6种桉树大径材机械加工性能评价

刘学锋，黄腾华，陈少雄，林家纯，兰俊，冯沁雄

6种桉树大径材机械加工性能评价

刘学锋1，黄腾华2，陈少雄1＊，林家纯2，兰俊3，冯沁雄2

(1.国家林业和草原局桉树研究开发中心，广东 湛江 524022；2.广西林业科学研究院，广西 南宁 530002；3.广西国有东门林场，广西 扶绥 532108)

为实现桉树大径材的高附加值利用，以广西国有东门林场培育的6种桉树大径材为研究对象，以香椿为对照试材，参照美国材料试验标准(ASTM D1666)，分别对其机械加工性能进行了全面测试。结果表明：6种桉树大径材和香椿木的综合机械加工性能排序为尾叶桉>巨桉>香椿>赤桉>大花序桉>细叶桉>粗皮桉，在满分为50分的机械加工性能综合评价体系中，尾叶桉、巨桉、香椿、赤桉、大花序桉、细叶桉和粗皮桉得分分别为41.2、40.8、40.5、38.7、38.4、37.3和34.9分。

人工林；桉树大径材；机械加工性能；质量等级

桉树()是一种优良速生树种，干形通直，木材产量高，轮伐期短，材质结构细而匀、质硬、强度高，花纹美观[1]。长期以来，桉树人工林木材利用以小径材为主，主要作为纸浆、薪炭材和各类人造板的原材料，其木材利用率低，附加值不高。我国已引种和培育大量优良桉树大径材，对提高桉树木材的附加值具有现实意义。培育实木用材的主要树种包括巨桉()、大花序桉()、粗皮桉()等[2-3]，发展桉树大径材用于实木加工是桉树木材利用的新方向，可广泛用于家具、地板、装饰单板及耐久结构材料和建筑材[4]。

我国自引种桉树以来，其生物学特性、遗传育种、培育技术和木材干燥等已有较多的研究，但在加工利用方面的研究报道较少。木材的机械加工性能是其加工利用的主要性质，也是影响木材利用率的关键因素[5]。不同种类的木材在机械加工作用下存在明显差异[6]。国内木材机械加工性能的研究始于20世纪末，主要对米老排()、红椎()、西南桦(、核桃楸()和银杏()等树种的木材开展了机械加工性能研究[7-12]。本文对6种桉树大径材的机械加工性能开展了研究，以期为实现桉树大径材高附加值的加工利用提供科学的理论依据。

1　材料与方法

1.1　试验材料

6种桉树分别为细叶桉()、赤桉()、巨桉、尾叶桉()、粗皮桉和大花序桉，均采自广西国有东门林场。采集6种桉树基础参数情况如表1所示，试件的尺寸和数量见表2，样品采用简单随机抽取。

表1 6种桉树基础参数

表2　机械加工性能试验试件尺寸与数量

1.2　试验及评价方法

以细叶桉、赤桉、巨桉、尾叶桉、粗皮桉、大花序桉人工林木材为研究对象，以香椿()木材为对照试材，参照林业行业标准LY/T 2054-2012《锯材机械加工性能评价方法》[13]和美国材料试验标准(ASTM D1666)[14]，分别对其机械加工性能(刨削、砂光、钻孔、铣削、开榫、车削)进行全面测试，根据试验标准进行等级评定。将加工质量分为5个等级：A级，优秀：不存在缺陷，记5分；B级，良好：存在其轻微缺陷，可通过砂纸轻磨消除，记4分；C级，中等：存在面积较大的轻微缺陷，还可通过砂纸打磨消除，记3分；D级，较差：较差，深、大缺陷，很难消除；记2分；E级，极差：出现可以导致试样报废或极端严重的缺陷，记1分。同时，根据各加工项对产品质量的影响程度确定加权数：刨削、砂光、车削和铣削为2，钻孔和开榫为1。各项各等级的百分率乘以相应分即得该项得分，以此确定各项性能质量等级：优(4 ~ 5)、良(3 ~ 4)、中(2 ~ 3)、差(1 ~ 2)和劣(0 ~ 1)。各项得分乘以权重后相加即得总分，以此比较不同树种木材的机械加工性能。满分为50分。

1.3　试验设备和条件

1.3.1刨削

采用MB106D型自动进料单面压刨床，切削前角为20°，刀片数量为4，刀具楔角为39°，刀具转速为5 000 r·min-1[15]，进料速度有6 m·min-1和9 m·min-1两个等级。ASTM技术标准要求在刨削时一次只能加工一个面。

试验参数如表3所示，其中1.6 mm是ASTM技术标准推荐采用的切削厚度，2.5 mm是加拿大学者DEREK等[16]在研究木材加工性能时所选用的切削厚度。

表3 刨削加工的4组工艺参数

1.3.2砂光

采用WS265宽带砂光机，砂架类型为压垫式。试件从4次刨削加工处理后的试样制得。采用120目的砂带砂光两次[9]，自动进料速度为6 m·min-1，砂光厚度为0.6 mm。砂光处理后，采用HANDYSURF E-35A便携式表面粗糙度测量仪，对试样的粗糙度参数进行测量。每个试件取6个不同位置进行测量取其平均值。粗糙度测量时设备参数设置为：评定长度(截止波长) 2.50 mm；测量长度12.50 mm。

1.3.3铣削

使用MX5117A型立式单轴木工铣床，手动进料。主轴转速为10 000 r·min-1。试件在上铣床加工前，先在细木工带锯上初步锯割试样外轮廓，随后在铣床上一次铣削成型，铣削时顺着纹理方向加工。

1.3.4钻孔

选用Z4116型木工钻床，手动进料，转速可调。采用圆形沉割刀中心钻和麻花钻进行试验，钻头直径均为25 mm。按ASTM技术标准及生产实际情况，使用圆形沉割刀中心钻时，转速为2 000 r·min-1；使用麻花钻时，转速为500 r·min-1。对所有试样均进行横向钻削，每个试样用两种钻头各加工一个孔。

1.3.5开榫

使用国产MZ1610Y型立式木工榫槽机。ASTM技术标准推荐采用规格为13 mm的空心凿加工方形贯通榫眼，并在加工时尽可能使榫眼两边垂直于木材纹理，另外两边平行于木材纹理。每一个试样加工两个榫眼，加工时，试样下衬有垫板，并尽可能使垫板与试样紧密接触。

1.3.6车削

使用马氏MC3022仿形木工车床。ASTM技术标准要求使用一次成型铣刀，根据国内生产实际情况，本试验采用直齿刀具和靠模的方法。主轴转速为2 800 r·min-1，手动进给，刀具材料为硬质合金。最大车削量约8 mm。车削加工之后，采用150目砂纸对试样进行手工打磨。

2　结果与讨论

2.1　刨削

ASTM 在评价刨削优劣性能时，只统计一级比例试样，这样很难真实的反应木材的刨削性能，因此在本试验中将刨削性能评价按5个等级进行比较[13]。由表4可知：处理1、2所得结果明显优于处理3、4。进料速度对细叶桉、赤桉、巨桉、尾叶桉、粗皮桉、大花序桉和香椿木材的刨削质量都有着十分显著的影响，随着进料速度由6 m·min-1提高到9 m·min-1，刨削缺陷的严重程度显著增加，试样的加工质量明显下降。以细叶桉为例，经过处理1和处理2，A级比率分别为41.7%和40.0%；经过处理3和处理4，A级比率分别为36.4%和30.0%；最多下降了11.7%；经过处理1和处理2，D级比率分别为8.3%和5.7%；经过处理3和处理4，D级比率分别为15.2%和20.0%；最多增加了14.3%。在6 m·min-1的进料速度下，对细叶桉、赤桉、巨桉、尾叶桉和大花序桉，刨削厚度较大的加工质量较好，而粗皮桉的加工质量随刨削厚度增大有所降低。在9 m·min-1的进料速度下，细叶桉、巨桉、尾叶桉和大花序桉的加工质量随刨削厚度增大而明显降低，赤桉和粗皮桉的加工质量随刨削厚度增大而有所上升。

2.2　砂光

砂光的质量决定了成品的最终质量，影响着涂饰成本的高低。此外，在许多涂饰工艺中，涂层变薄的趋势要求更好地理解如何获得和评估光滑、实心的木材表面[17]。ASTM技术标准规定，木材砂光性能的比较是基于A级试样的比率。考虑到通过统计A、B级比率更能反应两种木材砂光性能，故本试验统计了A、B级比率。A级表面光滑，无缺陷；B级试样的表面有绒毛和S型缺陷，S型缺陷在试样表面成片分布面积较大，其颜色为白色，与木材颜色显著不同，尽管没有对木材产生实质性的破坏，但其影响了木材表面的美观，在一定程度上劣化了木材的表面性能，因此，对出现S型缺陷的试样仍作降等处理。

从表5可知：巨桉和尾叶桉的砂光性能与香椿相当，比大花序桉、赤桉、细叶桉和粗皮桉要好，其A级试样分别为63.4%、63.3%、66.7%、43.3%、32.3%、27.6%和6.3%。粗皮桉砂光性能最差的原因主要是由于砂光时，细小的磨料切削木纤维，导致木材出现大量的表面绒毛缺陷，并且大部分表面绒毛肉眼下可见。在实体显微镜下观察可以发现，表面绒毛是大量的单根纤维束无规则的分布于板面。用120目砂纸进行打磨，可以去除大部分表面绒毛，但增加了附加工序，因此对发生表面绒毛的试样按降等处理。试验结果表明：通过砂光，细叶桉、赤桉、巨桉、尾叶桉、粗皮桉、大花序桉和香椿木节子附近加工质量的改善十分显著，故砂光是这6种桉树和香椿木刨削后必要的加工工序。

表4　不同刨削处理的试样分级比率　　　　　　　　　　　%

表5　砂光处理试件等级比率 %

木材砂光处理后出现了不同类型的砂光缺陷，在本试验确定的加工条件下，表面绒毛是最常见的砂光缺陷，S型缺陷较少。表面绒毛在所有树种中均有发生，粗皮桉最为严重，达93.7%。6种桉木中仅有巨桉出现1块明显S型缺陷，细叶桉出现1块不明显S型缺陷，赤桉、尾叶桉、粗皮桉和大花序桉均未出现S型缺陷。香椿木试件中出现S型缺陷多且较明显，10块B级试件中有7块出现S型缺陷。

2.3　铣削

铣削是评价加工性能最常用的方法，基于表面修整，包括目视评定或表面粗糙度测量[18]。试验结果(表6)表明：巨桉的铣削性能最优，其A级试样比率达到92.5%，而粗皮桉的表现最差，其A级试样比率仅为14.0%，赤桉、大花序桉、细叶桉、尾叶桉A级试样比率分别为77.0%、70.2%、61.0%、31.0%。6种桉树的A、B级试样比率之和中，赤桉、巨桉和尾叶桉均为100%，细叶桉为95.1%，大花序桉为83.0%，粗皮桉表现最差，其A、B级试样比率仅为58.2%。所以，细叶桉、赤桉、巨桉、尾叶桉和大花序桉均有优良的铣削性能。

表6 铣削试验试样比率 %

2.4　钻削

从表7可知，采用圆形沉割刀中心钻钻孔时，其钻孔质量要远好于麻花钻所钻的孔，其A级试样的比率均高达100%。钻孔质量优良，孔壁整洁且较光滑；孔上周缘无任何压溃、毛刺、撕裂等缺陷；孔下周缘的加工质量略差，部分试样存在轻微的毛刺，可通过调整垫板与被加工试样的紧密接触位置来进一步减少和消除。采用麻花钻钻孔时，赤桉和细叶桉的A级试样比率较高，分别为80.9%和75.6%。其余几种桉树的A级试样比率均较低。巨桉的A级试样比率最低，为27.5%。细叶桉、赤桉、巨桉、粗皮桉、大花序桉、尾叶桉的A、B级试样比率之和分别为100%、100%、90%、88.4%、82.6%和66.6%。麻花钻钻孔的主要缺陷为毛刺、撕裂、孔壁粗糙等。

表7　钻孔加工试件等级比率　　　　　　　　　　　　　　　　　%

从试验的总体情况来看，孔的上周边加工质量要远好于下周边，缺陷也主要集中发生在孔的下周边，因此，建议合理使用下衬垫板，控制下周边缺陷的发生，提高其加工质量。

2.5　开榫

从表8可以得知：6种桉树木材的榫眼加工性能均较差，几乎所有的试样都有缺陷发生，赤桉、尾叶桉和巨桉的A级试样比率分别为31.1%、14.3%、7.5%，细叶桉、粗皮桉和大花序桉的A级试样比率均为零。A、B级试样比率之和中，大花序桉表现最好，比率达到87.2%；尾叶桉、赤桉和粗皮桉的性质比较相近；细叶桉较差；巨桉表现最差，比率仅为47.5%。榫眼加工的主要缺陷为孔壁毛状纹、毛刺、撕裂等，缺陷的破坏程度较钻孔时严重。孔壁毛状纹及毛刺是发生率最高的缺陷。与钻孔性能相似，榫眼上缘的加工质量明显比下缘好，毛刺和撕裂大部分发生在下缘。进行榫眼加工时，试样在垂直纹理方向上受到的冲击比钻孔时大很多，导致榫眼孔缘周围的木材纤维没有被正常切割，在榫眼下缘极易产生毛刺或撕裂。因此，对于这几种桉树木材，加工不惯通的榫眼容易获得较好的加工质量。

表8　开榫试件等级比率　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　%

2.6　车削

从表9可知，除香椿木材外，6种桉树人工林木材车削加工后，无缺陷试样的比率均超过80%，其中粗皮桉、赤桉和巨桉试样的比率超过90%，而香椿木材的这一比率为60%。香椿木材的车削性能最差，其A级试样比率仅为60.0％，B级试样比率为13.3％，C级试样比率为26.7%，加工试样为B、C级的比率高达73.3％。从车削质量来看，其主要缺陷表现为起毛和少数的沟痕；粗皮桉木材车削性能最好，其A级试样比率高达97%，其主要缺陷表现为起毛刺和轻微刀痕，车削轮廓较光滑，但试样车削棱角处毛刺较多，经手工打磨后毛刺可大部分消除；赤桉木材车削性能较好，其A级试样比率为96.7%，其主要缺陷表现为少数起毛刺、崩角和轻微刀痕，车削轮廓较光滑，大部分试件几乎不必打磨；巨桉木材车削性能较好，其A级试样比率为93.3%，其主要缺陷表现为起毛刺和轻微刀痕，试样车削棱角处毛刺较多，经手工打磨后毛刺可大部分消除；细叶桉木材车削性能较好，其A级试样比率为87.1%，其主要缺陷表现为起毛刺、少数崩角和轻微刀痕，大部分试样车削后轮廓较光滑，但车削棱角处毛刺非常多，经手工打磨后毛刺可大部分消除；大花序桉木材车削性能较好，其A级试样比率为84.4%，其主要缺陷表现为少数起毛刺、崩角和轻微刀痕，车削轮廓较光滑，大部分试件几乎可以不必打磨，部分试样降等原因主要为崩角；尾叶桉木材车削性能较好，其A级试样比率为80.0%，其主要缺陷表现为起毛刺、少数崩角和轻微刀痕，大部分试样车削后棱角处毛刺非常多，经手工打磨后毛刺可大部分消除。

表9　车削处理试件等级比率　　　　　　　　　　　　　　　　　%

2.7　机械加工性能综合评定结果

参照林业行业标准性能评价方法[13]，6种加工方法依其在木制品生产中的重要性，分别给出加权数。刨切、砂光、成型铣削、车削的加权数为2，钻孔和榫眼的加权数为1。对每一个试验项目，按规定考核试样比率的高低，确定机械加工性质在此项目上的级别(表10)；项目级别乘以其加权数为该项目的得分；将各树种6个项目的得分相加，得出各树种的总分，满分为50分。刨切测试以处理1的结果评分；钻孔试验以圆形沉割刀中心钻的结果评分。七个树种机械加工性能在各试验项目上的等级见表11，综合评定结果见表12。木材的机械加工性质，依其总分的高低依次为：尾叶桉、巨桉、赤桉、大花序桉、细叶桉、粗皮桉。在本试验条件下，尾叶桉和巨桉较好，总分达到41.2和40.8，粗皮桉得分最少，为34.9。6种桉树木材具有比较优良的机械加工性质，可以用于高附加值实木制品(例如实木家具、实木地板等)的开发与利用。

表10　试验项目级别的划分标准　　%

表11　7个树种机械加工性能在各试验项目上的等级

表12 7个树种机械加工性质的得分

3　结论与讨论

(1) 在刨削加工性能上，粗皮桉和香椿表现为优，细叶桉、赤桉、巨桉、尾叶桉和大花序桉均表现为良；在砂光性能上，巨桉、尾叶桉和香椿表现为良，大花序桉表现为中，细叶桉和赤桉表现为差，粗皮桉表现为劣；在钻削性能上，细叶桉、赤桉、巨桉、尾叶桉、粗皮桉、大花序桉和香椿均表现为优；在铣削性能上，粗皮桉表现为中，细叶桉、赤桉、巨桉、尾叶桉、大花序桉和香椿均表现为优；在开榫性能上，赤桉、尾叶桉、粗皮桉、大花序桉和香椿均表现为优，细叶桉表现为良，巨桉表现为中；在车削性能上，6种桉树木材均表现为优，香椿表现为良。

(2) 总体上，6种桉树大径材和香椿木材的综合机械加工性能排序为尾叶桉、巨桉、赤桉、大花序桉、细叶桉和粗皮桉。在满分为50分的机械加工性能综合评价体系中，尾叶桉得分最高，为41.2分，高于香椿的40.5分；粗皮桉得分最低，为34.9分。这表明尾叶桉木材具有良好的机械加工性能，可用于高附加值实木制品的开发和利用。

(3) 砂光处理，细叶桉、赤桉、巨桉、尾叶桉、粗皮桉、大花序桉和香椿节子附近加工质量改善十分显著，同时可显著去除毛刺沟痕等刨切缺陷，故砂光是6种桉树大径材和香椿木材机械加工后必要的加工工序。

(4) 采用圆形沉割刀中心钻钻孔时，6种桉树大径材和香椿木材无缺陷试样的比率均高达100%，其钻孔质量要远好于麻花钻所钻之孔。所以，对桉树木材进行钻削时，应优先使用圆形沉割刀中心钻钻孔。

(5) 本研究主要结合生产实际对木材机械加工性能(如切削用量、进料速度等)进行了评价，后续会对加工质量、工作效率、动力消耗等做进一步的综合分析。

[1] 谢耀坚.我国桉树种质资源现状及育种目标探讨[J].桉树科技,2012,29(2):33-39.

[2] 项东云,陈健波,叶露,等.广西桉树人工林发展现状、问题与对策[J].广西林业科学,2006,35(4):195-201.

[3] 江泽慧,费本华,王喜明,等.桉树木材干燥特性与工艺及其皱缩研究现状[J].木材工业,2002,16(4):3-6.

[4] 侯新毅,姜笑梅,高建民,等.木材的机械加工性能研究现状与进展[J].木材工业,2003(6):3-5.

[5] 谢雪霞.我国12种人工林木材机械加工性能研究[D].北京:中国林业科学研究院,2014.

[6] PORANKIEWICZ B, GOLI G.Cutting forces by Oak and Douglas fir machining[J].Maderas. Ciencia y tecnología, 2014,16(2): 199-216.

[7] 姜笑梅,叶克林,吕建雄,等.中国桉树和相思人工林木材性质与加工利用[M].北京:科学出版社,2007.

[8] 江京辉,吕建雄.红椎和西南桦人工林木材的机械加工性能[J].林业科学,2008, 44 (10):120-126.

[9] 苏初旺,袁全平,熊经波,等.米老排人工林木材机械加工性能研究[J].安徽农业科学,2011,39(31):19206-19208.

[10] 谢雪霞,刘波,孙华林,等.三种非常用树种人工林木材的机械加工性能评价[J].木材工业,2014,28(4):28-31.

[11] 谢雪霞,刘波,孙华林,等.我国四种珍贵阔叶人工林木材的机械加工性能评价[J].木材工业,2014,28(5):36-40.

[12] 刘波,谢雪霞,孙华林,等.核桃楸和银杏人工林木材的机械加工性能评价[J].木材工业,2016,30(4):9-12.

[13] 殷亚方,姜笑梅,付跃进,等.LY/T 2054-2012锯材机械加工性能评价方法[S].北京:中国标准出版社,2012.

[14] ASTM International. Standard methods for conducting machining tests of wood and wood base materials. ASTM D1666[R]. Philadelphia: ASTM, 2004.

[15] 段星星.泡核桃人工林木材的加工性能研究[D].南宁: 广西大学,2016.

[16] DEREK W, ROMAN M. Machining and related mechanical properties of 15 BC wood Species[J].Forintek Canada Corp, 1998:1-4.

[17] GURAU L, IRLE M. Surface roughness evaluation methods for wood products: A review[J].Current Forestry Reports, 2017, 3(2): 119-131.

[18] GOLI G, SANDAK J. Proposal of a new method for the rapid assessment of wood machinability and cutting tool performance in peripheral milling[J].European Journal of Wood and Wood Products, 2016,74(6): 867-874..

Evaluating Machining Properties of Timber from Six Species of

LIU Xuefeng1, HUANG Tenghua2, CHEN Shaoxiong1, LIN Jiachun2, LAN Jun3, FENG Qinxiong2

,,,;..,,,)

In this paper the machining properties of timber obtained from large-diameter logs of six plantationspecies grown in Guangxi Dongmen State-owned Forest Farm, along with timber fromwere tested. Wood properties were determined according standards specified in ASTM D 1666. Comprehensive assessment of mechanical properties of the six eucalypt species andplaced the species in the following order of merit:(best),,,,and(lowest ranked). For machining performance comprehensive evaluation scores, these species obtained the following values (out of a total of 50 points): 41.2, 40.8, 40.5, 38.7, 38.4, 37.3 and 34.9 respectively.

plantation；large-diameter timber; machining properties; quality grade

S784

A

10.13987/j.cnki.askj.2019.03.002

广东省林业科技创新项目(2019KJCX005)；国家重点研发计划课题(2016YFD0600502)

刘学锋(1985— )，男，硕士，工程师，主要从事森林培育研究，E-mail: afayewong@foxmail.com

陈少雄(1965—)，男，博士，研究员，主要从事桉树人工林培育研究，E-mail: sxchen01@163.com