（机械设计及理论专业论文）木材压缩弯曲理论及其设备研究.pdf

摘要 人们在很早以前就已经应用火烤法弯曲木材，随着生活水平的提高，弯曲木被越来 越多地应用在家具及门窗上，弯曲木构件的加工水平也越来越高，相继出现了手工弯 曲、机械弯曲和数控弯曲等加工方法，计算机技术的发展也对弯曲木的加工产生了巨大 的推动作用。 弯曲木加工，首先要进行木材原料选择，只有选择了适合弯曲的树种才能进行下一 步的软化处理，软化过程是将木材放入高温高压的容器中，经过长时间的蒸煮使其软 化，必要时可以加入氨水以提高软化效果。随着科技水平的提高，高频和微波加热软化 是今后发展的主要方向之一。随着弯曲方式的多样化，局部加热、局部压缩、局部弯曲 也是达到术材多向弯曲的手段，这样可以减少拼接和胶合带来的麻烦，提高弯曲木的美 观和耐用性。目前世界各国的压缩机多以成捆压缩为主，成捆压缩可以弥补因单根木条 上的缺陷而引起的压缩不均现象，本文对成捆压缩的布局和压缩方法进行了讨论，对于 工业化生产有一定的实践意义。 无沦是手工弯曲还是机械弯曲都需借助一定的工具，模具、刚带是在弯曲过程中起 着决定性作用的工具，它可以使中性层外移，减少外层纤维劈裂的可能性，提高弯曲木 成品率；在同等条件下，缩小木材最小弯曲半径，达到更大的弯曲曲率。文中分别对矩 形截面和圆形截面的弯曲木的最小弯曲半径加以分析，并用图表说明了最小弯曲半径的 变化范围，即使同样是使用钢带，用端部可调的钢带比用端部固定的钢带弯曲木材所形 成的弯曲半径更小。 对弯曲成形理论进行了分析，弯曲木中性层的位置是决定弯曲成功与否的关键，通 过对简式弯曲和复式弯曲的分析，对简式弯曲的中性层位置进行了定量描述，指出了与 其相关的两个重要参数( 极限拉伸强度与极限压缩强度) 的关系：定性地说明了钢带弯 曲对中性层的外移而导致高成品率的原因。在对复式弯曲方法的分析中，指出其提高弯 曲木密度，增加构件刚度的原因。在研究过程中发现，传统的复式弯曲方法在加工无固 定旋转中心和曲率较小的弯曲木构件时应用受到限制，提出了数控复式弯曲方法，解决 了无固定旋转中心和曲率变化较大的弯曲木构件的加工问题，并能与发展相对完善的数 控系统连接起来，对弯曲木加工业具有很大推动作用。文中对机械手弯曲进行了描述， 机械手弯曲也是机械与数控系统相结合的弯曲技术，它对木材多向弯曲是一个突破，可 以很好地解决木材多向弯曲的成形问题。文中对弯曲的轨迹设计和进给量的计算进行了 详细说明，并应用实例进行了分析。但是，这种方法的局限性是无法将钢带加入其中， 对弯曲木的最小弯曲半径有一定的限制。机械手弯曲是由计算机控制的，所以可以利用 计算机资源对木材进行有限元分析，通过有限元分析可以迅速求解木材在特定条件下的 弯曲形状和弯曲应力，更有利于在弯曲过程中实时考虑木材湿度、弹性模量和材种等各 方面的因素。 摘要 对弯曲成形和铣削成形的弯曲构件进行了对比分析，通过数学描述解析方法证明了 弯曲成形的构件具有更高的强度，同时也指出了两者在出材率上的差异。对我国弯曲木 加工企业的技术改进和木材的深加工利用将有一定的价值。 确立了数控弯曲设备( 弯曲机械手) 的总体结构，设计了其控制系统，并对系统实 现的功能及系统的特点进行了详细的说明。 以国家林业局“9 4 8 ”项目“压缩法加工弯曲木生产工艺技术及设备引进”和国家 “8 6 3 ”计划项目“弯曲木成形加工机器人生产线”为课题来源，并得到了它们的资 助。 关键词：木材；压缩；弯曲；工艺；设备 a b s t r a c t l o n gt i m ea g o ，p e o p l ef o u n dt h a tt i m b e rc o u l db e b e n d e dw i t ht h ef i r es h i n i n g w i t ht h e d e v e l o p m e n to fl i v i n gc o n d i t i o n ，t h eb e n d i n gw o o d sw e r ea p p l i e dt ot h ef u r n i t u r ea n dw i n d o w s ， i t sp r o c e s s e sw e r ef i l l e dw i t hm o r et e c h n o l o g y i tw a sa p p l i e dt ot h eb e n d i n gw o o dm a k i n gt h a t m a n u a lb e n d i n g ，m e c h a n i c a lb e n d i n ga n dn cb e n d i n g , a n dt h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e r t e c h n o l o g yp r o m o t e dt h eb e n d i n gw o o dp r o c e s s i nw o o db e n d i n g ，t h er a wm a t e r i a lm u s tb es e l e c t e da tf i r s t ，w h i c hw a st h ef o u n d a t i o nt o t h en e x ts o f t e n i n gp r o c e d u r e ，s o f t e n i n gm e a n st h et i m b e r sw e r ep u ti n t ot h ec o n t a i n e rw i t hh i 曲 t e m p e r a t u r ea n dp r e s si o n a f t e ral o n gt i m e ，t h et i m b e rw a sp l a s t i c ；s o m e t i m e st h ea m m o n i a c o u l db eu s e dt oe n h a n c et h e p l a s t i c i z i n ga f f e c t i o n t h eh j 【曲f r e q u e n c ya n dm i c r o w a v e s o f t e n i n ga r et h en e wr e s e a r c hf i e l d si nt h es c i e n c ea n dt e c h n o l o g ya d v a n c e m e n t t h eb e n d i n gm e t h o dw a sm u l t i p l e x i ti sn e c e s s a r yt om u l t id i r e c t i o nw o o db e n d i n gt h a t p a r t i a lh e a t i n g ，p a r t i a lc o m p r e s s i n ga n dp a r t i a lb e n d e d ，w h i c hr e d u c e dt h et r o u b l eo f j o i n ta n d a g g l u t i n a t i o n ，e n h a n c e dt h ea p p e a r a n c eq u a l i t ya n dd u r a t i o n t ot h ep r e s s e ra l lt h ew o r l d ，t h e p r e c e s s i o ni nb u n d l e sw a st h ep r o c e s st e n d e n c y , w h i c he l i m i n a t e dp r e s su n b a l a n c ec a u s e db y t h ed e f e c t i o no fs i n g l et i m b e r t h ed i s t r i b u t i o na n dp r e s si o ni nb u n d l e sc o u l dp r o v i d et h e t h e o r yf o u n d a t i o ni nt h ei n d u s t r i a lp r o d u c t i o n w h e t h e rm a n u a lb e n d i n go rm e c h a n i c a lb e n d i n g ，t h et o o l sa n dj i g sw e r en e c e s s a r y , a n d t h es t e e ls t r a pw a st h ek e yt o o li nt h eb e n d i n gp r o c e d u r e ，i tm a d et h eu n c h a n g e dl a y e rm o v i n g o u t s i d e ，d e c r e a s et h ep o s s i b i l i t yo fo u t s i d ew o o df i b e rs p l i t i nt h es a m ec o n d i t i o n ，t h es t e e l s t r a pm a d et h eb e n d i n gr a d i u ss m a l l e rg o tg r e a tc u r v a t u r e i nt h i sp a p e r , t h es m a l l e s tb e n d i n g r a d i u so fr e c t a n g l ec r o s ss e c t i o na n dr o u n ds t i c kw e r ea n a ls i z e dw i t ht h ef i g u r e ，f o r mi t s v a r i e t ys c o p e ，i tw a ss h o w e dt h a tt h eb e n d i n gw i t ha d j u s t a b l ee n ds t o pc o u l dg e ts m a l l e r b e n d i n gr a d i u st h a nf i x e de n ds t o pi nt h es t e e ls t r a pu s i n g w i t ht h ea n a l y s i so f b e n d i n gt h e o r y , t h ep o s i t i o no f u n c h a n g e dl a y e ri st h ek e yt ob e n d i n g s u c c e s s i nt h ea n a l y s i so fs i m p l eb e n d i n ga n dc o m p o u n db e n d i n g ，t h ep o s i t i o no fs i m p l e b e n d i n g su n c h a n g e dl a y e rw a sd e s c r i b e d ；i ti sc o n n e c t e dw i t ht w ov i t a lp a r a m e t e r s ，t h e u l t i m a t et e n s i l es t r e n g t ha n du l t i m a t ep r e s ss t r e n g t h t h eg r e a tp r o d u c t i v er a t i ow a si l l u s t r a t e d c a u s e db yu n c h a n g e dl a y e rm o v i n go u t s i d ew i t ht h es t e e ls t r a p f r o mt h ea n a l y s i so f c o m p o u n d b e n d i n g ，i tw a ss h o w e dt h a tt h ed e n s i t ym a ds t r e n g t hw a sh e i g h t e n e d d u r i n gt h er e s e a r c ho f c o m p o u n db e n d i n g ，t r a d i t i o n a lc o m p o u n db e n d i n gw a sn o tf i tt ot h ec o m p o n e n t sw i t h o u t c e r t a i nr o t a r yc e n t e ro rw i t hg r e a tv a r i o u sc u r v a t u r e s t h en cc o m p o u n db e n d i n gw a s i l l u s t r a t e dt os o l v et h i sq u e s t i o n ，a n di tc o u l dc o n n e c tw o o db e n d i n gw i t hn ct e c h n o l o g y , w h i c hw o u l dp r o m o t et h ed e v e l o p m e n tb e n d i n gw o o di n d u s t r i a lg r e a t l y t h em e c h a n i c a lh a n d s i i j a b s t r a c t b e n d i n gw a sc o m b i n ee q u i p m e n tt o o ，w h i c hs o l v e dt h ef o r m i n gq u e s t i o no fm u l t id i r e c t i o n b e n d i n gw o o d i ti sc r e a t i v ef o rt h em u l t id i r e c t i o nb e n d i n gw o o dm a k i n g t h et r a c kd e s i g na n d f e e dc a l c u l a t i o nw e r ei n t r o d u c e dw i t he x a m p l e ，b u tt h es t e e l s t r a pt e c h n o l o g yc o u l d n tb e a p p l i e dt ot h em e c h a n i c a lh a n d sb e n d i n g ，s ot h es m a l l e s tb e n d i n gr a d i u sw a sl i m i t e d t h e m e c h a n i c a lh a n d sw e r ec o n t r o l l e db yc o m p u t e r , s ot h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o dc o u l db eu s e dt o a n a l y z et h eb e n d i n gs h a p ea n ds t r e s si nt h ec e r t a i nc o n d i t i o n ，w h i c hc o n d u c e dt os y n t h e s i z et h e e f f e c to f m o i s t u r e ，e l a s t i c i t ya n dw o o ds p e c i e s c o n t r a s t i n gb e n d i n ga n dm i l l i n g t ot h ec u r v ec o m p o n e n t s p r o c e s s ，t h e b e n d i n g c o m p o n e n tw a sw i t hg r e a t e rs 【r e n g t ht h a nm i l l e dc o m p o n e n tw i t hm a t h e m a t i cd e s c r i p t i o n ，a n d t h ed i f f e r e n c ei nr e c o v e r yr a t i ow a si l l u s t r a t e dt o o a l la b o v es h o u l db ev a l u a b l et ot h e t e c h n o l o g ya d v a n c e m e n ta n dw o o df u r t h e ru t i l i z i n gi nt h ew o o db e n d i n gc o r p o r a t i o n s t h et y p i c a le q u i p m e n t ，w o o db e n d i n gh a n d sw a si n i t i a l i z e di ns t r u c t u r e c o n t r o ls y s t e m w a sd e s i g n e d ，a n di l l u m i n a t e dt h es y s t e m sf u n c t i o na n dc h a r a c t e r i s t i c s t h i st h e s i sc o m e sf r o mt h en a t i o n a lf o r e s t r yb u r e a u s 9 4 8 p r o j e c t t h et e c h n i c sa n d e q u i p m e n t si m p o r t a t i o no fb e n d i n gw o o d w i t hc o m p r e s s i n g a n dn a t i o n a l “8 6 3 p l a n “r o b o t p r o d u c tl i n ef o rw o o db e n d i n g ”，a n ds u p p o r t e db yt h e m k e y w o r d s ：w o o d ；c o m p r e s s i n g ；b e n d i n g ；t e c h n i c s ；e q u i p m e n t i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 盎韭揸些盘鲎或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的间志对本研究所做的任何贡 献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：暑窆查3 匀签字日期：文7 年臼，r 日 l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 塞韭盎些盘堂有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查 阅和借阅。本人授权 盎i 垦挂些盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有 关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：t 芝垄三= y 寻 签字日期年f 月妇 导师签名： 签字目期：1 7 年月t 3 - t j 学位论文作者毕业后去向：东北林业大学 工作单位：东北林业大学电话：1 3 2 0 6 5 8 4 4 0 0 通讯地址：东北林业大学3 1 0 #邮编：1 5 0 0 4 0 1 概述 1 1 国内外木材压缩弯曲技术发展状况 木材弯曲成型是曲线形木制品，如圆弧形窗框、门框、车船木构件、家具中的弯曲 构件在制备过程中的必要工艺【2 1 。尽管木材是难以弯曲加工的材料，自古以来，人们一 直在不断的研究，利用蒸煮、高频加热、微波加热等方法使之软化，逐渐熟悉弯曲成形 木制品的技术。人们在很早以前就发现木材可以弯曲，并用火烤法弯曲木材，用来做简 单的农用耕具，但是由于技术手段落后，木材的弯曲半径有限，应用受到限制。 1 8 3 0 年米吉尔索尼特( m i c h a e lt h o n e t m e t ) 啪1 在弯曲木的外侧包钢带，使蒸煮过 的木材在受压的状态下进行弯曲。通过蒸汽加热和外包钢带弯曲的木材构件得到广泛的 应用，典型应用例子是船舶的铺板，手杖的手柄和维也纳椅子等弯曲木家具。 1 9 8 8 年出现了突破性的重大发展，丹麦工艺研究所，木材和家具研究部制造出了工 业用的首台压缩弯曲样机，并用此机器证明木材在压缩后进行弯曲可以取得很好的效 果。 木材经过压缩后再进行弯曲，整体工艺比较简单，通常不需要特殊的化工原料和设 备，在木材综合加工方面易于投产，成本也比较低，所以在我国目前的木材加工工业中 压缩弯曲法生产弯曲木是有一定的实用价值的。木材被压缩后，其组织结构，物理力学 性质，乃至化学性质都有所改变，它较天然木材具有更高的力学强度、低的摩擦系数和 良好的耐磨耗性能。密度为1 4 9 c m 3 的压缩木与天然木材相比较，横纹理的抗压强度可 以增加1 4 倍，顺纹理的抗压强度可以增加1 倍，硬度可以增加2 倍( 断面) 到6 7 倍 ( 侧面) ，耐磨耗性可以增加1 7 倍( 桦木) 乃至3 0 倍( 杨木) 嘲。所以压缩木很多性能 远远超过天然木材，也更适于弯曲成形。 木材的弯曲工艺与木材的压缩有着密切的关系，因为在木材弯曲过程中，除了大弯 曲半径的弯曲，木材要进行不同程度的压缩，针叶树材和软阔叶树材都必须借助横纹理 的压缩，增加弯曲木的刚性，才能避免弯曲时由于侧面发生鼓凸而破坏的现象。 压缩弯曲具有划时代的意义，压缩后的木材可以储存，并且可以冷弯曲而不受时间 的限制。压缩木易于改变形状，它可以在各个方向被弯曲，木材的利用率高。此外，进 行弯曲只需要简单的工具和模具，操作简便易学。压缩木弯曲为实木的成形开创了一个 丰富多彩的新局面。 多年来，丹麦和外国家具制造和设计师，在设计制作家具过程中使用了压缩木。丹 麦设计学校的每年国际研究讲习会( 欧洲设计高级课程) 称它为“预压缩木概念”表明了 压缩木包含很多东西。此外，压缩木所展示出的许多潜在的价值都吸引着富于创造力的 使用者来开发利用。 国际上较先进的丹麦w o o d c o m p a n y 公司和意大利的c o l o m b o & c m m o n a 公司所生 i 概述 产的弯曲木也是采用的是压缩弯曲的方式，它要求木材蒸煮后沿轴向压缩到相应的程 度，然后进行计算分析，确定弯曲半径和弯曲速率。 1 2 木材压缩弯曲工艺流程 在近代木材深加工过程中，木材改性已经成为一个重要的研究方向。木材改性后可 以广泛地应用至i 各个领域作为珍贵硬质木材和部分有色金属的代用品。木材改性后增加 其塑性，是进行下一步弯曲加工的前提。 木材能够被软化弯曲，是因为木材是一种黏弹性材料，木材既像固体那样具有弹 性，又像黏性流体那样具有塑性。在外力的作用下，木材的形状会发生变化，但在解除 外力后却再也不能恢复原状了，这种性质就是木材的塑性。而影响木材塑性的主要因子 是木材细胞壁的解剖构造和化学成分。阔叶树材较针叶树材塑性高，较易弯曲。同时木 材细胞壁中的木素是无定形的高聚物，当温度加热到一定程度时，木素发生玻璃化转 变，具有黏性流体特征，在外力的作用下会产生弯曲变形。 木材的压缩弯曲可以分割成若干个工作阶段，水分保持在2 0 - 2 5 的自然干燥的原木 被加工成适当的尺寸，通过加热软化，被放入压缩机内。为使木材的细胞壁折叠，将木 材进行纵向加压。当木材保持一定的水分时，利用适当的弯曲设备，在冷态条件下可以 对压缩木进行弯曲。当压缩木干燥后，它将保持所需要的形状，进行砂光后与其他部分 拼接安装，进行表面处理后即获得成品。 木材压缩弯曲技术主要包括软化、压缩弯曲、定型干燥三部分啪1 ，软化过程主要是 将木材放入高温高压容器中，经过长时间的蒸煮使其达到软化的目的，以利于进一步的 压缩弯曲。 蒸汽加热弯曲需要高度的工艺技术和熟练的工人，这是因为蒸汽加热后，当木材还 是处于塑性状态的时候必须立即进行弯曲，否则在塑性状态消失后很难弯曲成功。例如 一把维也纳椅子的后腿，从蒸汽仓取出后半分钟内必须完成弯曲。 压缩弯曲是指先对木材进行蒸煮，使其软化，轴向加压使其产生皱褶，然后再进行 弯曲的方法。丹麦的弯曲木自动压缩装置就是根据这一原理设计的。首先要根据木材的 材质、外形尺寸、蒸煮参数确定轴向压缩量，将弯曲木置于弯曲木压缩装置中，将预定 压缩量送入压缩机控制器，在弯曲木两端压头的作用下，经压缩达到预定的尺寸，再送 入计算机控制的机械手中进行弯曲操作，但这种弯曲仅适用于小批量的弯曲木的生产。 1 3 木材弯曲形式简介 目前国内外应用的木材弯曲方法主要有人工弯曲、机械弯曲和计算机控制弯曲。其 中，人工压缩弯曲失误率最大，这是一种最原始的弯曲木压缩弯曲方式，主要依靠操作 工人凭经验、人工目测确定弯曲木的中心。虽然用这种方法弯曲木出材率最低、且木材 损耗率最大，但在工业不发达的国家，因其简单易行，所以还在应用这种压缩弯曲方 式。 i 概述 图卜1 人工弯曲木材 f i g 1 - 1m a n u a lw o o db e n d i n g 机械弯曲是当前世界各国普遍应用的弯曲方式，它的弯曲原理多数效仿金属材料弯 曲设备，例如，金属管材的弯管机就被利用到木材弯曲上。与人工弯曲相比，机械弯曲 可以提高成功率2 - 4 ，模具弯曲成形法是机械弯曲中比较典型的方法，沿用金属冲压模 具原理，现在已经比较成熟，钢带背压技术对提高成功率也起了很大作用。 为了提高弯曲木压缩弯曲的精度和效率，进入二十世纪8 0 年代以后，世界上很多木 材加工发达的国家都在研究和开发新技术，并取得了突破性的进展。在林业发达的国家 如丹麦等，这些新开发的技术已被普遍应用，其中，数控弯曲已经生产并逐渐成熟，数 控弯曲根据被弯曲木材的形状和精度要求，又有多种方案，例如多点控制法、数控复式 弯曲成形法等。 图1 - 2 用机械弯曲木材 f i g 1 - 2w o o db e n d i n gw i t hm c h i n e 多点控制法是将木材放入机械手上进行弯曲，在弯曲机械手上安装有步进电机，可 1 概述 以实现按照输入的几何曲线弯曲出相应的形状。每个步进电机所控制的机械手位置由计 算机提供，逐次逼近并最终达到所需要的形状“。这种弯曲方法弯曲原理比较简单，可 以适应形状变异较大的弯曲木，但在工艺上有缺陷，不容易连续实现弯曲、定型、干燥 工艺，整体生产率低。 数控复式弯曲成形法是将原始的复式弯曲方法与数控技术结合，解决小曲率和无固 定中心的弯曲木加工问题，现在的数控系统已经相当完善，在复式弯曲中应用后，将会 得到非常完美的效果。这也是本文要讨论的问题之一。 1 4 木材压缩弯曲发展趋势 为了提高木材弯曲制造业的出材率及产品质量，积极研究和开发先进的弯曲木压缩 弯曲技术是非常必要的。综合目前世界木材压缩弯曲技术的现状，未来的技术发展，将 会沿着以下方向发展。 广泛地采用计算机技术，应用高新技术是提高木材加工技术水平的关键，现在，计 算机技术已相当成熟，具有运算快速、准确等多方面的优势。在1 9 9 0 年，美国木材协会 年会上就规定采用先进的计算机数控系统作为改进生产工艺和设备的措施之一。现代弯 曲木压缩弯曲技术要求达到高度自动化，要达到这一目的，实现计算机控制是关键。因 此，在将来的家具弯曲件加工中采用计算机控制已是一种必然的趋势。计算机具有强大 的信息存储和计算能力，木材纹理、重量、外形尺寸和湿度等方面的基本信息都由计算 机存储和调用。计算机控制能解决常规技术难以解决的问题，在木材弯曲过程中的最小 弯曲半径和速率控制是关键问题，不同的材质、外形尺寸、湿度所要求的最小弯曲半径 和弯曲速率也是不一样的，而这些控制是手工弯曲和普通的机械弯曲难以达到的。通过 对计算机技术的研究、开发，编制适合于木材压缩弯曲的计算机软件可以解决这些关键 问题。同时，用于弯曲木压缩弯曲控制的计算机，一般工作环境都比较恶劣，温度变化 大、湿度大，所以要求计算机系统在这样的条件下要保持较高的可靠性和稳定性。 与金属加工的高精度相比，木材弯曲精度经常不被重视，而是以加大切削量来弥补 精度上的缺陷，这样会造成木材的浪费，并随着木材弯曲构件数量的加大而日趋严重。 提高木材的出材率、利用率是缓解木材供需矛盾、实现木材工业可持续发展的重要途径 之一。对于中国资源现状，这一问题则显得更为迫切。世界上发达国家的木材综合利用 率一般在8 0 0 5 以上，有的国家( 如瑞典) 可达9 0 * , 6 以上；与此相比，我们国家则存在较大 的差距，我国的木材综合利用率仅为6 0 0 5 左右“”。这也是我国林业产业不景气的一个重 要原因。为了解决木材加工时的浪费与当前森林资源匮乏之间的矛盾，必须在现有的加 工水平上，通过开发先进的加工技术，提高木材的出材率、利用率以降低各种木制品的 木材消耗量。 提高弯曲木的压缩弯曲精度主要应从两个方面努力：一是研究木材压缩弯曲理论， 二是提高木材缺陷的检测和分析手段。 木材的压缩弯曲理论是准确分析弯曲木特征、进行高精度压缩弯曲的基础。只有具 i 概述 备了坚实的理论基础，才有可能提高弯曲木的成品率和出材率。现在的一个主要的发展 方向是数控弯曲，用几个数控的机械手确定弯曲曲线的几个点，来形成弯曲木的最终形 状。由于弯曲木的形状极其不规则，仅用几个断面来确定弯曲木的外形轮廓，误差太 大。另外断面取点数目过少影响精度，也就是应用的理论精度不高，就不能准确地反映 出弯曲特征。 充分利用现代控制技术，才能使压缩弯曲理论得到完美的实现。在具备了先进的压 缩弯曲理论和良好的数控方法的前提下，如何使机械执行机构准确地实现计算出的结 果，这就要求运用现代的控制技术。现代控制技术可使机械执行机构按预定的轨迹动 作，并通过反馈确定是否实现了预定的动作，最终实现所要求的动作。 面向高效率、高成品率，现行的机械压缩弯曲速度比较慢，一般都在5 m i n l 根，压 缩弯曲最快可达2 m i n l 根左右。为了提高效率，除采用现代高效控制技术之外，也应设 计出与之相配套的、动作迅速、准确可靠的机械执行机构。现代工业中，如何减少能 耗，创造更多的经济效益也是一个研究方向。随着世界森林资源的减少，工业用天然优 质大径级弯曲木将会愈来愈少，未来的工业用弯曲木主要由小径级的木材加工。小径级 弯曲木来源复杂、材质差，而且差异悬殊。如何对小径木进行优选，达到高效利用，提 高经济效益也是当代木材加工的一个新问题。 提高经济效益是研究弯曲木压缩弯曲技术的主要目的之一，达到高效益应兼顾出材 率和优等品率两方面。在这种情况下，对弯曲木形状特征描述时，要考虑节子、开裂、 弯曲、尖削度等缺陷对弯曲木的影响。如国际上，常采用机械应力分等法、无损伤弯曲 试验法相结合选择弯曲材，以达到木材的高质、高效利用。应当指出木材的有些缺陷不 仅存在其表面，也存在其内部，内部缺陷对于某些木材的弯曲加工是必须考虑的，但对 于家具并不显著。因此，采用压缩弯盐技术时，要综合考虑其应用领域及投资效益等因 素，加以区别对待。 弯曲木加工是家具材精深加工的一道工序，弯曲木是家具工业中重要的高档家具产 品。国际上带有弯曲木的家具产量占家具总产量的8 。在我国弯曲木家具占家具总产量 的6 ，接近古典家具产量。因此，弯曲木工业的发展，直接影响整个家具工业的档次和 发展。应用弯曲木可以生产多种产品，例如：栏杆、壁脚板、椅子、扶手、包边带、沙 发、手杖、门框、长椅、把手、窗框、桌子腿、雕刻品、风琴构架、工艺美术品、玩 具、庭院用具、船舶舱室等。弯曲木工业的发展有广阔的前景。 目前的弯曲与压缩弯曲作业基本上依靠手工完成，成品率低，严重影响了家具出材 率。弯曲木如果采用锯切成形，将产生大量的切削余量浪费，随着弯曲率增加，木材的 出材率将下降得更多。同时，木材的缺陷也影响弯曲成形。在我国，截面为椭圆形的原 木占总数的5 9 6 ，三棱圆形占1 1 7 ，四边形占1 0 2 ，蛋圆形占1 3 4 羽，弯曲木所用 的原料应该是较好的原木，所以，9 7 的木材必须进行特殊的加工才能弯曲。根据弯曲 木的优化理论分析，压缩弯曲优化可以提高出材率1 0 1 5 。 很长时间弯曲木的用途只局限于小尺寸的零件，最近已成功研制了尺寸较大的零件 的弯曲，长度达到4 米，特殊情况可以更长。利用压缩后的木材作为原料进行弯曲，从 分利用木材压缩后的应力变化问题，可以使弯曲木在构件尺寸、成功率和生产率等各个 方面有了进一步的提高。 因此，本课题的研究，对我国林产工业的发展及林业可持续发展均具有重要的意 义。而且，无论从节省原材料，还是提高出材率和经济效益分析上看，本课题的研究都 是十分必要的。 2 木材原料的选择、软化与压缩 2 木材原料的选择、软化与压缩 2 1 木材原料选择 弯曲木原料的选择主要由材种来决定，对于弯曲半径较小的弯曲构件，必须选用弯 曲性能好的材种。 木材的弯曲性能差异很大，不仅不同的材种之间弯曲性能相差较大，即使同一材 种，生长在不同的地域，它们弯曲性能也有所区别总体来讲，阔叶材一般都具有较好 的弯曲性能，阔叶材的弯曲性能比针叶材的弯曲性能好。由于材种繁多，各种木材的弯 曲性能尚未完全了解。国内外学者曾用蒸汽处理过的木料，按照它在端面压力下弯曲时 不超过5 破裂的曲率半径，研究各种木材的相对弯曲性能。经测试发现适合弯曲的木 材种类有栲木( f r a x i n u s ) 、榉木( f a g u s ) 、黑樱桃木( p f t h i u s ) 、榆木( u l m u sg l a b r a ) 、银 枫木( a c e rs a c c h a r i n u m ) 、红橡木( q u e r c u sv e l u t i n a ) 、橡木( q u 即o u s ) 、美洲胡桃木 o u g l a mr l i g r a ) ”7 1 “一。 针叶材由于其弯曲性能不好，在弯曲加工中很少采用。但是紫杉例外，可用作弯曲 的椅子背部分，洋松、黄松和侧柏、省楠、圆柏等用作船舶板料，经蒸汽或浸浴处理后 常可弯曲到中等曲度。 软木，桦木和热带硬木像柚木和桃花心木是不能被压缩的。用于压缩的木材，必须 符合用于制造标准家具的木材所要求的相同质量，无大的节疤和其它缺陷。带节疤的木 材可以被压缩，不过在下一步弯曲时会带来麻烦，所以最好选用无节疤的木材。特别是 通常弯曲4 0 4 0 r a m 截面的小尺寸木条。 通常情况下，直纹理木材在弯曲时远比错纹理木材弯曲成功率高。一般我们要求理 的倾斜沿木材长度方向每1 5 c m 不超过l c m 。局部的错纹理亦应尽可能加以避免，因为 它在弯曲负载下是一个弱点。结疤的存在往往伴随着扭曲纹理，并且抗拒压缩，致使弯 曲性能下降。 图2 1 带节疤的大截面木材 f i g 2 - 1l a r g ec r o s s - s e c t i o nw i t hk n o t 白木质和心材对压缩而言将无重大影响。 开，四分锯开或以任意中间形式锯开。 圈2 - 2 带小节疤的小截面木材 f i g 2 - 2s m a l lc n 擒昏喀e c d o w i t hk n o t 同样适用于年轮的方向：木材可以对分锯 2 木材原料的选择，软化与压缩 弯曲时，最好木条朝向心材弯曲( 参见图2 - 3 ) ，木材受压破坏的可能性要小于受拉 劈裂破坏的可能性。其中，轮裂也是一种比较普遍的破坏形式，它是平行于年轮的纵向 分离，经受弯曲操作时会引起切面破坏；髓心也会随之破坏。另外一种破坏是表面隙 裂，它是垂直于年轮的裂缝，一般常在弯曲构件的凹面引起压缩破坏；在凸面的影响不 显著。对于错纹理的木材在压缩时，更容易发生隙裂。对于轻质的木材在弯曲时往往有 脆裂破坏的倾向，即使它能成功地弯曲，在使用上亦不具备必要的强度。 次要缺陷，像髓纹和小隙裂容许存在于小曲率弯曲构件的凹面，但在大曲率弯曲 下，它们会导致应力集中，而使这类构件发生弯曲压缩破坏。 图2 - 3 弯曲时的方向 f i g 2 - 3d i r e c t i o no fa n n u a lr i n g sw h e nb e n d i n g 如压缩前木材需要储存，应进行防干燥处理。木材还应进行防腐和防霉处理以防变 色。存放时，木材必须放置在冷杉木块或松木块上。水分平衡必须控制不变以防干燥和 出现表面爆裂。此外，还应注意木材不容许直接暴露在阳光下。 木材压缩前要进行必要的加工，消除局部表面缺陷以利于压缩和弯曲。压缩前，木 条的尺寸必须调整到适合压缩仓的大小。木条两端必须锯切成直角，并且加工使得厚度 和宽度在整个木条长度上保持尺寸一致。 图2 - 4 压缩前木材两端被锯割成直角图2 _ 5 木材被加工到适合于压缩仓尺寸 m g 2 - 4t h ee n d sa l ec u ti nn g h ta n g l e sf i g 2 - 5m a c h i n i n gt of i tt h ed i m e n s i o n so f c h a m b e r 在弯曲前仔细地刨光木材表面具有多个优点。直的木板通过刨光机或起槽机比弯曲 木材更方便。清除木料表面的粗糙锯痕，可以减免很多次要的弯曲破坏；在弯曲前使木 料先通过刨光机刨光，这样能够保证一致的厚度，这在木料成组热压、弯曲时特别重 2 术材原料的选择、软化与压缩 要。即使表面刨光在最后成品部分的使用上井非必要时，例如板壁和天花板所遮蔽的船 身构架，亦宜将木料与模型相接触的一面加以刨光，利于弯曲。船舶构架在弯曲前常加 以粗放铸模。家具部分构件在弯曲前常将榫头和圆角做出，但不可在弯曲前先行将木料 打孔或起槽。 被压缩的木条的尺寸同成品尺寸相比，应具有一定的加工余量，这是由于弯曲前和 弯曲后的进一步加工和干燥，这样的加工余量是必要的。在长度方面，加大尺寸余量也 是必要的，因为木条经压缩后会缩短约5 。 图2 - 6 被压缩的木条必须具有一定的加工余量 f i g 2 - 6t h ep l a n km u s th a v e 蛐o v e r - s i z ee q u a lt ot h es u b s e q u e n td r y i n ga n dm a c h i n i n g 木材的水分含量也是压缩弯曲中的重要参数，用于压缩的木材水分含量一般在2 0 2 5 。水分含量在1 6 的自然干燥木材，在压缩前通过蒸汽加热增加了它的水分含量，可 以被用来压缩。当木材吸湿时，木材会膨胀，必须要考虑的是使木条的尺寸适合压缩仓 的大小。 小曲率半径的木材弯曲，湿材或细胞腔中含有一定量水分的木材是易于弯曲成功 的，但是，大量自由水存在的湿木材在大幅度弯曲的时候是一种障碍。木材在弯曲操作 中受压缩时细胞因为含水量过多而难于变形。 不过，多数湿材含有大量的空间体积。例如，白栎湿材在含水率6 5 时细胞腔中空 间体积占2 2 9 6 ；红松木材在含水量8 5 时，胞腔中空间体积约有1 5 ；榆木材在含水量 6 5 时，细胞腔中空间体积约有1 9 。木料的空间体积被压缩完后，将会有流体静压力发 生。木材被压缩到2 0 2 5 可以承受大幅度的弯曲；多数木材加工的弯曲不一定需要如 此程度的压缩。而且，湿材在弯曲时不易发生隙裂嘲。 木料的含水量不宜过大，因为弯曲后的构件要进行干燥和固定，水分散发的过程中 构件要产生相应的变形，水分散发量越大变形量也会越大，所以用于弯曲的木料含水量 要控制在一定范围内。在实验过程中发现，有的弯曲构件在干燥时，或者在装配前就有 裂纹产生。家具的构件常在热压机下弯曲，当它们仍旧处在压机的热板中时就自行干 燥，并固定了它的曲度；若事前干燥程度不够，在热板的剧烈干燥状态下可能发生隙 裂。湿材在模型上弯曲时也将形成同样的隙裂。 2 木材原料的选择、软化与压缩 实验表明，木材含水量在纤维饱和点约3 0 时最适于弯曲。木材在此状态下仍是水 胀到了很大程度，但细胞腔仍有足够空隙，可以在没有流体静压力的状态下进行弯曲。 木材含水量在纤维饱和点以下时，在干燥和固定过程中仍会发生隙裂、扯裂，并有很大 的收缩量。 另一方面，木材过分干燥，例如多数窑干木材不适于弯曲。干燥木材的弹性模量 大，甚至热到高温时亦难有充分塑性，因此不能良好弯曲。干木材必须通过充分蒸汽和 沸煮处理，吸收必需的水分，并加以充分塑化后方能良好弯曲。 为了防止采用过湿木材以及过干木材所引起的困难，可以采用折中办法。例如，用 热压机弯曲时，曲率较小干燥程度大，所以弯曲木料的含水量应比采用手工或在机械模 型中弯曲低些。 弯曲木料最好先行气干，并放在可控制的状态下。木材在2 1 2 6 。c 温度和8 0 相对 湿度下保持2 0 2 5 的含水量。若弯曲木料在干燥前截成一定长度，端面涂抹胶粘剂后 可以减少端面隙裂和扯裂。端面涂抹胶粘剂在蒸汽处理时可以阻止端面过分吸收水分， 又能减少木料弯曲后在干燥和固定过程中的端面隙裂和扯裂叫。 2 2 软化 木材软化的目的是提高其塑性，使它能达成弯曲时所应有的压缩和弯曲变形，热的 水或蒸汽通常对于若干材种能达到满意的结果。同样的，有数种药剂亦能软化木材。但 是对于塑化现象尚需进一步研究，而软化方法也已经发展到了高频加热法和微波加热法 等多种方法o “”1 。 2 2 - 1 加热 压缩前，木条必须被加热，使木材中的纤维素、半纤维素发生玻璃化转变，木材的 弹性模量大幅度下降嘲，木条整体上被软化，在纵向方向能被压缩而又不被压坏。加热 可以使用蒸汽、高频或者微波加热。此外，加热时