一种提高木材激光雕刻时切槽深度一致性的加工工艺

技术领域

本发明属于木材加工技术领域，具体涉及一种提高木材激光雕刻时切槽深度一致性的加工工艺。

背景技术

木质浮雕具有形态美观、结实、易于长期保存等优点，备受人们的欢迎。其制作方法主要有人工刀具雕刻、自动化机械雕刻和模具打印等。属于传统的接触式加工其都有各自的优缺点。人工刀具雕刻浮雕虽然形态精美、细腻，但雕刻品质主要取决于工人的技能水平，加工时间较长、效率低，适合小批量的生产。自动化机械雕刻具有速度快、幅面大等优势，适合大批量生产。但雕刻质量因受刀具尺寸的限制，微小结构的雕刻很难实现。模具打印效率是三种方法中最高的，但模具需要提前制作，当浮雕形貌要做微小的修改时，需重新定制模具，时间长、成本高、灵活性弱。

木材的激光雕刻是一种很有潜力的加工新技术。木材激光雕刻加工的基本原理是利用高能量密度的激光束转化为热能，瞬时引起木材热分解和炭化，从而去除部分材料。激光雕刻是在木材的表面加工出要求的图案、花纹和文字等，并且激光雕刻由于不需要切透工件，故所需的能量相对较小。激光雕刻是非接触式加工方法，与传统机械加工方法相比具有无木屑污染、无刀具磨损也不需更换刀具、无噪声污染(噪声很低)等优点。激光雕刻头聚焦透镜将激光聚焦至一个很小的光斑，激光束焦点位于待加工表面附近，用以熔化或汽化被加工材料，与此同时，与光束同轴的气流由切割头喷出，将熔化或汽化了的材料由切口底部吹出，即可得到完整的雕刻图样。

目前，对木材进行激光雕刻时，由于木材中木质素纤维密度的差异，使得木材在进行激光雕刻时，表层木材在激光高温下发生碳化的程度不同，木质纤维密度不同的部位，碳化层厚度出现厚薄差异，使得木材在激光作用下出现的切槽深度不同，从而造成木材表面激光雕刻形成的图样，切槽深浅不一，导致图样的表面凹凸不平，光滑性较差，同时也使得雕刻图样的美观性降低。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中木材激光雕刻时存在的问题，提供了一种木材在激光雕刻加工前的处理工艺，通过对木材进行加工处理，使得木材在激光雕刻时，图样切槽的深浅一致性得到提升，从而使得雕刻形成的图样光滑性得到提升，同时也提升了图样的美观性。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种提高木材激光雕刻时切槽深度一致性的加工工艺，具体工艺如下：

1）将待加工的木材用325#砂纸进行打磨去除表面的毛刺，吹去表面的浮屑后，放入温度为25-28℃，相对湿度为60-65%的恒温恒湿环境下处理40-45h，调整木材的含水率为10-15%，将木材取出后进行微波处理，微波频率为10-20GHz，微波功率为50-100kW，处理时间50-100s，备用；本发明中，通过对木材进行微波处理，可以使木材产生大量宏观和微观的裂纹，从而使得木材的渗透性得到提升，有助于后续真空渗透处理时，处理液中的有效成分可以快速渗入到木材中；

2）按照质量体积比为5-10:1g/ml，将称取的酒石酸梯钾溶于去离子水中，以130-160r/min搅拌溶解，然后按照酒石酸梯钾质量的0.04-0.08%，加入聚乙烯吡咯烷酮，继续搅拌至完全溶解，然后向混合液中加入适量的硫代乙酰胺，控制酒石酸梯钾与硫代乙酰胺的摩尔比为1:2，继续搅拌30-40min，得到处理液，将经过处理的备用木材在常温下置入真空-加压浸渍机，抽真空至50-80Pa，然后注入处理液对木材进行浸渍1-2h，最后加压至1.5-3.5MPa，保压处理2-3h，泄压后将木材取出，60-70℃真空干燥6-8h后置于聚四氟乙烯内衬反应釜中，密封后在180-185℃下加热处理16-18h，得到预处理木材；本发明中，利用酒石酸梯钾作为锑源，硫代乙酰胺作为硫源，通过采用真空-加压浸渍处理的方法，将制备的处理液渗入到木材中，并且通过加压保压处理，使得处理液可以渗入并聚集在木材的深处，使得木材的浅表面层中不含有处理液中的有效成分，再经过高温热处理，渗入到木材中的处理液生成硫化锑纳米颗粒，并且随着热处理时间的增长，硫化锑纳米颗粒之间发生团聚现象，从表面生长出一些网状结构，并且随着硫化锑纳米颗粒的逐渐减少，网状结构不断生长，从而在木材的深层处形成致密的网状硫化锑薄膜，形成的硫化锑薄膜可以作为衬底，使得纳米颗粒在薄膜表面堆积，从而形成纳米颗粒层，并且由于有硫化锑薄膜的存在，使得纳米颗粒在向木材中渗入时遇到薄膜后即停止渗入，从而使得纳米颗粒在木材中的渗入深度受到控制，从而有助于提升纳米颗粒在木材中分布的均匀性，使得木材中的纳米颗粒层呈均匀等厚度分布；

3）按照混合液质量的2-5%，将称取的纳米氧化锌加入到六氟钛酸铵和硼酸组成的混合液中，控制混合液中六氟钛酸铵的浓度为0.03-0.04mol/L，硼酸的浓度为0.15-0.18mol/L，在4-6℃下反应5-8min，经过离心洗涤后烘干，在500-550℃下退火处理1-2h，得到氧化锌/二氧化钛核壳纳米颗粒，然后按照聚乙二醇溶液质量的4-7%，将得到的纳米颗粒超声分散于质量浓度为10-15%的聚乙二醇溶液中，300-400W超声处理20-25min，得到浸渍液，将预处理木材在常温下置入真空-加压浸渍机，抽真空至50-80Pa，然后注入处理液对木材进行浸渍2-3h，最后加压至3-4MPa，保压处理2-3h，泄压后将木材取出，60-70℃真空干燥5-8h后备用；本发明中，通过将纳米氧化锌加入到六氟钛酸铵和硼酸组成的混合液中，通过高温处理，得到氧化锌为核，二氧化钛为壳的复合纳米颗粒，然后通过真空-加压浸渍处理，以聚乙二醇溶液作为溶剂，将纳米颗粒渗入到木材中，并在木材中形成纳米颗粒层；

4）将经过处理的备用木材放入微波等离子体装置中，进行渗氮处理，工作气压为0.1-0.3Pa，渗氮气氛为Ar-NH

本发明相比现有技术具有以下优点：

本发明中，通过真空加压浸渍处理，在木材内部构建形成硫化锑薄膜，并在薄膜上堆积形成纳米颗粒层，当木材在进行激光雕刻时，激光产生的高温使得纳米颗粒层的致密性的到提高，从而制得纳米颗粒层的阻隔效果得到增强，可以有效的阻隔并消耗激光产生的高温热量，使得纳米颗粒层下表面的木质纤维不会发生碳化，纳米颗粒层上表面的木质纤维的碳化深度在达到纳米颗粒层后即停止，从而使得木材在激光雕刻时，产生的切槽深度近乎相同，使得木材的雕刻深度一致性得到提升，从而使木材表面雕刻的图样，深浅一致，光滑性提升，并且图样的美观性也得到提高，而且，本发明中，通过调控真空-加压渗透处理时的压力以及处理时间，可以调控纳米颗粒层在木材中的深浅位置，从而实现木材表面图样的深浅得到调控。

具体实施方式

下面结合具体实施方法对本发明做进一步的说明。

实施例1

一种提高木材激光雕刻时切槽深度一致性的加工工艺，具体工艺如下：

1）将待加工的木材用325#砂纸进行打磨去除表面的毛刺，吹去表面的浮屑后，放入温度为25℃，相对湿度为60%的恒温恒湿环境下处理40h，调整木材的含水率为10%，将木材取出后进行微波处理，微波频率为10GHz，微波功率为50kW，处理时间50s，备用；

2）按照质量体积比为5:1g/ml，将称取的酒石酸梯钾溶于去离子水中，以130r/min搅拌溶解，然后按照酒石酸梯钾质量的0.04%，加入聚乙烯吡咯烷酮，继续搅拌至完全溶解，然后向混合液中加入适量的硫代乙酰胺，控制酒石酸梯钾与硫代乙酰胺的摩尔比为1:2，继续搅拌30min，得到处理液，将经过处理的备用木材在常温下置入真空-加压浸渍机，抽真空至50Pa，然后注入处理液对木材进行浸渍1h，最后加压至1.5MPa，保压处理2h，泄压后将木材取出，60℃真空干燥6h后置于聚四氟乙烯内衬反应釜中，密封后在180℃下加热处理16h，得到预处理木材；

3）按照混合液质量的2%，将称取的纳米氧化锌加入到六氟钛酸铵和硼酸组成的混合液中，控制混合液中六氟钛酸铵的浓度为0.03mol/L，硼酸的浓度为0.15mol/L，在4℃下反应5min，经过离心洗涤后烘干，在500℃下退火处理1h，得到氧化锌/二氧化钛核壳纳米颗粒，然后按照聚乙二醇溶液质量的4%，将得到的纳米颗粒超声分散于质量浓度为10%的聚乙二醇溶液中，300W超声处理20min，得到浸渍液，将预处理木材在常温下置入真空-加压浸渍机，抽真空至50Pa，然后注入处理液对木材进行浸渍2h，最后加压至3MPa，保压处理2h，泄压后将木材取出，60℃真空干燥5h后备用；

4）将经过处理的备用木材放入微波等离子体装置中，进行渗氮处理，工作气压为0.1Pa，渗氮气氛为Ar-NH

实施例2

一种提高木材激光雕刻时切槽深度一致性的加工工艺，具体工艺如下：

1）将待加工的木材用325#砂纸进行打磨去除表面的毛刺，吹去表面的浮屑后，放入温度为26℃，相对湿度为62%的恒温恒湿环境下处理43h，调整木材的含水率为12%，将木材取出后进行微波处理，微波频率为15GHz，微波功率为100kW，处理时间80s，备用；

2）按照质量体积比为8:1g/ml，将称取的酒石酸梯钾溶于去离子水中，以150r/min搅拌溶解，然后按照酒石酸梯钾质量的0.05%，加入聚乙烯吡咯烷酮，继续搅拌至完全溶解，然后向混合液中加入适量的硫代乙酰胺，控制酒石酸梯钾与硫代乙酰胺的摩尔比为1:2，继续搅拌35min，得到处理液，将经过处理的备用木材在常温下置入真空-加压浸渍机，抽真空至60Pa，然后注入处理液对木材进行浸渍1.5h，最后加压至2.0MPa，保压处理2.5h，泄压后将木材取出，65℃真空干燥7h后置于聚四氟乙烯内衬反应釜中，密封后在182℃下加热处理17h，得到预处理木材；

3）按照混合液质量的3%，将称取的纳米氧化锌加入到六氟钛酸铵和硼酸组成的混合液中，控制混合液中六氟钛酸铵的浓度为0.035mol/L，硼酸的浓度为0.16mol/L，在5℃下反应8min，经过离心洗涤后烘干，在520℃下退火处理1.5h，得到氧化锌/二氧化钛核壳纳米颗粒，然后按照聚乙二醇溶液质量的5%，将得到的纳米颗粒超声分散于质量浓度为12%的聚乙二醇溶液中，350W超声处理23min，得到浸渍液，将预处理木材在常温下置入真空-加压浸渍机，抽真空至60Pa，然后注入处理液对木材进行浸渍2.5h，最后加压至3.5MPa，保压处理2.5h，泄压后将木材取出，65℃真空干燥6h后备用；

4）将经过处理的备用木材放入微波等离子体装置中，进行渗氮处理，工作气压为0.2Pa，渗氮气氛为Ar-NH

实施例3

一种提高木材激光雕刻时切槽深度一致性的加工工艺，具体工艺如下：

1）将待加工的木材用325#砂纸进行打磨去除表面的毛刺，吹去表面的浮屑后，放入温度为28℃，相对湿度为65%的恒温恒湿环境下处理45h，调整木材的含水率为15%，将木材取出后进行微波处理，微波频率为20GHz，微波功率为100kW，处理时间100s，备用；

2）按照质量体积比为10:1g/ml，将称取的酒石酸梯钾溶于去离子水中，以160r/min搅拌溶解，然后按照酒石酸梯钾质量的0.08%，加入聚乙烯吡咯烷酮，继续搅拌至完全溶解，然后向混合液中加入适量的硫代乙酰胺，控制酒石酸梯钾与硫代乙酰胺的摩尔比为1:2，继续搅拌40min，得到处理液，将经过处理的备用木材在常温下置入真空-加压浸渍机，抽真空至80Pa，然后注入处理液对木材进行浸渍2h，最后加压至3.5MPa，保压处理3h，泄压后将木材取出，70℃真空干燥8h后置于聚四氟乙烯内衬反应釜中，密封后在185℃下加热处理18h，得到预处理木材；

3）按照混合液质量的5%，将称取的纳米氧化锌加入到六氟钛酸铵和硼酸组成的混合液中，控制混合液中六氟钛酸铵的浓度为0.04mol/L，硼酸的浓度为0.18mol/L，在6℃下反应8min，经过离心洗涤后烘干，在550℃下退火处理2h，得到氧化锌/二氧化钛核壳纳米颗粒，然后按照聚乙二醇溶液质量的7%，将得到的纳米颗粒超声分散于质量浓度为15%的聚乙二醇溶液中，400W超声处理25min，得到浸渍液，将预处理木材在常温下置入真空-加压浸渍机，抽真空至80Pa，然后注入处理液对木材进行浸渍3h，最后加压至4MPa，保压处理3h，泄压后将木材取出，70℃真空干燥8h后备用；

4）将经过处理的备用木材放入微波等离子体装置中，进行渗氮处理，工作气压为0.3Pa，渗氮气氛为Ar-NH

对比例1：去除工艺步骤1），其余与实施例1相同。

对比例2：去除工艺步骤2），其余与实施例1相同。

对比例3：去除工艺步骤3）中的六氟钛酸铵和硼酸组成的混合液，其余与实施例1相同。

对比例4：去除工艺步骤4），其余与实施例1相同。

对照组：木材不做任何处理。

测试实验

选择三倍体白毛杨作为试验材料，试件尺寸为100mmx20mmx10mm，采用实施例1-3以及对比例1-4和对照组提供的工艺方法对试件进行加工处理，然后采用JQD-V型激光雕刻机，该机床采用CO

通过上述试验结果可知，本发明提供的工艺方法，不仅可以对木材进行激光雕刻时的切槽深度进行调控，而且可以使切槽深度的一致性得到提升，从而使木材表面雕刻的图样，深浅一致，光滑性提升，并且图样的美观性也得到提高。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。