材料論文(厚木板彎曲工藝)

1、厚木板彎曲工藝木材從力學(xué)角度上看是一種彈性材料，在結(jié)構(gòu)上呈多孔狀，木材的這個(gè)特性，可以使其彎曲。但是如果要攀得較小的彎曲曲率半徑，應(yīng)在彎曲之前對(duì)木材進(jìn)行軟化，增大木材的塑性。木材經(jīng)軟化處理后，在順紋壓力的作用下，細(xì)胞壁中微纖維之間產(chǎn)生滑移，導(dǎo)致細(xì)胞壁的壁層縱向產(chǎn)生褶皺；木材在彎曲力矩的作用下，彎曲時(shí)的受壓面形成褶皺，受拉面形成展皺，便可獲得較小的彎曲曲率半徑。 一、木材彎曲的原理 木材彎曲時(shí)，以中性層為分界形成凹凸兩面，在凸面產(chǎn)生拉伸應(yīng)力，使凸面木材有不同程度的伸長；凹面產(chǎn)生壓縮應(yīng)力，使凹面木材有不同程度的壓縮，其應(yīng)力分布是由表面向中間逐漸減少，中間一層纖維（中性層）既不受拉伸，也不受壓縮。當(dāng)

2、所受的拉伸和壓縮應(yīng)力超過該種材料的拉伸強(qiáng)度極限或壓縮強(qiáng)度極限時(shí)，木材就遭到破壞。 木材彎曲時(shí)，必須研究和了解木材順紋拉伸與壓縮應(yīng)力的變形規(guī)律。 順紋壓縮變形與樹種有關(guān)，針葉、軟闊葉氣干材順紋壓縮變形為1%-2%，硬闊葉氣干材為2%-3%。這是是由于硬闊葉材各年輪層間有寬而粗的木射線組織，使其連接牢固，因此在變形時(shí)不易失去穩(wěn)定性和產(chǎn)生破壞。 軟化處理后可增加木材順紋壓縮和拉伸變形。軟化處理使順紋抗伸形變可稍有增加，一般在1%-2%。但使順紋壓縮變形卻比氣干材增加很多。經(jīng)軟化處理后硬闊葉材順紋壓縮變形可達(dá)25%-30%，針葉材順紋壓縮變形為5%-7%。 不同樹種的允許拉伸形變和壓縮形變不相同，因而

3、它們的彎曲性能差異很大。用方材厚度（h）和能彎曲的最小曲率半徑（R）的比值（h/R）來衡量木材的彎曲性能，即同樣厚度的木材能彎曲的曲率半徑越?。╤/R值越大），則說明該材的彎曲性能越好。彎曲性能主要取決于木材的允許拉伸形變和允許壓縮形變系數(shù)。木材在彎曲時(shí)凸凹兩表面產(chǎn)生的最大拉伸形變和最大壓縮形變是相等的，因此木材的彎曲性能主要受順紋拉伸允許形變的限制。為進(jìn)一步提高木材軟化后順紋壓縮的形變，可在方材拉伸面緊貼一條金屬條（0。2mm-2。5mm厚）使彎曲時(shí)中性層向拉伸面移動(dòng)，由于金屬條承受了拉伸應(yīng)力，使凸面木材拉伸變形很小甚至等于0，這樣能明顯地改善木材的彎曲性能。二、木材順紋壓縮彎曲技術(shù) 木材順

4、紋壓縮彎曲是先將木材進(jìn)行軟化處理，然后再進(jìn)行順紋彎曲。當(dāng)水分進(jìn)入木材細(xì)胞壁時(shí)，由于水是極性分子，可以與纖維素非結(jié)晶區(qū)中的羥基和半纖維素中羥基形成新的氫鍵，加大分子鏈之間的距離，即增大了自由體積，為分子的運(yùn)動(dòng)提供了空間。如果分子的振動(dòng)不夠，即使提供了足夠的自由體積空間，也無法完全改變木材的軟化條件，只有能量和水作為增塑劑一起作用于木材時(shí)，才能有效地使木材實(shí)現(xiàn)軟化。 木材中的主要成分是纖維素呈線形、長的大分子結(jié)構(gòu)。纖維素大分子由許許多多的葡萄糖單體構(gòu)成分子鏈，它們彼此間有的區(qū)段纖維素分子鏈彼此平行，構(gòu)成結(jié)晶區(qū)，這決定了纖維素的強(qiáng)度；另一個(gè)區(qū)段內(nèi)，纖維素分子鏈彼此不平行，構(gòu)成纖維素的非結(jié)晶區(qū)，這些線

5、形分子鏈不是筆直成線，而是具有一定的卷曲部分，這使纖維素具有可以伸縮的彈性性能。如果外力的作用小于木材允許的順紋抗壓強(qiáng)度，即應(yīng)力小于木材的破壞極限時(shí)，木材不會(huì)產(chǎn)生破壞；如果木材在持續(xù)的外力作用下被壓縮，當(dāng)達(dá)到壓縮率后停止加壓，保壓一定時(shí)間后卸壓，在壓力解除后，木材的粘彈性特性隨即顯現(xiàn)出來，在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)其彈性變形，但是尚遺留一定量的永久變形，這些永久變形主要是纖維或分子鏈之間產(chǎn)生縱向位移，在順紋方向上細(xì)胞軸向產(chǎn)生褶皺，這些褶皺比較均勻地集中在軸向細(xì)胞的內(nèi)壁，這將使木材的彎曲性能得到大大地提高。木材在彎曲力矩的作用下，受壓面褶皺加大，受拉面的褶皺被展平，因此在允許的形變內(nèi)可以獲得較小的彎曲曲率半

6、徑。 三、木材軟化處理的方法與機(jī)理 軟化處理可改善木材的彎曲性能，使木材具有暫時(shí)的塑性使彎曲加工得以進(jìn)行，并在變形狀態(tài)下干燥，恢復(fù)木材原有的剛性和強(qiáng)度。軟化處理方法有：水熱處理，高頻加熱處理及化學(xué)藥劑處理等。 1、水熱處理（蒸煮法） 水熱處理（蒸煮法）軟化木材，主要是利用水對(duì)纖維素的非結(jié)晶區(qū)、半纖維素和木素進(jìn)行潤脹，為分子劇烈運(yùn)動(dòng)提供自由體積空間，靠由外到里逐漸對(duì)木材進(jìn)行傳導(dǎo)加熱，使分子獲得足夠的能量。 組成木材細(xì)胞壁的主要成分為：纖維素，半纖維素和木素。木材經(jīng)水熱處理后，一部分半纖維素易分解溶解成液態(tài)，纖維素?zé)o定型區(qū)分子鏈上的游離羥基吸附水分，使纖維素間隙中水膜增厚，分子間距離增大，吸引力減

7、小，便于在外力作用下產(chǎn)生相對(duì)滑移。 木材膨脹形變是水進(jìn)入到木材的非結(jié)晶區(qū)內(nèi)，使木素、半纖維素和纖維素的非結(jié)晶區(qū)體積膨脹，增大自由體積空間，提高了木材的塑性。加熱可以使非結(jié)晶區(qū)中的木素、纖維素和半纖維素分子能量加大。在水、熱的作用下，纖維素非結(jié)晶區(qū)濕脹，木素呈粘流態(tài)，半纖維素失去其聯(lián)結(jié)作用，木材塑性加大。 水熱處理方法有汽蒸和水煮兩種，水煮方法會(huì)使木材含水率增高，彎曲后干燥時(shí)間延長。此外因細(xì)胞腔內(nèi)自由水的存在，在彎曲過程中，易產(chǎn)生靜壓力而造成廢品。目前生產(chǎn)中經(jīng)常采用汽蒸，主要是飽和蒸汽蒸煮。汽蒸時(shí)間與彎曲方材的厚度、含水率、樹種和要求的塑化程度有關(guān)（表1）。蒸煮不足則塑化不好，容易在劇烈彎曲程度

8、下產(chǎn)生破壞；蒸煮過度則順紋抗拉，使其順紋抗壓強(qiáng)度降低，方材將難以承受在彎曲過程中端面產(chǎn)生的壓縮變形而被破壞。所用蒸煮設(shè)備應(yīng)靠近曲木設(shè)備，每次蒸煮的木材數(shù)量不宜過多，以免表面過分冷卻和蒸煮過度。放在蒸煮設(shè)備內(nèi)的木方之間要留出6mm8mm的間隙，使其均勻受熱，縮短蒸煮時(shí)間，保證彎曲質(zhì)量。蒸設(shè)備直徑一般為250mm400mm，不宜太大。鍋的長度稍大于彎曲零件的長度。表1 榆木、水曲柳彎曲所需的蒸煮時(shí)間 2、高頻介質(zhì)加熱處理 高頻介質(zhì)加熱處理是把彎曲毛料放在高頻電場內(nèi)兩個(gè)電極板間，反復(fù)極化，使分子在這種高頻交變電磁場作用下急劇運(yùn)動(dòng)而相互摩擦產(chǎn)生熱量，從而達(dá)到升溫加熱的目的。在高頻加熱中，介質(zhì)吸收電能而

9、發(fā)熱的能力與介質(zhì)本身的熱傳導(dǎo)性無關(guān)，而是取決于介質(zhì)本身的介電特性和電場的電參數(shù)，即與介質(zhì)的損耗因素、電場強(qiáng)度的平方、電場頻率成正比。高頻電場強(qiáng)度越強(qiáng)、頻率越高或介質(zhì)的損耗因素越大，則極性分子（如水）運(yùn)動(dòng)的幅度和次數(shù)就越大，摩擦產(chǎn)生的熱量也越多，加熱和干燥的速度就越快。這是一種有效的軟化方法，可以在方材彎曲后真接進(jìn)入干燥定型工序。高頻度加熱的頻率高于300MHz，彎曲木材受。波導(dǎo)管諧振腔的電磁波輻射場照射。目前常用915MHz和2450MHz兩個(gè)頻率的設(shè)備，在2450MHz的電磁波加熱下20mm10mm（斷面）的木材可彎曲到曲率半徑為150mm，如在彎曲定型后再用電磁波加熱可彎到更小的曲率半徑。

10、高頻及微波加熱快而均勻，可使彎曲與定型兩工藝連續(xù)進(jìn)行。 3、化學(xué)處理法液態(tài)氨處理法。將氣干或絕干的木材放入3378的液態(tài)氨中浸泡0。54h 后取出，此時(shí)木材已軟化，進(jìn)行彎曲成型加工后，放置一定的時(shí)間使氨全部蒸發(fā)，即可穩(wěn)定其變形，恢復(fù)木材的剛度。在常溫下處理，木材易于變形的時(shí)間僅為830min。厚3mm 的單板在氨中浸漬4h 就能達(dá)到足夠的可塑性，可以進(jìn)行任意彎曲加工。該法與蒸煮法相比具有以下特點(diǎn)： a.木材的彎曲半徑更小，幾乎能用于所有樹種的木材；b.彎曲所需的力矩較小，木材破損率低；c.彎曲的成型件幾乎沒有回彈。氣態(tài)氨處理法。將含水率10%20%的氣干材放入處理罐中，充入飽和氣態(tài)氨（26時(shí)約

11、10 個(gè)大氣壓，5時(shí)約5 個(gè)大氣壓），處理24h（具體時(shí)間根據(jù)木材厚度決定）。用該法化處理成型的彎曲木，其定型性能比液態(tài)氨處理的彎曲木差。尿素處理法。將木材浸泡在50%的尿素水溶液中，厚25mm 的木材浸泡10 天后，在一定溫度下干燥到含水率為20%30%，然后再加熱到100左右，進(jìn)行彎曲及干燥定型。堿液處理法。將木材放在10%15%氫氧化鈉溶液或15%20%氫氧化鉀溶液中，達(dá)到一定時(shí)間后木材即明顯軟化，取出木材用清水清洗，即可進(jìn)行自由彎曲。該法軟化效果很好，但木材易產(chǎn)生變色和塌陷等缺陷。為了防止這些缺陷的產(chǎn)生，可用3%5%的雙氧水漂白堿液處理過的木材，并用甘油等浸漬。用堿液處理過的木材雖然已

12、干燥定型，但浸入水中仍可恢復(fù)可塑性。以上介紹的幾種用化學(xué)藥品處理加工彎曲木材的方法，可使木材軟化充分，不受樹種限制， 但會(huì)產(chǎn)生木材變色和塌陷等缺陷。四、實(shí)木彎曲的工藝 利用模具、鋼帶等裝置用手工或機(jī)械的方法可將已軟化好的木材加壓彎曲成所要求的形狀。1、手工方法手工彎曲，即用手工木夾具來進(jìn)行加壓彎曲。夾具由樣模，金屬夾板，端面擋塊，碶子和拉桿等組成。4。2機(jī)械方法彎曲前，應(yīng)認(rèn)真觀察毛料表面，選擇比較光的表面與金屬夾板貼合。成批彎曲形狀對(duì)稱的不封閉形零件時(shí)常采用U 型曲木機(jī)；若彎曲形狀為O 形的封閉零件，則采用回轉(zhuǎn)型曲木機(jī)。在U 型曲木機(jī)中，工件放入指定位置后，將金屬夾板放在加壓杠桿上，升起壓塊，

13、定位后開動(dòng)電機(jī)， 兩側(cè)加壓杠桿升起，使工件繞樣模彎曲，一直到工件全部緊貼樣模后，再用拉桿固定，將彎曲好的工件連同金屬夾板、端面擋塊一起取下送往干燥室?；剞D(zhuǎn)型曲木機(jī)的樣模裝在垂直主軸上，由電動(dòng)機(jī)通過減速機(jī)構(gòu)帶動(dòng)主軸回轉(zhuǎn)，使工件逐漸繞貼在樣模上，工件用卡子固定后，將樣模和工件連同金屬夾板一起取下，再進(jìn)行干燥定型。五、干燥定型已經(jīng)彎曲的工件在彈性力作用下會(huì)伸直，因此工件需要在彎曲狀態(tài)下進(jìn)行干燥，降低其含水率，直到形狀穩(wěn)定為止。1、干燥室法定型將彎曲好的工件連同金屬鋼帶和模具（有時(shí)不帶模具）一起，從曲木機(jī)上卸下來堆放在小車上，送入定型干燥室（可采用常規(guī)的熱空氣干燥室或低溫除濕干燥室）。用熱空氣干燥時(shí)，

14、為保證彎曲木的定型質(zhì)量，干燥溫度為6070，干燥時(shí)間為1540h。用低溫除濕干燥法分預(yù)熱和除濕兩個(gè)階段，該法干燥質(zhì)量好，但干燥周期稍長。2、自然干燥法定型將彎曲好的工件放在大氣條件下自然干燥、定型，但所需時(shí)間長，質(zhì)量不易保證。對(duì)于一些大尺寸零件（如船體彎曲零件、彎曲建筑構(gòu)件等）一般都采用這種方法進(jìn)行干燥定型。3、高頻干燥定型將彎曲木置于高頻電場中就能使其內(nèi)部發(fā)熱，達(dá)到干燥定型的目的。高頻干燥定型裝置需滿足以下條件： 頻電場必須均勻分布于彎曲木周圍； 負(fù)載裝置結(jié)構(gòu)必須便于木材中的水分蒸發(fā)，負(fù)載量必須與高頻機(jī)匹配?？芍苯永脧澢旧系匿搸ё鳛橐粋€(gè)電極，另一電極安置在樣模上。電極板上應(yīng)均勻開有一定數(shù)量的小孔，以利于水分蒸發(fā)。高頻干燥定型工藝的特點(diǎn)是干燥定型速度快，如功率密度為2W/cm3、彎曲木的含水率從30%干燥到8%時(shí)只需10min 左右，生產(chǎn)周期短，模具周轉(zhuǎn)快，生產(chǎn)率高；定型的彎曲木質(zhì)量較穩(wěn)定，含水率較均勻，尤其當(dāng)木材厚度較大時(shí)，定型效果更為顯著。4、微波干燥定型由于微波的穿透能力較強(qiáng)，彎曲木只要在微波爐內(nèi)經(jīng)數(shù)分鐘照射就能干燥定型，不但效率高，而且定型質(zhì)量好。經(jīng)干燥定型后的彎曲工件即可根據(jù)需要進(jìn)行各種機(jī)械加工。六、影響因素木材塑性將隨木材