竹片彎曲加工工藝技術(shù)探討

■郝睿敏 劉文金

(中南林業(yè)科技大學(xué)家具與藝術(shù)設(shè)計學(xué)院，湖南長沙 410004)

竹片彎曲加工工藝技術(shù)探討

■郝睿敏 劉文金

(中南林業(yè)科技大學(xué)家具與藝術(shù)設(shè)計學(xué)院，湖南長沙 410004)

1 引言

現(xiàn)今木材資源日益短缺，竹材作為一種速生材料，生長快、產(chǎn)量高，且具有特殊的造型特征和良好的力學(xué)性能，在家具與室內(nèi)裝飾中是替代木材原料的優(yōu)良選擇。竹材解剖形態(tài)之一 竹片，具有良好的韌性，可以用以制成彎曲竹構(gòu)件，滿足家具和室內(nèi)裝飾中曲線造型要求[1、2]。傳統(tǒng)的曲竹工藝主要通過手工火烤[3]，其生產(chǎn)速度慢，不能滿足批量化生產(chǎn)的要求。筆者參考實木彎曲工藝對竹片進行彎曲加工研究，較好實現(xiàn)了彎曲竹構(gòu)件的加工。

2 實木彎曲加工工藝概述

實木彎曲工藝流程主要是：軟化、彎曲和定型。軟化處理目的是提高木材的塑性，使木材在產(chǎn)生較大彎曲塑性變形時不發(fā)生破壞。軟化方法有水熱、電磁波加熱和化學(xué)藥劑處理，軟化原理主要是：通過水對纖維素非結(jié)晶區(qū)、半纖維素和木質(zhì)素進行潤脹，為分子劇烈運動提供自由體積空間，同時對木材加熱，使分子獲得足夠能量，以達到半纖維素和木素的玻璃化轉(zhuǎn)化溫度，使木材剛性降低塑性增強[4]，彎曲更加容易。木材軟化后被彎曲成某一形態(tài)以后，其纖維素或纖維素間發(fā)生了變化，分子狀態(tài)能量高，因此變化趨勢是恢復(fù)原來狀態(tài)，這種趨勢再加上結(jié)晶區(qū)的牽制作用使彎曲件具有回彈性。因此軟化后需要干燥定型處理，減少水分，增大分子間摩擦，溫度降低，剛性增強，從而達到彎曲定型目的。

3 竹片彎曲加工工藝

竹材的剖切形態(tài)之一——竹片，從力學(xué)角度來看，是一種彈性材料，其維管束沿竹稈縱向平行排列，在徑向上彎曲十分容易；從化學(xué)組成來看，主要由纖維素(40%-60%左右)、木質(zhì)素(16%-34%)和半纖維素(14%-25%)構(gòu)成，另外還有少量的抽提物和灰分元素等[5]，與木材類似。參照實木彎曲工藝技術(shù)對其進行彎曲加工工藝研究。

3.1 材料選取及毛料加工

3.1.1 選材

選取我國產(chǎn)量最大、種植范圍最廣的竹種——楠竹（Phyllostachys pubescens），截取離地高度約250mm-5m處的竹稈，盡量選取粗直部分，壁厚7-11mm，竹齡約為4-6年。竹齡過小，竹材細(xì)胞內(nèi)含物的積累尚少，纖維間的微孔徑較大，纖維強度尚未完全形成，在干燥后容易引起變形；竹齡過大，材料硬度過大，對刀具損傷較大，不易于加工，且竹材強度有一定程度降低，故不宜選擇。

3.1.2 毛料加工

制取方法基本采用竹地板中竹片原料的制作工序，具體方法為：①定長，去掉竹稈過彎或被腐蝕的部分，將竹稈鋸截成段；②開條，將鋸截后的竹段開條，開條數(shù)量因竹筒徑級而不同；③粗刨，修平竹片的內(nèi)外節(jié)，另外，由于竹青和竹黃層會影響到水分滲透，以及之后的彎曲竹片的膠拼等工藝，故需刨去竹青和竹黃；④砂光，將粗刨后的竹片進行弦面砂光，以降低彎曲破壞率，最終取得3-8mm表面平整光滑的竹片。

3.2 軟化工藝

3.2.1 軟化工藝設(shè)備

浸水箱，用于竹片的浸泡處理，目的是提高竹片初含水率，使水分進入竹材內(nèi)部從而對纖維素非結(jié)晶區(qū)、半纖維素和木素進行充分潤脹，擴大自由體積空間，為分子熱運動提供空間。

微波爐（Galanz，WP8007L23-K3），最大輸出功率800W，頻率2450MHZ。處理時間、功率可調(diào)，時間范圍為0-30min,處理功率范圍為0-800W。采用微波加熱軟化竹片，加熱均勻快速，效果優(yōu)異，且對環(huán)境污染小，是理想的竹片軟化加熱方法。

3.2.2 軟化方法及工藝討論

首先將加工好的竹片放入水箱，浸泡約一周后，竹片含水率達到約90%，取出。將竹片置入微波爐，調(diào)節(jié)微波功率和時間對竹片進行微波處理。

微波過程是功率和時間的相互作用，通過極性分子的碰撞和運動達到竹片的均勻加熱。通過觀察微波功率、微波時間與軟化后試件彈性模量的關(guān)系（見圖1、2），發(fā)現(xiàn)微波功率和時間過大過小均影響竹片軟化效果。微波功率過小，分子運動劇烈程度不高，竹片軟化不充分；功率過大，則竹片受到一定程度破壞，或水分損失過大導(dǎo)致塑性降低，軟化效果不佳。微波時間過短，試件溫度較低，不能滿足所需的軟化溫度，軟化效果不理想；而時間過長，則會引起竹片材性降低以及水分散失增加，導(dǎo)致軟化效果減弱。

通過工藝優(yōu)化實驗，得到實驗范圍內(nèi)最優(yōu)工藝組合，即將竹片浸泡至90%以上，經(jīng)功率500W，時間4min的微波處理，竹片塑性大大增強，經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)軟化后其彈性模量比未經(jīng)處理時降低了近80%，軟化效果優(yōu)異。

3.3 上模彎曲工藝

3.3.1 彎曲設(shè)備

軟化后的竹片具有極強的塑性變形能力，需要對竹片施以外力作用使其發(fā)生變形。通常木材彎曲所用的彎曲設(shè)備有U形曲木機、回轉(zhuǎn)形曲木機、以及壓機式曲木機。筆者選用自制彎曲模具對竹片進行彎曲試驗（見圖3）。

3.3.2 彎曲方法及工藝討論

軟化后的竹片應(yīng)當(dāng)立即利用模具進行彎曲并固定，在彎曲過程中需要注意兩方面的事項。

■圖1 微波功率與彈性模量的關(guān)系■圖2 微波時間與彈性模量的關(guān)系■圖3 自制彎曲模具①擋塊 ②木質(zhì)模具 ③竹片 ④夾具■圖4 不同時刻下彎曲件弦長變化

一方面是外在因素，如彎曲進行的溫度、速度、彎曲模具的半徑、精度等。當(dāng)彎曲在較低的溫度下進行時，竹片熱量快速散失，塑性大大降低，產(chǎn)品廢品率增高，因此需要在較高的環(huán)境溫度下進行彎曲，盡量使竹片保持微波軟化剛結(jié)束時的溫度，保持其較強塑性。對于彎曲速度而言，如果速度過快，竹材纖維絲間相對滑動的速度滯后于彎曲速度，容易在應(yīng)力集中部位產(chǎn)生破壞，而若速度過慢，雖然可以有利于應(yīng)力松弛，但竹片溫度卻會隨時間而降低，從而失去塑性。因此把握合適的彎曲速度，對提高竹片彎曲效果，降低廢品率十分重要。

竹片經(jīng)過軟化可以實現(xiàn)較大程度的彎曲，但鑒于材料本身特性，如竹片厚度、有無竹節(jié)、彎曲方向等，均會對竹片彎曲程度和彎曲效果產(chǎn)生影響。因此彎曲過程中需注意的另一方面是竹片的內(nèi)部因素。對此，筆者進行了詳細(xì)試驗研究。

竹片從徑向剖切來看，靠近竹青方向的部分，維管束較小，分布較為密集，基本組織的數(shù)量較少；靠近竹黃方向，維管束逐漸減少，形體較大，分布較為稀疏，而基本組織數(shù)量較多[6]。竹材的物理力學(xué)性質(zhì)與該構(gòu)成特點密切相關(guān)，因此彎曲中，當(dāng)竹青側(cè)受拉時，受拉面纖維可以承受的力較大，可以實現(xiàn)較大程度的彎曲，而竹黃側(cè)受拉則容易發(fā)生纖維斷裂，可以達到的彎曲程度較小。

竹片從弦向剖切來看，維管束在節(jié)間平行排列，但當(dāng)通過竹節(jié)部位時，維管束曲折蜿蜒，盤繞繁復(fù)，在剖片過程中甚至發(fā)生纖維切斷，因此在彎曲時，竹節(jié)部位容易發(fā)生斷裂。有節(jié)竹片相較無節(jié)竹片不易實現(xiàn)良好彎曲。

竹筒根據(jù)實際生產(chǎn)情況可以剖分成多種厚度規(guī)格的竹片，常用的竹片厚度為3-8mm。利用相同的軟化方法將不同厚度竹片軟化后，相同的彎曲情況下，厚度越小，彎曲越容易，其彎曲程度越大，竹片彎曲半徑與其厚度正相關(guān)。

因此彎曲時需要根據(jù)所需的彎曲效果和彎曲半徑來選擇被彎曲竹片的部位、方向和厚度。研究發(fā)現(xiàn)3-8mm厚的竹片無論有無竹節(jié)，彎曲時竹青方向受拉或者竹黃方向受拉，彎曲半徑大于等于230mm均可以實現(xiàn)。

3.4 定型工藝

上模彎曲可以形成一定曲率半徑的彎曲竹片，但是該變形是在外力作用下形成的，當(dāng)外力撤銷，彎曲形變即發(fā)生回復(fù)。因此需要將彎曲試件在未脫模的情況下進行定型處理，釋放彎曲件的內(nèi)應(yīng)力，使得彎曲形變固定下來。根據(jù)實木彎曲的文獻資料可知，木材含水率降低，水分被排除后，分子間距離縮小，層間摩擦力增大，彎曲應(yīng)力降低或趨于平衡，木材組織的內(nèi)聚力增大到足以抵抗回彈應(yīng)力，其形狀得以固定，故通過干燥處理降低彎曲件含水率可以將彎曲形變固定[7]。

3.4.1 干燥設(shè)備

竹材的干燥不同于木材，其不需要復(fù)雜的中間控制，只需終端控制，筆者選用干燥箱，設(shè)定恒定干燥溫度，控制試件終含水率以及常溫帶模陳放時間，從而完成對彎曲竹片的形狀固定。

3.4.2 定型方法及工藝討論

彎曲竹片在模具上固定加緊之后，將竹片和模具一同放入干燥箱，設(shè)定好干燥的溫度和時間。干燥溫度不宜過高，否則竹片容易發(fā)生開裂，而若溫度過低，或常溫干燥，勢必增加干燥時間，對于生產(chǎn)中模具數(shù)量要求較大，成本增加、效率降低。因此選擇一個合理的干燥溫度是彎曲定型工藝中比較重要的，研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)50-90℃干燥處理的彎曲竹片均可以獲得良好定型，但考慮到干燥成本和效率，選擇干燥溫度為70℃的干燥處理較為適宜。

干燥進行的時間根據(jù)竹片的終含水率而定，隨著干燥時間延長，竹片終含水率逐漸降低，干燥進行約5h后,試件終含水率約為26.5%，干燥進行約8h,試件終含水率約16.8%，當(dāng)干燥14h,終含水率降低至約8.9%，低于使用含水率。針對上述三種情況下干燥后的彎曲竹片，在不同時刻下進行弦長測定，可以得到其弦長變化規(guī)律（見圖4）。研究發(fā)現(xiàn)，試件終含水率越低，弦長波動越小，即彎曲竹片的尺寸穩(wěn)定性越高，且回彈越小，試驗證明將彎曲試件干燥至終含水率低于9%時可以獲得較好的彎曲定型。

彎曲竹片從干燥箱取出之后，不要立即卸掉模具，否則將會產(chǎn)生回彈，而應(yīng)該使竹片在緊固于模具的情況下，置于常溫陳放。試驗證明，彎曲竹片帶模陳放有利于彎曲件尺寸穩(wěn)定性，當(dāng)初含水率90%的竹片經(jīng)500W，4min的微波處理后，陳放時間為5h時彎曲定型效果最好。

4 總結(jié)

采用微波加熱軟化竹片，并通過上模彎曲和干燥定型可以實現(xiàn)竹片較大程度的良好彎曲及定型。在竹片彎曲加工中竹片初含水率、微波功率、微波時間、彎曲方向、竹片有無竹節(jié)、竹片厚度、干燥竹片終含水率、陳放時間等因素對竹片彎曲半徑和彎曲效果均有影響，筆者通過研究得到了其影響規(guī)律，望可以為生產(chǎn)加工提供技術(shù)參考，為提高竹材利用率和產(chǎn)品附加值提供新途徑。

（責(zé)任編輯：賀 輝）

[1]趙星,劉文金.竹集成材家具開發(fā)探析[J].家具與室內(nèi)裝飾,2012,(05):86-87.

[2]趙衛(wèi)鋒,李賜生.裝飾竹材在室內(nèi)設(shè)計中的應(yīng)用[J].家具與室內(nèi)裝飾,2005,(12):89-91.

[3]劉英武.淡忘中的益陽小郁竹藝[J].裝飾,2012,(08):118-119.

[4]Iida I.The thermal softening of green wood evaluated by its young’s modulus in bending [J]. Mokuzai Gakkaishi,1986,32(06):472-477.

[5]周芳純.竹林培育學(xué)[M].北京:中國林業(yè)出版社,1998.

[6]黃盛霞.竹材的構(gòu)造與力學(xué)行為特征[D].安徽農(nóng)業(yè)大學(xué),2007.

[7]劉志佳,李黎,鮑甫成.彎曲木構(gòu)件尺寸穩(wěn)定性影響因子的研究[J].南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報( 自然科學(xué)版),2009,33(3):95-98.

Technology of Bamboo Sheet Bending Processing

Hao Ruimin & Liu Wenjin

本文針對竹片彎曲加工工藝中的軟化、上模彎曲和干燥定型三個工藝階段進行研究探討，得到各個工藝中影響因子與彎曲效果的關(guān)系和規(guī)律，以期為生產(chǎn)提供技術(shù)參考，為提高竹材利用率和產(chǎn)品附加值提供新途徑。

竹片；彎曲；微波軟化；干燥定型

This paper get the relationship and the law of factors and bending effect , through studying the bamboo sheet bending processing of softening ,bending with mould and drying stereotypes. In order to provide technical reference for the production, and improve the utilization rate of bamboo and provide a new way to adding value of the bamboo products.

Bamboo Sheet; Bending; Microwave Softening; Drying Stereotypes

TS664.05

A

1006-8260(2014)04-0028-02

2010年度國家公益性行業(yè)科研專項基金（編號：201004005）