动模干式弯曲竹制品制造工艺.pdf

China Forest Products Industry林产工业，2023，60（08）：62-66动模干式弯曲竹制品制造工艺季加贵1,2 娄志超1,3*李延军1 王 瑞1 韩 贺1（1.南京林业大学材料科学与工程学院，江苏 南京 210037；2.浙江三箭工贸有限公司，浙江 庆元 323800；3.庆元志曲竹业有限公司，浙江 庆元 323800）摘 要：介绍了动模干式弯曲技术及其加工设备。该技术可实现一次性将竹条软化、胶合、干燥和360 圆弧弯曲无损定型，同时实现了竹质弯曲构件的免钉装配，提高了竹质弯曲制品生产的自动化和连续化水平。此外，采用内外侧同时分段加热的方式，使组合竹条受热更加均匀，减少了裂痕、开胶等现象的发生。通过调整动模干式弯曲设备加热模具的形状、尺寸、弧度，不仅实现了多层竹单板的胶接弯曲，增加了弯曲件的操作厚度，还可实现多种弧度、形状的竹材弯曲定型，操作灵活。相关加工设备包括动模干式弯曲装置和热压定型装置。通过以上设备和方法制造的竹质弯曲制品性能整体满足使用GB/T 33242017 木家具通用技术条件、GB/T 356072017 绿色产品评价 家具 和GB 184012020 国家纺织产品基本安全技术规范 等标准相关要求。关键词：竹材弯曲；动模；干式；竹制品；生产工艺中图分类号：TS652 文献标识码：A 文章编号：1001-5299（2023）08-0062-05DOI:10.19531/j.issn1001-5299.202308011Production Technology for Curved Bamboo-Based Products Using Dynamic Mold Dry Bending TechnologyJI Jia-gui1,2 LOU Zhi-chao1,3 LI Yan-jun1 WANG Rui1 HAN He1(1.College of Materials Science and Engineering,Nanjing Forestry University,Nanjing 210037,Jiangsu,P.R.China;2.Zhejiang Sanjian Industry and Trade Co.,Ltd.,Qingyuan 323800,Zhejiang,P.R.China;3.Qingyuan Zhiqu Bamboo Industry Co.,Ltd.,Qingyuan 323800,Zhejiang,P.R.China)Abstract:The dynamic die dry bending technology and its processing equipment were introduced.The technology could realize the softening,gluing,drying and non-destructive shaping of 360 arc bending of bamboo strips at one time,and realize the nin-free assembly of bamboo bending components,improving the automation and continuous level of bamboo bending products production.In addition,the method of segmental heating inside and outside at the same time makes the combined bamboo strips heated more evenly,and reduced the occurrence of cracks and glue opening.By adjusting the shape,size and curvature of the heating mold of the dynamic die dry bending equipment,the adhesive bending of multi-layer bamboo veneer was not only realized,the operating thickness of the bending part was increased,but also the bending and shaping of bamboo with various radians and shapes could be realized,and the operation was flexible.The related processing equipment included a dynamic die dry bending device and a hot press shaping device.The performance of bamboo bent products manufactured through the above equipment and methods could generally meet the relevant requirements of standards such as GB/T 3324-2017 General Technical Conditions for Wood Furniture,GB/T 35607-2017 Green Product Evaluation Furniture,and GB 18401-2020 National Basic Safety Technical Code for Textile Products.Key words:Curved bamboo;Dynamic mold;Dry;Bamboo product;Production technology弯曲竹集成材制品制造工艺包括弯曲竹集成材构件制造和弯曲竹集成材构件组件制造1-7。目前，弯曲竹集成材构件的加工工艺流程主要包括选竹、锯截、开条、粗刨、蒸煮、软化、三防、捆扎、放入模具、弯曲、干燥定型、涂胶、拼宽胶合、单层竹片条板、刨削、砂光、涂基金项目：国家自然科学基金（31971740）；江苏省自然科学基金项目（BK20221336）；江西省林业局科技创新项目（202240）作者简介：季加贵，男，工程师，研究方向为竹材加工E-mail:*通讯作者：娄志超，男，副教授，研究方向为竹材加工E-mail:zc-收稿日期：2023-03-21季加贵，等：动模干式弯曲竹制品制造工艺63第8期胶、组坯、层积胶合8-14。该工艺流程涉及多次使用夹具固定和2次组坯等，操作工艺较为繁琐，且需人工参与，生产效率较低。另外，在竹材弯曲处理时，由于温度、湿度控制不当，易出现开裂、开胶等问题，成品率较低。因而导致传统方法制造的竹材弯曲件难以在家具制造企业中推广。针对现有产品中存在的问题，本文提出了一种动模干式弯曲技术制造弯曲家具的工艺15-21，其生产工艺流程如图1所示，包括弯曲竹集成材构件制造工艺和曲竹家居制品零部件制造工艺。其中，弯曲竹集成材构件制造采用竹材动模干式弯曲技术，其加工设备包括动模干式弯曲装置和热压定型装置，该技术采用一次胶合组坯、热压弯曲成型工艺，可实现一次性将竹条软化、胶合、干燥和360圆弧弯曲无损定型。与传统技术相比，本技术采用一次胶合组坯、热压弯曲成型工艺，完全机械化，可一次性实现弯曲件的加工制备，显著提高了弯曲件的生产效率。同时，采用内外侧同时分段加热的方式，使组合竹条受热更加均匀，减少了裂痕、开胶等现象的发生。此外，通过调整动模干式弯曲设备加热模具的形状、尺寸、弧度，不仅实现了多层竹单板的胶接弯曲，增加了弯曲件的操作厚度，还可实现多种弧度、形状竹材的弯曲定型，操作灵活。该技术及其产品的推广和应用，有力地提高了竹制品附加值，推动竹材加工技术转型升级22-29。图1 曲竹家居制品生产工艺流程图Fig.1 Manufacturing process diagram of curved bamboo-based household products1 竹条准备本研究选用毛竹Phyllostachys edulis(Carriere)J.Houzeau，当竹龄过小时，竹材细胞内含物积累较少而纤维间微孔径较大，纤维强度尚未完全形成，导致干燥处理过程中容易发生形变；而当竹龄过大时，材料硬度过大，加工时容易损伤刀具，同时由于木质素的沉积，导致竹材强度有一定程度降低。因此，一般选用36 a竹龄的毛竹。此外，由于毛竹根部弯曲度较大，一般截取离地高度2.55.0 m处的竹杆粗直部分，壁厚711 mm。根据竹材弯曲工艺技术要求，对截取的竹段进行处理，制作竹条，具体方法为：1）锯截，将竹杆过弯或发生霉腐变色的部分去掉后，再将竹杆锯截成段；2）开条，将锯截后的竹段开条，开条数量根据竹筒直径决定，如图2a和表1所示；3）粗刨，由于竹材外层靠竹青部位竹壁中的维管束密度很高，木质素含量较多，并含有腊质，而竹材内层靠竹黄部位多为薄壁细胞，两部分硬而脆，影响后续软化和热压过程中竹材内部水分的传输，以及胶液的渗透，进而影响弯曲和热压胶合等工艺效果22，因此需要刨去竹青和竹黄，同时修平竹片的内外节，使竹片胶接面更加贴合；4）精刨，将粗刨后的竹图2 竹条制造照片 Fig.2 Photos of bamboo manufacturinga.破竹机照片b.精刨后竹条照片竹筒直径/mm开片数竹条宽度/mm809091220259010010132025100110111223251101201214232512013014152425130140151624251401501617242515016017182425表1 竹段直径与开片数量和竹条宽度对应关系 Tab.1 Corresponding relationship between bamboo segment diameter and opening quantity and bamboo strip width林 产 工 业64第60卷片进行弦面定厚，厚度在5 mm以下，并通过砂光降低弯曲破坏率。最终制得长10 mm-5 m，宽2.5 mm，表面平整光滑的竹条（图2b）。2 竹条动模干式弯曲设备图3a为动模干式弯曲设备15-16，包括闭合型弯曲设备，由（1）界面呈多边形或圆形（图3a中以等腰梯形为例）的弯曲框架（定模）、（2）热压夹具组件、（3）侧边热压弯曲组件、（4）边角热压弯曲组件组成。其中，定模的边角呈弧形弯曲，弯曲程度以弦长衡量（图3b），弦长越短，表明弯曲度越大，一般弦长在2628 cm之间，弯曲角度一般为90，最小可以弯曲到30。热压夹具组件对称设置，且对应分布在定模的长边和短边一侧。侧边热压弯曲组件对称设置，且对应部分分别在定模的两个斜边的一侧。边角热压弯曲组件分布在定模的边角一侧，且对准弧形边角。3 竹条动模干式弯曲工艺3.1 竹条施胶首先，将新鲜竹条置于4560 的干燥房中进行干燥处理，时间为57 d。待含水率为14%15%时，取出竹条。之后，选用脲醛树脂胶黏剂（甲醛尿素三聚氰胺聚乙烯醇反应物），固体含量50%65%（wt%），采用涂胶法对上下两层竹条进行单面施胶，中间竹条双面施胶。3.2 竹条组坯上模、软化、弯曲、热压胶合将动模和定模的初始温度设置为100，再将施胶后的竹条按照弦面胶合进行组坯（图4a）。组坯时选用的竹条厚度和层数根据最终产品要求和弯曲程度确定。一般情况下，当弯曲角度为30 时，5 mm厚的竹集成材需要6根竹条弦面胶合而成，每根竹条厚度小于 1 mm；当弯曲角度为90 时，35 mm厚的竹集成材需要3根竹条弦面胶合而成，每根竹条厚度在1.5 mm左右。值得注意的是，针对环形竹集成材弯曲构件，所需竹条的长度由内环向外环逐渐增长，上模时竹条两端需保持一定距离，且接口处要错开（图4b）。启动弯曲装置。首先，定模、热压夹具通过气压装置夹住竹条；随后，定模和动模夹具升温至120；之后，边角热压弯曲组件在气压装置作用下，推动夹住的竹条开始弯曲；当弯曲角度达到产品要求角度附近时，侧边热压弯曲组件启动，推动竹条弯曲，达到最终弯曲角度，贴合定型。热压压力为1.96 MPa，3层竹条保压时间为8 min，10层竹条保压时间为12 min。3.3 竹材弯曲构件冷却定型由于弯曲竹条存在弹性应力，需在保持压力的条件下进行干燥定型。对于环形竹材弯曲构件，在达到保图3 竹条动模干式弯曲 Fig.3 Schematic diagram bamboo dynamic mold dry bendinga.竹材动模干式弯曲设备示意图b.竹条弯曲度定义示意图图4 竹条组坯、弯曲、热压胶合全过程及竹材 弯曲构件实物照片 Fig.4 Process of bamboo chip assembling,bending,hot pressing bonding,and cooling and setting,along with the physical photo of a bamboo bending componenta.竹片加工及弦面组坯示意图 b.竹片组坯实物照片 c.竹材弯曲构件组件冷却定型示意图 d.竹材弯曲构件实物照片季加贵，等：动模干式弯曲竹制品制造工艺65第8期压时间后，切断设备加热系统，但动模和定模之间仍保持压紧状态。待弯曲构件和弯曲设备温度均降至室温、弯曲构件达到预定干燥程度（含水率小于10%）后，卸载动模压力，将胶合固定后的竹材弯曲构件取出。对于非闭合弯曲件，在达到保压时间后，可从弯曲设备上取下，并置于特制的定型装置上（图4c），直至冷却至室温，再从定型装置上卸下。图4d为竹材弯曲构件实物照片。4 曲竹家居制品制造工艺4.1 构件定厚砂光、铣边构件每次定厚砂光量在厚度方向上不能超过 1 mm，砂光构件的厚度公差应控制在0.1 mm，确保其平整度和出材率。构件铣边首先进行纵向边的加工，再进行横向边的加工。加工完毕后的构件长度和宽度，其公差应在0.10.3 mm内。4.2 构件钻孔及型面加工构件钻孔和型面加工需严格按照32 mm系统开展，其精髓是在模数化基础上建立了零部件的标准化，其系列部件因模数关系而相互关联。其中，导入孔直径取螺钉外径的80%92%，一般约定为5 mm，公差为0.15 mm，极限偏差为0.10 mm；系统孔中心距侧板边缘约定为37 mm；系统孔在竖直方向上中心距约定为32 mm的倍数，公差为0.15 mm，极限偏差为 0.10 mm。型面加工时，要求样模精度较高，且表面切削深度较小。4.3 构件涂饰与专用五金件预装配构件涂饰工艺主要以淋涂为主，涂料通常选择环保型聚氨酯（PU）全哑清面漆（U160-00），其油漆和稀释剂质量比为10.3，主要成膜物质为醇酸树脂和硝化棉。一般构件的连接采用螺钉。由于竹材的横纹抗拉强度、顺纹劈开强度均较低，应尽量避免使用横截面积小的构件承受剪切力，否则容易造成竹材顺纹或横纹开裂。同时，竹材集成材的握钉力较小，需要采用牙距大、牙板宽而利的专用螺钉。5 免钉装配探索及后期处理本研究开发了一种热压定型装置，可实现竹材弯曲构件的免钉装配。如图5所示，热压定型装置包括（1）第一热压卡设组件、（2）第二热压卡设组件、（3）热压定型推压组件（图5a）和（4）顶部热压定位组件（图5b）。其中，第一热压卡设组件和第二热压卡设组件对称设置，热压定型推压组件对称设置，并对应分布在第一和第二热压卡设组件的两侧。以图5c所示的竹材弯曲构件组件（椅腿）为例，首先将通过动模干式弯曲工艺制得的两个竹材弯曲构件进行外侧施胶，施胶量为200 g/m2。之后，分别置于 100 的热压定型装置中，并对应卡套第一热压卡设组件和第二热压卡设组件的热压板上，再将弦面胶合的平直竹集成材置于热压定型推压组件处，平直竹集成材的厚度与竹材弯曲构件宽度保持一致，且弦面保持垂直，具体效果如图5d所示。使用第一和第二热压卡设组件移动夹紧弯曲构件，热压定型推压组件向内侧移动，使平直竹集成材与竹材弯曲构件贴合，顶部热压定位组件加热推板垂直向下移动，压紧平直竹集成材与竹材弯曲构件，对弯曲件进一步定型组装。待组件与胶接竹材全部贴合后，将热压定型装置升温至120，并保压20 min。最后，待装置冷却至室温后，对热压定型装置进行泄压，从而获得竹材弯曲构件组件。图5 竹材弯曲构件组件制造工艺 Fig.5 Manufacturing process of bamboo bending component components a.热压定型装置示意图b.顶部热压定位组件侧视图c.竹材弯曲构件组件（椅腿）实物照片和示意图d.竹材弯曲构件组件局部组坯示意图和实物照片林 产 工 业66第60卷竹质弯曲制品的质量检验必须落实到每个车间、每个工段、每个工序、每个人。产品包装必须密封，这样有助于减少产品在运输和等待销售过程中的吸湿变形。此外，产品需要水平堆放及运输。竹质弯曲制品经检测，含水率在8.0%16.3%之间，外观无贯通裂纹、虫蛀、树脂囊、死节、孔洞、夹皮和树脂道、树胶道，外表节子宽度未超过材宽1/3，直径不超过12 mm，漆膜耐液性不低于3级，附着力不低于3级，耐磨性不低于3级，甲醛含量75 mg/kg，整体满足GB/T 33242017 木家具通用技术条件、GB/T 356072017 绿色产品评价 家具 和GB 184012020 国家纺织产品基本安全技术规范 等标准相关要求。6 结语新型竹材弯曲件加工设备包括动模干式弯曲装置和热压定型装置，可实现一次性将竹条软化、胶合、干燥和360圆弧弯曲无损定型，同时实现了竹质弯曲构件的免钉装配，提高了竹质弯曲制品生产的自动化和连续化水平。通过以上设备和方法制造的竹质弯曲制品性能整体满足GB/T 33242017 木家具通用技术条件、GB/T 356072017 绿色产品评价 家具 和GB/T 184012020 国家纺织产品基本安全技术规范 等标准相关使用要求。与传统竹集成材弯曲构件制造工艺相比，动模干式弯曲竹质弯曲构件制造工艺具有以下优点：1）竹材先施胶组坯，再热压弯曲定型，采用一次胶合组坯、热压弯曲成型工艺，可实现完全机械自动化，一次性完成弯曲件的加工制备，显著提高了生产效率；2）采用内外侧同时分段加热的方式，使组合竹条受热更加均匀，减少了裂痕、开胶等现象的发生，实现了多层竹条的胶接弯曲，增加了竹弯曲件的操作厚度；3）通过调整定模和动模加热推板的形状、尺寸、弧度，可实现多种弧度、形状的竹材弯曲定型，操作灵活。参考文献1 刘楠洁.竹集成材家具产品轻量化设计研究D.长沙:中南林业科技大学设计学,2019.2 林乙煌,李吉庆,赖惟永,等.传统圆竹家具和新型竹集成材家具的分析J.龙岩学院学报,2009,27(05):50-53.3 李吉庆,吴智慧,张齐生.竹集成材家具的造型和生产工艺J.林产工业,2004,31(04):47-52.4 刘岸,常霖.重组竹家具产品轻量化设计分析与方法J.林产工业,2016,43(12):46-48+51.5 白兴义,舒志鹏,白睿昇,等.基于Grasshopper的竹编形态参数化设计研究J.家具与室内装饰,2022,29(08):88-94.6 陈惠华,柳翰.广作座椅的形制品类与艺术特征探析J.家具与室内装饰,2022(01):132-135.7 孟凯宁,安佩鑫,王美娜.青神竹编的数字化保护与开发策略研究J.家具与室内装饰,2022,29(06):07-12.8 池珊珊.弯曲集成材的制造及性能试验J.林业科技,1994(02):45-47.9 梁梦娇,刘岩松,耿晓杰.中国传统榫卯结构在现代家具中的创新应用研究J.家具与室内装饰,2021(11):14-17.10 李吉庆,林皎皎,傅宝姬,等.实木家具与竹集成材家具典型结构与加工比较分析J.福建农林大学学报(哲学社会科学版),2009,12(05):106-108.11 盛娜,施红良,嵇凯明,等.重组装饰单板加工作业流程和关键点技术控制J.森林防火,2021,39(z1):41-45.12 邬树德.竹集成材和竹材胶合弯曲家具初步研究J.安徽农学院学报,1983(02):67-72.13 张小开,丁寅超.基于图像学的明代竹家具考证及设计特征研究J.家具与室内装饰,2022,29(04):28-31.14 周雪冰,徐俊华,强明礼,等.乡村振兴背景下圆竹家具产品的设计创新与实践J.家具与室内装饰,2022,29(11):38-42.15 娄志超,李延军,韩贺,等.一种竹材弯曲件的加工设备及方法:ZL202110419007.7P.2022-04-15.16 娄志超,李延军,韩贺,等.一种环形竹材件定型设备:ZL202120870532.6P.2021-11-16.17 季加贵.竹框成型工艺:ZL201510871729.0P.2019-12-13.18 季加贵.竹框成型设备:ZL201510871826.XP.2019-4-12.19 季加贵.竹条弯曲成型设备:ZL201510871751.5P.2019-6-28.20 季加贵.竹框部件冲压模具总成及冲压方法:ZL201810474824.0P.2022-2-18.21 王栋,张小开,孙媛媛.传统竹家具意象转译与设计实践研究J.家具与室内装饰,2023,30(02):12-15.22 王戈,陈复明,程海涛,等.中国竹产业的特色优势与创新发展J.世界竹藤通讯,2020,18(06):6-13,29.23 娄志超,王新洲,李延军,等.留青展平竹地板生产工艺J.林产工业,2022,59(01):49-52.24 陈淑广.中国竹制品生产的优势、面临挑战与对策J.世界竹藤通讯,2016,14(06):38-41.25 吴志勇.基于BP神经网络识别毛竹冻融循环次数J.森林防火,2022(02):93-96.26 吴君琦.基于国际贸易的中国竹产业竞争力研究D.中国林业科学研究院生态学,2009.27 陈林,方长华,刘焕荣,等.弧形竹材胶合成型工艺研究进展J.林产工业,2021,58(07):40-44.28 王孟欣,张承宇,袁蓉,等.中国林业产业发展情况综述J.森林防火,2022(02):101-106.29 连彩萍,韦佩瑶,庞小仁,等.竹材在新中式家具中的设计表现J.林产工业,2023,60(03):73-76+92.（责任编辑 陈 悦）