胶合弯曲与实木构件圆榫接合最佳配合量研究

■王笑辉 关惠元 黄琼涛 Wang Xiaohui & Guan Huiyuan & Huang Qiongtao

(1.2.南京林业大学，江苏南京 210037；3. 宜华生活科技股份有限公司，广东汕头 515834）

家具设计就是为了满足人们对家具产品使用和审美的需要而进行的构思与规划，围绕材料、结构、形态、色彩、表面加工、装饰等而赋予家具产品新的形式、品质和意义[1]。近几年来，家具业大量采用新材料、新配件，使家具结构朝着更加简洁、坚固、更符合现代生产和快速物流的方向转变[2]。胶合弯曲家具具有外形轻巧、曲线流畅；结构简洁、牢固、稳定；生产工艺简化等优点，深受制造商和市场的青睐[3-7]。材料是构成家具的物质基础[8]，多种材料相辅相成设计而成的家具已成为当下家具行业一种新的设计趋势[9]。由胶合弯曲构件与实木构成的家具，在继承了胶合弯曲家具优点的同时，彰显了实木的魅力。在至今为止的榫接合力学性能研究中，大多是研究实木与实木之间的接合配合参数，胶合弯曲构件与实木零件之间的圆榫接合配合参数研究十分鲜见。因此，本文就胶合弯曲构件与实木零件之间的圆榫接合最佳配合参数展开研究，为胶合弯曲与实木接合家具的结构设计提供科学依据。

1 材料与试件制备

1.1 材料

实验用的试件材料由胶合弯曲构件和实木构件材料及胶黏剂组成。

胶合弯曲构件大多数情况下是采用同纹理方向的单板，通过模具加压成型胶合而成[10-11]，它与实木零件搭配构成家具时，接合部位的实质特征是实木与LVL的连接，因此，本实验选用杨木单板层积材（Poplar LVL）作为胶合弯曲构件的材料。杨木单板层积材的厚度为20mm, 平均含水率为9.9%，气干密度为0.59g/cm3。选取榉木（Fagus sp.）作为实木构件材料。榉木的平均含水率为12%，气干密度为0.71g/cm3。胶黏剂为熊猫牌聚醋酸乙烯乳液胶，固含量为44%。

1.2 试件制备

采用纵解圆锯和万能横截圆锯将杨木单板层积材精密裁解成长（纤维方向）×宽为200mm×70mm的待加工试件。采用纵解圆锯和木工车床及万能横截圆锯将榉木加工成长度（纤维方向）为130mm、直径为40mm的待加工试件。圆形榫头和榫孔采用原力WPC数控机床加工。如图1所示，在杨木单板层积材试件的正中央部位，加工一个直径为D、深度为16mm的榫孔。如图2所示，在榉木试件的一端加工一个直径为30mm、长度为15mm的圆形榫头。圆形榫头与榫孔的加工精度为0.01mm。在榉木试件的另一端的两侧各切除一部分材料，中间留下20mm厚的材料，供抗拉试验时加载头夹持试件。如图3所示，在圆形榫头表面与榫孔内壁上均匀涂布一层聚醋酸乙烯乳液胶，涂布量约在150-220g/m2[12]，接着将两个试验体装配成T型，陈放7天待胶固化后作为待测试件。

■图1 杨木单板层积材试件

■图3 T型试件

■图4 T型试件抗拉试验示意图

■图5 拉伸载荷与位移关系图

■图6 试件破坏形式

表1 圆榫接合配合参数A与榫孔直径D

2 实验方法

2.1 圆榫接合配合参数的确定

杨木单板层积材与榉木之间的圆榫接合采用基轴制，即圆形榫头直径为定值30mm，通过变化榫孔直径D来实现不同的配合。圆榫接合配合参数用A来表达，A=30-D。如表1所示，A分别取0mm、0.2mm、0.4mm、0.6mm四个值，对应的榫孔直径D分别为30mm、29.8mm、29.6mm、29.4mm。

2.2 抗拉试验方法

图4是T型试件抗拉试验示意图。如图4所示，利用自制的夹具，在日本岛津AG-X50KN精密电子万能力学试验机上，对T型试件进行极限抗拉试验。设定万能力学试验机的加载速度为10mm/min，载荷测定精度为0.01N，位移精度为0.002mm。每种测试条件重复测试6次，试验结束后，记录极限抗拉值。

3 结果与分析

3.1 力学行为特征

图5是T型试件抗拉试验的拉伸载荷与位移之间的典型关系图。如图5所示，随着拉伸载荷的逐渐加大，拉伸载荷与位移之间几乎呈线性关系，当拉伸载荷达到一定值时，载荷呈陡坡状急速下降至很小的值。实验过程中观察到，当拉伸载荷达到一定值时，伴随着一声较大的“嘣”的声音后，载荷呈陡坡状急速下降，随之试件被完全破坏。从拉伸载荷与位移之间的关系图可看出，实木与胶合弯曲构件圆榫接合的力学特征，在加载的前阶段中为线性弹性行为，载荷达到最大值后为脆性行为，说明这种结构在发生破坏前缺少预警性。

3.2 试件破坏形式

图6是T型试件抗拉试验后的破坏形式。如图6（①）所示，榫头表面观察到极低的木破率，几乎全是胶层破坏。如图6（②）所示，单板层积试件中间层的胶层出现开胶现象。如图6（③）所示，榫眼周围的表层产生劈裂式破坏，也是单板层的胶层出现开胶。从图6（②、③）观察到的破坏特征可知，提高单板层积材试件的胶合质量，对增强圆榫接合的强度存在可能性。

3.3 配合量对极限抗拉强度的影响

图7是T型试件抗拉试验的极限抗拉强度与配合量的关系图。从图中可看出，各测试点数值的正负偏差不太大，在允许范围内，测试数据可靠性较好。极限抗拉强度随着配合量的加大而渐渐提高，当提高一定值后又有下降的趋势,极限抗拉强度与配合量的关系可用如下多项式表达：y = -4.25x2+3.93x+2.52。式中，y表示极限抗拉强度（KN），x表示配合量（mm），拟合出的极限抗拉强度与配合量关系多项式，其拟合度R2为0.83，能较好地反映极限抗拉强度与配合量的关系。由图7可以看出，在本试验条件下，用整体圆榫实现榉木与杨木单板层积材接合时，最佳配合量约为0.4-0.5mm。

4 结语

以圆榫接合的榫头与榫眼配合量为变量，通过测试T型试件极限抗拉强度，考察榉木与杨木单板层积材间圆榫接合的最佳配合量，得到以下结果：

①榉木与杨木单板层积材间圆榫接合的力学特征，在加载的前阶段中为线性弹性行为，载荷达到最大值后为脆性行为，表明这种结构在发生破坏前缺少预警性。②极限抗拉的主要破坏形式为榫头与榫眼间的胶层破坏，并伴随产生单板层积材试件中间层的胶层开胶。根据这一破坏特征可推测，提高单板层积材试件的胶合质量，对增强圆榫接合的强度存在可能性。③极限抗拉强度y与配合量x的关系可用y=-4.25x2+3.93x+2.52多项式表达，最佳配合量约为0.4-0.5mm。

（责任编辑：肖 佳）

[1]杨明洁,张健伟,徐倩.软木材料在家具设计中的应用[J].家具与室内装饰,2017,(01):76-77.

[2]关惠元.现代家具结构讲座,第一讲:现代实木家具结构——接合方法与技术要求[J].家具,2007,(01):54-59.

[3]许婷婷.ZAKKA风格影响下的现代曲木家具设计应用研究[D].开封:河南大学,2016.

[4]陈煜.技术与艺术的完美结合[D].南京:南京林业大学,2008.

[5]徐其文.弯曲木成型技术及其在家具制作中的应用研究[J].南通工学院学报(自然科学版),2002,(03):94-96.

[6]王栋.北欧椅类家具的人体工程学研究[D].哈尔滨:东北林业大学,2013.

[7]张杰,袁伟静.单板层积弯曲木家具的设计研究[J].科技风,2014,(13):38+40.

[8]杨明洁,张健伟,徐倩.软木材料在家具设计中的应用[J].家具与室内装饰,2017,(01):76-77.

[9]李慧,张仲凤,戴向东.基于不同材料特性的竹坐具设计研究[J].家具与室内装饰,2016,(02):66-67.

[10]傅元宏.多层胶合弯曲木家具的工艺技术[J].家具,1987,(02):10-12.

[11]徐其文.弯曲木成型技术及其在家具制作中的应用研究[J].南通工学院学报(自然科学版),2002,(03):94-96.

[12]钟世禄,关惠元.椭圆榫过盈配合量与木材密度的关系[J].林业科技开发,2007,(02):57-59.