木材力学性质和木材切削力与木材密度之间的关系1)王 平 陈光伟 佟晓平 朴永守(东北林业大学,哈尔滨,150040)摘 要 对花旗松、 水曲柳的密度和力学性质进行了测试,分析了木材主切削力与木材密度之间的关系。结果表 明,如同已有的研究结果,随着木材密度的增大,各主要木材力学性质的值以及木材主切削力也变大;在不同的切屑厚度 和不同的切削角度条件下,以及相对于纤维方向的不同的切削方向上,木材主切削力与木材密度之间都有线性关系。 关键词 木材;木材密度;力学性质;切削力 分类号 S781 Relationship between Wood Mechanics Characters or Wood Cutting - force and Wood Density/ Wang Ping , Chen Guangwei , Tong Xiaoping , Piao Yongshou(Northeast Forestry University , Harbin 150040 , P. R. China)/ /Journal of Northeast Forestry University. - 2002 , 30(5) . - 5355 In this paper , the authors conducted tests on density and mechanics characters ofPseudotuga menziesiiandFraxi2 nus mandshurica. Furthermore , analysed the relationship between wood cutting - force and wood density. Just like the study results in the past , this result shows that the values of each main wood mechanics character and wood main - cut2 ting - force increase with the increase of wood density; under situations of different chip - thickness and chip - angles , and different chip - direction , there are linear relationship between wood main - cutting - force and wood density. Key words Wood; Density; Mechanics character ; Cutting - force切削是对材料的一种破坏过程。既然如此,木 材切削力与木材的材性之间必然有密切的关系。至 今的研究结果,也说明这种关系。然而,这些研究结果,基本上集中在有关木材切削力与木材的密度、 含 水率以及硬度之间的关系上14,尤其是,有关木 材切削力与木材密度之间关系方面的内容较多。这 是因为,木材的密度,不但与木材的力学性质有密切 的关系,而且木材密度是一种容易测得的木材物理性质。不过,木材切削力与木材力学性质之间,究竟 有什么样的关系呢,尚待进一步的研究。 鉴于上述情况,我们进行本课题的研究,其目的 就是要弄清木材切削力与木材的力学性质之间的关 系。为此,本课题对花旗松和水曲柳的密度、 顺纹抗压强度、 横纹抗压强度、 弯曲强度以及剪切强度等木 材力学性质,进行了测试。而且对上述试验材料在 两种切屑厚度和两种切削角度条件下,相对于纤维 方向的三个切削方向上进行了切削试验,并分析了 木材切削力与上述木材力学性质之间的关系。1 木材力学性质试验1. 1 供试试件1)黑龙江省自然科学基金资助项目。 第1作者简介:王平,男,1960年9月生,东北林业大学土木工 程学院,教授。 收稿日期:2002年6月24日。 责任编辑:张 玉。花旗松(Pseudotsuga menziesii) ,含水率为8.9 %10. 6 %;水曲柳(Fraxinus mandshurica) ,含水率为8. 6 %9. 86 %。对每个树种,在树干的长度方向10个不同部位上,并在大致相同半径上各取一组试件,共10组,每组由3个试件组成。用于4种力学性质试验的试件,均以上述方法在同一部位制取。1. 2 试验装置及方法 试验用日本北海道大学农学部木材工学研究室实验室的木材力学试验机。4种力学性质试验,分别遵循了日本的木材压缩试验方法标准JiS Z 2111(1977) 、 弯曲试验方法标准JiS Z 2113 (1977) 及剪切试验方法标准JiS Z 2114(1977) 。2 木材切削试验2. 1 供试试件 试件的制取,是在制取用于力学性质试验的试件时,在相同部位上,同时分别制取用于纵向切削、横向切削及端向切削的试件,各10组,每组由3个试件组成。试件的厚度为1. 5 cm ,长度约6. 0 cm。2. 2 供试刀具试验用刀具按刀具的角度分为两种系列。一种是切削角为4944 57,后角为940 31,共4把;另一种是切削角为5916 5,后角为820 10,共2把。试验之前,对在万能工具磨床上进行刃磨过的第30卷 第5期东 北 林 业 大 学 学 报Vol. 30 No. 52002年9月JOURNAL OF NORTHEAST FORESTRY UNIVERSITYSep. 2002刀具,再用380#细油石进行精磨的基础上,最后用 研磨膏进行研磨,使切削刃尽可能达到要求的锋利 程度。而且,在同一树种和相同切屑厚度条件下,经 过实际切削,根据切削力的大小来判断切削刃的锋 利程度,并经过反复刃磨,使锋利程度尽量接近。在本试验中,同一组刀具角度和切屑厚度不属于变量。 所以,为了避免刀具角度和切屑厚度的影响,用一把 刀完成同一树种的同一切削方向的切削。2. 3 测试系统及切削参数 通过木材切削实验机工作台的左右运动(x方向)和上下运动( y方向)来分别实现主运动和进给 运动。测试系统是由悬臂式测力传感器、 动态应变 仪和笔式函数记录仪组成。笔式函数记录仪,同时 记录主切削力特征曲线(用Hx表示曲线的平均矢 高)和垂直分力特征曲线(用Hy表示曲线的平均矢高)。曲线的平均矢高乘传感器的标定系数后,得到 准主切削力Px 和准垂直分力Py 。因为传感器受 力时,x方向与y方向的力相互干扰,所以Px 和Py,还不是实际切削力。为了得到实际切削力,将Px 和Py 代入修正式,经过计算得到实际切削力Px和Py。 本试验的切削方式为刨切方式;所取的切屑厚 度为两个,即0. 05 mm和0. 30 mm;切削速度为8. 9mm/ s。3 结果与分析3. 1 木材力学性质 表1为花旗松和水曲柳的顺纹抗压强度、 横纹 抗压强度、 弯曲强度及剪切强度。表1 花旗松和水曲柳的力学性质树 种试件组号含水率%密度/ gcm- 3顺纹抗压强度s/ MPa横纹抗压强度H/ MPa弯曲强度w/ MPa剪切强度/ MPa花旗松H19. 5590. 42146. 10112. 94987. 23419. 520H210. 1380. 53358. 52811. 831127. 62625. 453H39. 9660. 70976. 21421. 224124. 12030. 345H49. 5700. 55467. 16419. 375106. 19923. 536H510. 0150. 61271. 31013. 690117. 00326. 554H69. 5670. 43649. 65610. 26781. 09416. 350H79. 8370. 51058. 67110. 403104. 57720. 898H89. 8330. 57471. 66216. 307119. 59521. 456H910. 3630. 51451. 54611. 93278. 27618. 763H109. 9040. 49155. 35314. 189107. 37121. 465水曲柳S19. 2360. 60957. 61715. 787114. 23626. 750S29. 2770. 67164. 95218. 884141. 11131. 942S39. 4260. 64563. 53516. 259138. 25530. 475S49. 2340. 63260. 95214. 156135. 35530. 206S59. 1660. 57353. 58815. 086112. 18025. 047S68. 6750. 60657. 31612. 913120. 48928. 669S79. 3010. 69763. 95519. 569142. 53733. 921S89. 1480. 54851. 19211. 844100. 59123. 562S98. 9570. 53851. 27810. 27393. 39223. 389S109. 0770. 56253. 50914. 544109. 53726. 851注:每组试件的值为该组3个试件的平均值,横纹抗压强度为部分压缩试验的结果。测试结果表明,如同已有的研究结果5,随着 木材密度的增大,木材的各力学性质也都基本上变 大。木材各力学性质的变大的顺序是弯曲强度最 大,其次是顺纹压缩强度,再是剪切强度,横纹压缩强度最小。而且,在上述4种强度中,愈大的强度, 它随着密度的增大而变大的变化率也愈大。3. 2 木材切削力与木材密度之间的关系 花旗松,在刀具切削角为4944 、3种切削方向及2种切屑厚度条件下的主切削力Px与木材密 度之间的关系见图1。端向切削,切屑厚度t为0. 3 mm时,因试件严重劈裂等切削效果很差,所以 没有进行切削。花旗松,在刀具切削角为5916 、3种切削方向及2种切屑厚度条件下的主切削力Px与木材密度之间的关系见图2。横向切削和端向切削,切屑厚度t为0. 3 mm时,因试件严重劈裂 等原因,同样没进行切削。水曲柳,在刀具切削角45 东 北 林 业 大 学 学 报 第30卷为4944 、 切屑厚度为0. 05 mm条件下,3种切削方 向的主切削力Px与木材密度之间的关系见图3。图1 切削角= 4944 时花旗松木材Px与的关系- , -:表示纵向切削,并分别表示t= 0. 05 mm和t= 0.30 mm时的关系;回归方程:t= 0. 05 mm时,Px= 29. 813 + 109.88,相关系数r= 0. 728 7 ;t= 0. 30 mm时,Px= 55. 920 + 136.75,相关系数r= 0. 688 2。- , -:表示横向切削,并分别表示t= 0. 05 mm和t= 0. 30 mm时的关系;回归方程:t= 0. 05 mm时,Px= 6. 166 + 61. 496,相关系数r=0.602 9;t=0.30 mm时,Px=47.312+78.568,相关系数r=0.563 7。-:表示端向切削,t=0.05mm时的关系;回归方程:Px= - 19.445+346.389,相关系数r=0.872 7图2 切削角= 5916 时花旗松木材Px与的关系- , -:表示纵向切削,并分别表示t= 0. 05 mm和t= 0.30 mm时的关系;回归方程:t= 0. 05 mm时,Px= 20. 914 + 204.422,相关系数r= 0. 574 8 ;t= 0.