杉木的品种特性及应用

杉木的品种特性及应用

楠木l.f.材料硬度适宜，色泽、质地美观，耐腐蚀性好。它主要用于高级钢琴风琴外壳、工艺雕塑和高品质家具的制造。由于其抗化学试剂的特点，它也被用于制作工农业用盒子和桶。它被称为“木材之王”，深受人们喜爱。目前国内家具市场上，柚木主要用于制作明清古典家具和新中式家具。其中明清古典家具以雕刻为主要装饰手法，同时通过雕刻吉祥纹样点缀装饰，表达人们美好的祝愿。此外，雕刻也是攒门、镶嵌等装饰工艺的前期处理方式选取市场上明清古典家具常用纹样为变量，采用单因素试验法从以下两个方面探究小径柚木数控雕刻加工性能的影响因素，以期为雕刻过程中木材起毛问题提供理论支撑：1）结合“上坡起毛”规律，采用小线段拟合曲线的方法，将曲线纹样分解为若干直线线条，分析纹样线条与木材纹理方向所成角度对数控雕刻加工性能的影响。2）结合“切削起毛”规律，研究刀具主轴转速、进给速度和木材有效切削作用力的相互关系，以刀具主轴转速与进给速度的参数配比为变量，探究其对数控雕刻加工性能的影响，以期找到提高雕刻性能的突破口，全面推进小径柚木家具制造集成技术。1材料和方法1.1细胞系小径柚木：产于云南省西双版纳，树龄15～20年，平均直径143mm。试验板件尺寸为300mm×200mm×15mm（电视柜门芯板尺寸）实木拼板（实际生产中一般实木板料为拼接制得），气干密度为0.54g/cm1.2刀具路径转nc加工精雕机为杰臣1318，精雕控制系统为维宏NCStudio，精雕刀具为广州桦锐刀具有限公司生产的锥度平底刀（JD-30-0.3，锥度30°，底直径0.3mm)，制图软件为北京精雕JDPaint5.21，刀具路径转NC加工代码软件为诺诚NC转换器NCConverter。1.3磨砂质量的评定1）手触摸及气枪吹不掉的木材毛屑被认为起毛。2）根据对后续手工磨砂的难易程度及消耗时长进行质量等级评定，分别为1级、2级、3级、4级、5级，质量等级逐级递增1.4测试方法1.4.1雕刻纹样与纹样加工工艺雕刻纹样：选用市场上明清古典家具常用雕刻纹样，包括四君子（梅、兰、竹、菊）、荷花、牡丹、山水人物、如意龙纹、云凤纹及几何纹，共10种雕刻纹样，每种纹样试验雕刻样本为5个。试验条件：1）为避免刀具对试验结果造成影响，试验用刀具为新刀，保证锋利程度；2）刀具运动方向与木材纹理方向成90°角，此时雕刻质量最好试验方案参数：1）采用曲面精加工方法，平行截线（精）的走刀方式；2）刀具的路径间距为0.11mm;3）加工进给倍率为70%1.4.2木材纹理方向与尺寸试验条件雕刻纹样：30mm（长）×6mm（宽）×3mm（深）的半圆直线段，以3°为间隔，圆形阵列（如图1所示），图形总尺寸为250mm×250mm，每个试验样本数为5个。试验条件：1）为避免刀具对试验结果造成影响，试验用刀具为新刀，以保证锋利程度；2）两种加工方式：刀具运动方向与木材纹理方向平行和垂直；3）刀具主轴行进速度6000mm/min，刀具主轴转速24000r/min。试验方案参数：1）采用曲面精加工方法，平行截线（精）的走刀方式；2）刀具路径间距为0.11mm;3）加工进给倍率为70%1.4.3试验2：水平间距雕刻纹样：为缩短试验时间，将图1纹样的图案缩小至初始图案的一半，仍为半圆直线段，以3°为间隔，圆形阵列，图形总尺寸为125mm×125mm，每个试验样本数为5个。试验条件同试验2。试验方案参数：1）曲面精加工，平行截线（精）的走刀方式；2）刀具路径间距为0.11mm;3）加工进给倍率为10%。2结果与分析2.1加工性能分析2.1.1数控雕刻纹样分析雕刻试验效果如图2所示，经评分定级，质量等级结果如表1所示。结合图表分析可知，10种雕刻纹样的雕刻样本得分一致，平均为3，这说明：1）小径柚木数控雕刻性能为3级，处于中等水平；2）不同种雕刻纹样对雕刻质量无明显影响，小径柚木数控雕刻质量与雕刻纹样种类无关，与自身材性有关。2.1.2小木材砂浆的抗起毛刺结果小径级速生柚木心材和边材区分明显，心材颜色深呈黄褐色，边材颜色浅呈淡黄色至白色。由于其导管粗且边材质地较心材疏松，加工过程中易出现毛刺（图3所示），但因小径柚木木材相对质硬，这种平面毛刺的磨砂工作相对容易，而纹样线条上产生的毛刺细小，且需注意保护纹样的美感与尺度，操作更繁杂，后续人工磨砂工作量较大。2.1.3坡面起毛现象1）“上坡起毛”规律：10种雕刻纹样，30个雕刻样本的雕刻均出现相同的起毛现象，即以NC加工代码y轴正轴方向为视线基准方向，纹样线条左侧从最低点到最高点的上坡阶段出现起毛现象，纹样线条右侧从最高点到最低点的下坡阶段相对光滑，且纹样不同部位起毛程度不均，如图4为“上坡起毛”现象的局部示意图。2）“切削起毛”规律：10种雕刻纹样，30个雕刻样本的雕刻过程中，均出现相同的刀具切削现象，即从NC加工代码x轴坐标值从0→最大值时（从左→右加工时），雕刻部位出现毛刺立在雕刻基面上，从NC加工代码x轴坐标值从最大值→0时（从右→左加工时），雕刻部位无毛刺立于雕刻基面，如图5所示。2.2影响因素分析2.2.1坡面系面为硬雕刻试验结果如图6、7所示。结果表明：1）刀具运动方向与木材纹理方向垂直，纹样线条与木材纹理方向所成角度为60°～120°时雕刻面相对光滑，0°～60°时上坡起毛程度逐渐减弱，120°～180°时上坡起毛程度逐渐增强；2）刀具运动方向与木材纹理方向平行，纹样线条与木材纹理方向所成角度为135°～180°时雕刻面相对光滑，0°～135°时上坡起毛程度逐渐减弱。这说明加工方式不同，纹样线条与木材纹理方向所成角度不同，雕刻质量也不同，同时也是“上坡起毛”规律中纹样不同部位起毛程度不均的根本原因。2.2.2纹样雕刻加工克氏原螯虾纹样木纤维的制备雕刻试验过程中出现的“切削起毛”规律与刀具在单位距离上切削木材的次数有关。小径柚木是阔叶材，木纤维占比为50%，直径范围为0.01～0.05mm1）刀具运动方向与木材纹理方向垂直，从左→右加工时，刀具主轴顺时针旋转，转速为24000r/min(400r/s），进给倍率70%(6000mm/min×0.7=70mm/s），即每0.175mm的行进距离上，刀刃会切削木材1次，而理论上每0.175mm的距离上有1.75～8.75根木纤维需被切割断，说明此时会有部分木纤维未被完全有效切割，这些未被有效切割的木纤维被刀具拖走拉断并产生毛刺。从右→左加工时，未被有效切割的木纤维被刀具强制折断产生毛刺，进而形成起毛现象。虽然右→左加工比左→右加工看起来较光滑，且无毛刺立在雕刻基面上，但实际上两种方式均会起毛，只是左→右加工木纤维是被拉断，而右→左加工木纤维是被折断。同理，刀具主轴顺时针旋转，转速为24000r/min(400r/s），进给倍率10%(6000mm/min×0.1=10mm/s），即刀具每0.025mm的行进距离上切削木材一次，此段距离上有0.25～1.25根木纤维，此时木纤维可被完全切割断（如图8所示），抛开木材自身导管因素，可认为几乎没有起毛现象。这说明，刀具运动方向与木材纹理方向垂直时，若选择合适的主轴转速和进给速度参数，刀具能将木纤维完全切割断，可避免起毛现象发生。2）刀具运动方向与木材纹理方向平行，从左→右加工时，切削掉的木材呈刨花状；从右→左加工时，切削掉的木材呈木屑状。进给倍率为70%时（如图7所示），纹样雕刻处因木纤维未被完全切割而被拉断，出现大量木毛，还有部分刨花未被完全切割掉仍挂在木材上，且加工过程中产生的刨花容易缠绕刀具，使刀具断蹦；进给倍率为10%时，纹样雕刻处相同的行进距离切削次数增多，但因其类似刨切切削，仍有部分木纤维未被完全切割而被拉断，产生木毛（如图9所示），但较图7有改善。这说明，刀具运动方向与木材纹理方向平行时，主轴转速和进给速度参数搭配合适能降低木材起毛程度，但无法避免。3精细雕刻加工中起毛规律及应对措施1）小径柚木大部分力学性能处于中等水平2）加工方式的选择很重要，无特殊情况下，刀具运动方向应与木材纹理方向垂直，此时加工质量良好且安全。3）“上坡起毛”是小径柚木在CNC雕刻过程中的主要起毛规律。若生产中不具备将主轴转速和进给速度参数搭配调整到合适的条件，则精雕作图时应尽量避免起毛严重的线条角度，后续磨砂时也应根