何雨晨 李 園 鄭圣龍 楊兆金 黃鶴鳴 羅邦瑞解林坤 杜官本 周 華 萬(wàn) 輝*

（1.西南林業(yè)大學(xué)材料與化學(xué)工程學(xué)院，云南 昆明 650223；2.昆明飛林人造板集團(tuán)有限公司，云南昆明 650403；3.西南林業(yè)大學(xué)大數(shù)據(jù)與智能工程學(xué)院，云南 昆明 650224）

刨花板是我國(guó)人造板行業(yè)中的主要板種[1]。近年來(lái)，我國(guó)刨花板產(chǎn)業(yè)無(wú)論是產(chǎn)量、質(zhì)量、還是生產(chǎn)裝備、技術(shù)水平都逐步進(jìn)入了世界前列，生產(chǎn)、消費(fèi)和國(guó)際貿(mào)易量連年穩(wěn)居世界首位，在全球人造板產(chǎn)銷(xiāo)格局中具有重大影響力。據(jù)統(tǒng)計(jì)[2]，2022 年，我國(guó)刨花板總生產(chǎn)能力達(dá)到4 148 萬(wàn)m3，凈增生產(chǎn)能力253 萬(wàn)m3，同比增長(zhǎng)6.5%，平均單線生產(chǎn)能力上升到13.2 萬(wàn)m3，刨花板總生產(chǎn)能力及平均單線生產(chǎn)能力均呈持續(xù)上升態(tài)勢(shì)。然而，隨著我國(guó)質(zhì)量監(jiān)督抽查或全國(guó)聯(lián)動(dòng)監(jiān)督抽查行動(dòng)的展開(kāi)，調(diào)查發(fā)現(xiàn)，刨花板年度產(chǎn)品合格率在66%～95%之間[3]。這說(shuō)明，盡管我國(guó)已成為刨花板生產(chǎn)大國(guó)之一，但是市場(chǎng)上依然存在大量低檔次產(chǎn)品，刨花板產(chǎn)品質(zhì)量良莠不齊。為進(jìn)一步推動(dòng)刨花板產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，未來(lái)我國(guó)刨花板行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)將通過(guò)過(guò)程控制與診斷不斷完善企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模、管理水平和不斷提高生產(chǎn)技術(shù)裝備等方法，逐步提高我國(guó)刨花板產(chǎn)品的總體質(zhì)量水平[4]。通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)：我國(guó)的刨花板生產(chǎn)過(guò)程控制與其診斷在具體實(shí)施方面還存在很多不足，例如缺少刨花切削刀具的基本質(zhì)量評(píng)估方法、缺少完善的刨花質(zhì)量評(píng)價(jià)體系、以及缺少刀具磨損與刨花及刨花板性能之間的聯(lián)系和數(shù)學(xué)模型等。

刨花形態(tài)包括幾何形狀和尺寸大小[5-7]，其對(duì)刨花之間的膠合效果、熱壓工藝及刨花板的物理力學(xué)性能都具有顯著影響[8-10]。在以往研究中，大部分研究者一般采用篩分法區(qū)分不同尺寸刨花，并結(jié)合刨花長(zhǎng)厚比表征刨花形態(tài)。隨著計(jì)算機(jī)大數(shù)據(jù)分析和云計(jì)算系統(tǒng)的發(fā)展，人工智能正逐步被引入到人造板制造業(yè)中[11]。相對(duì)于利用篩網(wǎng)篩分的傳統(tǒng)檢測(cè)方法，基于AI計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的方法能夠?qū)崿F(xiàn)在線監(jiān)測(cè)，提高了檢測(cè)精度和效率。Kruse等[12-13]提出了一種利用圖像分析程序識(shí)別刨花的近似多邊形（最多8 條邊）來(lái)對(duì)刨花形狀進(jìn)行描述的方法，但是未將刨花形狀與刨花板性能進(jìn)行聯(lián)系。Kim等[14]利用圖像處理技術(shù)，通過(guò)比較待測(cè)目標(biāo)與圓形、矩形和三角形之間的形狀相似性為其分類(lèi)。然而這些方法屬于傳統(tǒng)數(shù)字圖像處理算法，其檢測(cè)精度與基于深度學(xué)習(xí)的方法相比較低。

在確定刨花形態(tài)對(duì)刨花板質(zhì)量的影響后，如何穩(wěn)定并提高刨花質(zhì)量就成了保證刨花板生產(chǎn)工藝穩(wěn)定、提高產(chǎn)品性能關(guān)鍵問(wèn)題之一。其中，切削刀具是影響刨花質(zhì)量的重要因素。耿紹輝[15]研究發(fā)現(xiàn)：切削刀具磨損的程度越大，木片表面被搓起和撕裂的情況就越明顯，從而導(dǎo)致木片表面質(zhì)量降低。因此，當(dāng)?shù)毒吣p到一定程度后，切削過(guò)程不得不中斷。然而，增加換刀、磨刀的次數(shù)和設(shè)備的啟動(dòng)頻率，不僅降低了生產(chǎn)效率和質(zhì)量，還會(huì)影響設(shè)備和刀具的使用壽命[16]。因此，為了保證刨花的質(zhì)量和切削系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，在刨花板生產(chǎn)過(guò)程中需要對(duì)刨片機(jī)刀具磨損狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

綜上可知，經(jīng)過(guò)不同時(shí)間的切削，刀具發(fā)生磨損，刨花質(zhì)量發(fā)生變化，因而刨花板的質(zhì)量也會(huì)隨之改變。基于這一假設(shè)，本文以刨花板刨片工藝為出發(fā)點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了刨花形態(tài)的智能檢測(cè)方法，通過(guò)對(duì)刨花形態(tài)以及刨片機(jī)的切削電流進(jìn)行監(jiān)控，量化刨花質(zhì)量和刨片機(jī)刀片磨損程度，以初步開(kāi)發(fā)刨花板刨花制備過(guò)程診斷和控制的數(shù)字化、智能化技術(shù)。最后，用不同切削時(shí)間切削的刨花制作刨花板，并對(duì)其進(jìn)行性能檢測(cè)，以建立刀片磨損、切削電流消耗、與刨花質(zhì)量和刨花板質(zhì)量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系模型，確定了最佳換刀時(shí)間。研究結(jié)果可為企業(yè)提供切削刀具質(zhì)量評(píng)估方面的參考，并優(yōu)化刨花板的生產(chǎn)工藝。此外，希望通過(guò)應(yīng)用和嵌入數(shù)字和智能技術(shù)，提高刨花板生產(chǎn)裝備的智能化水平，為企業(yè)管理人員及時(shí)有效地監(jiān)管生產(chǎn)過(guò)程提供新方法，并為企業(yè)智能化生產(chǎn)過(guò)程管理提供參考，進(jìn)而促進(jìn)我國(guó)林產(chǎn)工業(yè)生產(chǎn)管理的數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

刨花由鼓式削片機(jī)加工而成，95%～97%為桉木（Eucalyptus robustaSmith），其余為松木和硬雜木等，木片含水率為（45±5）%，木片厚度為（6±1） mm，長(zhǎng)度（40±5） mm，寬度（20±5） mm。

混合膠液由昆明飛林人造板集團(tuán)有限公司提供?；旌夏z液主要成分有脲醛樹(shù)脂、三聚氰胺及石蠟乳液，固含量為（46±2）%，pH值為8～9。固化劑主要成分為磷酸，含量為6.5 kg/T。

1.2 儀器與設(shè)備

環(huán)式刨片機(jī)，BX4616/5型，刀環(huán)直徑為1 600 mm，刀環(huán)上共有74把刀，材質(zhì)統(tǒng)一為A8鋼，鎮(zhèn)江中福馬機(jī)械有限公司。自制實(shí)驗(yàn)室滾筒拌膠機(jī)，滾筒拌膠機(jī)轉(zhuǎn)速為30 r/min，噴膠速度每秒約1.5 g，膠液霧化壓力為0.6 MPa。平板熱壓機(jī)，XLB-Q600X600型，青島華博機(jī)械科技有限公司。萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，UTM5150型，深圳三思縱橫科技股份有限公司。電動(dòng)振篩機(jī)，8411型，上虞學(xué)勤紗篩廠。

圖像采集設(shè)備包括俯拍支架、無(wú)影布、LED無(wú)影燈等。手機(jī)攝像頭為HUAWEI P40，像素為1 600萬(wàn)。

1.3 刨花制備與取樣

取形態(tài)大小均勻的木片，通過(guò)環(huán)式刨片機(jī)進(jìn)行刨片，其切削原理如圖1 所示，操作參數(shù)由企業(yè)給定。其中，刨片機(jī)葉輪以600～700 r/min高速旋轉(zhuǎn)，刀環(huán)則以100～200 r/min的速度逆向旋轉(zhuǎn)。刀片長(zhǎng)度為464 mm，伸刀量為（0.8±0.1） mm，刀門(mén)間隙（2.0±0.1） mm，飛刀刃角為36°。從刨片機(jī)換新刀后剛啟動(dòng)時(shí)（0 h）開(kāi)始取樣，之后從刨片機(jī)運(yùn)行第2、4 和6 h分別取樣，每個(gè)時(shí)間段各取樣20～30 kg，刨花含水率為（40±5）%。

圖1 環(huán)式刨片機(jī)切削原理Fig.1 Flaking principle of ring flaker

1.4 刨花形態(tài)智能檢測(cè)

刨花形態(tài)檢測(cè)程序基于MATLAB平臺(tái)開(kāi)發(fā)，從不同時(shí)間切削的刨花中隨機(jī)取樣檢測(cè)200 片[17]。刨花圖像采集固定距離為25 cm，分辨率為4 096×3 072。圖像采集系統(tǒng)如圖2 所示，分為平面圖像與側(cè)立/豎立面圖像。采集圖像前，將待檢測(cè)刨花倒入100 目篩網(wǎng)震篩，直至明顯看不到木粉移動(dòng)為止。采集平面圖像時(shí)，需將刨花逐一平鋪在黑色吸光布上并確保相互沒(méi)有重疊。采集側(cè)立/豎立面圖像時(shí)，將刨花拋灑入表面帶有不同寬度縫隙的自制黑色底板使刨花側(cè)立起來(lái)，并保證互不接觸。該底板表面縫隙寬度為0.8～4.0 mm，長(zhǎng)100 mm，深10 mm。

圖2 刨花圖像采集Fig.2 Image of particle acquisition

1.4.1 刨花形狀識(shí)別

MATLAB的深度學(xué)習(xí)工具箱中提供了數(shù)種預(yù)訓(xùn)練深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。經(jīng)過(guò)對(duì)比VGG-19、GoogleNet、ResNet-50和 DarkNet-19四種網(wǎng)絡(luò)模型遷移學(xué)習(xí)結(jié)果，最終選用DarkNet-19預(yù)訓(xùn)練模型進(jìn)行遷移學(xué)習(xí)，以區(qū)分不同形狀的刨花。

刨花形狀識(shí)別模型訓(xùn)練過(guò)程包括：1）采集并導(dǎo)入刨花平面圖像；2）將預(yù)處理后的刨花圖像人工分為桿狀、類(lèi)矩形、類(lèi)三角形及其他型 4 類(lèi)，每類(lèi)各選150 張建立數(shù)據(jù)集，最終獲得600 張圖片，不同形狀刨花樣本如圖3 所示；3）按7 ∶3 劃分?jǐn)?shù)據(jù)集，70%用作訓(xùn)練集用于網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練和參數(shù)學(xué)習(xí)（即每類(lèi)105 個(gè)樣本用于訓(xùn)練，共420 個(gè)），30%用作驗(yàn)證試集用于測(cè)試模型的識(shí)別和泛化能力（即每類(lèi)45 個(gè)樣本用于測(cè)試，共180個(gè)），兩部分之間的數(shù)據(jù)互不交叉；4）為了防止訓(xùn)練時(shí)發(fā)生過(guò)擬合，提高分類(lèi)準(zhǔn)確率，把原始的數(shù)據(jù)集進(jìn)行數(shù)據(jù)增強(qiáng)（包括翻轉(zhuǎn)變換、縮放變換與旋轉(zhuǎn)變換等）[18]；5）設(shè)置模型訓(xùn)練參數(shù)，選擇Adam優(yōu)化器，學(xué)習(xí)率設(shè)為0.000 1，每批次訓(xùn)練的樣本數(shù)量設(shè)置105，則每輪迭代次數(shù)為4 次，最大訓(xùn)練輪數(shù)設(shè)為55，共迭代220 次；6）最終驗(yàn)證集分類(lèi)準(zhǔn)確率達(dá)99.17%，損失值為0.08。

圖3 刨花形狀分類(lèi)Fig.3 Classification of different particle shapes

1.4.2 刨花尺寸檢測(cè)

刨花尺寸檢測(cè)方法是基于數(shù)字圖像處理技術(shù)的目標(biāo)尺寸檢測(cè)，利用該方法監(jiān)測(cè)刀具不同磨損程度下樣本刨花尺寸分布變化趨勢(shì)。

檢測(cè)步驟包括：1）采集并導(dǎo)入圖像，利用參照物硬幣確定單位尺寸像素?cái)?shù)；2）圖像預(yù)處理，通過(guò)midfilt函數(shù)進(jìn)行中值濾波去噪；3）進(jìn)行Canny邊緣檢測(cè)，填充面積小于1 000像素的空洞，即去除圖像內(nèi)較小灰塵；4）利用函數(shù)minboundrect，識(shí)別待測(cè)目標(biāo)最小外接矩形；5）利用函數(shù)minboxing，計(jì)算最小外接矩形的尺寸并換算成目標(biāo)實(shí)際尺寸。

當(dāng)檢測(cè)刨花長(zhǎng)度和寬度時(shí)，利用刨花平面圖像檢測(cè)平面刨花最小外接矩形長(zhǎng)、寬即刨花最大長(zhǎng)度與寬度。當(dāng)檢測(cè)刨花厚度時(shí)，則利用刨花側(cè)立/豎立圖像檢測(cè)刨花側(cè)面最小外接矩形寬度，即刨花最大厚度。

1.5 刨片機(jī)刀具磨損程度量化

利用段差尺測(cè)量伸刀量（沿切削方向，后一組飛刀刀刃高出前一組耐磨板的高差）量化刀具磨損程度。通過(guò)比較切削過(guò)程中伸刀量變化情況，即刀刃磨損量來(lái)判斷刀具磨損狀態(tài)。如圖4 所示，每把刀分別測(cè)量A、B、C三點(diǎn)，相互間隔（225±2） mm，以檢驗(yàn)刀刃磨損均勻性。其中，A點(diǎn)靠近進(jìn)料口。由于測(cè)量伸刀量需要停機(jī)，為不影響企業(yè)正常生產(chǎn)效率，測(cè)量時(shí)間確定為開(kāi)機(jī)0 、3 h 及6 h切削結(jié)束后。

圖4 伸刀量測(cè)量點(diǎn)分布Fig.4 Distribution of measuring points for tool extension

1.6 刨花板制備工藝

所有制板用刨花在電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中烘干至含水率小于2%，然后密封備用。使用不同切削時(shí)間取樣的刨花分組制板，每組制備3 張板材。刨花板幅面尺寸為 350 mm × 350 mm，厚度為 12 mm，刨花施膠量為 8%，目標(biāo)密度 0.69 g/cm3。鋪裝采用單層結(jié)構(gòu)手動(dòng)鋪裝。在板材熱壓時(shí)，熱壓溫度為（140±10） ℃，熱壓壓力為4.0 MPa，熱壓時(shí)間為10 min。

1.7 刨花板理化性能測(cè)試

參照 GB/T 17657—2022[19]，測(cè)試刨花板的物理力學(xué)性能，包括靜曲強(qiáng)度（MOR）、彈性模量（MOE）、內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度（IB）、2 h吸水厚度膨脹（2hTS）、含水率和密度。

1.8 刨花板物理力學(xué)性能綜合評(píng)價(jià)

選取靜曲強(qiáng)度（X1）、彈性模量（X2）、內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度（X3）、2 h吸水厚度膨脹率（X4）共4 項(xiàng)指標(biāo)作為評(píng)價(jià)變量，選用變異系數(shù)法分別對(duì)4 項(xiàng)指標(biāo)賦權(quán)。變異系數(shù)法是一種客觀賦權(quán)法，變異系數(shù)CV越大，說(shuō)明該指標(biāo)所包含的信息量越大，應(yīng)當(dāng)賦予較大的權(quán)重；反之，則應(yīng)賦予較小的權(quán)重[20]。變異系數(shù)法賦權(quán)的計(jì)算公式為：

式中：Wj為指標(biāo)j的權(quán)重；CVj為指標(biāo)j的變異系數(shù)；σj為指標(biāo)j的標(biāo)準(zhǔn)差；xj為指標(biāo)j的平均值。

刨花板綜合性能Y與各個(gè)指標(biāo)測(cè)試結(jié)果Xj(j=1,2,3,4) 以及對(duì)應(yīng)的權(quán)重Wj和系數(shù)的關(guān)系式為：

式中：W4X4對(duì)應(yīng)的系數(shù)為負(fù)，原因是吸水厚度膨脹率越高說(shuō)明刨花板尺寸穩(wěn)定性越差。因此，吸水厚度膨脹率與刨花板綜合性能應(yīng)呈負(fù)相關(guān)。

1.9 數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析

數(shù)據(jù)分析采用軟件IBM SPSS Statistics 26，所有統(tǒng)計(jì)測(cè)試結(jié)論基于顯著系數(shù)α=0.05。使用單因素方差分析Duncan多重檢驗(yàn)比較樣本差異。所有數(shù)據(jù)的回歸方程擬合效果和可信度用R2來(lái)衡量，以此建立刀具磨損程度與刨花形態(tài)和刨花板性能之間的數(shù)學(xué)關(guān)系模型。

2 結(jié)果與分析

2.1 刀具使用時(shí)間對(duì)刨花形狀的影響分析

不同取樣時(shí)間下刨花形狀的檢測(cè)結(jié)果如圖5 所示。可以看出，在刨片機(jī)開(kāi)機(jī)運(yùn)行0～6h內(nèi)，隨著刀具使用時(shí)間的延長(zhǎng)，在小于100 目的刨花里，桿狀刨花的占比持續(xù)增大，類(lèi)矩形刨花的占比先增大后減小，類(lèi)三角形及其他型刨花占比先減小后增大。同時(shí)，桿狀和類(lèi)矩形刨花占比相加或類(lèi)三角形與類(lèi)矩形刨花占比相加也符合先增大后減小的趨勢(shì)。

圖5 刀具磨損對(duì)刨花幾何形狀的影響Fig.5 Effect of tool wear on particle geometry

在刨片機(jī)剛開(kāi)機(jī)時(shí)（0 h），完整的類(lèi)矩形刨花數(shù)量最少。這可能是因?yàn)榕倨瑱C(jī)開(kāi)機(jī)運(yùn)行初期，葉輪轉(zhuǎn)速逐漸升高且變化幅度大，因此木片在刀環(huán)上運(yùn)動(dòng)軌跡極不穩(wěn)定，同時(shí)與耐磨板之間的摩擦力較大。這導(dǎo)致木片在被葉輪推動(dòng)切削前，極大可能被撞碎或攪碎。這說(shuō)明為了保證刨花形態(tài)，可以考慮等刨片機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后再開(kāi)始進(jìn)料，或在切片時(shí)加水以減少木片與耐磨板之間摩擦。然而，隨著刀刃變鈍，類(lèi)矩形刨花的含量明顯減少，類(lèi)三角形刨花逐漸增多。這主要是因?yàn)槟p后的刀刃更容易擠碎刨花，因此完整的類(lèi)矩形刨花會(huì)減少，且刨片機(jī)功耗會(huì)增加。

2.2 刀具使用時(shí)間對(duì)刨花尺寸的影響分析

為驗(yàn)證刀具不同使用時(shí)間下刨花尺寸有無(wú)顯著性變化，由表1 Duncan檢驗(yàn)結(jié)果可以得出，刨花長(zhǎng)度從第2 h開(kāi)始顯著增長(zhǎng)，4 h后顯著減小；刨花厚度在4 h左右顯著增大；刨花長(zhǎng)厚比在4 h達(dá)到最大；而刨花寬度在整個(gè)切削過(guò)程中沒(méi)有顯著變化。

表1 不同刨花尺寸檢驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Test results of different particle sizes

2.3 刀具使用時(shí)間對(duì)刨片機(jī)工作電流與伸刀量的影響分析

不同取樣時(shí)間下，刨片機(jī)實(shí)時(shí)電流監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖6所示?？梢钥闯觯S著刀具使用時(shí)間的增長(zhǎng)，刨片機(jī)工作電流大幅度升高，這意味著刨片機(jī)工作電流受刀具使用狀態(tài)影響較大。原因是當(dāng)?shù)毒吣p或發(fā)生破損，刀具與木片摩擦加大，刨片機(jī)葉輪電機(jī)的負(fù)荷增大，從而引起刨片機(jī)工作電流的大幅度變化[21]。

圖6 刨片機(jī)刀片使用時(shí)間對(duì)刨片機(jī)電流的影響Fig.6 The effect of blade usage time on the electric current of the flaker

從圖6 還可以看出，若提前提前到第4 h換刀，理論上可以節(jié)省約10%的能源。

為驗(yàn)證刀具不同使用時(shí)間下各點(diǎn)位伸刀量在統(tǒng)計(jì)學(xué)上有無(wú)顯著性差異，由表2 Duncan檢驗(yàn)結(jié)果可知，刀環(huán)平均伸刀量以及A、B兩點(diǎn)伸刀量均有顯著變化，而C點(diǎn)伸刀量在整個(gè)切削過(guò)程中沒(méi)有顯著變化。原因是進(jìn)入刨片機(jī)內(nèi)的木片無(wú)法均勻、有效地分布到刀環(huán)整個(gè)寬度方向上，從而導(dǎo)致刨刀在整個(gè)長(zhǎng)度上磨損不均勻，甚至使飛刀刀刃磨損成弧形，減短刀具使用壽命時(shí)間[22]。這說(shuō)明為了進(jìn)一步提高刨花切削質(zhì)量，提高刀具的使用效率，可以考慮改善木片在刨片機(jī)里的分布。

表2 刨片機(jī)伸刀量隨時(shí)間的變化結(jié)果Tab.2 Test results of tool extension

研究表明，刀片的伸出量直接決定刨花厚度[23-24]。然而，結(jié)合表1 發(fā)現(xiàn)，隨著刨片機(jī)平均伸刀量減小，刨花平均厚度卻顯著增大。其可能的原因是，在刨片機(jī)工作過(guò)程中，由于葉輪的高速旋轉(zhuǎn)，木片在離心力作用下緊緊貼在耐磨墊板的圓弧表面上，在葉片的推動(dòng)下造成相對(duì)摩擦，從而造成耐磨墊板圓弧面及背壓板底面逐漸磨損，刀門(mén)間隙也隨之增大。由此切削過(guò)程中磨損的不均勻使得耐磨墊板圓弧面不能處于同一圓周上，導(dǎo)致各組刀片刀刃實(shí)際伸刀量不一致，此時(shí)就不能僅僅通過(guò)伸刀量決定刨花厚度。這說(shuō)明為保證伸刀量一致性，還應(yīng)考慮按時(shí)修磨或更換耐磨墊板等。

2.4 刀具使用時(shí)間對(duì)刨花板性能的影響分析

用不同時(shí)間切削的刨花制成的刨花板物理力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果如圖7所示?？梢钥闯?，隨著刀具磨損程度的增大，制成的刨花板其靜曲強(qiáng)度和彈性模量呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，膠合強(qiáng)度呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，而尺寸穩(wěn)定性則持續(xù)降低。

圖7 尺寸穩(wěn)定性與膠合強(qiáng)度Fig.7 Effect of tool wear on physical and mechanical properties of particleboard

為驗(yàn)證不同刨花板物理力學(xué)性能的變化，由表3 Duncan檢驗(yàn)結(jié)果可知，隨著刀具磨損程度的增大，刨花板MOE和MOR在0～2 h內(nèi)顯著增大，并且在2～4 h內(nèi)穩(wěn)定在最高值。刨花板尺寸穩(wěn)定性在2～4 h內(nèi)沒(méi)有顯著變化，而內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度無(wú)顯著變化。

表3 刨花板不同性能指標(biāo)檢驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Test results of different performance targets of particleboard

綜合來(lái)看，桿狀刨花數(shù)量、刨花平均厚度與刨花板尺寸穩(wěn)定性相關(guān)。隨著刀具磨損程度增大，桿狀刨花含量和刨花厚度變異系數(shù)均呈增大趨勢(shì)，對(duì)應(yīng)刨花板吸水厚度膨脹率也顯著增大。原因是厚刨花在熱壓過(guò)程中回彈較大，且較厚刨花之間不能像薄刨花那樣緊密，因此板坯內(nèi)的空隙較大，從而使水分以較快的速度滲透進(jìn)板內(nèi)[25-28]。

2.5 刀具使用時(shí)間對(duì)刨花板綜合性能的影響分析

為綜合評(píng)價(jià)刀具不同使用時(shí)間下刨花板綜合性能，首先需要對(duì)上述各個(gè)指標(biāo)的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行歸一化處理，以消除各項(xiàng)指標(biāo)量綱不同的影響[29-32]。刨花板不同性能指標(biāo)數(shù)據(jù)的歸一化結(jié)果和綜合得分結(jié)果如表4所示。

表4 刨花板不同性能指標(biāo)歸一化結(jié)果Tab.4 Normalization results of different performance indicators for particleboard

從表4 可以看出，隨著刀具使用時(shí)間增大，刨花板綜合性能先增大后減小，在2～4 h內(nèi)穩(wěn)定在最大值。這說(shuō)明，刨片機(jī)開(kāi)機(jī)運(yùn)行2～4 h內(nèi)切削出的刨花制備的板材綜合質(zhì)量最優(yōu)。

2.6 數(shù)學(xué)模型的建立與分析

2.6.1 刨片機(jī)切削時(shí)間與工作電流關(guān)系分析

切削時(shí)間（T）與刨片機(jī)電流（FC）的關(guān)系模型如表5所示。根據(jù)上述分段線性擬合的回歸方程斜率可知，刨片機(jī)開(kāi)機(jī)0～2 h內(nèi)電流變化的幅度最大，而2～4 h內(nèi)電流變化幅度最小。這主要是因?yàn)榈毒吣p過(guò)程可分為初期磨損、穩(wěn)定磨損和急劇磨損三個(gè)階段。在刀刃磨損初期，由于刀具表面涂料不耐磨或刨片機(jī)刀環(huán)轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定，在開(kāi)始切削的短時(shí)間內(nèi)刀具磨損較快。當(dāng)進(jìn)入穩(wěn)定磨損階段時(shí)，由于刀具表面已被磨平，同時(shí)刨片機(jī)刀環(huán)旋轉(zhuǎn)趨于穩(wěn)定，刀刃上的工作壓強(qiáng)減小且均勻，因而磨損速度較初期緩慢。當(dāng)進(jìn)入急劇磨損階段時(shí)，刀面摩擦力增大，導(dǎo)致切削功率和溫度急劇上升[33]。

表5 切削時(shí)間與刨片機(jī)電流的關(guān)系Tab.5 The relationship between flaking time and the current of the flaker

2.6.2 刨花板物理力學(xué)性能指標(biāo)的預(yù)測(cè)模型及分析

通過(guò)回歸分析，刨花長(zhǎng)度（PL）、厚度（PT）、寬度（PW）、長(zhǎng)厚比（LW）、桿狀（G）、類(lèi)三角形（S）、類(lèi)矩形（J）和其他型（Q）刨花數(shù)量與刨花板彈性模量（MOE）、靜曲強(qiáng)度（MOR）、2 h吸水厚度膨脹率（TSR）、內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度（IB）的關(guān)系如表6和表7所示。

表6 刨花尺寸與刨花板性能的關(guān)系Tab.6 Relationship between particle shape and properties of particleboard

表7 刨花形狀與刨花板性能的關(guān)系Tab.7 Relationship between particle geometry and properties of particleboard

對(duì)于刨花尺寸，通過(guò)比較上述方程的擬合優(yōu)度R2可以得出，刨花板彈性模量和靜曲強(qiáng)度可通過(guò)刨花的平均長(zhǎng)厚比預(yù)測(cè)，內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度可通過(guò)刨花的寬度預(yù)測(cè)，而尺寸穩(wěn)定性可通過(guò)刨花的平均厚度預(yù)測(cè)。

通過(guò)比較上述方程的擬合優(yōu)度R2可以看出，刨花板彈性模量和靜曲強(qiáng)度可通過(guò)類(lèi)三角形刨花的占比預(yù)測(cè)，而內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度和尺寸穩(wěn)定性通過(guò)桿狀刨花的占比預(yù)測(cè)更為準(zhǔn)確。

與刨花尺寸相比（表5），基于AI檢測(cè)的刨花形狀指標(biāo)與刨花板性能擬合程度（R2）普遍更高，更能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)刨花板性能（表6）。這表明，桿狀刨花（G）和類(lèi)三角形刨花（S）占比是預(yù)測(cè)刨花板性能的關(guān)鍵指標(biāo)。

2.6.3 刨花板綜合性能的預(yù)測(cè)模型及分析

為了找到一個(gè)刨花形狀指標(biāo)，從而更加準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)刨花板的綜合性能，通過(guò)線性回歸分析了桿狀（G）、類(lèi)三角形（S）、類(lèi)矩形（J）、其他型（Q）刨花數(shù)量與刨花板綜合性能（Y）的關(guān)系，如表8所示。

表8 刨花形狀與刨花板綜合性能的關(guān)系Tab.8 Relationship between particle shape and the comprehensive performance of particleboard

通過(guò)比較上述方程的擬合優(yōu)度R2可以看出，刨花板綜合性能可通過(guò)類(lèi)三角形刨花（S）的占比準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，說(shuō)明其是預(yù)測(cè)刨花板綜合性能的關(guān)鍵指標(biāo)。刨花板的綜合性能與類(lèi)三角形刨花占比呈負(fù)相關(guān)，即類(lèi)三角形刨花越多，刨花板綜合性能越差。

3 結(jié)論

本文開(kāi)發(fā)了刨花形態(tài)的智能檢測(cè)方法，建立了刀片磨損、切削電流的消耗、與刨花質(zhì)量和刨花板質(zhì)量之間的關(guān)系模型，主要得出以下結(jié)論：

1）隨著刀具磨損程度增大，刨片機(jī)工作電流大幅增大，提前至第4 h換刀預(yù)計(jì)可以節(jié)省10%的生產(chǎn)能源；

2）平均伸刀量隨著刀具使用時(shí)間的增大而減小，但遠(yuǎn)離進(jìn)料口一側(cè)的伸刀量沒(méi)有顯著變化；

3）隨著刀刃變鈍，大厚刨花和碎刨花比例增大，第6 h 刨花的平均厚度比0 h增大了5.8%，2～4 h內(nèi)的刨花長(zhǎng)厚比最大；

4）在小于100 目的刨花中，2～4 h內(nèi)切削刨花中的類(lèi)三角形和其他型刨花數(shù)量最少，類(lèi)矩形刨花數(shù)量最多，而桿狀刨花數(shù)量隨著刀刃變鈍而逐漸增多；

5）2～4 h內(nèi)刨花制成的刨花板綜合性能最優(yōu)，與其較少的類(lèi)三角形刨花數(shù)量有關(guān)；

6）本文開(kāi)發(fā)了基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的刨花形態(tài)智能檢測(cè)方法，可以更加準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)刨花板的產(chǎn)品質(zhì)量，可為提升企業(yè)的智能制造水平提供新思路。