本发明涉及木材加工领域，特别是涉及一种实木多维弯曲方法。
背景技术：
随着社会的进步，人们崇尚自然，回归大自然的心情日益迫切，使木制品在市场上倍受喜爱；另一方面，在木制品设计中，常常需要在产品的造型设计上添加曲线和曲面以满足制品的审美要求和使用功能要求。实体木材的多维弯曲技术可以改变木制品的造型和结构特征，为有效地利用木材创造更加广阔的空间；同时还可以实现木材的精深加工，提高木材的附加值及企业的经济效益。实木弯曲技术可以广泛地应用在诸多领域，如家具中的各类曲线形零件，建筑上的楼梯扶手拐角，曲线门和门框，车、船上的各类木制曲线扶手，室外各类公共建筑构件，室内装修的各种曲线形零部件，三维曲线的雕刻和工艺品等，从而实现木材的精深加工，提高木材的附加值，降低木制品的生产成本，提高企业的经济效益。
目前，实木弯曲部件的加工方法主要有锯制加工和加压弯曲两种。锯制加工就是用带锯直接在锯材或胶合拼板材上锯出曲线形，再经铣削而成。锯制加工弯曲件生产工艺简单，无需添加新设备，但由于木材的纤维被切断，零部件强度降低，且涂饰较难，弯曲度大的和环形零部件还需要拼接，会造成出材率低等许多问题。加压弯曲可以克服以上缺点，用加压的方法把直线型的方材或单板直接压制成各种曲线形零部件，线条自然流畅，保留了木材丰富的天然纹理和色泽，另外还简化了家具结构，省工省料又提高了强度。但木材在常态下可塑性很小，直接进行加压弯曲加工，其形成的凸面受拉伸、凹面受压缩，当拉伸应变达到一定量(1％左右)时，拉伸面纤维容易被拉断破坏，压缩面产生褶皱，因而难以获得要求的弯曲曲率半径和造型。
技术实现要素：
为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种实木多维弯曲方法，以解决现有的木材加工方法良品率低且木材成品弯曲造型不稳定的问题。
基于此，本发明提供了一种实木多维弯曲方法，包括如下步骤：
步骤s1、采用饱和水蒸气对木材坯料进行汽蒸处理，所述饱和水蒸气的温度为110-160℃，汽蒸处理时间为20-120min；
步骤s2、对所述木材坯料进行纵向压缩，压缩方向为沿所述木材坯料的木纹方向，压缩率为2-23％；
步骤s3、施力扭转所述木材坯料，且扭转角度为±(5-60)°，待所述木材坯料扭转至预设的角度后，继续施力至少20s并保持所述木材坯料的扭转状态；
步骤s4、将所述木材坯料保持在扭转状态并进行过热蒸气汽蒸处理，所述过热蒸气的温度为110-160℃，汽蒸处理时间为15-80min；
步骤s5、对所述木材坯料进行干燥，使所述木材坯料的含水率为6-12％。
作为优选的，所述步骤s1还包括：先对所述木材坯料进行外形加工并使其长度方向与木纹方向一致，再对所述木材坯料进行饱和水蒸气汽蒸处理。
作为优选的，所述木材坯料在所述外形加工前的含水率为20％-32％，最佳范围是24％-28％。
作为优选的，所述步骤s1还包括：在对所述木材坯料进行饱和水蒸气汽蒸处理时，对所述木材坯料所处的环境通入饱和水蒸气，并以5-10℃/min的速度提升所述木材坯料所处环境的温度，当所述木材坯料所处的环境温度达到110-160℃后，维持10-120min，最佳温度范围是120-140℃。
作为优选的，所述步骤s1还包括：在对所述木材坯料进行饱和水蒸气汽蒸处理之前，当所述木材坯料的含水率低于20％，将所述木材坯料放入60-90℃的热水中进行蒸煮使所述木材坯料的含水率上升至20-30％，且所述木材坯料的内部在各方向的含水梯度不超过5％。
作为优选的，在所述步骤s2中：所述木材坯料的纵向压缩率为2-23％，最佳的压缩范围是4-16％。
作为优选的，所述步骤s3和步骤s4之间还包括步骤s34：对扭转后的所述木材坯料在模具中进行弯曲成型处理，并在模具中将扭转和弯曲成型后的木材坯料锁紧固定以保持所述木材坯料的扭转和弯曲状态。
作为优选的，在所述步骤s2和s3中，采用高频加热方式对木材坯料进行加热处理，使木材坯料的温度保持在80-120℃，以维持木材坯料具有更好的柔韧性。
作为优选的，在所述步骤s4中：所述过热蒸气的温度为120-130℃，汽蒸处理时间为20-40min。
作为优选的，在所述步骤s5中：对所述木材坯料进行干燥处理使所述木材坯料的含水率为8-11％。
本发明的实木多维弯曲方法，首先对木材坯料进行饱和水蒸气汽蒸处理以软化木材坯料，使其易于纵向压缩，而经压缩处理的木材坯料有利于进行扭转和弯曲，再将扭转和弯曲后的木材坯料在过热蒸气中进行汽蒸处理，进而消除木材坯料在扭转和弯曲时因拉伸和压缩产生的残余应力，最终将蒸煮后呈塑化状态的木材坯料干燥处理后获得实木弯曲部件。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明的实木多维弯曲方法，包括如下步骤：
步骤s1、先对木材坯料进行外形加工并使其长度方向与木纹方向一致，外形加工包括木工件定长、定宽、定厚处理，其长度方向预留的加工余量应大于设计的压缩量。其中，木材坯料在外形加工前的含水率为24％-28％，此时木材强度最小，可产生的变形最大。当木材坯料的含水率低于20％，则需要先进行热水蒸煮处理以提高木材含水率：将木材坯料放入60-90℃的热水中进行蒸煮使木材坯料的含水率上升至20-30％，且木材坯料的内部在各方向的含水梯度不超过5％。
再将对木材坯料放入木材软化罐或者其他的压力容器中进行饱和水蒸汽汽蒸处理，饱和水蒸气的温度为110-160℃，蒸煮时间为20-120min。具体地，在对木材坯料进行饱和水蒸汽蒸汽蒸处理时，从室温开始，对木材坯料所处的环境通入水蒸气，并以5-10℃/min的速度提升木材坯料所处环境的温度，当木材坯料所处的环境温度达到120-140℃后，维持10-120min，使木材整体软化(塑化)，易于后续木材压缩与弯曲。
木材软化的工艺目的是使木材膨胀变形实现可塑化，在技术上是降低木材细胞壁化学组分中半纤维素、木质素的玻璃化转变温度，降低其顺纹压缩屈服强度。在软化处理过程中，水分子进入到木材细胞壁中与纤维素非结晶区和半纤维素的羟基形成新的氢键，加大了纤维素和半纤维素中分子链之间的距离，为纤维素分子链的运动提供了空间，同时在水热共同作用下，木材细胞壁中的木素进一步软化，使得木材的可塑性提高，从而达到软化目的。木材软化处理所需时间的长短与木材的初始含水率，树种和木材的厚度有关。
步骤s2、将软化后的木材坯料置于木材纵向压缩机中，对木材坯料进行纵向压缩，压缩方向为沿木材坯料的木纹方向，压缩率为2-23％。优选的，木材坯料的压缩率为4-16％。纵向压缩使木材纤维皱褶，易于工件的弯曲，且可弯曲幅度更大，形成的弯曲曲率半径更小。
顺纹压缩应在专用的木材顺纹压缩装置下进行，最好是在木材纵向压缩机中进行，顺木纹方向进行纵向压缩，使木材纤维皱褶，纤维之间产生纵向位移并在顺纹方向上细胞轴向产生褶皱，木材在持续的外力作用下被压缩，这些褶皱主要集中在细胞的内壁，当达到预定压缩率后保压一定时间后卸压，木材在压力解除后就具有良好的弹塑性特性，易于工件的弯曲，且弯曲性能良好。
木材顺纹压缩效果直接影响后续木材扭曲和弯曲的性能，增大压缩量有利于提高木材形变的性能，但是压缩量过大，将会破坏木材本身的结构从而产生废品。硬阔叶材中有宽而粗大的木射线组织，使年轮间连接牢固，静曲强度和抗剪强度大，因此在压缩变形下不易发生破坏，硬阔叶材的塑性优于针叶材。
步骤s3、将纵向压缩后的坯料放置在扭曲专用装置上，并施力扭转木材坯料，且扭转角度为±(5-60)°，待木材坯料扭转至预设的角度后，继续施力至少20s并保持木材坯料的扭转状态。
旋纹扭曲有两种方式，其一是为了木材进一步塑化处理，在坯料的两端用夹具箍紧，旋转两端夹具使坯料呈符合设计要求的旋纹扭曲状态，旋转时的旋转角度控制在±(5-60)°，顺时针和逆时针各旋转1次，顺时针和逆时针方向的旋转角度相同，每次旋转坯料到设定角度后，保持20-40s，扭转的目的是尽量减小纤维之间的结合力，有利于难弯曲的材种的后续弯曲操作。其二是为了产品旋纹扭曲造型，将纵向压缩后的坯料放置在扭曲专用装置上，针对工件需要扭纹造型的具体的位置进行，在需要旋纹扭曲区域的两端用夹具箍紧，旋转两端夹具使坯料呈符合设计要求的旋纹扭曲状态，旋转时的旋转角度控制在±(5-60)°并保持所述的扭曲状态直到套模固定，扭转的目的是形成旋纹造型。为了产品旋纹扭曲造型的旋纹扭曲还可以在木材进一步塑化(软化)的扭曲之后进行。
旋纹扭曲使坯料木材纤维素之间的结合力进一步消减，增大了分子链之间、纤丝之间的距离，使其相互之间的作用力减弱，微纤丝和胶着纤维素骨架物质一起相对滑动增大，进一步提高木材的塑性(软化度)，可使得木材弯曲曲率半径更小；且可以通过旋纹扭曲形成特殊造型和纹理的产品感观。
步骤s34：木材坯料的纵向压缩之后，借助弯木机或手工将木材坯料弯曲成设定的弯曲造型，弯曲的木材坯料应套入专用弯曲模具并锁紧固定。为防止木材坯料冷却变硬无法弯曲，在套模弯曲成型过程中，对扭转后的木材坯料进行高频加热处理使木材坯料的温度保持在80-120℃，再将扭转后的木材坯料用弯曲模具锁紧固定以保持木材坯料的扭转状态。
步骤s4、将木材坯料保持在扭转状态并随同弯曲模具置于密封罐体中进行过热蒸气汽蒸处理，消除弯曲过程中坯料断面上因拉伸和压缩产生的残余应力，过热蒸气的温度为110-160℃，优选为120-130℃；汽蒸时间为15-80min。优选的，汽蒸时间为20-40min，经该次汽蒸处理后，已经弯曲成型的木材坯料呈玻璃化状态，其形态在后续的加工使用过程中不会发生明显的改变。
木材弯曲是将直线木材弯成曲线，弯曲时木材的凸面受拉，呈现拉伸应力；凹面受压，呈现压应力，两种应力共同形成木材的张力，这种张力在过热蒸汽处理定型阶段被消除，木材的形变得以固定。
步骤s5、将木材坯料随同模具置于木材干燥窑中，按照适合该木种的基准表对木材坯料进行干燥处理使木材坯料的含水率为6-12％，含水率优选为8-11％，即得到实木多维弯曲工件。木材在含水率达到15％以上，木素在90℃时就会软化，但经过干燥，含水率变得很低时，需要230℃才会回软，因此最终获得的实木多维弯曲工件的造型会变得更加稳定，不易变形。
综上所述，本发明的实木多维弯曲方法，首先对木材坯料进行饱和水蒸气汽蒸处理以软化木材坯料，使其易于纵向压缩，而经压缩处理的木材坯料有利于进行扭转弯曲，再将扭转后的木材坯料进行过热蒸气汽蒸处理，进而消除木材坯料在扭转弯曲时因拉伸和压缩产生的残余应力，最终将汽蒸处理后呈玻璃化状态的木材坯料干燥处理后获得实木弯曲成品。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。