童敘豪,胡曉軍,楊俊凱,徐云杰,萬垚銘

(湖州師范學院 工學院,浙江 湖州 313000)

0 引 言

竹材是一種重要的天然纖維資源,竹纖維具有高比模量、比強度,可應用于高經(jīng)濟性能和生態(tài)價值產(chǎn)品的制備,受到世界諸多行業(yè)的青睞.李衛(wèi)林[1]等通過不同堿煮氧化參數(shù)來提取竹纖維,從而得出提取相對純凈竹纖維的化學處理參數(shù).但用該方法提取的竹纖維熱穩(wěn)定性相對原竹有所下降.王春紅等通過物理-化學方法和物理方法分別提取竹纖維,得出不同竹齡、不同部位的竹纖維對化學成分、纖維密度和回潮率的影響,以及不同處理方法對竹纖維力學性能的影響[2-3];黃慧等分別通過梳理、輥壓等方法制備竹纖維,認為通過多級分絲方法可制備力學性能更優(yōu)良的竹纖維,但該方法可能會造成更大的內(nèi)部缺陷[4].束必清等通過蒸爆法制備竹纖維和楊木纖維,認為通過蒸爆法可降解纖維素等物質(zhì),并能制備出較多的長纖維.上述研究均通過機械破碎、熱蒸和化學處理等常規(guī)方法獲取竹纖維[5].其中,通過機械破碎法獲取竹纖維需要經(jīng)過梳理、篩分等工序,存在效率低、纖維長度不均等缺陷;通過熱蒸法獲取竹纖維可能會改變纖維的化學組成和結構,從而降低纖維強度;通過化學處理方法獲取竹纖維會造成纖維的熱穩(wěn)定性下降.

楊永福等采用不同的切削參數(shù)對竹材進行切削,認為刀具前角、切削速度和切削量對切削力具有一定的影響[6].郭瑩潔等通過對人造竹片的銑削研究,認為銑削參數(shù)對人造竹片的表面質(zhì)量和超前劈裂會產(chǎn)生影響[7-8].上述研究僅通過銑削方法對竹制品銑削特性進行研究,并未涉及竹纖維的制取和特性研究.

本文采用不同的銑削參數(shù)對天然毛竹進行銑削并提取竹纖維,研究纖維在提取過程中切削參數(shù)對纖維長度的影響規(guī)律,這對合理選取切削參數(shù),以高效獲取均勻、優(yōu)質(zhì)的竹纖維具有重要意義.

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

選取浙江湖州2～3年生毛竹,去除竹節(jié),將其切成長度為100 mm的竹管,放入烘箱,于70～80 ℃環(huán)境中烘8 h;實驗機床采用三軸高速雕銑機,其主軸最高轉速為24 000 r/min;實驗刀具選用直徑為6 mm的雙刃直槽立銑刀和直徑為60 mm的鋸片銑刀;毛竹纖維長度采用游標卡尺測量.

1.2 實驗方法

將毛竹管固定在夾具上,使用60 mm鋸片銑刀對竹管進行端面切割,使竹管端面與刀軸垂直,以避免因系統(tǒng)因素造成的實驗誤差;使用6 mm雙刃直槽立銑刀對毛竹管進行單向順銑;每組參數(shù)隨機選取100根毛竹纖維,并用游標卡尺測量其長度.具體切削參數(shù)實驗方案見表1.

表1 切削參數(shù)實驗表

2 結果與分析

2.1 切削參數(shù)對毛竹纖維平均長度的影響

在不同切削參數(shù)下收集到的毛竹纖維中,隨機選取100根竹纖維,并分別將各組測量數(shù)據(jù)的平均值作為對應參數(shù)的毛竹纖維長度取值,見圖1.在圖1(a)短纖維(5 mm)情況下,當主軸轉速為5 000～15 000 r/min時,隨著進給速度的增大,毛竹纖維的平均長度緩慢增大,且穩(wěn)定在4.63～5.14 mm之間,與毛竹纖維理論長度較接近;當轉速提高至20 000 r/min時,隨著進給速度的增大,毛竹纖維的平均長度在0.94～4.91 mm之間,呈較顯著的增大趨勢,且當進給速度為2 500 mm/min時,達到與目標毛竹纖維長度接近的最大值.在圖1(b)長纖維(12.5 mm)情況下,當主軸轉速為5 000～20 000 r/min時,纖維的平均長度隨進給速度的增大而增大,且在進給速度大于1 500 mm/min后,毛竹纖維的平均長度的增大趨勢較為平緩.綜上,在銑削加工過程中,當主軸轉速低于15 000r/min時,對毛竹纖維平均長度的影響不大,而進給量則對毛竹纖維平均長度的影響較大;當轉速提高至20 000 r/min時,主軸轉速和進給量對毛竹纖維平均長度的影響均較大.其原因為:隨著主軸轉速的提高,當進給量較小時,毛竹纖維束并非理想狀態(tài)地垂直于工作臺分布,單位時間內(nèi)刀具對毛竹纖維的切削次數(shù)增加,致使毛竹纖維提前被切斷;當進給量較大時,刀具在單位時間內(nèi)對毛竹纖維的作用次數(shù)較少,毛竹纖維在切削力作用下從原竹剝離,與目標毛竹纖維長度保持較好的一致性.

圖1 不同參數(shù)切削的毛竹纖維長度平均值

2.2 切削參數(shù)對竹纖維實際長度的影響

圖2為在對應參數(shù)下獲得的毛竹纖維形貌圖.從圖2可以看出:在不同參數(shù)下銑削獲得的一部分毛竹纖維長度與目標長度有較好的一致性;一部分毛竹纖維長度與目標長度有顯著差異,這可能是毛竹纖維被提前切斷造成的,也可能是原竹薄壁細胞與毛竹纖維束撕裂造成的.本文以測量數(shù)據(jù)中毛竹纖維的實際長度與目標長度的一致性比率,以及毛竹纖維的實際長度超出目標長度比率作為評價指標,研究切削參數(shù)對毛竹纖維實際長度的影響.

在圖3(a)的短纖維(5mm)情況下,當主軸轉速為5 000～15 000 r/min時,隨著進給速度的增大,毛竹纖維長度的準確率先增大后減小,且在進給量為2 000 mm/min時達到最大值;當轉速提高至20 000 r/min時,毛竹纖維長度的準確率隨著進給速度的增大而增大.在圖1(b)的長纖維(12.5 mm)情況下,當主軸轉速為 5 000～10 000 r/min時,隨著進給速度的增大,毛竹纖維長度的準確率先增大后減小再增大;當轉速為 15 000～20 000 r/min時,毛竹纖維長度的準確率隨著進給速度的增大而增大.綜上,在銑削加工過程中,當主軸轉速低于10 000 r/min、進給量為1 500～2 000 mm/min時,可獲得長度準確率較好的毛竹纖維;當轉速大于10 000 r/min、進給量為2 000～2 500 mm/min時,可獲得長度準確率較好的毛竹纖維.

圖2 不同參數(shù)切削的毛竹纖維形貌

圖3 不同參數(shù)切削的毛竹纖維實際長度與目標長度一致性比率

在圖4(a)的短纖維(5 mm)情況下,當主軸轉速為5 000～10 000 r/min時,隨著進給速度的增大,毛竹纖維長度超出率先增大后減小;當轉速為15 000～20 000 r/min時,毛竹纖維長度超出率隨著進給速度的增大而增大.當進給量為1 000 mm/min時,利用不同轉速切削獲得的毛竹纖維長度超出率均為最低;當主軸轉速為20 000 r/min、切削速度低于2 000 mm/min時,毛竹纖維長度的超出率均為0,這是在高轉速低進給條件下,因大部分毛竹纖維被提前切斷造成的.在圖1(b)的長纖維(12.5 mm)情況下,當主軸轉速為5 000～15 000 r/min時,隨著進給速度的增大,毛竹纖維長度的準確率先增大后減小;當轉速為20 000 r/min時,毛竹纖維長度的超出率隨著進給速度的增大而增大.除當轉速為5 000 r/min、進給量為2 000 mm/min時,超出率較大外,其他各參數(shù)在切削狀態(tài)下的超出率變化不大,且維持在較低狀態(tài).綜上,在銑削加工過程中,在各切削條件下均存在一定比例的纖維長度超出率.這是因為原竹在切削過程中存在一定程度的竹維管束劈裂情況,以及原竹維管束并非理想狀態(tài)地垂直于工作臺分布,從而導致部分傾斜的毛竹纖維被完整切下.因此,在較高轉速和較大進給量的條件下,有助于減小纖維長度的超出率.

圖4 不同參數(shù)切削毛竹纖維的實際長度超出目標長度比率

3 結 論

通過直刃立銑刀高速銑削原竹,研究不同切削參數(shù)對獲取毛竹纖維長度的影響規(guī)律,從而得出以下結論:

(1)當主軸轉速為5 000～15 000 r/min、進給量為1 000～2 500 mm/min時,切削獲得的長、短纖維的平均長度較為穩(wěn)定;當主軸轉速為20 000 r/min、進給量為2 500 mm/min時,切削獲得的長、短纖維的平均長度較為穩(wěn)定.

(2)當主軸轉速低于15 000 r/min時,對毛竹纖維的平均長度影響不大,進給量對毛竹纖維的平均長度影響較大;當轉速提高至20 000 r/min時,主軸轉速和進給量對毛竹纖維的平均長度的影響均較大.

(3)低轉速、低進給量和高轉速、高進給量均可獲得長度質(zhì)量較好的毛竹纖維,且采用高轉速、高進量更有利于高效獲取高質(zhì)量的竹纖維.