全 文 ：第 wu卷 第 v期
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林 业 科 学
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微米长薄片木纤维切削加工功率的理论
计算方法与效益分析
马 岩 杨春梅
k东北林业大学 哈尔滨 txsswsl
摘 要 } 对传统纤维加工的功耗进行分析 o将细胞学 !超精加工理论 !纤维学等一系列现代分析手段运用到木纤
维的形成过程中 o提出微米长薄片木纤维切削的概念 o从而将微米长薄片木纤维的研究上升到微观结构 o并通过对
纤维形状的产生和切削力变化的分析 o解释传统木纤维加工消耗的能源高 !产生纤维质量差的本质原因 ∀示例对
微米长薄片木纤维的加工功率进行计算 o将其与传统加工方法的功率进行对比 o得出结论 }以微米级机械法加工木
纤维耗能远远低于热磨法 o且可以加工出质量较高的微米级长丝木纤维 ∀
关键词 } 切削 ~微米 ~木纤维 ~功率 ~理论计算
中图分类号 }×≥y 文献标识码 }„ 文章编号 }tsst p zw{{kussylsv p ssww p sw
收稿日期 }ussw p s{ p sv ∀
基金项目 }国家自然科学基金项目kvstzszxtl和黑龙江省攻关项目kŠ≤sw„ystl共同资助 ∀
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Κεψ ωορδσ} ¦∏·¬±ª~°¬¦µ²°¨ ·¨µ~º²²§©¬¥¨µ~³²º¨ µ~·«¨²µ¼ ¦¤¯¦∏¯¤·¬²±
t 问题的提出
能源是人类赖以生存和推动社会进步的主要物质基础 ∀我国主要用能产品的单位产品能耗比发达国家
高 ux h ∗ |s h o能源利用率只有 vu h左右 o所以节能潜力巨大而且任重道远 ∀能源与人造板行业关系极大 o
人造板生产过程需要消耗大量的动力 o人造板工业也是消耗能量很大的行业之一 o能源的消耗也大大提高了
该行业的生产成本 ∀从纤维的加工来说 o要经过纤维分离 !成型 !干燥及热压等工序 ∀纤维分离是整个造纸
和人造板生产的核心环节 o也是确保产品质量最重要的工序之一 o同时又是能耗较多的一道工序 o接近生产
线总能耗的 xs h左右 ∀目前 o广泛采用的是热磨机械法的纤维分离 o它是将预热后的木片送入热磨机的磨
盘中 o使其受压缩 !拉伸 !剪切 !扭转 !冲击 !摩擦和水解等多次重复的外力作用 o最终实现纤维分解k许秀雯 o
t|{{l ∀这些工序需要消耗很大的能量 o本文研究的重点是采用木材微米加工工艺来解决纤维形成能量消耗
的问题 ∀
u 传统木纤维加工功率消耗的分析
表 t所示为几种常见类型热磨机的功率消耗情况 o在产量相当的情况下 o其中功率消耗最少的还要
s1stw ®• #°pv o所以此工序是本行业中能源消耗的一个瓶颈 ∀
表 1 几种常见类型的热磨机功率消耗
Ταβ .1 Χοµ µ ον δεφιβρατορ ποωερ
序号
‘²q
型号
×¼³¨
磨盘尺寸
¬¯¯¶·²±¨ ¶¶¬½¨ Π
°°
电机转速
∞¯ ¦¨·µ¬¦¬·¼ °¤¦«¬±¨ µ²·¤·¨
¶³¨ §¨Πkµ#°¬±ptl
主机功率
¤¬±©µ¤°¨³²º µ¨Π
®•
单位体积功率
°²º µ¨²©³¨µ¶·¨µ¨Π
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产量
’∏·³∏·Π
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v 微米长薄片木纤维的基本定义
木纤维是木材中的主要物质 o在造纸和人造板的加工中 o分离木纤维是生产中的主要工序 ∀传统热磨制
木纤维长度在 t ∗ v °°左右 o当量直径在 s1ty ∗ s qzx °°之间k许秀雯 ot|{{l ~而一般木材细胞的当量圆直
径在 ts ∗ tsx Λ°之间k成俊卿 ot|{xl ∀由于人造板木纤维当量直径远远大于木材细胞的当量圆直径 o致使
大多数木纤维的细胞胞管在热磨过程中没有破坏 o胞管内的糖基化合物 !胶质等杂质排不出来 o导致杂质太
多和纤维板变色 o在造纸工业中只好再通过化学制浆的方法将杂质排出 ∀由于引入化学制剂 o又造成了污染
k马岩 ousstl ∀热磨切削方式的不合理也是导致木纤维太短 !太粗和功率消耗太大的问题之一 ∀在微米长薄
片木纤维加工过程中 o所有细胞管都完全剖分 o管胞内杂质可以全部排出 ∀因此 o本文定义微米长薄片木纤
维的切削厚度在 ts ∗ {s Λ°之间 o切下的纤维长度在 v ∗ { ¦°左右 o宽度在 v ∗ ts °°的范围内的纤维单元
k相当于人造板纤维分离工序中的纤维而言l为微米长薄片木纤维k马岩 oussu¤~ussu¥~ussu¦l ∀实现微米长
薄片木纤维以后 o机械制浆法可以在没有污染的条件下实现造纸生产的小型化 o解决原来小造纸的污染问
题 o促进我国造纸工业的普及 o也是解决造纸和纤维板工业消耗大量能量和产生巨大浪费及污染的高技术解
决途径k马岩 oussvl ∀
w 微米长薄片木纤维切削的力学建模方法
木材切削过程的实质是被切下的木材在刀具作用下发生剪切 !挤压 !弯折等变形的过程 ∀由于木材是各
向异性材料 o因此 o当切削方向不同时 o木材的变形和切屑受力都差异很大 ∀
本文提出的微米长薄片木纤维是靠木材的纵向切削来实现的 ∀切削时 o切削层木材受前刀面的压缩 o刀
具的作用使纤维细胞管胞之间的平面内产生剪切应力 o木材细胞单体在剪切应力作用下沿细胞纵向不断的
劈裂 !变形和破坏 ∀当相应的剪切应力依次变为临界值时 o塑性变形的木纤维沿前刀面向上劈裂 ∀剪切应力
也以不断形成的形式传递到刀具前尚未变形的木材纤维上 ∀这种形式的切屑形成过程的特点是木材的连续
顺纹劈裂 o所以形成的纤维为光滑的条状 o切削力可以达到最小 ∀
传统的木材切削理论已经有近百年的历史 o它是以试验为基础的实用科学 o在大量试验的基础上 o传统
切削理论考虑切削是木材切屑对前刀面的压力作用下 o在后刀面的摩擦力和木材劈裂产生的阻力联合作用
的结果 ∀这些力在变成微米长薄片木纤维加工以后 o将发生很大的变化 ∀微米长薄片木纤维厚度极薄 o柔性
极好 o对前刀面压力几乎可以忽略 o细胞纤维顺纹劈裂的力和木材其他方向劈切力相比也极小 ∀因此 o只有
后刀面摩擦不能忽略k肖正福等 ot||ul ∀为了提高切削力的计算理论 o本文采用国际上最新的精密切削的基
础理论和方法 ∀
根据 •∏¥¨ ±¶·¨¬±等kt|{xl提出的基础切削理论 o在假设切削分流点以下刀具 p工件的所有挤压和弹性恢
复区域都存在着相同静应力 Π° 作用的前提下 o对切削加工挤压和弹性模量恢复机理进行了简化分析 o在此
基础上建立了力的数学模型 ∀
沿 u个方向作用于刀具上的力 ΦΞ 和 ΦΨ分别为 }
ΦΞ € Π° ΛΩs ktl
ΦΨ € ΛΠ° ΛΩs kul
xw 第 v期 马 岩等 }微米长薄片木纤维切削加工功率的理论计算方法与效益分析
图 t 微米长薄片木纤维切削示意图
ƒ¬ªqt ¬¦µ²2º²²§©¬¥¨µ¦∏·¬±ª
式中 }Λ为切削宽度 ~ Ωs 为刀具与工件的接触长度 ~Π° 为刀具
与工件接触区作用于刀具上的平均正应力 o即
Π° € ΣσΛ kvl
式中 }Λ为摩擦系数 ~Σσ为木材剪切屈服强度 ∀
在木材切削以后产生的恢复变形与刀具后刀面接触将产生
很大的压力 o克服这个压力产生的摩擦力在刀具最底端接近刃口
处单位面积上受到的正压力最大 o越接近工件已加工表面 o单位
面积上受到的正压力越小 o到脱离刀具的已加工表面基本减小为
零 ∀所以 • ∏¥¨ ±¶·¨¬± 等kt|{x l假设存在漏洞 ∀到 ⁄µ¨¶¦«¨µ等
kt||s ~t||ul提出按  µ¨¦«¤±·的切削理论确定切削角 < o并设其始终为常量 ∀假设在刀具 p工件所有接触区
域上都存在相同的摩擦系数 Λ和正应力 ΦΠ的前提下 o建立的超精密切削力的数学模型如下 }
ΦΠ € ΡΣ¶¬±<¦²¶< p Λ¶¬±u < kwl
ΦΨ € ΛΦΠΛδ n ΦΠωΛ n tu ΦΠωδΛ n ΦΠωχΛ kxl
ΦΞ € ΦΠΛδ n ΛΦΠωΛ n tu ΛΦΠωδΛ kyl
式中 }ΦΠ为微米长薄片木纤维对前刀面平均正应力 ~<为微米长薄片木纤维切削角 ~δ 为微米长薄片木纤维
切削厚度 ~Λ为切削宽度 ~ω为后刀面磨损宽度 ~ωδ为后刀面与木材接触长度 ~ ωχ为切削刃钝圆半径作用长
度 ~ΡΣ 为顺纹抗剪强度 ∀
⁄µ¨¶¦«¨µ的理论是针对超精密切削力计算提出来的 o是近代最新的切削理论 o本文在其理论基础上增加
相应木材力学的内容 ∀
x 微米长薄片木纤维切削功率相对热磨减少原因的定性分析
植物纤维以化学键 !氢键 !范德华力及表面交织力等结合成统一体 ∀传统热磨方法进行纤维的分离是一
种多维复杂的空间运动 o纤维所受诸力是多维动载荷或冲击载荷 o绝大多数作用力做的是无用功 o有些反而
做负功 ∀热磨法减短了纤维的长度 o并且绝大多数切削力加载在纤维切断破坏所需消耗极大功率的方向上 o
因此浪费了大量的能源 ∀力的作用频率还影响纤维的分离产量与质量 ∀本文提出的微米长薄片木纤维切削
理论 o是通过纯物理的最佳切削方向进行纯机械的切削方法 o用于顺纹切削方向的切削力在理论上相当于端
面切削力的十几分之一 ∀从理论上分析 o仅切削方向的合理排布就可以使功率大幅度减小 o在减小功率的情
况下 o靠纯剪切劈裂纤维的细胞组织最省力 o通过纵向的超高速切削的顺纹切削达到切出微米级长丝纤维的
效果 ∀既减少了动力的消耗 o又减少了切断纤维的概率 o大幅度提高了纤维的长度和质量 ∀文中提出微米级
切削木纤维的理论 o并根据对切削力的计算 o从而定量的求出切削功率即为切削力与切削速度的乘积 ∀与传
统热磨纤维的分离相比 o微米长薄片木纤维的切削功率应远远小于机械研磨所消耗的功率 ∀
y 微米长薄片木纤维切削功率的计算公式推导
在纤维的切入点 o如图 t所示切削功率为该点的切向力 ΦΞ 与该切向速度的乘积 o即
Π¦ € ΦΞςΞ ≅ tspvk®• l kzl
式中 }ΦΞ 为主切削力k‘l ~ςΞ 为切削速度k°#¶ptl ∀
将切削力的公式代入得 }
Π¦ € ≈ Λδ n ΛωΛ n tu ΛωδΛ  ΦΠςΞ k{l
z 应用示例分析
以毛白杨k Ποπυλυστοµεντοσαl为例 o在试验台上进行微米切削试验 ∀刀盘直径为 ∆ € wss °° ~刀具主轴转
yw 林 业 科 学 wu卷
速为 ν € y sss µ#°¬±pt ~切削角 < € uvβ ~摩擦角 Β€ uxβ ~切削线速度为 ςΞ € tux1y °#¶pt ∀纤维切削厚度为 δ
€ s1sxx °° ~切削长度为 Λ€ {s °°∀由切削力公式kwl可求得平均正应力 ΦΠ为 t{1u| °¤o当纤维切削厚度
取 xx Λ° !切削宽度为 {s °° !后刀面磨损带宽度为 xs Λ° !后刀面与工件接触长度为 xs Λ°时 o主方向的切削
力由公式kyl得为 tvt1yt ‘o当转速达到 y sss µ#°¬±pt o切削线速度可达 tux1y °#¶pt o此时对于供给 x万
°v ⁄ƒ的生产线的木纤维由公式k{l得切削功率 u{t ®• o按表 t序号 w的实际热磨机主机功率为 t wss ®• o
虽然理论计算有一些误差 o但与传统热磨机相比理论上节省功率为 {s h ∀
本文针对年产 x万 °v 的 ⁄ƒ生产线的木纤维切削设备能耗极大的问题提出理论上的解决方案 o由上
述过程求出的功率与热磨机得到同等纤维所消耗的功率相比 o不仅省去了蒸煮和添加化学试剂的工序 o而且
实际实施以后 o也可以将功率降低到机械热磨法功率消耗的一半以下 ∀
{ 结论
针对传统热磨木纤维功率消耗极大的问题 o运用数据进行对比分析 o通过对微米长薄片木纤维形成过程
进行定性分析得出热磨纤维法是一种极其浪费能源的方法 o并提出了微米长薄片木纤维的切削节能降耗的
创新思路 ∀
通过对微米长薄片木纤维的力和功率的公式推导 o阐明了微米长薄片木纤维形成过程中纤维的受力情
况和相应的参数关系 ∀
通过对微米长薄片木纤维加工中具体的参数设定 o计算求出了年产 x万 °v 的人造板所需微米长薄片木
纤维所消耗的功率 o与传统的纤维形成所消耗的功率相比可以节能一半以上 o可以大幅度提高 ⁄ƒ企业的
效益 o并且纤维的长丝保持了木纤维原有的性能 ∀应用近几年国际上精密切削理论进行木材切削力的计算 o
提高了木材切削力的计算水平 ∀
参 考 文 献
成俊卿 qt|{x q木材学 q北京 }中国林业出版社
马 岩 qusst q纳微米科学技术在木材工业的应用前景展望 q林业科学 ovzkyl }ts| p ttu
马 岩 qussu¤q木材横断面细胞结构的数学模型研究 q生物数学学报 otzktl }yw p y{
马 岩 qussu¥q微米木纤维定向重组细胞纤维含量的定量求解理论研究 q生物数学学报 otzkvl }vxv p vxz
马 岩 qussu¦q木材横断面六棱规则细胞数学描述理论研究 q生物数学学报 okvl }tzktl }yw p y{
马 岩 qussv q利用微米木纤维定向重组技术形成超纤维板的细胞裂解理论研究 o林业科学 ov|kvl }ttt p ttx
肖正福 o刘淑琴 o胡宜萱 qt||u q木材切削刀具学 q哈尔滨 }东北林业大学出版社
许秀雯 qt|{{ q纤维板生产工艺与技术 q哈尔滨 }东北林业大学出版社
„±§¨µ¶²±  ° oŠµ¨¶·Š ≥ o≥µ²¯²√¬·½ ⁄qt|{| q≤²°³∏·¨µ¶¬°∏¯¤·¬²± ²©±²µ°¤¯ ªµ¤¬± ªµ²º·«¬±·«µ¨¨§¬°¨¨ ±¶¬²±¶q°«¬¯²³«¬¦¤¯ ¤ª¤½¬±¨ …ox|kvl }u|{ p vu|
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⁄µ¨¶¦«¨µ⁄o⁄²º × „ qt||s qײ²¯ ©²¨ ¦¨ °²§¯¨§¨ √¨ ²¯³° ±¨·©²µ§¬¤°²±§·∏µ±¬±ªq°µ¨¦¬¶¬²± ∞±ª¬±¨ µ¨¬±ªotuktl }u| p vx
⁄µ¨¶¦«¨µ⁄o⁄²º × „ qt||u qײ²¯ ©²¨ ¦¨ o·²²¯ §¨ª¨ ¤±§¶∏µ©¤¦¨ ©¬±¬¶«µ¨ ¤¯·¬²±¶«¬³¶¬± §¬¤°²±§·∏µ±¬±ªq°« ⁄ ⁄¬¶¶¨µ·¤·¬²±ouy p vx
k责任编辑 石红青l
zw 第 v期 马 岩等 }微米长薄片木纤维切削加工功率的理论计算方法与效益分析