木构件锯切功率的影响因素试验研究

王 芳 耿 冰 王国富 金 征 张 伟*

（1.内蒙古农业大学机电工程学院，内蒙古 呼和浩特 010018；2.中国林业科学研究院木材工业研究所，北京 100091）

木结构建筑具有轻质高强、抗震舒适、绿色环保等优点，木构件是其主要组成单元，如立柱、横梁、承重骨架等[1-4]。在实际建造中，木构件需要加工成不同形状的截面以适应不同的连接结构。锯切是快速加工木材及木质复合材料的重要方法，主要设备包括带锯机、圆锯机、排锯机等[5-7]。木构件的柔性锯切受到材料种类、加工设备及刀具条件、锯切方法等诸多因素的影响[8-12]。在设计加工工艺时，应考虑木构件对柔性锯切的要求[13]。

在木构件的锯切加工过程中，不同材料的最优加工参数一般是不同的，而加工参数对木构件加工质量的影响程度也有所区别[14-18]。近年来，国内外研究学者针对多种因素对锯切性能的影响开展了大量研究。Nasir和Cool[19]由圆锯片在进行锯切时产生的锯片振动入手，提出了木材锯切机理。Hlásková等[20]研究了不同的木材材性、刀具条件、锯切环境下的锯切类型，并提出模型，分析了锯切过程中的受力情况 。彭鑫荣等[21]分析了刀具材料、主轴转速、进给速度对木材切削表面粗糙度的影响关系。张汉石等[22]搭建锯切试验平台，进行苹果枝条锯切仿真分析，探究了锯切速度、进给速度、枝条直径对锯切力学的相关关系。

木结构建筑广泛应用于世界各地，锯切是木构件模块化设计与生产必不可少的过程[23-26]。目前，关于木构件锯切功率的研究，以及从锯切功率角度探究木构件材料锯切加工的报道相对较少。鉴于此，本研究以云杉、纤维板和重组竹三种木构件材料为试材，设计了专用于锯切功率测试试验平台，并应用多因素正交试验对木构件的锯切性能进行分析，以期为科学制定木构件的锯切方案提供参考。

1 试验原理

1.1 试验材料

1.1.1 木构件原材料

木构件原料包括云杉试件、纤维板试件、重组竹试件。保证所选用的试样光滑平整、无节子、断裂等。试样形状为长方体，尺寸为150 mm × 38.5 mm × 16.5 mm，如图1所示。采用接触式湿度测量仪检测木构件的含水率，其含水率范围为6.4%～11.7%。

1.1.2 试验刀具

木构件质地较软，具有各向异性、非均质的特点。木料具有一定的弹性模量，木料被切削后，弹性的恢复量一部分会挤压锯子平面，增加能耗；另一部分会被锯齿再次切削。为了保证刀具的使用寿命，本研究选用硬质合金圆锯片作为刀具材料，直径为300 mm，口径为30 mm，锯片厚度为3.2 mm。为探究刀具齿形对木构件切削的影响，分别选取平齿、左右齿、梯平齿的锯片，其齿形结构如图2 所示。

图2 齿形结构Fig.2 Toothed structure

1.2 试验设计

在木构件锯切过程中，一般选用圆锯片作为切割刀具。为适应不同材料的密度、尺寸、锯切效率、锯切方向等，圆锯片需采用不同的齿数和齿形。木构件圆锯片的锯切最大功率是锯机整机传动系统设计、动力匹配所依据的主要参数，且对刀具寿命、锯切安全性具有重要影响。经预试验发现，锯切木材时，圆锯片转速过大会导致机床负载过大的现象。因此，本试验中的圆锯片转速分别设置为1 000、2 000 r/min和3 000 r/min。试验以锯切最大功率消耗为评价指标，以圆锯片转速、圆锯片齿数、圆锯片齿形、木构件材料为试验因素。基于多因素正交试验法，选择L9（43）表头，试验因素水平如表1所示。

表1 试验因素水平表Tab.1 Table of test factor levels

2 试验方法

2.1 试验台搭建与关键装置设计

图3为木构件锯切加工机床，总体尺寸为2 300 mm ×4 700 mm × 1 522 mm（长×宽×高），采用滑块导轨实现空间位置的移动，可实现一次性木材双侧锯切。

图3 木构件锯切加工机床三维模型Fig.3 Three-dimensional model of sawing machine for wood components

总体布局采用对称结构，每侧均布置4台电机，电机采用两种连接方案，分别为直接固联电机底座和固联在可旋转的侧板。电机1和锯切轮安装于侧板上，皮带传递扭矩给锯切轮，侧板采用可旋转卡扣与电机底座相连，可在-90°～90°范围内旋转，完成不同角度的斜面切削。电机底座滑动实现短距离X轴方向的移动；电机底座安装有滑块，通过导轨实现Y轴方向的移动；底板通过滑块滑轨机构实现长距离X轴方向移动，用以定位不同尺寸的板材，实现多种样式的柔性化锯切。

2.2 试验过程

如图4所示，试验场地为山东茌平县森强密度板有限公司，试验用锯为青岛展翔机械有限公司所生产的精密木工推台锯，最大锯切长度为3 200 mm，最大锯切宽度为1 250 mm，主锯功率为5.5 kW，主轴转速可达6 000 r/min。转速测量仪、PC、变压器等为Fluke公司所生产的NORMA 4000 Power Analyzer。采用LAN口的通信协议与PC相连接，误差范围在0.03%～0.3%，输出周期为300 ms。功率分析仪采集的数据如图5所示。

图4 测试现场图Fig.4 Test site diagram

图5 数据采集界面Fig.5 Data acquisition interface

3 结果与分析

正交试验主要用于分析因素与指标的关系，分析影响因素的主次关系或选择最佳方案。正交试验结果与极差分析如表2 所示，各考察因子的极差值越小，说明该因子对试验指标的影响越大。

表2 极差分析Tab.2 Range analysis

由极差分析可知，各试验因素对锯切过程最大功率消耗影响的主次顺序依次是：圆锯片转速、试件材料、圆锯片齿数、圆锯片齿形。

各因素对锯切过程最大功率消耗影响变化规律如图6 所示。锯切过程最大功率消耗随着圆锯片转速的增大而增大，且增幅逐渐加快。这是因为转速的增大使锯机初始的能量输出增大，造成空载功率增大，但是过大的转速会造成锯片与木材接触瞬时撞击力激增。不同锯切材料的密度和硬度是影响锯切功率的主要因素。因此，重组竹的切削功耗最大。对于不同的圆锯片齿数，最大功率消耗值随着齿数的增大先增大后减小。这主要是因为在锯切时，单位时间内锯齿的切削次数随齿数的增大而增大，因此功耗增加。但较多的齿数造成木料排屑能力加强，从而使得功耗降低。齿形影响切削功率的主要原因是切削阻力和排屑能力，其中梯形齿圆锯片对木材切削阻力最小、排屑能力弱；左右齿圆锯片对木材切削阻力最大、排屑能力强，而平齿介于二者中间，因此切削功率在两种因素下（切削阻力、排屑能力）交互影响下呈现图6 变化规律。

图6 锯切过程最大功率消耗影响变化规律Fig.6 The influence of maximum power consumption in the sawing process

云杉、纤维板、重组竹对最大锯切功率的影响如图7所示。由图7可知，锯切云杉的较优工艺为转速1 000 r/min、齿数60个、平齿形。锯切纤维板的较优工艺为转速1 000 r/min、齿数96个、梯平齿形。锯切重组竹的较优工艺为转速2 000 r/min、齿数60个、梯平齿形。

图7 不同材料下各因素对最大锯切功率的影响Fig.7 Influence of various factors on maximum sawing power under different materials

4 结论

本文探究了木构件的锯切转速、圆锯片齿形、齿数、木构件材料对锯切性能的影响规律，主要得出以下结果：

1）本文设计的柔性化锯切平台可实现锯切运动参数和结构参数的调整，可应用于多功能调节的试验和实际生产。

2）各试验因素对锯切过程最大功率消耗影响的主次顺序依次是：圆锯片转速、试件材料、圆锯片齿数、圆锯片齿形。

3）锯切云杉的较优优工艺为转速1 000 r/min、齿数60 个、平齿形。锯切纤维板的较优优工艺为转速1 000 r/min、齿数96 个、梯平齿形。锯切重组竹的较优优工艺为转速2 000 r/min、齿数60 个、梯平齿形。

通过上述结果得出：锯切不同种类木构件时，由于木材本身木质纤维结构的不同，锯切方式需差异化对待。在多种影响因素下应多方面考量，找出锯切功率影响主次关系和各因素最佳匹配值，以减少在实际加工作业中锯切功率的消耗，降低企业的加工能耗，提高整体效益，符合国家节能减排的倡导。