（木材科学与技术专业论文）板式家具偏心连接件接合性能研究.pdf

摘要 偏心连接件是扳式家具中使用最多的一种紧固连接件，其接合性能直接影响家具的 整体强度、刚度和产品质量。但是，目前偏心连接件在制造和应用上还存在以下主要问 题：规格过多，无统一的国家标准；质量参差不齐；接合参数凭经验确定且不同特性的 基材采用相同的接合参数，缺少科学依据；理论基础研究不足等。因而，严重影响偏一t l , 件连接件的应用、开发和制造。 为此，本文对预埋螺母抗拔强度力学特性、直接拧入式螺杆抗拔强度力学特性、l 型与t 型接合点力学特性以及偏心连接件的改进设计等方面展开了研究，得出以下结果。 尼龙预埋螺母应用于刨花板、中密度纤维板和柳桉三种基材，其极限抗拔力随着1 7 , 值( 导向孔直径与尼龙螺母外径之比) 的增加而增大，当达到一个最大值后呈下降的趋势。 在旺约为0 9 1 时，尼龙预埋螺母极限抗拔力达到了相对高的数值。 直接拧入式螺杆的极限抗拔力比尼龙预埋螺母的极限抗拔力高，刨花板、中密度纤 维板、竹集成材三种基材分别约高出2 1 3 、3 9 1 、3 6 3 。直接拧入式螺杆的极限抗 拔力随着拆装次数的增多而下降，但是，当拆装次数为8 9 时，极限抗拔力仍然可达到 尼龙预埋螺母的水平。 在偏心体安装孔距相同的条件下，二合一偏心连接件的破坏弯矩和刚性效率明显优 于三合一偏心连接件。t 型接合的破坏弯矩、刚性效率要比l 型大。基材对接合点的破 坏弯矩、刚性效率影响较大，两个性能指标的值由大到小依次为竹集成材、中密度纤维 板和刨花板。随着偏心体安装孔距的增大破坏弯矩有所增大，连接刚性效率则显著增大。 当偏心体安装孔距产生负偏差时，破坏弯矩和刚性效率降低；当偏心体安装孔距产生正 偏差时，破坏弯矩和刚性效率增加。 对偏心连接件的设计提出了设想，并建议家具五金生产企业尽快建立行业协会，依 托科研院所开展对家具五金的研究，在此基础上制定出全国统一的偏心连接件制造和应 用技术行业标准。 关键词：板式家具；偏心连接件；强度：刚度 t h es t u d yo nj o i n tp r o p e r t yo fe c c e n t r i cf i t t i n g so fp a n e l t y p ef u r n i t u r e a b s t r a e t e c c e n t r i cf i t t i n g si sak i n do ft i g h t e nf i t t i n g sw h i c hi sm o s tw i d e l yu s e di np a n e l t y p e f u r n i t u r ea n di t sj o i n tp r o p e r t yd i r e c t l yi n f l u e n c e st h es t r e n g t ha n dr i g i d i t yo ff u r n i t u r ea n dt h e q u a l i t yo fp r o d u c t s a tp r e s e n t ，t h e r ea r es o m ep r i m a lp r o b l e m sw h i c hs e r i o u s l ya f f e c ti t s m a n u f a c t u r i n g ，a p p l i c a t i o na n de x p l o i t a t i o n ：t h e r ei sn on a t i o n a ls t a n d a r dw h i c hl e a d st ot h e s p e c i f i c a t i o n si sn o tu n i t e d ；t h eq u a n t i t yo fe c c e n t r i cf i t t i n gi su n e v e n ；t h ej o i n tp a r a m e t e ri s d e t e r m i n e db ye x p e r i e n c ea n dd i f f e r e n tk i n do fm a t e r i a l ss h a r et h es a m ej o i n tp a r a m e t e r , w h i c hi sl a c ko fs c i e n t i f i cb a s i s ；t h eb a s i cr e s e a r c ho f t h e o r yi sn o te m p h a s i z e d t h e r e f o r e t h i sp a p e rh a ss t u d i e ds u c ha s p e c t sa st h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ed r a w i n gs n n g t h o fi n b u i l tn u ta n dd i r e c ta s s e m b l i n gb o l t ，t h em e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i co ft - t y p ea n dl - t y p e j o i n ta n dt h ei m p r o v e m e n to f d e s i g n i n ge c c e n t r i cf i t t i n g s ， t h er e s u l t sa r e1 i s t e da sf o l l o w s ： t h eu t m o s td r a w i n gs t r e n g t ho f n y l o ni n b u i l tn u ti np a r t i c l e b o a r d ( p b ) m e d i u md e n s i t y f i b e r b o a r d ( m d f ) a n db a m b o og l u e l a m i n a t e dp a n e li n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo fa w h i c hi s t h er a t i oo fd i a m e t e r so ft h eo r i e n t e dh o l ea n dn y l o ni n b u i l tn u t t h ed r a w i n gs t r e n g t hw h i c h a t t a i n e dc o m p a r a t i v e l yh i g hv a l u ew h e nc 【i sa b o u to 9 1s h o w sat r e n do fd e c l i n i n ga f t e ri t r e a c h e dt h em a x i m u m t h eu t m o s td r a w i n gs t r e n g t ho fd i r e c ta s s e m b l i n gb o l ti np a r t i c l e b o a r d m e d i u md e n s i t y f i b e r b o a r da n db a m b o og l u e l a m i n a t e dp a n e li sa b o u t2 3 1 3 9 1 a n d3 6 - 3 b i g g e rt h a n t h a to fn y l o ni n b u i l tn u t r e s p e c t i v e l y i td e c l i n e sw i t ht h ei n c r e a s eo ft i m e so fd i r e c t a s s e m b l i n gb o l tk n o c k e d d o w n b u t i tc a ns t i l lr e a c ht h a to fn y l o ni n b u i l tn u ta f t e r k n o c k e d d o w n8t o9t i m e s t h eb r e a k i n gb e n d i n gm o m e n ta n dr i g i de f f i c i e n c yo f2 - i n - 1e c c e n t r i cf i t t i n g sa r eb e t t e r t h a nt h o s eo f3 一i n - 1e c c e n t r i cf i t t i i a g sw h e nt h e yu s et h es a m em o u n t i n gd i s t a n c eo fe c c e n t r i c h o u s e t h eb r e a k i n gb e n d i n gm o m e n ta n dr i g i de f f i c i e n c yo ft - t y p ej o i n ta r eb e t t e rt h a nt h o s e o fl t y p ej o i n t t h ei n f l u e n c ed e g r e eo ff u r n i t u r em a t e r i a lt ob r e a k i n gb e n d i n gm o m e n ta n d r i g i de f f i c i e n c yi nb a m b o og l u e l a m i n a t e dp a n e li sb i g g e rt h a nt h o s ei nm e d i u md e n s i t y f i b e r b o a r da n dp a r t i c l e b o a r do r d e r l y w i t ht h ei n c r e a s eo ft h em o u n t i n gd i s t a n c eo fe c c e n t r i c h o u s e ，t h e b r e a k i n gb e n d i n gm o m e n ti n c r e a s e s , w h i l et h er i g i de f f i c i e n c yi n c r e a s e so b v i o u s l y t h eb r e a k i n gb e n d i h gm o m e n ta n dr i g i de f f i c i e n c yd e c l i n ew h e nt h em o u n t i n gd i s t a n c e 。o c c u r s m i n u sw a r p ，a n dt h e yi n c r e a s ew h e nt h em o u n t i n gd i s t a n c eo c c u r sp l u sw a r p i nt h i sp a p e r , t h ea s s u m p t i o no f d e s i g n i n ge c c e n t r i cf i t t i n g sa n dt h es u g g e s t i o no f f o u n d i n g g u i l da m o n gt h ec o m p a n i e so f f u r n i t u r eh a r d w a r ea sq u i c k l ya sp o s s i b l eh a v e b e e np u tf o r w a r d f u r t h e r m o r e t h es t u d yo nf u r n i t u r eh a r d w a r ec o u l db ee x p l o r e dd e e p l yw i t l lt h es u p p o r to ft h e a c a d e m i cr e s e a r c hi n s t i t u t e w h i c hi st h eb a s i so ft h ee s t a b l i s h m e n to fn a t i o n a ls t a n d a r du s e d i nt h ef i e l d so f t h em a n u f a c t u r i n go f e c c e n t r i cf i t t i n g sa n dt h e a p p l i e dt e c h n o l o g yi n d u s t r y k e yw o r d s ：p a n e l t y p ef u r n i t u r e ；e c c e n t r i cf i t t i n g s ：s t r e n g t h ；r i g i d i t y 致谢 y9 0 4 7 l ；2 本论文是在南京林业大学关惠元教授悉心指导下完成的。从师三年，导师渊博的学 识、严谨的治学作风使学生受益匪浅，在此期问，导师对学生的学习倾注了很大的心血。 在论文完成之际，谨向导师致以崇高的敬意和衷心的感谢，感谢导师对学生给予的指导 和关心。 深圳科鼎五金实业有限公司提供了实验所需的五金件，并得到了该公司赵盛华总经 理和尹邦洋经理的指点，在此向公司及两位经理致以衷心的感谢和深深的祝福。 在论文完成过程中，得到了南京林业大学杨文嘉教授、顺德家具行业协会秘书长范 常鹏先生、南京林业大学的王道静博士的指导和帮助；得到了木材工业学院贾狮老师、 葛达璋老师、王容辉老师、周兆兵老师和吕九芳老师的大力帮助；在论文答辩过程中， 得到了上海家具研究所许美琪教授、南京林业大学张彬渊教授、吴智慧教授、申利明教 授、李军副教授、陈于书副教授和祁忆青老师的指正，在此向各位老师致以诚挚的谢意 和衷心的祝福。 另外，还要感谢我的同学刘彬和郭晓磊，我的师弟徐强和王平等在实验过程中对我 的帮助。 最后，感谢我的父母对我在学业上长期的支持和不断的鼓励。 作者：崔戍娟 2 0 0 6 年6 月 1 绪论 1 1 板式家具基材的种类和特点 板式家具是从2 0 世纪7 0 年代兴起的一种现代家具，它的出现是家具工业史上的一 次革命。板式家具于2 0 世纪8 0 年代进入我国，9 0 年代发展到鼎盛时期i l 】。板式家具是 指主要受力部件为板件，通过连接件将各个板件连接装配而成的家具。板式家具在造型 上可以千变万化，但其基本构架由结构型零部件、装饰型零部件和连接件组成。由为数 不多的若干部件，就足以变化出数以百计、式样各异的产品，这正是板式家具进入现代 工业设计范畴的标志吲。 与传统的框架式家具相比，板式家具有许多符合现代生活和工业化生产的特点。板 式家具的主要用材为各种人造板或实木拼板，有效地节约了木材；产品结构简单化和产 品部件标准化，使得工艺相对简单；生产时机械化和工业化程度高、周期短；包装和运 输特别方便。 科技的进步促进了木质和非木质人造板工业以及五金工业的发展，使得越来越多的 材料为家具所用，板式家具这种新的家具构形获得很大的发展空间，她的出现对家具的 生产标准化、工业化、多样化和个性化提出了更高要求。 1 1 1 木质人造板 天然木材一直是家具的传统原材料，但随着国民经济的发展和人们生活水平不断提 高，对木材原料需求的质量和数量也日益增加，这样使我国有限的木材资源已呈匮乏之 势，尤其是珍贵木资源更趋于枯竭，难以满足生产需求。各种木质和非木质人造板工业 的发展，为现代家具生产提供了丰富的基材：满足了家具行业大量用材的需要，并使家 具的生产及造型步入了多元化的时代。 在现代的家具生产中，中密度纤维板和刨花板的应用较多，细木工板和厚胶合板等 也有少量应用。与天然木材相比，人造板有标准的幅面规格，表面平整光洁，没有节子、 虫眼等缺陷，天然木材原有的各向异性也得到了改善：、有多种厚度规格供我们选择，可 用于不同的部位和实现不同的功能；可阻按照我们的需要锯解成一定尺寸；不需要干燥 可以直接利用；便于实现生产的自动化和连续化；还可以通过贴面和封边等工艺使人造 板具有实木的美感。尤其是中密度纤维板结构致密均匀，强度较高，具有良好的加工性 能，可以进行钻孔、拼接、铣型、雕刻、裁切、涂饰、开槽、开榫等等。另外，中密度 纤维板的边部也可以直接进行铣型，可以不经过封边而直接涂饰】。 1 1 2 集成材与实木拼板 除了1 1 i 所述材料以外，近年来集成材和实木拼板也被用于制作板式家具。利用 小块实木拼接而成的集成材或是利用窄木条拼接而成的拼板，在保留了木材天然特性的 同时，改善了天然木材缺陷多、易变形和板材宽度受限制等缺点。 1 1 3 竹集成材 值得一提的是，竹集成材是一种新型家具用材。它是通过以竹材为原料加工成一定规 格的矩形竹片，经防腐、防霉和防蛀三防处理、干燥、涂胶等工艺，进行组坯胶合而成的 竹质板方材。竹集成材表面具有致密通直的纹理和错落有致的竹节，板材边缘铣削加工显 示了竹材的天然质感，使得竹集成材成为一种很美观的家具用材。 竹集成材继承了竹材物理力学性能好和收缩率低的特性，具有幅面大、变形小、尺 寸稳定、强度大、刚度好、耐磨损的特点，并可进行锯截、刨削、镂铣、开榫、钻孔、 砂光、装配和表面装饰等加工 4 j 。竹集成材的抗弯强度、抗压强度和抗拉强度均较大： 湿涨干缩变形较小，完全可以和优质的硬阔叶材相媲美( 表卜1 ) 。 表1 1 竹集成材和木材的物理力学性能比较5 】 抗拉强度抗弯强度抗压强度干缩系数 材料 ( m p a )( m p a ) ( m p a )( ) 竹集成材 1 8 4 2 71 0 8 5 26 5 3 90 2 5 5 红松 9 8 16 5 33 2 80 4 5 9 杉木8 1 67 8 9 43 8 8 80 5 3 7 橡木1 5 3 5 51 l o 0 3 6 2 2 30 3 9 2 如果家具的造型、结构与工艺等方面的设计合理，竹集成材家具将能很好地满足人们 的需求。我国的竹材资源非常丰富，开发竹集成材家具是一条缓解木材资源紧张、发挥竹 材资源优势、提高竹材的利用价值及附加倬、满足家具市场需求的行之有效且非常重要的 途径。 1 2 板式家具板件问连接方式概述 板式家具板件问的连接方式有固定式、待装式和拆装式三种。固定式连接采用木螺 钉和圆榫接合，主要用于单体式家具的装配【6 ：待装式和拆装式是目前板式家具主流的 连接方式，它采用多种五金连接件将板件连接成一体。常用的连接件有：金属四合一连 接件、圆柱螺母连接件、直角倒刺连接件、梯形连接件和偏心连接件等等。 图卜1 为三种四合一金属连接件，可用于板式家具板件间的直角接合和斜角接合。这 种连接件能承受较重载荷。 图1 - 1 四合一金属连接件 图1 - 2 为圆柱螺母连接件，螺母装入圆孔中，螺杆穿过板件对准螺母旋紧达到连接 目的。这种连接件主要用于板件的垂直接合，使用方便，但是螺杆头部外露于家具表面。 。一 图卜3 直角倒刺连接件 图卜4 为梯形连接件，有内元件和外元件两部分，分别固定在两个板件上。安装时， 内元件嵌入外元件，再用螺钉把两个部件拧紧即可。这种连接件用于受力要求不高的板 件直角接合，外露部分较多，不适宜用在显眼的位置。 碍画i ii 鬲1 ii l l11 图卜4 梯形连接件 偏心连接件是目前国内外板式家具中最常用的连接件。它的连接方式和连接原理如 图卜5 所示。 图卜5 海福乐公司研制的迷你拆装连接件7 】 与其他的几种连接件相比，偏心件有以下优点：偏心件隐藏于家具板件内，不影响 家具外观；可拆装、安装简洁高效；连接可靠和成本低廉等。 偏心连接件的种类和规格很多。根据连接件的构成形式可分为三合一、二合一和双 头偏心件三种。三合一的偏心件由偏心体、单头螺杆和预埋螺母组成，螺杆带有机制螺 纹，使用时拧入预埋螺母中( 图卜6 中的a 和图卜7 ) ：二合一的偏心连接件由偏心体和 直接拧入式螺杆组成，与前一种机制螺杆不同的是，这种螺杆带有自攻螺纹，在使用时 直接拧入预先钻在基材的导入孔内，而不需要预埋螺母( 图1 6 中b 和图卜8 ) ；双头偏 心件主要是偏心件和双头螺杆组成，双头又有直杆和任意角度折合两种形式( 图卜9 和 图1 1 0 ) 。 a 三合一 b 二合一 图1 - 6 三合一和二合一偏心连接件 川嘲 酬吲 图卜7 三合一偏心连接件典型安装图1 - 8 二合一偏心连接件典型安装 4 图卜9 双头螺杆典型直角安装图卜1 0 双头螺杆典型斜角安装 对于三合一偏心件，机制螺杆需要拧入预埋螺母，预埋螺母也有很多的形式，常见 的有尼龙预埋螺母和金属螺母，根据不同的连接基材进行选择。尼龙预埋螺母利用尼龙 在压力下产生变形而不破坏地嵌入基材内，当拧入螺杆时，螺母膨胀而使倒刺更加紧固 在基材中，适用于刨花板、中密度纤维板的板式家具。当家具基材质地较坚硬时，可采 取金属预埋螺母来提高连接强度。 1 3 本课题的目的、意义和主要内容 1 3 1 研究的目的和意义 家具是我们日常生活与工作不可缺少的器具，一件设计精良的家具不仅使我们使用 便利舒适，还能给我们审美的快感和愉悦的精神享受。要达到这种要求，家具的造型设计、 功能设计和结构设计等各个方面必须是相辅相成、完美统一。随着社会的发展和科学技 术的进步、市场竞争的加剧以及人们生活水平不断提高，对高质量家具产品的要求日益 强烈，家具制品的结构强度设计日益受到家具的生产及研究部门的重视。 而在进行家具结构强度设计时，家具接点设计是最重要的一步，即使构件有足够的 强度来承受外力，如果接点强度不够，整个家具还是较易损坏。实际上由于接点强度低 而引起的家具破坏，比任何其他原因要多，所以科学地设计家具接点是特别重要的，这 样家具在使用中才能安全承受外力作用【8 】。 偏心连接件是板式家具中使用较为频繁和起基础作用的一种连接件，其接舍性能很 大程度上影响着家具的整体强度、刚度和产品质量。但是，目前偏心连接件在制造和应 用上主要存在以下问题：规格过多，无统一的国家标准：质量参差不齐；接合参数凭经 验确定且不同特性的基材采用相同的接合参数，缺少科学依据；理论基础研究不足等， 严重影响偏心件的改进和开发工作。 因此，本课题从偏心连接件的接合性能着手，通过研究寻求合理连接的规律和改善 接合性能的方法，促进偏心连接件的合理化、标准化生产，提高家具结构设计的规范化 程度和家具结构强度，为偏心连接件的生产和应用提供科学依据。 1 3 2 研究的主要内容 家具结构在很大程度上依赖接点的坚固和稳定性，接点就是两个或多个构件接合到 一起的部位。家具接点是由构件端部接合到一起的很短一段长度和把它们连接起来的连 接件所组成，这样可以认为力从构件传递到接点上，接点再把这些力依次传递和重新分 配给家具框架中的其他构件。接点上所承受的力由以下几部分组成：( 1 ) 沿着构件纵向 轴线作用的轴向拉应力；( 2 ) 垂直于构件纵向轴作用的横向剪力；( 3 ) 作用于构件上的 弯曲和扭转力矩，处于纵向轴线的平面内，或是对纵向轴线取力矩【8 1 。 接点处的受力很复杂，就三合一和二合一的偏心连接件而言，偏心体的外圆接触基 材的圆孔受力面而拉紧家具板件：带机制螺纹的螺杆拧入预埋螺母，预埋螺母又与基材 进行嵌入式接合，这时螺母和基材的嵌固力就显得很重要；直接拧入式螺杆直接与基材 进行螺纹接合，螺杆与基材的接合是否牢固很重要。另外，板式家具的板件连接最常见 的有“l 型”和“t 型”，偏心件在实现连接时，连接件品种、规格以及连接精度等都影 响着连接性能。从这几个方面考虑，针对三合一和二合一的偏心连接件，确定如下主要 研究内容： ( 1 ) 预埋螺母的抗拔强度力学特性 ( 2 ) 直接拧入式螺杆的抗拔强度力学特性 ( 3 ) l 型与t 型接合点的力学特性 1 4 国内外研究概况 影响连接件接台性能的因索很多，国外早在2 0 世纪5 0 年代就已经开始研究。1 9 7 5 年b a c h m a n n 和h a s s l e r 进行实验得出：当金属预埋件直径为1 1 5 m m 、埋入刨花板深度 l i 哪时，对于密度为0 6 8 7 9 c m 3 的刨花板抗拔强度为6 0 0 n ，对另外一种密度为 0 6 8 9 9 c m 3 刨花板抗拔强度为1 0 0 9 n ，可以看出刨花板的密度对抗拔强度有影响。他们 对直径为1 2 5 m m 的金属预埋件进行实验，得出结论是直径对预埋件的抗拔强度影响不 大。然而当长度从1 l m m 增大到1 3 m m 时，他们实验得到的抗拔强度几乎增长3 0 。因此 他们得出这样的结论：预埋件长度对抗拔强度的影响比直径更大。最后还指出涂胶后压 入的塑料预埋件具有较高的抗拔强度【8 l 。 e c k e l m a n ，c a 9 3 0 对长度为1 2 7 唧的两种直径的预埋件，在中密度纤维板试件中 的平均抗拔强度进行研究，直径为9 5 m m 的预埋件抗拔强度是1 8 1 0 n ，而直径为1 2 m m 的 预埋件抗拔强度是1 8 6 4 n ，所以两种规格预埋件基本上得到同样结果。 m u r a k o s h i 技术资料指出，直径为1 2 m m 的金属预埋件在刨花板试件中，当埋入深度 由1 3 m m 增加到2 0 啪时，抗拔强度平均从8 2 3 n 增加到1 3 7 2 n 。实验还发现，预埋件在构 件中的部位对抗拔强度也有很大影响，预埋件的位置靠近试件端部，就象l 型接合那样， 比远离试件端部t 型接合的抗拔强度小2 5 f 8 】。 藤元嘉安【l l 】，野口昌巳【埘研究了导向孔直径对螺钉连接性能的影响。安藤直人i l3 1 ， 秦正德【1 4 , 1 5 ，棉真幸宏【l6 j 对家具接点的连接刚性效率进行了研究。j e r z ys m a r d z e w s k i ”j 对家具接点的强度特性进行了研究。 6 我国的板式家具五金业起步较晚，轻工业部在1 9 7 8 年下达给山东海阳县家具配件 厂、上海家具研究所和上海家具五金厂承担的“板式家具连接件及五金配件研究”，经 年多努力，两厂一所分别研制成以金属和工程塑料为材料的连接件、五金配件和装饰件， 当时偏心连接件只有m 2 5 m m 一种规格【l 。后来随着家具的发展需要，我国家具五金企业 逐渐开发出0 1 5 m m 、0 1 2 m 和o ) l o m m 的偏心连接件。 北京木材工业研究所马耀驭等【l9 】先后于1 9 7 9 年和t 9 8 2 年对膨胀式、倒刺式、偏心 式、圆柱螺母式等8 种连接件的接合性能进行研究，提出用四种指标来衡量五金件的力 学性能，即连接件的拔出荷重、拔出比阻、破坏弯矩和连接刚性效率。研究指出，在刨 花板中埋入内嵌螺母之前，所钻导孔直径的大小与握钉力有很大关系，具体的适宜尺寸 应根据不引起板材开裂而具有最好握持强度的原则来确定；在装配家具时，连接件主要 安装在接点部位，多数是受弯矩作用：8 种连接件对刨花板的连接性能，圆柱螺母、对 接式最好，而偏心式居其次，使用时在钉帽不准外露的情况下，可选用偏心式：为增加 家具结构的刚度，使用拆装型连接件时，应辅以圆棒榫补强。 东北林业大学的司传领 2 0 l 通过对板式家具角部接合性能研究，在硕士论文中指出： 连接件对板式家具角部强度和冈度有很大影响。无论是中密度纤维板或刨花板，无论采 取“t ”或“l ”连接，在强度方面“倒刺螺母 圆榫 偏心连接件 胶接合”；在刚度方面 “胶接合 偏心连接件 倒刺螺母 圆榫”。 南京林业大学的聂文杰【2 l j 通过对竹集成材椅类家具五金连接的研究，在硕士论文 中指出：竹集成材的可压缩性不大，三合一偏心连接件中的尼龙和叶片式金属预埋螺母 都很难有效嵌入竹集成材，抗拔强度都很低；实验中螺母受损严重，导向孔直径所得数 据无规律性；尼龙预埋螺母应用于中密度纤维板抗拔强度大于螺钉，而应用于竹集成材 中远小于螺钉的抗拔强度。 南京林业大学的李吉庆【4 】通过对新型竹集成材家具的结构设计研究，在博士论文中指 出：对于竹集成材，使用竹圆榫比白桦实木圆榫和直角榫的接合强度都低；木圆榫插入竹 集成材的深度、木圆榫与样孔配合的过盈量对木圆榫的接合强度影响显著：双直角榫的接 合强度比单直角榫大，单直角棒的接合强度比双圆榫大，偏心件的接合强度最小，与偏心 件接合用的螺母宜用金属材料。 随着家具生产能力的提高，家具五金配件的发展也很迅速【2 2 2 4 】。当今国际上，家具 五金工业发展较先进的首推德国，家具五金国家标准颁布最多的也首推德国，世界知名 的德国家具配件品牌有“海福乐”、“海蒂诗”等【2 5 ，2 6 】。海福乐公司研制的迷你拆装连接件 ( m i n i f i xk n o c kd o w nf t t i n g s ) ，它独辟蹊径地采用了球面凸轮运动副，使其偏心体的 直径仅为m l s m m ，甚至c l o t u r e ，而拧转1 8 0 0 的提升量可达4 7 咖( 改进新型拧转1 9 5 0 的提 升量达5 7 m m ) ，而且有足够的自锁力，可在一股负荷条件下广泛采用【2 7 j 。 2 预埋螺母的抗拔强度力学特性 2 1 实验材料 实验用基材有刨花板、中密度纤维板、实木和竹集成材四种。刨花板的厚度为1 8 m m ， 密度为0 6 7 9 c m 3 ，弹性模量为2 4 1 9 m p a ：中密度纤维板的厚度为1 8 m m ，密度为0 7 7 9 c m 3 ， 弹性模量为2 5 8 0 m p a ；实木的材种为柳桉，密度为0 ，5 0 9 c m 3 ；竹集成材为图2 - 1 所示的 三层结构横拼板，厚度为1 6 m m ，密度为0 7 1 9 c m 3 ，弹性模量为8 3 3 5 m p a 。 图2 - 1 三层结构竹集成材 预埋螺母采用深圳科鼎五金实业有限公司生产的尼龙预埋螺母和膨胀式金属预埋 螺母，型号分别为f o i l 和f o l 5 ，外观形状和尺寸分别如图2 2 、图2 3 所示。 2 2 实验方法 豢 图2 - 2 尼龙预埋螺母 图2 - 3 膨胀式金属预埋螺母 马耀驭等1 明用拔出荷重和拔出比阻两个参数考察了预埋螺母的接合强度。拔出荷重 即通常所指的极限抗拔力，拔出比阻即通常所指的单位长度上的极限抗拔力。本实验的 目的在于考察预埋螺母与各种基材间的接合规律，最终寻求其最佳的接合参数。因此， 参照刨花板握螺钉力的加载方法和马耀驭等的实验方法，结合本实验的目的与要求，采 用如图2 - 4 所示的预埋螺母极限抗拔力测试方法一 ，”-8一窿一 图2 4 预埋螺母极限抗拔力测试原理图 试件的尺寸为5 0 r a m x 5 0 r a m ，中心位置钻一个安装预埋螺母的导向孔。测试前先将预 埋螺母敲入导向孔内，再将螺杆按厂商提供的安装要求拧入预埋螺母内，制作成待测试 件( 围2 - 5 ) 。为了保证实验的正确性，安装预埋螺母和螺杆时尽量垂直试件的表面进行。 图2 5 试件的尺寸、预埋螺母和螺杆的安装 目前国内外的家具生产厂家对预埋螺母的安装有过盈配合、膨胀、过盈配合与膨胀 相结合等三种方法。无论哪种方法，预埋螺母导向孔直径与预埋螺母外径的关系直接影 响预埋螺母与基材间的接合强度。在此，用式2 1 表示导向孔直径与预埋螺母直径的关 系。 d 0 【= d ( 2 - 1 ) 式中：旺为导向孔直径与预埋螺母外径之比，d 为导向孔直径，d 为预埋螺母外径。 导向孔的深度为1 2 m m 。导向孔的直径根据预埋螺母外径与设定的a 值，按公式2 - l 来确定。实验时，通过调整钻头直径得到不同的导向孔直径。 9 j 毒斗 圈一一 到0 幸 根据预实验及钻头的规格，的值取0 8 5 、0 8 7 、0 8 9 、0 9 1 、0 9 3 、0 9 4 六个等 级。刨花板、中密度纤维板和柳桉分别进行了6 个a 等级的极限抗拔力坝4 试。但是。竹 集成材试件仅进行了后5 个a 等级的极限抗拔力测试，因为当为0 8 5 时，安装尼龙 预埋螺母过程中造成竹集成材开裂，无法制作正常的试件。 每种基材对应的每个a 等级重复进行3 q 次测试，取3 0 次测试的平均值作为测试结 果。 预埋螺母极限抗拔力测试用深圳市新三思材料检测有限公司生产的c m t 6 1 0 4 型电子 万能力学试验机进行( 图2 6 ) 。加载速度设定为l o 嗍m i n ，数据采集精度为0 o i n 。 图2 6 预埋螺母极限抗拔力测定 2 3 实验结果与分析 2 3 i 预埋螺母极限抗拔试验试件的破坏形式 剖面图 图2 7 刨花板基材尼龙预埋螺母极限抗拔力测试的破坏形式 l o 图2 - 7 是刨花板基材尼龙预埋螺母极限抗拔力测试的破坏形式。6 种口值对应的1 8 0 次测试，其破坏形式几乎全部为预埋螺母被完整拔出，只有极个别的预埋螺母未被拔出 或者只拔出了一半。预埋螺母的倒刺被压弯( 参见图2 - 9 ) ，压弯的程度随着值的减小 而增大。导向孔周边表面剥离现象严重，其主要原因是刨花板断面上密度差异过大所致。 预埋螺母拔出后导向孔内壁变化不明显。 图2 - 8 是中密度纤维板基材尼龙预埋螺母极限抗拔力测试的破坏形式。与刨花板基 材的情况相似，6 种a 值对应的1 8 0 次测试，其破坏形式几乎全部为预埋螺母被完整拔 出，只有极个别的预埋螺母未被拔出或者只拔出了一半。预埋螺母的倒刺被压弯( 图 2 - 9 ) ，压弯的程度随着口值的减小而增大。与刨花板基材不同的是，导向孔周边有明显 的隆起，基材有分层现象出现，但是无材料掉落。出现该现象的主要原因是中密度纤维 板断面上密度较刨花板均匀，预埋螺母与基材间的握紧力相对较大，在抗拔过程中断面 密度较低的中间层产生分层剥离，并向表面隆起，孔径也随之增大，此时预埋螺母被轻 松拔出，基材中间层虽产生分层剥离，但没有像刨花板基材那样出现掉落。 观察导向孔的内壁，可以看到纤维很细腻，还有几道被螺母倒刺压过的轻微压痕。 剖面图 图2 8 中密度纤维板基材尼龙预埋螺母极限抗拔力测试的破坏形式 图2 9 尼龙预埋螺母倒刺被压弯的情况 图2 - 1 0 是柳桉基材尼龙预埋螺母极限抗拔力测试的破坏形式。与刨花板、中密度纤 维板基材的情况完全不同，6 种g 值对应的1 8 0 次测试，其破坏形式出现了以下三种情 况：预埋螺母被拔断，半截仍留在基材的孔内：预埋螺母被完整拔出；预埋螺母 被部分拔出。与前两种基材相同，预埋螺母的倒刺被压弯，压弯的程度随着n 值的减小 而增大。大部分导向孑l 的周边没有明显变化，少数导向孔的周边被拉出毛刺。观察导向 孑l 的内壁，可以看到柳桉木质较为疏松，有几道被螺母倒刺压过的轻微压痕。 剖面图 图2 1 0 柳桉基材尼龙预埋螺母极限抗拔力测试的破坏形式 图2 1 1 是竹集成材尼龙预埋螺母极限抗拔力测试的破坏形式。5 种旺值对应的1 5 0 次测试，其破坏形式全部为预埋螺母被完整拔出。当a 值为0 8 7 、0 8 9 和0 9 1 时，预 埋螺母的倒刺压弯比较严重，导向孔周边基材表面有开裂现象；当c 【值为0 ，9 3 和0 9 4 时，预埋螺母倒刺被压弯的程度比上述三种情况轻，导向孔周边基材表面完整。导向孔 的孔壁没有被破坏，孔的形状很完整，孔的内壁未见明显的螺母倒刺压痕。 剖面图 图2 - 11 竹集成材尼龙预埋螺母极限抗拔力测试的破坏形式 图2 1 2 、图2 一1 3 是竹集成材膨胀式金属螺母极限抗拔力测试的破坏形式。膨胀式 金属预埋螺母在装入竹集成材过程中末见基材的开裂现象。螺母拔出后出现了以下两种 情况：螺母被完全拔出且未见损坏；螺母被完全拔出但倒刺发生不同程度的折断。 图2 - 1 2 竹集成材膨胀式金属螺母极限抗拔力测试的破坏形式( 一) 1 2 螺母拔出后，有的导向孔的形状基本保持完整，有的导向孔的周边表面被拉出毛刺。 导向孔的内壁明显看到螺母倒刺嵌入基材的凹痕( 图2 1 3 ) 。 剖面图 图2 - 1 3 竹集成材膨胀式金属螺母极限抗拔力测试的破坏形式( - - ) 2 3 2 预埋螺母极限抗拔力 2 3 2 1 尼龙预埋螺母的旺与极限抗拔力的关系 尼龙预埋螺母的c 【与极限抗拔力的关系如图2 1 4 所示。从图中可知，刨花板、中密 度纤维板和柳桉三种基材的极限抗拔力与之间存在着相似的关系，即极限抗拔力随着 d 值的增加而增大，当达到一个最大值后呈下降的趋势。刨花板基材的最大极限抗拔力 出现在a 值为o 9 0 0 9 2 的范围内，中密度纤维板基材的最大极限抗拔力也出现在值 为0 9 0 0 9 2 的范围内。在本次实验中，柳桉基材的极限抗拔力相对前两种基材数值的 变动稍大些，但从趋势线看，与刨花板、中密度纤维板的结果相似，即极限抗拔力随着 a 值的增加而增大，当达到一个最大值后呈下降的趋势，最大极限抗拔力出现在d 值为 0 8 9 0 9 1 的范围内。 图2 一1 4 尼龙预埋螺母的a 与极限抗拔力的关系 竹集成材的a 与极限抗拔力的关系与前三种基材的结果完全不同，极限抗拔力随着 g 值的增加而呈下降的趋势。当吐为0 8 7 时，单纯从实验数值看极限抗拔力最大，但从 尼龙预埋螺母和螺杆的装配情况来看，这时螺杆拧入费劲，且易造成基材开裂。当a 约 为0 9 1 时，尼龙预埋螺母和螺杆的装配相对容易。 根据上述分析，在旺约为o 9 1 时刨花板、中密度纤维板、柳桉和竹集成材四种基 材的尼龙预埋螺母极限抗拔力均达到了相对高的数值，具体数值见表2 1 。 表2 1为0 9 1 时尼龙预埋螺母的极限抗拔力 基材刨花板中密度纤维板柳桉竹集成材 极限抗拔力( n ) 7 4 4 0 09 0 2 4 21 1 7 2 0 7 9 7 6 0 9 当旺为0 9 1 时，四种基材的尼龙预埋螺母极限抗拔力的大小依次为拗桉、竹集成 材、中密度纤维板和刨花板。 影响尼龙预埋螺母极限抗拔力的主要因素有基材的材质、尼龙预埋螺母的质量和导 向孔的直径等。当尼龙预埋螺母装入比自身外径稍小的导向孔时，螺母与导向孔壁间产 生相互挤压的力，一方面尼龙预埋螺母的倒刺尖端部分稍有被压弯，另一方面由于尼龙 本身有一定的弹性，上述四种基材都使螺母受到了一定程度的挤压，并观察到了拧入螺 杆的螺母内腔发生一定程度的缩小。将金属螺杆拧入螺母，螺母在螺杆的挤压下向外膨 胀，对导向孔壁产生挤压作用。若基材的材质相对比较松软，则尼龙预埋螺母的倒刺嵌 入基材中；若基材的材质相对比较坚硬，则尼龙预埋螺母的倒刺将被压弯。柳桉、中密 度纤维板和刨花板基材属于第一种情况，竹集成材基材属于第二种情况。 一般常识认为螺母的倒刺嵌入基材越深，抗拔能力越好。但是，中密度纤维板和刨 花板由于断面密度不匀、自身的内结合强度不高等原因，虽然螺母倒刺嵌入基材较深， 僵抗拔力仍然没有柳桉、竹集成材基材的高。柳桉基材的内结合强度比中密度纤维板和 刨花板高，螺母的倒刺又能嵌入其中，故抗拔力比较高。竹集成材基材密度大、材质坚 硬，螺母的倒刺不能嵌入其中，但螺母的强力膨胀挤压与孔壁产生了较大的摩擦力，故 抗拔力同样也比较高。 导向孔的直径过大，螺母与孔壁间的挤压力太小，螺母的倒刺不能很好嵌入基材中 或与孔壁不能产生大的摩擦力，所以四种基材的极限抗拔力都较低。当导向孔的直径相 对较小时，螺母与孔壁间的挤压力增大，螺母的倒刺能很好嵌入基材中或与孔壁能产生 大的摩擦力，所以表现出较高的极限抗拔力。但是，当导向孔的直径过小时，由于螺母 与孑l 壁间的挤压力过大，材质较软的基材出现孑l 壁被挤压破坏，材质坚硬的基材出现螺 母被挤压破坏的现象，结果极限抗拔力也会降低。 总之，对于某种基材存在一个最合适的a 值，确保尼龙预埋螺母的极限抗拔力达到 最佳状态，本次豹实验充分证实了这一结论。 1 4 2 3 2 2 尼龙预埋螺母与膨胀式金属预埋螺母的接合性能比较 从图2 1 4 中看出，尼龙预埋螺母用于竹集成材时，o 值越小极限抗拔力越大，但当 值过小时易造成竹集成材开裂或螺母被挤坏造成这种后果的原因是由于竹集成材的 质地坚硬，螺母的倒刺不能嵌入到基材中。为了提高竹集成材的接点力学特性，选用了 膨胀式金属预埋螺母替换尼龙预埋螺母，并进行了极限抗拔力的测试，其结果见图2 1 5 所示。 童 一 r 辎 堰 皿i 娶 1 8 0 0 1 6 0 0 4 0 0 2 0 0 0 0 0 8 0 0 6 0 0 尼龙预埋螺母 金属膨胀预埋螺母 图2 一1 5 竹集成材两种预埋螺母的极限抗拔力比较 从测试结果可知，膨胀式金属预埋螺母的极限抗拔力为1 5 1 6 8 2 n ，尼龙预埋螺母 的极限抗拔力为9 7 6 0 9 n 缸为o 9 l 时) ，前者比后者增大了5 5 4 。 另外，由于膨胀式金属预埋螺母的导向孔直径只有8 t r n ，比尼龙预埋螺母的小，安 装时不容易造成基材丌裂。观察导入孔壁发现有倒刺压入基材的凹痕，从膨胀式金属预 埋螺母的破坏的形式来看，有的倒刺被折断，说明如果进一步提高膨胀式金属预埋螺母 本身的强度，对极限抗拔力的提高仍存在可能性。 2 4 小结 ( 1 ) 尼龙预埋螺母应用于刨花板、中密度纤维板和柳桉三种基材的极限抗拔力与“ 之间存在着相似的关系，即极限抗拔力随着a 值的增加而增大，当达到一个最大值后呈 下降的趋势。刨花板基材的最大极限抗拔力出现在a 值为0 9 0 - 0 9 2 的范围内；中密度 纤维板基材的最大极限抗拔力也出现在q 值为0 ，9 0 0 9 2 的范围内。柳桉基材的最大极 限抗拔力出现在值为0 8 9 0 9 1 的范围内。 ( 2 ) 竹集成材的极限抗拔力随着n 值的增加而呈下降的趋势。当n 为o 8 7 时极限 抗拔力最大，但从尼龙预埋螺母和螺杆的装配情况来看，这时螺杆拧入费劲，且易造成 基材开裂。当约为0 9 1