青 龍 邢 東 王喜明 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(jì)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018）

木材切削加工表面粗糙度由加工本身形成的表面粗糙度和木材細(xì)胞組織構(gòu)造產(chǎn)生的粗糙度兩部分組成[1-2]，是木材切削過(guò)程中材性、木材組織構(gòu)造、加工設(shè)備及刀具條件、切削方法等諸多因素共同作用的結(jié)果。木材切削表面粗糙度直接影響木制品的外觀、膠合與裝飾質(zhì)量、摩擦磨損、密封性能以及膠料與涂料的消耗量[3]。在設(shè)計(jì)加工工藝和確定加工余量時(shí)，都應(yīng)考慮木質(zhì)制品對(duì)表面粗糙度的要求。表面粗糙度是評(píng)價(jià)木質(zhì)制品表面質(zhì)量的重要指標(biāo)，但至今沒(méi)有通用的測(cè)試方法和能夠真實(shí)反映木材切削表面形貌特征的測(cè)定評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

本文主要梳理了國(guó)內(nèi)外木材構(gòu)造、切削方式、刀具條件對(duì)木材切削表面粗糙度影響的相關(guān)研究，不同測(cè)試方法的優(yōu)缺點(diǎn)與現(xiàn)行測(cè)定評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，提出了較合理的木材切削表面粗糙度測(cè)定評(píng)價(jià)方法。

1 木材切削表面粗糙度影響因素研究

1.1 木材性能與構(gòu)造

不同樹種木材的性能、宏觀構(gòu)造和微觀構(gòu)造都有較大的差別。青龍等[4]對(duì)榆木、楊木和松木3 種木材的橫切面鋸切表面微觀構(gòu)造進(jìn)行研究，激光三維顯微系統(tǒng)生成的圖像清晰地反映了管孔等木材顯微構(gòu)造、切削表面凸凹不平的分布結(jié)構(gòu)。研究表明：顯微構(gòu)造明顯部位的表面粗糙度測(cè)試值高于不明顯部位。木材組織構(gòu)造對(duì)表面粗糙度的影響顯著。結(jié)合表面成型機(jī)理受樹種及木材構(gòu)造影響[5-6]、不同材質(zhì)對(duì)表面粗糙度有影響等研究理論[7-10]，樹種因素是木材切削表面粗糙度測(cè)試評(píng)價(jià)時(shí)必須考慮的因素之一。

木材的組織構(gòu)造決定了其具有各向異性特點(diǎn)，主要體現(xiàn)在其三切面上。青龍等[4]以榆木為試驗(yàn)材料，對(duì)磨削加工的木材三切面及不同條件下測(cè)得的試材表面粗糙度值進(jìn)行比較分析，得出榆木材三切面磨削加工的粗糙度為徑切面＞弦切面＞橫切面。這是因?yàn)閺角忻嫔蠈?dǎo)管和木射線等構(gòu)造影響更為突出，弦切面上導(dǎo)管和木射線影響較小，而橫切面上以管孔為主的凹坑，一定程度上被磨屑粉末堵住，因而其粗糙度較小。同一樹種、同一切面時(shí)，表面粗糙度值因加工方法不同而不同，隨著加工精度的提高而降低。研究表明：木材組織構(gòu)造對(duì)粗糙度的影響很大，測(cè)定評(píng)價(jià)時(shí)必須考慮不同部位木材構(gòu)造的影響。

1.2 切削方式

從現(xiàn)代木材加工技術(shù)角度，按照復(fù)雜程度及特殊性可將木材切削分為簡(jiǎn)單切削、復(fù)雜切削、特種加工三大類。

1.2.1 簡(jiǎn)單切削

切削加工中同時(shí)滿足以下三個(gè)條件的切削稱為簡(jiǎn)單切削。即單一方向切削，只有一面刀刃工作，切削速度垂直于刀刃。符合這些條件的木材切削有手工刨切和旋切加工。簡(jiǎn)單切削時(shí)受運(yùn)動(dòng)不平度（運(yùn)動(dòng)波紋）的影響小，屬于平面切削，加工精度高。一般為弦切面上縱向切削或橫向切削。研究表明：弦切面鋸切表面粗糙度和旋切表面粗糙度值較為接近，磨削表面粗糙度明顯低于鋸切和旋切[4]。

1.2.2 復(fù)雜切削

凡是不能滿足上述簡(jiǎn)單切削三個(gè)條件之一的，均屬于復(fù)雜切削，如鋸切、銑削（刨削）、鉆削、車削、磨削等。主要特點(diǎn)是回轉(zhuǎn)切削及多刃切削。因鉆削和車削加工表面的特殊性，有關(guān)這兩種切削表面粗糙度的研究相對(duì)較少，以下主要介紹鋸切、銑削及磨削加工表面粗糙度的相關(guān)研究。

1）鋸切加工。鋸切過(guò)程中多個(gè)鋸齒同時(shí)回轉(zhuǎn)切削，鋸身薄易振動(dòng)，因而容易導(dǎo)致加工表面不平度增大。王明枝等[11]采用電鏡觀察到木材鋸切表面有許多毛刺，提出采用散射激光的測(cè)量方法測(cè)定木材鋸切表面粗糙度，以提高測(cè)定的準(zhǔn)確性。青龍等[4]采用激光三維顯微系統(tǒng)測(cè)定鋸切表面粗糙度，鋸切表面粗糙度明顯大于磨削表面。賈娜等[12]研究以金剛石鋸片鋸切木材，采用支持向量機(jī)算法建立相應(yīng)參數(shù)的優(yōu)化預(yù)測(cè)模型以精準(zhǔn)預(yù)測(cè)木材鋸切表面粗糙度。研究表明：鋸片轉(zhuǎn)速、鋸切厚度、進(jìn)給速度等因素對(duì)木材表面粗糙度的影響程度不同，由大到小依次為鋸片轉(zhuǎn)速、鋸切厚度、進(jìn)給速度，且表面粗糙度值隨著鋸片轉(zhuǎn)速的增大而降低，隨著進(jìn)給速度和鋸切厚度的增大而增大。三維激光表面粗糙度測(cè)試方法適合于鋸切表面質(zhì)量測(cè)試評(píng)價(jià)。

2）銑削（刨削）加工。銑削加工時(shí)主軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和多刀切削產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)波紋一定程度上影響表面粗糙度。王明枝等[11]對(duì)木材表面粗糙度進(jìn)行研究，通過(guò)電鏡觀察到刨削加工表面光滑，平刨床加工表面粗糙度大于手工精刨加工的表面粗糙度。曹歡玲等[13]用分形維數(shù)表征木材刨切加工表面粗糙度，研究表明：木材切削表面微觀形貌具有分形特征，隨著分形維數(shù)數(shù)值的增大，輪廓曲線的復(fù)雜程度增強(qiáng)，對(duì)應(yīng)的表面粗糙度參數(shù)則減小。AZEMOVI?等[14]對(duì)刨切參數(shù)進(jìn)行研究得出,主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度及銑削深度等不同切削參數(shù)的設(shè)置直接影響到木材切削表面質(zhì)量。在其他參數(shù)不變的情況下，主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度越快表面粗糙度越好，銑削深度增大時(shí)表面粗糙度隨之增大。

3）磨削加工。王明枝等[11]通過(guò)電鏡觀察到磨削加工木材表面有木粉，這一定程度上會(huì)影響表面粗糙度值，應(yīng)選擇合適的測(cè)定評(píng)價(jià)方法。常方圓等[15]對(duì)批灰、底漆階段表面粗糙度及改性生漆漆膜多項(xiàng)性能進(jìn)行測(cè)定分析，認(rèn)為適當(dāng)?shù)纳澳ビ欣谠黾油苛吓c木材的有效接觸面積，加強(qiáng)兩者相互的結(jié)合力，砂磨過(guò)少或過(guò)多均會(huì)使附著力下降。木材切削表面粗糙度對(duì)于后續(xù)木材加工工藝十分重要。青龍等[4]用80 目的砂帶磨光機(jī)進(jìn)行磨削加工，對(duì)試件表面粗糙度測(cè)試分析得出，在同一樹種、同一切面時(shí)，木材磨削加工表面粗糙度明顯低于鋸切和旋切表面粗糙度。觀察到磨削加工表面構(gòu)造不清晰，被磨平。LUO等[16]采用不同粒度的磨具進(jìn)行磨削加工試驗(yàn)，提出了三維表面粗糙度測(cè)試方法。GURAU等[17]通過(guò)不同木材的磨削加工試驗(yàn)，總結(jié)了合適的木材表面粗糙度測(cè)定分辨率值。

1.2.3 特種加工

特種加工方法是指用特殊的切割去除方式根據(jù)所需的形狀、尺寸和表面質(zhì)量對(duì)工件進(jìn)行加工的方法。木材特種加工方法主要有高壓水射流加工法、激光切割法和振動(dòng)切削方法。目前有關(guān)高壓水射流加工法和振動(dòng)切削法對(duì)木材加工表面粗糙度影響的研究較少，對(duì)激光切割法的研究相對(duì)較多。李晉哲[18]對(duì)激光能量、切割速度、離焦量、木材含水率及木材氣干密度等木材激光切割參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并用掃描電鏡對(duì)加工表面微觀形貌進(jìn)行觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)切割表面有不同程度的微細(xì)熔化痕跡及殘留熔渣情況，影響表面粗糙度。趙靜[19]對(duì)木質(zhì)材料激光雕刻加工技術(shù)進(jìn)行研究，針對(duì)加工表面的碳化問(wèn)題，采取漂白處理雕刻材料，達(dá)到了理想的雕刻效果。采用傳統(tǒng)木材激光加工技術(shù)，木材表面易發(fā)生嚴(yán)重的燒蝕現(xiàn)象，并產(chǎn)生殘?zhí)康葰埩粑铮瑢?dǎo)致木材外觀和表面質(zhì)量較差，針對(duì)這一系列問(wèn)題，楊春梅等[20]提出木材水射流輔助激光加工技術(shù)，通過(guò)試驗(yàn)獲得了理想的加工參數(shù)，木材加工表面光滑，無(wú)殘留碳粒，為現(xiàn)代木材加工提供了新的方法。

1.3 刀具

木材切削中刀具也是影響表面粗糙度的主要因素之一。刀具材料成分、硬度、刀具角度參數(shù)及刀刃銳利程度，刀具材料與被加工材料分子的親合程度，前后刀面與切屑和加工表面間的摩擦系數(shù)等均會(huì)影響木材加工的表面粗糙度。彭鑫榮[21]采用金剛石、硬質(zhì)合金、高碳鋼刀具，以主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、銑削深度為切削參數(shù)，對(duì)4 種木材的表面粗糙度進(jìn)行分析，結(jié)果表明：采用硬質(zhì)合金刀具切削的花旗松和南方松木材表面質(zhì)量好于金剛石、高碳鋼刀具，質(zhì)量相對(duì)穩(wěn)定；高碳鋼切削的柞木表面質(zhì)量好于金剛石、硬質(zhì)合金；金剛石切削的闊葉黃檀木表面質(zhì)量好于硬質(zhì)合金、高碳鋼刀具。

2 測(cè)試方法比較

2.1 觸針式測(cè)定法

在接觸式測(cè)定法中，觸針式表面粗糙度測(cè)定儀的應(yīng)用較為普遍。陳捷等[22]對(duì)木材表面粗糙度檢測(cè)的測(cè)量方向、測(cè)量位置和取樣長(zhǎng)度等參數(shù)進(jìn)行研究，對(duì)不同樹種、不同切削方式的加工表面質(zhì)量進(jìn)行綜合分析，為提高木材表面加工質(zhì)量提供了依據(jù)。經(jīng)研究人員大量實(shí)測(cè)驗(yàn)證，確定了被測(cè)木材表面粗糙度取樣長(zhǎng)度，為木制品表面粗糙度的輪廓法測(cè)定奠定了基礎(chǔ)；觸針半徑和測(cè)量壓力的選擇方式及測(cè)量方向和測(cè)量位置的確定，為輪廓法測(cè)定提供了方便。目前以觸針式輪廓法測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)木制品表面粗糙度[23-25]，但是標(biāo)準(zhǔn)中只考慮了導(dǎo)管對(duì)表面粗糙度的影響而未考慮其他組織構(gòu)造的影響。木材切削表面粗糙度相關(guān)研究[3,4,16,26]均指出了觸針式輪廓法存在的不足。認(rèn)為木材是多孔材料，觸針頂端的直徑尺寸影響測(cè)量結(jié)果，原因在于觸針頂端難以進(jìn)入導(dǎo)管空洞，無(wú)法觸及波谷，不能準(zhǔn)確測(cè)得實(shí)際表面粗糙度。此外，當(dāng)使用壓力過(guò)大而被測(cè)木材材質(zhì)較軟時(shí)，觸針還可能破壞木材表面。

2.2 光學(xué)測(cè)定法

光學(xué)測(cè)定法屬于非接觸式測(cè)定方法，可以實(shí)現(xiàn)木材表面粗糙度的快速測(cè)試，也適用于自動(dòng)化生產(chǎn)的在線監(jiān)測(cè)。目前，激光測(cè)定法適用于木材鋸切表面和中密度纖維板磨削表面粗糙度的檢測(cè)，因激光能穿透油漆涂料，因此不適用于檢測(cè)木材涂飾表面[3]。青龍等[4]采用激光三維顯微系統(tǒng)測(cè)定木材粗糙度，分析得出放大倍數(shù)對(duì)木材粗糙度值影響很明顯，應(yīng)選擇合適的放大倍數(shù)。試驗(yàn)表明：激光三維顯微系統(tǒng)測(cè)定榆木、楊木木材表面粗糙度理想的放大倍數(shù)分別為200、400。袁得春等[27]對(duì)計(jì)算機(jī)控制激光傳感器在線檢測(cè)木材表面粗糙度進(jìn)行研究，對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)分析表明：該系統(tǒng)對(duì)木材表面粗糙度的檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確。該法與目前廣泛應(yīng)用的觸針式木材表面粗糙度測(cè)量?jī)x相比，具有檢測(cè)速度快、效率高等特點(diǎn)，較適合在木材加工生產(chǎn)車間應(yīng)用。光學(xué)測(cè)試具有在線測(cè)試[28-29]的優(yōu)勢(shì)。激光三維顯微系統(tǒng)可清晰直觀地觀察分析表面凸凹構(gòu)造，能比較真實(shí)地反映評(píng)價(jià)木材切削表面粗糙度，是當(dāng)前較為合理的測(cè)定方法。

2.3 觸覺視覺評(píng)定法

木質(zhì)制品的表面質(zhì)量需能滿足人們觸覺、視覺和使用需求。實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中也常采用眼看手摸的方法評(píng)定木材表面加工質(zhì)量，甚至以這種視覺觸覺的方法最終評(píng)價(jià)木材表面質(zhì)量?；诖?，一些研究人員就木材表面粗糙度的主觀感覺評(píng)定與相對(duì)應(yīng)的客觀檢測(cè)之間的關(guān)聯(lián)做了諸多研究。其中，F(xiàn)UJIWARA等[26]比較研究觸覺粗糙度和使用高斯濾波器處理后的木材表面粗糙度，總結(jié)出觸覺粗糙感與表面粗糙度的正相關(guān)性，并指出濾波器對(duì)表面輪廓線測(cè)定值的直接影響。王明枝等[11]比較分析不同切削方式和不同樹種條件下，木材表面粗糙感的觸覺心理量與視覺心理量的相關(guān)性，得出水曲柳、毛白楊和杉木表面粗糙感的觸覺心理量與視覺心理量呈正相關(guān)，針葉材表面粗糙感的觸覺心理量與視覺心理量的相關(guān)性比闊葉材的大的結(jié)論。目前這類方法尚未達(dá)到實(shí)際應(yīng)用要求，深信在大數(shù)據(jù)技術(shù)和人工智能技術(shù)快速發(fā)展的背景下可望成為現(xiàn)實(shí)。

除了以上三類測(cè)試評(píng)價(jià)方法外還有超聲波檢測(cè)法[3]、圖像處理法[30]等，但這些方法尚未進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段。

3 測(cè)定評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

木制品表面粗糙度測(cè)定評(píng)價(jià)現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)采用的是輪廓（觸針）法，是以金屬為代表的均質(zhì)材料標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)定理論為基礎(chǔ)的表面粗糙度測(cè)定和評(píng)價(jià)方法[23-25]。標(biāo)準(zhǔn)中只提及了木材導(dǎo)管構(gòu)造的影響，未提出木射線、樹脂道及生長(zhǎng)輪等其他多種組織構(gòu)造的影響。鑒于接觸式測(cè)定方法存在的不足，且絕大多數(shù)木質(zhì)制品最終使用的表面均為經(jīng)過(guò)涂飾、貼面或覆膜處理后的切削表面（基材表面）[31]，其與木材切削表面具有本質(zhì)區(qū)別。因此，應(yīng)對(duì)木材切削表面（白坯表面）粗糙度和涂覆處理后的表面質(zhì)量加以區(qū)分。生產(chǎn)過(guò)程中，木材切削表面（基材表面）質(zhì)量直接影響到后續(xù)加工質(zhì)量以及涂料或膠料的消耗量，合適的表面粗糙度有利于提高涂飾性能[15,32,33]。因此應(yīng)對(duì)現(xiàn)有測(cè)定評(píng)價(jià)木材切削表面粗糙度的方法與標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行改進(jìn)與完善，才能真實(shí)反映木材切削表面的形貌特征，確保木材切削表面質(zhì)量。

4 結(jié)語(yǔ)

基于現(xiàn)有木材加工表面粗糙度相關(guān)研究及測(cè)試評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)與方法，提出以下幾點(diǎn)建議：

1）木材切削表面（白坯表面）和經(jīng)涂飾處理的木材表面有本質(zhì)區(qū)別。應(yīng)分別討論上述兩種表面粗糙度的測(cè)定評(píng)價(jià)方法，以便對(duì)不同表面粗糙度進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)定評(píng)價(jià)，并完善現(xiàn)有測(cè)定評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

2）測(cè)定木材切削表面粗糙度，建議首先根據(jù)木材構(gòu)造和切削方式等選定木材測(cè)定評(píng)價(jià)部位，然后根據(jù)檢測(cè)儀器與設(shè)備選擇合適的測(cè)定模式，即以三維形狀測(cè)定評(píng)價(jià)方法為基礎(chǔ)的二步法測(cè)定木材切削表面粗糙度。

3）現(xiàn)有研究表明，木材表面粗糙度與觸覺心理量與視覺心理量呈正相關(guān)。建議模擬這種感官認(rèn)知功能研究開發(fā)表面粗糙度測(cè)定評(píng)價(jià)方法和標(biāo)準(zhǔn)。隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)、人工智能技術(shù)和計(jì)算機(jī)視覺檢測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，必將產(chǎn)生更為理想的表面質(zhì)量測(cè)定評(píng)價(jià)方法。