木材切削表面粗糙度研究进展及测定方法探讨∗

青 龙 邢 东 王喜明 李哲锋

（内蒙古农业大学材料科学与艺术设计学院，内蒙古 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细胞组织构造产生的粗糙度两部分组成[1-2]，是木材切削过程中材性、木材组织构造、加工设备及刀具条件、切削方法等诸多因素共同作用的结果。木材切削表面粗糙度直接影响木制品的外观、胶合与装饰质量、摩擦磨损、密封性能以及胶料与涂料的消耗量[3]。在设计加工工艺和确定加工余量时，都应考虑木质制品对表面粗糙度的要求。表面粗糙度是评价木质制品表面质量的重要指标，但至今没有通用的测试方法和能够真实反映木材切削表面形貌特征的测定评价标准。

本文主要梳理了国内外木材构造、切削方式、刀具条件对木材切削表面粗糙度影响的相关研究，不同测试方法的优缺点与现行测定评价标准，提出了较合理的木材切削表面粗糙度测定评价方法。

1 木材切削表面粗糙度影响因素研究

1.1 木材性能与构造

不同树种木材的性能、宏观构造和微观构造都有较大的差别。青龙等[4]对榆木、杨木和松木3 种木材的横切面锯切表面微观构造进行研究，激光三维显微系统生成的图像清晰地反映了管孔等木材显微构造、切削表面凸凹不平的分布结构。研究表明：显微构造明显部位的表面粗糙度测试值高于不明显部位。木材组织构造对表面粗糙度的影响显著。结合表面成型机理受树种及木材构造影响[5-6]、不同材质对表面粗糙度有影响等研究理论[7-10]，树种因素是木材切削表面粗糙度测试评价时必须考虑的因素之一。

木材的组织构造决定了其具有各向异性特点，主要体现在其三切面上。青龙等[4]以榆木为试验材料，对磨削加工的木材三切面及不同条件下测得的试材表面粗糙度值进行比较分析，得出榆木材三切面磨削加工的粗糙度为径切面＞弦切面＞横切面。这是因为径切面上导管和木射线等构造影响更为突出，弦切面上导管和木射线影响较小，而横切面上以管孔为主的凹坑，一定程度上被磨屑粉末堵住，因而其粗糙度较小。同一树种、同一切面时，表面粗糙度值因加工方法不同而不同，随着加工精度的提高而降低。研究表明：木材组织构造对粗糙度的影响很大，测定评价时必须考虑不同部位木材构造的影响。

1.2 切削方式

从现代木材加工技术角度，按照复杂程度及特殊性可将木材切削分为简单切削、复杂切削、特种加工三大类。

1.2.1 简单切削

切削加工中同时满足以下三个条件的切削称为简单切削。即单一方向切削，只有一面刀刃工作，切削速度垂直于刀刃。符合这些条件的木材切削有手工刨切和旋切加工。简单切削时受运动不平度（运动波纹）的影响小，属于平面切削，加工精度高。一般为弦切面上纵向切削或横向切削。研究表明：弦切面锯切表面粗糙度和旋切表面粗糙度值较为接近，磨削表面粗糙度明显低于锯切和旋切[4]。

1.2.2 复杂切削

凡是不能满足上述简单切削三个条件之一的，均属于复杂切削，如锯切、铣削（刨削）、钻削、车削、磨削等。主要特点是回转切削及多刃切削。因钻削和车削加工表面的特殊性，有关这两种切削表面粗糙度的研究相对较少，以下主要介绍锯切、铣削及磨削加工表面粗糙度的相关研究。

1）锯切加工。锯切过程中多个锯齿同时回转切削，锯身薄易振动，因而容易导致加工表面不平度增大。王明枝等[11]采用电镜观察到木材锯切表面有许多毛刺，提出采用散射激光的测量方法测定木材锯切表面粗糙度，以提高测定的准确性。青龙等[4]采用激光三维显微系统测定锯切表面粗糙度，锯切表面粗糙度明显大于磨削表面。贾娜等[12]研究以金刚石锯片锯切木材，采用支持向量机算法建立相应参数的优化预测模型以精准预测木材锯切表面粗糙度。研究表明：锯片转速、锯切厚度、进给速度等因素对木材表面粗糙度的影响程度不同，由大到小依次为锯片转速、锯切厚度、进给速度，且表面粗糙度值随着锯片转速的增大而降低，随着进给速度和锯切厚度的增大而增大。三维激光表面粗糙度测试方法适合于锯切表面质量测试评价。

2）铣削（刨削）加工。铣削加工时主轴的回转运动和多刀切削产生的运动波纹一定程度上影响表面粗糙度。王明枝等[11]对木材表面粗糙度进行研究，通过电镜观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。曹欢玲等[13]用分形维数表征木材刨切加工表面粗糙度，研究表明：木材切削表面微观形貌具有分形特征，随着分形维数数值的增大，轮廓曲线的复杂程度增强，对应的表面粗糙度参数则减小。AZEMOVIĆ等[14]对刨切参数进行研究得出,主轴转速、进给速度及铣削深度等不同切削参数的设置直接影响到木材切削表面质量。在其他参数不变的情况下，主轴转速和进给速度越快表面粗糙度越好，铣削深度增大时表面粗糙度随之增大。

3）磨削加工。王明枝等[11]通过电镜观察到磨削加工木材表面有木粉，这一定程度上会影响表面粗糙度值，应选择合适的测定评价方法。常方圆等[15]对批灰、底漆阶段表面粗糙度及改性生漆漆膜多项性能进行测定分析，认为适当的砂磨有利于增加涂料与木材的有效接触面积，加强两者相互的结合力，砂磨过少或过多均会使附着力下降。木材切削表面粗糙度对于后续木材加工工艺十分重要。青龙等[4]用80 目的砂带磨光机进行磨削加工，对试件表面粗糙度测试分析得出，在同一树种、同一切面时，木材磨削加工表面粗糙度明显低于锯切和旋切表面粗糙度。观察到磨削加工表面构造不清晰，被磨平。LUO等[16]采用不同粒度的磨具进行磨削加工试验，提出了三维表面粗糙度测试方法。GURAU等[17]通过不同木材的磨削加工试验，总结了合适的木材表面粗糙度测定分辨率值。

1.2.3 特种加工

特种加工方法是指用特殊的切割去除方式根据所需的形状、尺寸和表面质量对工件进行加工的方法。木材特种加工方法主要有高压水射流加工法、激光切割法和振动切削方法。目前有关高压水射流加工法和振动切削法对木材加工表面粗糙度影响的研究较少，对激光切割法的研究相对较多。李晋哲[18]对激光能量、切割速度、离焦量、木材含水率及木材气干密度等木材激光切割参数进行优化，并用扫描电镜对加工表面微观形貌进行观测，发现切割表面有不同程度的微细熔化痕迹及残留熔渣情况，影响表面粗糙度。赵静[19]对木质材料激光雕刻加工技术进行研究，针对加工表面的碳化问题，采取漂白处理雕刻材料，达到了理想的雕刻效果。采用传统木材激光加工技术，木材表面易发生严重的烧蚀现象，并产生残炭等残留物，导致木材外观和表面质量较差，针对这一系列问题，杨春梅等[20]提出木材水射流辅助激光加工技术，通过试验获得了理想的加工参数，木材加工表面光滑，无残留碳粒，为现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响表面粗糙度的主要因素之一。刀具材料成分、硬度、刀具角度参数及刀刃锐利程度，刀具材料与被加工材料分子的亲合程度，前后刀面与切屑和加工表面间的摩擦系数等均会影响木材加工的表面粗糙度。彭鑫荣[21]采用金刚石、硬质合金、高碳钢刀具，以主轴转速、进给速度、铣削深度为切削参数，对4 种木材的表面粗糙度进行分析，结果表明：采用硬质合金刀具切削的花旗松和南方松木材表面质量好于金刚石、高碳钢刀具，质量相对稳定；高碳钢切削的柞木表面质量好于金刚石、硬质合金；金刚石切削的阔叶黄檀木表面质量好于硬质合金、高碳钢刀具。

2 测试方法比较

2.1 触针式测定法

在接触式测定法中，触针式表面粗糙度测定仪的应用较为普遍。陈捷等[22]对木材表面粗糙度检测的测量方向、测量位置和取样长度等参数进行研究，对不同树种、不同切削方式的加工表面质量进行综合分析，为提高木材表面加工质量提供了依据。经研究人员大量实测验证，确定了被测木材表面粗糙度取样长度，为木制品表面粗糙度的轮廓法测定奠定了基础；触针半径和测量压力的选择方式及测量方向和测量位置的确定，为轮廓法测定提供了方便。目前以触针式轮廓法测量标准评价木制品表面粗糙度[23-25]，但是标准中只考虑了导管对表面粗糙度的影响而未考虑其他组织构造的影响。木材切削表面粗糙度相关研究[3,4,16,26]均指出了触针式轮廓法存在的不足。认为木材是多孔材料，触针顶端的直径尺寸影响测量结果，原因在于触针顶端难以进入导管空洞，无法触及波谷，不能准确测得实际表面粗糙度。此外，当使用压力过大而被测木材材质较软时，触针还可能破坏木材表面。

2.2 光学测定法

光学测定法属于非接触式测定方法，可以实现木材表面粗糙度的快速测试，也适用于自动化生产的在线监测。目前，激光测定法适用于木材锯切表面和中密度纤维板磨削表面粗糙度的检测，因激光能穿透油漆涂料，因此不适用于检测木材涂饰表面[3]。青龙等[4]采用激光三维显微系统测定木材粗糙度，分析得出放大倍数对木材粗糙度值影响很明显，应选择合适的放大倍数。试验表明：激光三维显微系统测定榆木、杨木木材表面粗糙度理想的放大倍数分别为200、400。袁得春等[27]对计算机控制激光传感器在线检测木材表面粗糙度进行研究，对测试数据分析表明：该系统对木材表面粗糙度的检测结果准确。该法与目前广泛应用的触针式木材表面粗糙度测量仪相比，具有检测速度快、效率高等特点，较适合在木材加工生产车间应用。光学测试具有在线测试[28-29]的优势。激光三维显微系统可清晰直观地观察分析表面凸凹构造，能比较真实地反映评价木材切削表面粗糙度，是当前较为合理的测定方法。

2.3 触觉视觉评定法

木质制品的表面质量需能满足人们触觉、视觉和使用需求。实际生产过程中也常采用眼看手摸的方法评定木材表面加工质量，甚至以这种视觉触觉的方法最终评价木材表面质量。基于此，一些研究人员就木材表面粗糙度的主观感觉评定与相对应的客观检测之间的关联做了诸多研究。其中，FUJIWARA等[26]比较研究触觉粗糙度和使用高斯滤波器处理后的木材表面粗糙度，总结出触觉粗糙感与表面粗糙度的正相关性，并指出滤波器对表面轮廓线测定值的直接影响。王明枝等[11]比较分析不同切削方式和不同树种条件下，木材表面粗糙感的触觉心理量与视觉心理量的相关性，得出水曲柳、毛白杨和杉木表面粗糙感的触觉心理量与视觉心理量呈正相关，针叶材表面粗糙感的触觉心理量与视觉心理量的相关性比阔叶材的大的结论。目前这类方法尚未达到实际应用要求，深信在大数据技术和人工智能技术快速发展的背景下可望成为现实。

除了以上三类测试评价方法外还有超声波检测法[3]、图像处理法[30]等，但这些方法尚未进入实际应用阶段。

3 测定评价标准

木制品表面粗糙度测定评价现行国家标准采用的是轮廓（触针）法，是以金属为代表的均质材料标准化测定理论为基础的表面粗糙度测定和评价方法[23-25]。标准中只提及了木材导管构造的影响，未提出木射线、树脂道及生长轮等其他多种组织构造的影响。鉴于接触式测定方法存在的不足，且绝大多数木质制品最终使用的表面均为经过涂饰、贴面或覆膜处理后的切削表面（基材表面）[31]，其与木材切削表面具有本质区别。因此，应对木材切削表面（白坯表面）粗糙度和涂覆处理后的表面质量加以区分。生产过程中，木材切削表面（基材表面）质量直接影响到后续加工质量以及涂料或胶料的消耗量，合适的表面粗糙度有利于提高涂饰性能[15,32,33]。因此应对现有测定评价木材切削表面粗糙度的方法与标准进行改进与完善，才能真实反映木材切削表面的形貌特征，确保木材切削表面质量。

4 结语

基于现有木材加工表面粗糙度相关研究及测试评价标准与方法，提出以下几点建议：

1）木材切削表面（白坯表面）和经涂饰处理的木材表面有本质区别。应分别讨论上述两种表面粗糙度的测定评价方法，以便对不同表面粗糙度进行准确测定评价，并完善现有测定评价标准。

2）测定木材切削表面粗糙度，建议首先根据木材构造和切削方式等选定木材测定评价部位，然后根据检测仪器与设备选择合适的测定模式，即以三维形状测定评价方法为基础的二步法测定木材切削表面粗糙度。

3）现有研究表明，木材表面粗糙度与触觉心理量与视觉心理量呈正相关。建议模拟这种感官认知功能研究开发表面粗糙度测定评价方法和标准。随着大数据技术、人工智能技术和计算机视觉检测技术的不断发展，必将产生更为理想的表面质量测定评价方法。