专利名称：单板表面粗糙度和可压缩性测试新方法
技术领域：
本发明属于人造板、木材加工、自动化等技术领域，为单板表面粗糙度和可压缩性的快速检测提供一个全新的方法，这将有助于提高板材质量和木材出材率，减少生产成本。
背景技术：
单板是生产胶合板、单板层积材(LVL)和其他复合材料的基本木材单元。粗糙度是评定木材制品表面质量的重要指标，直接影响人造板及木制件的压缩量、胶粘质量、装饰质量以及胶料与涂料的消耗量，而且对木制品表面粗糙度的要求如何，也关系到加工工艺的安排和加工余量的确定。
目前还没有广泛接受的仪器和理想的方法评定木材表面粗糙度。人们将用于均质材料(金属等)的标准化测定方法应用于木材制品表面粗糙度的测定。这主要有两种机械触针法和激光扫描法。接触式的机械触针法精度高，广泛应用于实验室和离线检测；激光或其他光学方法广泛应用于非接触式表面粗糙度测量和过程控制。
这些方法主要是基于轮廓算术平均偏差(Ra)，轮廓均方根偏差(Rq)等参数评定表面粗糙度，是基于一个简单的线轮廓的表面幅度，并不是基于整个表面(如图1)，测得的粗糙度并不反映整个木材表面的质量。而且，这两种方法速度慢，劳动强度大，仅适合于小件试样，不适合在线检测。近年来，人们应用基于机器视觉的方法对木材的表面质量进行检测，但由于受到算法、木材振动及色差等影响，使用也受到很大限制。
本发明是一种基于面积的测定单板表面粗糙度的新方法，它能满足单板粗糙度的快速检测需要，同时应用该方法可以确定单板最小压缩量和具体条件下的施胶量，为提高单板出材率和板材胶合质量和实现在线智能决策奠定基础。
发明内容
本发明通过测量阈值载荷下的位移量评估单板表面粗糙度，并以此时的位移量作为单板胶合所需的最小压缩量，从而为测量单板表面粗糙度提供一个快速检测方法，同时应用该方法可以确定单板最小压缩量和具体条件下的施胶量。
在充分考虑由于单板表面粗糙度等因素引起的渐进式压缩接触(第一阶段)对板材生产工艺、出材率和质量影响的基础上，对一定面积的单板进行径向压缩试验，确定给定温度、含水率下的载荷-位移曲线。通过对曲线的分析，确定出阈值载荷。再通过分析阈值载荷、单板与单板之间接触面积、表面粗糙度之间的关系，得到测定单板表面的粗糙度和可压缩性的新方法。
作为改进，在单板压缩过程中，渐进式接触阶段揭示了单板与单板、单板与平板之间的界面接触和保证足够胶合面积和强度所需要的最小单板压缩量，它反映了木材表面粗糙度的大小，在木材制造过程中，单板所需压缩率和潜在出材率与单板粗糙度息息相关。
作为改进，粗糙度不同、密度和含水率相同的单板，阈值载荷、压缩弹性模量相同，但阈值载荷下对应的位移不同；密度和粗糙度均不同的试样，阈值载荷相同，压缩弹性模量不同；粗糙度越大，单板在阈值载荷下对应的位移也越大。无论单板温度和含水率如何，阈值载荷下的位移和表面粗糙度有直接关系。
作为改进，阈值载荷下的位移量能够很好地反映单板表面的平均粗糙度。通过测量阈值载荷下的位移量，可以评估单板表面粗糙度。
作为改进，载荷越大，胶覆盖面越大，接触面积越大，直接得到施加载荷与接触面积之间的计算公式。当载荷到达阈值载荷时，接触面积达到80％或以上，可以用此时对应的位移量作为单板胶合所需的最小压缩量。
图1修正后的木材四阶段压缩理论图2单板表面粗糙度对第一阶段压缩的影响图3白杨单板粗糙度和密度对载荷-位移曲线的影响图4粗糙度的两个参数和阈值载荷下获得的位移的相关性图5评估单板表面粗糙度及质量的方法图6尺寸为30×30mm的白杨单板施加不同载荷时获得的接触面积图7单板与单板之间的接触面积与施加载荷的关系曲线(上图多项式关系，下图指数关系)
图8幅面为30×30×2.5mm的白杨单板平均最小压缩量与平均屈服位移与温度无关图9幅面为30×30×2.5mm的白杨单板的最小压缩量和屈服位移与单板的含水率无关具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
1.单板的载荷-位移曲线对于单板径向压缩而言，压缩过程实际经历了四个阶段(图1)，即渐进式接触、线弹性、塑性变形和细胞壁密实化阶段。第一阶段为渐进式接触阶段，单板与单板之间接触面积随着载荷的增加呈非线形增加。这一阶段直接揭示了单板与单板、单板与平板之间的界面接触和保证足够胶合面积和强度所需要的最小压缩量dmin，其对应的载荷为阈值载荷；第二阶段为线弹性阶段，对应的最大位移量dmax为屈服位移。
在实际应用中，理想的压缩量应该在最小所需压缩量和屈服位移之间。如果压缩超过屈服位移，细胞壁开始变形或断裂，可能导致胶合和剪切强度减少、尺寸稳定性降低。如果不考虑最初的渐进式接触，就没有基准来衡量木材表面粗糙度的影响。在板材制造过程中，单板的出材率与单板表面粗糙度息息相关。另外，最小压缩量和屈服位移与温度和含水率无关。
2.表面粗糙度和密度对阈值载荷的影响粗糙度不同，密度和含水率相同的单板的阈值载荷相同，压缩弹性模量相同，但阈值载荷下对应的位移不同(图2)。密度、粗糙度均不同的单板的阈值载荷相同，压缩弹性模量不同；粗糙度越大，单板在阈值载荷下对应的位移也越大。虽然阈值载荷随单板温度和含水率而变化，但是无论单板温度和含水率如何，阈值载荷下的位移和表面粗糙度有直接关系(图3)。
3.阈值载荷下的位移量与表面粗糙度的关系图4表示了阈值载荷下的位移与粗糙度主要参数Ra和Rq之间的关系，阈值载荷下的位移量与粗糙度存在很好的线性关系。单板Rq和Rq在单板紧面和松面同时测定，方向为垂直纹理方向，最后的单板粗糙度主要参数Ra和Rq为松紧面的均方根值。通过测量阈值载荷下的位移量，就可以评估单板表面的平均粗糙度。图5为用这种方法测定表面粗糙度的仪器原理。此仪器的两个主要组成部分是载荷传感器和位移传感器。
4、单板之间的接触面积与载荷之间的关系在压缩试验机上对不同粗糙度的单板进行施胶压缩试验，试验完成后，迅速将单板与单板分离，得到胶覆盖图(图6)，并计算出接触面积。可以看出载荷越大，胶覆盖面越大，接触面积就越大。通过分析，直接可以得到施加载荷与接触面积之间的关系。图7显示了载荷和接触面积之间的关系。当载荷比较小时，表面粗糙度不同，接触面积差异不大。随着负荷的增加，光滑表面具有比较大的接触面积。到达阈值载荷时，接触面积达到80％以上。对于一给定表面，当接触面积大于80％时，单板粗糙度的影响已基本消除。因此用此时对应的位移量作为单板胶合所需的最小压缩量。
图8、9表示了温度、含水率对最小压缩量和屈服位移之间的影响。温度和含水率对阈值载荷和压缩弹性模量产生影响，但不改变最小压缩量和屈服位移量，因此从理论上说，单板粗糙度可在任何温度和含水率条件下测试，但以常温和单板干燥条件下测试最为方便。同时，单板的理想压缩量应位于最小压缩位移量和屈服位移量之间。
权利要求
1.单板表面粗糙度和可压缩性测试新方法，其特征在于根据单板径向压缩载荷-位移曲线，被传统方法忽略的最初的渐进式接触阶段的阈值载荷下的位移量反映了单板表面平均粗糙度和保证单板胶合质量所需的最小压缩量。
2.根据权利要求1所述的新方法，其特征在于渐进式接触阶段揭示了单板与单板或单板与平板之间的界面接触。渐进式接触阶段结束或线弹性阶段刚开始时所对应的载荷可定义为阈值载荷，阈值载荷下的位移量与粗糙度存在很好的线性关系，该位移量很好地反映单板表面(紧面和松面)的平均粗糙度。
3.根据权利要求2所述的新方法，其特征在于通过测量阈值载荷下的位移量来评估单板表面粗糙度，此粗糙度指标与板材所需压缩量和制造紧密相关。
4.根据权利要求1所述的新方法，其特征在于单板与单板之间的接触胶合面积与单板表面粗糙度和所加载荷紧密相关。
5.根据权利要求4所述的新方法，其特征在于在阈值载荷下，单板与单板或单板与平板之间的接触胶合面积达到80％以上，此时可保证胶合板生产的胶合质量。
6.根据权利要求5所述的新方法，其特征在于阈值载荷下的位移量可作为单板胶合所需的最小压缩量，单板表面粗糙度大小影响单板的潜在出材率。减少单板表面粗糙度可提高单板潜在出材率。
7.根据权利要求1所述的新方法，其特征在于阈值载荷随着木材含水率和温度的变化而变化，但此载荷下的位移不随木材含水率和温度变化而变化。通常单板表面粗糙度和可压缩性测试可选择在单板干燥和常温条件下进行。
全文摘要
单板表面粗糙度和可压缩性测试新方法属于人造板、木材加工、自动化等技术领域。根据单板径向压缩试验中被传统方法忽略的最初的渐进式接触阶段的有关理论，本发明提出了单板表面粗糙度测试的新方法。渐进式接触阶段结束或线弹性阶段刚开始时所对应的载荷为阈值载荷，阈值载荷下的位移能很好地反映单板表面的平均粗糙度，因此通过测量阈值载荷下的位移量就可评估单板表面粗糙度。对单板进行径向压缩时，当载荷到达阈值载荷时，接触面积达到80％或以上，此时单板粗糙度的影响基本消除，用此时对应的位移量作为单板胶合所需的最小压缩量。本发明可用于单板粗糙度和可压缩性的快速检测，确定单板最小压缩量和具体条件下的施胶量，提高单板出材率和板材胶合质量，为实现在线智能决策奠定基础。
文档编号G01B21/30GK101078619SQ20061004057
公开日2007年11月28日 申请日期2006年5月25日 优先权日2006年5月25日
发明者王建和, 赵茂程 申请人:南京林业大学