基于三維表面形貌測定法的水切割木竹材工藝參數(shù)優(yōu)化*

蔣 瞻 黃俁劼 謝文博 王 正 方九金

（南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210037）

數(shù)控超高壓水流切割技術(shù)是一種新型環(huán)保綜合加工技術(shù)，具有諸多傳統(tǒng)切割工藝難以比擬的優(yōu)點(diǎn)[1]。利用該技術(shù)加工珍貴木材，具有切割品質(zhì)優(yōu)異、效率高、成本低、環(huán)保及系統(tǒng)操作簡單等優(yōu)勢，可合理提高木材利用率[2]。

木材具有各向異性與復(fù)雜性，考慮壓力、靶距、進(jìn)給速度等因素對木材切割品質(zhì)的影響，比各向同性材料的切割工藝研究更為復(fù)雜[3-5]。目前，國內(nèi)外有關(guān)水切割研究成果對象主要為巖石、陶瓷等各向同性材料和木質(zhì)復(fù)合材料，如纖維板，而針對實(shí)木和竹材的水射流加工研究較為薄弱。為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)木竹材工藝品的現(xiàn)代化生產(chǎn)，開展超高壓水射流切割工藝優(yōu)化設(shè)計研究尤為關(guān)鍵[1-12]。

由于木材和竹材表面粗糙度直接影響其外觀及其表面涂飾、膠合質(zhì)量等，通常將試件的表面粗糙度值作為質(zhì)量評價指標(biāo)[13-16]。因此，對于木材和竹材等各向異性材料而言，選用合適的表面粗糙度測量方法尤為重要。目前，研究中普遍采用觸針式輪廓法測量材料表面粗糙度。木材是多孔性的各向異性材料，受含水率、紋理方向和氣干密度等因素的影響，其表面粗糙度的形成比金屬等各向同性材料復(fù)雜得多[17-19]。因此，采用觸針式輪廓法測量木材和竹材等表面粗糙度時，其選用的觸針頂端直徑大小和在材料加工面上進(jìn)行定位劃線測量等方式易產(chǎn)生較大測量誤差，直接影響其測量結(jié)果及其研究成果的準(zhǔn)確性。為此，本文利用基于光杠桿方法原理的掃描探針式三維表面形貌測定法，測定水切割紅橡木和竹材試件表面粗糙度，評價磨料流速、切割壓力、靶距、進(jìn)給速度、氣干密度等因素對水切割試件粗糙度的影響，并探索優(yōu)化工藝參數(shù)；通過分析三維表面形貌特征及水切割加工機(jī)理，為超高壓水射流技術(shù)在木材加工中的應(yīng)用與優(yōu)化設(shè)計提供有益支撐。

1 材料與方法

1.1 材料

紅橡木(Quercusspp.)，規(guī)格1 050 mm（縱向）×120 mm×20 mm，氣干密度為620 kg/m3，含水率為8%，產(chǎn)于美國北部；竹地板，規(guī)格900 mm×90 mm×15 mm，氣干密度為528 kg/m3；含水率為12%，產(chǎn)于杭州大索科技有限公司。

石榴石砂：60目，東?？h繼玉礦產(chǎn)品加工廠產(chǎn)品。

1.2 設(shè)備

WC40WA1312H型數(shù)控超高壓水射流切割機(jī)床1套（佛山紅旭機(jī)械有限公司），主要由SQ-WJG44 型超高壓水射流發(fā)生器、龍門式數(shù)控工作臺、噴射切割系統(tǒng)和數(shù)控操作系統(tǒng)組成。水射流發(fā)生器由增壓、供水、增壓恒壓、噴嘴管路、集水及水循環(huán)處理等系統(tǒng)構(gòu)成，最高水壓300 MPa。數(shù)控操作系統(tǒng)由標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)控制機(jī)、獨(dú)立控制柜和專用 CAD/CAM系統(tǒng)組成，其工作流程見圖1。

掃描探針式三維表面形貌測定儀1套（南京眾瀕科技有限公司），由激光調(diào)節(jié)鏡、感光器件、高精度三軸掃描臺、針及攝像頭組成。掃描精度0.5 μm。本試驗(yàn)圖像采集長寬為1.25 mm×1.25 mm。

GDS-100恒溫恒濕試驗(yàn)箱1臺（蘇州市鑫達(dá)試驗(yàn)設(shè)備有限公司），采用電腦控溫控濕和飽和氣體加濕方式。其溫度范圍包括-20、-40、-60、-70 ℃ ～+100 ℃（+150 ℃）、濕度范圍38%～98%RH。

HK-30木材含水率測量儀1只（深圳市聚茂園科技有限公司）。

圖1 水射流切割機(jī)床示意圖Fig.1 Diagram of UHP water jet cutting machine

1.3 方法

1.3.1 正交試驗(yàn)

水切割紅橡木和竹地板試驗(yàn)設(shè)計采用正交試驗(yàn)表L8(27) 。其試驗(yàn)因素參考李敏敏等相關(guān)研究[1-2,5]，并結(jié)合現(xiàn)場試驗(yàn)條件確定。因素與水平詳見表1～2, 紅橡木氣干密度取620 kg/m3，竹地板氣干密度取528 kg/m3。

表1 紅橡木試驗(yàn)因素與水平Tab.1 Orthogonal experimental factors and levels of Quercus spp.

表2 竹地板試驗(yàn)因素與水平Tab.2 Orthogonal experimental factors and levels of bamboo flooring

1.3.2 試驗(yàn)過程

圖2 加工后試件照片F(xiàn)ig.2 Photos of samples after processing

試驗(yàn)過程具體如下：CAD圖案設(shè)計；試件固定；調(diào)砂；設(shè)定切割壓力與進(jìn)給速度；調(diào)節(jié)靶距；定位切割；干燥處理；三維表面形貌測算切削表面粗糙度。紅橡木試件切割編號為X1、X3、X6、X8；竹地板試件切割編號為Z2、Z4、Z5、Z7。加工后的試件如圖2 所示。

2 結(jié)果與分析

2.1 表面粗糙度測算

依據(jù)GB/T 1031—2009《產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范（GPS）表面結(jié)構(gòu) 輪廓法 表面粗糙度參數(shù)及其數(shù)值》，優(yōu)先選用Ra[20]。表面粗糙度測算結(jié)果及正交試驗(yàn)分析如表3～4所示。

表3 紅橡木正交試驗(yàn)結(jié)果與分析Tab.3 Orthogonal experiment results and analysis of Quercus spp.

表4 竹地板正交試驗(yàn)結(jié)果與分析Tab.4 Orthogonal experiment results and analysis of bamboo flooring

由表3～4可知，紅橡木磨料射流的試驗(yàn)影響因素排序?yàn)镃ADB；竹地板磨料射流的試驗(yàn)影響因素排序?yàn)锽CAD。紅橡木和竹地板優(yōu)化工藝參數(shù)為：進(jìn)給速度為250 mm/s，磨料流速為35 kg/h，靶距3 mm，切割壓力為310 MPa。在此加工工藝下切割材料表面粗糙度相對較小，加工所得材料品質(zhì)較好。

2.2 三維表面形貌分析

從表3、4和圖3可知，Z7試件的表面粗糙度值最小，Z5試件的表面粗糙度值最大。

圖3 切割試件的三維表面形貌圖(圖像采集區(qū)域尺寸為：1.25 mm×1.25 mm)Fig.3 Three-dimensional surface topography of cut samples(Image acquisition dimension:1.25 mm×1.25mm)

以Z7和Z5試件的表面粗糙度值對比圖3相應(yīng)的三維表面形貌測量結(jié)果顯示，Z5試件較Z7試件整體表面切割效果差，Z5圖上存在許多顏色落差很大的區(qū)域。Z5試件采用的切割壓力小于Z7試件，而進(jìn)給速度大于Z7試件，導(dǎo)致其切割動能相對較小和切割角度增加，使得水切割過程中未完全將Z5表面沖蝕就繼續(xù)移動加工,最終導(dǎo)致Z5試件的表面粗糙度值最大。同理，Z7試件影響因素中排序最前的切割壓力和進(jìn)給速度滿足最優(yōu)條件，故Z7試件的切割效果在所有試件中最優(yōu)[1-2]。

X1試件較Z2試件的表面粗糙度小，反映在圖3中的X1試件顏色范圍較小。X1試件為紅橡木，在磨料流速、壓力、進(jìn)給速度條件相同下，正交試驗(yàn)所使用的靶距較小，使得動能流失得少，從而切割效果好。

X3試件為紅橡木，其Ra為4.79 μm。從圖3看出，X3試件的顏色范圍增大，原因是水刀壓力增大，初始損傷區(qū)范圍增加，且進(jìn)給速度增加，造成切割不完整[1-2]。

Z4試件的Ra為4.01 μm，較Z2試件的表面粗糙度小，三維形貌圖中表現(xiàn)出較為均勻，其主要原因是較高的切割壓力導(dǎo)致其切割面整體表現(xiàn)完整。

圖3中，X6試件（Ra為5.89 μm）與X8試件（Ra為3.89 μm）的三維形貌圖相比較為粗糙，主要原因是切割壓力較低，進(jìn)給速度較快，導(dǎo)致切割動能相對較小、切割角度增加，使得水切割未完全將X6表面沖蝕就繼續(xù)移動加工,從而使得X6試件的表面粗糙度相對較大。結(jié)合X6試件加工條件和X1和X8試件加工條件相同的區(qū)別為進(jìn)給速度不同，即進(jìn)給速度對紅橡木水切割實(shí)驗(yàn)影響較大。

3 結(jié)論

1) 紅橡木磨料射流的試驗(yàn)影響因素排序?yàn)镃ADB；竹地板磨料射流的試驗(yàn)影響因素排序?yàn)锽CAD。紅橡木和竹地板優(yōu)化工藝參數(shù)為：進(jìn)給速度為250 mm/s，磨料流速為35 kg/h，靶距3 mm，切割壓力為310 MPa。在此工藝條件下切割材料表面粗糙度相對較小，加工所得材料品質(zhì)較好。

2）基于三維表面形貌測定法測量水切割紅橡木和竹材試件表面粗糙度，能可靠地確定水切割試件工藝因素對木竹表面粗糙度的影響，優(yōu)化工藝方案。

3）試驗(yàn)中Z7竹材試件表面粗糙度最?。?.4 μm），Z5的表面粗糙度為最大（6.29 μm）。Z5試件的切割壓力小于Z7試件，進(jìn)給速度則大于Z7試件，導(dǎo)致其切割動能相對較小和切割角度增加，使得水切割過程中未完全將Z5表面沖蝕就繼續(xù)移動加工，最終導(dǎo)致Z5試件的表面粗糙度值最大。

4）紅木中X1（3.74 μm）表面粗糙度為最小值，X6（5.89 μm）表面粗糙度為最大值，進(jìn)給速度對紅橡木水切割試驗(yàn)影響較大。