木构件锯切功率的影响因素试验研究

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木构件锯切功率的影响因素试验研究
王芳， 耿冰， 王国富， 金征， 张伟

【作者机构】        内蒙古农业大学机电工程学院； 中国林业科学研究院木材工业研究所
【来    源】        《林产工业》 2023年第10期 pp.24-27，63

木构件锯切的影响因素很多且复杂，较难进行准确的测定评价。本研究选取木构件的锯切转速、圆锯片齿形、齿数、木构件材料作为试验因素，探究其对锯切性能的影响规律。基于多因素正交试验分析方法，采用直观分析法综合探究转速1 000、2 000、3 000 r/min，圆锯片平齿、梯平齿、左右齿，齿数60、96、120，云杉、纤维板、重组竹对木构件锯切性能的影响，以木构件锯切功率作为木构件锯切性能的评价指标，进行多组试验分析，确定不同材料下木构件最佳锯切方案。结果表明：1）各个试验因素对锯切过程最大功率消耗影响的主次顺序依次是：圆锯片转速、试件材料、圆锯片齿数、圆锯片齿形。锯切云杉的较优工艺为转速1 000 r/min、齿数60 个、平齿形；2）锯切纤维板的较优工艺为转速1 000 r/min、齿数96 个、梯平齿形；3）锯切重组竹的较优工艺为转速2 000 r/min、齿数60 个，梯平齿形。

关键词：木构件； 转速； 圆锯片； 锯切性能； 多因素正交

[size=1em]木结构建筑具有轻质高强、抗震舒适、绿色环保等优点，木构件是其主要组成单元，如立柱、横梁、承重骨架等[1-4]。在实际建造中，木构件需要加工成不同形状的截面以适应不同的连接结构。锯切是快速加工木材及木质复合材料的重要方法，主要设备包括带锯机、圆锯机、排锯机等[5-7]。木构件的柔性锯切受到材料种类、加工设备及刀具条件、锯切方法等诸多因素的影响[8-12]。在设计加工工艺时，应考虑木构件对柔性锯切的要求[13]。

[size=1em]在木构件的锯切加工过程中，不同材料的最优加工参数一般是不同的，而加工参数对木构件加工质量的影响程度也有所区别[14-18]。近年来，国内外研究学者针对多种因素对锯切性能的影响开展了大量研究。Nasir和Cool[19]由圆锯片在进行锯切时产生的锯片振动入手，提出了木材锯切机理。Hlásková等[20]研究了不同的木材材性、刀具条件、锯切环境下的锯切类型，并提出模型，分析了锯切过程中的受力情况 。彭鑫荣等[21]分析了刀具材料、主轴转速、进给速度对木材切削表面粗糙度的影响关系。张汉石等[22]搭建锯切试验平台，进行苹果枝条锯切仿真分析，探究了锯切速度、进给速度、枝条直径对锯切力学的相关关系。

[size=1em]木结构建筑广泛应用于世界各地，锯切是木构件模块化设计与生产必不可少的过程[23-26]。目前，关于木构件锯切功率的研究，以及从锯切功率角度探究木构件材料锯切加工的报道相对较少。鉴于此，本研究以云杉、纤维板和重组竹三种木构件材料为试材，设计了专用于锯切功率测试试验平台，并应用多因素正交试验对木构件的锯切性能进行分析，以期为科学制定木构件的锯切方案提供参考。

1 试验原理1.1 试验材料

[size=1em]1.1.1 木构件原材料

[size=1em]木构件原料包括云杉试件、纤维板试件、重组竹试件。保证所选用的试样光滑平整、无节子、断裂等。试样形状为长方体，尺寸为150 mm × 38.5 mm × 16.5 mm，如图1所示。采用接触式湿度测量仪检测木构件的含水率，其含水率范围为6.4%～11.7%。

[size=0.8em]图1 木构件试样
Fig.1 Specimens of wood elements

[size=1em]1.1.2 试验刀具

[size=1em]木构件质地较软，具有各向异性、非均质的特点。木料具有一定的弹性模量，木料被切削后，弹性的恢复量一部分会挤压锯子平面，增加能耗；另一部分会被锯齿再次切削。为了保证刀具的使用寿命，本研究选用硬质合金圆锯片作为刀具材料，直径为300 mm，口径为30 mm，锯片厚度为3.2 mm。为探究刀具齿形对木构件切削的影响，分别选取平齿、左右齿、梯平齿的锯片，其齿形结构如图2 所示。

[size=0.8em]图2 齿形结构
Fig.2 Toothed structure

1.2 试验设计

[size=1em]在木构件锯切过程中，一般选用圆锯片作为切割刀具。为适应不同材料的密度、尺寸、锯切效率、锯切方向等，圆锯片需采用不同的齿数和齿形。木构件圆锯片的锯切最大功率是锯机整机传动系统设计、动力匹配所依据的主要参数，且对刀具寿命、锯切安全性具有重要影响。经预试验发现，锯切木材时，圆锯片转速过大会导致机床负载过大的现象。因此，本试验中的圆锯片转速分别设置为1 000、2 000 r/min和3 000 r/min。试验以锯切最大功率消耗为评价指标，以圆锯片转速、圆锯片齿数、圆锯片齿形、木构件材料为试验因素。基于多因素正交试验法，选择L9（43）表头，试验因素水平如表1所示。

[size=0.8em]表1 试验因素水平表
Tab.1 Table of test factor levels

2 试验方法2.1 试验台搭建与关键装置设计

[size=1em]图3为木构件锯切加工机床，总体尺寸为2 300 mm ×4 700 mm × 1 522 mm（长×宽×高），采用滑块导轨实现空间位置的移动，可实现一次性木材双侧锯切。

[size=0.8em]图3 木构件锯切加工机床三维模型
Fig.3 Three-dimensional model of sawing machine for wood components

[size=0.8em]1.地脚；2.锯切轮；3.电机1；4.侧板；5.立柱；6.链轮压板1；7.电机2；8.滑轨；9.机架底座；10.电机底座；11.底板；12.链轮压板2

[size=1em]总体布局采用对称结构，每侧均布置4台电机，电机采用两种连接方案，分别为直接固联电机底座和固联在可旋转的侧板。电机1和锯切轮安装于侧板上，皮带传递扭矩给锯切轮，侧板采用可旋转卡扣与电机底座相连，可在-90°～90°范围内旋转，完成不同角度的斜面切削。电机底座滑动实现短距离X轴方向的移动；电机底座安装有滑块，通过导轨实现Y轴方向的移动；底板通过滑块滑轨机构实现长距离X轴方向移动，用以定位不同尺寸的板材，实现多种样式的柔性化锯切。

2.2 试验过程

[size=1em]如图4所示，试验场地为山东茌平县森强密度板有限公司，试验用锯为青岛展翔机械有限公司所生产的精密木工推台锯，最大锯切长度为3 200 mm，最大锯切宽度为1 250 mm，主锯功率为5.5 kW，主轴转速可达6 000 r/min。转速测量仪、PC、变压器等为Fluke公司所生产的NORMA 4000 Power Analyzer。采用LAN口的通信协议与PC相连接，误差范围在0.03%～0.3%，输出周期为300 ms。功率分析仪采集的数据如图5所示。

[size=0.8em]图4 测试现场图
Fig.4 Test site diagram

[size=0.8em]1.锯切平台；2.数据采集界面；3.功率分析仪；4.电源；5.变频器

[size=0.8em]图5 数据采集界面
Fig.5 Data acquisition interface

3 结果与分析

[size=1em]正交试验主要用于分析因素与指标的关系，分析影响因素的主次关系或选择最佳方案。正交试验结果与极差分析如表2 所示，各考察因子的极差值越小，说明该因子对试验指标的影响越大。

[size=0.8em]表2 极差分析
Tab.2 Range analysis

[size=1em]由极差分析可知，各试验因素对锯切过程最大功率消耗影响的主次顺序依次是：圆锯片转速、试件材料、圆锯片齿数、圆锯片齿形。

[size=1em]各因素对锯切过程最大功率消耗影响变化规律如图6 所示。锯切过程最大功率消耗随着圆锯片转速的增大而增大，且增幅逐渐加快。这是因为转速的增大使锯机初始的能量输出增大，造成空载功率增大，但是过大的转速会造成锯片与木材接触瞬时撞击力激增。不同锯切材料的密度和硬度是影响锯切功率的主要因素。因此，重组竹的切削功耗最大。对于不同的圆锯片齿数，最大功率消耗值随着齿数的增大先增大后减小。这主要是因为在锯切时，单位时间内锯齿的切削次数随齿数的增大而增大，因此功耗增加。但较多的齿数造成木料排屑能力加强，从而使得功耗降低。齿形影响切削功率的主要原因是切削阻力和排屑能力，其中梯形齿圆锯片对木材切削阻力最小、排屑能力弱；左右齿圆锯片对木材切削阻力最大、排屑能力强，而平齿介于二者中间，因此切削功率在两种因素下（切削阻力、排屑能力）交互影响下呈现图6 变化规律。

[size=0.8em]图6 锯切过程最大功率消耗影响变化规律
Fig.6 The influence of maximum power consumption in the sawing process

[size=1em]云杉、纤维板、重组竹对最大锯切功率的影响如图7所示。由图7可知，锯切云杉的较优工艺为转速1 000 r/min、齿数60个、平齿形。锯切纤维板的较优工艺为转速1 000 r/min、齿数96个、梯平齿形。锯切重组竹的较优工艺为转速2 000 r/min、齿数60个、梯平齿形。

[size=0.8em]图7 不同材料下各因素对最大锯切功率的影响
Fig.7 Influence of various factors on maximum sawing power under different materials

4 结论

[size=1em]本文探究了木构件的锯切转速、圆锯片齿形、齿数、木构件材料对锯切性能的影响规律，主要得出以下结果：

[size=1em]1）本文设计的柔性化锯切平台可实现锯切运动参数和结构参数的调整，可应用于多功能调节的试验和实际生产。

[size=1em]2）各试验因素对锯切过程最大功率消耗影响的主次顺序依次是：圆锯片转速、试件材料、圆锯片齿数、圆锯片齿形。

[size=1em]3）锯切云杉的较优优工艺为转速1 000 r/min、齿数60 个、平齿形。锯切纤维板的较优优工艺为转速1 000 r/min、齿数96 个、梯平齿形。锯切重组竹的较优优工艺为转速2 000 r/min、齿数60 个、梯平齿形。

[size=1em]通过上述结果得出：锯切不同种类木构件时，由于木材本身木质纤维结构的不同，锯切方式需差异化对待。在多种影响因素下应多方面考量，找出锯切功率影响主次关系和各因素最佳匹配值，以减少在实际加工作业中锯切功率的消耗，降低企业的加工能耗，提高整体效益，符合国家节能减排的倡导。

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[size=1.8em]Experimental Research on Influencing Factors of Wood Components Saw Cutting Power

[size=1em]WANG Fang1 GENG Bing1 WANG Guo-fu2 JIN Zheng2 ZHANG Wei2
(1.College of Mechanical Engineering, Inner Mongolia Agricultural University, Huhhot 010018, Inner Mongolia, P.R.China; 2.Research Institute of Wood Industry, Chinese Academy of Forestry, Beijing 100091, P.R.China)

[size=1em]Abstract: There are many complicated factors affecting sawing of wood structural component, so it is difficult to measure and evaluate accurately.In this study, the sawing speed of the wood component, the tooth shape of the circular saw blade, the number of teeth, and the wood component material were selected as the test factors to explore their influence on the sawing performance.Based on the multi-factor orthogonal test analysis method, the visual analysis method was used to comprehensively explore the impact of rotary speed of 1 000, 2 000, 3 000 r/min,circular saw blade flat teeth, ladder flat teeth, left and right teeth, number of teeth 60, 96, 120, spruce, fiberboard and bamboo scrimber on the cutting performance of wood components.The sawing-cutting power of wood components was used as the evaluation index of sawing-cutting performance of wood components, and multiple groups of experimental analysis were carried out to determine the best sawing scheme of wood components under different materials.The results showed that：1）the primary and secondary order of the influence of each test factor on the maximum power consumption in the sawing process was: circular saw blade speed, specimen material, circular saw blade teeth number, circular saw blade teeth shape.The optimal process for sawing spruce was 1 000 r/min, 60 teeth and flat tooth shape.2）The optimal process for sawing fiberboard was 1 000 r/min, 96 teeth and ladder flat teeth.3）The optimal process for sawing bamboo scrimber was 2 000 r/min , 60 teeth and flat tooth shape.

[size=1em]Key words: Wood components; Rotary speed; Circular saw blade; Sawing performance; Orthogonal of many factors

[size=1em]中图分类号：TS642;TS396

[size=1em]文献标识码：A

[size=1em]文章编号：1001-5299 （2023） 10-0024-05

[size=1em]DOI:10.19531/j.issn1001-5299.202310005

[size=1em]基金项目：国家自然基金项目(31670721)；中国林科院中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金重点项目（CAFYBB2018ZB011）；国家林业和草原局林业科学技术推广项目（[2019]35号）

[size=1em]作者简介：王 芳，女，博士，教授，研究方向为农牧业机械智能化研究E-mail: nndwangfang@163.com

[size=1em]＊通讯作者：张 伟，男，研究员，研究方向为林业装备与信息化E-mail: zwei611@hotmail.com