在现代木材加工技术中，改变木纤维的结构组合形式构造高强度结构型木橡胶是工业生物材料研究的一个重要方向(Konnerth et al.，2008)。木材细胞壁具有很好的抗压性能，木材材料还具有各向异性，是综合了相容性、弹性、高压缩比、透气性等特点的多功能原材料(马岩，2005；2002)。目前欧洲很多国家仍然坚持使用木材作为铁轨枕木，火车运行平稳而且能够减小噪音(Blach et al.，2004)。减震过程中要求木材有一定强度和抗压性能，现在国内外多采用人造橡胶和塑料泡沫代替木材进行缓震和减震，同时也有利用金属橡胶代替天然橡胶的研究(Maekawa et al.，1993)。马岩(2001)借用金属橡胶制备的理念，用木材材料构思近似橡胶材料。木材主要由纤维素、半纤维素、木质素基本分子链结构单元组成，具有较高的刚性和柔性，具备橡胶材料的特征(马岩，2003)。本研究以微米木纤维为基材，利用冷硫化和复合材组构理论，采用热压模具定型加工出具有高弹性的JN型微米木纤维减震器。

近年来，人们逐渐意识到塑料对自然环境的危害，加上天然橡胶的数量越来越少，因此，各种代替塑料和橡胶材料的生产技术得到快速发展。在塑料和橡胶诞生之前，木材就被广泛应用在阻尼震荡场合(王晓伟等，2010)。本文提出的JN型微米木纤维减震器采用的微米木纤维的厚度是微米级的，其工艺过程如下：以密度为0.439 g ·cm^-3、含水率为12% ~15%的小兴安岭红松(Pinus koraiensis)作为试验材料，选用东北林业大学林业与木工机械工程中心的微米长细丝切削机为加工试验设备(任长清等，2005)，切削出的微米长细丝厚度均在90 μm以下，平均厚度可达到52 μm，此时微米长细丝已达到木纤维的形态，非常柔软(Yoshioka et al.，2003)，见图 1和图 2。此过程消除了木材细胞壁本身具有的碟簧效应，去除木材细胞腔内物质，采用模具进行重压缩，木纤维进一步被压缩时不会产生弹性恢复，而且因木纤维间存在分子力，可相互吸附得更加紧密，形成高压缩比和回弹特性的木橡胶(杨冬霞等，2012)。这种微米木纤维压制成的木橡胶承重性和减震性优于原来木材料(Jäge et al.，2011)。

	图 1 加工后微米长细丝形态 Fig. 1 The forms of micron-sized long filaments after processing

	图 2 粉碎后的微米木纤维形态 Fig. 2 The micron-sized wood fiber form after smashing

JN型微米木纤维减震器研制的难点是模具的加工(图 3)。为提高JN型微米木纤维减震器模具的合模精度，使其在数控机床上只由一次定位装夹完成，在数控机床中存入JN型微米木纤维减震器的各个型号和尺寸的程序，以相同的加工过程和加工工艺制造出JN型微米木纤维减震器各型号、尺寸对应的模具，实现同类JN型木橡胶减震器模具在数控机床或数控加工中心上的加工(韩森和等，2008)。采用JN型微米木纤维减震器模具的数控加工技术，在同一机床上能够加工出不同尺寸、高精度的JN型微米木纤维减震器产品的上下模具(马岩等，2013)。通过这种现代数控加工技术，开发出JN型微米木纤维减震器的模具，实现JN型微米木纤维减震器的大规模工业化生产。

	图 3 JN型微米木纤维减震器三维造型 Fig. 3 The three-dimensional modeling of JN-type micron-sized wood fiber shock absorber

在立体几何中，任何形状的几何体都是由点、线、面3要素构成的。根据点、线、面的位置关系建立空间坐标系，对于规则的形体可以通过空间解析几何点、线、面的位置关系表达式进行数学描述，对于不规则的形体可以通过微元化进行描述(王文波，2006)。JN型微米木纤维减震器造型数学模型建立在假设基础上，并利用适当的数学工具来刻划各空间变量间的数学关系，建立相应的数学结构模型(许海深，2005)。

1)假设JN型微米木纤维减震器为理想形状(图 4)，把此理想形状的上部近似地看作标准梯形台，中间的圆孔为标准的圆柱，梯形台的数学模型由包络面约束建立立体模型，中间圆柱形则可以借鉴圆柱面数学模型方程进行建模。利用几何图形的相关性，再利用3D绘出立体造型模型，然后可以根据减震器的形状要求进行修正。

	图 4 梯形台与标准圆柱孔的坐标系与三维造型 Fig. 4 The coordinate system and three-dimensional modeling of trapezoidal platform and standard cylindrical hole

2)假设JN型微米木纤维减震器的底座是矩形与半圆弧的组合，中间有斜圆台形孔，此孔与上部梯形台圆孔连接构成中间的通孔结构。这个模型的数学建模很复杂，采用与假设相似的方法进行数学建模。

3)假设JN型微米木纤维减震器数控加工机床坐标系、加工坐标系与JN型微米木纤维减震器数学模型的坐标系、坐标轴相互平行方向一致，以简化数学建模和加工参数的设定工作。

4)根据JN型微米木纤维减震器的实际位置以及刀具加工机构，设定主要加工方向，选取JN型微米木纤维减震器下部底座中心为坐标原点(图 5)，再利用三维建模软件给出立体造型模型。

	图 5 底座的坐标系与三维造型 Fig. 5 The coordinate system and three-dimensional modeling of the base

一个JN型微米木纤维减震器由上部的梯形台和下部的底座2部分组成，2部分的造型差异很大。减震器的上部分由规则的梯形台和标准的中心孔构成，中心孔用标准的圆柱公式表达，而梯形台由外表面包络法建立数学模型。底座由矩形和圆弧组成的座和斜圆柱台孔构成，分别用包络法建立数学模型(Yan et al.，2007)。JN型微米木纤维减震器造型的几个主要参数如下：中心圆柱孔半径为r，高度为H-H′；梯形台上正方形边长一半为a，下正方形边长一半为A，高为H-h；底座矩形台长的一半为B，宽的一半为C，圆弧半径为r′，圆弧圆心到坐标原点距离为b，矩形台高h；斜圆柱台上表面圆的半径为r，下表面圆的半径为R，高为H′。由于其结构高度对称，只需研究其1/4外形，具体结构如图 6所示。

	图 6 JN型微米木纤维减震器的坐标系与三维造型 Fig. 6 The coordinate system and three-dimensional modeling of JN-type micron-sized wood fiber shock absorber

把JN型微米木纤维减震器的上部看作是规则的梯形台与圆柱孔的组合，根据加工方向，设JN型微米木纤维减震器的长度方向为y向，宽度方向为x向，高度方向为z向。由于整个模型的对称性，只对第一象限的造型进行建模。

JN型微米木纤维减震器梯形台的数学模型如下：

式中： H为JN型微米木纤维减震器整体高度；h为矩形台高；a为梯形台上正方形边长； A为下正方形边长；x为JN型微米木纤维减震器的宽度方向变量；y为JN型微米木纤维减震器的长度方向变量；z为JN型微米木纤维减震器的高度方向变量。

JN型微米木纤维减震器梯形台内部圆柱孔的数学模型如下：

式中： H为JN型微米木纤维减震器整体高度；H′为斜圆柱孔的高度；r为上圆柱孔的半径；x为JN型微米木纤维减震器的宽度方向变量；y为JN型微米木纤维减震器的长度方向变量；z为JN型微米木纤维减震器的高度方向变量。

上述2个模型表达式构成理想JN型微米木纤维减震器上部包络空间，确定了H，h，a，A，H′，r和定位尺寸之间的关系，由曲面和平面组成的7个面，包络形成JN型微米木纤维减震器上部分的数学模型。

把JN型微米木纤维减震器的底座看作是矩形台、半圆弧和倾斜的圆柱孔构成，根据加工方向，建立与3.1节所述相同的坐标系。

JN型微米木纤维减震器底座矩形台的数学模型如下：

式中： B为底座矩形台长的一半；C为宽的一半；h为矩形台高。JN型微米木纤维减震器底座圆弧的数学模型如下：

JN型微米木纤维减震器底座小矩形面的数学模型如下：

式中： B为底座矩形台长的一半；b为圆弧圆心到坐标原点距离；h为矩形台高。

JN型微米木纤维减震器底座斜圆柱孔的数学模型如下：

式中： r为斜圆柱孔最上面圆的半径； R为斜圆柱孔最下面圆的半径；H′为斜圆柱孔的高度。

综上所述，公式构成理想JN型微米木纤维减震器底座的包络空间，确定了B，C，h，b，r，R，H′和定位尺寸之间的关系，由曲面和平面组成的9个面，包络形成JN型木橡胶减震器底座的数学模型。因此可得到需要的JN型微米木纤维减震器数学模型。

JN型微米木纤维减震模具由上下2个模具组成，上下模具有截然不同的2个造型(马岩等，2008)，上模具由一个规则的梯形台凹模和一个标准的中心圆柱凸模构成，下模具包含一个矩形与半圆弧组成的凹模和一个斜圆柱台形的凸模(Gao，2008)，如图 7所示。根据JN型微米木纤维减震器的外形得到模具的造型结构(田光辉等，2009)。JN型微米木纤维减震器模具造型过程中主要有以下几个参数控制：中心圆柱孔直径为r，高度为H-H′；梯形台上正方形边长为a，下正方形边长为A，高为H；底座矩形台长的一半为B，宽的一半为C，圆弧半径为r′，圆弧圆心到坐标原点距离为b，矩形台高h；圆柱台上表面圆的半径为r，下表面圆的半径为R，高为H′。

	图 7 JN型微米木纤维模具上下模三维造型 Fig. 7 The three-dimensional modeling of the upper and lower mold of JN-type micron-sized wood fiber mold

利用Matlab软件对JN型微米木纤维减震器进行仿真，生成JN型微米木纤维减震器的用户界面如图 8所示。将数学方程输入计算机，得到所示的图像，仿真结果验证数学建模方程的通用性和准确性，为JN型微米木纤维减震器模具的数控加工提供有力的依据(杨明等，2004)。本项研究建立的通用仿真模型，输入JN型微米木纤维减震器的尺寸参数后，获得所需的仿真模型。可见，JN型微米木纤维减震器形状的仿真非常容易实现，所得到的仿真图形符合减震器实用的要求，验证了所建立JN型微米木纤维减震器数学模型具有通用性和精确性，为微米木纤维减震器发展提供重要的理论依据。

	图 8 JN型微米木纤维减震器仿真系统用户界面 Fig. 8 The simulation system user interface figure of JN-type micron-sized wood fiber shock absorber

目前适用于各类机械设备的JN型橡胶减震器是按照JN-100，JN-130，JN-180共3种型号供应的，橡胶减震器使用者只能按3个不同的型号购买橡胶减震器(Salmen et al.，2009)。本研究设计的仿真系统可以增加消费者选择范围，只要能给出JN型微米木纤维减震器的型号尺寸，本研究的系统就可以对其外形进行仿真，并可经过加工得到一系列的减震器，用户可以根据需要选择产品，在很大程度上降低了选择的盲目性，既能保证JN型微米木纤维减震器的工作要求，又可以减少资源的浪费。与此同时，木橡胶将会被更多的人认可，离可再生资源替代化石资源又进一步，达到了可持续发展的目的。因此，针对不同消费者的选购特点，进行JN型微米木纤维减震器参数的实测采集，依此制作JN型微米木纤维减震器是有意义的。

计算机自动生成的表格计算出JN型微米木纤维减震器的形状参数，计算机中那些数据的采集是从试验数据得出的(Sun et al.，2004)。通过这些计算机辅助系统给出JN型微米木纤维减震器外形的最大尺寸、最小尺寸、外形中心到上表面尺寸、外形中心到底座下表面等尺寸，有了这些参数就可以通过计算机仿真技术把它模拟出来，依此制造作出满足消费者需求的JN型微米木纤维减震器。

试验用油泥制作模具，经由备料—筛选—拌胶—模压—加热保压—卸模—校验—成品过程制作出简易的JN微米木纤维减震器成品(图 9)。试验结果进一步证明了本研究理论的可行性。

	图 9 微米木纤维减震器成品 Fig. 9 Micron-sized wood fiber shock absorber finished produc

微米木纤维原材料的细胞壁是弹性的，外力挤压下除去了木材细胞内部的空腔，木材细胞的结构被破坏，消除了空腔内胶液和节子等对微米木纤维减震器强度的影响(Bergander et al.，2000)。木纤维之间具有相互吸引力，经过模压过程后，形成高压缩比、高弹性的近似于橡胶性能的微米木纤维基材，为微米木纤维减震器的制造和成型提供了有利条件。

试验结果表明，样品的密度在0.91～1.36 g ·cm^-3之间，质量在1.4～2.0 kg之间，小于1 kg的微米木纤维减震器密度太低，大于2 kg的微米木纤维减震器密度达不到要求的柔软度，按规定工艺的参数制备试验样品，易达到密度分布要求。微米木纤维压制的减震器符合安全性的要求，并且具有抗水性，在水中浸泡24 h不会变形。

同一个模具制备的JN型微米木纤维减震器，在靠背尺寸上存在误差，主要是由于不同的模压密度，导致卸模时不同的回弹体积，密度随体积变大而减小，同时还与纤维形态、温度、保温时间等因素有关，保压时间的加长会减小尺寸上的误差。

1)本文阐述了微米木纤维的加工方法及应用前景，木材由于细胞的结构本身具有抗震性和缓震性，由木材变为纤维再变为被压缩成体的减速器后，其具有更高的压缩比、更高的弹性和更广泛的使用范围。

2)JN型微米木纤维减震器模具的生产由传统加工改为数控机床或者数控加工中心加工，这种加工方式提高了生产效率和加工精度，同时提高了JN型微米木纤维减震器的精度，简化了模具仿真数据处理，使JN型微米木纤维减震器模具投入到规模化工业生产中成为可能。

3)本文为JN型微米木纤维减震器的数控加工提供了数学模型和仿真方法，用包络法和规则几何体建模法对JN型微米木纤维减震器建立了数学模型。通过对仿真效果的分析，可以确定数学模型具有一定的通用性和准确性，适用于不同尺寸型号JN型微米木纤维减震器的数学建模和仿真。

4)JN型微米木纤维减震器的研究，是木制品行业木橡胶减震器数学描述加工过程的开始，通过本项目研究，可以推进木橡胶减震器在减震器行业研究的发展，为JN型微米木纤维减震器数控加工机床及数控系统的研制与开发提供理论依据。