(cè)試項(xiàng)目的質(zhì)量級(jí)別乘以其加權(quán)數(shù)得到每個(gè)測(cè)試項(xiàng)目的得分，將6 項(xiàng)得分相加得出總分，獲得綜合加工性能得分，滿分為50分。

表3 單項(xiàng)測(cè)試質(zhì)量級(jí)別的劃分標(biāo)準(zhǔn)Tab.3 Classification standard of single test quality level

1．3 試驗(yàn)設(shè)備和條件

1．3．1 刨削

主要設(shè)備為MB106D 型自動(dòng)進(jìn)料單面木工壓刨床。使用新刃磨的銳利刀具，刀具數(shù)量為3，調(diào)整刨刀的楔角為30°，主軸轉(zhuǎn)速為5 000 r/min，刨削深度為1．6 mm，進(jìn)料速度選取目前實(shí)木加工廠常用的6 m/min 和9 m/min。使用直刀，且1 次只刨削1 個(gè)面。根據(jù)刨削缺陷的主要類型（削片壓痕、凹凸紋、毛刺、毛刺溝痕和表面粗糙度）及其程度，將試樣分為5 個(gè)等級(jí)。一級(jí)為優(yōu)秀，沒有缺陷，記5分；二級(jí)為良好，存在輕微缺陷，可通過120 目砂紙輕磨消除，記4 分；三級(jí)為中等，存在面積較大的輕微缺陷，可通過120 目砂紙打磨消除，記3 分；四級(jí)為較差，存在較大和較深的刨削缺陷，不能或很難通過砂紙打磨消除，記2 分；五級(jí)為極差，存在嚴(yán)重刨削缺陷，記1 分。并將1 級(jí)試樣所占百分率作為刨削性能比較百分率。

1．3．2 砂削

采用R-RP630 雙砂架寬帶砂光機(jī)，使用紙質(zhì)砂帶。選擇經(jīng)4 次刨削加工處理后的試樣，采用磨料粒度為120 目的砂帶砂光兩次[10]，砂光的進(jìn)料速度為6 m/min，砂削厚度為0．6 mm。砂光處理后，采用HANDYSURF E-35B 便攜式表面粗糙度測(cè)量?jī)x，對(duì)試樣砂削后的表面粗糙度參數(shù)Ra、Rz 和RSm 進(jìn)行測(cè)量。每個(gè)試件隨機(jī)選取5個(gè)無缺陷的位置進(jìn)行測(cè)量，取平均值。粗糙度測(cè)量時(shí)，設(shè)備參數(shù)設(shè)置為評(píng)定長(zhǎng)度（截止波長(zhǎng)）2．50 mm，測(cè)量長(zhǎng)度12．50 mm。根據(jù)砂削缺陷的主要類型（凹凸紋、毛刺溝痕和表面粗糙度）及其程度，將試樣分為5 個(gè)等級(jí)，并將1級(jí)（無缺陷試樣）所占百分率作為砂削試樣達(dá)標(biāo)率。

1．3．3 鉆削

采用Z4116型木工鉆床。手動(dòng)進(jìn)料，轉(zhuǎn)速可調(diào)。選擇鉆頭直徑為25 mm的麻花鉆（單螺紋實(shí)心鉆）和帶有沉割刀的圓形中心鉆。根據(jù)生產(chǎn)的實(shí)際情況，使用麻花鉆時(shí)，轉(zhuǎn)速為500 r/min；使用圓形沉割刀中心鉆時(shí)，轉(zhuǎn)速為2 600 r/min。勻速進(jìn)料以保證鉆頭正常切削且不撕裂木材，對(duì)所有試樣均進(jìn)行橫向鉆削，每個(gè)試樣用兩種鉆頭各加工1 個(gè)孔。根據(jù)鉆削缺陷的主要類型（毛刺、毛刺溝痕和表面粗糙度）及其程度，將試樣分為5個(gè)等級(jí)。確定1和2級(jí)鉆削試樣數(shù)量的百分比，并將其作為鉆削試樣達(dá)標(biāo)率。

1．3．4 銑削

采用MX5117B 型單軸立式木工銑床。手動(dòng)進(jìn)料，使用新刃磨的銳利刀具，主軸轉(zhuǎn)速為10 000 r/min。在銑削加工前，先采用細(xì)木工帶鋸初步加工出具有相同形狀的試樣，然后采用銑床按順紋理方向一次銑削成型。根據(jù)銑削缺陷的主要類型（削片壓痕、凹凸紋、毛刺和表面粗糙度）及其程度，將試樣分為5 個(gè)等級(jí)。確定1 和2 級(jí)銑削試樣數(shù)量的百分比，并將其作為銑削試樣達(dá)標(biāo)率。

1．3．5 開榫

采用MS362 型立式單軸榫槽機(jī)。手動(dòng)進(jìn)料，主軸轉(zhuǎn)速為2 860 r/min。采用規(guī)格為12．5 mm 的方形空心鑿加工方形貫通榫眼，并在加工時(shí)盡可能使榫眼兩邊垂直于木材紋理，另兩邊平行于木材紋理。每個(gè)試樣進(jìn)行兩次榫眼加工，開榫加工時(shí)試樣下放置墊板，保證墊板與試樣緊密接觸。根據(jù)開榫缺陷的主要類型（毛刺、毛刺溝痕和表面粗糙度）及其程度，將試樣分為5個(gè)等級(jí)。確定1、2和3級(jí)開榫試樣數(shù)量的百分比，并將其作為開榫試樣達(dá)標(biāo)率。

1．3．6 車削

采用馬氏MC3022 仿形木工車床。手動(dòng)進(jìn)料，主軸轉(zhuǎn)速為2 800 r/min，刀具材料為硬質(zhì)合金。根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際情況，采用直齒刀具和靠模定型的方法。最大車削量約8 mm。車削加工后，采用150 目砂紙對(duì)試樣進(jìn)行手工打磨。根據(jù)車削缺陷的主要類型（毛刺、毛刺溝痕和表面粗糙度）及其程度，將試樣分為5 個(gè)等級(jí)。確定1、2 和3 級(jí)車削試樣數(shù)量的百分比，并將其作為車削試樣達(dá)標(biāo)率。

2 結(jié)果與分析

2．1 刨削

當(dāng)切削深度為1．6 mm、進(jìn)料速度為6 m/min 時(shí)（處理1），5年生木材刨削加工1、2、3、4 和5 級(jí)試樣占比分別為20%、33%、23%、17%和7%，7年生木材占比分別為27%、11%、24%、38%和0%（表4）。當(dāng)切削深度為1．6 mm、進(jìn)料速度為9 m/min（處理2）時(shí)，5年生木材刨削加工1、2、3、4 和5 級(jí)試樣占比分別為13%、37%、7%、23%和20%；7年生木材占比分別為8%、24%、22%、35%和11%，且節(jié)子附近和心邊材交界處易出現(xiàn)較嚴(yán)重的削片壓痕和毛刺溝痕等缺陷。進(jìn)料速度對(duì)不同樹齡木材的刨削質(zhì)量有影響，進(jìn)料速度從6 m/min升至9 m/min，刨削缺陷的嚴(yán)重程度增加，試樣的加工質(zhì)量下降。進(jìn)料速度為6 m/min 時(shí)，7年生木材的刨削質(zhì)量較5年生好；進(jìn)料速度為9 m/min 時(shí)，5年生木材的刨削質(zhì)量較7年生好。綜合考慮，5年生和7年生木材進(jìn)行刨削加工時(shí)，進(jìn)料速度宜采用6 m/min。

表4 不同刨削處理下試樣各等級(jí)占比Tab.4 Percentage of grade 1 to 5 samples after different planning treatments(%)

2．2 砂削

5年生木材砂削加工1、2、3、4 和5 級(jí)試樣占比分別為23%、47%、20%、10%和0%，達(dá)標(biāo)率為23%；7年生木材占比分別為57%、24%、11%、8%和0%，達(dá)標(biāo)率為57%（表5）。7年生木材砂削質(zhì)量較5年生好，試樣達(dá)標(biāo)率約為5年生的2．5倍。粗糙度測(cè)試結(jié)果顯示，5年生試樣的Ra、Rz 和Rsm 分別為6．5、44．4 和400．5，7年生分別為6．1、41．4 和392．9，7年生試樣的Ra、Rz和Rsm均較5年生小，表明7年生試材的表面質(zhì)量較5年生好。主要的砂削缺陷為絨毛。經(jīng)砂削后，大部分刨削缺陷被消除，節(jié)子周圍加工質(zhì)量的改善顯著。因此，砂削是木材刨削后必要的加工工序。

表5 砂削加工后試樣各等級(jí)占比Tab.5 Percentage of gradee 1 to 5 samples after sanding (%)

2．3 鉆削

采用圓形沉割刀中心鉆鉆孔時(shí)，鉆孔質(zhì)量高于麻花鉆，1 級(jí)試樣占比為100%；孔壁整潔且較光滑，孔上周緣無任何壓潰、毛刺和撕裂等缺陷；孔下周緣的加工質(zhì)量略差，部分試樣存在少量毛刺，可通過調(diào)整墊板與被加工試樣的接觸位置，進(jìn)一步減少或消除（表6）。采用麻花鉆鉆孔時(shí)，7年生木材的1和2 級(jí)試樣占比較5年生高，達(dá)標(biāo)率分別為58%和33%。麻花鉆鉆孔的主要缺陷為毛刺、撕裂和孔壁粗糙等。從總體情況來看，采用兩種鉆頭進(jìn)行加工時(shí)，孔的上周邊緣加工質(zhì)量均優(yōu)于下周，缺陷主要集中在孔的下周邊。因此，進(jìn)行鉆削加工時(shí)，應(yīng)在試樣下方加墊板，且墊板與試樣應(yīng)緊密接觸，以減少下周邊緣缺陷的發(fā)生，提高加工質(zhì)量。

表6 鉆削加工后試樣各等級(jí)占比Tab.6 Percentage of grade 1 to 5 samples after boring (%)

2．4 銑削

5年生木材銑削加工1、2、3、4 和5 級(jí)試樣占比分別為0%、55%、38%、7%和0%，7年生木材占比分別為3%、65%、29%、3%和0%（表7）。5年生和7年生木材銑削質(zhì)量均較差，達(dá)標(biāo)率分別為55%和68%，7年生木材的銑削質(zhì)量總體上較5年生好。

表7 銑削加工后試樣各等級(jí)占比Tab.7 Percentage of gradee 1 to 5 sample after shaping (%)

2．5 開榫

5年生木材開榫加工1、2和3級(jí)試樣占比分別為30%、38%和23%，達(dá)標(biāo)率為91%；7年生木材占比分別為48%、40%和6%，達(dá)標(biāo)率為94%（表8）。開榫加工的主要缺陷為毛刺、毛刺溝痕和下緣撕裂等，缺陷的破壞程度較鉆孔時(shí)嚴(yán)重?？妆诿碳懊虦虾蹫榘l(fā)生率最高的缺陷。與鉆孔加工相似，榫眼上緣的加工質(zhì)量明顯比下緣好，毛刺和撕裂大部分發(fā)生在孔下緣。進(jìn)行榫眼加工時(shí)，試樣在垂直紋理方向上受到的沖擊比鉆孔時(shí)大很多，導(dǎo)致榫眼孔緣周圍的木材纖維不能被正常切割，在榫眼下緣極易產(chǎn)生毛刺或撕裂。因此，加工不慣通的榫眼容易獲得較好的加工質(zhì)量。

表8 開榫加工后試件各等級(jí)占比Tab.8 Percentage of grade 1 to 5 samples after mortising (%)

2．6 車削

5年生木材車削加工1、2 和3 級(jí)試樣占比分別為0%、5%和15%，達(dá)標(biāo)率為20%；7年生木材占比分別為3%、40%和30%，達(dá)標(biāo)率為73%（表9）。7年生木材的車削質(zhì)量較5年生好。車削加工的主要缺陷為毛刺和毛刺溝痕，部分試樣出現(xiàn)崩角現(xiàn)象。5年生木材的車削加工缺陷較嚴(yán)重，大部分試樣經(jīng)過150 目砂紙打磨后仍有缺陷。7年生木材更適合用于需車削加工的部件。

表9 車削加工后試件各等級(jí)占比Tab.9 Percentage of grade 1 to 5 samples after turning (%)

2．7 機(jī)械加工性能綜合評(píng)定結(jié)果

參照LY/T 2054-2012[18]，結(jié)合每個(gè)加工項(xiàng)目的試樣達(dá)標(biāo)率，及每個(gè)項(xiàng)目對(duì)應(yīng)的級(jí)別，得出不同樹齡尾巨桉木材機(jī)械加工性能在各加工項(xiàng)目上的等級(jí)結(jié)果（表10）；再根據(jù)各項(xiàng)目的加權(quán)數(shù)及對(duì)應(yīng)的級(jí)別，得出各項(xiàng)目的得分（表11）；將6個(gè)項(xiàng)目的得分相加，得出不同樹齡尾巨桉無性系木材各機(jī)械加工性能的總分。刨削試驗(yàn)以處理1 的結(jié)果進(jìn)行評(píng)分；鉆孔試驗(yàn)以圓形沉割刀中心鉆的結(jié)果進(jìn)行評(píng)分。在本試驗(yàn)條件下，5年生木材機(jī)械加工性能綜合得分為26．8，7年生木材綜合得分為36．6。7年生木材的綜合機(jī)械加工性能較5年生好，更適用于實(shí)木加工利用。

表10 不同樹齡木材機(jī)械加工性能在各試驗(yàn)項(xiàng)目上的等級(jí)Tab.10 Grade of machining properties of woods at different ages for various test items

表11 不同樹齡木材機(jī)械加工性能得分Tab.11 Marks for machining properties of woods at different ages

3 結(jié)論

在刨削加工性能上，兩個(gè)樹齡尾巨桉無性系木材均表現(xiàn)為良，刨削深度為1．6 mm 時(shí)，進(jìn)料速度宜采用6 m/min；在鉆削和開榫加工性能上，兩個(gè)樹齡木材均表現(xiàn)為優(yōu)；在砂削和車削加工性能上，5年生木材均表現(xiàn)為劣，7年生木材均表現(xiàn)為良；在銑削加工性能上，兩個(gè)樹齡木材均表現(xiàn)為良。

通過砂削，5年生和7年生尾巨桉無性系木材試樣的節(jié)子周圍和心邊材交界處的加工質(zhì)量得到明顯改善，同時(shí)可去除毛刺和毛刺溝痕等刨切缺陷，因此，砂削是尾巨桉木材刨削加工后必要的加工工序。

采用圓形沉割刀中心鉆鉆孔時(shí)，5年生和7年生尾巨桉無性系木材無缺陷試樣占比均為100%，其鉆孔質(zhì)量高于麻花鉆。因此，對(duì)尾巨桉木材進(jìn)行鉆削時(shí)，應(yīng)優(yōu)先使用圓形沉割刀中心鉆。

總體上，7年生尾巨桉無性系木材的綜合機(jī)械加工性能較5年生好，表明7年生尾巨桉無性系木材更適用于實(shí)木加工利用。

本研究主要結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)，從進(jìn)料速度和加工質(zhì)量等方面對(duì)不同樹齡尾巨桉無性系木材的機(jī)械加工性能進(jìn)行評(píng)價(jià)和分析，后續(xù)可對(duì)工作效率和動(dòng)力消耗等進(jìn)行綜合分析。