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木材表面粗糙度的分析

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发表于 2008-8-26 21:02:25 | 显示全部楼层 |阅读模式
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木材表面粗糙度的分析

王明枝 王洁瑛 李 黎
(北京林业大学材料科学与技术学院)

摘要:该文采用探针法测定水曲柳、毛白杨和杉木不同加工表面的粗糙度,分析了影响木材表面粗糙度的因素.并采用心理分析方法讨论了木材表面的粗糙感,以及触觉心理量与视觉心理量的关系.为获得不同树种、切削加工方式、切面对木材工件表面粗糙度的影响,该实验分别选择了锯切、铣削、刨切和磨削加工的木材工件表面进行表面的粗糙度和粗糙感触觉心理量、视觉心理量的测量.研究结果表明,树种、切削方式、切面和木材的表面组织构造会影响木材的表面粗糙度;表面粗糙度值因为加工方法不同而不同,随着加工精度的提高而降低.水曲柳、毛白杨和杉木表面粗糙感的触觉心理量与视觉心理量呈正相关,针叶材表面粗糙感的触觉心理量与视觉心理量的相关性比阔叶材的大.
关键词:木材,粗糙度,粗糙感,探针法,心理量
中图分类号:S781·61  文献标识码:A  文章编号:1000--1522(2005)01--0014—05

WANGMing-zhi;WANGJie-ying;LILi.Roughnessandroughnesssenseofwoodsurfacefromdifferent
machiningprocesses.JournalofBeijingForestryUniversity(2005)27(1)14--18[Ch,13ref.]Schoolof
MaterialScienceandTechnology,BeijingForestryUniversity,100083,P.R.China.
SurfaceroughnessofFraxinusmandshuricaRupr.,PopulustomentosaCarr.andCunninghamia
lanceolata(Lamb.)Hook.woodfromdifferentcuttingprocesseswasmeasuredbyastylusmethodandanalyzedwithvariousfactors.Thenthesurfaceroughnesssensewasanalyzedbyapsychometricmethodandtherelationbetweenthepsychologicalvaluesoftouchingandvisionwasdiscussed.Thesawed,milled,peeledandsandedsurfacesofwoodpieceswereusedtomeasurethesurfaceroughnessandthepsychologicalvaluesoftouchingandvision,inordertoobtaintheeffectsofthewoodspecies,methodofmachining,radialortangentialsectionandwoodsurfacestructureonthesurfaceroughnessofwood.Resultsshowthatspecies,methodofmachining,radialortangentialsectionandwoodsurfacestructureaffectthesurfaceroughnessofwood.Theroughnessofwoodsurfacesdecreaseswiththeincreaseinprocessingprecision.Thecorrelationbetweenthepsychologicalvaluesoftouchingandvisionforsoftwoodsisalittlehigherthanthatofhardwoods.
Keywords wood,roughness,roughnesssense,stylusmethod,psychologicalvalue

木材加工工件表面粗糙度是评价其表面质量的重要指标之一,它影响木材制品的用途[1].目前还没有专门的仪器和理想的方法评定木材工件的表面粗糙度.用于均质材料的标准化测定方法也用于木材制品表面粗糙度的测定,如接触测定的触针法和比较法,非接触测定的激光扫描法等[2].
国内外学者曾对木材工件表面粗糙度测定方法及其影响因素进行过很多研究.Richter等[3]用探针法测定了木材表面粗糙度对木材表面涂饰的影响;Lemaster等[4]用光学轮廓曲线仪测定了中密度纤维板的表面粗糙度;Kamdem等[5]用探针法测定了风化木材表面的裂纹和裂缝;Faust等[6]用探针法测定了松木单板松紧两面的粗糙度特性;Hizirouglu[7]用探针法测定了硬质纤维板和中密度纤维板的表面粗糙度;安田步采用触针法测定了11种具有不同导管直径和不同导管排列类型的阔叶材径切面、半径切面、弦切面的均方根粗糙度及每0·5mm测量长度上的区段粗糙度,研究了粗糙度和导管直径的关系[8,9];佐道健等对木材表面粗糙度与粗糙感的关系进行了研究;铃木正治曾以9种木材以及钢、玻璃、合成树脂、陶瓷和纸张等材料为研究对象,研究了触觉光滑性与摩擦系数之间的关系[10].江泽慧等[11]用探针法测量分析了竹材表面粗糙度;李坚等[8]采用触针式表面粗糙度测定仪和色差计测量了5个树种(6组试件)的木材在一系列加工过程中的多项表面粗糙度参数和与其对应的各项材色参数,并对二者之间的关系进行了初步研究.
本实验研究旨在采用木材工件表面粗糙感的视觉和触觉心理量,从感官方面评价木材工件表面粗糙度,采用触针式表面粗糙度测定法从物性方面评价木材工件表面粗糙度,并探讨两者之间的相关性.

1 材料与方法
1·1 试 材
实验采用木材的树种分别是水曲柳(FraxinusmandshuricaRupr.)、毛白杨(PopulustomentosaCarr.)和杉木(Cunninghamialanceolata(Lamb.)Hook.).试件选择锯解加工后的径切板和弦切板,尺寸规格为50mm×25mm×10mm(长×宽×厚),每组准备2片试件.

1·2 粗糙度测定
1·2·1 仪 器
本实验采用由Taylor/Hobson公司生产的Surtronic3+粗糙度检测仪.标准探杆:112/1502;探针直径:50μm;评定表面粗糙度的参数:轮廓算术平均偏差(Ra),轮廓均方根偏差(Rq),轮廓最大高度(Ry),轮廓微观不平度的平均间距(Sm).取样长度为2·5mm.

1·2·2 方 法
采用触针法测定杉木、毛白杨和水曲柳径切和弦切方向上不同的加工表面,其中加工表面①为锯切表面;②为手工粗刨削加工表面;③为手工精刨削加工表面;④为平刨铣削加工表面;⑤为100目砂纸磨削加工表面.

1·3 心理量实验
1·3·1 受验对象
北京林业大学木材科学与工程专业99级学生(年龄在20~22岁之间),男生51名,女生25名.

1·3·2 实验方法
取水曲柳、毛白杨和杉木的径切面和弦切面的锯切、手工精刨削和磨削表面.先请被测者闭眼用无名指触摸试件,判断木材工件表面的粗糙光滑程度;然后站在0·5m内裸眼观察试件,判断木材表面的粗糙光滑程度.甚粗糙-4分;较粗糙-2分;中间0分;较光滑+2分;甚光滑+4分.评分级差为1分.

1·4 电镜观察
从试件表面截取5mm×5mm试块,镀金后在扫描电镜下放大70倍拍摄木材的微观结构图片,分析木材的微观构造对试件表面粗糙度的影响.

2 结果分析
2·1 影响木材表面粗糙度的因素
加工方法相同,树种不同,表面粗糙度值也不同.从实验结果可以看出水曲柳表面粗糙度值最高,毛白杨其次,杉木最小(见图1).其主要原因是阔叶材中的环孔材(如水曲柳),早、晚材导管直径的变化明显,早材管孔在肉眼下可见,晚材管孔甚小[12],生长轮对粗糙度的影响较大,而杉木结构均匀.
图1 不同加工方式下水曲柳和杉木弦切面的电镜照片

                               
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水曲柳、毛白杨和杉木的表面粗糙度值,因加工方法不同而不同.从试件的电镜照片中可看出(见图2,3),锯切加工的木材表面有许多毛刺,刨削加工表面很光滑,磨削加工木材表面有木粉末,从而影响了木材的表面粗糙度.
图2 水曲柳和杉木弦切面不同加工表面粗糙度


                               
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图3 水曲柳和杉木磨削加工径切面和弦切面的电镜照片


                               
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在树种、加工方法相同的情况下:水曲柳和杉木弦切面的粗糙度值比径切面的粗糙度值高,毛白杨工件表面的粗糙度因加工方法不同而不同(见图4).径切面的粗糙度受早、晚材的影响较大,水曲柳犹为明显,径切面上早材的大导管对木材表面粗糙度有很大影响,而弦切面受早、晚材变化的影响较小.导管直径、导管的分布类型、木射线及年轮宽度对粗糙度都有影响[13].
图4 水曲柳、毛白杨和杉木径切面和弦切面的表面粗糙度


                               
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另外,木材表面的粗糙度还受木材加工机械的制造精度和运动精度、切削参数、刀具、树木的生长条件等的影响[2],此处不做详细分析.加工方法相同时,水曲柳弦切面的触觉心理量比径切面光滑.毛白杨和杉木触觉心理量因加工方法不同而不同.加工方法不同时,水曲柳和毛白杨刨切表面触觉心理量最光滑,杉木磨削表面触觉心理量最光滑(见图5).从视觉心理量来说,加工方法相同时,水曲柳弦切面视觉心理量比径切面光滑,毛白杨径切面视觉心理量比弦切面光滑,杉木表面的视觉心理量因加工方法不同而不同.加工方法不同时,不同切面的情况有所不同(见图6).
图5 水曲柳、毛白杨和杉木不同表面的触觉心理量


                               
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图6 水曲柳、毛白杨和杉木不同表面的视觉心理量

                               
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水曲柳和毛白杨都是阔叶树材,但两种木材不同切面的粗糙度有较大的不同.水曲柳是环孔材,早材导管直径较大,导管壁薄,晚材导管壁厚,径切面上早材的大导管对粗糙感影响较大,而弦切面上避开了早晚材的变化,早材大导管的影响也减少了许多,所以在感觉上弦切面比径切面光滑,其电镜照片也印证了这一点.毛白杨是散孔材,细胞腔大、壁薄,导管直径大小没有显著差别,径切面上木材材质结构比较均匀,毛白杨径切面的视觉心理量比弦切面光滑.
杉木是针叶树材,密度比较小,材质结构较均匀,影响切面心理量值的主要因素是年轮.切面相同、加工方法不同时,感觉上刨切表面比磨削表面更光滑,这是因为磨削加工木材表面残留许多磨削粉末,影响了人的心理感觉.但实际上磨削表面的粗糙度要好于刨削加工表面,磨削加工表面对后续的涂饰加工有利,需要的涂饰量少,涂饰性能好.

2·2 触觉心理量与视觉心理量之间的关系
由图7可知,触觉心理量与视觉心理量的相关性很强,水曲柳、毛白杨和杉木触觉心理量与视觉心理量的相关系数分别为0·7977、0·7971和0·9892.由此可知,针叶材触觉心理量与视觉心理量的相关性比阔叶材大.这是因为针叶材的结构比较均匀,对视觉和触觉的影响较小,而阔叶材中环孔材的早、晚材导管直径差异较大,对视觉和触觉的影响较大,所以阔叶材触觉心理量与视觉心理量的相关性小于针叶材.
图7 水曲柳、毛白杨和杉木的表面粗糙感

                               
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2·3 木材表面粗糙度与粗糙感的关系
杉木的轮廓算术平均偏差(Ra)和轮廓微观不平度的平均间距(Sm)的分布范围比水曲柳和毛白杨的窄,杉木Ra的分布范围为-3·56~2·96,水曲柳和毛白杨Ra的分布范围为-3·44~3·45,杉木的心理量分布范围也比水曲柳和毛白杨的窄.阔叶材的表面粗糙度是木材工件的表面粗糙感的主要影响因素,其次是木射线及交错纹理的影响.针叶材表面的粗糙感除了粗糙度的影响作用外,木材的年轮宽度对其影响也很大.

3 结论与讨论
1)影响木材表面粗糙度的主要因素有树种、加工方法、切面和木材的表面组织构造.在所测量范围内阔叶树材的表面粗糙度值高于针叶树材.水曲柳、毛白杨和杉木的表面粗糙度值因加工方法不同而不同,随着加工精度的提高而降低.水曲柳弦切面的粗糙度值比径切面高.
2)水曲柳、毛白杨和杉木表面粗糙感的触觉心理量与视觉心理量呈正相关,针叶材表面粗糙感的触觉心理量与视觉心理量的相关性比阔叶材的大.3)应用触针法测量木材工件的表面粗糙度,受测量方法和木材材料性质的限制,一些影响因素难以进行定量化分析.进一步的研究应采用散射激光的测量方法,方可比较准确地反映木材表面的粗糙度,以及其测量值与表面粗糙感的触觉心理量和视觉心理量之间的相关性分析比较.

参考文献
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发表于 2008-11-25 15:58:09 | 显示全部楼层
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