弯曲成型和锯制加工弯曲木强度理论

1、弯曲成型和锯制加工弯曲木强度理论 赵辉 马岩 (东北林业大学 哈尔滨 150040) 摘要：本文对弯曲木的弯曲成型和锯制加工方法进行了分析，解释了两种加工方法的纤维分布情况下强度差别的理论值变化的原因，并结合材料力学理论对两者的强度进行了定量分析，应用本文提出的理论基本可以根据材种不同的构件直接对比弯曲成型和锯制加工弯曲木的强度变化，该理论为弯曲木的两种加工方法在木材工业上的合理应用提供了理论基础。关键词：弯曲；锯切；强度；弯曲木The Strength Theory of Bending Wood and Sawed Curve WoodZhao Hui Ma Yan(Northeast F

2、orestry University of China Harbin 150040 )Abstract: the curve wood is often produced by two methods, bending or being sawed, the former is about timber is pressed to certain curve shape, the latter is made from timber sawed to the curve by slim band saw, and milled to certain shape, which strength

3、is reduced for much wood fibrin is cut off. In this paper, it will be expatiated to the difference in strength of two kind of curve wood, this theory is the base to the proper application of the two methods in the industry.Key words: Bending; Sawing; Strength 弯曲形状的木制品构件一般有两种加工方法：弯曲成型和锯制加工。弯曲成型是用高温高压

4、的方法处理以后加压弯曲成型的方法，将直木纤维按弯曲曲线走向直接制成各种曲线型的构件，锯制加工法是用细木工带锯等设备锯割成设计的曲线型，再铣削加工成型，加工过程中靠近构件边缘部位有大量木纤维被割断，使零件强度大幅度降低。本文将从理论上说明两种方法的强度差异，从而为两种方法在工业上的合理应用提供基础理论。1 木材弯曲成型和锯制加工方法分析 木材受到弯曲扭矩作用时，形成曲线，在凸面点产生拉伸应力，凹面点将产生压缩应力。从表面到中间层逐渐减小，中间没有应力的纤维层是中性层。如果弯曲材料的纤维方向是沿原料纵向平行分布的，则弯曲后形成构件的纤维方向仍和边缘平行，呈同心圆分布，如图1所示的弯曲木，此构件受到

5、理想均布扭矩作用下，破坏可能性最大的断裂是弯曲面边缘点纤维劈裂。 锯制加工弯曲构件方法是使用细木工带锯机等设备和木工铣床完成的，但锯切加工过程中有大量木纤维被割断，如图2所示，此构件破坏的最大可能性是沿边缘纤维切断的各点处劈裂，弯曲构件在切断纤维之间的抗剪切力非常小，所以极容易破坏，本文将从理论上初步证明。 木材是典型的各向异性材料，在三个方向上具有不同的力学性质。通常纵向(L)许用抗拉应力较大，径向(L)和弦向(T)较小，次序L»R»T，L /T的比值介于12:1和58:1左右的范围。2 强度分析 为了分析两种加工方法的强度，假设木材是各向同性的，为了计算方便，我们受弯构

6、件可以假设为多层叠加材料，在不考虑剪切应力复合作用时，可以借用材料力学理论进行分析。假设弯曲成型构件在受到一定扭矩下，受到弯曲应力破坏时，不计剪切的影响（由于纤维没有切断，不存在剪切应力集中源）。具体分析如下：2.1 弯曲成型构件受弯时破坏点的应力 （1）式中：ymax1弯曲构件1上距中性层的最大距离；IZ1弯曲构件1对Z1轴的抗弯惯矩；M1加在弯曲构件1上的力矩。在纤维连续分布情况下，要保证弯曲成型弯曲木具有足够强度，破坏点应力要小于木材的静曲强度，即 （2）从（2）式可以导出弯曲构件所能承受的最大弯矩是： （3）如果构件的危险截面是矩形，令： 同时对于矩形截面的弯曲构件 （4） 则 （5）

7、 式中：h1弯曲构件1截面高度； b弯曲构件1截面宽度。 图1 弯曲成型弯曲木 图2 锯制加工弯曲木图中：r曲率中心半径；Z1、Z2抗弯惯矩中性轴。2.2锯制加工弯曲木的强度分析锯切加工弯曲木构件的纤维方向如图2所示，假设在图中与纤维平行的方向对称作用的弯矩M2的作用下，最大弯矩将在B-B平面产生剪切应力，在剪切应力的作用下，弯曲构件将沿着B-B平面受拉侧劈裂。由于纤维切断处的剪应力的作用大于弯矩产生的弯曲应力， 选择危险截面时，按最大剪应力作用，应该是图示的B-B截面，断面的弯曲应力 （6）式中：ymax2弯曲构件2上距中性层的最大距离；IZ2弯曲构件2对Z2轴的抗弯惯矩；M2加在弯曲构件2

8、上的力矩。 在B-B截面上，弯曲应力： （7）式中：危险截面纤维长所对应的角度。在B-B截面上的剪应力： （8）在Q2和的复合作用下，木材会沿着B-B截面劈裂，由于复合应力的作用应力不好确定，我们分别考虑Q2和的作用的判据。对于构件2的B-B截面尺寸和构件1不一样， 但同图1的强度分析过程近似： （9）式中：h2弯曲构件2图示截面高度；根据三角公式 （10）将（10）式入（9）式得 （11）木材弯曲成型和锯制加工方法所能承受最大弯矩比值 （12）式中令可以根据加工的材种确定， (山毛榉) (轻木)为木材弯曲度，也可根据材种确定其范围，例如山毛榉02.5强度比 （13）4.应用实例分析上式说明可以主要根据材种的性能分析弯曲成型和锯制加工两者强度关系，下面我们以山毛榉为例说明两种加工方法的强度比值，令，对于剪应力： （14）式中：许用剪切应力。最大剪应力： （15）当小于时采用（11）时导出的强度比分析弯曲木的劈裂，当大于应用（14）式判定破坏的临界应力。5.结论上式说明，对于山毛榉弯曲木，弯曲成型的要比锯制加工的强度高10倍以上，弯曲木在高档家具的上应用广泛，其强度一直是人们关心的问题，本文通过将弯曲成型和锯制加工的曲线木进行强度比较，从理论上证明了弯曲成型弯曲木的高强度性。锯制加工使用带锯机和木工铣床即可完成，但其强度低，弯曲度大的零件和环形部件还需拼接，使其强度进一步下降