中心組合設計響應面法優化毛竹竹筒車削去青工藝

胡守恒，陳李璨，邵迎濤,3，張水珍，王新洲，李延軍,

（1. 南京林業大學 材料科學與工程學院，江蘇 南京 210037；2. 北京林業大學 材料科學與技術學院，北京100083；3. 杭州大索科技有限公司，浙江 杭州 311251；4. 福建華宇集團有限公司，福建 建甌 353003）

中國竹類資源十分豐富，自20世紀80年代初至今的幾十年時間內，中國竹材加工產業從無到有得以迅速發展[1]。傳統的竹加工生產工藝由于利用率不高，會造成竹材資源的極大浪費[2?3]。為了開展竹材的高效加工利用，竹材軟化展平，特別是竹筒無裂紋展平技術近年來發展壯大，它實現了以竹片和竹束為主的竹材加工構成單元向展平竹板轉變，大大提高了竹材利用率[4]。目前，專家學者主要針對于竹材軟化展平工藝與設備、竹材軟化展平機理等方面進行研究[5]。雖然竹材的軟化和展平是竹筒無裂紋展平的重中之重，但竹筒的預處理，即去青處理也極為關鍵。竹材的竹青主要由蠟質層、硅脂層和維管束構成，且竹青部位的纖維素、木質素比竹黃和竹肉部位都高，因此竹青層質地堅韌，組織致密，難以壓縮、拉伸、變形和軟化[6?7]。因此，去青效果的優劣將會影響到最終展平竹板的展平質量。目前，學者主要研究重組竹的去青程度對物理力學強度的影響，以及去青設備的制造。而針對竹展平的去青研究鮮有報道，由于竹青的存在會對竹材展平加工產生不良影響，因此研究竹筒的去青工藝對實際生產具有積極意義。葉良明等[8]就是否去青，對重組竹板材的物理力學強度的影響進行研究；李大勝[9]對整竹去青技術及裝備進行研究；鄧健超等[10]研究了竹束去青程度對竹束單板層積材物理力學性能的影響。響應面法(response surface method，RSM)是一種采用多元回歸方程擬合響應值與因素之間函數關系的優化統計方法，通過對響應曲面及等高線的分析來獲得最優的工藝參數[11]。其中的中心組合設計方法(Box-Behnken Design，BBD)是一種基于3水平的一階或多階試驗設計建模方法，具有試驗次數少，結果準確性高的優點[12]。車削工藝參數對毛竹Phyllostachys edulis竹筒去青效果存在潛在影響，本研究采用BBD響應面法探討竹筒轉速、進給速度和氣缸壓力對竹筒去青度的影響，從而獲得竹筒最佳車削去青工藝參數。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料 采伐于浙江麗水竹口鎮的5年生新鮮毛竹(靜置室外2周)，選取壁厚10～11 mm，外徑100～110 mm的竹筒截斷至75 cm。

1.1.2 主要儀器 浙江莊誠竹業有限公司自主研制的縱向展平機、車削去青機、去節機、圓鋸機(型號：MJ105A)、高溫壓力罐、游標卡尺(精度0.02 mm)、皮尺等。

1.2 方法

1.2.1 竹筒去青 竹筒軟化展平的技術路線如下：備料、截斷、去節、車削去青、開槽、軟化、縱向展平、定型、刨削、銑邊、干燥[13]。截斷好的竹筒通過去節機去除內節，通過車削去青機(圖1)，按照規定的車削工藝參數去青處理。去青完畢后，測量竹筒破損個數(每組試驗50個試樣)、去青厚度和去青度，作為去青效果的評價指標。其中，竹筒去青度的測量采用軟件Image J(圖2)，對軟化展平后的竹板圖片進行處理分析，測量竹板上的帶青區域的面積占整個竹板面積的比例，記錄數據并計算。去青度S=(1-s1)×100%。其中：S為竹筒去青度；s1為展平竹板帶青區域的面積比例。

1.2.2 響應面優化試驗 在前期單因素試驗結果基礎上，采用BBD(Box-Behnken Design)響應面法進行3因素3水平的試驗，以竹筒轉速、刀具的進給速度、氣缸壓力為變量，以去青度為響應值，應用Design Expert 12 軟件，建立數學回歸模型，優化竹筒的去青工藝。

1.2.3 響應面最佳工藝的驗證 根據響應面試驗結果，得出較優的去青工藝參數，再進行竹筒的軟化展平并計算去青度，與響應面模型預測值對比，驗證其可靠性。

圖1 車削去青機及去青車刀Figure 1 Turing machine of removing bamboo green and turning tool

圖2 圖像處理前后展平竹板材試樣表面Figure 2 Surface of flat bamboo sample before and after image

2 結果與分析

2.1 車削參數的單因素試驗

2.1.1 竹筒轉速對去青效果的影響 由表1可知：竹筒轉速對去青效果具有明顯影響。當竹筒轉速過低時，轉速與進給速度不匹配，竹筒表面會出現規律性的完全未吃刀的留青情況，導致去青質量無法達到展平所需的要求。當竹筒轉速過高時，在單位時間內刀具與工件及切屑的摩擦頻率增大，導致竹青面重復吃刀，去青厚度增大，甚至有可能切削到竹肉。高轉速下竹筒的去青厚度達1.00 mm，大于竹筒本身竹青層的厚度，降低了出材率。因此在進給速度和氣缸壓力一定的條件下，竹筒轉速以48～56 r·min-1為佳。

2.1.2 進給速度對去青效果的影響 由表2可知：隨著進給速度增大，竹筒的去青厚度和去青度總體呈下降趨勢，導致去青質量無法達到展平所需的要求。若進給速度過小時，單位時間內刀具相對于工件位移量小于工件每旋轉1周時，刀具切削所產生的切削寬度，導致重復切削，去青厚度增大，甚至有可能切削到竹肉。根據實際生產要求，在保證去青效果達到要求的前提下，應盡可能的選用較大的進給速度以獲得最大的生產效率。因此在竹筒轉速和氣缸壓力一定的條件下，進給速度以0.25～0.35 m·min-1為佳。

2.1.3 氣缸壓力對去青效果的影響 氣缸壓力是指用于頂緊去青車刀的氣缸預先設置好的壓力大小。由表3可知：隨著氣缸壓力的增加，竹筒的去青厚度和去青度均有大幅度的增長，但此時破裂率也大大增加。壓力的增加使得切削深度增加，進而使車削力變大。當車削力超出竹筒所能承受范圍時，竹筒撕裂。因此雖然較大的壓力可以提高竹筒的去青質量，但破裂率也同時提高，不符合實際生產的要求。綜上所述，在竹筒轉速和進給速度一定的條件下，氣缸壓力以0.10～0.20 MPa為佳。

表1 竹筒轉速的單因素試驗結果Table 1 Single factor experimental result of bamboo roration speed

表2 進給速度的單因素試驗結果Table 2 Single factor experimental result of bamboo feed speed

表3 氣缸壓力的單因素試驗結果Table 3 Single factor experimental result of bamboo pressure

2.2 響應面法對竹筒的去青工藝優化

2.2.1 響應面試驗設計與結果 BBD響應面試驗因素與水平見表4，試驗設計及結果見表5。經Desigin-Expert 12 軟件對17個試驗點的去青度進行回歸統計分析，得到的去青度Y回歸方程Y=40.66+6.56A-2.96B+12.60C-0.5775AB-0.515AC-1.91BC-1.0.343A2+1.86B2。通過二次回歸方程計算模擬，當A=60 r·min-1，B=0.25 m·min-1，C=0.20 MPa時，此時去青度Y的理論最佳值為66.97%。由表6可知：該模型的F=232.45，P＜0.000 1，達極顯著水平，說明該模型有意義。失擬項P=0.391 9＞0.05，表明其影響不顯著，無失擬因素存在，且預測值與校正R2adj接近，說明試驗操作和理論預測可信，可用該回歸方程代替試驗真實點對結果進行分析。由回歸方程系數的顯著性檢驗說明可知：模型一次項(A、B、C)影響極顯著，交互項(BC)和二次項(B2)影響顯著，其余變量對去青度的影響不顯著。依據回歸方程Y內的系數，A的系數為6.56、B的系數為-2.96、C的系數為12.60，可得出因素對去青度的主效應順序為：C＞A＞B，即氣缸壓力＞竹筒轉速＞進給速度。

表4 響應面BBD試驗因素及水平Table 4 Factors and levels of BBD test

表5 響應面BBD試驗設計及結果Table 5 Design and results of BBD test

表6 回歸模型方差分析Table 6 Variance analysis of regression model

2.2.2 響應面優化分析 響應面分析中等高線圖可以直觀反映各因素之間的相互作用。等高線圖中的線條呈圓形表示兩因素的交換作用不顯著，若呈橢圓形則表示交換作用顯著。如圖3所示：竹筒轉速和進給速度交換作用較顯著，且進給速度在軸向等高線變化較為密集，竹筒轉速在軸向等高線變化較為稀疏，因此竹筒轉速對去青度峰值影響較大；如圖4所示：竹筒轉速和氣缸壓力交換作用顯著，且壓力在軸向等高線變化較為稀疏，竹筒轉速在軸向等高線變化較為密集，因此壓力對去青度峰值影響較大；同理，如圖5所示：進給速度和氣缸壓力交換作用顯著，且壓力在軸向等高線變化較為稀疏，進給速度在軸向等高線變化較為密集，因此壓力對去青度峰值影響較大。

圖3 竹筒轉速和進給速度對去青度相互影響的響應面圖和等高線圖Figure 3 Contour and response surface plots of Y=f(A, B)

圖4 竹筒轉速和氣缸壓力對去青度相互影響的響應面圖和等高線圖Figure 4 Contour and response surface plots of Y=f(A, C)

圖5 進給速度和氣缸壓力對去青度相互影響的響應面圖和等高線圖Figure 5 Contour and response surface plots of Y=f(B, C)

2.2.3 響應面最優工藝的驗證 通過響應面法優化得到的最佳車削去青工藝：當竹筒轉速為60 r·min-1，進給速度為0.25 m·min-1，氣缸壓力為0.20 MPa時，得最大去青度為66.97%。采用上述的工藝條件進行實際驗證，得到的去青度為65.36%，與理論預測值的誤差為-2.37%，證明模型是合理的，可用于實際去青度的預測。

3 結論

本研究采用車削去青工工藝對竹筒進行去青處理，通過單因素試驗和BBD試驗對工藝進行優化，得出最佳去青條件：竹筒轉速為60 r·min-1，進給速度為0.25 m·min-1，氣缸壓力為0.20 MPa，竹筒的去青度為66.97%。同時，建立了竹筒去青度與各因素變量的二次回歸模型方程，該模型極顯著，且失擬項不顯著，表明該方程對試驗擬合性好，可以應用于實際生產加工之中。