随着家具制造技术的进步,传统实木家具的结构发生了重大变化,零部件之间的联接不再是单一的榫卯接合,而是大量采用了五金件联接;同时,实木家具的造型也向线条流畅型发展,家具中采用大量的弯曲型零件,进而渐渐发展出新的一类家具一一曲木家具。
曲木家具美观、耐用、造型独特、线条流畅,其特有的弯曲弧度更加符合人体曲线的起伏,赋予家具高雅浪漫的气息。曲木家具的弯曲型零部件可通过实木板锯制、实木方材加压弯曲和薄板胶合弯曲或方材纵向锯口弯曲得到。
由于木材弯曲性能较差,弯曲变形稍大就会劈裂,因此弯曲零部件制作前的选料非常关键,要根据不同情况区别对待,否则极易造成零部件表面开裂甚至断裂,造成材料浪费和经济损失,因此研究弯曲零部件的选料及加工方法很有必要。
1 各种弯曲方法的特点
1.1 锯制加工
对于弯曲程度较小的零部件如椅后腿,可采用在板材上顺纤维长度划线后用细木工带锯锯制的方法得到。这种方法加工简单,不需增添专用设备,投资少,但仅适用于弯曲度小的零部件。随着弯曲程度加大,锯制时材料的损耗加大,同时因为大量的纤维被横向割断,零部件的强度减小。
1.2 方材加压弯曲
对于弯曲度较大的零部件如圈椅靠背,沙发扶手等一些弯曲型零件,传统的制作方法就是方材加压弯曲。制作时先根据零件尺寸,在板材上锯割直线形方材毛料,方材毛料经软化处理后在弯曲力矩作用下弯曲绕到要求形状的样模上,然后将其在固定状况下干燥到含水率为10%左右,达到形状稳定即可。这种方法制造的弯曲型零件强度高,材料消耗少,但需要一些专用设备,当材料的弯曲性能较差时,零件的凸面容易破坏,废品率较高,因此这种加工方法的选料很关键。
1.3 薄板胶合弯曲
将一叠涂胶的薄板在模压机中加压弯曲,直到胶层固化而制成弯曲件是近几年较流行的曲木家具零件制作方法。由于采用薄板(大多是旋制单板)而使材料的弯曲性能大大提高,并且可以制出各种多面弯曲形状复杂的部件,如“椅腿——椅座——椅背”联合部件,甚至可以同时贴上饰面材料,制品美观、轻便,简化了工艺,提高了工效,因此应用日益广泛。这种方法只有当弯曲半径很小时才要考虑材料种类问题。
1.4 纵向锯口弯曲
在直线型方材毛料一端,顺着木纹方向锯出若干纵向锯口然后在锯口中插入涂胶单板,用加压弯曲的方法使之弯曲胶合,固化定型。这种弯曲工艺可用于制造桌腿和椅腿。
2 弯曲件的选料
以上几种弯曲件的制作方法中,除'锯制法对材料无特殊要求外,其它几种方法因存在加压弯曲,材料的种类对制作的难易程度、成品率及产品质量都起着决定性作用。
2.1 方材的弯曲性能及选料
木材弯曲时,逐渐形成凹凸两面,在凸面产生拉伸应力,使凸面木材有不同程度的伸长,凹面产生压缩应力,使凹面木材有不同程度的压缩,其应力分布是由表面向中间逐渐减少,中间一层纤维既不受拉伸,也不受压缩,两个表面受最大的拉伸和压缩,当弯曲程度太大时,两表面所受的拉伸和压缩超过了该种材料的允许拉伸形变和压缩形变;同时,木材就会遭到破坏。
表1 方材的弯曲性能
材料种类 顺纹拉伸允许形变 顺纹压缩允许形变 h/R弯曲性能
气干针叶材 0.75%-1% 1%-2% 1/67-1/50
气干阔叶材 0.75%-1% 2%-3% 1/67-1/50
软化针叶材 1.5%-2% 5%-7% 1/33-1/25
软化阔叶材 1.5%-2% 25%-30% 1/33-1/25
针叶材软化后
采用金属夹板弯曲 1.5%-2% 5%-7% 1/17-1/10
阔叶材软化后
采用金属夹板弯曲 1.5%-1% 25%-30% 1/2.5-1/2
因为每一种木材的允许拉伸形变和压缩形变不一样,因而它们的弯曲性能是不一样的，通常用方材厚度(h)和能弯曲的最小曲率半径（R）的比值（h/R）来衡量木材的弯曲性能,即同样厚度的木材能弯曲的曲率半径越小(h/R值越大),则说明弯曲性能越好。弯曲性能主要决定于木材的允许拉伸形变和允许压缩形变,如表1所示气干材的h/R较小,但木材经软化处理后,允许形变增加,弯曲能力增大。另外,从表1可看出木材的顺纹压缩允许形变要比拉伸允许形变大得多,尤其是经软化处理的阔叶材。木材在弯曲时凸凹两表面产生的最大拉伸形变和最大压缩形变是相等的,因此木材的弯曲性能主要受顺纹拉伸允许形变的限制。为充分利用木材软化后的顺纹压缩允许形变较大的性能,生产中可在方材拉伸面紧贴一条金属夹板(0.2-2.5mm厚)使弯曲时中性层向拉伸面移动,由金属夹板承受拉伸应力,使凸面木材拉伸变形很小甚至等于0,这样能明显地改善木材的弯曲性能,如软化后阔叶材采用金属夹板弯曲时h/R由1/13-1/15上升到1/2-1/2.5。
从表1中还可看出不论是气干材还是软化后的木材,阔叶材的顺纹压缩允许形变要比针叶材的大,尤其是硬阔叶材,其主要原因是硬阔叶材中有宽而粗大的木射线组织,使其年轮间联结牢固,因此在压缩变形下不易产生破坏。经大量生产实践证明,弯曲性能好,适合制作弯曲件的木材有:白蜡木、水曲柳、山核桃、榆木、榉木、黄檀、栎木、青冈、柚木、山龙眼及柳木等。这些树种纹理直、易加工、油漆和胶粘性能优良,都具有宽而粗大的木射线、抗弯强度和抗剪强度大、弯曲时不易破坏,是制作弯曲件的好材料。制作时可按表1选择适合的原料。2.2 薄板胶合弯曲的选料分析
如果要用弯曲性能差的树种如松木、桦木等制作弯曲件可采用薄板胶合弯曲,因在弯曲时胶层尚未固化,各层之间可以相互滑移,不受牵制,因此其弯曲性能不是按弯曲件的总厚度计算,而是以薄板厚度S来计算。如制造曲率半径为10Omm、厚度为5Omm的弯曲件,用方材弯曲时要求材料的弯曲性能必须是h/R=50/100=1/2,只有用弯曲性能好的硬阔叶材,经软化后加上金属夹板才能达到。但是如用厚度为1mm的一叠单板胶合弯曲,就只要求其弯曲性能为S/R=1/100。这种方法不需软化,所有气干材都可用,材料的选择余地很大。但需较大的投资,一般工厂不易实现,且当弯曲半径较小、薄板厚度较大时也需考虑到弯曲性能来选择合适的材料。如表2所示。
表2 薄木厚度与弯曲半径之间的关系（单位mm）
薄木厚(S) 0.2 0.3 0.4 0.5 0.7 1.0 1.2 1.5 1.8 2.0
弯曲半径(R) 4 6 8 10 20 30 40 55 65 80
3 结论及建议
弯曲零部件的制作有多种方法,应根据设备条件、弯曲件的曲率半径和材料的弯曲性能合理选择原料。在多种加工方法中,方材加压弯曲法的材料利用率最高。用方材加压弯曲时为保证成品率必须注意材种的选择,选择的依据是材料的弯曲性能和弯曲件的曲率半径,具有宽大木射线的硬阔叶材具有良好的弯曲性能,木材经软化处理后和在拉伸面紧贴金属夹板进行加压弯曲可使木材的弯曲性能大大提高。另外,方材弯曲面与年轮呈一角度(最好45 )时,则较易弯曲,成品率高。对于弯曲性能较差的针叶材和一些阔叶材可采用薄板胶合弯曲达到较小的弯曲半径。