膠合彎曲與實木構件圓榫接合最佳配合量研究

■王笑輝 關惠元 黃瓊濤 Wang Xiaohui & Guan Huiyuan & Huang Qiongtao

(1.2.南京林業大學，江蘇南京 210037；3. 宜華生活科技股份有限公司，廣東汕頭 515834）

家具設計就是為了滿足人們對家具產品使用和審美的需要而進行的構思與規劃，圍繞材料、結構、形態、色彩、表面加工、裝飾等而賦予家具產品新的形式、品質和意義[1]。近幾年來，家具業大量采用新材料、新配件，使家具結構朝著更加簡潔、堅固、更符合現代生產和快速物流的方向轉變[2]。膠合彎曲家具具有外形輕巧、曲線流暢；結構簡潔、牢固、穩定；生產工藝簡化等優點，深受制造商和市場的青睞[3-7]。材料是構成家具的物質基礎[8]，多種材料相輔相成設計而成的家具已成為當下家具行業一種新的設計趨勢[9]。由膠合彎曲構件與實木構成的家具，在繼承了膠合彎曲家具優點的同時，彰顯了實木的魅力。在至今為止的榫接合力學性能研究中，大多是研究實木與實木之間的接合配合參數，膠合彎曲構件與實木零件之間的圓榫接合配合參數研究十分鮮見。因此，本文就膠合彎曲構件與實木零件之間的圓榫接合最佳配合參數展開研究，為膠合彎曲與實木接合家具的結構設計提供科學依據。

1 材料與試件制備

1.1 材料

實驗用的試件材料由膠合彎曲構件和實木構件材料及膠黏劑組成。

膠合彎曲構件大多數情況下是采用同紋理方向的單板，通過模具加壓成型膠合而成[10-11]，它與實木零件搭配構成家具時，接合部位的實質特征是實木與LVL的連接，因此，本實驗選用楊木單板層積材（Poplar LVL）作為膠合彎曲構件的材料。楊木單板層積材的厚度為20mm, 平均含水率為9.9%，氣干密度為0.59g/cm3。選取櫸木（Fagus sp.）作為實木構件材料。櫸木的平均含水率為12%，氣干密度為0.71g/cm3。膠黏劑為熊貓牌聚醋酸乙烯乳液膠，固含量為44%。

1.2 試件制備

采用縱解圓鋸和萬能橫截圓鋸將楊木單板層積材精密裁解成長（纖維方向）×寬為200mm×70mm的待加工試件。采用縱解圓鋸和木工車床及萬能橫截圓鋸將櫸木加工成長度（纖維方向）為130mm、直徑為40mm的待加工試件。圓形榫頭和榫孔采用原力WPC數控機床加工。如圖1所示，在楊木單板層積材試件的正中央部位，加工一個直徑為D、深度為16mm的榫孔。如圖2所示，在櫸木試件的一端加工一個直徑為30mm、長度為15mm的圓形榫頭。圓形榫頭與榫孔的加工精度為0.01mm。在櫸木試件的另一端的兩側各切除一部分材料，中間留下20mm厚的材料，供抗拉試驗時加載頭夾持試件。如圖3所示，在圓形榫頭表面與榫孔內壁上均勻涂布一層聚醋酸乙烯乳液膠，涂布量約在150-220g/m2[12]，接著將兩個試驗體裝配成T型，陳放7天待膠固化后作為待測試件。

■圖1 楊木單板層積材試件

■圖3 T型試件

■圖4 T型試件抗拉試驗示意圖

■圖5 拉伸載荷與位移關系圖

■圖6 試件破壞形式

表1 圓榫接合配合參數A與榫孔直徑D

2 實驗方法

2.1 圓榫接合配合參數的確定

楊木單板層積材與櫸木之間的圓榫接合采用基軸制，即圓形榫頭直徑為定值30mm，通過變化榫孔直徑D來實現不同的配合。圓榫接合配合參數用A來表達，A=30-D。如表1所示，A分別取0mm、0.2mm、0.4mm、0.6mm四個值，對應的榫孔直徑D分別為30mm、29.8mm、29.6mm、29.4mm。

2.2 抗拉試驗方法

圖4是T型試件抗拉試驗示意圖。如圖4所示，利用自制的夾具，在日本島津AG-X50KN精密電子萬能力學試驗機上，對T型試件進行極限抗拉試驗。設定萬能力學試驗機的加載速度為10mm/min，載荷測定精度為0.01N，位移精度為0.002mm。每種測試條件重復測試6次，試驗結束后，記錄極限抗拉值。

3 結果與分析

3.1 力學行為特征

圖5是T型試件抗拉試驗的拉伸載荷與位移之間的典型關系圖。如圖5所示，隨著拉伸載荷的逐漸加大，拉伸載荷與位移之間幾乎呈線性關系，當拉伸載荷達到一定值時，載荷呈陡坡狀急速下降至很小的值。實驗過程中觀察到，當拉伸載荷達到一定值時，伴隨著一聲較大的“嘣”的聲音后，載荷呈陡坡狀急速下降，隨之試件被完全破壞。從拉伸載荷與位移之間的關系圖可看出，實木與膠合彎曲構件圓榫接合的力學特征，在加載的前階段中為線性彈性行為，載荷達到最大值后為脆性行為，說明這種結構在發生破壞前缺少預警性。

3.2 試件破壞形式

圖6是T型試件抗拉試驗后的破壞形式。如圖6（①）所示，榫頭表面觀察到極低的木破率，幾乎全是膠層破壞。如圖6（②）所示，單板層積試件中間層的膠層出現開膠現象。如圖6（③）所示，榫眼周圍的表層產生劈裂式破壞，也是單板層的膠層出現開膠。從圖6（②、③）觀察到的破壞特征可知，提高單板層積材試件的膠合質量，對增強圓榫接合的強度存在可能性。

3.3 配合量對極限抗拉強度的影響

圖7是T型試件抗拉試驗的極限抗拉強度與配合量的關系圖。從圖中可看出，各測試點數值的正負偏差不太大，在允許范圍內，測試數據可靠性較好。極限抗拉強度隨著配合量的加大而漸漸提高，當提高一定值后又有下降的趨勢,極限抗拉強度與配合量的關系可用如下多項式表達：y = -4.25x2+3.93x+2.52。式中，y表示極限抗拉強度（KN），x表示配合量（mm），擬合出的極限抗拉強度與配合量關系多項式，其擬合度R2為0.83，能較好地反映極限抗拉強度與配合量的關系。由圖7可以看出，在本試驗條件下，用整體圓榫實現櫸木與楊木單板層積材接合時，最佳配合量約為0.4-0.5mm。

4 結語

以圓榫接合的榫頭與榫眼配合量為變量，通過測試T型試件極限抗拉強度，考察櫸木與楊木單板層積材間圓榫接合的最佳配合量，得到以下結果：

①櫸木與楊木單板層積材間圓榫接合的力學特征，在加載的前階段中為線性彈性行為，載荷達到最大值后為脆性行為，表明這種結構在發生破壞前缺少預警性。②極限抗拉的主要破壞形式為榫頭與榫眼間的膠層破壞，并伴隨產生單板層積材試件中間層的膠層開膠。根據這一破壞特征可推測，提高單板層積材試件的膠合質量，對增強圓榫接合的強度存在可能性。③極限抗拉強度y與配合量x的關系可用y=-4.25x2+3.93x+2.52多項式表達，最佳配合量約為0.4-0.5mm。

（責任編輯：肖 佳）

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