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木工接合基础
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木工接合基础

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发布时间:
2017/11/21
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【摘要】:
铝包木变截面反向搭接工艺门窗  接合作为木工基础性工作,融合了艺术与工程设计的精妙之处。无论是一张简单的桌面还是一个精致的衣橱,或多或少都会从它的接合方式上发现其价值所在:坚固的接合会增加家具的使用寿命,独具匠心的设计和巧夺天工的木艺会让家具看起来精美绝伦。  接合源自于木工们对木料的各种需求,这些需求单靠大自然本身无法得到满足。例如,对树木来说,木纤维的彼此咬合使得枝条自然而牢固

  木工接合基础

  铝包木变截面反向搭接工艺门窗

  接合作为木工基础性工作,融合了艺术与工程设计的精妙之处。无论是一张简单的桌面还是一个精致的衣橱,或多或少都会从它的接合方式上发现其价值所在:坚固的接合会增加家具的使用寿命,独具匠心的设计和巧夺天工的木艺会让家具看起来精美绝伦。
   接合源自于木工们对木料的各种需求,这些需求单靠大自然本身无法得到满足。例如,对树木来说,木纤维的彼此咬合使得枝条自然而牢固地依附在树干上,然而,安装桌腿所需要的却是陡直的90度角,此外,其它如椅子、橱柜、门等等,如果仅以胶粘方式接合,即使其粘合强度大于木纤维自身,也无法承载正常使用状态下施加在它们上面的各种外力(详见下页图)。
   因此,大多数木工接合须辅之以机械强化方面的设计,来抵御这些外力,木工接合工艺于是应运而生了。最简单的接合加固方式,如各类钉子、螺丝、条形榫、饼干榫和圆榫等,只需在工件上钻个孔并在接合部装入上述的木制或金属接合件。通常情况下,这些简单接合方式可以较好地满足结构及审美需求。但多数时候,家具等木工制作对接合强度及美观度提出了更高要求,这就需要对工件的接合部进行锯割之类的加工,加大施胶接合面,实现工件之间的更牢固咬合。
   如下图右侧所示的不贯通式及贯通式榫接,就是通过加大木料纵向纹理的胶合面,提高了工件直角接合的强度。比较来看,不贯通式榫接部分隐藏了工件接合部,贯通式榫接的榫头则贯穿了与其连接的工件,并可以在榫头端部嵌入小木楔,来进一步提高榫接强度。
   最好的木工接合需满足三方面要求:除了上述的提高机械强度、加大胶合面积以外,也须对木料自身的位移有一定的冗余度--即木料含水率发生变化进而导致的膨胀或收缩。下面几页中将对木材吸水性、接合方式选择以及夹具选用等逐一加以介绍。

 

  作用于工件接合部的四种外力

  左图列示了作用于工件接合部的四种基本外力:张力、挤压力、纵向剪应力、扭曲力等。挤压力的作用会使工件接合部向内压紧,而张力的作用恰好相反。例如:以榫槽接合方式安装在箱体上的隔板,负重过大时,会对接合部产生张力;以平拼或搭接等方式接合的两个工件之间,会产生纵向剪应力;木材的弯曲或翘曲则会对接合部产生扭曲力,这也是工件接合部所要承受的却是最难应付的外力。

  木材裁板方式及对应纹理

  科学家们将木材定性为亲水性材料,也就是说,它会吸收周边环境中的水分。从一棵树被砍倒、锯成板材直到制成家具,木材的纤维细刨都会随着周围环境的湿度变化,吸收或释放水分。对木工们来说,这个可以有,但后果很严重:木材吸收水分后会膨胀,排出水分时会收缩,由此产生的工件位移会让多数接合工作成果毁于一旦,例如,歪歪扭扭、只有三条腿着地的椅子,要用九牛二虎之力才能拉开的门,以及呲牙冲你微微笑的相框等等。虽然木材的膨胀收缩运动不可避免,但其不良后果是可以规避的:了解木材的特性,可以让我们更好地因应它的胀缩,从而制作出经久耐用、性能稳定的木工接合。

  年轮是绝大多数树种所具有的共同特征,你可以通过木料表面的年轮纹理分布方式,预测出随着外界湿度变化工件自身会发生怎样的变化。如下图所示,顺应年轮的木料与横跨年轮的木料相比,前者的胀缩幅度要大于后者。因此,原木裁板的方式对木料未来的收缩幅度发生至关重要的影响,同样,也决定了木料的长度、宽度和厚度三维中,哪一方面所受影响最为显著。

  预测木料的胀缩运动。木材的收缩变形幅度并不一致,比较来看,按原木切线方向--平行于年轮--裁下的木料,与按原木轴心放射线方向裁下的木料相比,前者收缩变形幅度是后者的两倍。可以根据这种差异来判断随着含水率变化板材的弯曲变形情况。沿原木轴心放射线方向(或者以纵向四开锯法)裁下的木板,与平行于原木切线方向(或者平锯法)裁下的木板相比,在三个维度上均较后者更稳定、不易变形,这主要得益于其胀缩并没有贯穿板材的整个宽幅。以平锯法裁下的木板,会出现干缩翘边现象,严重时,这种轴、切两方向的不均匀干缩,会使本来方正的工件变成菱形,圆柱形工件变成椭圆形,如右图。

  对原木进行锯裁的两种基本方式(包括了多种由此衍生的方式),其中一种最常用,称为平锯法,即平行于原木切线方向裁板(如左图上面那块板材);另一种不太常用,称为纵向四开锯法,也称平纹锯法,则是垂直于年轮纹路裁板(如左图下面那块板材)。即使上述两种裁板方式所用技术截然不同,但每一种方式总会裁出一些具备另一种方式下纹理特征的板材,例如,以平锯法从原木中心处裁下的木板,从表面纹理看,更像是用纵向四开锯法所裁的。

  以纵向四开锯法裁出的木板,其截面的年轮纹理垂直于木板大面,这种纹理排列方式使木板的三维稳定性较好、不容易变形。木材在年轮切线方向的胀缩变形大约是轴心放射线方向的两倍,因此,纵向四开锯法所裁木板的胀缩变形多集中于板材厚度方面,变形也很小。与之相比,平锯法所裁木板在整个板宽幅度内,都会出现变形。以桌面为例,如以平锯法木板制作,其宽幅胀缩变形会多达2厘米以上,但如以四开锯法木板制作,根据不同树种,其变形仅为6毫米上下。我们可能无法控制家具的使用环境,但可以通过选择不同的接合方式,来抵消木材自身的变形。要按年轮纹理安排好工件的朝向,使其发生胀缩时依然能够彼此贴合,例如,进行角部拼接的两工件的纹理应该彼此平行,这样,它们的胀缩相互协调,不易变形。同理,对以直角榫接来接合的两工件来说,其切面纹理朝向也要彼此配合对齐。

  对纹理不规则的工件要特别留心,以做椅子腿的木方为例,如果从截面上看,贯穿其内部的木材纹理是斜向的,那么,这个椅子腿迟早会发生变形,并拖累椅子的整体框架也发生变形。

  选择最适合的接合方式

  理想的木工接合都力求在形式与功能之间达成完美平衡,即每一个接合部的设计应服从于家具的整体构思,同时,要能有效承受施加于其上的各种外力。

  接合方式的选择通常取决于接合部的功能以及它在家具中所处位置。以柜体板材的对角接合为例,虽然有许多种接合方式可供选择,但由于此类部件的接合往往可从外面看得到(如抽屉),所以更适于用全隐燕尾榫或是直角多榫来接合。从家具的其他部件来看,可选的接合方式更有限了。例如,边框嵌板式柜门就只能选用闭口不贯通榫或半闭口不贯通榫来接合。又如,带圆柱形横撑的椅子则更适于采用圆柱形榫进行拼合组装。

  此外,选择什么样的接合方式与所用木料也有直接关系。本文后续章节中,将详细介绍各种接合方式,以及这些接合方式在实木、胶合板、刨花板等三种板材上的适用度(译者注:本来原文中用一表格对三种板材分别适用何种接合方式进行了对比,因考虑到国内精细木工大都专攻实木,且对国内市场销售的诸如刨花板,胶合板等板材,也实在没必要在上面搞个复杂的榫接什么的,因此决定,那张表格在此略去不译,见谅)。当然,如端边对接这样的简单接合方式,只要对接合部进行强化加固,可适用于任何材料(按一般经验,凡是涉及木料横截面的接合,都需要相应的加固措施)。对于无须额外加固的燕尾榫来说,只适用于实木接合。

  关于木工接合的几个小贴士

  1. 要使用已经充分干燥、其含水率与日常周边环境大体相同的木材。不要使用新近刚裁好的板材,多数情况下,用这样的板材做出的家具组装好以后会干缩变形,麻烦多多啊。

  2. 在设计一件须承载重负荷的家具时,接合部或者接合部各组件要设计得大一些,以提高工件接合强度。例如,采用双榫接合方式可以将负荷分散到更大的接合面上,从而减轻外力对单榫接

  本身的压力。如果受家具设计上的某种局限而无法使用较大的接合,采用若干个较小的接合来分散负荷与压力,也不失为一种好的选择。

  3. 接合部各组件的尺寸比例要恰到好处,例如,榫接中的榫头如果过厚,会削弱与之配套的榫眼强度。

  4. 要根据木料的纹理走向来设计、加工、组合待接合的各工件,以此消减木材胀缩产生的位移。

  5. 加工接合部(如榫头)时,其长度方向应与木材纹理的走向一致。横截纹理的榫头是无法承受剪应力和扭曲力的。

  6. 对于类似燕尾榫类接合,为提高制作精确度,须先在一个工件上加工好榫头,再据其在另一个工件上划出榫尾轮廓线。

  7. 须借助于合适的测量和划线工具来设计工件的接合部,目测的结果十有八九是靠不住的。

  8. 必要时,须采用榫销、圆榫、饼干榫、条形榫等并施以木工胶来加大接合强度。

  工件胶合

  胶合工件接合部的接触面总共需要三步:仔细处理工件接触面、选准适合的木工胶并适量施用、工件施胶后以适用夹具固定好。

  首先,需用台刨或手刨处理工件接合面,要尽可能使之平整、光滑。粗糙接合面上的成百上千的微孔会导致胶合不均匀。同时,要保持工件接合面清洁,油迹、锯末等污垢无疑会降低粘接强度。而一些油性树种例如柚木和檀木中含有的某种精油成分对胶合过程有抑制作用,需在胶合前刨削一下接合面或试装一下接合部组件,就会去除大部分此类物质。

  几个世纪以来一直在用的鱼胶和皮胶等木工胶是用有机物质制造的,而现代的一些木工胶则是化工合成的,其中,间苯二酚和环氧类胶通过化学反应凝结,白胶和黄胶通过其成分中稀释剂的蒸发实现凝结、胶合。多数木工胶会渗入木材内部,将木纤维胶合在一起,形成比木材自身更为牢固的接合。

  施胶时,要在两个待胶合工件的接合面上分别涂胶,在两个接合面上分别涂上一层薄而均匀的木工胶,与仅在其中一个工件上涂上厚厚一层胶相比,前者效果要好的多。尽量不要把手指当做涂胶工具,一套不同尺寸的猪鬃胶刷基本上可以满足各类涂胶工作的需求。其他涂胶工具见下图。

  涂胶后,应立即用木工夹具固定工件,注意要选好夹具固定位置,以防工件出项凸起或凹陷。夹具固定可将工件接合部之间的胶挤压成均匀且极薄的一层,在胶干透之前,应保持夹具的固定状态。

  简单对接

  很显然,在用于拼接板材的各种接合方式中,简单对接是最简便易行的。将两块板材的边缘、端面或大面直接粘合在一起,也可以通过适当方式对接合部进行加固强化,也许它不一定是最牢固的接合方式,但是对很多木工制作来说,譬如将较窄的板材拼接成宽板,或是组装柜体与框架等等,依然是一个非常好的选择。

  简单对接方式的各部件之间没有紧固扣合设计,仅仅代之以胶合来实现接合强度,因此,接合的牢固度取决于接合部各组件之间的纹理排列方式。边边对接、面面对接等木材长纹方向的接合不必采用额外加固措施,而对于其它一些涉及横截面的对接方式,由于接合面较长纹面多孔隙、有效胶合面积小,须进行加固处理。

  钉子和木螺丝可以用来加固接合部,但基于如下两点原因,细木工们一般不愿意这么做:一是需要额外工作来隐藏钉帽或螺丝帽,二是这两种加固方式用于横截面接合时的效果均逊于其它加固方式。当然,在桌子底部支撑框架上钻斜孔以固定桌面时,木螺丝也有其优势所在。

  其它的大多数木工接合都是用圆榫、饼干榫或条形榫来加固的,即使工件接合部无须额外加固,也往往用它们来对齐接合部各组件。从这几种隐蔽式加固方式的制作看,虽然需要一些特殊加工技巧,但安装起来非常简单,可实现工件组装的快速高效以及接合部的牢固美观。

  也有个别的简单对接方式--如蝶形销接合--并没有被刻意设计成隐蔽式的,蝶形销有时会取材于与工件有一定反差的木料,在加固工件的同时,也起到了某种装饰性作用。这种双燕尾销或者说蝶形销,会紧密扣合以边边接合方式拼接的两块板材。蝶形销的制作需要耐心细致,较耗时,不过,桌面制成品上一组扣合严密、外形美观的蝶形销也会令人感到赏心悦目的。

  最后一种美观与效能兼备的加固方式是用长螺杆对使用频率较高的诸如切菜板、工作台面、橱柜台面等进行接合加固。这种方式适用于板件的夹胶拼合,在室内湿度发生变化时,紧固螺杆可以起到稳形作用。

  同时,本章也将逐一介绍圆榫、饼干榫和条形榫等的使用方法。上图为一个用于精确钻斜孔的商用辅助工具。

  对接接合方式的种类

  通常来说,很少能找到足够宽的板材直接用于桌面或柜体制作,找到足够厚的板材直接用于桌腿等工件制作也不是一件容易事儿。即使能找到这样的板材,也常常贵得离谱,于是,木工们只能采取将板材胶合在一起的方法来克服上述不利因素。较窄的板材被边对边地拼合成宽板,桌腿料也可通过板材的面对面拼合方式加工出来。这些待拼合板材的接合面要光滑、平整,并要采用合适的施胶和夹具紧固技巧,这样才会有牢固耐用的接合效果。实际上,对边边对接或面面对接方式而言,如果加工组装精细,将比木纤维本身的结合更为牢固。

  进行边边接合前,需对待拼合板材进行预排,这样,拼合后的板件大面才会更美观,由此造成一种幻觉,即这是一整块板材而不是几块拼合出来的。为避免拼合板件翘曲变形,多数木工们在拼合板材时,使相邻板材的横截面纹理曲线朝向相反,并用铅笔在各板材的横截面上标示出纹理曲线走向,以免搞错。

  上图:台刨等木工拼缝机械可以加工出平滑、笔直且均匀的板材边缘,这些板材夹胶拼合在一起,牢固耐用程度较整块原木板毫不逊色。

  边边胶合对接

  1. 施胶。将两个轨道式夹具平置于工作台上,再将待拼合板材放在夹具上,必要时,可以使用多个轨道式夹具,间距 60-90 厘米,以达到更佳固定效果。放置夹具时,须夹口朝上将轨道嵌入带槽夹具定位木方(用于定位夹具间距,可自制)的槽口内。接下来,对待拼合板材进行预排,一方面提高大面的美观度,另一方面确保相邻板材的横截面纹理曲线朝向相反。然后,用铅笔在预排好后的版面上划一个大三角形,用于稍后胶合时的重新定位。下一步,找两个至少与待拼合板材等长的木条,作为夹具与工件之间的护垫。施胶时,第一块板材大面朝下平放,其他板材侧缘朝上、三角形标识朝外立放于夹具轨道上。之后,在各板材边缘涂一薄层木工胶,用胶刷抹匀。

  2. 紧固夹具。将所有板材大面朝下平置于夹具轨道上,确认各板材横截面和三角形标识线均对齐。旋紧板材下方的轨道式夹具夹紧工件,在工件上方中线处再用另一轨道式夹具夹紧,紧固夹具是,应以各板材拼合处没有缝隙、且有木工胶从接缝处挤出为度。如果出现个别板材与相邻板材表面未对齐的情形,可用一只G形木工夹在接缝处压紧找齐(上图内嵌图)。G形夹与工件之间应衬木垫块及蜡纸,防止损伤工件表面或垫块与工件表面粘合。

  面面胶合对接

  将板材面对面对接时,待接合各板材的尺寸应留出冗余,这样,如胶合过程中出现板材滑动位移,也可进行后续刨削修正。面对面预排好各板材,注意相邻板材的横截面纹理曲线朝向相反,同时,侧边的颜色和纹路应尽量吻合,确保最佳的整体拼合效果。然后,在接合面涂木工胶,用 G形夹固定。固定时,要从近板端处开始,以 7-10 厘米的间距安放 G 形夹,G 形夹与工件之间应衬木垫块,防止损伤工件表面,稍微旋紧 G 形夹夹合各板材。接下来,翻转工件,使已安放的 G 形夹弓部朝下平放,在工件另一边再安放一排 G 形夹。最后,逐一旋紧所有 G 形夹,直至各板材之间无缝隙且有木工胶从接缝处挤出。

  三种简单对接接合方式的夹固技巧

  涉及横截面的对接。如下两图所示对接都涉及到横截面,因此请采用本章后文所述的圆榫、饼干榫或条形榫等对接合面进行额外加固处理。紧固方法:接合面涂胶后,用轨道式夹具固定。对于箱体式对接(左下图),要用轨道式夹具从侧边板端处加以固定,夹具轨道应靠紧工件表面,以保证接合处归方;对于框架式对接(右下图),将轨道式夹具平放在带槽夹具定位木方上,轨道嵌入定位木方槽口内,将待拼合板材大面朝向平稳置于夹具上,再施胶、夹紧,旋紧夹具时,要用手扶住板材确保接合平整方正。采用上述两种紧固方式,都须在夹具与工件之间衬木垫块以保护工件表面。

  边面胶合对接的夹固方式。如右图,轨道式夹具的基本操作同上,不同的是,必要时要多用几个夹具,做到工件的“无缝”对接。

  用通长螺杆加固简单对接

  通长螺杆是加固工作台面板、厨房案板等胶合拼接工件的一种有效方式,不仅有助于对齐各拼接工件,也可以降低因季候性湿度变化导致工件变形或开裂现象。

  在其中一块工件的接合面上标志出三个孔的位置,其中两个孔分别位于距工件两端几英寸,另外一个孔位于工件正中间,上述三个孔的圆心距工件两侧边的距离应相等。在台钻上安装钻头,其直径略大于螺杆直径。将该工件平放在钻台上,找两块平直木料,一块边缘置于工件侧边作为靠山,另一块置于工件前端作为挡块,调整工件位置,使钻头尖部正对一端孔的圆心,用夹具将靠山和挡块固定好。接下来,以这个钻位将各工件端部的孔逐一钻好后,调整挡板位置,逐一完成各工件中间孔的钻孔工作。对位于最外侧的两工件上的孔应做沉孔处理,以容纳螺母。然后,在三条通长螺杆的一端分别拧入一个螺母,再用锤子和钉冲将螺杆此端面敲扁(防止螺母松脱)。将各工件在工作台上预排好,在结合面施胶并用胶刷涂均,压合各工件,保持各工件横截面对齐,将三条螺杆加装垫圈后分别穿入工件孔内,预紧螺母,并用轨道式夹具固定。最后,旋紧所有螺母。

用圆榫加固简单对接