2.4 胶合与弯曲加工
2.4.1 胶合加工
尺寸较大的实木直接用于家具生产中，往往会因木材的干缩和湿胀特性，使零件产生翘曲变形、开裂等问题。这对于长度、宽度及厚度不太大的零件是可以满足要求的。而零件尺寸越大，这种现象就越严重，一般宽度尺寸为600～700mm的零件，尺寸上的变化可达10～20mm，这严重影响了家具的质量。因此，在现代实木家具生产中，较大幅面的板件往往是通过小料加压胶合而成宽幅面的集成板，较长的零部件通过短料接长，较厚的板件通过较薄的板件胶压而成，最终加工成所需要的规格尺寸和形状的零件，这种加工工艺称为胶合。胶合工艺不仅可以节约材料，提高木材利用率，同时也可改善家具的质量与性能。
2.4.1.1 胶拼选料与组坯
（1）胶拼选料
有节子、开裂、腐朽等缺陷的材料，在工艺可允许的范围内进行挑选，但不得有贯通裂纹；另外，明料不得使用腐朽木材，暗料的腐朽面积不得超过材面的15％，深度不得超过木材厚度的25％，受力部位用材的斜纹程度不得超过20％；对虫蛀材必须进行杀虫处理，外部和放置物品部位的用材不能使用未经处理带有脂囊的木材；将木材纹理相近或按设计要求进行挑选；还要注意材料之间的色彩差异，把色差不是很明显的木材放在一起。
（2）胶拼组坯
①按正反面缺陷排列 按照不同缺陷的分布来排列，缺陷多的在背面。
②按切面排列 要注意弦切面、径切面的排列方式，尽量交叉搭配。
③按纹理与色差排列 应按照背靠背、头对头的原则进行组坯，以消除拼接后板材的内力差；对于同批家具，外表材质颜色要尽量一致，尽量不要出现色差。
④按涂饰要求排列 浅色透明类用A级材料，深色半透明类用B级材料，不透明类（含贴纸）用C级材料。
⑤按加工要求排列 要注意排列时木材的高度差与长度差，有特殊造型设计的，要按图纸的要求进行组坯。
2.4.1.2 方材胶合的种类
方材胶合的方式主要有三种，分别是长度方向上的接长、宽度方向上的拼宽和厚度方向上的胶合。被胶合的方材必须为同一树种或材性相似的小料，其纹理、色彩应尽可能一致，被胶合的小料方材含水率一致或基本一致，相邻胶合材料的含水率偏差必须小于1％。
（1）长度方向上的胶合
①对接 如图2-50所示，对接的胶合面是端面，由于木材端面不易加工光滑、渗胶多，难以获得牢固的胶合强度，一般只用于覆面板芯板和受压胶合材的中间层。所以，木材长度方向的胶合常采用斜面接合或齿榫接合。
图2-50 对接
②斜面接合 如图2-51所示，为提高木材横截面的胶接强度，将木材的端面锯成斜面，以增加其胶接面积。木材端头的斜面L越长，胶接面积越大，接合强度就愈高。根据实验，为了达到要求的胶合强度，斜面接合的斜面长度L应该等于方材厚度S的10～15倍，但这样木材损耗比较大，且太长了也不易加工。因此，斜面接合的斜面坡度一般采用1/8～1/10，个别斜面坡度也可以用1/5。
图2-51 斜面接合
③指形榫接合 如图2-52所示，将木材两端加工成指形榫进行胶接，通常t:l为1:4～1:5。有些指形呈现在木材上、下表面，有些又呈现在木材侧面，可根据产品美观性和性能要求而定。用指形榫胶接，其接合强度大，损耗的材料少，同时也便于实现机械化生产，是目前应用最广泛的胶合方式。
图2-52 指形榫接合
（2）宽度方向上的胶合
实木拼板件经久耐用，用窄板拼宽可充分利用小料，以减少变形、保证家具质量。实木家具中的柜面板、桌面板、椅坐板等板面都是拼宽而成，如图2-53。根据不同家具的要求，拼宽的方式也有多种。
图2-53 拼宽胶合
①平拼 将侧面刨切平整、光滑，再利用胶黏剂进行胶合，拼板时不用开槽和打眼，如图2-54。在拼板的背面可以有1/3的倒棱，因而在材料利用上较经济。但胶接强度低，表面易发生凹凸不平的现象。这种方法工艺简单，接缝严密，是常用的拼板方法。
图2-54 平拼
②裁口拼 将侧面刨切成阶梯形表面，再利用胶黏剂进行胶合，如图2-55。这种胶合的强度比平拼的要高，拼板表面的平整度也要好得多，但材料消耗会相应增加，此方法比平拼要多耗6％～8％的材料。
图2-55 裁口拼
③槽榫拼 将侧面刨切成直角形的槽榫或榫槽，再利用胶黏剂进行胶合，如图2-56。这种胶合的强度更高，表面平整度较好，材料消耗与裁口拼接方式基本相同。当胶缝开裂时，仍然可掩盖住缝隙，拼缝密封性好，常用于面板、门板、旁板等拼接。
图2-56 槽榫拼
④指形拼 将侧面刨削成指形槽榫，胶接面上有两个以上的小指形，如图2-57。这种拼接方式接合强度最高，拼板表面平整度高，拼缝密封性也好，常用于高级面板、门板、搁板、望板、屉面板等的拼接。
图2-57 指形拼
⑤插榫拼 将侧面刨削成平整光滑的表面，利用圆榫、方榫或竹钉与胶接合，如图2-58。这种拼接方式可以提高胶结合强度，节约木材，材料消耗与平拼基本相同。
图2-58 插榫拼
⑥穿条拼 将接合面刨削成平整光滑的直角榫，利用木条与胶结合，如图2-59。这种拼接方式也能提高胶结合强度，节约木材。材料消耗与平拼基本相同，工艺比较简单，也是一种较好的拼板方法。
图2-59 穿条拼
另外，还有螺钉拼、木销拼、穿带拼、吊带拼、螺栓拼、金属连接件拼等多种拼宽方式。
（3）厚度方向上的胶合
对于厚度尺寸较大的方材，也可以充分利用小材胶合而成，以提高稳定性，并节约材料，如图2-60。厚度胶拼主要采用平面胶合的方式，胶拼前，要使锯材表面平整光滑，厚度均匀，不能有过多缺陷。
图2-60 接长和拼厚的方材
如果零件断面尺寸较大，同时又要求其具有较好的稳定性，则除了在厚度方向上进行胶合外，还可以同时在长度或宽度上进行胶合。这样可以提高零件的稳定性，使其不易翘曲变形。但是采用这种方式胶合时，必须使相邻两块胶合材料的接合点错开。进行长度和厚度胶合时，接头之间的距离不能小于300mm，以保证胶合强度。
2.4.1.3 胶合设备
现代实木家具生产中常用的胶合设备主要有指接机、拼板机、双面涂胶机和冷压机。
接长机是采用进料辊直接压紧的加压形式，同时指接机上也配有专用截锯，可根据需要的长度进行截断，如图2-61。
图2-61 木材接长机
拼板机有连续式气压拼板机、风车式气压拼板机与旋转式液压拼板机等。如图2-62所示的为风车式气压拼板机，属于多层的拼板设备，当指接材或窄料方材在工作面上被胶拼时，利用工作台的气压旋具夹紧丝杠螺母，完成拼板。当工作台面转动一个角度，另一层工作台面开始装、拼板。
图2-62 风车式气压拼板机
方材表面涂胶可以用涂胶机，如图2-63，涂胶均匀、方便。厚度上的胶压一般是在冷压机上进行的，如图2-64，冷压时要将板材上下对齐，每隔一段距离要放置一块厚垫板使之对齐，不能让工作台受偏心力。
图2-63 双面涂胶机
图2-64 冷压机
2.4.1.4 影响胶合质量的因素
方材胶合过程是一个复杂的过程，它是在一定压力下使胶合面紧密接触，并排除其中的空气，在添加硬化剂或加热条件下使胶液迅速固化的过程。影响胶合强度的因素有很多，主要与胶合木材的特性、胶黏剂的种类与性能以及胶合时的温度、压力、时间等因素有关。
（1）胶合木材的特性
①木材密度 由于密度与木材的空隙度和自身的强度有关，如果不含有阻碍胶接的物质，其胶接强度和木材的密度成正比关系。导管粗大的木材，容易产生缺胶现象，难以形成连续的胶层，或因胶层厚薄不均而使胶层的内聚力减小，导致胶合强度降低。
②表面粗糙度 它与木材表面的加工方法、胶黏剂性能以及胶合工艺条件等均密切相关。胶接面越光滑，涂胶量就越少，在低压时也容易得到良好的胶接效果。被胶合的表面粗糙时，涂胶量增多，应加大胶压压力。为了减少胶液的流失，应适当使用填充剂。
③木材的含水率 通常木材的含水率应为8％～10％，木材含水率过高，会使胶液黏度降低，过多渗透后而缺胶，不仅降低了胶合强度，还会在胶合过程中产生鼓泡，胶合后木材收缩，产生翘曲、开裂等现象。反之，木材干燥过度，表面极性物质减少，妨碍胶液湿润，影响胶合层的胶合力。用脲醛树脂胶胶合，木材含水率在5％～10％时，胶合强度最高。
④胶接面的纹理 木材具有各向异性，胶合表面的木材纤维方向不同，胶合强度也不同。端面胶合比平面胶合困难，这是由于渗透到导管里的胶量多，胶合表面实际接触面积小的原因。平面胶合时，两块胶合材料的纤维方向平行时要比互相垂直时的胶合强度大，旋切单板正面与正面的胶合强度高于与背面胶合的胶合强度。
⑤其他因素 木材的胶合强度还与心材、边材及木材提取物有关。
（2）胶合工艺条件
胶黏剂的性能包括胶黏剂的固体含量、黏度、聚合度、pH值等，但是胶黏剂的固体含量和黏度对胶合强度影响较大。在胶合前，首先要根据胶合材料的种类和胶合部位的使用要求来选择胶黏剂。在家具生产中，方材胶合时常用的胶种有动物胶、脲醛树脂胶、酚醛树脂胶和乳白胶。胶合工艺条件如下。
①涂胶量 以胶合表面单位面积的涂胶量表示，它与胶黏剂种类、浓度、黏度、胶合表面粗糙度及胶合方法等有关。涂胶量过大，胶层厚度大，胶合强度反而低；反之，涂胶量过少，也不能形成连续胶层，胶合不牢。黏度高的胶黏剂容易涂胶过度，一般合成树脂涂胶量小于蛋白质胶。脲醛树脂胶涂胶量为120g/m2，而蛋白质胶为160～200g/m2，涂胶要均匀，没有气泡和缺胶现象。孔隙大、表面粗糙材料的涂胶量大于平滑的、孔隙小的材料，冷压胶合涂胶量应大于热压时的涂胶量。
②陈化时间 陈化时间是指材料被涂胶黏剂后至加压胶合的时间，它与胶合室温、胶液黏度及活性期有关。陈化可使胶液充分湿润胶合表面，使胶液扩散、渗透，并排除胶液中的空气，提高胶层的内聚力，也可以使胶黏剂中的溶剂挥发，确保胶层浓缩到胶压时所需的黏度。若陈化期过短，胶液未渗入木材，在压力作用下容易向外溢出，产生缺胶；若陈化期过长，超过了胶液的活性期，胶液就会失去流动性，不能胶合。
③陈放时间 陈放时间是指材料被胶合后，从卸压到进行下一道工序加工这段时间，陈放是为了让板件性能更适合加工。无论冷压，还是热压，都需要一段时间才能使胶合反应完成，但是为了提高生产效率，不可能在压机上完成全部胶合反应，因此需要通过陈放来继续完成胶合反应。
④胶层固化条件 胶黏剂在浸润了被胶合材料表面后，胶黏剂由液态变成固态的过程称为固化。方材胶合时，控制好压力、温度和时间是保证胶合质量的重要条件。
a.胶合压力。胶合时所加的压力能保证胶合表面之间必要的紧密接触，形成薄而均匀的胶层。压力大小应随胶合木材的树种、表面加工质量、胶液特性、涂胶量等条件而变化。一般情况下，硬材施压要高一些，软材要低一些。如果压力太大，容易使木材压缩而无法恢复，降低了胶合强度；而压力过小，就不能使胶合面紧密接触，达不到加压的目的。
b.胶合温度。提高胶合时的温度，可以加速胶层固化，缩短胶合时间。但温度过高，有可能使胶发生分解，胶层变脆；而温度太低，可能会因胶液未充分固化而使胶合强度降低，甚至无法胶合。
c.加压时间。加压时间是指胶液凝固前开始加压到胶液固化为止的一段时间，加压时间的长短取决于胶液的固化速度。热压可缩短加压时间，胶着力随加压时间增长而提高，但热压时间过长，会使胶合强度降低。冷压时，由于温度低，加压时间就需要长一些，一般为4～8h。冬季气温低时，加压时间需要到8～12h，甚至更长。
2.4.2 弯曲加工
为了满足造型和使用功能需要，有些零部件常做成曲线或曲面，其线条流畅、形态美观，常用的加工方法主要有锯制加工和加压弯曲成型两种。
锯制加工是直接在锯材或集成板上锯出曲线形零件，其生产工艺简单，不需要专门的生产设备，但大量木材纤维被割断，造成零部件强度降低，涂饰质量差，木材利用率低，很少使用。加压弯曲是用加压的方法把直线形的方材、薄木等压制成各种曲线形的零部件，它可以直接压制成复杂形状，简化制品结构，提高生产效率的同时又节约了木材，但需采用专门的弯曲成型加工设备。
2.4.2.1 方材弯曲加工
方材弯曲加工，是首先将配制好的直线形方材毛料进行软化处理，然后利用模具加压弯曲成要求的曲线形状的过程。实木弯曲时，在凸面产生拉伸力，凹面产生压缩力，中间一层既不受拉伸力也不受压缩力，称为中性层。
弯曲后的零件基本上保持了直线形方材原有的力学性质，在实际使用时曲线形的零件强度还有所提高；零件的表面保持了木材原有的纹理，容易装饰处理。但是生产工艺较复杂，有时由于选材不当或工艺条件控制不当造成弯曲毛料的破坏；木材弯曲半径也受到限制，很难构成多向弯曲；弯曲件在使用过程中，有时会受外界温度、湿度等变化的影响，使原有的弯曲形状发生变化。其主要工序包括：毛料选择与加工、软化处理、加压弯曲、干燥定型、弯曲零件加工等，如图2-65所示。
图2-65 方材弯曲成型与加工的工艺流程图
1—直木料；2—切削加工；3—软化处理；4—弯曲作业；5—弯曲成型毛料的干燥定型；6—弯曲部件后加
（1）毛料选择和准备
首先要按零件断面尺寸、弯曲形状、方材软化方式来选择弯曲性能合适的树种。不同树种木材的弯曲性能差异较大，即使是同一树种，在不同部位，其弯曲性能也不相同。就弯曲性能而言，阔叶树材比针叶树材好，硬阔叶树材比软阔叶树材好；幼材比老材好，边材比心材好，顺纹材比斜纹材好。其次，弯曲部件不得有腐朽、裂缝、节疤等缺陷，纹理要通直，斜纹不得大于10°。常用的树种有水曲柳、桦木、榆木、山毛榉、白蜡树等。
其次要确定毛料含水率符合弯曲要求。若含水率过高，弯曲时因水分过多形成静压力，易造成废品，且延长了弯曲零件的定型干燥时间；若含水率过低，容易产生破坏。一般不进行软化处理而直接弯曲的方材毛料含水率以10％～15％为宜；要进行蒸煮软化处理的弯曲毛料含水率应为25％～30％；高频加热处理的毛料应为10％～12％。
为了便于毛料弯曲时紧贴金属夹板和模具，在毛料加压弯曲前，需要进行必要的刨光和截断，同时还能把在配料时未能发现的缺陷剔除掉，加工成要求的断面和长度，使其厚度均匀、表面光洁。对于弯曲形状不对称的零件，在弯曲前，要在弯曲部位中心位置划线，便于对准样模中心。
（2）软化处理
为了改进木材的弯曲性能，提高其可塑性，需要在弯曲前进行软化处理。软化处理可以使木材具有暂时的可塑性，以使木材在较小的力的作用下能按要求变形，并在变形状态下重新恢复木材原有的刚性、强度。软化处理的方法可分为物理方法和化学方法两类。
①物理方法 物理软化方法又称水热处理法，以水作为软化剂，同时加热以软化木材。这种方法处理容易，生产成本低，在木材弯曲软化处理中被广泛使用。木材物理软化处理方法见表2-4。
表2-4 木材物理软化处理方法
②化学方法 化学软化处理方法是在敞开式或密闭式的槽罐内采用各种化学药剂对方材进行软化处理。这种方法可以较大地提高方材的可塑性，常用的化学药剂有液态氨、气态氨、尿素、碱液等，此方法适合对化学药剂渗透良好的阔叶树材或薄板等，而针叶树材软化则很少使用。
a.液态氨处理法。将气干材或绝干材放入-78～-33℃的液态氨中，浸泡0.5～4h后取出，进行弯曲加工。温度上升，氨全部蒸发后，材料就可在弯曲状态下固定，恢复木材原有的刚度。与蒸煮法相比，这种方法使木材的弯曲半径更小，几乎能适用于所有树种的木材；弯曲成型件在水分作用下，几乎没有回弹；弯曲所需的力矩较小，木材破损率低。
b.氨水处理法。将木材在常温常压下浸泡在25％的氨水中，10余天后即软化。
c.气态氨处理法。将含水率为10％～20％的气干材放入罐中，通入饱和气态氨2～4h，具体时间根据木材厚度决定。这种方法软化后定型性能不如液态氨处理法。
d.尿素处理法。将木材浸泡在50％的尿素水溶液中，在一定温度下，干燥到含水率为20％～30％时再加热到100℃左右进行弯曲、干燥定型。
e.碱液处理法。将气干材或绝干材浸入到10％～15％的氢氧化钠溶液或15％～20％的氢氧化钾溶液中，到达一定时间后即可软化，能在较小作用力下进行弯曲。
（3）加压弯曲
方材经软化处理后应立即进行弯曲，将已软化好的木材加压弯曲成要求的形状。方材加压弯曲的方法主要采用手工和机械两种方式。
①手工弯曲 手工弯曲即用手工木夹具来进行加压弯曲。夹具由用金属或木材制成的样模、金属夹板（要稍大于被弯曲的工件，厚0.2～2.5mm）、端面挡块、楔子和拉杆等组成，如图2-66。这种方式适用于加工数量少、形状简单的零件。
图2-66 工木夹具
1—样模；2—工件；3—金属夹板；4—端面挡块；5—拉杆；6—楔子
弯曲时，将被弯曲木材的拉伸面紧密固定在带有手柄与挡块的金属夹板内表面上。在木材端面与金属夹板挡块之间打入楔形木块，直至使木材的拉伸面跟金属夹板表面紧密结合为止。木材与金属夹板被固定后，放到工作台上，使木材的压缩面和模具准确定位，并立即夹紧，用手握住金属夹板上的木柄进行弯曲。弯曲后用金属拉杆锁紧，送到干燥室中干燥定型。
②机械弯曲 大批量的木材弯曲，需要用机械进行弯曲，常常采用U形曲木机和回转型曲木机进行加工，如图2-67。U形曲木机用于加工各种形状不对称、不封闭的零件，如椅腿、椅子扶手等；而回转型曲木机可弯曲各种封闭的零件，如圆环形椅子座圈等。
图2-67 曲木机
1—样模；2—金属夹板；3—端面挡块；4—弯曲木材；5—钢丝绳；6—拉杆；7—滚轮；8—工作台；9—压块；10—压辊；11—加压杠杆
在U形曲木机中，先将软化处理的工件放入指定位置，然后将金属夹板放在加压杠杆上；升起压块，定位后，启动电动机，使两侧加压杠杆升起，让工件绕样模弯曲；直到全部贴紧样模后，用拉杆固定，弯曲好的工件连同金属夹板、端面挡块一起取下，送往干燥室。
在回转型曲木机中，将软化处理的木材固定在金属夹板上，再放于曲木机工作台上，使其与模具准确定位并夹紧。然后启动机器，使模具转动，便可将工件弯曲成所需要的形状。
（4）干燥定型
在工件弯曲后进行干燥处理，可以降低木材的含水率，除去残余应力，以免回弹，保持弯曲零件尺寸的稳定性。弯曲工件的干燥常采用热空气干燥方法，但是干燥温度不能太高，一般为60～70℃，干燥时间为15～40h。在干燥过程中，弯曲毛料连同模具和金属带固定在定形架上，也可卸去模具和金属带只将弯曲毛料固定在定形架上，以确保弯曲毛料的尺寸稳定；然后送进可以控制温度和湿度的热空气干燥室内。
（5）弯曲零部件的加工
由于方材毛料弯曲后，其加工表面或加工基准已不准确，如果要达到高质量的要求，还需再次加工。其加工方式与方材毛料的加工近似，只是需重新确定基准和型面加工后，根据要求进行铣榫头和开榫眼加工，再进行砂磨修整即可。
2.4.2.2 影响实木弯曲质量的因素
（1）含水率
在木材的纤维饱和点内，木材的弯曲性能随着木材含水率的提高而提高，当木材的密度小时，含水率可适当地大一些（木材的密度小，水分容易排除）。方材弯曲的含水率一般控制在20％～30％。含水率过大，在弯曲过程中，容易造成纤维破裂，并使延长干燥时间。
（2）年轮方向
当木材的年轮层与弯曲面平行时，稳定性好，在较大的压力下，木材也不会发生破坏。但是当年轮层与弯曲面垂直时，在弯曲压力下，年轮层易产生滑移，降低木材的弯曲性能。
（3）木材缺陷
少量木材的缺陷都可能使弯曲件强度有很大的降低，甚至使工件报废。腐朽材不能用，节疤会引起应力集中而产生破坏，节子周围扭曲纹理会在压缩力作用下产生皱缩和裂纹。
（4）软化温度
木材的弯曲性能随温度的提高而提高，但木材的温度过高时，所需的热能加大，增加生产成本，同时也会使木材发生降解，降低木材的强度。在木材加压弯曲前进行软化时，被软化零件的中心必须达到所需温度，表面温度不能急剧下降。软化程度对弯曲质量也有很大的影响，软化过度会破坏木材的某些性质，软化不到位会造成木材刚性强、易开裂等。
（5）弯曲速度
如果弯曲速度太快，由于木材内部结构来不及适应变形，会容易产生废品，如起皱、撕裂等；而弯曲速度太慢，方材易变冷而降，塑性不足，也容易产生裂纹，一般弯曲速度以每秒35°～60°为宜。
（6）毛料的断面尺寸
如果工件的宽度与厚度比较大，在弯曲木材时易失去稳定性，因此在实际生产中可以采用方材毛料的宽度制成倍数毛料的方式，在工件弯曲后再进行剖分加工。薄而宽的毛料，弯曲比较方便、稳定性较好，因此可以将几个毛料同时叠在一起进行弯曲。弯曲时，夹具端面的挡块必须与木材断面尺寸吻合，均匀加压，端面压力适中。