木材切削表面粗糙度研究進展及測定方法探討?

青 龍 邢 東 王喜明 李哲鋒

（內蒙古農業大學材料科學與藝術設計學院，內蒙古 呼和浩特 010018）

木材切削加工表面粗糙度由加工本身形成的表面粗糙度和木材細胞組織構造產生的粗糙度兩部分組成[1-2]，是木材切削過程中材性、木材組織構造、加工設備及刀具條件、切削方法等諸多因素共同作用的結果。木材切削表面粗糙度直接影響木制品的外觀、膠合與裝飾質量、摩擦磨損、密封性能以及膠料與涂料的消耗量[3]。在設計加工工藝和確定加工余量時，都應考慮木質制品對表面粗糙度的要求。表面粗糙度是評價木質制品表面質量的重要指標，但至今沒有通用的測試方法和能夠真實反映木材切削表面形貌特征的測定評價標準。

本文主要梳理了國內外木材構造、切削方式、刀具條件對木材切削表面粗糙度影響的相關研究，不同測試方法的優缺點與現行測定評價標準，提出了較合理的木材切削表面粗糙度測定評價方法。

1 木材切削表面粗糙度影響因素研究

1.1 木材性能與構造

不同樹種木材的性能、宏觀構造和微觀構造都有較大的差別。青龍等[4]對榆木、楊木和松木3 種木材的橫切面鋸切表面微觀構造進行研究，激光三維顯微系統生成的圖像清晰地反映了管孔等木材顯微構造、切削表面凸凹不平的分布結構。研究表明：顯微構造明顯部位的表面粗糙度測試值高于不明顯部位。木材組織構造對表面粗糙度的影響顯著。結合表面成型機理受樹種及木材構造影響[5-6]、不同材質對表面粗糙度有影響等研究理論[7-10]，樹種因素是木材切削表面粗糙度測試評價時必須考慮的因素之一。

木材的組織構造決定了其具有各向異性特點，主要體現在其三切面上。青龍等[4]以榆木為試驗材料，對磨削加工的木材三切面及不同條件下測得的試材表面粗糙度值進行比較分析，得出榆木材三切面磨削加工的粗糙度為徑切面＞弦切面＞橫切面。這是因為徑切面上導管和木射線等構造影響更為突出，弦切面上導管和木射線影響較小，而橫切面上以管孔為主的凹坑，一定程度上被磨屑粉末堵住，因而其粗糙度較小。同一樹種、同一切面時，表面粗糙度值因加工方法不同而不同，隨著加工精度的提高而降低。研究表明：木材組織構造對粗糙度的影響很大，測定評價時必須考慮不同部位木材構造的影響。

1.2 切削方式

從現代木材加工技術角度，按照復雜程度及特殊性可將木材切削分為簡單切削、復雜切削、特種加工三大類。

1.2.1 簡單切削

切削加工中同時滿足以下三個條件的切削稱為簡單切削。即單一方向切削，只有一面刀刃工作，切削速度垂直于刀刃。符合這些條件的木材切削有手工刨切和旋切加工。簡單切削時受運動不平度（運動波紋）的影響小，屬于平面切削，加工精度高。一般為弦切面上縱向切削或橫向切削。研究表明：弦切面鋸切表面粗糙度和旋切表面粗糙度值較為接近，磨削表面粗糙度明顯低于鋸切和旋切[4]。

1.2.2 復雜切削

凡是不能滿足上述簡單切削三個條件之一的，均屬于復雜切削，如鋸切、銑削（刨削）、鉆削、車削、磨削等。主要特點是回轉切削及多刃切削。因鉆削和車削加工表面的特殊性，有關這兩種切削表面粗糙度的研究相對較少，以下主要介紹鋸切、銑削及磨削加工表面粗糙度的相關研究。

1）鋸切加工。鋸切過程中多個鋸齒同時回轉切削，鋸身薄易振動，因而容易導致加工表面不平度增大。王明枝等[11]采用電鏡觀察到木材鋸切表面有許多毛刺，提出采用散射激光的測量方法測定木材鋸切表面粗糙度，以提高測定的準確性。青龍等[4]采用激光三維顯微系統測定鋸切表面粗糙度，鋸切表面粗糙度明顯大于磨削表面。賈娜等[12]研究以金剛石鋸片鋸切木材，采用支持向量機算法建立相應參數的優化預測模型以精準預測木材鋸切表面粗糙度。研究表明：鋸片轉速、鋸切厚度、進給速度等因素對木材表面粗糙度的影響程度不同，由大到小依次為鋸片轉速、鋸切厚度、進給速度，且表面粗糙度值隨著鋸片轉速的增大而降低，隨著進給速度和鋸切厚度的增大而增大。三維激光表面粗糙度測試方法適合于鋸切表面質量測試評價。

2）銑削（刨削）加工。銑削加工時主軸的回轉運動和多刀切削產生的運動波紋一定程度上影響表面粗糙度。王明枝等[11]對木材表面粗糙度進行研究，通過電鏡觀察到刨削加工表面光滑，平刨床加工表面粗糙度大于手工精刨加工的表面粗糙度。曹歡玲等[13]用分形維數表征木材刨切加工表面粗糙度，研究表明：木材切削表面微觀形貌具有分形特征，隨著分形維數數值的增大，輪廓曲線的復雜程度增強，對應的表面粗糙度參數則減小。AZEMOVI?等[14]對刨切參數進行研究得出,主軸轉速、進給速度及銑削深度等不同切削參數的設置直接影響到木材切削表面質量。在其他參數不變的情況下，主軸轉速和進給速度越快表面粗糙度越好，銑削深度增大時表面粗糙度隨之增大。

3）磨削加工。王明枝等[11]通過電鏡觀察到磨削加工木材表面有木粉，這一定程度上會影響表面粗糙度值，應選擇合適的測定評價方法。常方圓等[15]對批灰、底漆階段表面粗糙度及改性生漆漆膜多項性能進行測定分析，認為適當的砂磨有利于增加涂料與木材的有效接觸面積，加強兩者相互的結合力，砂磨過少或過多均會使附著力下降。木材切削表面粗糙度對于后續木材加工工藝十分重要。青龍等[4]用80 目的砂帶磨光機進行磨削加工，對試件表面粗糙度測試分析得出，在同一樹種、同一切面時，木材磨削加工表面粗糙度明顯低于鋸切和旋切表面粗糙度。觀察到磨削加工表面構造不清晰，被磨平。LUO等[16]采用不同粒度的磨具進行磨削加工試驗，提出了三維表面粗糙度測試方法。GURAU等[17]通過不同木材的磨削加工試驗，總結了合適的木材表面粗糙度測定分辨率值。

1.2.3 特種加工

特種加工方法是指用特殊的切割去除方式根據所需的形狀、尺寸和表面質量對工件進行加工的方法。木材特種加工方法主要有高壓水射流加工法、激光切割法和振動切削方法。目前有關高壓水射流加工法和振動切削法對木材加工表面粗糙度影響的研究較少，對激光切割法的研究相對較多。李晉哲[18]對激光能量、切割速度、離焦量、木材含水率及木材氣干密度等木材激光切割參數進行優化，并用掃描電鏡對加工表面微觀形貌進行觀測，發現切割表面有不同程度的微細熔化痕跡及殘留熔渣情況，影響表面粗糙度。趙靜[19]對木質材料激光雕刻加工技術進行研究，針對加工表面的碳化問題，采取漂白處理雕刻材料，達到了理想的雕刻效果。采用傳統木材激光加工技術，木材表面易發生嚴重的燒蝕現象，并產生殘炭等殘留物，導致木材外觀和表面質量較差，針對這一系列問題，楊春梅等[20]提出木材水射流輔助激光加工技術，通過試驗獲得了理想的加工參數，木材加工表面光滑，無殘留碳粒，為現代木材加工提供了新的方法。

1.3 刀具

木材切削中刀具也是影響表面粗糙度的主要因素之一。刀具材料成分、硬度、刀具角度參數及刀刃銳利程度，刀具材料與被加工材料分子的親合程度，前后刀面與切屑和加工表面間的摩擦系數等均會影響木材加工的表面粗糙度。彭鑫榮[21]采用金剛石、硬質合金、高碳鋼刀具，以主軸轉速、進給速度、銑削深度為切削參數，對4 種木材的表面粗糙度進行分析，結果表明：采用硬質合金刀具切削的花旗松和南方松木材表面質量好于金剛石、高碳鋼刀具，質量相對穩定；高碳鋼切削的柞木表面質量好于金剛石、硬質合金；金剛石切削的闊葉黃檀木表面質量好于硬質合金、高碳鋼刀具。

2 測試方法比較

2.1 觸針式測定法

在接觸式測定法中，觸針式表面粗糙度測定儀的應用較為普遍。陳捷等[22]對木材表面粗糙度檢測的測量方向、測量位置和取樣長度等參數進行研究，對不同樹種、不同切削方式的加工表面質量進行綜合分析，為提高木材表面加工質量提供了依據。經研究人員大量實測驗證，確定了被測木材表面粗糙度取樣長度，為木制品表面粗糙度的輪廓法測定奠定了基礎；觸針半徑和測量壓力的選擇方式及測量方向和測量位置的確定，為輪廓法測定提供了方便。目前以觸針式輪廓法測量標準評價木制品表面粗糙度[23-25]，但是標準中只考慮了導管對表面粗糙度的影響而未考慮其他組織構造的影響。木材切削表面粗糙度相關研究[3,4,16,26]均指出了觸針式輪廓法存在的不足。認為木材是多孔材料，觸針頂端的直徑尺寸影響測量結果，原因在于觸針頂端難以進入導管空洞，無法觸及波谷，不能準確測得實際表面粗糙度。此外，當使用壓力過大而被測木材材質較軟時，觸針還可能破壞木材表面。

2.2 光學測定法

光學測定法屬于非接觸式測定方法，可以實現木材表面粗糙度的快速測試，也適用于自動化生產的在線監測。目前，激光測定法適用于木材鋸切表面和中密度纖維板磨削表面粗糙度的檢測，因激光能穿透油漆涂料，因此不適用于檢測木材涂飾表面[3]。青龍等[4]采用激光三維顯微系統測定木材粗糙度，分析得出放大倍數對木材粗糙度值影響很明顯，應選擇合適的放大倍數。試驗表明：激光三維顯微系統測定榆木、楊木木材表面粗糙度理想的放大倍數分別為200、400。袁得春等[27]對計算機控制激光傳感器在線檢測木材表面粗糙度進行研究，對測試數據分析表明：該系統對木材表面粗糙度的檢測結果準確。該法與目前廣泛應用的觸針式木材表面粗糙度測量儀相比，具有檢測速度快、效率高等特點，較適合在木材加工生產車間應用。光學測試具有在線測試[28-29]的優勢。激光三維顯微系統可清晰直觀地觀察分析表面凸凹構造，能比較真實地反映評價木材切削表面粗糙度，是當前較為合理的測定方法。

2.3 觸覺視覺評定法

木質制品的表面質量需能滿足人們觸覺、視覺和使用需求。實際生產過程中也常采用眼看手摸的方法評定木材表面加工質量，甚至以這種視覺觸覺的方法最終評價木材表面質量。基于此，一些研究人員就木材表面粗糙度的主觀感覺評定與相對應的客觀檢測之間的關聯做了諸多研究。其中，FUJIWARA等[26]比較研究觸覺粗糙度和使用高斯濾波器處理后的木材表面粗糙度，總結出觸覺粗糙感與表面粗糙度的正相關性，并指出濾波器對表面輪廓線測定值的直接影響。王明枝等[11]比較分析不同切削方式和不同樹種條件下，木材表面粗糙感的觸覺心理量與視覺心理量的相關性，得出水曲柳、毛白楊和杉木表面粗糙感的觸覺心理量與視覺心理量呈正相關，針葉材表面粗糙感的觸覺心理量與視覺心理量的相關性比闊葉材的大的結論。目前這類方法尚未達到實際應用要求，深信在大數據技術和人工智能技術快速發展的背景下可望成為現實。

除了以上三類測試評價方法外還有超聲波檢測法[3]、圖像處理法[30]等，但這些方法尚未進入實際應用階段。

3 測定評價標準

木制品表面粗糙度測定評價現行國家標準采用的是輪廓（觸針）法，是以金屬為代表的均質材料標準化測定理論為基礎的表面粗糙度測定和評價方法[23-25]。標準中只提及了木材導管構造的影響，未提出木射線、樹脂道及生長輪等其他多種組織構造的影響。鑒于接觸式測定方法存在的不足，且絕大多數木質制品最終使用的表面均為經過涂飾、貼面或覆膜處理后的切削表面（基材表面）[31]，其與木材切削表面具有本質區別。因此，應對木材切削表面（白坯表面）粗糙度和涂覆處理后的表面質量加以區分。生產過程中，木材切削表面（基材表面）質量直接影響到后續加工質量以及涂料或膠料的消耗量，合適的表面粗糙度有利于提高涂飾性能[15,32,33]。因此應對現有測定評價木材切削表面粗糙度的方法與標準進行改進與完善，才能真實反映木材切削表面的形貌特征，確保木材切削表面質量。

4 結語

基于現有木材加工表面粗糙度相關研究及測試評價標準與方法，提出以下幾點建議：

1）木材切削表面（白坯表面）和經涂飾處理的木材表面有本質區別。應分別討論上述兩種表面粗糙度的測定評價方法，以便對不同表面粗糙度進行準確測定評價，并完善現有測定評價標準。

2）測定木材切削表面粗糙度，建議首先根據木材構造和切削方式等選定木材測定評價部位，然后根據檢測儀器與設備選擇合適的測定模式，即以三維形狀測定評價方法為基礎的二步法測定木材切削表面粗糙度。

3）現有研究表明，木材表面粗糙度與觸覺心理量與視覺心理量呈正相關。建議模擬這種感官認知功能研究開發表面粗糙度測定評價方法和標準。隨著大數據技術、人工智能技術和計算機視覺檢測技術的不斷發展，必將產生更為理想的表面質量測定評價方法。