杨木和辐射松树脂增强改性材机械加工性能研究*

孙照斌 王浩然 杨丽虎 元海广 余 珊

（1.河北农业大学林学院，保定 071000； 2.江苏爱美森木业有限公司，淮安 223001；3.河北爱美森木材加工有限公司,邯郸 056800； 4.国家林业和草原局林产工业规划设计院，北京 100010）

速生杨木（PopulusL.）是我国大规模工业化加工利用材种，辐射松（Pinus radiata）近几年已成为我国进口木材的主要树种之一。速生杨木和辐射松均存在密度低、材质软、强度低等缺点，研发速生杨木和辐射松木材的高附加值加工利用技术，对其高效利用具有重要意义。

木材改性技术主要包括木材浸渍、热处理、压缩、木材乙酰化、木材塑合及浸渍-热处理联合改性等。国内学者对杨木[1]、杉木[2]、辐射松[3]等进行浸渍增强-热处理改性研究，结果表明：树脂浸渍增强与热处理联合改性可有效改善速生材的各项性能。

机械加工性能是木材的重要性质，对其展开研究评估，对于开发木材的利用潜能及扩大适用范围均具有重要意义。目前对不同树种木材的机械加工性能测试和评价较多[4-7]，但对改性木材的机械加工性能测试和评价研究相对较少。本研究依据LY/T 2054—2012《锯材机械加工性能评价方法》，分别考察了杨木和辐射松素材、脲醛树脂浸渍材、经真空热处理的脲醛树脂浸渍材的机械加工性能，旨在为杨木和辐射松树脂浸渍材及其真空热处理树脂材的实木化加工利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

杨木：河北爱美森木材加工有限公司提供。锯材尺寸为2 600 mm×（100～300）mm×（25～45）mm。

杨木树脂浸渍材：使用单体15～20 m3工业化处理罐对木材进行真空加压浸渍处理，浸渍压力2.5～3.0 MPa，浸渍时间3 h左右。浸渍处理液采用脲醛树脂，浓度约22%～25%。浸渍处理后对木材进行常规二次干燥，得到杨木树脂浸渍材，其含水率均值约8%。

杨木真空热处理树脂浸渍材：对杨木树脂浸渍材进行真空热处理。处理工艺分为预热阶段、升温阶段、热处理（保温）阶段和降温阶段。热处理时，压力保持在20 kPa，在70 ℃以前，升温速度为5 ℃/h；当温度升至70～80 ℃时，升温速度为5 ℃/2 h；温度升至85～100 ℃时，升温速度为5 ℃/3 h；至180 ℃时，保持10 h后以5～8 ℃/h的速度缓慢降温；温度低于50 ℃后开窑出材。

杨木素材、杨木树脂浸渍材和杨木真空热处理浸渍材编号分别为SY、JY和 RJY。

辐射松：河北爱美森木材加工有限公司提供，辐射松素材、辐射松树脂浸渍材、辐射松真空热处理树脂浸渍材，编号分别为SF、JF、RJF。辐射松树脂浸渍和真空热处理树脂浸渍材锯材尺寸及处理工艺与上述杨木的尺寸及处理工艺基本相同。

待测试素材、树脂浸渍材和热处理树脂浸渍材均为刨光锯材，纹理通直，表面无缺陷。试材气干密度、含水率和硬度测试结果见表1，各测试的重复试件数均为15个。由于受到板材本身厚度的限制，其硬度试件尺寸为30 mm(L)×20 mm(R)×20 mm(T)，为非标准试件，参照GB/T 1941—2009《木材硬度试验方法》中硬度计算公式进行计算，试验结果仅用于本试验范围内相互比较。

表1 试件气干密度、含水率和硬度Tab.1 Air-dry density, moisture content and hardness of test specimens

1.2 设备

单面木工压刨床（广东顺德新马木工机械设备有限公司，MB104A），最大加工宽度400 mm，主轴转速6 000 r/min，最大切削深度4 mm。台式铣机（德国FESTOOL公司，TF1400），手动进料，进料速度适宜。台式多用钻床（杭州三重五金机电设备有限公司，Z516-1A），手动进给加工通孔。立式单轴榫槽机（广东顺德新马木工机械设备有限公司，MS362），最大榫槽深度80 mm。仿形木工车床（广东顺德新马木工机械设备有限公司，JWL-1018），用于一次成型的车削加工，主轴转速略低于LY/T 2054—2012中规定的 3 200 r/min。

1.3 试验方法

参照LY/T 2054—2012标准对刨削、铣削、钻削、开榫和车削5项机械加工性能进行测试和等级评定。所用试材大部分为半径半弦板材。

试件制备与测定：6种木材，每种数量5块，同一试件可重复多次测试。刨削试件尺寸为24 mm×86 mm×600 mm，达标等级为1级，刨削深度选择0.8 mm,进料速度8 m/min。铣削试件尺寸为20 mm×80 mm×600 mm，达标等级为1、2级，顺纹理铣削单面；钻削试件尺寸为20 mm ×70 mm×305 mm，达标等级为1、2级，每个试件上加工2个通孔，孔直径15 mm，加工时始终保持钻头锋利状态，并在试件下放置垫板保证试件和垫板紧密接触；开榫试件尺寸为20 mm×70 mm×305 mm，达标等级为1、 2、3级，每个试件上加工2个方榫；车削试件尺寸为20 mm ×20 mm×300 mm，达标等级为1、 2、3级。各项加工性能测试尽力保证在加工条件一致的情况下进行，铣削、钻削和开榫加工在同一试件上进行。

等级评定：加工后的试件分为5个等级:1级：优秀，无缺陷，5分；2级：良好，4分；3级：中等，3分；4级：较差，2分；5级：很差，1分。然后采用加权积分，每个等级的分值分别乘以各自的百分比，得到的和为该项加工性能的最终质量等级值。将最终质量等级值划分为5 等，即优(4-5)、良(3-4)、中(2-3)、差(1-2)、劣(0-1)，用于评价各项加工性能最终的加工质量。单项测试质量级别的划分标准如表2。

表2 单项测试质量级别的划分标准Tab.2 Classification grades for single test quality level

LY/T 2054—2012标准依据砂削、刨削、铣削、钻削、开榫和车削6种工序在机械加工生产中的重要性，将刨削、砂削、铣削和车削的加权数定为2，钻削和开榫的加权数定为1。每个机械加工项目按表2规定的质量级别乘以其加权数，最后将每项试验结果得分相加，再求和统计总分，以总分高低比较各种木材的综合机械加工性能。每项加工项目的最高质量级别，分别乘以各项目权重，得出综合评分总分为50分。由于试验设备和条件限制，本研究未对砂削性能进行测试和评级，其权重为2，因此本研究项目总分为40分。

2 结果与分析

2.1 刨削性能

杨木、辐射松素材和处理材的刨削性能等级占比率如图1所示。

图1 杨木和辐射松刨削性能等级占比率Fig.1 Percentage of planning performance levels of poplar and radiata pine lumbers

由图1可知，杨木素材试件的刨削性能为1、2和3等级，其余试件为1等级和2等级。杨木和辐射松的素材、树脂浸渍材、热处理树脂浸渍材的1等级达标率分别为20%、40%、20%和30%、40%、30%。

参照LY/T 2054—2012标准的计算方法，杨木和辐射松的素材、树脂浸渍材和真空热处理树脂浸渍材刨削性能等级值分别为4、4.4、4.2和4.3、4.4、4.3。整体上6种试材的刨削性能均为优秀。

同材种木材、不同改性方式下，树脂浸渍材刨削性能最优，热处理树脂浸渍材次之。同种改性方式下，杨木和辐射松的树脂浸渍材及其热处理树脂浸渍材的刨削性能均为优秀。

在刨削过程中，杨木素材和辐射松素材易产生毛刺、毛刺沟痕和凹凸纹。从表1可知，杨木素材和辐射松素材的密度和硬度较低，加工时其表面纤维容易被撕裂。杨木和辐射松真空热处理浸渍树脂材密度低于树脂浸渍材，因而易产生毛刺沟痕，易被撕裂；而木材经过树脂浸渍处理后，木材密度和表面硬度增加，刨削性能明显提高，刨削表面光滑平整，因此杨木和辐射松的树脂浸渍材1等级占比率高。

2.2 铣削性能

杨木、辐射松素材和处理材的铣削性能等级占比率如图2所示。

图2 杨木和辐射松铣削性能等级占比率Fig.2 Percentage of milling performance levels of poplar and radiata pine lumbers

图2可知，杨木和辐射松素材试件的铣削性能等级分别为1、2和3等级，其余试件均为1、2等级。

确定1级和2级铣削试件数量的百分比作为铣削达标百分率。杨木素材、树脂浸渍材、热处理树脂浸渍材的铣削性能达标百分率分别为50%、100%、100%；辐射松素材、树脂浸渍材、热处理树脂浸渍材达标百分率分别为60%、100%、100%。

杨木素材、树脂浸渍材和真空热处理树脂浸渍材铣削性能质量等级值分别为3.7、4.4、4.4，辐射松分别为3.8、4.5、4.5。两种木材改性后试材的铣削性能均为优秀，而素材为良好。

从铣削性能等级值看，同树种木材、不同改性方式下，树脂浸渍材和真空热处理树脂浸渍材铣削性能基本相同，均优于对照素材。同种改性方式，辐射松树脂浸渍材和热处理树脂浸渍材铣削性能均比杨木好。

铣削加工过程中产生的缺陷主要有毛刺、削片压痕、毛刺沟痕。毛刺多发生在杨木和辐射松素材中，杨木和辐射松的树脂浸渍材中产生较少。削片压痕易出现在辐射松素材铣削加工表面，辐射松年轮较宽，晚材率较低，早材部分易出现加工缺陷。杨木素材和辐射松素材易产生毛刺，其原因与刨削类似，也主要是密度和硬度不同所致。树脂浸渍材的密度和硬度最大，铣削性能较好；而热处理树脂浸渍材的脆性较大韧性较低，导致热处理树脂浸渍材铣削时蹦茬，但整体蹦茬程度低。总体综合判定热处理树脂浸渍材铣削加工性能与树脂浸渍材相同。为减小铣削加工缺陷，一般应采取减小进给速度，增大刀具转速、减小加工深度等有效措施。

2.3 钻削性能

杨木、辐射松素材和处理材的钻削性能各等级占比率如图3所示。

图3 杨木和辐射松钻削性能各等级占比率Fig.3 Percentage of drilling performance of poplar and radiata pine lumbers

由图3可知，杨木素材和杨木真空热处理树脂浸渍材试件的钻削性能等级在1～5级内，其余试件分别在1～4级内。

以1级和2级铣削试件数量的百分比作为钻削达标百分率。杨木素材、树脂浸渍材、热处理树脂浸渍材的钻削性能达标百分率分别为50%、70%、30%，辐射松分别为60%、80%、50%。

参照LY/T 2054—2012计算，杨木素材、树脂浸渍材和真空热处理树脂浸渍材的钻削性能质量等级值分别为3.4、3.8、2.7，辐射松分别为3.6、4.1、3.5。只有辐射松树脂浸渍材的钻削性能为优秀，杨木真空热处理树脂浸渍材为中等，其他均为良好。

从钻削性能等级值看，同树种木材、不同改性方式下，树脂浸渍材钻削性能最优。同种改性方式，辐射松两种改性材的钻削性能均优于对应改性方式的杨木。

钻削加工缺陷种类主要有毛刺、毛刺沟痕、纤维撕裂。缺陷多位于孔下边缘。杨木和辐射松素材试件80%都有毛刺缺陷，其中30%程度较重；树脂浸渍材大部分也有毛刺缺陷，但其程度比素材轻；热处理树脂浸渍材多产生毛刺沟痕，其中杨木热处理树脂浸渍材产生毛刺沟痕最多，破坏程度也较重，其原因在于密度和硬度较小的木材，加工时表面纤维容易被撕裂。

2.4 开榫性能

杨木、辐射松素材和改性处理材的开榫性能等级占比率如图4。

图4 杨木和辐射松开榫性能测试等级占比率Fig.4 Percentage of tenoning performance test grades for poplar and radiant lumbers

由图4可知，只有辐射松树脂浸渍材和辐射松热处理树脂浸渍材试件的开榫加工性能等级在1～4级内，其余试件的开榫加工性能等级在1～5级内。

素材和杨木真空热处理树脂浸渍材外，其余4种木材试件开榫性能均为良好。

从开榫性能等级值看，同树种木材、不同改性方式下，开榫性能比较结果为：树脂浸渍材＞真空热处理树脂浸渍材＞素材。同种改性方式，辐射松两种改性材的开榫性能均优于对应杨木改性材。

开榫加工过程产生的缺陷类型主要为毛刺、毛刺沟痕和撕裂。杨木素材、辐射松素材容易产生毛刺缺陷。与素材相比，树脂浸渍材在开榫加工过程中产生毛刺沟痕缺陷较少；而辐射松树脂浸渍材的缺陷程度也比杨木树脂浸渍材轻很多；真空热处理材产生较多毛刺沟痕，同时伴有轻微程度的撕裂缺陷。开榫加工类似于钻削加工，加工缺陷主要产生于榫眼的边缘，但缺陷破坏程度较钻削加工更严重。开榫性能差异原因如前所述。

2.5 车削性能

杨木、辐射松素材和改性处理材的车削性能测试等级占比率如图5所示。

图5 杨木和辐射松车削性能测试等级占比率Fig.5 Percentage of turning performance test grades for poplar and radiata pine lumbers

由图5可知，车削加工性能测试中两材种6种试件均产生了4个等级。

以1、2和3级开榫试件数量的百分比作为车削性能达标百分率，杨木素材、树脂浸渍材、热处理树脂浸渍材的车削性能达标百分率分别为50%、70%、70%，辐射松分别为80%、90%、80%。

杨木素材、树脂浸渍材和真空热处理树脂浸渍材的车削性能质量等级值分别为2.8、3.3、3.0，辐射松分别为3.4、3.6、3.4。除杨木素材外，其他5种木材试件的车削性能良好。

从车削性能等级值看，同树种木材、不同改性方式下，车削性能优劣顺序为：树脂浸渍材＞真空热处理树脂浸渍材＞素材。同种改性方式下，辐射松两种改性材的车削性能均优于杨木改性材。

车削加工产生主要缺陷为毛刺沟痕，约有75%均为表面毛刺沟痕。杨木素材试件中存在表面毛刺等轻微缺陷；热处理杨木树脂浸渍材车削时碎屑为颗粒状，车削木材表面大多是小坑穴状毛刺沟痕。上述杨木缺陷，辐射松3种木材试件也对应出现，但缺陷轻微。毛刺沟痕缺陷是由刀具与试件旋转逆行切割所致，尤其是杨木素材和真空热处理树脂浸渍材密度较低，车削加工更易产生坑穴状的毛刺撕裂。

2.6 综合性能评价

参考 LY/T 2054—2012标准，计算分析各材种的单项机械加工性能质量，将刨削加工的1等级所占百分率作为达标率，钻削、铣削的1、2等级所占的总百分率作为达标率，开榫和车削的1、2、3等级所占总百分率作为达标率，依据表2单项测试质量级别的划分标准得到6种木材试件各项机械加工项目测试对应级别如表3。结合表3数据，计算6种木材试件的机械加工性能综合评分结果，如表4所示。

表3 6种木材试件各项机械加工项目测试对应级别Tab.3 Test corresponding levels of 6 types of wood machining processing items

表4 6种试件木材机械加工性能综合评分结果Tab.4 Comprehensive scoring results of 6 types of wood machining performance

由表4可知，在满分40分情况下，杨木素材、树脂浸渍材和真空热处理树脂浸渍材的质量总评分分别为20分、30分、25分，辐射松分别为24分、33分、29分。只有辐射松树脂浸渍材的机械加工性能综合评价值高于30分。在各种单项测试中，树脂浸渍材的表现也优于其他种类试件。热处理树脂浸渍材综合机械加工性能略低于树脂浸渍材，树脂浸渍材各项机械加工性能较好，适用于各类实木制品的生产及其各种机械加工方式。

3 结论

对杨木和辐射松的素材、脲醛树脂浸渍材、经真空热处理的脲醛树脂浸渍材的机械加工性能进行测试评价，结论如下：1）杨木和辐射松的树脂浸渍材综合机械加工性能最佳，热处理树脂浸渍材次之，杨木素材最低，其中辐射松树脂浸渍材综合机械加工性能优于杨木。在生产实践中可根据木制产品特点与用途，选择合适的木材种类和加工方式。2）6种木材机械加工缺陷主要为毛刺、毛刺沟痕、凹凸纹、撕裂、削片压痕等，且各种木材在相同的加工方式下缺陷程度不同，主要因木材密度和硬度等材性差异所致。在实际生产中需考虑木材特性、设备条件、加工效率、生产成本等诸多因素，持续调整和改善加工工艺以获得高质量的木制产品。

由于受条件限制，本研究对6种木材的砂削性能未进行测试评价；有关加工进料速度、刀具种类、切削刀具角度、刀轴转速、切削工具的钝化等工艺参数，有待进一步研究；同时后续还将对杨木和辐射松改性木材的构造特性、材性与其机械加工性能的相关性及影响机理进行深入研究。