木材從力學角度上看是一種彈性材料，在結構上呈多孔狀，木材的這個特性，可以使其彎曲。但是如果要攀得較小的彎曲曲率半徑，應在彎曲之前對木材進行軟化，增大木材的塑性。木材經軟化處理后，在順紋壓力的作用下，細胞壁中微纖維之間產生滑移，導致細胞壁的壁層縱向產生褶皺；木材在彎曲力矩的作用下，彎曲時的受壓面形成褶皺，受拉面形成展皺，便可獲得較小的彎曲曲率半徑。

　　1 木材彎曲的原理

　　木材彎曲時，以中性層為分界形成凹凸兩面，在凸面產生拉伸應力，使凸面木材有不同程度的伸長；凹面產生壓縮應力，使凹面木材有不同程度的壓縮，其應力分布是由表面向中間逐漸減少，中間一層纖維（中性層）既不受拉伸，也不受壓縮。當所受的拉伸和壓縮應力超過該種材料的拉伸強度極限或壓縮強度極限時，木材就遭到破壞。

　　木材彎曲時，必須研究和了解木材順紋拉伸與壓縮應力的變形規律。

順紋壓縮變形與樹種有關，針葉、軟闊葉氣干材順紋壓縮變形為1%-2%，硬闊葉氣干材為2%-3%。這是是由于硬闊葉材各年輪層間有寬而粗的木射線組織，使其連接牢固，因此在變形時不易失去穩定性和產生破壞。

　　軟化處理后可增加木材順紋壓縮和拉伸變形。軟化處理使順紋抗伸形變可稍有增加，一般在1%-2%。但使順紋壓縮變形卻比氣干材增加很多。經軟化處理后硬闊葉材順紋壓縮變形可達25%-30%，針葉材順紋壓縮變形為5%-7%。

　　不同樹種的允許拉伸形變和壓縮形變不相同，因而它們的彎曲性能差異很大。用方材厚度（h）和能彎曲的最小曲率半徑（R）的比值（h/R）來衡量木材的彎曲性能，即同樣厚度的木材能彎曲的曲率半徑越小（h/R值越大），則說明該材的彎曲性能越好。彎曲性能主要取決于木材的允許拉伸形變和允許壓縮形變系數。木材在彎曲時凸凹兩表面產生的**拉伸形變和**壓縮形變是相等的，因此木材的彎曲性能主要受順紋拉伸允許形變的限制。為進一步提高木材軟化后順紋壓縮的形變，可在方材拉伸面緊貼一條金屬條（0.2mm-2.5mm厚）使彎曲時中性層向拉伸面移動，由于金屬條承受了拉伸應力，使凸面木材拉伸變形很小甚至等于0，這樣能明顯地改善木材的彎曲性能（圖1、圖2）。

　　 2木材順紋壓縮彎曲技術

　　木材順紋壓縮彎曲是先將木材進行軟化處理，然后再進行順紋彎曲。當水分進入木材細胞壁時，由于水是極性分子，可以與纖維素非結晶區中的羥基和半纖維素中羥基形成新的氫鍵，加大分子鏈之間的距離，即增大了自由體積，為分子的運動提供了空間。如果分子的振動不夠，即使提供了足夠的自由體積空間，也無法完全改變木材的軟化條件，只有能量和水作為增塑劑一起作用于木材時，才能有效地使木材實現軟化。

　　木材中的主要成分是纖維素呈線形、長的大分子結構。纖維素大分子由許許多多的葡萄糖單體構成分子鏈，它們彼此間有的區段纖維素分子鏈彼此平行，構成結晶區，這決定了纖維素的強度；另一個區段內，纖維素分子鏈彼此不平行，構成纖維素的非結晶區，這些線形分子鏈不是筆直成線，而是具有一定的卷曲部分，這使纖維素具有可以伸縮的彈性性能。如果外力的作用小于木材允許的順紋抗壓強度，即應力小于木材的破壞極限時，木材不會產生破壞；如果木材在持續的外力作用下被壓縮，當達到壓縮率后停止加壓，保壓一定時間后卸壓，在壓力解除后，木材的粘彈性特性隨即顯現出來，在短時間內恢復其彈性變形，但是尚遺留一定量的永久變形，這些永久變形主要是纖維或分子鏈之間產生縱向位移，在順紋方向上細胞軸向產生褶皺，這些褶皺比較均勻地集中在軸向細胞的內壁，這將使木材的彎曲性能得到大大地提高。木材在彎曲力矩的作用下，受壓面褶皺加大，受拉面的褶皺被展平，因此在允許的形變內可以獲得較小的彎曲曲率半徑。

　　3 木材軟化處理的方法與機理

　　軟化處理可改善木材的彎曲性能，使木材具有暫時的塑性使彎曲加工得以進行，并在變形狀態下干燥，恢復木材原有的剛性和強度。軟化處理方法有：水熱處理，高頻加熱處理及化學藥劑處理等。

　　3.1水熱處理（蒸煮法）

　　水熱處理（蒸煮法）軟化木材，主要是利用水對纖維素的非結晶區、半纖維素和木素進行潤脹，為分子劇烈運動提供自由體積空間，靠由外到里逐漸對木材進行傳導加熱，使分子獲得足夠的能量。

　　組成木材細胞壁的主要成分為：纖維素，半纖維素和木素。木材經水熱處理后，一部分半纖維素易分解溶解成液態，纖維素無定型區分子鏈上的游離羥基吸附水分，使纖維素間隙中水膜增厚，分子間距離增大，吸引力減小，便于在外力作用下產生相對滑移。

　　木材膨脹形變是水進入到木材的非結晶區內，使木素、半纖維素和纖維素的非結晶區體積膨脹，增大自由體積空間，提高了木材的塑性。加熱可以使非結晶區中的木素、纖維素和半纖維素分子能量加大。在水、熱的作用下，纖維素非結晶區濕脹，木素呈粘流態，半纖維素失去其聯結作用，木材塑性加大。

　　水熱處理方法有汽蒸和水煮兩種，水煮方法會使木材含水率增高，彎曲后干燥時間延長。此外因細胞腔內自由水的存在，在彎曲過程中，易產生靜壓力而造成廢品。目前生產中經常采用汽蒸，主要是飽和蒸汽蒸煮。汽蒸時間與彎曲方材的厚度、含水率、樹種和要求的塑化程度有關（表1）。蒸煮不足則塑化不好，容易在劇烈彎曲程度下產生破壞；蒸煮過度則順紋抗拉，使其順紋抗壓強度降低，方材將難以承受在彎曲過程中端面產生的壓縮變形而被破壞。所用蒸煮設備應靠近曲木設備，每次蒸煮的木材數量不宜過多，以免表面過分冷卻和蒸煮過度。放在蒸煮設備內的木方之間要留出6mm~8mm的間隙，使其均勻受熱，縮短蒸煮時間，保證彎曲質量。蒸設備直徑一般為250mm～400mm，不宜太大。鍋的長度稍大于彎曲零件的長度。

表1 榆木、水曲柳彎曲所需的蒸煮時間

　　3.2高頻介質加熱處理

　　高頻介質加熱處理是把彎曲毛料放在高頻電場內兩個電極板間，反復極化，使分子在這種高頻交變電磁場作用下急劇運動而相互摩擦產生熱量，從而達到升溫加熱的目的。在高頻加熱中，介質吸收電能而發熱的能力與介質本身的熱傳導性無關，而是取決于介質本身的介電特性和電場的電參數，即與介質的損耗因素、電場強度的平方、電場頻率成正比。高頻電場強度越強、頻率越高或介質的損耗因素越大，則極性分子（如水）運動的幅度和次數就越大，摩擦產生的熱量也越多，加熱和干燥的速度就越快。這是一種有效的軟化方法，可以在方材彎曲后真接進入干燥定型工序。高頻度加熱的頻率高于300MHz，彎曲木材受.波導管諧振腔的電磁波輻射場照射。目前常用915MHz和2450MHz兩個頻率的設備，在2450MHz的電磁波加熱下20mm×10mm（斷面）的木材可彎曲到曲率半徑為150mm，如在彎曲定型后再用電磁波加熱可彎到更小的曲率半徑。高頻及微波加熱快而均勻，可使彎曲與定型兩工藝連續進行。

　　用GP8-13.5C高頻發生器加熱軟化試驗結果（表2）：

表2 木材高頻加熱軟化試驗結果

　　由表2可見：木材軟化時間隨著功率密度、木材含水率和樹種的不同而有很大差異。其中功率密度對軟化時間影響**，它直接決定了木材所得加熱功率的大小。功率密度越大，木材加熱越快，需要的軟化時間就越短。

　　在木材加熱至100℃之前，木材含水率的高低對其加熱速度影響較大；木材加熱至100℃之后，水分開始大量蒸發，隨著加熱時間的進一延續，三種不同初含水率的木材在升溫速度上差異逐漸縮小。

　　此外，不同樹種的木材，由于介電性質的差異，高頻軟時間也不同。與木材蒸者法軟化相比，高頻軟化對操作技術要求較高，對加熱條件尤其是軟化時間的控制要求嚴格，否則就難以保證軟化質量。

　　　　　　　　　　　　　　　　　4 實木彎曲的工藝

　　實木彎曲成型可以分成本個階段：塑化（軟化）、彎曲和定型（在模型框架中干燥冷卻）。

　　木材首先需要刨成方材，然后精確地裁成彎曲長度。為達到可彎曲的性能，必須先將加工件進行軟化，這表現為溫度和濕度的影響。傳統的軟化方法是蒸煮法，把水分和熱量當作木材的軟化劑。一般將準備好的木材放在一定條件（壓力、溫度、濕度）的蒸汽中進行一段時間的軟化，時間的長短與木材的初始含水率，樹種和木材的厚度有關。木材彎曲最合適的含水率，是木材纖維飽和點的含水率，媽20%-30%，此時木材強度最小，可產生的變形**。使用實木軟化專用設備，可在較短的時間內以消耗較少的能量將木材轉變為可以彎曲的狀態。在彎曲時，將工件自由地放在金屬薄板中，以扼制彎曲過程中工件外表的拉伸，進而被彎曲成一定的形狀。在彎曲過程中，彎曲構件內部將形成張力，這種張力在以后的定型階段將完全消除。此外，還要對工件進行降溫處理，并消除彎曲工藝流程中必須的水分，最好的方法是將其放在低溫干燥室中進行干燥，為了使工件保持需要的形狀，應將工件夾在一個干燥架上。彎曲后，通過自然冷卻可以明顯減少內部應力，在含水率低于12%時，使彎曲成型的工件定型，它的形態在濕度增加時也不會發生明顯的改變。上述工藝要求對于不同的樹種存在很大的差別，總的來講，針葉材不能進行很好的彎曲，而闊葉材如榆木、白臘木、山毛櫸和胡桃揪等能被很好地彎曲。

　　實木彎曲工藝流程為：毛坯加工→軟化處理→彎曲成型→低溫干燥→自然冷卻→定型。

　　5 結論

　　由于木材缺乏塑性，故在木材彎曲之前必須進行軟化處理。軟化處理可增加木材的塑性，使彎曲加由工順利，并在變形狀態下進行干燥處理，恢復木材原有的剛性和強度。軟化處理是實木加壓彎曲的關鍵環節。

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