实木家具含水率的选择和控制

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      一 、商业因素的考虑

   天然的树木经过锯解，烘干后成为制造家具用的木材，木材离开干燥炉以后它的含水率并不是不变的，在运输、储存、制作过程中它会不断的吸湿和解吸，甚至经过完善的油漆涂装成为一件家具吸湿和解吸的行为仍然不会停止，只是由于油漆的阻隔作用，使得吸湿和解吸变得相对缓慢，不再那么强烈地造成家具尺寸变化，引起结构和木材质及表面涂层开裂。应该注意到：无论吸湿和解潮同样都会引起家具结构和木质及表面涂层开裂，都不是我们所愿意出现而肯定会出现的。如果片面地追求木材含水率低，甚至把吸湿涨裂也当作不够干引起的，这是很大很危险的误解。况且木材太干了切削，砂磨，成型，雕刻都不好做，干—脆，干—枯是因果关系。
    通常对木材含水率标准有三种不同的要求，（１）木材的干燥标准，是指木材在干燥炉内停止干燥作业时的最终含水率，家具用材通常会选择6~ 9%。（2） 木材进行加工时的含水率，国内外都是“不高于加工地区的年平均木材平衡含水率”。（3）成品家具的木材含水率则又要求“不高于使用地区的年平均木材平衡含水率”。这三个标准应如何统一呢。我们的经验是毫不含糊地做到（1），这样实际基本上也做到了（2），必要时在油漆前通过用恒温脱湿室把制品的含水率控制到可满足（3）。有厂商说：他的美国客户要求木材含水率为6 ~9%。其实这是指 （1）。我们的国家标准也是这样要求的。要成品家具的含水率为6 ~9%，不但很困难，成本很高，也不一定有这个必要，因为这可能产生质量过剩的浪费，另方面又会引起一些新的质量不稳定的因素。
   例如木材是从美国进口的OAK，它一定能达到（1），交货状态美国进口的OAK含水率是12%，这不会高于我国东南沿海大多数地区的年平均木材平衡含水率，能够满足（2）的条件。假如买回来的木材吸湿严重，那就应该先对木材干燥处理，然后才进行制作加工。很多工厂都会有脱湿处理室用来满足（3）。
   要做到产品含水率“不高于使用地区的年平均木材平衡含水率”，就必须知道使用地区的年平均木材平衡含水率。这是很重要的工作，平衡含水率是一个变数，随相对湿度—温度变化而变化，要想用一个不变的平衡含水率去包打天下所有未知气候情况的地区的销售市场，是不现实的。
    假如产品出厂时含水率是12%，卖去美国的阿特兰大或者落杉矶，当地的年户外平均平衡含水率是13%和13.7%，那不会有问题。但是卖去菲尼克斯就会有问题，因为那里的年户外平均平衡含水率是7.2 %，虽然室内可能会没那么干燥，但还是有很大机会出问题。同理，卖去阿拉斯加州朱诺市，那里的年户外平均平衡含水率是16%，那就要特别加强对家具的封闭处理，必要时还应该采取一些特殊的尺寸稳定工艺，防止吸湿膨胀引起结构变形开裂。
   了解和把握着这个原则，签合同之前不妨先问一问货品的销售地区，在对方不愿意提供销售地区的情况下，就应该以商品进口国的年户外平均平衡含水率为准了。如果遇到因为木材含水率问题的质量投诉、索赔时也可以据此来思考对应，在我帮助过的厂家中此类事情屡见不鲜，因此我想这不仅仅是产品的质量问题，也还关系到企业自己的商业安全，因为确实是有些无良的客商利用这一点设置质量陷阱，并以此为由来索赔或拒付。

美国是我国家具的主要出口国。下表是美国的一些地区1997年的户外木材平衡含水率数据，仅供参考：

     含水率是木材的重要参数之一，木材还有许多重要的物理力学参数指标：抗拉、抗弯、剪切的强度、刚度、弹性模量，握钉力，冷热缩胀系数，和电、热、声、方面的参数。上述参数几乎都与含水率有着极为密切的关系，木材手册上所提供各种木材的这些参数基本上都是在含水率12%的条件下取得的。见GB1929—91及它所等效使用的ISO3129—1957。因此国际木材贸易大多数都标定含水率不大于12%的条件下交货。

    我国是家具出口大国，每年有大量家具销往世界各地，2003年仅出口到美国的家具就达到68亿万美元。为了自身的生产制造过程的需要，也为了牢牢地占领已经开发了的市场，我们很有必要尽快收集市场所在地的相关标准和气候资料。

      二、生产上最常见的问题

   有效地控制木材含水率的确是木制品生产厂家的一件大事。我们知道木质开裂和木材的含水率有着很密切的关系，但只是盯住含水率是不够的，要知道木材干燥的质量指标不仅仅是含水率一项，其他指标例如含水率的均匀度、内应力同样不可忽视。否则很容易忽略了真正的原因。认为木材是越干越好，只要够干就不会裂，不但白白加大干燥成本而且会带来更多的质量事故。是很无知和荒谬的错误。
    应该循应力—应变的思路来分析具体现象，寻找答案，解决问题。
    经验告诉我们，单一块干燥到8%含水率的木板，放在仓库里几经寒暑反复干湿它不会开裂，因为它的膨胀收缩没有约束。
   用多块干燥到8%含水率的木板按合理的工艺胶合成一批板件做以下的试验观察：全部砂光好，分成三份；将其中二份，一面按家具表面作完好的油漆另一面不做认真的油漆；把经过油漆的板件，再拿其中的一半，在没有经过认真油漆的那一面上，垂直于胶合线安上（胶合加圆木榫）两到三条强劲的木枋。然后让工件上下两个表面在基本相同的条件与大气接触，那么我们可以观察到：A组砂光，B组砂光+油漆，C组砂光+油漆+木枋增强，在几经冷热反复干湿之后，A表面失去平整，几何尺寸变化很大，木板的端面有裂纹，整体仍然保持形状。B全部出现弯曲，油漆的一面凹下没油漆的一面有裂缝，C情况最严重，虽然弯曲的情况略好于B，但是相当多的工件在油漆的一面出现裂纹。
   对于上述的试验大致上可以得出以下结论，本试验中引起木材变形开裂的不是木材含水率过高，吸湿胀裂是主要的，油漆封闭很重要，在尺寸变化不受到约束的情况下如A，应力—应变可以顺其自然；当应力不均匀如B，应变又被约束着的时候如C，就会出现应力集中并且找到薄弱的地方以其最容易的实现方式—裂开—把应变表达出来。看看变形的B就可以想象得到C忍受着多大的应力。
   木板在纵剖时都会出现顺锯的弯曲，锯开后摆上24小时，弯曲会更明显，如果在干燥的末期没有做消除内应力的处理，则弯曲会非常严重，我们把一些木板直接用单片锯纵剖，放上几天之后观察和测量它的变形量，再把几块这些木板并合起来，那么施加的夹紧力会等于克服全部弯曲变形使所有木板变直的力加上胶合压力，因为首先要使木板变直然后才会在胶合面形成胶合压力，于是一连串问题随之而来，木板在宽度方向上弯曲要费很大的力量，多块木板在宽度方向上弯曲例如并合桌面板或椅坐板，所需的力更大，并板机提供的夹紧力能满足吗？—不能，就造成并板胶合不良甚至失败。—能，那么虽然胶合成功，但是迫使木板变形的力将作为预应力留在了木板里面，它在以后的日子里说不定什么时候会让木板裂开。现在大多数工厂都会以最短的生产周期来安排生产，纵剖—修边面—胶合一气呵成，当时胶合会成功，但应力却没有释放，存在着木板开裂的隐患，或者当时虽然胶合好象是成功的，卸去夹紧器后，在养生期内胶合还没有达到预定的强度，而木板的变形却开始破坏胶合，使并板在胶缝处裂开。我处理过几家工厂，他们长时间出现上述的情况，不幸的是他们老是在含水率上找原因，多次更换胶粘剂，而买方验货又把重点定在含水率上，验货员拿着测湿计对成品和在制品实行严格的测控，结果木材成本搞得高高的，尽管木材已经很干，问题还是不断出现，外商总在抱怨，索赔了一次又一次。后来给工厂整顿工艺调整生产节奏，问题就解决了，接着又适度地放宽含水率的要求，制造过程中锯、铣、车、雕刻、装配、运输时的崩损、折断大大减少，而制品的表面加工质量却有了明显的改善，成本下降生产畅顺。

     我国木材市场供应是有季节性的，一些使用国产木材的工厂常常在冬春季时会遇到材料供应不足的情况，到了四、五月新锯的板材进厂，就立即把它放入干燥窑里烘干，其后又把刚刚干燥好的木材，还在暖乎乎的时候就锯解、并接，车铣……造成家具，整个制造过程都问题不断，买出去的产品投诉多多；集中在变形，开裂两项。以后的几个月情况逐步好转，八、九月趋于平静，到了第二年又来闹腾一次。企业的质量报表统计显示，不同年度相同月份会有相似的质量波动，（出口产品信息会滞后一到两个月）。有几个我很熟悉的工厂都遇到了上述的困扰，在和他们一起分析研究原因时，我看了他们的干燥质量检验记录，几乎都是只测查含水率一项，而真正存在着的主要干燥质量问题是：普遍含水率不均匀，同一块木板上不同点的含水率偏差很大，有些点上含水率略偏高。干燥结束前的平衡热湿处理时间不够。也没有做内应力叉齿试验。对这些木板做内应力叉齿试验会立即表现出很大的内应力，把那些开裂的工件（如椅子的坐板）顺着裂纹方向每隔15MM剖锯一条，大多数锯下来的木条条都会马上变弯。后来这些工厂严格按照国家标准来控制干燥质量，问题也就自然解决了。

   在南方有一种情况每年都会出现多次，生产工厂对它既头疼又无奈，下面我们来讨论一下，冬季大气中的相对湿度是比较低的，但是在寒流到来时，北风一吹，昼夜之间气温下降七八度或十多度，不管寒流带来的天气是阴湿还是干晴，工厂里都会有一些产成品出现端裂；胚料，在制品，无论涂装与否概莫能免。
   是干、冷收缩裂吗？不能简单下这个结论，因为这样形态的端裂也同时出现在吸湿情况下的木材。这里冷收缩是肯定的，干缩却是或然的。出问题的零件的外尺寸大都没有缩小，含水率并不一定是下降，也有上升的，变化大约在 ±1-2%之间,假如木材的含水率下降了的话，按干、冷收缩系数来计算，其总收缩量远远小于裂缝的宽度。大多数情况下当按干、冷收缩系数来计算，其总收缩量小于（各条）裂缝宽度的总和时，基本上可以判定这（些）裂缝产生的原因不一定完全是干、冷收缩引起的，必须小心地寻找和排除其他可能引起开裂的因素。
   我在不同地点，不同的木工厂观察过许多个冬季，特别集中观察在制的零件，我有以下的观点：这种缺陷的产生与原质木材的含水率关系不大，也不是吸湿和解吸引起的，撇开温度下降的因素，对木材来说在相同的时间里，有着同样含水率变化的别的时候，例如吸湿和解吸都很强烈的夏天，就不会产生这种缺陷。缺陷产生的部位在端面和其他一些约束条件比较弱的地方。产生缺陷的零件几乎都是新近加工的在线产品，如果产品所用的木材是干燥后贮存时间不长或者木材制造前因含水率过高经过返烘的，那么产生这种缺陷的几率会高许多。

       以下的现象和实验会有助于解释内应力在引起上述缺陷时是如何行为的。

   理论上木材的弦向收缩率大于径向收缩率，那是用20MM*20MM*20MM的小试块作实验得到的结论，这个结论无疑是正确的。但是在木材干燥的实际生产过程中，我们会发现：实木板材不管它是弦切还是径切，在完成干燥后表现出来的却是厚度方向上的收缩率大于宽度方向上的收缩率。这是因为木材干燥是由外而里逐渐变干的，伴随着干燥而产生的收缩不是均匀地同时的进行，木材内部还没有收缩的物质对已收缩的和正在收缩的物质有强烈的抗抑作用，厚度方向上参与这种对抗的物质总量小于宽度方向上参与这种对抗的物质总量；结果厚度方向上的收缩得完全一些，宽度方向上的收缩就很不完全。当积集在某些部位的收缩拉应力大到足以从内部撕裂木质时，木板就会形成内裂缺陷。而更多的时候木板并没有出现内裂，但是应力、应变却存在着，木板内部裂开的条件和趋势仍然存在着，只是木材收缩处于弹性变形，或者已经出现了许多眼睛看不见的微小的裂纹，尚未连成大的裂缝，一切处于相对平衡状态。通过长时间的自然时效，木材对水分反复的吸湿—解吸作用，可以消除内应力或者“变定”使这种平衡状态稳定下来。假如木板被截解开，截面上原来的约束条件就改变了，再遇到突然降温，收缩应力进一步增强，旧的平衡被彻底打破，木块就会出现裂缝。
    可以通过实验把上述的现象再现出来：取一块刚刚经干燥炉烘干出来干燥质量合格的国产柞木弦切板材，含水率为8%，大小为50MM*200MM*2000MM，截去两端各100MM。用窄薄的带锯把余下1800MM 横截出20MM长的若干段，把相邻的两段做一组并在同一次锯解中分开的两个面上作标记 An—A׳n  Bn—Bn׳  Cn—C׳n ,然后将两件一组装进密封袋里，这里有等量的A B C三大组。取出全部B׳件作防裂油处理，取出全部C׳件很温和的小心地让它们反复吸湿—解吸（过程尽量模拟气候、昼夜温度湿度的变化）多次；待C׳件处理完毕，把所有试件一起暴露在相对湿度75—85%，温度25°C的环境中两三天，再把试件置于冷柜中让它们降温10°—15° C 。结果：A A′ BC绝大部分有端裂出现，同组An—A′n上裂纹的位置和形状有十分明显的对应关系，说明裂开的地方正是应力集中的地方，在这里裂开一条这个样子的裂缝，不是偶然的。由于防裂油的作用，B′端裂较少，但Bn—Bn׳ 仍可以隐约看出裂纹的对应关系；C′甚少端裂，而且有端裂的Cn—C׳n已经找不到裂纹的对应关系了，因为在反复吸湿和解吸的过程木材内部的应力得到释放缓解，应力集中的位置也有了改变。
    生产经验告诉我们：
    1.木材窑干后期的平衡应力处理非常重要。
    2.如果木材在窑干以后再有一段时间的自然时效，那么这些木材会更加稳定。国家标准上面规定的时间（2—7天，见 GB6491—99  4.14）是一个最起码的时间。
    3.人工林出产的木材比自然林出产的木材质量要稳定得多。
    4.同一林产地区出产的木材；经同一工厂干燥的木材比较易于实现品质控制。在木材市场上东一家西一家收购回来的木材，由于产地杂，干燥效果（窑干基准、终含水率、残留应力）不一，用这样混杂的木材去制造家具，品质控制将会很困难，而且隐患非常多。
    5.太干的木材在车、铣、雕刻时很易崩损，胶合时胶粘剂不易浸润其表面，所以有些老师傅会故意用水着湿加工面，这不会带来质量问题，相反可以改善工况提高加工质量。

     三、从行业发展角度引申的话题—专业教育及基础理论研究应更面向生产实际。

   我常常和在高等院校做教学、研究工作的朋友谈到以下一些我的朋友们也深有同感的观点：如果拿金属学、机械制造业与木材学、木器制造业做比较，我们觉得前者人员群体之大及整体研究的广度和深度都绝非后者之可比。前者对于有着晶体结构的各向同性的金属，在分析研究问题时的确大量地运用了形而上的研究方法，把复杂的事物简约                     
    为质点、刚体、杆、连续梁……但是在具体的设计计算时却小心翼翼的用经验公式，修正系数加以订正，力图使计算符合真实情况。
   后者对于本质是生物体的，有着细胞组织的，各向异性的木材在运用形而上的研究方法去观察和解决问题时却往往不够谨慎，要么把结论下得很武断使研究显得粗糙、卤莽。要么就是整个实验研究，都完全立足于把木材形而上的看成是匀质的各向同性的，在得一系列的结论之后才提醒读者，木材不是匀质的而且是各向异性的，其结构、成分是复杂的，细胞形态也是多样的，甚至同一棵树木因为向阳、迎风，或同一树种不同的个体长在平地与坡地其物理各特征值也会不同。
   类似这样的研究，从方法论角度来说，研究结论所指言的合取域几乎是无限大，但试验的个体却又接近于绝无仅有，这样的实验简直难以重复，于是实验所得出的结果就会既无法证实也无法证伪。那么通过这样的结果而导出的结论，其本身的客观真理性也就不能不被怀疑了。充其量也只能把这类研究结论看成是，“由个别事实命题”引申出来的随时“可能被证伪的推理的假定”。非常令人遗憾的是我们木材加工专业的大学教科书上却不乏这种随时可能被证伪的推理的假定，假如我们所培养出来的学生又把这些本应被拒斥的“东西”当成是正确的概念用之于判断生产工作中的问题，其后果可想而知。
   另外工科大学机械专业的学生，在学期间都受到过对本专业各类标准和手册使用的相关的训练，所以他们毕业后在工作中对手册和标准的使用并不陌生，而我们木材加工专业的学生这方面的训练远不如他们（有些甚至是缺失），这不但给学生他们自己和企业带来不便，更重要的是影响了本行业施行相关的国家标准和国际标准。应该充分肯定我国木材及家具制造业的国家标准并不是和国际上其他国家的标准或者ISO标准有着很大的差异或者差距，情况正好相反是很接近有些还等效使用了ISO标准。我国有关的木材手册，工业制造实用性的各种工具书是很严谨也非常实用的，一点也不比人家的差。我国出版的一些期刊也是很有水准的，问题是宣传，引导，强制使用做得不够，我想最好的办法就是对在校学生加强这方面的训练。
    我国1985年家具工业产值为29亿元，多年来持续的快速增长。1995年已猛增至446．21亿元，1997年家具工业产值又再增至780亿元；到2000年工业总产值已达1200亿元，比1999年度增长了15.4%，2001年家具工业总产值达1400亿元，比2000年增长16.7%；从1985年到2002年，平均每年家具产值增长速度不低于15％，相对于我国国民生产总值7%左右的增长率来说，数年来家具产业的发展比整体经济的发展快得多。截至2002年我国家具产值达到1650亿元，较上年增长17.8％，出口54.17亿美元，较上年41.76亿美元激增36.5％。目前我国家具企业有5万多家，从业员工为500多万人是世界上最多的。已成为世界家具制造大国、出口大国。在不到二十年的时间里取得如此骄人的成绩，包括企业、院校、科研机构的业内同仁确实付出了非常艰辛的劳动。但是支持目前这样巨大的一个产业，我们的确还需要很多优秀的技术、管理人才，需要教育、科研部门与企业更好地联合起来。