異葉南洋杉木材機械加工性能評價

韋鵬飛 劉衡 唐慶 符韻林

（1. 廣西壯族自治區南寧樹木園 廣西南寧 530031；2. 廣西大學林學院 廣西南寧 530004）

異葉南洋杉（Aracaria heterophylla），南洋杉科（Araucariaceae）南洋杉屬（Araucaria Juss）喬木，原產于大洋洲、南美洲等熱帶、亞熱帶地區，目前，我國廣東、廣西等地均有引種栽培[1-2]。異葉南洋杉樹高可達60～70 m，胸徑可達1 m 以上，其木材呈淺黃褐色，具有淡淡的杉木氣味，紋理通直，材性優良，在澳洲和南非等原產地多用于建筑、家具、薄木貼面等領域，樹皮還可提取松脂[3]，但在我國主要作為庭院樹[4-5]。近年來，我國關于異葉南洋杉的研究主要集中于苗木培育[6]、引種繁殖[7-9]、木材材性[10-11]等方面，關于其木材機械加工性能的研究尚未見有報道。木材機械加工性能是衡量木材利用的重要參考依據，對木材的合理利用具有重要實際意義。因此，本文以異葉南洋杉人工林木材為研究對象，對其刨削、砂削、銑削、鉆削、開榫等5 項機械加工性能展開研究，并進行評價分析，為異葉南洋杉木材的合理高效利用提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 材料

異葉南洋杉取自廣西壯族自治區南寧樹木園，平均胸徑為31.6 cm，氣干密度為0.402 g/cm3，氣干狀態含水率為13.5%。樣木伐倒后取1.3～3.3、5.3～7.3 m 處木段用于試樣加工，尺寸和數量見表1。

表1 試件尺寸及數量

1.2 方法

1.2.1 刨削加工 采用MB504 型木工平刨床進行刨削加工。依據LY/T 2054-2012《鋸材機械加工性能評價方法》，刨削設定3 個進料速率，結合實際情況和設備條件，設置進料速度分別為7、10、16 m/min，一次刨削深度為1.6 mm，主軸轉速為5 300 r/min，刀具數量為3，刨刀楔角為30°，一次刨削一個面，分別進行3 次刨削。實驗前對刀具進行刃磨，以消除刀具磨損對刨削加工性能的影響。

1.2.2 砂削加工 采用SRRP6300 型寬帶砂光機進行表面砂光處理。依據LYT 2054—2012《鋸材機械加工性能評價方法》，進料速度為6 m/min，砂削厚度為0.6 mm，分別采用磨料粒度為120 目和80 目砂帶進行砂光。隨機抽取3 塊砂光后試件，每塊試件隨機選取6 個點對砂光表面進行表面粗糙度測試，取平均值。

1.2.3 銑削加工 采用MX5317 型立式雙軸木工銑床進行成型銑削。依據LYT 2054—2012《鋸材機械加工性能評價方法》， 主軸轉速為6 000 r/min，銑削深度為1.6 mm，進料速度適宜，采用新刃磨的銑刀進行測試加工以避免撕裂木材。順紋理方向一次銑削成型。

1.2.4 鉆削加工 采用Z4013A 型臺式鉆床進行開鉆孔。依據LYT 2054—2012《鋸材機械加工性能評價方法》，采用直徑為25 mm 的單螺紋麻花鉆，主軸轉速為486 r/min，進料速度適宜，每個試件上鉆2 個通孔，采用新刃磨的銳利刀具進行加工以保證鉆頭正常切割試件避免撕裂木材。在鉆削過程中，應在試件下方加置墊板，并保證試件與墊板接觸緊密，每鉆削一次應移動墊板位置，以保證能加工成通孔。

1.2.5 開榫加工 采用MZ1610 型方眼機進行開榫處理。依據LYT 2054—2012《鋸材機械加工性能評價方法》，采用邊長為12.5 mm 的空心鑿，主軸轉速為2 840 r/min，每個試件上進行兩次榫眼加工，采用新刃磨的銳利刀具進行開榫測試加工。在開榫加工時，應在試件下方加置墊板，并保證試件與墊板接觸緊密。加工時盡可能使榫眼兩邊與木材紋理垂直，另外兩邊平行于木材紋理，加工貫通榫眼。

1.2.6 機械加工性能等級評價 記錄各項加工缺陷的主要類型及其程度，并對加工后的試件依據LYT 2054—2012《鋸材機械加工性能評價方法》將加工質量按以下五級劃分方法進行評價。

1 級：優秀，無缺陷，記5 分；2 級：良好，輕微缺陷，記4 分；3 級：中等，較大面積的缺陷，記3 分；4 級：較差，深、大的缺陷，難以消除；記2 分；5 級：極差，出現試件報廢或嚴重的缺陷，記1 分。

1.2.7 綜合機械加工性能評價 參照LYT 2054—2012《鋸材機械加工性能評價方法》，計算分析異葉南洋杉的刨削、砂削、銑削、鉆削、開榫等5 項機械加工性能。刨削和砂削等級1 為達標，銑削、鉆削等級1 和2 為達標，開榫等級1、2、3 為達標。并依據表2 劃分各項機械加工性能質量等級。

表2 各項測試質量等級劃分標準

根據上述加工工序在木材機械加工中的重要性，刨削、砂削、銑削的加權數為2，鉆削和開榫的加權數為1，每個機械加工項目質量級別乘以其對應的加權數，最后將各項結果相加即為總分。通過總分比較木材的機械加工綜合性能，此處5 項機械加工項目質量總分為40。

2 結果與分析

異葉南洋杉的各項機械加工性能測試結果見表3。

表3 異葉南洋杉機械加工性能質量等級值

2.1 刨削性能

由表4 可知，當進料速度為7 m/min 時（測試條件1），異葉南洋杉木材刨削1、2、3、4、5級試樣占比分別為30%、70%、0、0、0；當進料速度為10 m/min 時（測試條件2），異葉南洋杉木材刨削1、2、3、4、5 級試樣占比分別為10%、80%、10%、0、0；當進料速度為16 m/min 時（測試條件3），異葉南洋杉木材刨削1、2、3、4、5級試樣占比分別為0、50%、30%、20%、0。隨著進料速度的增加，各試件刨削性能下降，在進料速度為7 m/min 時，刨削性能最好。因此，異葉南洋杉木材進行刨切加工時，進料速度宜選用7 m/min。異葉南洋杉木材刨削的質量等級為4.3，屬于優等。

表4 刨削處理木材各等級占比 單位：%

異葉南洋杉木材在刨削加工時產生的缺陷主要是毛刺、毛刺溝痕和壓痕等，可能是因為刨刀鈍化導致的，故在刨削加工過程中要保持刨刀的鋒利。

2.2 砂削性能

由表5 知，當砂帶目數為80 目時（測試條件1），異葉南洋杉木材砂削1、2、3、4、5 級試樣占比分別為40%、60%、0、0、0；當砂帶目數為120 目時（測試條件2），異葉南洋杉木材砂削1、2、3、4、5 級試樣占比分別為47%、53%、0、0、0。表面粗糙度的測試結果表明，測試條件2 的表面粗糙度優于測試條件1。隨著砂帶目數的增加，各試件砂削性能升高，在砂帶目數為120 目時，砂削性能最好。因此，異葉南洋杉木材進行砂削加工時，砂帶目數宜選用120 目。異葉南洋杉木材砂削的質量等級為4.5，屬于優等。

表5 砂削處理木材各等級占比

砂削能有效消除上一道加工工序刨削所產生的加工缺陷，但是由于木材自身因素和加工參數影響，仍然會有加工缺陷產生。本次實驗中，異葉南洋杉木材砂削加工質量較好，產生缺陷類型為表面絨毛，這是因為木材砂光時，木材纖維部分與表面分離所形成的。

2.3 銑削性能

異葉南洋杉木材試樣的銑削性能分為3 級：2級、3 級和4 級占比分別為19%、30%和51%；木材的質量達標率為19%，質量等級值為2.7，屬于中等。異葉南洋杉的銑削性能不理想，是因為其木材材質輕，紋理直而結構粗，強度弱，容易產生表面纖維未能完全分離現狀，造成加工表面不光滑，影響銑削質量。

2.4 鉆削性能

鉆削是木材加工中一種常用的加工方法，是用鉆頭或者擴孔鉆在鉆床上加工出孔，操作簡便，應用廣泛。異葉南洋杉木材試樣的鉆削性能分為3 級：3 級、4 級和5 級占比分別為7%、67%和26%；木材的質量達標率為0%，質量等級值為1.8，屬于劣等。

異葉南洋杉的鉆削缺陷類型主要是毛刺和毛刺溝痕，并且缺陷集中在孔的下邊緣，在內壁粗糙度上，其木材內壁粗糙度相當大，甚至可見木纖維撕裂，這也導致了其質量分級多集中在4 級。缺陷產生的原因可能是因為采用了麻花鉆，對于異葉南洋杉木材應選擇圓形沉割刀中心鉆。

2.5 開榫性能

榫卯結構是我國古代家具中常用的接合方式，是我國古代的智慧結晶。開榫是根據部件尺寸開出榫頭和榫眼，以便進行部件之間的接合，需要有一定的裝配精準度。異葉南洋杉木材試樣的開榫性能分為3 級：2 級、3 級和4 級占比分別為37%、62%和1%；木材的質量達標率為99%，質量等級值為3.4，屬于中等。

異葉南洋杉木材開榫加工的主要缺陷是毛刺、毛刺溝痕，且多發生在孔的下邊緣。刀具切削方向與木材紋理垂直時由于切削阻力大，容易造成缺陷產生，加工表面質量較差，切削方面與木材紋理平行時可以得到較好的加工表面質量。

2.6 機械加工綜合性能評價

參照LY/T 2054—2012《鋸材機械加工性能評價方法》標準，結合每個加工項目達標率和對應等級，通過加權計算得到各項目得分，并將其相加得到不同樹齡大花序桉木材機械加工性能總分（表6），其中刨削選取測試條件1 結果計，砂削選取測試條件2 結果計。在本試驗條件下，異葉南洋杉木材的綜合機械加工性能評分為16 分，機械加工性能不夠理想，低于米老排（Mytilaria laosensis）、黑木相思（Acacia melanoxylon）、火力楠（Michelia macclurei）、香樟（Cinnamomum camphora）、核桃楸（Juglans mandshurica）、鵝掌楸（Liriodendron chinense）和銀杏（Ginkgo biloba）等樹種[12-16]，與楊木（Populus）和輻射松（Pinus radiata）的機械加工性能相近[17]，可能是因為異葉南洋杉、楊木和輻射松相較于闊葉材硬木，其密度較低，需采取特定的機械加工工藝，因此在異葉南洋杉加工時應注意優化加工工藝以提高機械加工性能。

表6 異葉南洋杉木材機械加工性能綜合評分

3 結論

隨著進料速度的增加，異葉南洋杉木材的刨削性能下降，在進料速度為7 m/min 時，刨削性能最好。因此，異葉南洋杉木材進行刨切加工時，進料速度宜選用7 m/min。隨著砂帶目數的增加，異葉南洋杉木材的砂削性能升高，在砂帶目數為120 目時，砂削性能最好。因此，異葉南洋杉木材進行砂削加工時，砂帶目數宜選用120 目。

異葉南洋杉木材的刨削和砂削加工性能為優等，銑削和開榫加工性能為中等，鉆削加工性能為劣等。

異葉南洋杉木材的綜合機械加工性能等級值為3.3，屬中等，綜合機械加工性能評分16 分，機械加工性能不理想，后續研究應著重于異葉南洋杉木材機械加工工藝的優化，以提高其機械加工性能，使其木材得到更好、更合理的利用。