專利名稱：單板表面粗糙度和可壓縮性測試新方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于人造板、木材加工、自動(dòng)化等技術(shù)領(lǐng)域，為單板表面粗糙度和可壓縮性的快速檢測提供一個(gè)全新的方法，這將有助于提高板材質(zhì)量和木材出材率，減少生產(chǎn)成本。
背景技術(shù)：
單板是生產(chǎn)膠合板、單板層積材(LVL)和其他復(fù)合材料的基本木材單元。粗糙度是評定木材制品表面質(zhì)量的重要指標(biāo)，直接影響人造板及木制件的壓縮量、膠粘質(zhì)量、裝飾質(zhì)量以及膠料與涂料的消耗量，而且對木制品表面粗糙度的要求如何，也關(guān)系到加工工藝的安排和加工余量的確定。
目前還沒有廣泛接受的儀器和理想的方法評定木材表面粗糙度。人們將用于均質(zhì)材料(金屬等)的標(biāo)準(zhǔn)化測定方法應(yīng)用于木材制品表面粗糙度的測定。這主要有兩種機(jī)械觸針法和激光掃描法。接觸式的機(jī)械觸針法精度高，廣泛應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室和離線檢測；激光或其他光學(xué)方法廣泛應(yīng)用于非接觸式表面粗糙度測量和過程控制。
這些方法主要是基于輪廓算術(shù)平均偏差(Ra)，輪廓均方根偏差(Rq)等參數(shù)評定表面粗糙度，是基于一個(gè)簡單的線輪廓的表面幅度，并不是基于整個(gè)表面(如圖1)，測得的粗糙度并不反映整個(gè)木材表面的質(zhì)量。而且，這兩種方法速度慢，勞動(dòng)強(qiáng)度大，僅適合于小件試樣，不適合在線檢測。近年來，人們應(yīng)用基于機(jī)器視覺的方法對木材的表面質(zhì)量進(jìn)行檢測，但由于受到算法、木材振動(dòng)及色差等影響，使用也受到很大限制。
本發(fā)明是一種基于面積的測定單板表面粗糙度的新方法，它能滿足單板粗糙度的快速檢測需要，同時(shí)應(yīng)用該方法可以確定單板最小壓縮量和具體條件下的施膠量，為提高單板出材率和板材膠合質(zhì)量和實(shí)現(xiàn)在線智能決策奠定基礎(chǔ)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明通過測量閾值載荷下的位移量評估單板表面粗糙度，并以此時(shí)的位移量作為單板膠合所需的最小壓縮量，從而為測量單板表面粗糙度提供一個(gè)快速檢測方法，同時(shí)應(yīng)用該方法可以確定單板最小壓縮量和具體條件下的施膠量。
在充分考慮由于單板表面粗糙度等因素引起的漸進(jìn)式壓縮接觸(第一階段)對板材生產(chǎn)工藝、出材率和質(zhì)量影響的基礎(chǔ)上，對一定面積的單板進(jìn)行徑向壓縮試驗(yàn)，確定給定溫度、含水率下的載荷-位移曲線。通過對曲線的分析，確定出閾值載荷。再通過分析閾值載荷、單板與單板之間接觸面積、表面粗糙度之間的關(guān)系，得到測定單板表面的粗糙度和可壓縮性的新方法。
作為改進(jìn)，在單板壓縮過程中，漸進(jìn)式接觸階段揭示了單板與單板、單板與平板之間的界面接觸和保證足夠膠合面積和強(qiáng)度所需要的最小單板壓縮量，它反映了木材表面粗糙度的大小，在木材制造過程中，單板所需壓縮率和潛在出材率與單板粗糙度息息相關(guān)。
作為改進(jìn)，粗糙度不同、密度和含水率相同的單板，閾值載荷、壓縮彈性模量相同，但閾值載荷下對應(yīng)的位移不同；密度和粗糙度均不同的試樣，閾值載荷相同，壓縮彈性模量不同；粗糙度越大，單板在閾值載荷下對應(yīng)的位移也越大。無論單板溫度和含水率如何，閾值載荷下的位移和表面粗糙度有直接關(guān)系。
作為改進(jìn)，閾值載荷下的位移量能夠很好地反映單板表面的平均粗糙度。通過測量閾值載荷下的位移量，可以評估單板表面粗糙度。
作為改進(jìn)，載荷越大，膠覆蓋面越大，接觸面積越大，直接得到施加載荷與接觸面積之間的計(jì)算公式。當(dāng)載荷到達(dá)閾值載荷時(shí)，接觸面積達(dá)到80％或以上，可以用此時(shí)對應(yīng)的位移量作為單板膠合所需的最小壓縮量。


圖1修正后的木材四階段壓縮理論圖2單板表面粗糙度對第一階段壓縮的影響圖3白楊單板粗糙度和密度對載荷-位移曲線的影響圖4粗糙度的兩個(gè)參數(shù)和閾值載荷下獲得的位移的相關(guān)性圖5評估單板表面粗糙度及質(zhì)量的方法圖6尺寸為30×30mm的白楊單板施加不同載荷時(shí)獲得的接觸面積圖7單板與單板之間的接觸面積與施加載荷的關(guān)系曲線(上圖多項(xiàng)式關(guān)系，下圖指數(shù)關(guān)系)
圖8幅面為30×30×2.5mm的白楊單板平均最小壓縮量與平均屈服位移與溫度無關(guān)圖9幅面為30×30×2.5mm的白楊單板的最小壓縮量和屈服位移與單板的含水率無關(guān)具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
1.單板的載荷-位移曲線對于單板徑向壓縮而言，壓縮過程實(shí)際經(jīng)歷了四個(gè)階段(圖1)，即漸進(jìn)式接觸、線彈性、塑性變形和細(xì)胞壁密實(shí)化階段。第一階段為漸進(jìn)式接觸階段，單板與單板之間接觸面積隨著載荷的增加呈非線形增加。這一階段直接揭示了單板與單板、單板與平板之間的界面接觸和保證足夠膠合面積和強(qiáng)度所需要的最小壓縮量dmin，其對應(yīng)的載荷為閾值載荷；第二階段為線彈性階段，對應(yīng)的最大位移量dmax為屈服位移。
在實(shí)際應(yīng)用中，理想的壓縮量應(yīng)該在最小所需壓縮量和屈服位移之間。如果壓縮超過屈服位移，細(xì)胞壁開始變形或斷裂，可能導(dǎo)致膠合和剪切強(qiáng)度減少、尺寸穩(wěn)定性降低。如果不考慮最初的漸進(jìn)式接觸，就沒有基準(zhǔn)來衡量木材表面粗糙度的影響。在板材制造過程中，單板的出材率與單板表面粗糙度息息相關(guān)。另外，最小壓縮量和屈服位移與溫度和含水率無關(guān)。
2.表面粗糙度和密度對閾值載荷的影響粗糙度不同，密度和含水率相同的單板的閾值載荷相同，壓縮彈性模量相同，但閾值載荷下對應(yīng)的位移不同(圖2)。密度、粗糙度均不同的單板的閾值載荷相同，壓縮彈性模量不同；粗糙度越大，單板在閾值載荷下對應(yīng)的位移也越大。雖然閾值載荷隨單板溫度和含水率而變化，但是無論單板溫度和含水率如何，閾值載荷下的位移和表面粗糙度有直接關(guān)系(圖3)。
3.閾值載荷下的位移量與表面粗糙度的關(guān)系圖4表示了閾值載荷下的位移與粗糙度主要參數(shù)Ra和Rq之間的關(guān)系，閾值載荷下的位移量與粗糙度存在很好的線性關(guān)系。單板Rq和Rq在單板緊面和松面同時(shí)測定，方向?yàn)榇怪奔y理方向，最后的單板粗糙度主要參數(shù)Ra和Rq為松緊面的均方根值。通過測量閾值載荷下的位移量，就可以評估單板表面的平均粗糙度。圖5為用這種方法測定表面粗糙度的儀器原理。此儀器的兩個(gè)主要組成部分是載荷傳感器和位移傳感器。
4、單板之間的接觸面積與載荷之間的關(guān)系在壓縮試驗(yàn)機(jī)上對不同粗糙度的單板進(jìn)行施膠壓縮試驗(yàn)，試驗(yàn)完成后，迅速將單板與單板分離，得到膠覆蓋圖(圖6)，并計(jì)算出接觸面積。可以看出載荷越大，膠覆蓋面越大，接觸面積就越大。通過分析，直接可以得到施加載荷與接觸面積之間的關(guān)系。圖7顯示了載荷和接觸面積之間的關(guān)系。當(dāng)載荷比較小時(shí)，表面粗糙度不同，接觸面積差異不大。隨著負(fù)荷的增加，光滑表面具有比較大的接觸面積。到達(dá)閾值載荷時(shí)，接觸面積達(dá)到80％以上。對于一給定表面，當(dāng)接觸面積大于80％時(shí)，單板粗糙度的影響已基本消除。因此用此時(shí)對應(yīng)的位移量作為單板膠合所需的最小壓縮量。
圖8、9表示了溫度、含水率對最小壓縮量和屈服位移之間的影響。溫度和含水率對閾值載荷和壓縮彈性模量產(chǎn)生影響，但不改變最小壓縮量和屈服位移量，因此從理論上說，單板粗糙度可在任何溫度和含水率條件下測試，但以常溫和單板干燥條件下測試最為方便。同時(shí)，單板的理想壓縮量應(yīng)位于最小壓縮位移量和屈服位移量之間。
權(quán)利要求
1.單板表面粗糙度和可壓縮性測試新方法，其特征在于根據(jù)單板徑向壓縮載荷-位移曲線，被傳統(tǒng)方法忽略的最初的漸進(jìn)式接觸階段的閾值載荷下的位移量反映了單板表面平均粗糙度和保證單板膠合質(zhì)量所需的最小壓縮量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新方法，其特征在于漸進(jìn)式接觸階段揭示了單板與單板或單板與平板之間的界面接觸。漸進(jìn)式接觸階段結(jié)束或線彈性階段剛開始時(shí)所對應(yīng)的載荷可定義為閾值載荷，閾值載荷下的位移量與粗糙度存在很好的線性關(guān)系，該位移量很好地反映單板表面(緊面和松面)的平均粗糙度。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的新方法，其特征在于通過測量閾值載荷下的位移量來評估單板表面粗糙度，此粗糙度指標(biāo)與板材所需壓縮量和制造緊密相關(guān)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新方法，其特征在于單板與單板之間的接觸膠合面積與單板表面粗糙度和所加載荷緊密相關(guān)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的新方法，其特征在于在閾值載荷下，單板與單板或單板與平板之間的接觸膠合面積達(dá)到80％以上，此時(shí)可保證膠合板生產(chǎn)的膠合質(zhì)量。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的新方法，其特征在于閾值載荷下的位移量可作為單板膠合所需的最小壓縮量，單板表面粗糙度大小影響單板的潛在出材率。減少單板表面粗糙度可提高單板潛在出材率。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新方法，其特征在于閾值載荷隨著木材含水率和溫度的變化而變化，但此載荷下的位移不隨木材含水率和溫度變化而變化。通常單板表面粗糙度和可壓縮性測試可選擇在單板干燥和常溫條件下進(jìn)行。
全文摘要
單板表面粗糙度和可壓縮性測試新方法屬于人造板、木材加工、自動(dòng)化等技術(shù)領(lǐng)域。根據(jù)單板徑向壓縮試驗(yàn)中被傳統(tǒng)方法忽略的最初的漸進(jìn)式接觸階段的有關(guān)理論，本發(fā)明提出了單板表面粗糙度測試的新方法。漸進(jìn)式接觸階段結(jié)束或線彈性階段剛開始時(shí)所對應(yīng)的載荷為閾值載荷，閾值載荷下的位移能很好地反映單板表面的平均粗糙度，因此通過測量閾值載荷下的位移量就可評估單板表面粗糙度。對單板進(jìn)行徑向壓縮時(shí)，當(dāng)載荷到達(dá)閾值載荷時(shí)，接觸面積達(dá)到80％或以上，此時(shí)單板粗糙度的影響基本消除，用此時(shí)對應(yīng)的位移量作為單板膠合所需的最小壓縮量。本發(fā)明可用于單板粗糙度和可壓縮性的快速檢測，確定單板最小壓縮量和具體條件下的施膠量，提高單板出材率和板材膠合質(zhì)量，為實(shí)現(xiàn)在線智能決策奠定基礎(chǔ)。
文檔編號G01B21/30GK101078619SQ20061004057
公開日2007年11月28日 申請日期2006年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月25日
發(fā)明者王建和, 趙茂程 申請人:南京林業(yè)大學(xué)